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"OCT en phase pour la reconnaissance biométrique par empreinte digitale et sa sécurisation"

Soutenance de thèse de François LAMARE
le 21 mars 2016 à 14h00 - Salle G10 à Télécom SudParis, 9 rue Charles Fourier - 91011 Evry cedex.

Soutenance de thèse de François LAMARE
le 21 mars 2016 à 14h00 - Salle G10 à Télécom SudParis, 9 rue Charles Fourier - 91011 Evry cedex.

Cette thèse a été réalisée sous la direction du Professeur Badr-Eddine BENKELFAT.

Le jury sera composé de :

  • BEN AMOR Boulbaba Enseignant chercheur (HDR) Rapporteur
  • TRIA Assia Enseignant chercheur (HDR) Rapporteur
  • ZAQUINE Isabelle Professeur (HDR) Examinateur
  • Liming CHEN Professeur Examinateur
  • FOURRE Joël-Yann Directeur technique capteurs - Morpho Invité
  • GOTTESMAN Yaneck Maitre de conférences (HDR) Encadrant
  • DORIZZI Bernadette Professeur (HDR) Directrice de thèse
  • BENKELFAT Badr-Eddine Professeur (HDR) Directeur de thèse

Résumé :

Au sein de la société actuelle, le besoin de connaître l’’identité des personnes, que ce soit à des fins d’authentification ou de sécurisation, est devenu primordial. De par sa fiabilité et son aspect a priori très sécurisé, la biométrie s’est imposée au fil des années comme une solution pertinente. La modalité biométrique la plus largement répandue est l’empreinte digitale. Les capteurs standards permettent l’acquisition d’images d’intensité en 2 dimensions de la surface du doigt, d’où sont extraits des points caractéristiques discriminants, les minuties. Les outils utilisés pour l’authentification biométriques sont alors basés sur le résultat de la mise en correspondance (matching) des minuties de deux images, et cela suivant des propriétés d’invariance par rotation, notamment. Ces outils peuvent être considérés à l’heure actuelle comme performants dans de bonnes conditions d’acquisition.

Le niveau de sécurité d’un système biométrique dépend entre autres des vulnérabilités du capteur qui est utilisé lors de l’étape d’authentification. L’identité d’un individu peut en effet être facilement usurpée (spoofing) à l’aide de moyens très simples, en faisant des attaques directes sur le capteur avec des faux doigts ou de fausses empreintes, confectionnés à partir des empreintes de cet individu. Pour certains systèmes, ces failles de sécurité peuvent poser problème, comme par exemple dans le cas d’une transaction bancaire sensible, ou bien d’un accès à une zone sécurisée, ou encore d’un contrôle du passage à une frontière, etc... A travers ces exemples, nous comprenons tout l’intérêt que représentent ces failles de sécurité pour un fraudeur. Un autre problème important en biométrie des empreintes digitales concerne des dégradations possibles de la qualité des images obtenues. Ce phénomène peut être lié au système d’acquisition, qui peut par exemple être sensible à l’état de surface de la peau (doigts secs ou mouillés, par exemple), à l’environnement (notamment la température) ou voire tout simplement à des dégradations superficielles de l’épiderme qui peuvent diminuer les performances de reconnaissance.

D’après l’analyse que nous faisons de cette situation, ces problèmes sont dus essentiellement à la faible quantité d’information (information de surface uniquement), enregistrée par les capteurs usuels durant la phase d’authentification, et à la nature physique de cette information (intensité seulement). Pour y remédier, nous proposons dans ce travail de thèse une nouvelle approche basée sur l’OCT (« Optical Coherence Tomography »). L’OCT est un capteur optique sans contact, basée sur une technique interférométrique, qui permet d’imager en 3 dimensions les éléments diffusants la lumière, et cela avec une haute résolution. Il permet également d’obtenir une information physique très riche sur l’échantillon biométrique analysé.

