ES2338092A1

ES2338092A1 - Dispositivo y metodo de reconocimiento biometrico basado en un movimiento de la mano en el espacio con un dispositivo que integre un acelerometro.

Info

Publication number: ES2338092A1
Application number: ES200930992A
Authority: ES
Inventors: Javier Guerra Casanova; Carmen Sanchez Avila; Alberto De Santos Sierra; Carlos Jimenez Suarez
Original assignee: Secuware S L; SECUWARE SL; Universidad Politecnica de Madrid
Current assignee: Secuware S L; SECUWARE SL; Universidad Politecnica de Madrid
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2010-05-03

Abstract

Dispositivo y método de reconocimiento biométrico basado en un movimiento de la mano en el espacio con un dispositivo que integre un acelerómetro. Dispositivo y método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, que comprende la etapa de enrolamiento y la etapa de acceso. El enrolamiento comprende: obtener señales acorde a los ejes del espacio a partir de la repetición de un gesto manual; muestrearlas y almacenarlas; procesar, cada par de señales muestreadas en cada uno de los ejes del espacio, comprendiendo: adaptar suavemente las señales muestreadas para obtener dos secuencias alineadas, interpolar y cuantificar las diferencias; y, como etapa final, obtener y almacenar un patrón gestual para la autenticación. La etapa de acceso comprende: obtener señales de acceso a partir de un gesto manual; muestrearlas y almacenarlas; cuantificar diferencias entre la secuencia resultante y el patrón gestual; calcular la desviación media a partir de las desviaciones obtenidas de cada una de las señales de acceso con el patrón gestual; y decidir el acceso, como etapa final.

Description

Dispositivo y método de reconocimiento biométrico basado en un movimiento de la mano en el espacio con un dispositivo que integre un acelerómetro.

Campo de la invención

La presente invención pertenece al campo técnico de la biometría y de forma más específica al campo de la criptobiometría ya que permite la interacción de características de la morfología humana con fundamentos criptográficos. Sectores como la ingeniería biométrica o relacionados con la seguridad de las comunicaciones, especialmente a tareas de autenticación en sistemas de acceso, también pertenecerían al campo técnico de la invención.

Estado de la técnica

El objetivo de un sistema biométrico es la realización de la identificación/autenticación de personas mediante alguna característica biológica medida físicamente o de comportamiento del individuo, de forma segura y no invasiva. El problema de la identificación y autenticación de personas es muy antiguo y ha tratado de solucionarse desde siempre con distintos medios: sellados, títulos, placas de identificación... Hoy en día esto no es suficiente y es necesario introducir nuevas técnicas de autenticación e identificación que aseguren que una persona es quien dice ser en multitud de contextos.

El sistema que se pretende patentar trata de realizar una autenticación biométrica que aglutina las dos características generales de la autenticación biométrica: la característica física y el comportamiento.

Existen multitud de técnicas biométricas que tratan de reconocer a una persona por sus características físicas (iris, morfología de cara, huella dactilar...) o por sus comportamientos (forma de andar, manera de escribir, firma online...). Es de vital importancia en este documento, por su similitud, la técnica biométrica de la firma online. Se han desarrollado muchos trabajos para mejorar esta técnica. En ellos se explican las bases de la verificación por firma online. En este tipo de verificación, se trata de comparar tanto que el dibujo de la firma realizada es igual a uno almacenado, como que la manera de realizar dicha firma coincide con cómo la realizó el usuario registrado. Para ello, se miden distintos parámetros a la hora de realizar una firma, como la velocidad de la escritura, la presión ejercida o el ángulo del bolígrafo en cada momento del tiempo en que se realiza la firma, entre otras características. Estas firmas pueden realizarse en una pantalla especial que recoge y analiza todas las señales necesarias para su análisis o en un papel si el bolígrafo con el que se firma está capacitado para medir las señales descritas anteriormente y mandarlas a un servidor donde se realice el análisis y la comprobación de la firma.

En la patente MX2007007539 se recoge un sistema que implementa la autenticación biométrica mediante firma electrónica. Este sistema incluye un interfaz en un ordenador capaz de almacenar el movimiento de un cursor en una pantalla del ordenador y compararlo con patrones de firma ya almacenados.

El objeto de la presente invención trata de realizar una autenticación en un dispositivo móvil. Hoy en día, existen multitud de aplicaciones a las que se puede acceder desde un terminal móvil en las que es necesaria una identificación del usuario. Desde hace años se encomendó toda la seguridad en los dispositivos móviles a teclear una clave secreta que el usuario conocía. Sin embargo estas claves pueden ser fácilmente olvidadas, transferidas, perdidas e incluso falsificadas, por lo que la autenticación del usuario está comprometida.

Acorde a esto, la patente WO2008111012 trata de realizar un sistema de autenticación en dispositivos móviles que incluyen un escáner para recoger datos biométricos y mandarlos a un servidor que realizará los análisis y comprobación de patrones necesarios. La patente describe un aparato de identificación móvil asociado a un sistema de autenticación e identificación. El aparato puede recoger datos biométricos de un usuario y mediante un procesador compararlos con los datos biométricos almacenados por el usuario legítimo y dar acceso a un sistema en caso de que la comparación se realice con éxito. Mediante una conexión wireless, el procesador puede transmitir la información asociada a la identificación a otro terminal, como un teléfono móvil. Para ello, es necesario que el servidor de autenticación donde se realice la comparación tenga acceso a una base de datos que almacene tanto los datos biométricos como las identificaciones de cada aparato móvil.

Centrándose en la técnica biométrica para autenticar a un usuario con un dispositivo móvil se ha encontrado US2006286969 y US2008005575.

En US2006286969 se propone un sistema de autenticación remoto para autenticar a usuarios desde un dispositivo móvil. La técnica biométrica que se utiliza es el reconocimiento de la voz. El sistema se compone de un teléfono móvil que manda unas muestras de voz a un dispositivo de autenticación que se conecta a una base de datos que almacena los identidades de teléfonos móviles y el patrón de voz asociado a dicho teléfono para realizar una comparación y comprobar que el usuario que está hablando por el teléfono es el usuario registrado en el sistema.

