Создан прибор, позволяющий идентифицировать человека по его сердцу
Centr86.ru

Ремонт бытовой техники

Создан прибор, позволяющий идентифицировать человека по его сердцу

Создан прибор, позволяющий идентифицировать человека по его сердцу

«Дистанционная идентификация по ритму сердца — это действительно прорыв»

На днях Хайтек+ сообщил о новой разработке Пентагона, которая может идентифицировать человека на расстоянии до 200 метров по сердечному ритму. Head of R& D стартапа Mawi Виталий Саган написал для нас колонку, в которой рассказывает, как работает эта технология, где ее можно применить и какие еще инновации связаны с данными сердца.

Как работает сердце: краткий экскурс

Каждый удар сердца включает три стадии: систолу (сокращение) предсердий, систолу желудочков и диастолу (расслабление). Сокращения инициируются электрическими импульсами — из верхней части миокарда, через предсердия к желудочкам. Последовательное сокращение и расслабление всех отделов сердца называют сердечным циклом. Рисунок, который образуется при ударе сердца, уникален для каждого человека.

Чтобы получить данные о работе сердца, традиционно используются две технологии: электрокардиография (ЭКГ, ECG) и фотоплетизмография (ФПГ, PPG). PPG-датчики установлены в большинстве пульсометров, фитнес-браслетов и умных часов. Если говорить упрощенно, они светят на артерию и измеряют, сколько света поглощается, а сколько — отражается, и так фиксируют пульсацию крови в сосудах.

ЭКГ считается более точным методом: на определенные участки тела устанавливаются электроды, позволяющие измерить разность потенциалов между ними. В носимых кардиографах обычно используется два электрода, в больничных — десять и более. ЭКГ фиксирует каждый этап сердечного цикла. По кардиограмме можно отследить сокращения и расслабления разных отделов сердца, диагностировать нарушения ритма, электрической проводимости, повреждения миокарда и многое другое.

Данные сердца — новое слово в биометрике?

Данные о работе сердца уже несколько лет используются в биометрике, ведь их невозможно подделать. Технологию распознавания лиц можно обмануть с помощью очков, бороды и грима. Отпечатки пальцев — тоже не панацея: в 2014 году хакеры сделали слепок пальца министра обороны Германии, используя фотографии с пресс-конференции (больше подробностей — в публикации BBC ).

Что касается сердца, человек может повлиять только на частоту сокращений, но это не помешает его опознать.

Гипотетически, технологию «сердечной» идентификации можно обмануть, если искусственно вызвать аритмию с помощью медикаментов. Но даже в таком случае человек не сможет выдать себя за кого-то другого, а только скроет собственную идентичность.

До сегодняшнего дня данные о работе сердца чаще использовались для аутентификации, а не для идентификации. Аутентификация — это процесс подтверждения конкретной личности, когда пользователь доказывает системе, что он — действительно он. Обычно для этого используют данные ЭКГ, как наиболее точные. Например, в 2016 году на ScienceDirect вышла большая статья на эту тему, ее написали ученые из Universiti Sains Malaysia. Это не первая и не самая громкая работа, а только один из примеров.

Есть и коммерческие решения. Например, год назад мы представили на FinovateSpring 2018 технологию, над которой работали вместе с «ПриватБанком»: добавили в наш браслет-кардиограф NFC-чип для бесконтактных платежей и обучили нейросеть аутентифицировать пользователя по ЭКГ. Если браслет надевает другой человек, функция платежей просто блокируется. После презентации пресса стала называть нас биометрическим стартапом, хотя основной фокус компании — здоровье.

В чем заключается инновация Пентагона

Главное новшество Пентагона — работа на расстоянии, и это действительно прорыв. Их технология Jetson позволяет зафиксировать мельчайшие колебания тела, вызванные сердечными сокращениями. Во время учебы в институте я работал над похожим проектом: сажал человека перед камерой, снимающей в высоком разрешении, и фиксировал эти колебания. Но полученные данные позволяли разве что посчитать частоту сердечных сокращений. А то, что делают американские военные, — настоящая революция.

Ученые заявляют, что смогут идентифицировать человека с 200 метров. В будущем, возможно, рабочая дистанция станет еще больше. Правда, пока лазер не справляется с плотной одеждой и не работает с движущейся целью (она должна оставаться на одном месте минимум 30 секунд).

Сейчас еще непонятно, смогут ли разработчики решить проблему тяжелой одежды, но скорость обработки данных они точно увеличат. Об этом говорит наш опыт: год назад мы аутентифицировали пользователя за 5 секунд замера ЭКГ, а сейчас технологии достаточно одного удара сердца.

