[論文レビュー] Mobile Touchless Fingerprint Recognition: Implementation, Performance and Usability Aspects

Jannis Priesnitz, Rolf Huesmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2021

User Authentication and Security Systems参考文献 31被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、市販部品を用いた完全自動化されたスマートフォンベースのタッチレス指紋認証システムを提示している。このシステムは、接触なしのバイオメトリクス認証を可能にし、制御された条件下でタッチベースのシステムと同等の性能を達成している。また、衛生面の懸念から、ユーザーはタッチレス方式を好む傾向にあり、研究用に公開されたコードと1,360サンプルの新しいデータベースを提供している。

ABSTRACT

This work presents an automated touchless fingerprint recognition system for smartphones. We provide a comprehensive description of the entire recognition pipeline and discuss important requirements for a fully automated capturing system. Also, our implementation is made publicly available for research purposes. During a database acquisition, a total number of 1,360 touchless and touch-based samples of 29 subjects are captured in two different environmental situations. Experiments on the acquired database show a comparable performance of our touchless scheme and the touch-based baseline scheme under constrained environmental influences. A comparative usability study on both capturing device types indicates that the majority of subjects prefer the touchless capturing method. Based on our experimental results we analyze the impact of the current COVID-19 pandemic on fingerprint recognition systems. Finally, implementation aspects of touchless fingerprint recognition are summarized.

研究の動機と目的

• 市販部品を用いた完全自動化されたスマートフォンベースのタッチレス指紋認証システムの開発。
• 制御された状態と制約のない状態の下でのタッチレスキャプチャのバイオメトリクス的性能の評価。
• タッチレス方式とタッチベース方式の両方の指紋キャプチャにおけるユーザーの好みと使いやすさの評価。
• 特にCOVID-19パンデミック中に顕著になる衛生上の懸念が、指紋認証システムの採用に与える影響の分析。
• 今後の研究のための公開実装とデータベースの提供。

提案手法

• Androidアプリケーションを用いて、スマートフォンのリアカメラを用いて4本の指の完全自動キャプチャを実施。
• 制限された環境条件と制限のない環境条件の下で、タッチレス指紋をキャプチャするためのボックスベースおよび tripodeベースのセットアップを採用。
• オープンソースのアルゴリズムを用いて画像前処理、セグメンテーション、特徴点抽出を実施し、特徴ベクトルを生成。
• 性能評価と相互運用性テストのため、標準化された特徴点ベースのマッチングアルゴリズムを採用。
• スマートフォンのディスプレイを用いた品質評価と視覚フィードバックを統合し、ユーザーがキャプチャ中にガイドラインに従えるように支援。
• 複数の指のバイオメトリクス統合により、認識精度の向上を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スマートフォンベースのタッチレス指紋認証システムは、従来のタッチベースシステムと同等の性能を達成できるか？
• RQ2 環境要因の変動（制御された状態 vs. 制約のない状態）は、タッチレスキャプチャの認識精度にどのように影響するか？
• RQ3 タッチレス方式とタッチベース方式の両方におけるユーザーの好みと使いやすさの体験はいかがなっているか？
• RQ4 特にCOVID-19パンデミック中に顕著になる衛生上の懸念は、指紋認証システムの採用にどのように影響するか？
• RQ5 実際の運用において、タッチレスとタッチベースの指紋サンプル間の相互運用性はどの程度達成可能か？

主な発見

• 制御された条件下で、タッチレス指紋認証システムは等誤差率（EER）5.36％を達成し、タッチベースの基準と同等の性能を示した。
• 制約のない三脚セットアップでは、制御されたボックスセットアップに比べて性能が劣った。これは、環境要因が認識精度に影響を及ぼすことを示している。
• 複数の指のバイオメトリクス統合により、タッチレスおよびタッチベースの両方のセットアップで認識性能が著しく向上した。
• タッチレスとタッチベースのサンプル間の相互運用性は、わずかな性能低下を除いて維持されており、モダリティ間の互換性が確認された。
• 使いやすさの研究では、ユーザーの大多数が衛生上の懸念からタッチレス方式を好んだほか、全体的なユーザー体験も良好であったと報告した。
• 長めの爪がセグメンテーションに干渉するため、1件のキャプチャ失敗（FTA）が確認された。これは、前処理段階での爪検出の改善が求められることを示唆している。