En US2008005575 se propone un método y un aparato para autenticar a un usuario en un teléfono móvil. Mientras el usuario mantiene el teléfono en su oreja, un micrófono cercano emite una señal en la oreja del usuario y el altavoz del teléfono es capaz de medir la respuesta del oído a dicha señal. Un procesador analiza la señal de respuesta y lo convierte en una firma, que identifica unívocamente a cada persona y puede ser utilizada para autenticar.

El objeto de la presente invención propone la realización de un gesto con el dispositivo móvil que identifique a un usuario, teniendo en cuenta que ese gesto sólo va a ser conocido por el usuario y además, que por sus características físicas, lo va a realizar de manera diferente al resto de personas que pudieran intentar repetir su gesto.

Son conocidas varias técnicas de reconocimiento de gestos, en los que un sistema es capaz de detectar cuándo un usuario realiza un gesto. Algunas de estas técnicas utilizan el reconocimiento de gestos para comprobar si los pacientes de una residencia se están tomando la comida de la cena. Para ello, utilizan las señales de video del comedor y técnicas de reconocimiento de los gestos de cabeza y brazos, analizadas mediante Hidden Markov Models (HMMs). Preferentemente se realizan estudios aplicando HMMs para reconocer los gestos realizados con la mano correspondientes a números arábigos del 0 al 9.

También se han encontrado las patentes US2009103780 y WO2009006173 relacionadas con métodos para reconocer gestos estándar. La patente US2009103780 incluye un método para recoger los gestos producidos por una mano, en base a iluminar la mano en un primer momento por la palma y por el dorso, para obtener su silueta asociada. A partir de distintas iluminaciones infrarrojas, se propone un método para recoger los distintos movimientos de la mano e identificarlos con una serie de gestos previamente almacenados en una base de datos de gestos obtenidos de la misma forma.

La patente WO2009006173 describe un método para detectar electrónicamente el gesto de respuesta de un usuario que está escuchando a un locutor mediante un dispositivo móvil. Al realizar un gesto determinado, se comunica al locutor una respuesta audible o visual correspondiente.

Relacionada con la idea de reconocimiento de una persona mediante la realización de un gesto se ha encontrado la patente WO2007134433. En ella se desarrolla un método para autenticar a un usuario cuando realiza una acción que incluya la manipulación manual de un dispositivo como un ratón. La autenticación consiste en obtener el gesto realizado con el ratón por el usuario cuando persigue un objetivo y compararlo con el patrón almacenado del usuario cuando ha perseguido dicho objetivo previamente.

Focalizando el estado de técnica hacia la presente invención, cabe destacar que la realización de gestos para autenticar biométricamente a una persona en un dispositivo móvil mediante gestos medidos con un acelerómetro resulta novedosa.

Respecto al uso de acelerómetros en dispositivos móviles en sistemas de autenticación existe US2005226468 que propone realizar la autenticación del usuario en base a ciertos sensores biométricos que han de estar conectados al dispositivo móvil, y se comprueba que la autenticación se ha realizado correctamente en base a un acelerómetro que recoge datos sobre la manera de coger el dispositivo del usuario, asegurándose así que no es una máquina la que trata de engañar al sistema.

También, en US2009030350 se describe un método y un sistema para analizar patrones de formas de andar de un sujeto midiendo la aceleración de la cabeza en dirección vertical mientras anda. Para ello, utiliza un acelerómetro que se coloca en la cabeza del usuario. El análisis incluye la creación de una firma a partir de los datos de aceleración a la hora de andar del usuario.

En la presente invención se propone también la utilización de los patrones obtenidos por la realización del gesto del usuario para la generación o liberación de una clave criptográfica. En relación a ello, se han encontrado las patentes DE102005010698 y KR749380-B1.

En DE102005010698 se describe la construcción de una clave criptográfica segura independiente de la comunicación a partir de la huella digital. En ella se propone utilizar dicha clave para la comunicación de la televisión bajo demanda, con aplicaciones de pago por visión, protección del menor o verificación de edad.

En KR749380-B1 se explica un método para generar una clave biométrica a partir de una característica biométrica que no cambie con el tiempo como el iris. La información biométrica se recibe y preprocesa, se extraen algunos valores y la clave criptográfica asociada se obtiene mediante el agrupamiento de los valores. El error del agrupamiento se corrige mediante un bloque de código Reed-Solomon. La clave obtenida puede aplicarse a cualquier sistema criptográfico.

Era por tanto deseable un dispositivo de reconocimiento biométrico como el que se describe en la presente invención para evitar los inconvenientes existentes en los anteriores sistemas del estado de la técnica.

Descripción de la invención

La invención resuelve los problemas existentes en el estado de la técnica mediante un dispositivo y un método de reconocimiento biométrico para autenticación no invasiva sin necesidad de un dispositivo adicional para realizar dicho reconocimiento.

En la invención que se presenta se propone una autenticación mediante la realización de un gesto en el espacio con un dispositivo móvil con un acelerómetro integrado.

La presente invención mejora la manera de realizar la firma respecto a la presentada en MX2007007539 ya que se realiza mediante un gesto en 3D con un dispositivo que integra un acelerómetro, siendo completamente diferente a lo propuesto en dicha patente y en todos los sistemas de firma online que lo que realizan es una firma manuscrita sobre alguna superficie. En el caso de la presente invención se introduce además una tercera componente para realizar el gesto, correspondiente al plano z del espacio.

Respecto a la patente WO2008111012, la invención no necesita utilizar un aparato móvil para recoger los datos biométricos, ya que en el dispositivo presentado el acelerómetro está completamente integrado en el dispositivo móvil, y la autenticación/identificación puede realizarse directamente en el propio dispositivo. Además, los datos biométricos para realizar la comprobación de la autenticidad de la persona que accede son distintos.