Сами разработчики говорят, что Jetson обеспечивает до 95% точности в хороших условиях. Распознавание по ЭКГ уже сейчас работает с точностью более 99%. Скорее всего, технология Пентагона не достигнет такой же точности, но показатель в 95% превысит. Ее можно будет использовать вместе с другими технологиями (например, с распознаванием лиц). Такое сочетание будет работать точнее, а главное — дистанционно и с большим количеством потенциальных целей.

Данные сердца и искусственный интеллект

Без сомнений, для обработки данных Минобороны США будет использовать алгоритмы искусственного интеллекта. Чтобы обучить нейросеть, понадобятся данные десятков или сотен тысяч людей.

У американских военных достаточно ресурсов, чтобы собрать такой датасет. Если общество получит доступ к этим данным (скажем, в неперсонализированном виде), это станет сильным подспорьем для развития превентивной медицины.

Недавно Medical News Today писали, что искусственный интеллект может предсказать болезнь Альцгеймера за 6 лет до появления видимых симптомов. ИИ способен на многое, но главная проблема заключается в отсутствии данных. Их либо мало, либо они «грязные». Данные для алгоритмов Jetson помогут выявлять не только сердечно-сосудистые заболевания, но и, к примеру, болезнь Паркинсона.

Перспективы технологии: публичный сектор

Новую технологию Минобороны США собираются использовать в военных целях и для борьбы с терроризмом. Но разработку можно применить и в публичном секторе — так же, как это произошло с интернетом и со многими другими технологиями, которые когда-то изобрели для военных.

Самая очевидная сфера — маркетинг: можно будет измерять, как меняется пульс зрителей, которые смотрят рекламный ролик или изучают новую вывеску в ТЦ.

Другая перспективная цель — HR. Сейчас данные носимых кардиографов позволяют определить уровень стресса и восстановления, оценить состояние физических и ментальных ресурсов. Для этого анализируется вариабельность сердечного ритма (ВСР) — показатель, который отображает влияние симпатической и парасимпатической нервной систем на организм. Jetson тоже позволит определять ВСР: менее точно, зато на расстоянии.

Jetson против болезней

Вернемся к медицинским перспективам: в статье говорилось, что разработка позволит врачам дистанционно следить за здоровьем пациентов. Датчики действительно можно установить в публичных местах, чтобы отслеживать опасные состояния прохожих.

Но дистанционно мониторить сердца пациентов можно уже сейчас. На рынке есть носимые ЭКГ-устройства, в том числе браслет Mawi Band, нагрудный кардиомонитор iRhythm, мини-кардиографы от пионеров отрасли AliveCor. Особую популярность технология получила с выходом Apple Watch 4. Все эти гаджеты позволяют получать более точные данные и выявлять нарушения сердечного ритма на ранних этапах.

Jetson не сможет в ближайшие несколько лет работать в таком качестве. Но если разработчики создадут для нее медицинский функционал, она станет еще одним инструментом для диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, наряду с ECG- и PPG-трекерами. Больше людей получат шанс вовремя выявить нарушения ритма и потенциально — спасут себе жизнь. В мире снизится уровень смертности от ССЗ. Сейчас это причина смерти № 1 в мире, более 30% всех смертей. Снизив этот показатель на треть, можно спасти до 6 млн человек в год.

Геометрия сердца: новый метод непрерывной биометрической аутентификации


Сценарии непрерывной аутентификации: (a) Присутствует аутентифицированный пользователь, система остаётся разблокированной. (b) Аутентифицированный пользователь уходит, система автоматически блокируется. (с) Появляется злоумышленник, система остаётся заблокированной. Зелёный экран соответствует разблокированной системе, красный — заблокированной.

В последнее время у государственных и частных компаний возник спрос на более совершенные системы защиты компьютерной информации и аутентификации пользователей. В частности, вырос интерес к системам непрерывной аутентификации, когда компьютер постоянно проверяет аутентичность сидящего перед ним человека. Системы такого типа гораздо эффективнее, чем традиционная одно- или двухфакторная защита, потому что они не дают возможности злоумышленнику воспользоваться компьютером после того, как там авторизовался пользователь.

У существующих систем непрерывной аутентификации есть определённые ограничения. Некоторые из них требуют от пользователя постоянного подтверждения своей личности. Например, нужно прикладывать палец к сканеру или смотреть в глазок через определённые промежутки времени для сканирования пальца или сетчатки глаза или вводить пароль каждые несколько десятков минут. Конечно, это в определённой степени решает проблему непрерывной аутентификации, но не полностью, и к тому же очень неудобно.

Есть и другие предложения по непрерывной аутентификации: например, постоянно отслеживать паттерны набора на клавиатуре, движений мыши и другие поведенческие характеристики, отслеживать лица перед монитором. У каждого из этих методов имеются определённые недостатки. Например, систему распознавания лиц в Windows 10 несложно обмануть.

