02 Diseño de un sistema biométrico

Revista Facultad de Ingeniera N.o 39. pp. 21-32. Marzo, 2007

Diseo de un sistema biomtrico de identicacin usando sensores capacitivos para huellas dactilaresCarlos Andrs Madrigal Gonzlez, Jaime Len Ramrez Madrigal, Juan Carlos Hoyos Arbelez, David Stephen Fernndez*Grupo de investigacin GEPAR, Facultad de Ingeniera, Universidad de Antioquia

(Recibido el 25 de octubre de 2005. Aceptado el 28 de agosto de 2006)

ResumenEl sistema de reconocimiento biomtrico est basado en el procesamiento digital de una imagen de una huella dactilar de 256 x 300 pxeles, la cual se toma por medio de un sensor capacitivo, y luego se transmite a un computador (PC) por medio de una interfaz de comunicacin. En este trabajo se presenta el diseo de un sistema donde se congura el sensor y se obtiene la imagen para comunicarla al PC. El procesamiento de la huella por medio de algoritmos de ltrado de imgenes propios; el primero de los ltros resalta los valles y crestas de la huella, y se aplica a la imagen por regiones, el siguiente algoritmo se encarga de ltrar la imagen para extraer las caractersticas ms importantes, luego se lleva la imagen a slo dos niveles de gris, las crestas a un ancho de un solo pxel (esqueletizacin), y por ltimo el reconocimiento, se hace hallando la ubicacin de las caractersticas o minucias de cada huella y las distancias entre ellas, generando vectores de informacin. ---------- Palabras clave: binarizacin, biometra, valles, crestas, esqueletizacin, ltrado de imgenes, huellas dactilares, identicacin, minucias, procesamiento digital de imgenes, sensores capacitivos.

Design of a ngerprint, biometric identication system using capacitive sensorsAbstractA ngerprint, biometric recognition system was designed. The system is based on the digital processing of ngerprints of 256 x 300 pixels, which are recorded by a capacitive sensor and then transmitted to a PC by means of a communication* Autor de correspondencia: telfono: 210 55 69, fax: +34+210 55 18, correo electrnico: [email protected].

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N. 39, marzo de 2007 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------interface. Successive steps of conguring the sensor, obtaining the image, and communicating with the PC were conducted. Image processing is performed by the PC using own digital image ltrate algorithms. The rst level of ltering stresses the valleys and crests of the ngerprint; the image is divided in regions for applying this algorithm. The next algorithm lters the image to extract the most relevant characteristics. Subsequently, the image is converted to only two levels of gray, and the crests are converted to one-pixel width (skeleton). Finally, recognition is done by seeking the location of the relevant characteristics of each ngerprint and determining the distances between them, generating information vectors. ---------- Key words: Binar, biometry, valleys, crests, skeleton, digital ltrate of images, ngerprint, identication, minucias, digital processing of images, capacitive sensors, valleys.

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IntroduccinLos sistemas de identicacin biomtricos son aquellos que se basan en las caractersticas fsicas o morfolgicas de los seres humanos para hacer algn tipo de reconocimiento. El reconocimiento de huellas dactilares es una de las tcnicas biomtricas ms maduras y conables, ya que la huella dactilar es una caracterstica estable en el tiempo y cumple con las condiciones de: universalidad (presente en todos los seres humanos), unicidad (nica para cada persona), permanencia (no vara en la persona en el tiempo) y cuanticacin (tiene la posibilidad de ser cuanticada). Los sistemas de anlisis de huellas dactilares pueden ser clasicados en dos categoras: Identicacin. Vericacin o autenticacin. La categora de vericacin o autenticacin, Automatic Fingerprint Authentication System (AFAS), consiste en obtener la imagen de la huella dactilar de una persona, de la cual se conoce su identidad, para compararla con la que est almacenada en la base de datos y vericar si la huella dactilar pertenece a esa persona (1: 1). La categora de identicacin, Automatic Fingerprint Identication System (AFIS), consiste en conocer solo la imagen de la huella dactilar y compararla con las existentes en la base de datos para hallar la identidad de la persona a la que pertenece esa huella dactilar (1: n). Las huellas dactilares estn conformadas por crestas y valles, las cuales, por su forma y distribucin forman guras dentro de la imagen de la huella. Dichas guras son llamadas minucias. En la actualidad existen muchos sistemas de identicacin biomtricos que utilizan la huella dactilar, como los sensores pticos, los sensores capacitivos, los sensores trmicos y otros ms. Estos sistemas usan tcnicas de procesamiento de imgenes similares para la identicacin de un usuario.