Las patentes US2006286969 y US2008005575 proponen distintos métodos para realizar la autenticación de un usuario en un dispositivo móvil. Sin embargo, el método propuesto propone una técnica biométrica completamente diferente, como es la realización de un gesto con la mano sujetando el dispositivo, de tal manera que el usuario será capaz de repetirlo sin dificultad y además, cualquier usuario que trate de imitarle realizará el gesto de manera sutilmente diferente debido a las distintas características físicas y de comportamiento (manera de coger el móvil, manera de girar el móvil) intrínsecas a cada persona.

Las patentes US2009103780 y WO2009006173 recogen métodos para identificar los distintos gestos realizados por las manos de usuarios. En este el enfoque del método propuesto es completamente diferente, ya que trata de reconocer personas mediante el gesto que hacen y cómo lo hacen, en contraposición a reconocer gestos que hacen las personas. Además, los métodos para reconocer los gestos son también completamente diferentes, ya que en el sistema propuesto se hace uso de un acelerómetro que recoge el gesto de la persona a diferencia de la técnica de iluminación de US2009103780 o la electrónica para gestos sencillos de WO2009006173.

Respecto a la patente WO2007134433, el dispositivo propuesto presenta una identificación del comportamiento del usuario de manera diferente. El sistema descrito en la patente WO2007134433 identifica a un usuario por los movimientos que hace con el ratón cuando persigue un objetivo, mientras que el sistema que se pretende patentar le identifica mediante la realización de un gesto propio con la mano en el espacio.

La patente US2005226468 utiliza un acelerómetro y realiza una autenticación biométrica en un dispositivo móvil, pero el uso del acelerómetro y la manera de realizar la autenticación son distintos. El sistema de la patente US2005226468 usa sensores conectados al dispositivo móvil para comprobar la identidad de un usuario, utilizando el acelerómetro para comprobar que el dispositivo lo tiene en la mano una persona. En un enfoque novedoso y en contraposición al método explicado en US2005226468, el método propuesto utiliza directamente el acelerómetro para realizar la autenticación en base a un gesto que realiza el usuario manteniendo el dispositivo móvil con acelerómetro integrado en la mano, ofreciendo como ventaja que el dispositivo propuesto no necesita ningún tipo de sensor externo, sino que utiliza el acelerómetro integrado en el propio dispositivo para realizar las comprobaciones
biométricas.

La patente US2009030350 plantea el uso de un acelerómetro para identificar a personas por su manera de andar. En el dispositivo propuesto se expone el uso del acelerómetro para recoger los gestos realizados manteniendo el dispositivo móvil con acelerómetro integrado con la mano, y de esta manera comprobar la identidad de un usuario que quiere acceder al sistema.

Las patentes DE 102005010698 y KR749380-B1 proponen métodos para generar una clave criptográfica única en base a una característica biométrica del usuario, como puede ser la huella digital en DE102005010698 o el iris en KR749380-B1. El método propuesto tiene un planteamiento completamente distinto, como es la generación de una clave criptográfica a partir de las señales obtenidas a partir de un gesto realizado por el usuario utilizando un dispositivo con un acelerómetro integrado. La utilización de una característica biométrica estática como el iris o la huella siempre generarán la misma clave aplicando cierto algoritmo. Sin embargo, el sistema propuesto ofrece al usuario la posibilidad de generar una clave "falsa" que pueda pasar como correcta para cualquier observador externo, realizando un gesto distinto al que le caracterizaba, manteniendo todas las ventajas de la generación de claves criptográficas únicas a partir de patrones biométricos cuando se realiza el gesto característico del usuario.

Por último, cabe destacar respecto a la literatura existente en este campo que la identificación mediante la realización de un grafo es diferente respecto a la propuesta por la presente invención ya que la realización de este grafo se hace en los tres ejes del espacio, no siendo necesario el uso de un papel o una pantalla donde realizar una firma manuscrita.

La presente invención propone la utilización de un dispositivo que incluye un acelerómetro para tareas de autenticación a partir de la realización de un gesto. La técnica incluye tanto el reconocimiento de una persona al realizar un gesto determinado, como la posibilidad de que la persona cree un gesto propio para identificarse en un sistema.

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Debido al acelerómetro, se pueden obtener las señales de variación de velocidad del dispositivo con el que se realiza el gesto, en las tres dimensiones del espacio. De esta forma, un usuario se va a autenticar en el sistema realizando un gesto en el aire sujetando el dispositivo que integre el acelerómetro. Para ello, en primer lugar ha de registrarse en el sistema, realizando el gesto que le va a identificar para así generar un patrón biométrico gestual acorde a su identidad. En los siguientes accesos, el usuario tratará de acceder al sistema repitiendo el gesto utilizado en la fase de registro. La autenticación biométrica se realizará comparando el gesto realizado por el usuario en el acceso con el patrón biométrico del gesto realizado en la fase de registro, teniendo en cuenta que sólo el usuario registrado será capaz de repetir con precisión el gesto con el que se identificó.

Esta técnica biométrica de autenticación es novedosa. De hecho, la realización de un gesto en tres dimensiones hace que sea muy difícil de copiar, ya que una persona que visualice el gesto no va a tener la referencia de un plano, como en la técnica de la firma manuscrita que se tiene un papel fijo en el que se firma. Cabe destacar además, que una persona por sus características físicas va a coger el dispositivo y realizar los gestos de una manera diferente como los giros de muñeca o el movimiento del brazo, por lo que incluso sabiendo cómo es el gesto que realiza una persona, va a ser muy difícil de falsificar, ya que cada uno lo hará de manera diferente.

Por otro lado, el acelerómetro está integrado en muchos dispositivos móviles, como teléfonos, PDAs... por lo que no se necesita un dispositivo externo para poder realizar la identificación, como en el caso de la firma que se necesitaba una pantalla táctil o un equipo cercano para analizar los movimientos. Esta característica es de relevante importancia ya que actualmente muchos de estos dispositivos con acelerómetro tienen conexión a Internet. Así, este método provee una manera de realizar una autenticación biométrica online para realizar comunicaciones seguras sin la necesidad de ningún tipo de periférico especial.

