3.2.1 Padrão Retinal de Referência (Eye Signature)
Para obtermos uma representação da retina, precisamos varrer uma área anular (em forma de anel) da retina. Para escolher o tamanho do círculo e da largura desse anel, devemos levar em conta o retorno de luz suficiente e os detalhes de contraste no pior caso (tamanho reduzido da pupila), garantindo assim o desempenho do sistema.
Para o padrão retinal de referência (eye signature) surgiram duas representações importantes. A primeira consistia de 40 bytes destinados às informações de contraste, que eram codificadas nas coordenadas real e imaginária no domínio da freqüência e que eram geradas a partir de uma FFT (Fast Fourier Transform). Já na outra representação, fazendo uso de 48 bytes, embora um pouco maior que a primeira, os dados do contraste eram mantidos no domínio do tempo. A principal vantagem da utilização da representação do padrão retinal de referência no domínio do tempo é a eficiência computacional, o que resultou em menor custo computacional e/ou maior velocidade de processamento.
Tomando-se a proporção do brilho em um dado ponto pela média do brilho de sua região, podemos eliminar elementos que causam a não-uniformidade do feixe no ponto de entrada do olho. Deste modo, o sinal de identificação será normalizado para as variações de tamanho da pupila, que tem grande influência na quantidade de luz que retorna ao detector.
O padrão retinal de referência final (após todo o processo de digitalização) pode então ser caracterizado como uma forma de onda de contraste normalizada de toda a área varrida. Sendo assim, o contraste máximo é a reflexão mais brilhante da área varrida, enquanto o contraste mínimo seria a reflexão mais escura. A normalização é feita de modo que o máximo ou o mínimo estejam no limite de 4 bits (+7 ou -8, respectivamente), para assim melhor aproveitar todo o intervalo restante.
"A forma mais simples da identificação retinal referenciar uma eye signature, seria através de um array de 96 números de contraste (4 bits) para cada uma das 96 igualmente espaçadas posições de área varrida para um padrão de 48 bytes por olho representado no domínio do tempo." [7]
3.2.2 Câmera de Identificação Retinal
A câmera de identificação retinal (IR) é essencial para que o processo de varredura retinal seja realizado, e por isso, trataremos sobre o seu papel no sistema como um todo.
A câmera IR, em sua essência, realiza a mesma tarefa de um retinoscópio. A fonte de luz incide sobre a retina do indivíduo e a luz refletida é então detectada - no caso do retinoscópio, o médico é quem observará e avaliará a luz refletida. A luz proveniente do retinoscópio está em um feixe colimado, sendo assim, a lente do olho o focaliza para um ponto da retina.
Parte da luz é refletida pela retina e alcança a lente do olho, que faz o papel de colimar está luz recebida. Então, a luz refletida passa pela pupila com o mesmo ângulo com que entrou pela mesma, num processo que é denominado retroreflexão. A luz refletida pela retina é então observada pelo médico, que no caso da câmera IR é substituído por um detector.
Figura 4 - Antiga câmera utilizada nos produtos da EyeDentify - retirado de [7]
Figura 5 - Nova câmera utilizada nos produtos da EyeDentify - retirado de [7]
Transmissor
Normalmente, a fonte de luz é próxima ao infravermelho e invisível, e a iluminação de uma dada região projetada na retina deve ser uniforme. Também podem ser usadas como fonte de luz a lâmpada de tungstênio e o laser. A primeira é mais brilhante do que o infravermelho, porém possui as desvantagens de necessitar de um filtro e o tempo de vida da lâmpada. A segunda é interessante, porém, os usuários ficam temerosos quanto aos danos que podem ser causados.
Receptor
O receptor é constituído de um sensor de luz de silício, um pré-amplificador de alto ganho e um filtro passa-baixa.
Scanner
O scanner precisa estar apto a lidar com:
- Reflexões na córnea;
- Outras fontes luminosas dispersas;
- Luz ambiente.
Os ruídos provenientes de reflexões, em sua grande parte são oriundos de quatro fontes: da frente e de trás da córnea, e da frente e de trás das superfícies do cristalino.
3.2.3 Subsistema de Recepção de Sinal
Abaixo seguem os componentes desse subsistema:
Detector/Pré-Amplificador
O sensor de luz de silício irá captar a luz e então irá convertê-la em voltagem através de um amplificador operacional de baixo ruído que foi previamente configurado como um amplificador de transimpedância. Como o amp op foi cuidadosamente escolhido, as principais fontes de ruído elétrico serão o ruído térmico gerado pela resistência e o ruído quântico. Com o uso de um segundo amp op o nível do sinal pode alcançar um patamar que é suficiente para a operação do processador de contraste.
Conversão Analógico-Digital
O sinal analógico ainda não processado proveniente do sensor de luz da câmera IR pode ter uma medida de no mínimo duas ordens de grandeza, por causa do intervalo de possíveis tamanhos para a pupila (compressão e dilatação) durante a operação de identificação retinal. Realizar a conversão neste momento significa a utilização de cerca de 16 bits de resolução de modo a considerar as variações de sinal, números de contraste e resolução suficiente sobrando para a quantização da parte do sinal referente ao contraste. Assim, de modo a ter um modelo mais econômico, é interessante efetuar a função de processamento de contraste antes da conversão. Com esta iniciativa, basta apenar o uso de um conversor analógico-digital de 8 bits.
