Il riconoscimento biometrico in un procedimento penale a cura di Paolo Latella

Come opera Paolo Latella nell'analisi di comparazione  di foto e fotogrammi dei filmati in un procedimento penale:

Dopo aver acquisito le foto e i fotogrammi tramite scanner digitale, si è proceduto alla modellazione tridimensionale dei due visi. L'obiettivo è stato quello di creare una serie di rappresentazioni in 3D prendendo come riferimento uno o più immagini.

Sono stati effettuati dei controlli in modo automatico dalla durata di 10 a 15 minuti, hanno consentito di creare il modello facciale 3D, questa operazione è stata effettuata 3 volte per viso.

Il software ha creato infine il modello facciale 3D dalle caratteristiche più somigliante possibile all'essere umano presente nelle foto acquisite tramite scanner.

Questa operazione è stata realizzata per entrambi i modelli facciali.

Si è poi passato all'analisi di comparazione operativa: quella della verifica d’identità (confronto 1:1). Il software algoritmico ha richiesto l'inserimento del primo volto e successivamente ha richiesto il secondo volto. 

L'operazione di comparazione viene almeno effettuata tre volte, svuotando il database da tutte le immagini per evitare la contaminazione di volti similari, ma il risultato è stato lo stesso.

Il termine “riconoscimento biometrico” fa riferimento all’identificazione o alla verifica automatica di identità degli individui attraverso la valutazione di caratteristiche fisiche e comportamentali. (Il termine “biometria”, ha inteso negli anni passati lo studio e l'uso di metodi matematici e statistici applicati alla biologia, alle scienze agrarie e forestali, alla medicina, alla genetica, alle scienze ambientali e a settori affini.

Una prima cruciale distinzione nell’ambito del processo biometrico, approfonditamente messa in evidenza in questa relazione, è quella tra le modalità di verifica o identificazione.

In un processo di verifica, detto anche “uno a uno”, i dati acquisiti, sul momento, via scanner  vengono comparati con un unico dato biometrico depositato dall’utente nella fase di registrazione (enrollment) e residente, ad esempio, su un dispositivo sicuro o in un archivio magnetico, indicizzato, in questo caso, ad esempio, una foto digitale che diventa il suo codice identificativo.

In un processo di identificazione i dati acquisiti sul momento dal sensore biometrico (scanner) vengono comparati con un insieme di dati biometrici contenuti in un archivio Dal punto di vista tassonomico, in ambito biometrico, oltre a “verifica” ed “identificazione”, compare spesso il termine “riconoscimento biometrico” usato in generale quando non si vuole specificare se verifica o identificazione. Infine, il vocabolo “autenticazione”, che in ambito ICT  intende l’operazione di provare genericamente a un sistema informatico l’identità di un utente, nella biometria fa quasi sempre riferimento ad un processo di verifica.

Durante la verifica di identità, lo scanner acquisisce  il campione biometrico dell’utente, dal quale, come accade nel processo di enrollment, vengono estratte le caratteristiche e calcolato il template. Quest’ultimo viene comparato con quello precedentemente memorizzato nella fase di enrollment e residente, ad esempio, sul dispositivo sicuro in possesso dell’utente o sul supporto di memoria di una risorsa informatica, in questo caso indicizzato.

In fase di identificazione l’utente non usa supporti di memorizzazione con la caratteristica biometrica o non inserisce un codice identificativo e il sistema confronta il template estratto dalla caratteristica biometrica con tutti i templates presenti in archivio, al fine di trovare tutti quelli caratterizzati da un grado di coincidenza superiore ad una soglia prefissata. L’output del sistema è l’identità associata all’utente con il migliore grado di coincidenza oppure una segnalazione “utente non identificato”. In realtà in diversi sistemi la procedura di identificazione viene interrotta non appena si trova un utente la cui similarità è maggiore della soglia.

Sebbene operare in modalità identificazione possa risultare molto utile, è anche piuttosto rischioso specie se l’archivio contiene molti utenti.

Indipendentemente dal modo di operare (verifica o identificazione) la fase di confronto delle caratteristiche con il template non è banale come un semplice confronto di password e può dar origine a errori quali falsi rifiuti e false accettazioni.

Dispositivi di acquisizione

Alcuni comuni dispositivi di acquisizione delle caratteristiche biometriche del viso sono:

- videocamere, macchine fotografiche digitali o scanner fotografici per il riconoscimento biometrico del viso;

- particolari videocamere sensibili alla luce visibile e all’infrarosso e dotate di led emettitori di luce infrarossa per l’iride;

Riconoscimento biometrico del volto

Il riconoscimento del volto sta divenendo con gli anni una delle più importanti e mature tecnologie di autenticazione biometrica. Pur non potendo offrire, nelle classiche operazioni di accesso fisico e logico, le prestazioni di accuratezza nel riconoscimento offerte da altre tecniche, essa rappresentata un metodologia per molti versi unica per ciò che attiene ai settori di impiego. Proprio la vasta gamma di applicazioni possibili è alla base di un forte interesse commerciale e scientifico per la tecnologia che si traduce nello sviluppo di nuovi algoritmi e tecniche, come ad esempio quella basata sull'analisi tridimensionale del volto (detta anche “3D”).