С точки зрения биометрической аутентификации проверка по сердцу — уникальная в своём роде. В отличие от пальца, сердце гораздо сложнее отделить от организма жертвы, здесь отсутствует возможность столь лёгкой подделки, как при распознавании лиц. Его сложно спрятать от системы, а характеристики носителя трудно узнать злоумышленнику. В конце концов, работающее сердце есть у каждого живого человека, в отличие от тех же пальцев, и оно уникально у каждого человека. Поэтому даже немного странно, что до сих пор не было создано систем биометрической аутентификации по сердцу (если не учитывать ЭКГ). Теперь такая есть: её разработали в Университете Баффало (США). Научную статью они собираются представить на 23-й Ежегодной международной конференции по мобильным вычислениям и коммуникации (MobiCom), которая пройдёт 16-20 октября 2017 года в Юте, а сейчас статья опубликована в открытом доступе (зеркало).

Читать еще:  Что означают значки на посудомоечной машине?


Структура и динамика сердца

У кого-то могут возникнуть сомнения в безопасности системы, которая непрерывно облучает сердце и считывает результат сканирования. Разработчики говорят, что в мире вездесущного излучения WiFi бояться нечего, здесь мощность излучения гораздо ниже: всего 5 мВт, то есть менее 1% излучения от наших смартфонов.

При первом сканировании сканеру требуется около 8 секунд для сбора всех характеристик, а в дальнейшем оно следит в непрерывном режиме — и сразу реагирует на смену сердца перед сканером.


Схема сенсора допплеровского радара, который используется при сканировании, с адаптивной настройкой питания и регулировкой луча

Разработка технологии заняла три года, и в целом это довольно сложное и технологичное устройство. При распознавании учитываются геометрия сердца: его форма и размер, а также динамика работы, то есть сердечный ритм. Распознавание человека по кардиограмме — технология десятилетней давности, но вот учитывать форму и размер сердца для аутентификации ещё никто не догадался. Это первая технология такого рода.

«В мире ещё не найдено двух людей с одинаковыми сердцами», — говорит Вэньяо Сюй (Wenyao Xu), ведущий автор научной работы, кандидат наук (PhD) и доцент (assistant professor) на кафедре информатики и инженерии в Школе инженерии и прикладных наук Университета Баффало. Он обращает внимание на то, что форма сердца у взрослого человека никогда не меняется, если только его не поражает какое-нибудь редкое серьёзное сердечное заболевание.


Экспериментальная установка


Сканер

Сейчас Сюй работает над миниатюризацией прибора, чтобы сканер можно было установить в углу компьютерной клавиатуры или в смартфоне.

В будущем государства могут подумать о том, чтобы составить базу данных отпечатков сердец всех граждан — она позволит безошибочно распознавать личность любого человека на расстоянии. Информацию можно записывать в паспорт вместе с остальными биометрическими данными. Допплеровский сканер по сердцу работает с расстояния в 30 метров: очень удобно для аэропортов, КПП и тому подобных пунктов пропуска.

На расстоянии распознать человека по сердцебиению: как технология Пентагона продлит нашу жизнь?

Как новая технология Пентагона может сделать нас здоровее

Сооснователь и Head of R&D AI-стартапа Mawi , эксперт в области обработки биосигналов Виталий Саган рассказал, как инновация Минобороны США может спасти миллионы жизней.

В конце июня в MIT Technology Review вышла статья о новой разработке Пентагона: американские военные учатся идентифицировать человека на расстоянии по сердечному ритму. То есть теперь человека будут идентифицировать не только по отпечатку пальца или Face ID, но и по сердцебиению, ритм которого тоже уникален у каждого человека.

В основе технологии Jetson — работа лазера: он считывает «микроскопические» колебания тела, вызванные сердечным ритмом.

Лучше, чем отпечатки пальцев

Как мы уже сказали, идентифицировать человека можно по самым разным параметрам. Все знают о дактилоскопии — анализе отпечатков пальцев. Чуть меньше людей слышали об идентификации по сетчатке глаза. На самом деле у человека еще много уникальных параметров, от генома до запаха, от строения челюсти до походки. В последние годы много внимания уделяется данным сердца: рисунок сердечного ритма тоже уникален для каждого человека.

Главное преимущество данных сердца в том, что их невозможно подделать. Год назад мы разработали систему аутентификации по сердцу и совместно с «ПриватБанком» создали браслет, который использует ее для безопасных платежей. Мы на практике убедились: алгоритму не мешает учащенное или замедленное сердцебиение.

Если говорить о Jetson, лазер пока не может считать сердечный ритм через плотную одежду, ведь она не двигается вместе с телом. Интересно понаблюдать за тем, как команда будет решать эту проблему. Еще одна сложность — скорость работы; сейчас цель должна оставаться неподвижной хотя бы 30 секунд. Это ограничение преодолеть проще. Вероятно, время распознавания удастся снизить, но в обозримом будущем оно не будет менее 5 секунд.