Con el sistema diseado se pretende desarrollar un sistema de identicacin de personas, conable y seguro, que permita controlar el acceso a lugares restringidos y permita crear la base para el desarrollo de un sistema embebido de identicacin porttil y de bajo consumo de energa para su comercializacin, la gran importancia y el valor agregado de este diseo radica en el control que se tiene sobre cada una de las etapas del sistema; en los algoritmos propios y mejorados de procesado, anlisis y aplicacin, lo que posibilita en gran medida futuras modicaciones del sistema. En el presente artculo se mostrar el desarrollo de cada una de las etapas de la investigacin con los resultados parciales de cada etapa. El artculo est compuesto por las siguientes secciones: 1) sistema de reconocimiento, que describe brevemente la topologa del sistema diseado, 2) adquisicin de la caracterstica, forma en la que se captura la imagen de la huella dactilar usando el sensor capacitivo, 3) mejoramiento de la caracterstica, forma en la que se mejora la imagen adquirida por medio de ltros para mejorar la calidad de la misma, 4) posprocesamiento, que describe el procesamiento que se realiza en la imagen mejorada para que luego el algoritmo de vericacin pueda extraer las minucias, 5) vericacin, funcionamiento del algoritmo de vericacin usando minucias, 6) y por ltimo se presentarn las conclusiones y resultados obtenidos.

Sistema de reconocimientoEl sistema de reconocimiento biomtrico est compuesto por varias etapas, en la gura 1 se muestra un diagrama de ujo del sistema en el que se muestran todas las etapas del proceso, cada una de las cuales ser explicada ms detalladamente en las secciones siguientes.

Adquisicin de la caractersticaPara nuestro caso, la caracterstica a evaluar es la huella dactilar y la mejor forma de adquirirla es por medio de una imagen de la misma. Para ad-


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Figura 1 Diagrama de ujo del sistema de reconocimiento biomtrico

quirir una imagen de la huella dactilar existen varios tipos de sensores, como los de estado slido, los sensores pticos, los escneres, entre otros, los cuales presentan ventajas y desventajas. Para el proyecto se seleccion un sensor capacitivo de estado slido (vase gura 2) que nos entrega una imagen de 256 x 300 pxeles y es fabricado por la empresa Veridicom.

Figura 2 Sensor de huella dactilar

La escogencia de este sensor se debe a su gran conabilidad, ya que su tecnologa de adquisicin de datos (capacitiva) hace que la nica forma de tomar una imagen que contenga informacin vlida para el reconocimiento, sea la imposicin fsica del dedo. Segn estudios realizados por la empresa Veridicom [1] (empresa fabricante del sensor utilizado), los sensores de tipo capacitivo poseen un mejor desempeo gracias a su alta resolucin (500 dpi), pequeo tamao, durabilidad, resistencia y bajo consumo de energa, adems son inmunes a las variaciones diarias de la huella como la suciedad y la grasa, aunque todas estas cualidades no los hacen inmunes a cierto tipo de engaos. En unas pruebas realizadas en Alemania [2] se compararon diferentes tipos sensores y diferentes fabricantes de los mismos, estas pruebas arrojaron que los sensores capacitivos de la marca Veridicom poseen un factor de seguridad adicional en comparacin con los otros sensores ya que


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su pelcula protectora no permite la autenticacin usando las huellas remanentes, lo que s sucede en otras referencias de otros fabricantes. Para el desarrollo del proyecto fue necesario disear un sistema para congurar el funcionamiento del sensor, obtener los datos de cada imagen y

transmitirlos al computador, que es el encargado de procesarlos. Este sistema consta de: 1 sensor capacitivo, 1 microcontrolador, 1 circuito impreso diseado para esta aplicacin y componentes electrnicos. En la gura 3 vemos el sistema de desarrollo diseado e implementado.

Figura 3 Sistema de desarrollo (vistas frontal y posterior)

El microcontrolador es el encargado de la interfaz de comunicaciones entre el sensor y el PC; para esta interfaz se utiliza un protocolo serial tipo RS232 o un protocolo USB para la comunicacin entre el microcontrolador y el PC y un protocolo paralelo

de 8 bits entre el microcontrolador y el sensor. En la gura 4 se muestra un diagrama de bloques explicativo de la interfaz de comunicacin entre los dispositivos y en la gura 5 se muestra una imagen capturada con el sistema desarrollado.

