Método y sistema para reconocimiento de personas por análisis biométrico de manos.

La invención permite el reconocimiento automático de personas mediante comparaciones cruzadas de la imagen de las manos derecha e izquierda de un individuo, en un proceso de cinco etapas: En la primera, se toman imágenes colocando las manos separadas, abiertas en tensión, sobre una plataforma adecuada con dos cámaras. La segunda etapa procesa las imágenes y define un sistema de referencia propio de cada mano. En la tercera etapa, se establece una serie de descriptores robustos determinados por un conjunto de características invariantes que involucran ambas manos. La cuarta realiza la verificación e identificación del individuo usando un banco de datos que comprende múltiples patrones de las dos manos de cada usuario. La quinta etapa proporciona las señales e información de salida. Su aplicación industrial directa está en ámbitos de control de asistencia y acceso a zonas que precisan verificación o identificación personal con requisitos de cortos tiempos de respuesta

Método y sistema para reconocimiento de personas por análisis biométrico de manos.

Campo técnico de la invención

La presente invención se enmarca dentro del ámbito de la visión por ordenador y específicamente en la aplicación de los sistemas de reconocimiento personal biométricos.

El sistema y método que aquí se describe es aplicable en el control de acceso de personas a edificios públicos (ministerios, aeropuertos, etc), a viviendas particulares, empresas u organizaciones, a zonas restringidas o a servicios reservados por razón de su peligrosidad, seguridad o privacidad.

Igualmente, la invención se aplica a casos de control de asistencia al puesto de trabajo en empresas u organismos públicos, donde se debe realizar la verificación o identificación de determinadas personas que estén autorizadas a acceder a estos espacios por diversas razones (residentes, empleados, clientes, personal de mantenimiento, policía, bomberos, personal especializado, etc.) o que tengan obligación de acceder a los mismos (empleados, funcionarios, alumnos, etc.).

Dentro del sector financiero, esta invención puede emplearse para verificar directamente y asegurar con precisión la identidad de una cierta persona, cuyas características identificativas están almacenadas en una tarjeta con una clave de usuario para acceso a los servicios de la banca electrónica. En este caso, no se realiza una comparación con el resto de individuos de la base de datos (identificación del usuario), sino con los datos almacenados que corresponden exclusivamente al individuo cuya identidad se reclama (verificación del usuario).

También, en el sector de la informática y las comunicaciones electrónicas, la validación a través de las manos puede ser fácilmente aplicada para proporcionar seguridad con un control de acceso a información o utilización de recursos y servicios telemáticos.

Antecedentes de la invención

La biometría es la disciplina que se dedica a la identificación de individuos a partir de características anatómicas o rasgos del comportamiento. Una característica anatómica tiene la cualidad de ser relativamente estable a lo largo del tiempo, mientras que un rasgo del comportamiento es menos estable, ya que depende de la psicología de la persona. Atendiendo a esto último, existen dos tipos de biometría. La biometría estática utiliza técnicas basadas en la anatomía de la persona mientras que la biometría dinámica utiliza técnicas basadas en el comportamiento de la persona.

Un sistema biométrico es un sistema automatizado que realiza labores de biometría, es decir, el sistema fundamenta sus decisiones de reconocimiento mediante una característica personal que puede ser identificada o verificada de manera automatizada. Actualmente existe un conjunto de tecnologías biométricas basadas en diferentes características: voz, iris, huella dactilar, mano, morfología facial, firmas manuscritas, etc.

Particularmente, las tecnologías de sistema biométricos de reconocimiento del usuario basadas en sus manos están logrando un especial interés en los últimos años en diversos ámbitos de aplicación tales como acceso a edificios, aeropuertos, zonas restringidas, plantas nucleares, estadios, etc. Es sabido que una de las ventajas de estos sistemas frente a sistema alternativos - reconocimiento por iris, huellas digitales, caras, etc. - es que son capaces de mantener un funcionamiento en línea debido al relativo bajo costo computacional del proceso. Además, suelen ser sistemas bien aceptados por el usuario y de fácil uso, implantación y mantenimiento.

Dentro del proceso de reconocimiento del usuario, hay que distinguir si interesa, dependiendo de la aplicación del sistema biométrico, realizar un procedimiento de identificación del usuario o bien una verificación del mismo o ambos procesos.

La identificación del usuario que realiza un sistema biométrico trata de responder a la pregunta: quién es la persona X?; es decir, obtener información de una persona de la que se desconoce su identidad. Este tipo de comparación se denomina uno a muchos (1:N), puesto que para proceder a la identificación de una persona es necesario comparar las características biométricas de la misma con las de todas las personas almacenadas en una base de datos.