Por tanto, el método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, comprende:

\bullet una etapa de enrolamiento a su vez comprendiendo:

a): obtener, a partir de al menos un acelerómetro integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de aceleración (G_{1x}, G_{1y}, G_{1z})a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

b): repetir el paso a) n veces;

c): muestrear las señales de aceleración anteriormente obtenidas (G_{1x}, G_{1y}, G_{1z}; G_{2x}, G_{2y}, G_{2z};...);

d): almacenar las secuencias muestreadas;

e): procesar, cada par de señales muestreadas en cada uno de los ejes del espacio, comprendiendo:

\sqbullet: adaptar las señales muestreadas de forma suave para obtener dos secuencias alineadas, una por cada gesto realizado en un determinado eje del espacio;

\sqbullet: interpolar los errores de las secuencias alineadas con las muestras de las señales obtenidas en a) y en b) para corregir las variaciones de velocidad en la repetición del gesto;

\sqbullet: cuantificar las diferencias entre las secuencias adaptadas e interpoladas por cada par de gestos realizados en un determinado eje del espacio;

f): obtener y almacenar un patrón gestual para la autenticación del usuario;

\bullet una etapa de acceso que a su vez comprende:

g): obtener, a partir de al menos un acelerómetro integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de acceso a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

h): muestrear las señales de acceso;

i): almacenar la secuencia de acceso muestreada;

j): cuantificar las diferencias entre la secuencia de acceso muestreada y el patrón gestual;

k): calcular la desviación media a partir de las desviaciones obtenidas de cada una de las señales de acceso con el patrón gestual;

l): decidir el acceso comparando la desviación media con el patrón gestual.

Preferentemente, la obtención de las señales de aceleración y de acceso comprende la descomposición de la aceleración del gesto manual en cada uno de los tres ejes del espacio.

Preferentemente, la adaptación se realiza mediante un método de alineamiento de secuencias global.

Además, el patrón gestual puede comprender las señales obtenidas en a) y b) y la distancia media entre las diferencias cuantificadas entre cada par de gestos, donde dicha distancia media mide la similitud entre las repeticiones del gesto.

En una realización preferente, la cuantificación de diferencias de la etapa de acceso se realiza entre la secuencia de acceso muestreada y las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

Preferentemente, el cálculo de la desviación media se realiza con cada una de las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

En una realización preferente, la decisión del acceso se realiza comparando la desviación media con la distancia media almacenada como parte del patrón gestual.

El dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, comprende:

\bullet al menos un acelerómetro configurado para obtener señales de aceleración;

\bullet medios de procesamiento configurados para la realización de una etapa de enrolamiento y una etapa de acceso donde:

\circ: la etapa de enrolamiento comprende:

m): obtener, a partir de al menos un acelerómetro integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de aceleración (G_{1x}, G_{1y}, G_{1z})a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

n): repetir el paso anterior n veces;

o): muestrearlas señales de aceleración (G_{1x}, G_{1y}, G_{1z}; G_{2x}, G_{2y}, G_{2z};...);

p): almacenar las secuencias muestreadas;

q): procesar, cada par de señales muestreadas en cada uno de los ejes del espacio, comprendiendo:

\sqbullet: interpolar los errores de las secuencias alineadas con las muestras de las señales obtenidas en m) y en n) para corregir las variaciones de velocidad en la repetición del gesto;

r): obtener y almacenar un patrón gestual para la autenticación del usuario;

\circ: la etapa de acceso comprende:

s): obtener, a partir de al menos un acelerómetro integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de acceso a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

t): muestrear las señales de acceso;

u): almacenar la secuencia de acceso muestreada;

v): cuantificar las diferencias entre la secuencia de acceso muestreada y el patrón gestual;

w): calcular la desviación media a partir de las desviaciones obtenidas de cada una de las señales de acceso con el patrón gestual;

x): decidir el acceso comparando la desviación media con el patrón gestual.

Preferentemente, los medios de procesamiento están configurados para la obtención de señales mediante la descomposición de la aceleración del gesto en cada uno de los tres ejes del espacio.

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Preferentemente, los medios de procesamiento están configurados para la adaptación mediante un método de alineamiento de secuencias global.

Además, los medios de procesamiento están configurados para la obtención del patrón gestual a partir de las señales obtenidas en m) y n) y la distancia media entre las diferencias cuantificadas entre cada par de gestos, donde dicha distancia media mide la similitud entre las repeticiones del gesto.

En una realización preferente, los medios de procesamiento están configurados para la cuantificación de diferencias de la etapa de acceso entre la secuencia de acceso muestreada y las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

Preferentemente, los medios de procesamiento están configurados para la realización del cálculo de la desviación media con cada una de las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

En una realización preferente, los medios de procesamiento están configurados para realizar la decisión de acceso comparando la desviación media con la distancia media almacenada como parte del patrón gestual.

Breve descripción de los dibujos

A continuación, para facilitar la comprensión de la invención, a modo ilustrativo pero no limitativo se describirá una realización de la invención que hace referencia a una serie de figuras.

La figura 1 muestra, en cada eje del espacio (G_{1x}, G_{1y} y G_{1z}), la descomposición de las señales obtenidas, por un acelerómetro integrado en un dispositivo cuando una persona realiza un gesto sujetando dicho dispositivo con la mano.

La figura 2 muestra, en cada eje del espacio, dos realizaciones de un mismo gesto por un mismo usuario en distintos instantes de tiempo.

La figura 3 muestra, en cada eje del espacio, el resultado obtenido tras la alineación de las dos señales mostradas en la figura 2.

La figura 4 muestra, en cada eje del espacio, el resultado obtenido tras la interpolación de las dos señales adaptadas de la figura 3.

La figura 5 muestra, en cada eje del espacio, el resultado final tras analizar un caso en el que las señales corresponden a la realización de dos gestos distintos.

La figura 6 muestra un esquema del dispositivo de reconocimiento biométrico compuesto de un acelerómetro y medios de procesamiento.