Figura 4 Diagrama de bloques explicativo de la interfaz de comunicacin

Figura 5 Imagen de una huella dactilar adquirida con el sensor capacitivo


N. 39, marzo de 2007 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Mejoramiento de la caractersticaEn la etapa de la adquisicin de las imgenes digitales se le agrega ruido a stas mediante distintas fuentes, entre ellas los mecanismos de los sensores pticos, los mecanismos de los sensores elctricos o electrnicos, mecanismos de apertura en cmaras fotogrcas, y tambin debido a la transmisin de dichas imgenes a travs de un canal fsico, y a una gran cantidad de impurezas a la hora de adquirir la imagen, producidas por una gama de factores entre las que se incluyen el ambiente, el estado del sistema de adquisicin, el estado del canal de transmisin, los cuales generan distorsin y ruido. A la hora de trabajar con procesamiento digital de imgenes nos encontramos con los problemas citados anteriormente, lo cual genera una serie de dicultades al momento de manejar la informacin. Dentro de las aplicaciones del procesamiento digital de seales se encuentran los sistemas biomtricos, los que a su vez permiten innidad de aplicaciones en reas como la ingeniera y la medicina. Aplicaciones en las que encontramos los problemas de baja calidad en las imgenes. Para tratar de eliminar al mximo todo tipo de impurezas o ruido se implementan una serie de estrategias, ya sean por medio de hardware de adquisicin o por medio de software que se aplica en la imagen adquirida. Una de las tcnicas de procesamiento ms utilizadas para mejorar la calidad de una imagen digital, es la aplicacin de algoritmos que permitan eliminar las seales indeseadas, que por causa del mtodo de adquisicin, o de las condiciones bajo las cuales fue captada determinada imagen, aparecen en la misma. Este tipo de tcnica recibe el nombre de ltrado de imgenes, la cual es clasicada en dos grandes grupos, ltraje lineal y ltraje no lineal. El principal objetivo de las tcnicas de mejora, es procesar una imagen de forma tal que resulte ms adecuada que la original para una aplicacin especca, es importante establecer que un mtodo que sea muy til para mejorar las imgenes de rayos X, puede no ser necesariamente el ideal para mejorar las imgenes de las huellas dactilares. Existen principalmente dos dominios en los cuales se hace el mejoramiento de una imagen: el dominio espacial y el dominio de la frecuencia. El dominio espacial se reere al propio plano de la imagen, y las tcnicas de esta categora se basan en la manipulacin directa de los pxeles de la imagen. El procesamiento en el dominio de la frecuencia se basa en la aplicacin de la transformada de Fourier sobre la imagen capturada. Dentro del dominio espacial se encuentran ltros suavizantes, ltros por la mediana, y ltros diferenciales, dentro del dominio de la frecuencia se encuentran ltros de paso bajo, paso alto y pasa banda. Para el diseo de nuestros propios algoritmos nos basamos en los ltros de imgenes existentes en MATLAB. Algunos de ellos son:Filtros de la mediana

Un ltro no lineal comnmente usado es la mediana que sustituye cada valor de la imagen por la mediana de los valores que lo rodean en una ventana. La ventana suele ser de tamao 3 x 3 o 5 x 5 pxeles. Algunas de las ventajas del ltro mediano es que no emborrona los bordes, elimina los puntos aislados (del ruido) pero sin difuminar tanto los bordes y otros detalles abruptos (correspondientes a las altas frecuencias de la imagen) (vese gura 6). Cdigo en Matlab: X = imread(mihuella.bmp); Y = medlt2(X); imshow(Y);Filtros de mximos y mnimos

Los ltros denominados de mximos y mnimos operan en la imagen por medio de ventanas o matrices mscara donde se hacen comparaciones de los pxeles vecinos y se llevan al valor mximo o mnimo que se encuentre al hacer las debidas comparaciones. Estos ltros tratan de homogeneizar la imagen, eliminando las pequeas espurias de la imagen (vase gura 7).