Una delle applicazioni di punta della tecnologia, anche se ancora in fase sperimentale, è rappresentata dal tentativo di controllo dei luoghi o del territorio in una modalità che viene definita “sorveglianza” (“surveillance”). Anche se con limiti imposti dalle comprensibili e non ancora completamente risolte difficoltà tecniche, il riconoscimento biometrico del volto potrebbe essere impiegato per riconoscere, nella folla di un aeroporto o di uno stadio, i volti di soggetti contenuti in un archivio fotografico.

Va infatti messo in evidenza che, a differenza di quasi tutte le altre tecniche biometriche, il riconoscimento del volto può avvenire ad una certa distanza dal soggetto, con o senza la volontarietà di esso, il che, ovviamente, rende questa tecnica particolarmente adatta alle applicazioni di tipo investigativo.

Descrizione

Il riconoscimento biometrico del volto si basa sull’acquisizione delle caratteristiche del volto di un soggetto attraverso un dispositivo di ingresso che è generalmente costituito da una telecamera.

Il riconoscimento biometrico può avvenire attraverso la comparazione con una immagine fissa o con sequenze di immagini in movimento e, a seconda del tipo di immagine, si opera generalmente una distinzione fra “riconoscimento statico” e “riconoscimento dinamico”.

Il riconoscimento statico è, impiegato, in linea di massima, nelle applicazioni inerenti

l’accesso fisico o logico e per l'emergente settore della cosiddetta “ricerca dei duplicati”.

La modalità “statica” è caratterizzata, generalmente, da una buona qualità dell'immagine di riferimento memorizzata.

Nelle applicazioni per la ricerca dei duplicati, le fotografie di riferimento sono quelle usate nei documenti o foto segnaletiche. Queste immagini sono generalmente caratterizzate da una buona posa del soggetto, spesso disposto frontalmente e su sfondo controllato e ciò può semplificare notevolmente le operazioni matematiche alla base del metodo biometrico.

Il riconoscimento dinamico, caratteristico della modalità “surveillance” può invece avvenire attraverso l’analisi di immagini con sfondi e pose irregolari, ciò comportando notevoli problemi di tipo computazionale aggravati dalla necessità di dovere operare in tempo reale.

Indipendentemente dalla modalità statica o dinamica del processo, il riconoscimento biometrico del volto si articola in varie fasi:

- individuazione del volto (face detection)

- segmentazione (segmentation)

- estrazione delle caratteristiche (feature extraction)

- riconoscimento (recognition).

Punti di forza e debolezza

Mettendo sempre ben in evidenza i differenti aspetti del riconoscimento biometrico del volto ed i differenti contesti applicativi (civile e investigativo), per quanto riguarda il primo, tra i punti di forza, andrebbe sottolineato il buon grado di accettazione della tecnologia da parte degli utenti che apprezzano la natura non invasiva di acquisizione della caratteristica biometrica che avviene senza contatto con il sensore e senza un particolare addestramento.

Andando invece ad esaminare il campo investigativo, un punto di assoluta forza è la capacità da parte della tecnica di essere impiegata per scopi quali la sorveglianza o la ricerca dei duplicati non raggiungibili attraverso l’uso di altre tecniche biometriche. Tra gli svantaggi andrebbe annoverato il problema della bassa invarianza temporale della caratteristica biometrica dal momento che le caratteristiche del viso, oltre che per accadimenti accidentali, variano ineluttabilmente con l'età. Un secondo problema consistente può essere inoltre individuato nella forte dipendenza da parte della tecnologia dalle condizioni di illuminazione ambientale, le cui variazioni possono influenzare sensibilmente le prestazioni. A questo proposito andrebbe messo in evidenza che i sistemi basati su acquisizione tridimensionale del volto presentano generalmente una risposta migliore a tale variazioni. Una tabella riassuntiva dei punti di forza e debolezza della tecnologia è riportata di sotto.