Descripción detallada de un modo de realización

El objeto de la invención es presentar un dispositivo y un método de reconocimiento biométrico para autenticación mediante la utilización de un dispositivo que incluya un acelerómetro para reconocer a una persona mediante la realización de un gesto.

La figura 1 muestra las señales G_{1x}, G_{1y} y G_{1z}, que son las descomposiciones en cada eje del espacio de la señal obtenida por un acelerómetro integrado en un dispositivo cuando una persona realiza un gesto de ejemplo con la mano sujetando al dispositivo que contiene el acelerómetro.

La figura 2 muestra el parecido entre dos repeticiones de la realización de un mismo gesto por un mismo usuario en distintos instantes de tiempo. Se observa que la forma de las señales en cada uno de los ejes es muy similar, y que aparece un pequeño retardo global ya que el usuario no es capaz de empezar el gesto exactamente a la vez en cada una de sus repeticiones. Además, puede observarse un pequeño retardo local, que tiene que ver con la imposibilidad de que un mismo usuario repita el mismo gesto exactamente a la misma velocidad, y pueda realizar partes del gesto un poco más rápido o lento según la repetición.

La figura 3 muestra el resultado de procesar las señales de la figura 2 con el algoritmo que se explicará a continuación. En esta figura 3 las dos señales de la repetición del mismo gesto por un mismo usuario se encuentran completamente alineadas en base a haber introducido ceros en cada una de las secuencias.

La figura 4 muestra el resultado de haber interpolado las dos señales adaptadas de la figura 3. En esta figura 4 se puede comprobar cómo se han terminado de adaptar las señales, y visualmente puede verificarse que el gesto es el mismo.

La figura 5 muestra el resultado final de analizar un caso en el que las señales corresponden a dos gestos distintos. A pesar de haber optimizado la adaptación entre las dos señales, al ser distintas, el resultado no es bueno. Por lo tanto, al definir una distancia para cuantificar la diferencia de señales, se podrá deducir que los gestos no son iguales.

La figura 6 muestra un esquema del dispositivo de reconocimiento biométrico.

A modo de ejemplo, y sin pretender ser limitativos de su alcance, se describe un posible modo de realización de la invención.

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1. Introducción

Para identificarse, el usuario realiza con un dispositivo móvil que integre un acelerómetro (por ejemplo un iPhone) un gesto en el aire. A partir de las señales recogidas por el acelerómetro de la variación de velocidad en cada uno de los ejes del espacio se generará un patrón, que va a identificar a la persona.

El proceso de identificación de una persona mediante esta técnica biométrica tiene dos fases: la fase de enrolamiento o creación del patrón y la fase del intento de acceso repitiendo el gesto que se ha utilizado para la creación del patrón.

A continuación se explica un modo de realización de cada una de las fases, aplicando un algoritmo en concreto. Estas mismas fases pueden implementarse de muchas otras maneras. En este documento se ha elegido ésta en concreto debido a los buenos resultados que se obtienen y a la explicación de forma clara de la filosofía de la técnica que se presenta.

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2. Fase de enrolamiento

En esta fase, el usuario ha de repetir de manera lo más precisa posible un gesto un número determinado de veces para que el sistema pueda generar un patrón del gesto con el que comparar los siguientes accesos del usuario.

Una manera de realizar esta fase es que el usuario realice con la mano, sujetando el dispositivo que integra el acelerómetro, tres veces un mismo gesto con el que se va a identificar en el sistema en ocasiones posteriores.

El sistema es capaz de recopilar los datos recogidos por el acelerómetro en cada uno de los gestos y tras un análisis y procesamiento genera un patrón que identifica al usuario y permite decidir si el usuario es quien dice ser al realizar el gesto para acceder en la fase de acceso.

A continuación se explicarán cada uno de los pasos necesarios para realizar esta fase en detalle:

2.1. Realización de los gestos v obtención de señales

El dispositivo que integra el acelerómetro ofrece la siguiente instrucción a un usuario a la hora de enrolarse en el sistema:

Ha de realizar tres veces un mismo gesto, teniendo en cuenta los siguientes factores:

\bullet: Ha de ser capaz de recordarlo y repetirlo de manera sencilla. Se aconseja elegir un gesto que recuerde a algo o que el usuario pueda realizar de manera natural.

\bullet: Ha de ser lo suficientemente complejo para que otra persona que vea realizar el gesto no pueda copiarlo de manera inmediata.

\bullet: Ha de durar un máximo de seis segundos.

Por cada uno de los tres gestos (G_{1}, G_{2}, G_{3}) el acelerómetro del dispositivo obtendrá tres señales distintas (G_{1x}, G_{1y}, G_{1z}, G_{2x}, G_{2y}, G_{2z}, G_{3x}, G_{3y}, G_{3z}) correspondientes a las aceleraciones de cada uno de los gestos realizados en cada uno de los tres ejes del espacio.

En la figura 1 pueden observarse las señales G_{1x}, G_{1y} y G_{1z} obtenidas a partir de la realización de un gesto por un usuario. En la figura 2 puede observarse cómo un usuario ha sido capaz de repetir un mismo gesto. Se comprueba que la forma de las señales en cada eje es muy similar pero que no se encuentran alineadas y que hay partes de la señal más estrechas en una muestra respecto a la otra debido a que el usuario repite el gesto variando levemente su velocidad. Estas diferencias de las señales son las que se tratarán de corregir con el procesado de las mismas que se expondrá más adelante.

Para la realización del sistema se ha utilizado un dispositivo con un acelerómetro que muestrea las variaciones del movimiento de la mano a una frecuencia de muestreo de 100 Hz, suficientemente precisa para obtener unas señales representativas del movimiento de la mano en el espacio. Teniendo en cuenta que se ha elegido un tamaño de gesto máximo de 6 segundos, el acelerómetro va a generar una señal en cada eje de 600 puntos. Si el gesto realizado por el usuario dura menos del tiempo máximo seleccionado, el resto de los puntos de la señal se rellenará con ceros.