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Figura 6 Filtro de la mediana

Figura 7 Filtro de mximo y mnimo

Cdigo en Matlab X = imread(mihuella.bmp); Min = minFILT2(X,[2 2]); imshow(min);Filtros pasa bajos

espacial de la imagen. Este ltro produce un emborronamiento de los bordes de la imagen, perdindose la nitidez visual, pero ganando en homogeneidad (vase gura 8). Cdigo en Matlab X = imread(mihuella.bmp); M = fspecial(average,7); Y = lter2(M,X); imshow(Y); Filtros pasa altos

Los ltros denominados de pasos bajo eliminan las componentes de alta frecuencia en el dominio de Fourier enfatizando en las bajas frecuencias, suavizando las imgenes y suprimiendo ruidos. Se trata de asemejar el valor de cada pxel al nivel de los pxeles vecinos, reduciendo la variabilidad


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Figura 8 Filtro paso bajo

Enfatizan las altas frecuencias, para mejorar o enfatizar en las caractersticas lineales que se encuentren en las imgenes, como carreteras, fallas, o lmites en general. En ste ltro se realiza el efecto contrario a los ltros pasa-bajos, eliminando las bajas frecuencias y dejando las altas.

Otra forma de obtener una imagen as ltrada es sustraer de la imagen original, la misma imagen ltrada paso-bajos. Es lgico ya que si a la imagen le restamos los componentes de baja frecuencia, nos quedaremos con las de alta frecuencia (vase gura 9).

Figura 9 Filtro paso alto

Cdigo en Matlab I = imread(mihuella.bmp); M = fspecial(average,7); Y = lter2(M,I); Z = double(I)-Y; imshow(Y);

Filtros de Wiener

El ltro Wiener (Helstrom, 1967) y sus variantes han sido diseados para trabajar en los casos donde el ruido ha llegado a ser signicativo. Este ltro en su forma completa requiere que conozcamos mucho sobre la seal y las caractersticas del ruido que la infecta.


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La idea de un ltro de Wiener es poder estimar una seal a partir de otra conociendo la correlacin cruzada entre ellas de antemano.

El ltro de Wiener es un ltro FIR esttico, es decir, que sus coecientes no varan con el tiempo, por lo que funciona solo para procesos estacionarios. Vase gura 10.

Figura 10 Filtro de Wiener

Cdigo en Matlab I = imread(mihuella2.bmp); w = wiener2(I,[3 3]); imshow(w) Para el mejoramiento de nuestra imagen hicimos uso de un algoritmo de mejoramiento basado en la transformada rpida de Fourier (FFT), que resalta los valles y crestas de la huella. El algoritmo consiste en dividir la imagen en secciones iguales de 32 x 30 pxeles, luego aplicar a cada seccin la transformada de Fourier bidimensional, procesar la funcin resultante usando histogramas de frecuencia para la magnitud y la fase de la funcin, y luego realizar la transformada inversa de Fourier, logrando as una mejora local para cada regin. En la gura 11 se muestra una imagen mejorada usando el algoritmo mencionado. La imagen a pesar de verse seccionada tiene una mejor calidad ya que las discontinuidades que se presentaban en la imagen original a causa de los poros han sido eliminadas, adems se logra un mejor contraste en cada seccin entre las crestas y los valles.

Figura 11 Imagen mejorada usando FFT

Luego se busca eliminar la informacin irrelevante de la huella dactilar, para esto se hizo uso de un mtodo de ltrado bidimensional por la mediana el cual se encarga de asignar el valor de la mediana de los pxeles vecinos al pxel central de una matriz de M x N. Adems se asigna un valor de 0 a los bordes de la imagen, para que estos no aparezcan distorsionados. En la gura 12 se muestra una imagen ltrada usando el mtodo descrito anteriormente.


N. 39, marzo de 2007 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Luego se necesita llevar las lneas o crestas de la huella a un ancho de un solo pxel (tambin llamada esqueletizacin), este proceso se lleva a cabo recorriendo las crestas o lneas negras de la huella y siguiendo sus tendencias buscando la mejor diagonal, para esto se almacena un histrico de las ltimas tendencias y se van eliminando los pxeles que estn por fuera de la tendencia de cada cresta llegando por ltimo a una cresta de un solo pxel de ancho o cresta esqueletizada [3]. Este proceso es tambin llamado skeleton o thining. En la gura 14 se muestra una imagen esqueletizada.