Con el procedimiento de verificación, el sistema biométrico trata de responder a la pregunta: es ésta persona la persona X?, es decir, una persona reclama tener una determinada identidad y el sistema debe verificar que es cierto. Este tipo de comparación se denomina uno a uno (1:1), ya que únicamente se comparan las características biométricas de una persona con las de la persona que dice ser.

Dentro de la literatura científica y en concreto sobre la biometría basada en manos, se describen diversos sistemas. Siempre se analiza una sola mano, indistintamente derecha o izquierda, utilizando la imagen de la mano para definir un conjunto de características, que pueden estar basadas en su geometría, en la geometría de los dedos, en los surcos de la palma de la mano, en el contorno de la mano, en los nudillos de los dedos, en la geometría tridimensional, etc. El proceso de registro de las imágenes de una mano es habitualmente realizado utilizando dispositivos que cuentan con un conjunto de pequeños pivotes que controlan la posición de la mano. Una vez colocada la mano debidamente, se pueden tomar imágenes de las partes posterior (palma), anterior (opuesta a la palma), o incluso el canto de la mano, para luego realizar un proceso de extracción de características. Así, los sistemas biométricos que realizan identificación de manos existentes hoy en día en el mercado están diseñados para trabajar aplicados sólo para una mano, extrayendo las características biométricas directamente sobre la propia imagen de la mano, de la que se requiere una colocación muy precisa por parte del usuario.

En este tipo de sistemas que llevan a cabo el análisis biométrico de una única mano (derecha o izquierda) o de dedos o partes de dedos de la mano para hacer el reconocimiento (verificación o identificación) del usuario, se pueden encontrar varios inconvenientes no resueltos hasta la fecha:

Descripción de la invención

La invención que aquí se describe viene a resolver la problemática anteriormente expuesta, en todos y cada uno de los aspectos expuestos, concibiendo un método y sistema de reconocimiento de usuarios que puede efectuar las funciones de identificación y verificación personal de forma óptima, reduciendo las probabilidades de error al mínimo al utilizar imágenes de las dos manos del usuario, derecha e izquierda y capturadas de una manera que resulta fácil para el usuario, para realizar un análisis biométrico rápido a la vez que eficaz según se describe a continuación.

El método de reconocimiento de personas por análisis biométrico de manos que constituye un aspecto de la presente invención comprende las siguientes cinco etapas:

Etapa 1): Captación de al menos una imagen de la mano izquierda y de la derecha, que recoge todo el contorno de ambas manos de una persona (que aquí podemos llamar persona de entrada al sistema y de quien se requiere el reconocimiento de su identidad: identificación o verificación). Pueden registrarse una o más imágenes mediante una o varias cámaras, normalmente dos -una enfocada a cada mano-, de modo que se obtienen sendos contornos y de la parte superior (opuesta a las palmas) de las dos manos.

Etapa 2) Procesado digital de las imágenes, que en la etapa anterior pueden ser captadas por cámaras digitales o analógicas, para extraer una función...

1. Método de reconocimiento de personas por análisis biométrico de manos caracterizado porque comprende las siguientes etapas:

2. Método según reivindicación 1, caracterizado porque en la etapa 1) las imágenes son captadas por al menos una cámara que encuadra la parte opuesta a la palma de sendas manos de la persona.

3. Método según reivindicación 2, caracterizado porque en la etapa 1) se captan imágenes de ambas manos separadas, con los dedos pulgares enfrentados y dispuestas de modo que toda la superficie de las manos quede dentro del encuadre de al menos una cámara.

4. Método según reivindicación 3, caracterizado porque en la etapa 1) se captan imágenes de las dos manos en posición completamente extendidas, en estado de tensión y con los dedos dispuestos de forma natural.

5. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque las imágenes captadas son convertidas a un formato digital.

6. Método según reivindicación 5, caracterizado porque en la etapa 2) se realiza una binarización y un filtrado de las imágenes.

7. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque se establece un Sistema de Referencia Natural (SRN) propio de cada mano, derecha e izquierda de una misma persona, determinado a través de las posiciones de los dedos medio y pulgar de la mano en posición completamente extendida, definiendo un eje vertical (Y) del Sistema de Referencia Natural (SRN) a través del esqueleto del dedo medio y un eje horizontal (X) del Sistema de Referencia Natural (SRN), perpendicular al ejes vertical (Y), que pasa por el punto del dedo pulgar más lejano a dicho eje vertical (Y), quedando un origen de coordenadas (O) del Sistema de Referencia Natural (SRN) definido en el punto de corte de dichos ejes horizontal y vertical (X, Y).

8. Método según reivindicación 7, caracterizado porque en la etapa 2) se extrae para cada mano, izquierda y derecha, una cadena de puntos (l), ordenada, perteneciente al contorno de la mano entre dos puntos extremos, (x_max,0) y (x_min,0), de coordenada vertical igual 0 en el Sistema de Referencia Natural (SRN).

