Varredura de Retina

        Um aparelho de biometria de retina deve executar basicamente três funções: a inscrição, a verificação e a identificação.

        A inscrição é o processo de registrar o usuário no sistema. Para isso sua retina é escaneada, gerando uma assinatura que será armazenada num banco de dados junto com a de outros usuários ou será associada a sua identidade por meio de um PIN ( Personal identification number). De outra forma, a assinatura pode ser salva num cartão que o usuário carrega consigo.

        Após estar registrado, toda vez que a identidade do usuário precisar ser verificada, ele chamará a função de verificação. Nela, seu olho será escaneado e gerará uma nova assinatura. Ela deverá, então, ser comparada com a assinatura associada com o PIN do usuário. De outra forma, o sistema pode consultar todo o banco de dados em busca de uma assinatura correspondente. Isso é chamado de identificação. Em qualquer um dos casos, se a comparação for positiva, a autenticação é confirmada.

        Para realizar essas funções três subsistemas são muito importantes:

        • Aquisição de imagem – Por meio de uma câmera, obtém-se uma imagem do olho;

        • Representação – A imagem obtida é transformada num modelo digital da configuração dos vasos sanguíneos da retina e é armazenada;

        • Comparação – É o processo de comparar uma assinatura referência com os modelos previamente armazenados durante a função de verificação ou de identificação.

        Todos esses subsistemas serão discutidos mais detalhadamente abaixo, tendo como base as patentes do sistema criado pela EyeDentify Inc. que já são de domínio público desde 1995.

Aquisição de Imagem

        Basicamente, a câmera emite um feixe de raio infravermelho que faz uma varredura circular do fundo do olho em torno do eixo óptico. Como os vasos sanguíneos absorvem mais energia do que o tecido que os cerca é possível mapear o fundo do olho de acordo com a intensidade da luz refletida.

        Abaixo, explicaremos esse processo usando o antigo modelo de câmera da EyeDentify Inc.. Existe um modelo mais recente, no entanto sua compreensão é um pouco mais complicada. Como a idéia por traz das duas é a mesma, adotaremos o modelo da antiga como base para a explicação, que é o bastante para fins didáticos.

Figura 1: Esquema de funcionamento do modelo antigo da EyeDentify Inc. Retirado de [1]

        A figura 1 acima mostra o modelo de câmera usada para a obtenção de imagem.

        Primeiramente, um raio de luz de comprimento de onda visível é emitido por um LED (diodo emissor de luz), que pode ser visto na fig.1 como componente 33. Esse raio é usado para que o usuário alinhe o eixo óptico do seu olho com o eixo do scanner.

        A seguir, uma lâmpada incandescente (Fig.1-39) emite um feixe que passa por filtros que permitem somente a passagem de luz infravermelha. Então, o feixe é refletido para o scanner. Mais tarde, a lâmpada foi trocada por um LED emissor de infravermelho, acabando com a necessidade do uso de filtros.

        O uso de luz infravermelha possui uma razão. Uma luz de comprimento de onda visível, além de ser incômoda ao usuário, faz sua pupila encolher, permitindo que menos luz entre e saia do olho, piorando, dessa forma, a qualidade da varredura. O uso de um comprimento de onda fora do espectro visível contorna esses dois problemas.

        Ao chegar no scanner, o feixe passa por uma série de espelhos, é dirigido para fora de forma a fazer um ângulo de dez graus com o eixo óptico do olho fixado e, finalmente, atinge o fundo olho.

        O scanner é construído de forma a poder girar em torno do próprio eixo. Enquanto ele gira, o feixe varre o olho num padrão anelar em torno da fóvea. A varredura em forma de anel diminui as reflexões na córnea, melhorando a qualidade da imagem final. Além disso, o raio do anel é calculado para obter o máximo contraste e maior retorno de luz. A intensidade da luz refletida varia em cada ponto, já que os vasos sanguíneos refletem menos luz do que os tecidos em volta.

        A luz refletida percorre o mesmo caminho de volta para a câmera, é desviada no espelho 70-fig.1 e chega a um fotodetector de silício. Então, o sinal adquirido passa por um amplificador, para que possa ser lido pelo processador de contraste, que tem a função de eliminar redundâncias do sinal, permitindo uma redução significativa de resolução necessária durante a conversão analógica/digital.

        Para aumentar a qualidade do sinal é possível fazer mais de uma varredura e depois fazer uma composição das ondas obtidas.