Pro	Contro
- Bassa invasività (mancanza di contatto fisico) - Possibilità di acquisizione a Distanza	- Bassa stabilità della caratteristica biometrica nel tempo - Prestazioni inferiori a quelle di altre tecniche biometriche - Sensibilità alle variazioni di illuminazione - Dimensioni del template maggiori di quelli prodotti con altre tecnologie (da 1Kbyte a 5 Kbyte per 2D, fino a 10 Kbyte per 3D)

Il riconoscimento biometrico 3D del volto

A differenza di quelli per applicazioni bidimensionali (2D), i sensori dei sistemi di

riconoscimento tridimensionale (3D) del volto non sono apparecchi standard anche se in realtà sono costruiti con parti quasi totalmente acquistabili sul mercato.

Rispetto alle 2D, le tecniche 3D introducono un ciclo in più che consiste nella ricostruzione della superficie del viso che rappresenta quindi il dato di base di partenza per le successive elaborazioni.

Esistono varie tecniche per ricostruire una superficie per punti in tre dimensioni. Tra le altre andrebbero citate :

- stereografia

- laser Scanner

- luce Strutturata

La stereografia fa uso di due video/foto camere la cui posizione relativa tra esse è fissa e nota e che focalizzano nello stesso punto. Gli algoritmi tendono ad individuare punti omologhi del viso estratti dalle due immagini acquisite del viso e con tecniche di triangolazione tentano di ricostruire la posizione nello spazio (3D) di tutti i punti della superficie visibile.

Questa tecnica consente ricostruzioni molto accurate ma ha bisogno di una grande potenza di calcolo e di conseguenza i tempi di elaborazione possono essere molto lunghi.

La cosiddetta tecnica “Laser Scanner” si basa invece sulla misura dei ritardi nella riflessione di un fascio di luce laser proiettato sul viso. L’entità del ritardo consente di acquisire l'informazione relativa alla “profondità” di ogni punto della superficie interessato dal fascio di luce. Anche in questo caso la ricostruzione è molto accurata ma, dal momento che il fascio di luce deve percorrere linearmente l'intera superficie del viso, i tempi di ricostruzioni 3D sono considerevoli considerando inoltre che, a valle del processo di acquisizione, per l’elaborazione sono richieste ingenti risorse computazionali.

Il metodo detto della “luce strutturata” utilizza un proiettore ed una videocamera la cui posizione relativa tra essi è fissa e focalizzati sul viso. Il proiettore proietta sul volto un pattern (una griglia) dalla forma nota. La griglia, deformata dalla superficie del viso, viene acquisita dalla telecamera ed analizzata con tecniche di triangolazioni geometriche in modo da ricostruire per punti la superficie del viso nello spazio. In questo caso la ricostruzione è meno accurata di quella relativa agli altri metodi citati ma, la velocità del processo, è sensibilmente più alta.

Dopo aver ricostruito la superficie 3D, come nel processo bidimensionale, inizia una fase di elaborazione (face detection) tesa a determinare se le immagini acquisite sono o meno quelle di un viso. A valle di tale processo sono estratte le caratteristiche biometriche (feature extraction).

A questo scopo il viso viene diviso in zone meno variabili con l'invecchiamento, le cui

superfici sono più legate alla struttura ossea e in zone più variabili nel tempo che, nell’ambito del riconoscimento “pesano” ovviamente meno delle prime. In linea di massima si può affermare che più sofisticata è la tecnica usata e più dettagliata è la suddivisione del viso.

Su queste zone si effettuano misure lineari, di superfici e di volumi e si costruisce un vettore numerico che rappresenta la “firma biometrica” del volto.

Va infine citato che alcuni gruppi di ricercatori hanno provato ad “arricchire” le tecniche 2D con informazioni tridimensionali dando vita alle cosiddette immagini “pseudo-3D”. Due metodi che portano ad apprezzabili benefici incrementali in termini di numero di informazioni sfruttabili consistono in:

- acquisizione, nella fase di enrollment, di sequenze multiple di foto prese in posizioni diverse del viso e tentando una ricostruzione tridimensionale con tecniche miste di stereografia off-line e reti neurali.

- uso della foto bidimensionale dell’enrollment, “spalmatura” della stessa su un modello tridimensionale generico pre-costruito e utilizzo della potenzialità della rotazione del modello per effettuare una migliore estrapolazione di dati.

Un semplice modo per distinguere le tecnologie 3D da quelle pseudo-3D consiste nel

controllare gli apparecchi di acquisizione che, se normali videocamere, non possono che fare operare in un regime pseudo-3D .

Le fasi del riconoscimento biometrico del volto

Il processo di riconoscimento biometrico del volto si articola in varie fasi:

- individuazione del volto (face detection) e segmentazione (segmentation)

- estrazione delle caratteristiche (feature extraction)

- riconoscimento (recognition)

La fase di individuazione è un prerequisito cruciale per un corretto riconoscimento del volto e rappresenta un compito ragionevolmente difficile nel caso di applicazioni all'esterno in condizioni di forte variabilità della luce e questa è una delle ragioni principali per cui il riconoscimento del volto è generalmente limitato alle applicazioni che si svolgono all'interno.