Las señales de los tres ejes de cada gesto se agruparán en una sola, formando una señal de 1800 puntos que será la que se almacena en el dispositivo. Por tanto, en el dispositivo se guardarán tres señales correspondientes a cada gesto con las aceleraciones en los tres ejes.

El patrón del gesto realizado está formado por las tres señales de cada gesto y por ciertos parámetros que se obtendrán del análisis y procesado de las señales que se explicarán a continuación.

2.2. Procesamiento de las señales

Las señales se van a procesar dos a dos, haciendo un procesado en cada eje por separado. Este procesado va a tratar de adaptar las señales para alinearlas y corregir pequeñas variaciones en el tiempo a la hora de realizar un mismo gesto, de tal manera que puedan identificarse como iguales dos gestos de una manera sencilla. Para este paso, va a ser necesario explicar los siguientes puntos:

\bullet: Algoritmo de adaptación suave de dos señales.

\bullet: Interpolación de señales adaptadas.

\bullet: Definición de una métrica para cuantificar la diferencia de dos señales adaptadas.

En la fase de enrolamiento estas tres fases se harán para cada par de gestos en cada uno de sus ejes, siendo necesarios por tanto nueve procesamientos de las señales. En los pasos siguientes se explicará cómo a partir de las métricas obtenidas al procesar las señales que forman el patrón, se definirá el umbral de rechazo y aceptación para el resto de accesos.

A continuación se detallarán cada uno de los puntos necesarios para realizar el procesado de una pareja de señales de dos gestos en un mismo eje, por ejemplo, G_{1x} y G_{2x}.

2.2.1. Adaptación suave de las señales

Para la adaptación suave de dos señales se ha utilizado un método de Alineamiento de Secuencias Global. Estos métodos se suelen utilizar para alinear dos cadenas de ADN de tal manera que el alineamiento resultante sea óptimo. Se realiza mediante programación dinámica para obtener el mejor resultado de alineación posible en base a una puntuación definida.

Para alinear dos secuencias de puntos de manera óptima el algoritmo puede introducir tres tipos de cambios que mejoren el alineamiento global de las secuencias:

\bullet: Una mutación, que cambia el valor de un punto de una secuencia por otro.

\bullet: Una inserción, que añade una o varias posiciones en una secuencia.

\bullet: Una eliminación que elimina una o más posiciones de puntos de una secuencia.

Para encontrar el alineamiento máximo de dos secuencias (A={a_{1}, a_{2}, ..., a_{m}} y B={b_{1}, b_{2}, ..., b_{m}} se ha utilizado programación dinámica siguiendo los siguientes pasos:

\bullet: Creación de la matriz M:

Se crea una matriz M de rango m x m. En la parte superior de la matriz (fila 0), se colocan los m valores de la secuencia A, y en la parte izquierda (columna 0) se hace lo correspondiente con los valores de la secuencia B.

\bullet: Movimiento por la matriz M:

El objetivo del algoritmo es encontrar el camino desde M(0,0) a M(m-1, m-1) que maximice la puntuación de las secuencias alineadas. Para ello, en cada punto de la matriz hay que encontrar el máximo de las posibles puntuaciones de las señales en cada punto, que están definidas por las ecuaciones (1), (2) y (3):

1

donde h es un parámetro que se puede definir. Los mejores resultados en este caso concreto se han obtenido con h=0.125.

En el algoritmo se ha incluido una parte de decisión mediante lógica borrosa, que equivale a la \Delta de la ecuación (2). Tiene la expresión de la ecuación (4):

2

donde \mu = A(i-1), x = B(i-1) y \sigma el parámetro de la gaussiana a definir; en este modelo se ha utilizado el valor \sigma=0.125.

\bullet: Generación del rastro:

La evaluación del máximo de las ecuaciones (1), (2) y (3) se hace en cada punto de la matriz. Una vez realizado, se parte del punto M(0,0) y si se trata de llegar al punto M(m-1,m-1) recorriendo los puntos de la matriz siguiendo las siguientes reglas para un punto cualquiera M(i,j):

\circ: Si el máximo de las ecuaciones en el punto M(i,j) es el de la ecuación (1), el siguiente punto que se evalúa es el M(i+1,j), movimiento en horizontal.

\circ: Si el máximo de las ecuaciones en el punto M(i,j) es el de la ecuación (2), el siguiente punto que se evalúa es el M(i+1,j+1), movimiento en diagonal.

\circ: Si el máximo de las ecuaciones en el punto M(i,j) es el de la ecuación (3), el siguiente punto que se evalúa es el M(i+1,j+1), movimiento en vertical.

El rastro es un vector R ={r_{1}, r_{2}, ...} que recoge el camino que se ha seguido teniendo en cuenta las reglas anteriores para llegar al punto M(m-1,m-1) partiendo del M(0,0). El rastro va a tener un tamaño máximo de 2m y se va a rellenar según los siguientes criterios:

\circ: Un movimiento diagonal introduce un 1 en el rastro.

\circ: Un movimiento horizontal introduce un 2 en el rastro.

\circ: Un movimiento vertical introduce un 3 en el rastro.

\bullet: Alineación según el rastro:

Una vez obtenido el rastro las señales alineadas pueden obtenerse a partir del mismo de la siguiente manera:

Se llaman A'= {a'_{1}, a'_{2}, ..., a'_{lr}} y B'= {b'_{1}, b'_{2}, ..., b'_{lr}} a las nuevas señales alineadas que se van a construir. Éstas tendrán una longitud igual a la longitud el vector R. Las secuencias A' y B' se van a rellenar con los valores correspondientes de las secuencias iniciales A y B o con ceros para que las señales estén perfectamente alineadas. Se llama indiceA e indiceB a los contadores de las secuencias iniciales A y B. Para cada punto r_{i} del rastro se realiza lo siguiente:

\circ: Si r_{i}=1 entonces, a'=a_{indiceA} y b'_{i}=b_{indiceB}. Además, indiceA = indiceA+1 e indiceB = indiceB+1. No se introducen ceros en las secuencias.