9. Método según reivindicación 8, caracterizado porque en la etapa 2) la cadena de puntos (l) es muestreada a un número (n) determinado de pixeles equidistantes para obtener una cadena de puntos normalizada (l_n) de igual tamaño para todas las imágenes de manos captadas.

10. Método según reivindicación 9, caracterizado porque en la etapa 2) se determina un conjunto de puntos de control (P₁, ... P₁₃), para cada mano, izquierda y derecha, utilizando una representación polar de la cadena de puntos normalizada (l_n) y que pertenecen a la función (f) unidimensional.

11. Método según reivindicación 10, caracterizado porque el conjunto de puntos de control (P₁, ... P₁₃) es definido sobre la función de módulos de la representación polar de la cadena de puntos normalizada (l_n) y comprende los siguientes puntos de control (P₁, ... P₁₃):

puntos máximos relativos (P₁, P₂, P₃, P₄) de la función de módulos,

puntos medios (P₅, P₆, P₇, P₈, P₉, P₁₀) de la función de módulos que intersectan con una recta que es la función promedio de todos los valores de los módulos, y

puntos mínimos relativos de la función de módulos (P₁₁, P₁₂, P₁₃).

12. Método según cualquiera de las reivindicaciones 10 ó 11, caracterizado porque en la etapa 2) los puntos de control (P₁, ... P₁₃) son definidos en el Sistema de Referencia Natural (SRN) sobre las imágenes de cada mano, izquierda y derecha.

13. Método según cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado porque en la etapa 3) el conjunto de las características biométricas comprende unas características biométricas (l₁, ..., l₁₄) que se definen según las siguientes expresiones:

Característica 1 (l₁): l₁ = overline{P₁P₁₁}

Característica 2 (l₂): l₂ = overline{P₂P₁₂}

Característica 3 (l₃): l₃ = overline{P₃P₁₂}

Característica 4 (l₄): l₄ = overline{P₄P₁₃}

Característica 5 (l₅): l₅ = overline{P₅P₆}

Característica 6 (l₆): l₆ = overline{P₇P₈}

Característica 7 (l₇): l₇ = overline{P₉P₁₀}

Característica 8 (l₈): l₈ = overline{P₁₁P₁₃}

Característica 9 (l₉): l₉ = overline{P₁P₁₃}

Característica 10 (l₁₃): l₁₀ = overline{P₁P₄}

Característica 11 (l₁₃): l₁₁ = overline{P₄P₁₁}

Característica 12 (l₁₃): l₁₂ = ?le(P₃OP₂

Característica 13 (l₁₃): l₁₃ = ?le(P₂OP₁

Característica 14 (l₁₄): l₁₄ = ?le(P₄OP₃

donde overline{PP'} es la distancia entre unos puntos (P, P')

14. Método según reivindicación 13, caracterizado porque en la etapa 4) se realiza una comparación cruzada de características biométricas de las dos manos, izquierda y derecha de la persona, mediante una Medida de Similitud Normalizada definida por la expresión:

quadG_q,k es la suma de catorce valores normalizados en el intervalo [0,1]; es la mínima distancia i-ésima para los patrones almacenados en la base de datos (B) del individuo k-ésimo, siendo d_i(M, M') = |l_i(M) l_i(M')|, i = 1, 2, ... 14. la distancia euclídea entre características de ambas manos;

quad110 y son respectivamente la mínima y máxima distancia i-ésima en la base de datos (B);

quad es la media de G_q,k para la comparación de las manos del individuo k-ésimo con todas las manos de la base de datos y es la desviación estándar de dicha media.

15. Método según reivindicación 14, caracterizado porque en la etapa 4) se realiza una verificación del usuario mediante el cálculo de la Medida de Similitud Normalizada para todas las posibilidades de comparación entre las manos izquierda y derecha de la persona de entrada, expresadas como G(R_q, R_k), G(R_q, L_k), G(L_q, R_k) y G(L_q, L_k), con los patrones almacenados para la persona usuario en la base de datos (B), expresada como un conjunto B = {(R^j_q, L^j_q), j = 1..h,q =1..r} donde h es el número de patrones y r el número de usuarios, R se refiere a la mano derecha y L a la mano izquierda.

16. Método según reivindicación 15, caracterizado porque se compara cada Medida de Similitud Normalizada calculada G(R_q, R_k), G(R_q, L_k), G(L_q, R_k) y G(L_q, L_k) con un umbral prefijado y se determina un resultado de la verificación del usuario en función de dicha comparación.