Дистанционная обработка сигналов сердца — важное направление, не только для военных, но и для человечества в целом. Любая технология — это инструмент, и ее можно применить для решения разных задач. Так мы, работая в направлении wellness и превентивной медицины, смогли использовать свою технологию для fintech-решения. Точно так же инновации Пентагона, связанные с обработкой биосигналов, можно будет применить в медицинских целях, чтобы удаленно мониторить сердцебиение людей — и потенциально спасти миллионы жизней.

Почему данные сердца — это золото

Практически каждый человек боится смерти. Не только своей, но и смерти родных, любимых, друзей. Но откуда ждать угрозы? Данные Our World In Data показывают, что люди среди причин смерти активнее всего «гуглят» рак, суицид и аварии, в медиа пишут о террористических атаках и убийствах, но в реальности главная угроза — сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ).

ССЗ — причина преждевременной смерти 17 млн человек в год, более 30% всех смертей в мире. (Преждевременно — это до 70 лет, по определению Всемирной организации здравоохранения.) Абсолютные лидеры — ишемическая болезнь сердца и инсульт, суммарно они унесли более 15 млн жизней в 2016 году, сообщает ВОЗ . В Украине риск умереть от ССЗ составляет 68%, пишет «Новое время» .

Болезни сердца и сосудов не появляются за один день, они развиваются годами, но некоторые сложно вовремя диагностировать. Один из примеров — мерцательная аритмия (это хаотичное сокращение предсердий; самая распространенная из аритмий, угрожающих жизни). Она может то появляться, то исчезать, а значит, шансы обнаружить ее на обычной кардиограмме будут мизерными. Из-за такой «драматичности» мерцательную аритмию не раз упоминали в сериале «Доктор Хаус».

В реальной жизни мерцательная аритмия (она же фибрилляция предсердий) может годами скрываться от медиков. Часто ее обнаруживают тогда, когда нарушение доходит до хронической стадии, вызывает/усугубляет сопутствующие болезни и приводит к инвалидизации. Чтобы вовремя опознавать мерцательную аритмию, мы должны развивать технологии диагностики. На помощь могут прийти разработки из области машинного обучения — когда искусственный интеллект помогает выявить нарушение.

Что происходит в мире превентивной медицины

Чтобы понимать перспективы технологий, нужно знать, как работает сердце. Напомню, оно состоит из четырех камер. Камеры сокращаются и расслабляются, перекачивая кровь. Малый круг кровообращения проходит из правого желудочка через легкие (где кровь насыщается кислородом) к левому предсердию. Большой круг — из левого желудочка через все тело; в процессе эритроциты «выгружают» кислород в тканях, захватывают молекулы углекислого газа и возвращаются к правое предсердие, оттуда — в правый желудочек и снова в легкие.

В основе работы сердца — электрическая активность. Именно поэтому самым эффективным методом исследования работы сердца считается электрокардиография. На определенные участки тела устанавливаются электроды и система измеряет разность потенциалов между ними. На ЭКГ видно, как именно проходит электрический импульс, какие отделы сердца работают корректно, какие — нет.

В медицине в основном используются три вида ЭКГ:

  1. «Стационарные» больничные кардиографы для обычной ЭКГ и стресс-тестов. Обычно у них 10 или больше электродов, процедура занимает около 1-2 минут, данные кардиограммы выводятся на экран компьютера и/или печатаются на специальной ленте.
  2. Холтеровский монитор, который крепится на тело и носится от нескольких часов до нескольких дней. Это позволяет обнаружить те кардиологические проблемы, которые могут проявиться всего пару раз за сутки. Именно холтеровская ЭКГ — главный инструмент для диагностики фибрилляции предсердий (этим возможности «холтера» не ограничиваются). У «холтера» есть современные модификации — более удобные, чем классический девайс. Лидером данного сегмента рынка можно назвать компанию iRhythm, в этом же направлении работает украинский стартап Cardiomo. Следующим шагом в развитии может стать «электронная татуировка», о которой недавно писал ImpactLab. По сути, эта разработка — сильно уменьшенный «холтер», к которому добавили датчики сейсмокардиографии (на СКГ регистрируются движения грудной клетки, вызванные работой сердца).
  3. Регистраторы событий (event recorders) — устройства, которые позволяют делать ЭКГ по запросу в любом месте и в любое время. Обычно у них два электрода. Это значит, что гаджет считывает меньше информации, чем больничный кардиограф, зато позволяет делать кардиограмму несколько раз в день — на протяжении месяцев и даже лет.
Читать еще:  Что такое насадка кеббе в мясорубке, и как ей пользоваться

К категории event recorders относится Apple Watch 4. Хотя Apple не изобрели ЭКГ по запросу, компания много делает для популяризации технологии и для привлечения внимания к здоровью сердца в целом. Первопроходцы в этой области — AliveCor, также в этом направлении работает Mawi и другие стартапы и технологические компании.

