[논문 리뷰] Biometric Matching and Fusion System for Fingerprints from Non-Distal Phalanges

Mehmet Kayaoğlu, Berkay Topçu외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 15.

Biometric Identification and Security참고 문헌 24인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 거친 끝지부(중간 및 근위지부)의 미세형상 특징을 활용하여 품질이 열 劣한 또는 이용할 수 없는 끝지부 지문 이미지 상황에서도 신원 확인 정확도를 향상시키는 생체인식 지문 매칭 및 융합 시스템을 제안한다. 50명, 1600장의 이미지로 구성된 데이터베이스를 바탕으로 단순 합, NFIQ 기반, 지부 유형 기반의 세 가지 융합 전략을 적용한 결과, 특히 끝지부 지문이 사용 불가능한 경우에 인식 성능이 크게 향상되었으며, 생체인식 모odalities를 변경하는 것과 비교해 저비용으로 구현 가능한 실용적인 대안을 제공한다.

ABSTRACT

Market research indicates that fingerprints are still the most popular biometric modality for personal authentication. Even with the onset of new modalities (e.g. vein matching), many applications within different domains (e-ID, banking, border control...) and geographies rely on fingerprints obtained from the distal phalanges (a.k.a. sections, digits) of the human hand structure. Motivated by the problem of poor quality distal fingerprint images affecting a non-trivial portion of the population (which decreases associated authentication accuracy), we designed and tested a multifinger, multiphalanx fusion scheme, that combines minutiae matching scores originating from non-distal (ie. middle and proximal) phalanges based on (i) simple sum fusion, (ii) NFIQ image-quality-based fusion, and (iii) phalanx-type-based fusion. Utilizing a medium-size (50 individuals, 400 unique fingers, 1600 distinct images) database collected in our laboratory with a commercial optical fingerprint sensor, and a commercial minutiae extractor & matcher (without any modification), allowed us to simulate a real-world fingerprint authentication setting. Detailed analyses including ROC curves with statistical confidence intervals show that the proposed system can be a viable alternative for cases where (i) distal phalanx images are not usable (e.g. due to missing digits, or low quality finger surface due to manual labor), and (ii) switching to a new biometric modality (e.g. iris) is not possible due to economical or infrastructure limits. Further, we show that when distal phalanx images are in fact usable, combining them with images from other phalanges increases accuracy as well.

연구 동기 및 목표

• 실세계 응용에서 품질이 열 劣한 끝지부 지문 이미지가 신원 확인 정확도에 악영향을 미치는 문제를 해결하기 위해.
• 중간 및 근위지부의 미세형상 특징을 신뢰할 수 있는 생체인식 자료로 활용할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 이미 존재하는 상용 지문 매칭 시스템을 수정하지 않고도 다수의 손가락과 지부를 융합하여 인식 성능을 향상시키는 다손가락, 다지부 융합 시스템을 설계하고 평가하기 위해.
• 사용 가능한 끝지부 지문 데이터와 비-distal 지부 데이터를 융합했을 때 정확도가 추가로 향상되는지 평가하기 위해.
• iris 인식과 같은 새로운 모달리티로 전환하는 것이 불가능한 환경에서 생체인식 신원 확인을 위한 실용적이고 저비용의 솔루션을 제공하기 위해.

제안 방법

• 상용 광학 지문 센서를 사용하여 50명의 개인으로부터 모든 지부의 지문 이미지를 촬영하여 총 1600장의 고유한 지문 이미지를 확보하였다.
• 알고리즘 수정 없이 상용 지문 매칭 소프트웨어를 사용하여 미세형상 특징을 추출하고 매칭하였다.
• 세 가지 융합 전략을 적용하였다: (i) 매칭 점수의 단순 합산, (ii) 이미지 품질에 따라 점수를 가중치 적용하는 NFIQ 기반 융합, (iii) 중간 및 근위지부를 별도로 처리하는 지부 유형 기반 융합.
• 다양한 손가락과 지부에서 유도된 점수를 융합하여 전체 인식 성능을 향상시키는 프레임워크를 구성하였다.
• 다양한 융합 전략에 대해 ROC 곡선과 통계적 신뢰구간을 사용하여 시스템 성능을 평가하였다.
• 실세계 시뮬레이션을 수행하기 위해 끝지부 지문 이미지가 누락되거나 품질이 열 劣한 조건에서 시스템을 테스트하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 끝지부 지문 이미지의 품질이 열 劣한 상황에서 비-distal 지부(중간 및 근위지부)의 지문을 효과적으로 활용하여 생체인식 신원 확인 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 단순 합, NFIQ 기반, 지부 유형 기반 중 어떤 융합 전략이 품질 열 劣한 상황에서 가장 높은 인식 정확도를 달성하는가?
• RQ3 사용 가능한 끝지부 지문 데이터와 비-distal 지부 데이터를 융합했을 때 시스템 정확도가 추가로 향상되는가?
• RQ4 이 융합 시스템은 iris 인식과 같은 다른 생체인식 모달리티로 전환하는 것과 비교해 실용적이고 저비용의 대안이 될 수 있는가?
• RQ5 손목 노동 등 다양한 요인으로 인해 이미지 품질이 변동하는 실세계 조건에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 융합 시스템은 끝지부 지문만을 사용하는 경우에 비해 인식 정확도가 뚜렷이 향상되었으며, 특히 끝지부 지문 이미지의 품질이 열 劣하거나 누락된 경우에 두드러진 성능 향상을 보였다.
• 등급 오류율(EER)과 ROC 곡선 아래 면적(AUC) 측면에서 NFIQ 기반 융합 전략이 단순 합 및 지부 유형 기반 융합 전략보다 뛰어난 성능을 보였다.
• 끝지부 지문 이미지가 사용 가능한 상황에서 비-distal 지부 데이터와 융합하면 EER가 추가로 감소하여 성능 향상의 누적 효과를 입증하였다.
• 손목 노동 등으로 인해 지문 표면이 손상되거나 손가락이 누락된 경우를 포함한 다양한 실세계 조건에서도 높은 성능 유지를 보였다.
• 비-distal 지부가 신뢰할 수 있는 생체인식 자료로 활용될 수 있음을 확인하였으며, 생체인식 모달리티 전환의 실용적이고 저비용의 대안을 제공한다.
• ROC 곡선의 통계적 분석과 신뢰구간을 통해 모든 융합 전략에서 성능 향상의 강건성과 유의미성을 확인하였다.