17. Método según reivindicación 16, caracterizado porque se determina un resultado de la verificación del usuario para cada comparación que es una función se selecciona entre: aceptable si G(M_q, M_k) < µ y rechazable si G(M_q, M_k) =q µ, siendo µ el umbral prefijado y (M_q, M_k) cualquier pareja de manos comparada, izquierda o derecha indistintamente, M in {R,L} .

18. Método según reivindicación 17, caracterizado porque se determina un resultado final de la verificación del usuario que es positivo si se obtiene un resultado aceptable para al menos una de las comparaciones entre G(M_q, M_k) y el umbral µ.

19. Método según reivindicación 18, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal que transmite información relativa al resultado final de la verificación del usuario.

20. Método según cualquiera de las reivindicaciones 16 a 19, caracterizado porque el umbral p se fija empíricamente correspondiendo al valor de Tasa de Igual Error EER, en el que la Tasa de Falso Rechazo FRR es igual a la Tasa: de Falso Acierto FAR.

21. Método según cualquiera de las reivindicaciones 14 a 20, caracterizado porque en la etapa 4) se realiza una identificación del usuario mediante el cálculo de un promedio de la Medida de Similitud Normalizada para cada una de las cuatro posibilidades de comparación entre las dos manos, izquierda y derecha, de la persona de entrada con los patrones de todas las personas usuario almacenados en la base de datos (B).

22. Método según reivindicación 21, caracterizado porque se determina un resultado final de la identificación del usuario que es positivo si se obtiene al menos un promedio entre los cuatro resultados de todas las comparaciones G(R_q, R_k), G(R_q, L_k), G(L_q, R_k) y G(L_q, L_k) que no supera un límite dado, siendo q=1,...U, donde U es el número total de usuarios para los que hay patrones almacenados en la base de datos (B).

23. Método según reivindicación 22, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal que transmite información relativa al resultado final de la identificación del usuario.

24. Método según cualquiera de las reivindicaciones 22 ó 23, caracterizado porque se elige una lista de candidatos que comprende la identificación de las personas usuario para cuyo promedio en las comparaciones G(R_q, R_k), G(R_q, L_k), G(L_q, R_k) y G(L_q, L_k) con la persona de entrada no supera el límite y está dentro de un rango dado.

25. Método según reivindicación 24, caracterizado porque la lista de candidatos comprende un candidato óptimo que corresponde a la persona usuario para la que el promedio de alguna de las cuatro comparaciones G(R_q, R_k), G(R_q, L_k), G(L_q, R_k) y G(L_q, L_k) con la persona de entrada es el mínimo con respecto a todos los promedios calculados.

26. Método según cualquiera de las reivindicaciones 24 ó 25, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal que transmite información relativa a la lista de candidatos ordenada.

27. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal de actualización de la base de datos (B) si el resultado del reconocimiento del usuario.

28. Método según reivindicaciones 18 y 27, caracterizado porque la señal de actualización de la base de datos (B) contiene información relativa del conjunto de características biométricas correspondiente al último caso en que el resultado final de la verificación es positivo.

29. Método según reivindicación 28, caracterizado porque la señal de actualización de la base de datos (B) se transmite a la base de datos (B) para un número predeterminado de casos en que el resultado final de la verificación es positivo, preferentemente cinco.

30. Método según reivindicación 29, caracterizado porque la información en la base de datos (B) según una pila FIFO.

31. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal de actuación que se envía a al menos un elemento de accionamiento de un dispositivo externo.

32. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal de información horaria que contiene los datos relativos al instante temporal en que se realiza el reconocimiento del usuario.

33. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque en la etapa 5) se genera una señal de alerta que se selecciona entre visual, sonora o ambas, indicadora del resultado del reconocimiento del usuario.

34. Sistema de reconocimiento de personas por análisis biométrico de manos, caracterizado porque comprende los siguientes elementos:

35. Sistema según reivindicación 34, caracterizado porque la envolvente (5) consiste en una caja de caras internas negras, con una cara inferior en la que se sitúan las dos cámaras (1) y una cara superior a la que se incorpora una plataforma transparente (3) destinada a que el usuario coloque las manos.

36. Sistema según reivindicación 35, caracterizado porque la envolvente (5) tiene una tapa negra abatible que actúa en una posición abierta de panel antirreflectante (4) y proporciona un fondo oscuro a las imágenes captadas por las cámaras (1).

37. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 34 a 36, caracterizado porque las cámaras (1) son analógicas.

38. Sistema según reivindicación 37, caracterizado porque la interfaz (7) se selecciona entre conversores analógico a digital externos al ordenador (8) o tarjetas digitalizadoras incluidas en el ordenador (8).

39. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 34 a 38, caracterizado porque las cámaras (1) son CCD.

40. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 33 a 39, caracterizado porque los medios de iluminación difusa (2) comprenden a menos un tubo fluorescente recubierto de papel difusor.