Кто нас всех спасет

Технология Пентагона позволяет идентифицировать человека по работе сердца, а значит, ее можно будет использовать для анализа состояния сердца и в других сферах — например, в медицине, чтобы отслеживать состояние людей в общественных местах. Jetson точно не будет считывать столько же данных, сколько дает ЭКГ, но решение перспективно.

Внимания заслуживают все технологии, приближающие нас к раннему выявлению ССЗ. Да, Jetson не может конкурировать с ЭКГ. Но он и не должен! Эти инструменты можно будет использовать в комплексе.

Сейчас «скрытые» болезни сердца выявляют так: человек приходит к кардиологу на прием — и если у специалиста возникает подозрение на одну из таких болезней, пациенту ставят «холтер». Поводом для подозрений могут быть жалобы самого пациента, изменения на стандартной ЭКГ или же тот факт, что человек находится в группе риска.

Усовершенствованная цепочка, которую предлагают разработчики портативных ЭКГ-регистраторов, такая:

  1. Человек в повседневной жизни использует регистратор событий, и как только обнаруживает нарушения — обращается к врачу.
  2. Врач, опираясь на полученный результат, назначает либо холтеровское мониторирование, либо стандартную ЭКГ в 12-15 отведениях, либо ЭКГ под нагрузкой.
  3. Если диагноз подтверждается, назначают лечение.

Этот подход позволит выявлять нарушения сердечного ритма, не дожидаясь симптомов, сохраняя качество жизни пациента и назначая эффективное лечение на ранних стадиях. Это станет возможно, когда event recorders получат массовое распространение.

Но мы не можем рассчитывать на то, что в ближайшем будущем такие устройства будут у каждого, потому что люди не задумываются о подобных «скрытых» рисках (помним же, что все боятся убийств и аварий, но не ССЗ). Если Jetson будет анализировать состояние людей в публичных местах, это станет еще одним пунктом в «цепочке спасения жизней». Мы получим еще один инструмент ранней диагностики, люди будут больше знать о своем здоровье, вовремя обращаться за медицинской помощью и получать лечение. Чьи-то друзья, братья, сестры, мужья, жены, родители и дети проживут на несколько лет дольше. Это ли не самая лучшая цель?

Машинный слух. Как работает идентификация человека по его голосу

Содержание статьи

Характеристики голоса

В первую очередь голос определяется его высотой. Высота — это основная частота звука, вокруг которой строятся все движения голосовых связок. Эту частоту легко почувствовать на слух: у кого-то голос выше, звонче, а у кого-то ниже, басовитее.

Другой важный параметр голоса — это его сила, количество энергии, которую человек вкладывает в произношение. От силы голоса зависит его громкость, насыщенность.

Еще одна характеристика — то, как голос переходит от одного звука к другому. Этот параметр наиболее сложный для понимания и для восприятия на слух, хотя и самый точный — как и отпечаток пальца.

Предобработка звука

Человеческий голос — это не одинокая волна, это сумма множества отдельных частот, создаваемых голосовыми связками, а также их гармоники. Из-за этого в обработке сырых данных волны тяжело найти закономерности голоса.

Нам на помощь придет преобразование Фурье — математический способ описать одну сложную звуковую волну спектрограммой, то есть набором множества частот и амплитуд. Эта спектрограмма содержит всю ключевую информацию о звуке: так мы узнаем, какие в исходном голосе содержатся частоты.

Но преобразование Фурье — математическая функция, которая нацелена на идеальный, неменяющийся звуковой сигнал, поэтому она требует практической адаптации. Так что, вместо того чтобы выделять частоты из всей записи сразу, эту запись мы поделим на небольшие отрезки, в течение которых звук не будет меняться. И применим преобразование к каждому из кусочков.

Спектрограмма пения птицы

Выбрать длительность блока несложно: в среднем один слог человек произносит за 70–80 мс, а интонационно выделенный вдвое дольше — 100–150 мс. Подробнее об этом можно почитать в исследовании.

Следующий шаг — посчитать спектрограмму второго порядка, то есть спектрограмму от спектрограммы. Это нужно сделать, поскольку спектрограмма, помимо основных частот, также содержит гармоники, которые не очень удобны для анализа: они дублируют информацию. Расположены эти гармоники на равном друг от друга расстоянии, единственное их различие — уменьшение амплитуды.

Давай посмотрим, как выглядит спектр монотонного звука. Начнем с волны — синусоиды, которую издает, например, проводной телефон при наборе номера.

Видно, что, кроме основного пика, на самом деле представляющего сигнал, есть меньшие пики, гармоники, которые полезной информации не несут. Именно поэтому, прежде чем получать спектрограмму второго порядка, первую спектрограмму логарифмируют, чем получают пики схожего размера.