L’OCT est un capteur dédié initialement au monde médical (à la base pour l’ophtalmologie). La plupart des applications médicales reposent surtout sur des images d’intensité en coupes transversales, pour le diagnostic médical par exemple. L’originalité de notre travail consiste alors à exploiter un tel instrument dans le contexte de la biométrie, où l’information pertinente est par essence tridimensionnelle (les empreintes digitales sont des surfaces 3D). L’utilisation de l’OCT dans un domaine différent de son domaine d’application originel pose alors un certain nombre de problèmes quant à la nature de l’information exploitée, mais aussi en termes de performances attendues et de dispositif instrumental.

En complément aux approches traditionnelles en OCT mais aussi en biométrie, basées sur l’information d’intensité, nous avons étudié dans ce travail de thèse une autre modalité d’imagerie OCT, basée sur l’exploitation de la phase. Cette phase, directement liée à des mesures de temps de vol de la lumière, permet alors de répondre au problème de la segmentation des empreintes digitales 3D, telles qu’obtenues dans un mode d’acquisition sans contact (absence d’aplatissement des doigts). Nous avons d’ailleurs montré grâce à des simulations statistiques, modélisant l’impact du bruit du capteur sur les mesures de temps de vol, que ces surfaces 3D peuvent être extraites du volume tomographique avec une grande précision (). Nous avons également proposé dans ce travail de thèse une représentation originale des empreintes, dite en contraste de phase, qui permet d’obtenir des images de très bonne qualité, même en conditions d’acquisitions dégradées (doigts humides), contrairement à une représentation plus conventionnelle en intensité.

L’information 3D obtenue grâce à l’OCT ne se limite pas seulement à l’empreinte à la surface du doigt. Il existe notamment une deuxième empreinte, dite empreinte interne, située entre le derme et l’épiderme, dont la structure est très similaire à celle de l’empreinte surfacique traditionnelle (dite empreinte externe). Nous nous sommes particulièrement intéressés à cette empreinte interne dans notre travail de thèse. En effet, cette dernière est plus difficile d’accès que l’empreinte externe, ce qui est d’un grand intérêt pour la sécurité (anti-spoofing), mais est également mieux préservée des conditions extérieures (humidité, saletés, blessures, …). La contrepartie de cet avantage est qu’elle est alors beaucoup plus difficile à extraire (à cause de sa profondeur, mais aussi des processus de diffusion de la lumière à l’intérieur des tissus biologiques). En particulier, il s’est avéré que l’utilisation de notre représentation en contraste de phase était insatisfaisante pour l’obtention d’images d’empreintes internes de bonne qualité. Une autre contribution importante de ce travail de thèse repose alors sur un nouveau procédé d’imagerie, basé sur la fusion de l’information en phase et en intensité, qui sont complémentaires dans le cas des empreintes internes. Notre méthode de fusion est basée sur des mesures de la qualité locale des images d’empreintes dans les deux représentations. Elle permet de ne conserver que les zones de meilleure qualité issues de l’une ou l’autre de ces représentations. Notre méthode d’imagerie par fusion permet donc d’obtenir des images de bien meilleure qualité que celle des images en intensité et en contraste de phase prises isolement.

Nos approches en phase et en fusion ont pu être évaluées à partir d’expériences en vérification d’empreintes (basées sur des matching de minuties), effectuées sur une petite base de données d’empreintes digitales 3D, acquise au sein de notre laboratoire (une centaine de doigts différents). Réaliser le matching de surfaces 3D pour l’authentification est de nos jours une tâche encore difficile à mettre en œuvre. Nous nous sommes alors ramenées au cas d’images 2D, pour lequel il existe des outils de matching déjà performants. Nous avons donc à cette fin utilisée une méthode de projection issue de l’état de l’art, que nous avons adapté au cas des empreintes digitales. La méthode repose sur le paradigme de la minimisation des distorsions des distances géodésiques lors de l’aplatissement, particulièrement judicieux dans un contexte biométrique où la conservation des distances est capitale. Par ailleurs, nous avons montré que la méthode employée respectait la propriété importante d’invariance à la rotation des doigts. Les différents résultats obtenus à partir des images d’empreintes aplaties ont alors permis de valider l’intérêt de notre représentation en contraste de phase par rapport à celle en intensité, dans le cas de l’empreinte externe, mais également de montrer la pertinence de notre méthode de fusion, dans le cas de l’empreinte interne. Les performances en authentification obtenues avec notre approche globale OCT ont également été comparées à celles obtenues avec des capteurs 2D usuels, déjà largement optimisés en termes de taux d’erreurs. Les résultats obtenus montrent que l’OCT est une approche tout à fait prometteuse pour l’authentification d’individus.