\circ: Si r_{i}=2 entonces, a'_{i}= a_{indiceA}, b'_{i} = 0 e indiceA=índiceA+1. Se introduce un cero en la secuencia B.

\circ: Si r_{i}=3 entonces, a'_{i}=0, b'_{i}=b_{indiceB} e indiceB = indiceB+1. Se introduce un cero en la secuencia A.

De esta manera se consigue que el mejor alineamiento posible de las secuencias A y B, que se corresponden a las secuencias A' y B'. Las secuencias alineadas pueden tener una longitud m<longitud<2 m dependiendo del alineamiento. Para no trabajar con señales de distintas longitudes, se ha decidido que el tamaño de las secuencias alineadas sea siempre 2 m, por lo que la secuencia se rellena de ceros hasta completar dicha longitud.

En la figura 3 puede observarse el resultado de procesar las señales de la figura 2 con el algoritmo descrito. Se comprueba que las señales se han adaptado a base de la introducción de ceros en cada una de las secuencias.

2.2.2. Interpolación

Como consecuencia del paso anterior se han obtenido dos secuencias alineadas con posibles rangos de ceros para que la alineación haya sido óptima. Este paso consiste en corregir el error que introducen esos ceros, interpolando esos ceros a los valores de las secuencias originales entre los que se han introducido dichos ceros. La interpolación se realiza en cada una de las secuencias alineadas de la siguiente manera:

Se supone un intervalo de ceros que va desde la posición i-ésima a la posición j-ésima de la secuencia A: I(i,j) \Rightarrow a'_{i} = a'_{i+1} = ... = a'_{j} = 0.

Entonces, para cada i<j se aplica que a'_{i} = \frac{\left(a'_{i+1} + a'_{j+1}\right)}{2}.

De esta manera, se adaptan más fielmente punto a punto las dos señales procesadas. El efecto de la mejora que ofrece el paso de la interpolación puede observarse en la figura 4. Se puede comprobar que las señales se han adaptado perfectamente y visualmente se observa que tras este análisis el gesto es igual.

Debido a los pasos de adaptación e interpolación, se obtienen dos señales alineadas de manera óptima y con la corrección de pequeñas variaciones de velocidad a la hora de realizar el gesto. Aplicando este mismo proceso a dos señales generadas a partir de distintos gestos o de un mismo gesto realizado por distintas personas, se puede observar en la figura 5 que el resultado a simple vista no es tan bueno, lo cual permitirá, al definir una distancia que cuantifique la diferencia entre señales, identificar si las dos señales que se procesan son resultado de que un mismo usuario haya realizado un mismo gesto o no.

2.2.3. Métrica para cuantificar diferencias de patrones alineados

Una vez interpoladas las dos secuencias, puede aplicarse la distancia de Hamming punto a punto (ecuación 5) para cuantificar lo diferentes que son las señales:

3

2.3. Obtención del patrón gestual

Al inicio de la fase de enrolamiento el usuario realiza tres veces un mismo gesto (G_{1}, G_{2}, G_{3}) y se obtienen las señales correspondientes a la aceleración de los mismos en cada eje. En el punto anterior se explicó cómo se hacía el procesamiento de las secuencias dos a dos, para obtener finalmente la distancia \delta que las relacionaba.

Para obtener el patrón es necesario obtener las distancias de cada pareja de señales en cada eje, por tanto, será necesario realizar 9 procesamientos para obtener: \delta_{1x,2x}, \delta_{1y,2y}, \delta_{1z,2z}, \delta_{1x,3x}, \delta_{1y,3y}, \delta_{1z,3z}, \delta_{2x,3x}, \delta_{2y,3y} y \delta_{2z,3z}.

Una vez obtenidas todas las distancias anteriores, puede calcularse la distancia entre cada una de los gestos con la ecuación 6:

4

A partir de las distancias \delta_{1,2}, \delta_{1,3} y \delta_{2,3}, puede obtenerse la distancia media del patrón, que será un parámetro muy importante para definir el umbral de acceso tal y como se verá más adelante. La distancia media del patrón se define mediante la ecuación 7:

5

El patrón del gesto realizado por el usuario que se almacena en el dispositivo para la autenticación del usuario en siguientes accesos se compone de:

\bullet: Las tres señales G_{1}, G_{2} y G_{3} que incluyen las aceleraciones en cada eje de la repetición de un mismo gesto por el usuario.

\bullet: El parámetro \mu que da una idea de lo iguales que son las tres repeticiones del gesto realizadas por el usuario.

Lo conveniente sería que siendo el gesto difícil de imitar por una persona que pueda observar al usuario, el usuario sea capaz de repetirlo de manera muy aproximada. Es necesario que el valor de \mu sea pequeño para asegurarse que el patrón creado será complicado de imitar.

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Nótese que lo expuesto es tan solo un modo de realizar el sistema pero existen una gran cantidad de maneras de generar y combinar las señales para formar un patrón.

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3. Fase de acceso

La fase de acceso se va a realizar en tres pasos:

3.1. Realización del gesto y almacén de señales

Un usuario puede tratar de autenticarse en el sistema si ha pasado anteriormente la fase de enrolamiento. En ese caso, para tener acceso al sistema repetirá el gesto a partir del cual se creó su patrón biométrico. El dispositivo registrará las aceleraciones del gesto en los tres ejes, obteniéndose las señales G_{Ax}, G_{Ay} y G_{Az}.

3.2. Procesamiento de señal de acceso y patrón

A continuación, se realiza una adaptación de señales, como la explicada en el punto 2.2.1, en cada uno de los ejes de la señal de acceso con cada una de las tres señales que forman el patrón biométrico, resultando las distancias \delta_{A,1}, \delta_{A,2} y \delta_{A,3}.

A partir de ellas se calcula la desviación de la señal de acceso con cada una de las señales que forman el patrón, siguiendo las ecuaciones (8), (9) y (10).

6

Por último, se calcula la desviación media como la media de las tres desviaciones obtenidas en el paso anterior, tal y como se precisa en la ecuación 11.