Логарифм спектрограммы синуса

Теперь, если мы будем искать спектрограмму второго порядка, или, как она была названа, «кепстр» (анаграмма слова «спектр»), мы получим во много раз более приличную картинку, которая полностью, одним пиком, отображает нашу изначальную монотонную волну.

Кепстр

Одна из самых полезных особенностей нашего слуха — его нелинейная природа по отношению к восприятию частот. Путем долгих экспериментов ученые выяснили, что эту закономерность можно не только легко вывести, но и легко использовать.

Зависимость мела от герца

Эту новую величину назвали мел, и она отлично отражает способность человека распознавать разные частоты — чем выше частота звука, тем сложнее ее различить.

График перевода герца в мелы

Теперь попробуем применить все это на практике.

Идентификация с использованием MFCC

Мы можем взять длительную запись голоса человека, посчитать кепстр для каждого маленького участка и получить уникальный отпечаток голоса в каждый момент времени. Но этот отпечаток слишком большой для хранения и анализа — он зависит от выбранной длины блока и может доходить до двух тысяч чисел на каждые 100 мс. Поэтому из такого многообразия необходимо извлечь определенное количество признаков. С этим нам поможет мел-шкала.

Мы можем выбрать определенные «участки слышимости», на которых просуммируем все сигналы, причем количество этих участков равно количеству необходимых признаков, а длины и границы участков зависят от мел-шкалы.

Вычисление мел-частотных кепстральных коэффициентов

Вот мы и познакомились с мел-частотными кепстральными коэффициентами (MFCC). Количество признаков может быть произвольным, но чаще всего варьируется от 20 до 40.

Эти коэффициенты отлично отражают каждый «частотный блок» голоса в каждый момент времени, а значит, если обобщить время, просуммировав коэффициенты всех блоков, мы сможем получить голосовой отпечаток человека.

Тестирование метода

Давай скачаем несколько записей видео с YouTube, из которых извлечем голос для наших экспериментов. Нам нужен чистый звук без шумов. Я выбрал канал TED Talks.

Скачаем несколько видеозаписей любым удобным способом, например с помощью утилиты youtube-dl. Она доступна через pip или через официальный репозиторий Ubuntu или Debian. Я скачал три видеозаписи выступлений: двух женщин и одного мужчины.

Затем преобразуем видео в аудио, создаем несколько кусков разной длины без музыки или аплодисментов.

Теперь разберемся с программой на Python 3. Нам понадобятся библиотеки numpy для вычислений и librosa для обработки звука, которые можно установить с помощью pip . Для твоего удобства все сложные вычисления коэффициентов упаковали в одну функцию librosa.feature.mfcc . Загрузим звуковую дорожку и извлечем характеристики голоса.

Продолжение доступно только участникам

Вариант 1. Присоединись к сообществу «Xakep.ru», чтобы читать все материалы на сайте

Членство в сообществе в течение указанного срока откроет тебе доступ ко ВСЕМ материалам «Хакера», увеличит личную накопительную скидку и позволит накапливать профессиональный рейтинг Xakep Score! Подробнее

Способы идентификации личности человека

Понятие биометрии. Наступили времена, когда дактилоскопия, сканирование сетчатки глаза или особенности голоса из шпионских атрибутов перешли к обеспечению безопасности и комфорта в различных сферах современной жизни. Речь идет о биометрических технологиях.

Идентификация личности по биометрическим параметрам

Биометрией называется совокупность способов и устройств для идентификации человека, которые основаны на его уникальных физиологических или поведенческих характеристиках.

Этот вид идентификации может применяться для предотвращения запрещенного доступа в здания, к компьютерам, банкоматам, мобильным телефонам и так далее.

Биометрические свойства это:

  • отпечатки пальцев;
  • геометрия лица;
  • радужная оболочка глаз;
  • рисунок сетчатки;
  • голос;
  • почерк;
  • печать на клавиатуре;
  • узор вен на руках и др.

Наука 2.0 Идентификация личности

Преимущества биометрической идентификации

Биометрическая защита дает больший эффект по сравнению, например, с использованием паролей, смарт-карт, PIN-кодов, жетонов или технологии инфраструктуры открытых ключей. Это объясняется возможностью биометрии идентифицировать не устройство, но человека.

Обычные методы защиты чреваты потерей или кражей информации, которая становится открытой для незаконных пользователей. Исключительный биометрический идентификатор, например, отпечатки пальцев, является ключом, не подлежащим потере.

