Рефлекторная биометрия для цифрового общества – первый шаг сделан

Рефлекторная биометрия для цифрового общества – первый шаг сделан

Идея интерактивной рефлекторной биометрии [1] кратко состоит в следующем, если по пунктам.

1. Ни один из известных сегодня методов не позволяет осуществлять доверенную идентификацию на недоверенном устройстве.
2. Криминалистические методы не применимы в цифровой экономике.
3. Движения глаз при слежении за стимулом при известном стимуле несут достаточно информации для идентификации человека.
4. Генерация (случайность) стимулов позволяет исключить вмешательство в этот процесс со стороны разного рода негодяев.
5. Задача слежения за взглядом должна выполняться на клиентском устройстве, а генерация стимулов – на доверенном ЦОД.

Вот такую систему и нужно сделать, если мы действительно хотим двигаться к цифровой экономике.

С чего начать? Первая задача – научиться следить за взглядом при наблюдении за стимулом. А стимул – это светящийся маркер, перемещающийся по заданной траектории. Например, по контуру картинки, которая испытуемому не предъявляется.

Сначала нужно:

1. Выбрать картинку, из картинки выделить контур, и задавать параметры перемещения маркера стимула – то есть сформировать стимул
2. Научиться фиксировать движения зрачков, и потом преобразовать их в координаты взгляда на экране
3. Подготовить эксперимент, позволяющий собрать необходимые данные
4. Собрать наборы данных и выполнить их анализ
5. Подготовить план действий.

Вот что из этого получилось.

Формируем стимул

1. Выбираем картинку, с учетом склонности лучшей половины человечества – вот такую.

 

Рисунок 1. Исходное изображение

2. Выделяем контур – и вот что получается:

 

Рисунок 2. Пример обработки изображения для получения контура. A. Исходное изображение. B. Контур без сглаживания. C, D - Контуры, полученные с использованием алгоритмов сглаживания.

Пунктирным кружком локализованы те участки траектории, которые, возможно, могут являться триггерными для выявления индивидуальных реакций испытуемого. 

3. Выбираем точку начала движения маркера стимула, точку окончания и направление движения, а также скорость движения, график изменения скорости и общую продолжительность стимула.  Для этого разработан специальный интерфейс: 

 

Рисунок 3. Интерфейс генерации стимулов.

Красным цветом отмечена позиция, с которой стимул начинает движение по контуру. Направление движения - по часовой стрелке.

A - регулятор сглаживания контура (различные результаты показаны на рис.1). B - регулятор установки точки старта. C - окно задания времени воспроизведения стимула. D - регулятор задания скорости перемещения объекта по траектории. Зелёная линия (F) обозначает нулевую скорость. В случае, если опустить функцию ниже нуля, маркер стимула изменит направление движения на противоположное. 

Наш стимул готов.

Фиксируем движения зрачков

Используем стандартный трекер, применяем все нужные преобразования, учитываем, что голова человека не зафиксирована, как в известных опытах на людях, и что испытуемый вертит головой, и много других особенностей. Теперь можно получить ожидаемые отсчеты.

1. Выбрав в качестве стимула полный контур, получаем примерно такой результат:

 

Рисунок 4. Одна записанная сессия.

А. Наложение траектории стимула (зелёный) и траектории точки взгляда испытуемого (синий).

В. Сравнение записанных результатов по оси абсцисс.

С. Сравнение записанных результатов по оси ординат. 

Видно, что взгляд близок к контуру стимула, но не совпадает с ним.

2. Интересно, а что получится, если мы увеличим скорость движения стимула? Увеличиваем, и вот что получается.

 

Рисунок 5. Для одного и того же контура было записано два стимула разной длительности. Красным цветом – реакция при более высокой скорости движения маркера стимула.

Приведена запись одного и того же испытуемого. Явно заметны два вида различий между записями. Во-первых, на «быстрой» записи испытуемый был склонен «срезать углы», игнорировать мелкие детали траектории. Во-вторых, хорошо заметно запаздывание реакции на движущийся объект по сравнению с более медленным стимулом (обозначен синим цветом) 

3. А насколько схожи траектории взгляда для разных людей? Возьмём один и тот же контур и запишем для него результаты эксперимента на разных людях. 