Enfin, nous avons adressé dans ce travail de thèse le problème du spoofing, particulièrement critique dans le cas des empreintes digitales. Nous avons montré que l’utilisation d’un capteur OCT était très intéressante dans la mesure où l’information obtenue, de profondeur notamment, pouvait être exploitée avantageusement pour détecter la présence d’un faux doigt ou d’une fausse empreinte. Ainsi, la fabrication d’un leurre parfaitement indétectable par l’OCT est rendu particulièrement difficile, compliquant grandement le travail d’un faussaire. Nous avons également proposé une nouvelle approche très prometteuse pour l’anti-spoofing, qui consiste à comparer les différentes images d’empreintes d’un même doigt. Dans le cas d’une usurpation d’identité, l’empreinte à la surface (correspondant donc au leurre) serait différente des empreintes externe (empreinte sur le doigt) et interne (empreinte dans le doigt). Nous serions alors en mesure de détecter la tentative de fraude, et aussi utiliser l’empreinte de surface pour de déterminer quelle identité a été usurpée (à condition que cette empreinte soit connue bien entendu). Nous voyons ici encore l’intérêt de nos méthodes en phase et en fusion, et aussi de notre méthode d’aplatissement, pour obtenir ces différentes images d’empreintes mais aussi pour les comparer.

Abstract :

In today’s society, the need to know the identity of persons, whether for authentication or security purposes, has become primordial. Because of its reliability and its appearance a priori very secure, biometrics has emerged over the years as a relevant solution.

Fingerprint is currently the most widespread biometric modality. The standard sensors allow the acquisition of intensity images in 2 dimensions of the finger surface, where are extracted discriminating points called minutiae. The tools used for biometric authentication are then based on the result of matching of the minutiae of two images, with a rotation invariance property, in particular. These tools can be considered at present as efficient in good conditions of acquisition.

The security level of a biometric system inter alia depends on the sensor vulnerabilities that is used during the authentication step. The identity of an individual can indeed be easily spoofed using very simple means, making direct attacks on the sensor with fake fingers or false prints, made from impressions of this individual. For some systems, these security lacks can cause problems, such as in the case of sensitive banking transaction, or access to a secure area, or of control of crossing a border, etc. Through these examples, we understand the interest represented by these security problems to a fraudster. Another important problem in fingerprint biometrics relates to possible degradation of the quality of the obtained images. This can be linked to the acquisition system, which may for instance be sensitive to the skin surface condition (dry or wet fingers, for example), the environment (such as temperature) or even simply superficial damages to the skin that can decrease recognition performance.

The analysis we make of this situation is that these problems are mainly due to the small amount of information (surface information only) registered by the standards sensors during the authentication phase, and the physical nature of this information (intensity only). To solve this, we propose in this thesis a new approach based on the OCT ("Optical Coherence Tomography"). OCT is a contactless optical sensor, based on an interferometric technique, which allows imaging in 3-dimensions the light scattering elements, and this with an high resolution. It also provides a wealth of information on physical biometric sample analyzed.