Processador de Contraste
Este passo pode ser implementado tanto no hardware como no software. Se a opção for o hardware, o custo será menor, já que isso reduzirá a resolução necessária para o conversor analógico-digital. O processador de contraste irá trabalhar removendo a informação redundante ou variável do padrão adquirido, porém mantendo o conteúdo necessário para gerar uma eye signature única.
3.2.4 Subsistema Computacional
Abaixo seguem os componentes desse subsistema:
Hardware
Os custos relativos aos elementos computacionais em sistemas de identificação retinal são desprezíveis quando comparados à parte opto-mecânica do sistema.
Software
Apenas duas funções fazem parte deste componente:
-> Correção de fase
Ao olhar para uma câmera IR, o usuário sempre estará com uma posição um pouco diferente da original, ou seja, sempre estará com a cabeça levemente rotacionada em relação à posição original. Assim, o algoritmo corretor de fase irá movimentar o padrão retinal adquirido em vários graus de rotação ou inclinações da cabeça (em torno do eixo Z) até encontrar a melhor comparação com o padrão retinal de referência (maior correlação).
-> Comparação
A comparação da forma de onda de contraste adquirida é realizada a partir de uma rotina que segue os seguintes passos:
- O padrão retinal de referência é convertido em um array com o mesmo número de elementos do padrão retinal adquirido;
- Ambos arrays são normalizados com um valor de RMS (Root Mean Square - valor quadrático médio) igual a 1.0;
- Comparam-se os arrays usando métodos baseados em FFT tendo a correlação como medida de similaridade.
Após a comparação, possuímos uma pontuação que caracteriza a comparação. A pontuação (que é a correlação) varia de +1.0 (casamento perfeito entre os padrões) a -1.0 (total descasamento). Empiricamente, foi observado que valores acima de 0.7 podem ser considerados como uma aceitação.
3.2.5 Operação do Sistema
Alinhamento e Fixação
O alinhamento do olho com o equipamento e a fixação do alvo durante o processo de varredura são muito importantes. Ao olhar para a câmera, o usuário verá dois pontos levemente iluminados, e deverá manter o centro de sua cabeça fixo, apenas girando-a até os pontos coincidirem, mantendo-se assim alinhado. Com esse processo, garante-se que a pupila do usuário está dentro da área na qual ocorrerá a varredura do feixe.
Scanning
Antes de utilizar o sistema, o usuário deverá remover os óculos (se estiver usando) para manter a confiabilidade do mesmo. Existem duas razões para isso: reflexões que ocorrem na lente dos óculos e podem interferir com o sinal; e distorções podem ocorrer caso os óculos não estejam na mesma posição de um uso para outro. No caso de um usuário tentar se cadastrar com óculos, é possível que as reflexões na lente sejam registradas, não a retina, o que resultará num padrão retinal de referência muito simples que pode ser duplicado.
Lentes de contato não precisam ser removidas, nem é necessário fazer um cadastro com e sem lentes, apenas em casos de graves correções.
Cadastro
O cadastro é um processo que necessita de várias leituras da retina para gerar um padrão retinal de referência. Os passos do cadastro podem ser resumidos como:
- Instruções no uso da câmera;
- Várias varreduras até que o alinhamento e a fixação sejam verificados;
- O sistema faz uma média das várias varreduras;
- É verificado se o novo padrão retinal de referência já não existe no banco de dados, quer seja por já estar cadastrado ou pelo fato da base de dados ser tão grande para a existência de uma similaridade suficiente para causar uma falsa aceitação no modo de reconhecimento. Assim, por este passo á garantida a unicidade do padrão retinal de referência;
- Fazer a correspondência com outros dados (Nome, PIN, etc);
- Salvar o cadastro na base de dados.
Verificação
Um usuário cadastrado pode vir autenticar a sua identidade através de um código (como o PIN). Assim é feita uma varredura e compara-se o padrão retinal adquirido com o padrão retinal de referência com o código inserido. Se os padrões corresponderem, a pessoa que fez a varredura é a pessoa cadastrada, e o sistema toma as medidas adequadas.
Reconhecimento
Parecido com o processo de verificação, porém mais geral, já que o usuário não insere o código relacionado à sua eye signature. Aqui o padrão retinal adquirido após a varredura é comparado com toda a base de dados, ou seja, é um processo n vezes mais custoso que a verificação (onde n é o tamanho da base de dados).
Falsificação da Varredura
Para que um olho falsificado seja bom o bastante para fraudar um sistema de identificação por retina, ele deve possuir as seguintes características:
- Ter o mesmo sistema óptico para imitar a reflexidade da retina;
- Conter uma lente que seja capaz de focar os raios colimados provenientes da câmera e possa colimar o feixe que é refletido na retina, que é então enviado para o detector.
- Ter um sistema de alinhamento e fixação que seja capaz de orientar o olho acerca de sua posição no eixo X e Y, transladando-o de forma a obter a distância correta do equipamento e então girar em torno do eixo Z dentro do intervalo do algoritmo de correção de fase (ver Correção de Fase no item Software do subtópico 3.2.4).
1. Introdução