Representação

        Após a obtenção da imagem, utiliza-se uma transformada rápida de Fourier, gerando uma representação do sinal original no domínio da frequência com um tamanho de 40 bytes por olho. Uma solução alternativa, é uma representação de 48 bytes no domínio do tempo. Essa segunda opção gasta mais memória, no entanto é mais eficiente, pois exige um menor custo computacional, aumentado a velocidade da etapa de verificação.

        Para eliminar as diferenças de intensidade dos feixes que entram no olho devido ao tamanho da pupila, o valor do brilho num ponto é dividido pela média dos valores daquela região.

        Os valores de cada ponto também são normalizados, de forma que a intensidade máxima e a intensidade mínima daquela varredura estejam dentro do limite de 4 bits de resolução.

        No total são usados 96 pontos igualmente espaçados da imagem processada. Dessa forma, a representação final do contraste do olho é um vetor com 96 componentes cada uma com 4 bits de resolução, totalizando 48 bytes por olho.

        Esse modelo utiliza pouca memória se comparado a outras formas de biometria. O tamanho reduzido dessa representação aumenta a velocidade de comparação de uma assinatura com outras do banco de dados, reduzindo o tempo gasto na etapa de verificação.

Comparação

        Sua função é comparar a assinatura do usuário com as outras salvas anteriormente, liberando seu acesso ou não. Primeiramente, transforma-se a assinatura referência num vetor semelhante ao descrito acima. A seguir, normaliza-se os dois vetores (o referência e o armazenado) , para que seus valores RMS sejam iguais a 1. E por último, os dois são comparados no domínio do tempo. Isso gera um valor de correlação que varia de -1, o pior caso, até +1, o melhor caso. Experimentos mostraram que um valor de 0,7 é o bastante para considerar a comparação como válida.

        Além disso, antes de serem comparadas, as assinaturas passam por um processo de correção de fase, que é necessário por causa das pequenas variações na inclinação da cabeça do usuário ao ter olho escaneado. A onda de referência é deslocada de forma a encontrar o valor de correlação mais alto entre ela e a onda da imagem obtida.

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        É interessante conhecer mais de um sistema que pode ser implementado na biometria de retina. Com esse intuito, abaixo será apresentada resumidamente uma pesquisa sobre um novo sistema de varredura. Para informações mais detalhadas, o artigo original pode ser consultado em www.hindawi.com/journals/asp/2008/280635.html.

        Por meio de uma câmera, obtém-se uma imagem da retina (Fig.2). O disco óptico é localizado nessa figura como sendo a região mais brilhante e a imagem é processada de forma a ter seu contraste reforçado e ,em seguida, passa por uma técnica que a transforma numa imagem binária (Fig.3). Uma faixa em torno do disco óptico é, então, selecionada como na figura 4. Essa região é ideal para ser estudada já que possui um padrão de vasos nem muito nem pouco dispersos.

Figura 2: Foto da retina ainda não modificada. Retirado de [3]	Figura 3: Retina após processamento. Retirado de [3]	Figura 4: Seleção da faixa em torno do disco óptico. Retirado de [3]

        A região selecionada, que está nas coordenadas xy (Fig. 5), passa para coordenadas polares, que são rotacionalmente invariantes (fig.6). Essa imagem é decomposta em outras três, onde uma contém somente vasos de tamanho grande, a outra os vasos de tamanho médio e uma com os de tamanho pequeno (Fig. 7). Isso é feito usando a transformada de Wavelet.

Figura 5: Coordenadas XY. Retirado de [3]	Figura 6: Coordenadas Polares. Retirado de [3]	Figura 7: Imagem decomposta. Retirado de [3]

        Por último, um vetor é construído colocando um pulso retangular no lugar de cada vaso, onde a amplitude é o ângulo que o vaso forma com a horizontal, como pode ser observado na figura 8. Daí, conseguimos três vetores (um para cada escala), cada um com 360 bytes que depois serão reduzidos para 48 bytes cada.

Figura 8: Foto da retina ainda não modificada. Retirada de [3]

        A comparação é feita utilizando os vetores da imagem de entrada e os vetores das imagens previamente registradas. A aceitação de um usuário depende do valor do fator de correlação que pode ser visto no site mencionado acima.

        Em relação ao primeiro sistema, esse último possui a vantagem de ser imune a rotações do rosto no momento da obtenção da imagem. O uso de várias escalas para analisar a imagem polar permite que essa técnica seja menos sensível a pequenas mudanças no tamanho da espessura dos vasos.