Мультимодальные биометрические системы аутентификации

Мультимодальные биометрические системы аутентификации — один из способов улучшения точности распознавания в биометрии. Основная идея заключается в комбинировании нескольких методов унимодальной аутентификации для уменьшения количества ошибок.

Биометрия является одним из способов распознавания людей по физическим или поведенческим особенностям^[1]. Данная область нашла своё применение в системах аутентификации и поиска людей (например, преступника по отпечаткам пальцев). В данной статье будет рассматриваться только первая область использования. Преимущество данного подхода по сравнению с классическими ключами и паролям состоит в том, что эти особенности нельзя потерять или забыть. А также их достаточно сложно подделать.

Различают два вида биометрических систем аутентификации: унимодальные — те, которые используют только одну особенность человека, и мультимодальные — использующие комбинацию унимодальных. В ходе различных исследований^[2][3] было показано, что использование мультимодальных методов аутентификации позволяет увеличить точность работы биометрических систем аутентификации^[4][5][6].

Задача мультимодальной аутентификации состоит из нескольких этапов:

1. Получить результаты из отдельных систем.
2. Произвести нормализацию этих результатов.
3. Осуществить процедуру слияния^[6] нормированных составляющих.

Таким образом, получается результат, который имеет такой же вид, как если бы производилась унимодальная аутентификация. При этом он содержит в себе информацию от всех составных частей мультимодальной модели.

Первым этап не является сложным в реализации, так как аутентификацию по отдельным системам можно производить одновременно. Например, можно просить пользователя одновременно зафиксировать палец на сканере отпечатков и произвести сканирование сетчатки глаза. Дальнейшие шаги же выполняются внутри общей системы.

Данный подход позволяет значительно увеличить уровень безопасности систем аутентификации^[7]. В нем используется уже не одна характеристика человека, а несколько, что усложняет задачу подделки биометрических данных. Также существенным является то, что такие системы не только с большей точностью выявляют злоумышленников, но и имеют меньшее количество отказов для зарегистрированных пользователей (то есть более высокий True Positive Rate). Данное качество позволяет в значительной степени повысить качество решений в сфере аутентификации.

Необходимость этой части обусловлена тем, что при слиянии обычно происходит суммирование (часто с весами) результатов работы унимодальных методов аутентификации. Они представляют собой числа, которые при нормировке в шкалу [0, 1] интерпретируются как вероятность того, что пользователь имеет запрашиваемый им доступ. Таким образом, необходимо стандартизировать их перед слиянием, чтобы эффективно произвести процедуру слияния^[8].

Данный метод позволяет отобразить сырые оценки на отрезок ${\displaystyle [0,1]}$. При этом преобразование сохраняет форму исходного распределения. ${\displaystyle min(S)}$ и ${\displaystyle max(S)}$ являются граничными значениями для модели ${\displaystyle S}$, должны поставляться поставщиком соответствующей унимодальной системы. Формула имеет вид:

${\displaystyle n={\dfrac {s-min(S)}{max(S)-min(S)}}}$, ${\displaystyle n\in [0,1]}$.

Данный метод приводит значения к распределению со средним равным нулю и среднеквадратичным отклонением равным единице. Если значения исходного распределения известны, то это позволяет без каких-либо проблем использовать данный метод. Однако если этой информации нет, то можно посчитать их с помощью обучающей выборки, которую мы используем для обучения нашей модели. Данное решение может быть не оптимальным, если в выборке присутствуют выбросы, так как получается смещённая оценка^[8]. Метод описывается следующим выражением:

${\displaystyle n={\dfrac {s-mean(S)}{std(S)}}}$, где ${\displaystyle mean(n)=0}$, ${\displaystyle std(n)=1}$.

Данный метод относят к так называемым надёжным статистическим методам^[9][10]. В отличие от описанного выше подхода устойчив к выбросам и большим хвостам распределения, что делает его более сильным и надёжным инструментом нормализации. Формула имеет вид:${\displaystyle n={\dfrac {1}{2}}*(tanh(0.01*{\dfrac {s-mean(S)}{std(S)}})+1)}$

Внешние изображения
	Перекрытие распределений пользователя и злоумышленника.. На графике geniune - истинное распределение, impostor - выдающее себя за истинное.[11]

Ошибки аутентификации обусловлены тем, что истинное распределения и распределения самозванца перекрываются^[12]. Данная область перекрытия описывается двумя характеристиками: центром ${\displaystyle c}$ и шириной ${\displaystyle w}$. Основная идея данного подхода нормализации — увеличить различия между двумя этими распределениями путём уменьшения этого перекрытия, что позволит уменьшить вероятность ошибок.

