Καινοτόμοι μηχανισμοί βελτίωσης απόδοσης και αποτελεσματικότητας των βιομετρικών συστημάτων

Abstract

The current market trend for the provision of personalised services as well as the intensifying need for reinforcing security in various sectors over the past years are gradually leading towards the quest for novel, more effective and robust identification mechanisms, methods and systems. Biometric technologies, being based on human characteristics with special innate properties, such as uniqueness, universality and collectiveness, which comprise important requirements for person identification, are a joint multidisciplinary research effort for covering these high needs. The intense commercial and governmental interest for these technologies and their capabilities has led to worldwide feverish research regarding boosting their accuracy while reducing their cost, so that they are able to cover the continuously increasing range of applications of varying requirements aiming at providing more secure and effective identity management. This thesis presents innovative mechanisms which are either inextricable parts of biometric systems or focus on the infrastructural requirements in order to improve the effectiveness and the efficiency of these systems. As far as effectiveness is concerned, we present an innovative modeling of biometric data at score-level based on Student t mixture models and the application of a likelihood-based decision rule. This mechanism is compared against existing methods for score-level fusion with the simulation results proving the effectiveness and the efficacy of the proposed method. It should be noted that this mechanism is independent of the biometric system in which it is incorporated as well as the biometric feature extraction algorithms used. In the context of increasing the accuracy of the biometric systems, a novel biometric systems architecture is presented which is an extension of the existing generic architecture of biometric systems and which focuses on the more effective and intelligent exploitation of the informational wealth of biometric data through its combination with the respective information regarding the specific conditions under which the incorporated biometric feature extraction algorithms perform best. This study expands towards security and privacy aspects of biometric systems during which we analyse the main points of attack within a biometric systems and map them with the major privacy aspects. Finally, based on the fact that reliability, effectiveness and efficiency issues of a biometric system are tightly linked with the availability of the biometric data and the access latency to the latter, we present novel replica creation and maintenance mechanisms within a distributed environment, with their evaluation being based on the required computational power and their execution time while their effectiveness lies within acceptable levels.

Η παρατηρούμενη τάση στην αγορά για παροχή εξατομικευμένων υπηρεσιών αλλά και η διαρκώς εντεινόμενη απαίτηση για ενίσχυση της ασφάλειας σε ποικίλους τομείς της ζωής των ανθρώπων τα τελευταία χρόνια οδηγούν σταδιακά στην αναζήτηση νέων, πιο αποτελεσματικών και εύρωστων μηχανισμών, μεθόδων και συστημάτων ταυτοποίησης. Οι βιομετρικές τεχνολογίες βασιζόμενες σε ανθρώπινα χαρακτηριστικά με ιδιαίτερες εγγενείς ιδιότητες, όπως η μοναδικότητα, η παγκοσμιότητα και η συλλεξιμότητα, οι οποίες συνιστούν βασικές απαιτήσεις για την ταυτοποίηση των ανθρώπων, αποτελούν μια συντονισμένη ερευνητική προσπάθεια κάλυψης αυτών των υψηλών αναγκών. Το έντονο εμπορικό αλλά και κυβερνητικό ενδιαφέρον για τις τεχνολογίες αυτές και τις δυνατότητές τους έχει οδηγήσει σε πυρετώδη έρευνα παγκοσμίως όσον αφορά στην αύξηση των επιπέδων ακρίβειας αλλά και τη μείωση του κόστους, ώστε να είναι εφικτή η κάλυψη του διαρκώς αυξανόμενου εύρους εφαρμογών διαφορετικών απαιτήσεων οι οποίες καλούνται να ενσωματώσουν τα συστήματα αυτά για την ασφαλέστερη και αποτελεσματικότερη διαχείριση της ταυτότητας. Η παρούσα διατριβή αφορά στην παρουσίαση καινοτόμων μηχανισμών τόσο εγγενών στα βιομετρικά συστήματα όσο και σε επίπεδο υποδομών οι οποίοι στοχεύουν στη βελτίωση της αποτελεσματικότητας και της απόδοσης των συστημάτων αυτών. Όσον αφορά στην αποτελεσματικότητα, παρουσιάζεται η μοντελοποίηση των βιομετρικών δεδομένων σε επίπεδο βαθμολογίας σύγκρισης βασισμένης σε Student t mixture models και η εφαρμογή ενός πιθανοτικού κανόνα απόφασης για τον καθορισμό της εγκυρότητας της ταυτότητας των χρηστών. Ο μηχανισμός αυτός συγκρίνεται με υπάρχουσες μεθόδους συνδυασμού βαθμολογιών σύγκρισης με τα αποτελέσματα προσομοίωσης τα οποία παρατίθενται να αποδεικνύουν την αποτελεσματικότητα και την αποδοτικότητα του προτεινόμενου μηχανισμού. Σημειώνεται ότι ο εν λόγω μηχανισμός είναι ανεξάρτητος από το βιομετρικό σύστημα στο οποίο ενσωματώνεται καθώς και από τους χρησιμοποιούμενους αλγόριθμους εξαγωγής βιομετρικών χαρακτηριστικών. Στα πλαίσια της έρευνας για την αύξηση της ακρίβειας των αποτελεσμάτων των βιομετρικών συστημάτων, παρουσιάζεται μια καινοτόμος αρχιτεκτονική των βιομετρικών συστημάτων η οποία αποτελεί επέκταση της υπάρχουσας γενικής αρχιτεκτονικής και η οποία στοχεύει στην πιο αποτελεσματική και έξυπνη εκμετάλλευση του πληροφοριακού πλούτου των βιομετρικών δειγμάτων μέσω του συνδυασμού αυτής με αντίστοιχη πληροφορία η οποία αφορά στις ειδικές συνθήκες βέλτιστης απόδοσης των εισηγμένων αλγόριθμων εξαγωγής βιομετρικών χαρακτηριστικών στο βιομετρικό σύστημα. Η μελέτη αυτή επεκτείνεται σε θέματα ασφάλειας και ιδιωτικότητας των βιομετρικών συστημάτων κατά την οποία αναλύονται τα τρωτά σημείων των βιομετρικών συστημάτων και παρατίθεται αντιστοίχηση αυτών με τις κύριες εκφάνσεις της ιδιωτικότητας. Τέλος, βασιζόμενοι στο γεγονός ότι τα ζητήματα αξιοπιστίας, αποτελεσματικότητας και αποδοτικότητας ενός βιομετρικού συστήματος είναι άρρηκτα συνδεδεμένα με τη διαθεσιμότητα των βιομετρικών δεδομένων και την ταχύτητα πρόσβασης σε αυτά, παρουσιάζονται καινοτόμοι μηχανισμοί δημιουργίας και διατήρησης αντιγράφων σε κατανεμημένο περιβάλλον, η αξιολόγηση των οποίων γίνεται με έμφαση στην απαιτούμενη υπολογιστική ισχύ αυτών και την ταχύτητα εκτέλεσής τους χωρίς μείωση της αποτελεσματικότητά τους σε μη αποδεκτά επίπεδα.