L'idea alla base dell'individuazione del volto è escludere tutte le informazioni non utili, cioè tutto quello che nell’immagine non è un volto. Ciò non è facile come può sembrare perché la differenza fra le regioni del volto e le altre regioni di una scena non sono sempre evidente. La cosa che realmente fa la differenza è che le regioni del volto presentano caratteristiche peculiari come due occhi uno affianco all'altro, due narici appena sotto e, ancora più in basso la bocca. Attraverso una complessa procedura di individuazione e raggruppamento di queste caratteristiche fondamentali è possibile individuare il volto (o i visi) all'interno di una scena che verranno isolati dal contesto attraverso un processo detto di "segmentazione".

L'estrazione delle caratteristiche del volto è la chiave per la fase di “riconoscimento” che avviene attraverso le classiche operazioni di calcolo della “distanza” matematica fra l'immagine digitalizzata e l'archivio delle immagini contenute in un archivio.

Il riconoscimento del volto

▫ È uno dei metodi di riconoscimento utilizzati più comunemente dagli esseri umani

▫ Il volto è una delle caratteristiche biometriche più accettate, l’acquisizione del volto è un’operazione “non intrusiva”

• In alcuni casi non richiede la collaborazione dell’utente ed è quindi a volte l’unica caratteristica utilizzabile

• Recenti direttive ISO/ICAO prevedono l’uso del volto come caratteristica biometrica principale nei passaporti

• Un problema di riconoscimento molto difficile a causa di diversi fattori, tra cui:

▫ Invecchiamento, diverse espressioni facciali

▫ Variazioni nell’ambiente (es. sfondo complesso, illuminazione)

▫ Variazioni nella posizione del volto rispetto alla telecamera

• Non rappresenta la scelta migliore per applicazioni che richiedono un elevato grado di sicurezza

▫ Bassa resistenza agli attacchi

Le principali problematiche

• Variazioni di posa, di illuminazione e d’espressione, il passare degli anni, occhiali, occlusioni di parti del volto, capelli che coprono parti del volto, ….

• Lo sviluppo di algoritmi efficienti, robusti rispetto ai suddetti problemi, richiede sperimentazioni su database di grandi dimensioni che includano variazioni controllate

dei vari fattori.

• La costruzione di database con queste caratteristiche necessita di grandi risorse.

• DB pubblici molto popolari sono: AR, FERET, MIT, ORL, Harward, MIT/CMU, CMU test set II.

• Localizzazione di volti

▫ Data un’immagine Modalità operative

• Verifica d’identità (confronto 1:1)

Il riconoscimento del volto 

statica o una sequenza video, rilevare e localizzare un numero non noto di volti.

• Riconoscimento del volto

▫ Data un’immagine di un volto, identificarlo o verificarne l’identità sulla base di un database di volti noti.

Quanti pixel per riconoscere un volto? Non molti in realtà (es. 20x14) …..

È più una questione di relazioni spaziali e appropriato tuning di frequenza

LOCALIZZAZIONE DEL VOLTO

Problema: data una singola immagine o una sequenza video rilevare la presenza

di uno o più volti e localizzarne la posizione all’interno dell’immagine.

• È necessaria l’indipendenza rispetto a:

▫ posizione, orientazione, scala, espressione del volto;

▫ fattori esterni quali l’illuminazione o la presenza di uno sfondo complesso.

Come opera Paolo Latella:

Dopo aver acquisito le foto e i fotogrammi tramite scanner digitale, si è proceduto alla modellazione tridimensionale dei due visi. L'obbiettivo è stato quello di creare una serie di rappresentazioni in 3D prendendo come riferimento uno o più immagini.

Sono stati effettuati dei controlli in modo automatico dalla durata di 10 a 15 minuti, hanno consentito di creare il modello facciale 3D, questa operazione è stata effettuata 3 volte per viso.

Il software ha creato infine il modello facciale 3D dalle caratteristiche più somigliante possibile all'essere umano presente nelle foto acquisite tramite scanner.

Questa operazione è stata realizzata per entrambi i modelli facciali.

Si è poi passato all'analisi di comparazione operativa: quella della verifica d’identità (confronto 1:1). Il software algoritmico ha richiesto l'inserimento del primo volto e successivamente ha richiesto il secondo volto. 

<!--[endif]-->L'operazione di comparazione viene effettuata almeno tre volte, svuotando il database da tutte le immagini per evitare la contaminazione di volti similari, ma il risultato è stato lo stesso.

Paolo Latella

CTU e consulente del Giudice del Tribunale di Lodi

c/o le Cancellerie Civili e Penali 

paolo.latella@alice.it