Общий вид всех методов адаптивной нормализации:

${\displaystyle n_{AD}=f(n_{MM})}$, где ${\displaystyle n_{MM}}$ − результат нормализации методом Min-Max, а ${\displaystyle f}$ функиция отображения.

Существует несколько видов функций отображения для адаптивной нормализации, которые будут описаны ниже.

Внешние изображения
	График функции Two-Quadric.. По оси абсцис отложены результаты нормализации с помощью Min-Max, по оси ординат - результаты действия функции Two-Quadric. На графике хорошо видно, что использование данной функции нормализации позволяет развести два распределения друг от друга.[11]

Представляет собой функцию, вторая производная которой меняет знак в точке ${\displaystyle c}$.

${\displaystyle n_{AD}={\begin{cases}{\dfrac {1}{c}}*n_{MM}^{2},\quad n_{MM}<c\\c+{\sqrt {(1-c)(n_{MM}-c)}},\quad n_{MM}>c\end{cases}}}$

По форме график функции схож с графиком функции Two-Quadrics.

${\displaystyle n_{AD}={\dfrac {1}{1+A*e^{-B*n_{MM}}}}}$, где ${\displaystyle A={\dfrac {1}{d}}-1}$, ${\displaystyle B={\dfrac {ln(A)}{c}}-1}$.В выражениях для ${\displaystyle A}$ и ${\displaystyle B}$ символ ${\displaystyle d}$ обозначает константу, которая выбирается чаще всего малым числом (часто значением 0.01). При этом легко видеть, что ${\displaystyle f(0)=d}$.

В данном случае зона перекрытия остаётся неизменной (на графике это видно по линейному участку в центре). За её пределами используется Two-Quadrics функция отображения.

${\displaystyle n_{AD}={\begin{cases}{\dfrac {1}{c-{\dfrac {w}{2}}}}*n_{MM}^{2},\quad n_{MM}<(c-{\dfrac {w}{2}})\\n_{MM},\quad (c-{\dfrac {w}{2}})<n_{MM}<(c+{\dfrac {w}{2}})\\(c+{\dfrac {w}{2}})+{\sqrt {(1-c-{\dfrac {w}{2}})(n_{MM}-c-{\dfrac {w}{2}})}},\quad n_{MM}>(c+{\dfrac {w}{2}})\end{cases}}}$

После того, как результаты работы отдельных алгоритмов аутентификации прошли через процесс нормировки, необходимо объединить их^[15]. Для этого существует ряд способов слияния. Первые три из перечисленных далее являются классическими. Последние два более сложные за счёт того, что они используют логику того, что какие-то методы аутентификации являются более важными, а какие-то менее важными.

Введём обозначения для дальнейших определений. Пусть ${\displaystyle n_{i}^{m}}$ — нормализованный выход метода ${\displaystyle m}$ (${\displaystyle m=1,2,...,M}$) для пользователя ${\displaystyle i}$ (${\displaystyle i=1,2,...,I}$). В данном случае ${\displaystyle M}$ — число унимодальных методов, используемых в мультиимодальном, а ${\displaystyle I}$ — число пользователей в базе данных.

Простое суммирование для пользователя нормализованных результатов всех аутентификаторов.

${\displaystyle f_{i}=\sum _{m\mathop {=} 1}^{M}n_{i}^{m}}$

Выбирает минимум среди всех нормализованных результатов аутентификатора для данного пользователя.

${\displaystyle f_{i}=min(n_{i}^{1},n_{i}^{2},...,n_{i}^{M})}$

Выбирает максимум среди всех нормализованных результатов аутентификатора для данного пользователя.

${\displaystyle f_{i}=max(n_{i}^{1},n_{i}^{2},...,n_{i}^{M})}$

Данный метод слияния основан на использовании Equal Error Rate^[19] (EER). Эта функция ошибки делает оценку ROC-кривой. Обозначим EER для метода ${\displaystyle m}$ как ${\displaystyle e^{m}}$ ${\displaystyle (m=1,2,...,M)}$. Тогда весом для метода ${\displaystyle m}$ будет ${\displaystyle w^{m}}$.

${\displaystyle w_{m}={\dfrac {1}{\sum _{m\mathop {=} 1}^{M}{\dfrac {1}{e^{m}}}}}*{\dfrac {1}{e^{m}}}}$

При этом из формулы ясно, что для всех ${\displaystyle m}$ верно ${\displaystyle 0}$ ≤ ${\displaystyle w^{m}}$ ≤ ${\displaystyle 1}$, а также, что ${\displaystyle \sum _{m\mathop {=} 1}^{M}w^{m}=1}$. Важным моментом является ещё и то, что чем выше значение ошибки ${\displaystyle e^{m}}$, тем ниже соответствующий весовой коэффициент ${\displaystyle w^{m}}$. Таким образом, более точные методы, будут вносить больший вклад в финальную оценку.