7

Esta desviación media calculada, es la métrica utilizada para comparar gestos con patrones. Cuanto más pequeña sea, más se acercará a la distancia media del patrón, y por tanto será más fiel al patrón almacenado en el dispositivo.

3.3 Decisión de acceso

El usuario será autenticado con éxito en el sistema, si ha sido capaz de realizar el gesto con una desviación respecto al patrón menor que la propia media de desviaciones de las señales del patrón; es decir, si cumple la ecuación:

8

Finalmente cabe destacar que la aplicación industrial de este sistema. En primer lugar, cualquier tecnología de control de acceso físico o lógico puede tomar ventaja de esta tecnología, ya que permite identificar a una persona y reconocer si dicha persona es alguien registrado en el sistema.

En dispositivos móviles, como puede ser un teléfono móvil, no sería necesario por ejemplo teclear el número PIN para desbloquear el teléfono, y esta característica puede extrapolarse a cualquier sistema que precise un código de acceso como puede ser un cajero automático, una contraseña guardada en un ordenador, etc.

En comercio electrónico, puede utilizarse para autenticar a una persona de manera similar a cuando se firma en un establecimiento al comprar con la tarjeta de crédito, pero con la ventaja de hacerlo desde el propio terminal, añadiendo por tanto una mayor seguridad a transacciones por Internet desde terminales móviles.

Además de esto, la industria podría aventajarse de las características que posee esta tecnología para la firma electrónica de documentos, para el no repudio de transacciones o para cualquier otra aplicación que necesite la rúbrica de una acción.

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Así mismo, tal y como se explicó anteriormente, esta técnica puede utilizarse con aplicaciones criptográficas, pudiendo, a partir del patrón del gesto realizado, generarse o liberarse una clave criptográfica que cifre un documento y únicamente el usuario, al repetir el gesto, pueda descifrarlo.

Finalmente en la figura 6 se muestra un esquema básico del dispositivo de reconocimiento biométrico compuesto de un acelerómetro (1) y medios de procesamiento (2).

Una vez descrita de forma clara la invención, nuevamente se hace constar que las realizaciones particulares anteriormente descritas son susceptibles de modificaciones de detalle siempre que no alteren el principio fundamental y la esencia de la invención.

Claims

1. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, caracterizado porque comprende:

\bullet una etapa de enrolamiento a su vez comprendiendo:

a): obtener, a partir de al menos un acelerómetro (1) integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de aceleración (G_{1x}, G_{1y}, G_{lz}) a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

b): repetir el paso a) n veces;

c): muestrear las señales de aceleración anteriormente obtenidas (G_{1x}, G_{1y}, G_{1z}; G_{2x}, G_{2y}, G_{2z}; ...);

d): almacenar las secuencias muestreadas;

\bullet una etapa de acceso que a su vez comprende:

g): obtener, a partir de al menos un acelerómetro (1) integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de acceso a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

h): muestrear las señales de acceso;

i): almacenar la secuencia de acceso muestreada;

2. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según la reivindicación anterior, caracterizado porque la obtención de las señales de aceleración y de acceso comprende la descomposición de la aceleración del gesto manual en cada uno de los tres ejes del espacio.

3. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la adaptación se realiza mediante un método de alineamiento de secuencias global.

4. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el patrón gestual comprende las señales obtenidas en a) y b) y la distancia media entre las diferencias cuantificadas entre cada par de gestos, donde dicha distancia media mide la similitud entre las repeticiones del gesto.

5. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cuantificación de diferencias de la etapa de acceso se realiza entre la secuencia de acceso muestreada y las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

6. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el cálculo de la desviación media se realiza con cada una de las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

7. Método de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la decisión del acceso se realiza comparando la desviación media con la distancia media almacenada como parte del patrón gestual.

8. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, caracterizado porque comprende:

\bullet al menos un acelerómetro (1) configurado para obtener señales de aceleración;

\bullet medios de procesamiento (2) configurados para la realización de una etapa de enrolamiento y una etapa de acceso donde:

\circ: la etapa de enrolamiento comprende:

m): obtener, a partir de al menos un acelerómetro (1) integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de aceleración (G_{lx}, G_{ly}, G_{lz})a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

n): repetir el paso anterior n veces;

o): muestrear las señales de aceleración (G_{lx}, G_{ly}, G_{lz}; G_{2x}, G_{2y}, G_{2z}; ...);

p): almacenar las secuencias muestreadas;

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\circ: la etapa de acceso comprende:

s): obtener, a partir de al menos un acelerómetro (1) integrado en un dispositivo de reconocimiento biométrico, una señal de acceso a partir de la realización de un gesto manual portando en la mano dicho dispositivo;

t): muestrear las señales de acceso;

u): almacenar la secuencia de acceso muestreada;

\vskip1.000000\baselineskip

9. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según la reivindicación 8, caracterizado porque los medios de procesamiento (2) están configurados para la obtención de señales mediante la descomposición de la aceleración del gesto en cada uno de los tres ejes del espacio.

10. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones 8-9, caracterizado porque los medios de procesamiento (2) están configurados para la adaptación mediante un método de alineamiento de secuencias global.

11. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones 8-10, caracterizado porque los medios de procesamiento (2) están configurados para la obtención del patrón gestual a partir de las señales obtenidas en m) y n) y la distancia media entre las diferencias cuantificadas entre cada par de gestos, donde dicha distancia media mide la similitud entre las repeticiones del gesto.

12. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones 8-11, caracterizado porque los medios de procesamiento (2) están configurados para la cuantificación de diferencias de la etapa de acceso entre la secuencia de acceso muestreada y las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

13. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones 8-12, caracterizado porque los medios de procesamiento (2) están configurados para la realización del cálculo de la desviación media con cada una de las señales almacenadas como parte del patrón gestual.

14. Dispositivo de reconocimiento biométrico basado en el movimiento de la mano en el espacio, según cualquiera de las reivindicaciones 8-13, caracterizado porque los medios de procesamiento (2) están configurados para realizar la decisión de acceso comparando la desviación media con la distancia media almacenada como parte del patrón gestual.