 

Рисунок 6.1 A, B - наложение сгенерированного контура (зелёный) и записанных траекторий взгляда двух различных испытуемых (синий и красный цвета). C,D - сравнение контура и записанных траекторий по одной координатной оси.

Теперь запишем для более быстрого стимула:

 

Рисунок 6.2 A, B - наложение сгенерированного контура (зелёный) и записанных траекторий взгляда двух различных испытуемых (синий и красный цвета). C,D - сравнение контура и записанных траекторий по одной координатной оси.

Пунктирным кругом локализованы области, в которых реакции испытуемых отличались. Испытуемый, отмеченный синим цветом траектории, отличается более резкими паттернами движения глаз. 

4. Особый интерес представляет то, что мы видим даже саккады [2]! Это довольно неожиданно. И вот почему.

Длительность саккады – 0,1 с. Это быстрый процесс. Значит, по теореме Найквиста-Котельникова, нам нужно не менее 20 кадров в секунду, чтобы их увидеть. Мы же видим их на камере с частотой 30 кадров. То есть на границе теоретически возможного. Это здорово! Мы молодцы!

Вот как выглядят саккады при фиксации их с помощью наших инструментов. 

 

Рисунок 7. Поиск саккад на обработанных данных. Пунктирным кругом локализована область, в которой детектирована саккада: 370 кадр записи.

Однако – саккады автоматийны [Там же], и поэтому:

• их можно использовать для динамического подтверждения идентификации
• их нельзя использовать для доверенной идентификации на недоверенном устройстве.

Для рефлекторной идентификации используем динамику глаз при слежении за стимулом.

Готовим эксперимент

Подготовка к эксперименту почти выполнена. Для окончательной фиксации его контуров принимаем:

1. Серия демонстрации стимула для каждого испытуемого включает медленный и быстрый вариант, и демонстрация повторяется 5 раз подряд.
2. Через некоторое время (n суток) опыт повторяется.

Почему так? Просто – мы хотим видеть, как испытуемый привыкает к стимулу, как устает, как вновь следит за стимулом, отдохнув и помня стимул.

 Таким образом, требования к эксперименту можно считать сформированными. Разработанные инструментальные средства вполне позволяют его провести.

Собраем дата-сет

Опыт проведен. Мы собрали дата-сет, включающий достаточное количество данных для последующего анализа. В опытах принимали участие:

• аспиранты кафедры дискретной математики МФТИ
• сотрудники ОКБ САПР
• студенты МФТИ и МИРЭА.

Опыты проводились на инструментальных средствах, созданных сотрудниками лаборатории «МФТИ-Сбербанк». В процессе проведения опытов соблюдались все меры социального дистанционирования, и никто не пострадал.

В настоящее время дата-сет будет обработан, и опубликован в принятом виде, обеспечивающем доступ к нему всех заинтересованных исследователей.

Готовим план действий

Сейчас мы видим, что траектории реакции на стимул явно не повторяются, и явно несут на себе отпечаток индивидуальных особенностей (психологических, кинезиологических и др.), и поэтому могут использоваться для доверенной идентификации на недоверенных устройствах.

А что дальше?

Дальше мы сделаем искусственную нейронную сеть, которая и будет осуществлять идентификацию.

Еще мы научим камеру компьютера на этих же данных фиксировать движения зрачков, уже без использования трекера.

И только после этого переместимся на смартфоны.

Всех, кто захочет нам помочь преодолеть этот тернистый путь – приглашаем, будем рады. 4-5 кандидатских диссертации и пару докторских мы точно получим. Ну и пару десятков магистерских диссертаций.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Конявский В. А. Новая биометрия. Можно ли в новой экономике применять старые методы? Information Seсurity \ Информационная безопасность. 2018. № 4. С. 34-36.
2. Филин В. А. Автоматия саккад. М., 2001. – 263 с., илл.

Авторы: Конявский В. А.; Самосюк А. В.; Тренин С. А.

Дата публикации: 12.01.2021

Библиографическая ссылка: Конявский В. А., Самосюк А. В., Тренин С. А. Рефлекторная биометрия для цифрового общества – первый шаг сделан // Information Security/Информационная безопасность. М., 2020. № 6. С. 48–50.

---