[논문 리뷰] RaspiReader: An Open Source Fingerprint Reader Facilitating Spoof Detection

Joshua J. Engelsma, Kai Cao외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 25.

Biometric Identification and Security참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

RaspiReader는 보편적인 구성 요소로 구성된 오픈소스이자 저비용의 지문 판독기로, 보다 향상된 위조 탐지 성능을 위해 두 가지 카메라 영상 기반 기술인 고통받는 전반 내반사(FTIR) 및 직접 색상 영상 촬영을 사용한다. 양쪽 영상 스트림에서 유도된 색상 국소 이진 패턴(CLBP)을 융합함으로써 최신의 CNN 기반 방법과 유사한 위조 탐지 성능을 달성하면서도, 상용 지문 판독기와 호환되는 500 ppi 이미지를 생성한다.

ABSTRACT

We present the design and prototype of an open source, optical fingerprint reader, called RaspiReader, using ubiquitous components. RaspiReader, a low-cost and easy to assemble reader, provides the fingerprint research community a seamless and simple method for gaining more control over the sensing component of fingerprint recognition systems. In particular, we posit that this versatile fingerprint reader will encourage researchers to explore novel spoof detection methods that integrate both hardware and software. RaspiReader's hardware is customized with two cameras for fingerprint acquisition with one camera providing high contrast, frustrated total internal reflection (FTIR) images, and the other camera outputting direct images. Using both of these image streams, we extract complementary information which, when fused together, results in highly discriminative features for fingerprint spoof (presentation attack) detection. Our experimental results demonstrate a marked improvement over previous spoof detection methods which rely only on FTIR images provided by COTS optical readers. Finally, fingerprint matching experiments between images acquired from the FTIR output of the RaspiReader and images acquired from a COTS fingerprint reader verify the interoperability of the RaspiReader with existing COTS optical readers.

연구 동기 및 목표

• 위조 탐지 연구를 위한 센서 하드웨어 제어를 완전히 제공하는 저비용, 오픈소스 지문 판독기를 연구자들에게 제공하기 위해.
• 상용 광학 지문 판독기가 영상 처리 과정에서 중요한 위조 구분 정보를 기각하는 한계를 해결하기 위해.
• 원시의 고정보량 영상 데이터를 노출시켜 하드웨어-소프트웨어 공동 설계 기반의 제시 공격 탐지 신규 접근법을 가능하게 하기 위해.
• FTIR 및 직접 색상 영상 융합이 단지 처리된 FTIR 영상에 의존하는 방법보다 위조 탐지 성능을 향상시킨다는 것을 입증하기 위해.
• 표준 매칭 알고리즘과 호환되는 500 ppi 이미지를 원시 FTIR 데이터에서 생성함으로써 기존 상용 지문 시스템과의 호환성을 확보하기 위해.

제안 방법

• RaspiReader 프로토타입은 라즈베리 파이를 사용해 두 대의 카메라를 제어한다: 하나는 고통받는 전반 내반사(FTIR) 방식을 통해 고대비 FTIR 영상을 촬영하고, 다른 하나는 지문의 직접 색상 영상을 촬영한다.
• 원시 FTIR 및 직접 색상 영상에서 색상 국소 이진 패턴(CLBP)을 추출하여, 살아있는 손가락과 위조물 간의 구분에 유용한 문맥적 무늬 및 색채 특징을 포착한다.
• 양쪽 영상 스트림에서 유도된 CLBP 특징을 융합하는 전략을 통해 위조 탐지 성능을 향상시킨다.
• 원시 FTIR 영상 스트림에 대한 후처리를 통해 상용 시스템과 호환되는 500 ppi 회색조 지문 이미지를 생성한다.
• 위조 탐지는 양 영상 유형에서 유도된 융합된 CLBP 특징에 기반해 훈련된 분류기(예: SVM 또는 CNN)를 사용해 평가한다.
• 상호운용성은 엄격한 FAR 0.1% 조건에서 RaspiReader 처리 이미지와 상용 지문 판독기(COTS_A)의 이미지 간 매칭 성능을 비교함으로써 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 카메라 센싱을 갖춘 저비용 오픈소스 지문 판독기가 단지 FTIR 영상만을 사용하는 시스템에 비해 위조 탐지 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 직접 색상 영상에서 유도된 색상 및 무늬 정보의 포함이 위조 탐지 방법의 구분 능력을 향상시키는가?
• RQ3 사용자 지문 판독기에서 유도된 원시, 처리되지 않은 영상 데이터를 상용 지문 매칭 시스템과 호환되는 500 ppi 이미지로 변환할 수 있는가?
• RQ4 이중 영상 융합 기반의 위조 탐지 성능은 최신의 CNN 기반 방법과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 RaspiReader 이미지를 프로브로, COTS 이미지를 등록으로 사용할 경우, 교차 판독기 매칭 성능은 얼마나 떨어지는가?

주요 결과

• FTIR 및 직접 색상 영상에서 유도된 CLBP 특징의 융합은 최신의 CNN 기반 방법과 유사한 위조 탐지 성능을 달성했으며, 원시 다중 스펙트럼 데이터의 가치를 입증했다.
• RaspiReader가 자체적으로 처리한 이미지를 등록 및 프로브로 사용할 경우, 0.1%의 잘못 수용률(FAR) 조건에서 진짜 수용률(TAR)이 99.21%에 도달하여 높은 매칭 정확도를 보였다.
• COTS_A 이미지를 등록으로, RaspiReader 이미지를 프로브로 사용할 경우, 동일한 0.1% FAR 조건에서 TAR은 95.56%로 하락했으며, 이는 교차 판독기 환경에서 측정 가능한 그러나 수용 가능한 성능 저하를 확인시켰다.
• 시스템은 원시 FTIR 데이터에서 유도된 500 ppi 지문 이미지를 성공적으로 생성하여 상용 지문 매칭기와의 상호운용성을 입증했으며, 실용적 유용성을 검증했다.
• 실험 결과는 두 카메라에서 유도된 원시 고정보량 영상가 서로 보완적인 특징을 포함하고 있으며, 이는 단지 처리된 FTIR 영상에 의존하는 방법보다 위조 탐지 성능을 크게 향상시킨다는 것을 보여주었다.
• 저자들은 RaspiReader의 개방형, 모듈식 및 소프트웨어 확장 가능한 설계 덕분에 향후 고급 센서(예: OCT, 적외선 또는 현미경)의 통합이 가능할 것으로 결론 내렸다.