OCT is a sensor initially dedicated to the medical world (ophthalmology at beginning). Most medical applications are primarily based on intensity cross-sectional images, for example for medical diagnosis. The originality of our work is then to use such an instrument in the context of biometrics, where the relevant information is three-dimensional (fingerprints is a 3D surface). The use of OCT in a different area of its original area of application raises a number of issues about the nature of the information exploited, but also in terms of expected performance and instrumental device.

In addition to traditional approaches in OCT but also in biometrics, based on intensity information, we have studied in this thesis another imaging modality, based on the phase. This phase, directly related to light time of flight measurements, then allows responding to the problem of segmenting fingerprints in 3D, as obtained in an contactless acquisition (no flattening of the fingers ). We showed through statistical simulations, modeling the impact of sensor noise on time of flight measurements, than these 3D surfaces can be extracted from the tomographic volume with high precision ( λ / 10). We also proposed in this thesis an original representation of fingerprints, called phase contrast, which allows obtaining images of very good quality, even in degraded conditions acquisitions (wet fingers), unlike a conventional intensity representation.

The 3D information obtained through OCT is not only limited to fingerprint at finger surface. In particular, there is a second fingerprint, called internal fingerprint, between the dermis and the epidermis, whose structure is very similar to the traditional fingerprint at the finger surface (called external fingerprint). We are particularly interested in this internal fingerprint in the thesis. Indeed, the latter is more difficult to access than the external fingerprint, which is of great interest for security (anti-spoofing), but is also better preserved from external conditions (humidity, dirt, damage, ... ). The counterpart of this advantage is that it is much more difficult to extract (because of its depth, but also the process of diffusion of light inside biological tissue). In particular, it has been found that the use of our representation phase contrast was unsatisfactory for obtaining internal fingerprint images of good quality. Another important contribution of this thesis is based on a new imaging method based on of phase and intensity fusion information, which are complementary in the case of internal fingerprints. Our fusion method is based on measurements of the local quality of fingerprint images in the two representations. It allows keeping only the best quality areas from one or other of these representations. Our fusion imaging method allows obtaining images of higher quality than images in intensity and phase contrast, taken isolation. It has been the subject of a patent pending.

Our phase and fusion approaches have been be evaluated with fingerprint verification experiments (based on matching of minutiae), realized on a small base of 3D fingerprint data acquired in our laboratory (a hundred different fingers). Nowadays, achieve 3D surfaces matching for authentication is a task still difficult to implement. We then reduced to the case of 2D images for which there are already performing matching tools. We therefore proposed to use at this end a projection method of the stat of the art that we have adapted to the case of fingerprints. The method is based on the paradigm of minimizing distortions of geodesic distances when flattening, particularly appropriate in a biometrical context where the distances conservation is mandatory. Furthermore, we have shown that the method respects the important property of invariance to rotation of the fingers. The different results obtained from the flattened fingerprint images were then used to validate the benefit of our phase contrast representation relative to the intensity one in the case of the external fingerprint, but also to show the relevance of our fusion imaging method, in the case of the internal fingerprint. The authentication performances obtained with our OCT approach were also compared to those obtained with conventional 2D sensors, already widely optimized in terms of error rates. The results obtained show that OCT is a promising approach for authentication of individuals.

Finally, we have addressed in this thesis the problem of spoofing, particularly critical in the case of fingerprints. We have shown that the use of an OCT sensor was very interesting insofar 3D information and physical obtained can be advantageously exploited to detect the presence of a false finger or a false fingerprint. Thus, producing a perfectly undetectable fake is made particularly difficult, greatly complicating the work of a fraudster. We also proposed a promising new approach for anti-spoofing, which involves comparing the various images of fingerprints of the same finger. In the case of identity theft, the fingerprint on the surface (thus corresponding to the fake fingerprint) is different from the external (on the finger) and internal (inside the finger) fingerprints. We would then be able to detect attempted fraud, but also use the surface fingerprint to determine which identity is misused (provided that this fingerprint is known of course). We see here again the interest of our phase and fusion imaging methods, and also our flattening method to obtain these different fingerprint images, and also to compare them.