Финальная формула имеет вид:

${\displaystyle f_{i}=\sum _{m\mathop {=} 1}^{M}{w^{m}*n_{i}^{m}}}$

Данный метод отличается от предыдущего тем, что мы производим взвешивание методов для каждого пользователя индивидуально. Изначально этот способ слияния был более сложным с точки зрения вычислений^[20]. Позднее на его основе была предложена схема, уменьшающая число операций, которая и будет описана в этом разделе.

Обозначим вес для метода ${\displaystyle m}$ для пользователя ${\displaystyle i}$ как ${\displaystyle w_{i}^{m}}$.

Рассмотри более детально, как вычислить искомы вес ${\displaystyle w_{i}^{m}}$. Данный способ слияния берёт за основу концепцию волка-овцы^[21]. Обозначим за овец пользователей, данные которых могут быть легко подделаны. Волками напротив обозначим пользователей, которые легко имитируют других клиентов. Как волки, так и овцы уменьшают эффективность работы процесса аутентификации, так как обе эти группы приводят к ложным срабатываниям.

Для того, чтобы использовать данный подход для мультимодального случая, необходимо ввести метрику lambness для каждой пары ${\displaystyle (i,m)}$. Она показывает, насколько пользователь ${\displaystyle i}$ является овцой в рамках метода ${\displaystyle m}$ При её подсчёте предполагается, что параметры среднего и стандартного отклонения для подлинного распределения и распределения самозванцев известны. Для получения lambness происходит вычисление d-prime метрики^[22], которая показывает, насколько различимы два распределения (в нашем случае истинное и поддельное). Обозначим для пары пользователь-метод ${\displaystyle (i,m)}$ среднее и стандартное отклонения подлинного распределения как ${\displaystyle \mu _{i,gen}^{m},\sigma _{i,gen}^{m}}$, для поддельного ${\displaystyle \mu _{i,n}^{m},\sigma _{i,n}^{m}}$ соответственно. В данном случае индексы gen и imp обозначают genuine и impostor соответственно. ${\displaystyle d_{i}^{m}={\dfrac {\mu _{i,p}^{m}-\mu _{i,n}^{m}}{\sqrt {\sigma _{i,p}^{m}-\sigma _{i,n}^{m}}}}}$.

При этом легко видеть, что чем меньше значение ${\displaystyle d_{i}^{m}}$, тем в большей степени пользователь является овцой для некоторых волков. Это обусловленно тем, что в данном случае наблюдается сильное перекрытие распределений.

И, наконец, все готово для подсчёта весов для пользователя ${\displaystyle i}$:

${\displaystyle w_{i}^{m}={\dfrac {1}{\sum _{m\mathop {=} 1}^{M}d_{i}^{m}}}*d_{i}^{m}}$.

Формула слияния с полученными весами имеет вид:

${\displaystyle f_{i}=\sum _{m\mathop {=} 1}^{M}w_{i}^{m}*n_{i}^{m}}$

В ходе исследований^[23][24] мультимодальных систем аутентификации было показано, что использование комбинации нескольких методов превосходят по качеству работы унимодальные системы. Причем прирост достигается даже при комбинировании с топовыми унимодальными системами. В некоторых случаях это может помочь снизить стоимость итоговой архитектуры за счет использования простых методов.

Также было показано^[18], что в приложениях, где происходит постоянный приток новых людей (например, аэропорты), наиболее подходящая комбинация — это нормализация Min-Max и слияние Simple Sum. Если же работа происходит с ограниченным кругом лиц (например, лаборатория или офис), то наилучшая комбинация — это адаптивная нормализация Quadric-Line-Quadric и слияние User Weighting. Основная причина разницы результатов для двух случаев в том, что при работе с одними и теми же пользователями происходит постоянное повторение съёмов биометрических данных, что позволяет собирать их и аккумулировать в алгоритмы. Аналогичные результаты были получены также и в других исследованиях^[25][26]. Описанные случаи являются исчерпывающими и описывают все возможные примеры использования систем аутентификации.

При решении прикладных задач стоит стоит пробовать различные комбинации методов создания мультимодалных систем. Это обусловленно тем, что из-за различий в том, какие унимодальные методы используются, какая аппаратура осуществляет аутентификацию и каких образом происходил сбор данных для обучения мультимодальной системы, результаты могут сильно отличаться от представленных в различных исследованиях. Однако в качестве базового решения стоит в первую очередь пробовать именно описанные выше.