Читать еще:  Декальцинация кофемашин крупс, джура, бош, делонджи, саеко

Классификация способов биометрии

По типу используемой информации биометрическая идентификация делится на:

  • Статические способы, основанные на уникальных свойствах, данных человек от рождения и неотъемлемых от него. Физиологические показатели (геометрия ладони или папиллярный узор пальцев) являются неизменными для человека’
  • Динамические способы, основанные на поведенческой (то есть динамической) характеристике личности. Эти особенности характерны для подсознательных движений при воспроизведении каких-либо действий (речи, подписи, динамики клавиатурного набора). Такие поведенческие характеристики испытывают влияние управляемых и не очень управляемых психических факторов. Из-за их переменчивости биометрические образцы должны обновляться при их использовании.

Далее будут рассмотрены способы биометрической идентификации, соответствующие видам перерабатываемой информации.

Способы идентификации личности по биометрическим параметрам

Дактилоскопия

Этот метод опознавания является самым распространенным. Он использует неповторимость папиллярных узоров пальцев для каждого человека. Специальным сканером получают изображение пальцевого отпечатка. Оно трансформируется в цифровой код и сопоставляется с шаблоном, введенным ранее.

Процесс идентификациидлитсяне больше нескольких секунд. Определенный недостаток, сдерживающий развитие этого метода, состоит в предубеждении некоторых людей, не желающих оставлять данные о своих отпечатках пальцев. Контраргумент разработчиков аппаратуры заключается в том, что информация о папиллярном узоре не хранится, а хранится только короткий идентификационный код, выстроенный по отпечатку пальца и не позволяющий воссоздать узор для сравнения. Преимуществом метода является простота в использовании, надежность и удобство.

Форма кисти руки

Отождествление по форме руки

Этот статический метод основан на измерении формы кисти руки. Она также является уникальным биометрическим параметром человека. Специальное устройство позволяет получить трехмерный вид кисти. В результате получают измерения для создания уникального цифрового кода, идентифицирующего человека.

Данный метод по своей технологии и точности сопоставим с методом отождествления по отпечатку пальца, хотя само устройство для реализации метода занимает много места. Чрезвычайно мала вероятность наличия двух идентичных кистей рук, имеющих одинаковую геометрию, хотя руки с возрастом меняются.

Сегодня идентификация по геометрии руки применяется в законодательных органах, больницах, международных аэропортах и т. д.

Радужная оболочка глаза

Аутентификация радужной оболочки

Основой этого метода является исключительность узора на радужной оболочке глаза. Для его выполнения нужна камера, чтобы получать изображение глаза с достаточным разрешением, и специальное программное обеспечение для выделения из полученного изображения рисунка на радужной оболочке. По нему и создается цифровой код, служащий для идентификации человека.

Достоинством сканеров является то, что от человека не требуют сосредотачиваться на цели, поскольку образец пятен радужной оболочки сосредоточен на поверхности глаза. Сканирование возможно на расстоянии меньше 1 м. Это удобно для использования, например, в банкоматах.

Идентификация по сетчатке глаза

Сетчатки сканируется с помощью низкоинтенсивного инфракрасного света, который направляется к кровеносным сосудам задней стенки глаза через зрачок. Сканеры сетчатки широко распространены в системах доступа на секретные объекты, поскольку у них почти не бывает неправильного разрешения доступа. Ошибки могут объясняться отклонением головы от эталонного положения и неправильной фокусировкой взгляда на источнике света.

Даже у близнецов различается капиллярный рисунок сетчатки. Вот почему этот способ может успешно использоваться для идентификации личности.

Недостатком таких систем можно отнести психологический фактор: не каждый человек может смотреть в темное отверстие, в котором в глаз что-то светит. Кроме того, эти системы чувствительны к неверной ориентации сетчатки, поэтому надо внимательно следить за положением глаза по отношению к отверстию.

Форма лица как объект для идентификации

Этот статический метод идентификации заключается в создании двух- или трехмерного образа лица человека. Камерой и специализированным программным обеспечением на изображении лица подчеркиваются контуры глаз, губ, бровей, носа и т. д. Затем вычисляют расстояния между этими элементами и прочие параметры. По этим сведениям создается образ, который для сравнения преобразуется в цифровую форму.

Этот способ относится к наиболее динамично развивающимся направлениям в индустрии биометрии. Его привлекательность основана на том, что не требуется специального дорогого оборудования. Достаточно персонального компьютера и видеокамеры. Кроме того, отсутствует физический контакт с устройствами. Не нужно прикасаться ни к чему, либо останавливаться, специально ожидая срабатывания системы.

Распознавание по рукописному почерку

Основой идентификации по почерку служит уникальность и стабильность этого фактора для каждого человека. Характеристики измеряются, переводятся в цифровой вид и подвергаются компьютерной обработке. То есть для сравнения выбирается не письмо как продукт, а сам процесс.

Распространены два метода обработки данных: обычное сравнение с образцом и динамическая верификация. Первый ненадежен, потому что подпись не всегда одинакова. Такой метод приводит к большому проценту ошибок. Динамическая верификация состоит в более сложных вычислениях. Этим методом в реальном времени регистрируются параметры самого процесса подписи: скорость движения руки на различных участках, силу давления и длительность разных этапов подписи. Это исключает подделку, так как невозможно в точности скопировать движения руки автора подписи.