Figura 12 Imagen ltrada

PosprocesamientoEn esta etapa se busca adecuar la imagen para hacer ms fcil el trabajo del algoritmo de reconocimiento, esta adecuacin consiste en llevar la imagen de 255 posibles niveles de gris a solo dos posibles niveles de gris (0,1) (tambin llamado binarizacin), este proceso es realizado calculando la media de las matrices de cada una de las regiones de la imagen de 32 x 30 pxeles y dependiendo de este valor se toma la decisin de asignar un valor de 0 1. En la gura 13 se muestra la imagen binarizada, despus de ser procesada con el algoritmo de binarizacin.Figura 14 Imagen esqueletizada

ReconocimientoEn esta etapa se dise un algoritmo de identicacin basado en la extraccin de las minucias de la huella dactilar. El algoritmo diseado se basa en el tipo de minucia, la posicin de cada minucia y la distancia entre las minucias del mismo tipo. Esta informacin es luego almacenada en la base datos para posteriores identicaciones. Como se explic anteriormente las minucias son conjuntos de valles y crestas que conforman los rasgos particulares de cada huella dactilar, en la tabla 1 se muestran las minucias ms comunes [4], [5] y [6].

Figura 13 Imagen binarizada


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Tabla 1 Minucias ms comunes en una huella dactilar.1. Abrupta o terminacin 2. Bifurcacin o convergencia 3. Desviacin 4. Empalme o cruce 5. Fragmento o borde independiente 6. Interrupcin 7. Laguna u ojal 8. Punto o isla 9. Transversal 10. Aguijn

En la gura 15 se muestran algunas minucias de una huella dactilar que sigui todo el proceso de reconocimiento planteado en el proyecto.

En la gura 16 se muestra una huella con los 2 tipos de minucias ms comunes identicadas y se muestran las distancias entre ellas, las cuales fueron calculadas con el algoritmo.

Figura 15 Minucias de una huella dactilar esqueletizada

Figura 16 Imagen con distancias entre minucias


N. 39, marzo de 2007 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ConclusionesLuego de experimentar la adquisicin de huellas dactilares con sensores capacitivos se comprob que estos sensores entregan una imagen de mejor calidad y resolucin, comparados con los sensores pticos y los escneres, y al mismo tiempo son de menor tamao y consumen menos energa, lo que permite que puedan ser usados en dispositivos porttiles o stand alone. Los niveles de seguridad que se obtienen al usar sensores capacitivos son mayores, porque estos son menos vulnerables a las prtesis de huellas dactilares que pueden engaar los sensores pticos, se realizaron pruebas con prtesis de cera y el sensor usado respondi satisfactoriamente, es decir reconoci que lo que se estaba usando para la autenticacin era una prtesis, por lo que se neg la autenticacin. El algoritmo de reconocimiento diseado nos ha permitido tener unas bajas tasas de error que se muestran al obtener una TFR del 8% (tasa de falso rechazo), que ocurre cuando se niega la identicacin de una huella vlida, y una TFA del 4% (tasa de falsa aceptacin), que ocurre cuando se acepta la identicacin de una huella invlida. La calidad de las imgenes obtenidas depende en gran parte del protocolo de comunicacin usado ya que dependiendo del protocolo vara el tiempo de captura de la imagen, para el protocolo USB es aproximadamente 2 segundos en cambio para el protocolo serial RS-232 es de aproximadamente 18 segundos lo que genera que las imgenes queden distorsionadas y diculta el correcto desarrollo del proceso, es por esto que es ms recomendable usar el protocolo USB aunque con el protocolo serial se han obtenido resultados satisfactorios.

AgradecimientosAgradecimientos muy especiales al Grupo de Electrnica de Potencia Automatizacin y Robtica (GEPAR), por el apoyo brindado durante el desarrollo del proyecto, y a las personas que hicieron parte de la base de datos para las pruebas realizadas.

Referencias1. http://www.veridicom.com. Consultada el 20 de septiembre de 2005. 2. http://www.heise.de/ct/english/02/11/114/. Consultada el 20 de septiembre de 2005. 3. J. R Parker, Algorithms for image processing and computer vision. New York. John Wiley & Sons, Inc. 1997. pp. 176-218. 4. R. Colmenares del Castillo, Identicacin personal dactiloscopia. Instrucciones tcnicas para registradores visitadores. Bogot. Librera Voluntad. 1949. pp. 38-59. 5. A. Vlez ngel, Criminalstica general. 2. ed. Bogot. Temis. 1963. pp. 60-98. 6. N. Goodfellow. Dactiloscopia: Sistema de clasicacin de archivos. Bogot. Imprenta Nacional. 1951. pp. 15-38.


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