Распознавание по клавиатурному почерку

Этот метод, в общем, аналогичен описанному выше, однако подпись в нем заменяется неким кодовым словом, а из оборудования нужна лишь обычная клавиатура. Основной идентификационной характеристикой является динамика клавиатурного набора кодового слова.

Согласно современным исследованиям, клавиатурный почерк обладает определенной стабильностью, благодаря чему можно однозначно идентифицировать личность. Исходными данными является время между нажатием клавиш и их удержания. Причем время между нажатием показывает темп работы, а удержания – стиль работы, то есть плавное нажатие либо резкий удар.

Вначале на этапе фильтрации удаляются данные о «служебных» клавишах – функциональных, управления курсором и т. д.

Потом выделяются следующие характеристики пользователя:

  • число ошибок в процессе набора;
  • время между нажатиями на клавиши;
  • скорость набора.
  • время на удержание клавиш;
  • аритмичность при наборе.

Распознавание по голосу

Биометрический метод идентификации голоса удобен в применении. Причинами его внедрения являются широкое распространение телефонных сетей и встраивание микрофонов в компьютеры. Недостатками можно считать факторы, оказывающие влияние на распознавание: помехи в микрофонах, окружающие шумы, ошибки в процессе произнесения, разное эмоциональное состояние человека при идентификации и т. п.

Главное в построении устройств аутентификации по голосу – выбор параметров, лучше всего описывающих индивидуальность голоса. Эти параметры сигнала называются признаками индивидуальности. Такие признаки, кроме данных об особенностях голоса, должны иметь и другие свойств. Например, они должны легко измеряться, и мало зависеть от шумов и помех. Кроме того, они должны обладать стабильностью во времени и сопротивляться имитации.

Разработаны системы с применением метода комбинированного анализа голоса с мимикой. Оказывается, мимика говорящего отличает только его и будет иной у произносящего те же слова другого человека.

Термографическое наблюдение лицевых артерий и вен

Идентификация человека по лицу сильно упрощаются, если перейти в инфракрасный диапазон световых волн. Термография идентифицируемого лица выявляет уникальность расположения на лице артерий, снабжающих кожу кровью. Вопроса подсветки для этих биометрических устройств не существует, поскольку они воспринимают лишь температурные перепады лица и свет им не нужен. Эффективность распознавания не зависит от перегрева или переохлаждения лица, естественного старения личности, пластических операций, так как они не изменяют внутреннее положение сосудов.

Способом лицевой термографии можно различать близнецов, лицевые кровеносные сосуды которых сильно различаются.

В этом способе идентификации используется специализированная видеокамера инфракрасного дальнего диапазона.

Идентификация по венам руки

Венозная система руки

На биометрическом рынке присутствуют устройства, которые построены на анализе индивидуального расположения вен на руках. Во внимание принимается рисунок вен, расположенных на тыльной стороне кисти сжатой в кулак руки. Наблюдение за рисунком вен осуществляет телевизионная камера при инфракрасной подсветке. При вводе изображения производится его бинаризация, выделяющая вены. Подобное оборудование производит единственная английская фирма Vinchek.

Перспективы биометрии

Доминирующим способом идентификации личности по-прежнему остается распознавание отпечатков пальцев. Для этого существуют две главные причины:

  • во многих странах начался переход на паспорта с биометрическими данными;
  • разработка обновленных моделей сканеров пальцевых отпечатков для применения в маленьких устройствах (сотовые телефоны, карманные ПК, ноутбуки).

Существенное расширение можно ожидать в секторе идентификации по подписи в связи с широким внедрением цифровой электронной подписи. Распознавание голоса тоже может набрать обороты благодаря реализации крупных проектов в строительстве интеллектуальных зданий.

Основные прогнозы сводятся к тому, что внедрение биометрических устройств безопасности в скором будущем приобретет лавинный характер. Борьба с глобальным терроризмом потребует практического использования любых достижений в этой сфере. Благодаря интенсивному развитию мультимедийных и цифровых технологий и дальнейшее их удешевление позволят разработать и внедрить принципиально новые системы идентификации.

Определенные биометрические технологии сейчас проходят стадию разработки и некоторые из них признаны перспективными:

  1. термограмма лица в инфракрасном диапазоне;
  2. характеристики ДНК;
  3. спектроскопия кожи пальцев;
  4. отпечатки ладоней;
  5. форма ушной раковины;
  6. параметры походки человека;
  7. индивидуальные запахи человека;
  8. уровень солености кожи.

Эти способы биометрической идентификации на сегодняшний день можно считать сформировавшимися. Возможно, скоро они перейдут от научных исследований к коммерческим технологиям.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector