2015 http://excel.fit.vutbr.cz Domovn´ ı pˇ r´ ıstupov ´ y syst ´ em s hlasovou biometri´ ı Jan Bauer*, Ing. Petr Schwarz, Ph.D.** Abstrakt C´ ılem t ´ eto pr ´ ace je vytvoˇ ren´ ı zaˇ r´ ızen´ ı pro autentizaci ˇ re ˇ cn´ ıka podle hlasu. V ˇ re ˇ sen´ ı bylo pou ˇ zito knihovny BSAPI, kter ´ a byla vyvinuta spole ˇ cnost ´ ı Phonexia. Knihovna je naps ´ ana v jazyce C++ a byla portov ´ ana na zaˇ r´ ızen´ ı Raspberry Pi B+. O spr ´ avn ´ y chod se star ´ a skript napsan ´ y v jazyce Python. Vytvoˇ ren ´ e ˇ re ˇ sen´ ı je ur ˇ cit ˇ e zaj ´ ımav ´ eam ˚ u ˇ ze se v budoucnu st ´ at spolehliv ´ ym bezpe ˇ cnostn´ ım syst ´ emem. Hlavn´ ım v ´ ysledkem je, ˇ ze se n ´ am podaˇ rilo dos ´ ahnout slibn ´ e ´ usp ˇ e ˇ snosti, a m ´ ame tedy nakroˇ ceno k zaveden´ ı podobn ´ eho syst ´ emu do praxe. Kl´ ıˇ cov ´ a slova: Biometrie — Hlas — Raspberry Pi — BSAPI Pˇ riloˇ zen ´ e materi ´ aly: Zdrojov ´ yk ´ od - ke spr ´ avn ´ emu b ˇ ehu je vy ˇ zadov ´ ano Raspberry Pi, knihovna BSAPI a veˇ sker ´ e vybaven´ ı *xbauer05@stud.fit.vutbr.cz, Faculty of Information Technology, Brno University of Technology **schwarzp@fit.vutbr.cz, Faculty of Information Technology, Brno University of Technology 1. Pˇ redstaven´ ı Biometrie je v dneˇ sn´ ı dob ˇ e velmi ˇ z ´ adan ´ a a rychle se rozv´ ıjej ´ ıc´ ı discipl ´ ına. R ˚ uzn ´ e formy autentizace lze dnes naj ´ ıt vˇ sude kolem n ´ as. Jedn ´ a se napˇ r´ ıklad o ˇ cte ˇ cky otisk ˚ u prst ˚ u na mobiln´ ıch telefonech, nebo rozpozn ´ av ´ an´ ı obli ˇ cej ˚ u. Naˇ sim projektem rozˇ siˇ rujeme toto portf ´ olio a pˇ rin ´ aˇ s´ ıme jeˇ st ˇ e ne pˇ r´ ıli ˇ s v praxi pou ˇ z´ ı- vanou metodu autentizace. Hlavn´ ı myˇ slenkou bylo vytvoˇ rit takov ´ e zaˇ r´ ızen´ ı, kter ´ e umo ˇ zn´ ı osob ´ am pˇ r´ ıstup do vymezen ´ eho pros- toru na z ´ aklad ˇ e rozpozn ´ an´ ı jejich hlasu. Cht ˇ eli jsme, aby byly mo ˇ znosti vyu ˇ zit ´ ı v co nejv ˇ et ˇ s´ ım rozsahu. Ide ´ aln´ ı zaˇ r´ ızen´ ı by mˇ elo b ´ yt spolehliv ´ e, nen ´ aro ˇ cn ´ e na provoz a pˇ ripojiteln ´ e k nejr ˚ uzn ˇ ej ˇ s´ ım pˇ r´ ıstroj ˚ um. I proto jsme naˇ se zaˇ r´ ızen´ ı postavili na po ˇ c´ ıta ˇ ci Raspberry Pi s pˇ ridan ´ ym PiFace Digital 2. ´ Usp ˇ eˇ snost autentizace by se mˇ ela ide ´ aln ˇ e bl ´ ı ˇ zit ke 100%. Pˇ redmˇ etem projektu bylo vytvoˇ rit modul pˇ r´ ıstupov ´ eho syst ´ emu s hlasovou biometri ´ ı zalo ˇ zen ´ y na knihovn ˇ e BSAPI, na zaˇ r´ ızen´ ı Raspberry Pi B+ a otestov´ an´ ı´ uspˇ eˇ snosti autentizace. Identifikace ˇ re ˇ cn´ ıka hlasem se v dneˇ sn´ ı dob ˇ e up- lat ˇ nuje pˇ rev ´ a ˇ zn ˇ e v oblasti bezpe ˇ cnosti a obrany, v kriminalistick ´ ych ´ ustavech pro posouzen´ ı a prezentaci d ˚ ukazn´ ıho materi ´ alu, v bank ´ ach pro zv ´ yˇ sen´ ı bezpe ˇ c- nosti pˇ r´ ıstupu k ´ u ˇ ctu nebo pro odhalovan´ ı podvodn´ ık ˚ u b ˇ ehem telefonick ´ ych ˇ z ´ adost ´ ıo ´ uv ˇ er, nebo pro vyh- led ´ av ´ an´ ı ve videoarchivech. V t ˇ echto oblastech p ˚ usob´ ı napˇ r´ ıklad firmy Phonexia, Agnitio, Nuance, Speech- Pro nebo VoiceTrust. My chceme pˇ rin ´ est v ´ yhody t ´ eto technologie i do b ˇ e ˇ zn ´ ych dom´ acnost ´ ı, kde hlasov ´ a biometrie m ˚ u ˇ ze pˇ rin ´ est v ˇ et ˇ s´ ı bezpe ˇ cnost nebo naopak komfort (napˇ r´ ıklad ztr´ ata kl´ ıˇ c˚ u dˇ etmi). O samotnou autentizaci se star ´ a knihovna BSAPI. Tu jsme portovali na zaˇ r´ ızen´ ı Raspberry Pi B+, na kter ´ em b ˇ e ˇ z´ ı opera ˇ cn´ ı syst ´ em Raspbian. Tento mini- po ˇ c´ ıta ˇ cn ´ am umo ˇ z ˇ nuje jednoduch ´ e a praktick ´ e ˇ reˇ sen´ ı id´ ıky sv ´ ym mal ´ ym rozmˇ er ˚ um. K n ˇ emu je pˇ ripojeno PiFace Digital 2, pomoc´ ı kter ´ eho jsme mohli pˇ ripojit dal ˇ s´ ı sou ˇ c ´ astky jako tla ˇ c´ ıtka a ˇ z ´ arovku. Ta n ´ am pro-
Transcript
2015
http://excel.fit.vutbr.cz
Domovnı prıstupovy system s hlasovou biometriıJan Bauer*, Ing. Petr Schwarz, Ph.D.**
AbstraktCılem teto prace je vytvorenı zarızenı pro autentizaci recnıka podle hlasu. V resenı bylo pouzitoknihovny BSAPI, ktera byla vyvinuta spolecnostı Phonexia. Knihovna je napsana v jazyce C++ abyla portovana na zarızenı Raspberry Pi B+. O spravny chod se stara skript napsany v jazycePython. Vytvorene resenı je urcite zajımave a muze se v budoucnu stat spolehlivym bezpecnostnımsystemem. Hlavnım vysledkem je, ze se nam podarilo dosahnout slibne uspesnosti, a mame tedynakroceno k zavedenı podobneho systemu do praxe.
Klıcova slova: Biometrie — Hlas — Raspberry Pi — BSAPI
Prilozene materialy: Zdrojovy kod - ke spravnemu behu je vyzadovano Raspberry Pi, knihovnaBSAPI a veskere vybavenı
*[email protected], Faculty of Information Technology, Brno University of Technology**[email protected], Faculty of Information Technology, Brno University of Technology
1. Predstavenı
Biometrie je v dnesnı dobe velmi zadana a rychlese rozvıjejıcı disciplına. Ruzne formy autentizacelze dnes najıt vsude kolem nas. Jedna se naprıklado ctecky otisku prstu na mobilnıch telefonech, neborozpoznavanı obliceju. Nasim projektem rozsirujemetoto portfolio a prinasıme jeste ne prılis v praxi pouzı-vanou metodu autentizace.
Hlavnı myslenkou bylo vytvorit takove zarızenı,ktere umoznı osobam prıstup do vymezeneho pros-toru na zaklade rozpoznanı jejich hlasu. Chteli jsme,aby byly moznosti vyuzitı v co nejvetsım rozsahu.Idealnı zarızenı by melo byt spolehlive, nenarocne naprovoz a pripojitelne k nejruznejsım prıstrojum. I protojsme nase zarızenı postavili na pocıtaci Raspberry Pi spridanym PiFace Digital 2. Uspesnost autentizace byse mela idealne blızit ke 100%. Predmetem projektubylo vytvorit modul prıstupoveho systemu s hlasovoubiometriı zalozeny na knihovne BSAPI, na zarızenı
Raspberry Pi B+ a otestovanı uspesnosti autentizace.Identifikace recnıka hlasem se v dnesnı dobe up-
latnuje prevazne v oblasti bezpecnosti a obrany, vkriminalistickych ustavech pro posouzenı a prezentacidukaznıho materialu, v bankach pro zvysenı bezpec-nosti prıstupu k uctu nebo pro odhalovanı podvodnıkubehem telefonickych zadostı o uver, nebo pro vyh-ledavanı ve videoarchivech. V techto oblastech pusobınaprıklad firmy Phonexia, Agnitio, Nuance, Speech-Pro nebo VoiceTrust. My chceme prinest vyhody tetotechnologie i do beznych domacnostı, kde hlasovabiometrie muze prinest vetsı bezpecnost nebo naopakkomfort (naprıklad ztrata klıcu detmi).
O samotnou autentizaci se stara knihovna BSAPI.Tu jsme portovali na zarızenı Raspberry Pi B+, nakterem bezı operacnı system Raspbian. Tento mini-pocıtac nam umoznuje jednoduche a prakticke resenıi dıky svym malym rozmerum. K nemu je pripojenoPiFace Digital 2, pomocı ktereho jsme mohli pripojitdalsı soucastky jako tlacıtka a zarovku. Ta nam pro-
zatım slouzı jako identifikator autentizace. BohuzelRaspberry Pi B+ nema audio vstup. Museli jsme tedypripojit externı zvukovou kartu pres USB.
Hlavnım cılem projektu je vyvinout spolehlivysystem autentizace recnıka, ktery bude mozne vyuzıtv praxi. Z naseho testovanı vyplynulo, ze se nampodarilo dosahnout slibne uspesnosti. Priblizna statis-tika uspesnosti je 90% uspesnych prıstupu pri 10%neopravnenych prıstupech. System tedy dosahuje velicezajımavych vysledku, ale pro jeho nasazenı do provozuje jeste nutne snızit pocet neopravnenych prıstupu.Toho muzeme docılit pridanım nejakeho dalsıho kon-trolnıho mechanizmu jako naprıklad vyzadovat do-datecne vyslovenı urcite fraze.
2. Teoreticka castSlovo biometrie pochazı puvodem z rectiny ze slovbios = zivot a metron = merıtko. Dalo by se tedyrıci, ze biometrie je automaticke rozpoznavanı osob nazaklade jejich jedinecnych biologickych rysu. Mezinejznamejsı metody autentizace patrı napr. otiskyprstu, DNA nebo charakteristika pısma [1].
Biometrie skyta obrovsky potencial. Jiz dnes velicespolehlive slouzı nejen v oboru kriminalistiky. Jedno-znacne lze rıci, ze zvysuje bezpecnost. Prinası s seboutaky urcitou formu pohodlı. Tyto vlastnosti, na rozdılod ruznych prıstupovych karet, je tezsı ztratit.
Samozrejme vsechno ma sve pro i proti. I biome-trie ma sva uskalı. V dnesnı dobe se da zfalsovat iotisk prstu. Nehlede na to, ze s kazdym poskytnutımsvych jedinecnych vlastnostı, prichazıme o znacnoucast sveho soukromı.
Lide, aniz by si to uvedomovali, denne rozpoznavajıjine osoby prave na zaklade techto anatomickych vlast-nostı. Rozlisujeme tzv. staticke vlastnosti a dynamickevlastnosti [1].
Staticke vlastnosti jsou rozpoznatelne vzdy, nehledena stav cloveka. Radıme zde napr. otisk prstu, obrazsıtnice oka, DNA.
Naopak dynamicke vlastnosti jsou spojeny s urcitymchovanım osoby. Sem zcela jiste patrı charakteristikapısma, chuze a nami zkoumane rozpoznavanı podlehlasu.
Hlasova biometrie v poslednıch letech zazname-nala veliky pokrok. K tomu, aby byla vıce rozsırena,stale chybı duvera jak odbornıku, tak laicke verejnosti.Pritom rozpoznanı na zaklade hlasu nabızı sve up-latnenı v ruznych oblastech, napr. pro prıstup douzavrenych prostor nebo v kriminalistice. Pro overenıpotrebujeme nejdrıve nahravku. Z dane nahravky vy-robıme tzv. voiceprint.
Voiceprint je soubor meritelnych vlastnostı lidskehohlasu, ktery jednoznacne identifikuje jednotlivce. Tytovlastnosti vychazejı z fyzickych znaku ust, krkua hlasivek [3].
Zıskany voiceprint pote muzeme porovnavat s ji-nym voiceprintem. V nasem prıpade se jedna praveo autentizaci nikoliv o identifikaci. Pri identifikacirecnıka se musı zjistit, jake osobe dany voiceprint patrı.Naproti tomu u autentizace se pouze zjistuje, zda sejedna o tutez osobu, nebo nikoliv [1].
Nase zarızenı ma pouze dve tlacıtka. Jedno slouzık registraci osoby a druhe k samotne verifikaci. Vtomto projektu jsme zvolili takovy prıstup, ze uzivatelnemusı zadat stejne heslo, ale libovolny text. V prıpadekladneho vyhodnocenı dojde k rozsvıcenı zarovky.
3. Prakticka cast
Jak jiz bylo zmıneno vyse, srdcem celeho zarızenıje minipocıtac Raspberry Pi B+ spolecne s PiFaceDigital 2. Jelikoz Raspberry Pi nema audio vstup,museli jsme pripojit externı zvukovou kartu. Vybralijsme Creative Sound Blaster SB1140. Na RaspberryPi jsme nainstalovali system Raspbian. K tomu namposlouzila 16 GB microSD karta. Tato velikost je pronase ucely naprosto dostacujıcı. Raspbian je svobodnyoperacnı system. Jak jiz nazev napovıda je zalozenna Debianu a je optimalizovan pro samotne zarızenıRaspberry Pi. Dalsım dulezitym prvkem je mikrofon.Vyzkouseli jsme nekolik mikrofonu. Z testovanı vyseljen jeden vıtez a to mikrofon Trust Starzz. Poskytujedostatecnou kvalitu zaznamu i z rozumne vzdalenosti.K PiFace Digital 2 jsou jeste pripojeny dve tlacıtka azarovka. Obe tlacıtka jsou zasazeny do krabicky. 4.8Vzarovka nam slouzı jako identifikator.
Nejdulezitejsı vecı pri porovnavanı je voiceprint.Pro jeho vytvorenı musıme nejprve porıdit zaznamhlasu. Pro porizovanı nahravek pouzıvame utilituarecord. Podporuje nekolik formatu. My jsme si vy-brali format wav. Tento zaznam je parametrizovana z parametru jsou sesbırany statistiky reci. Statis-tiky jsou nasledne prevedeny na voiceprint. Velikostvytvoreneho voiceprintu je pouhych 624 bajtu.
Na zarızenı Raspberry Pi bylo potreba zkompilovatoptimalizovanou verzi knihovny BSAPI pro funkcnosti na vykonove slabsıch zarızenıch, ke kterym Rasp-berry Pi bezesporu patrı. Puvodnı verze knihovny bylanevyhovujıcı nejen kvuli mnozstvı zpracovavanychdat, ale i doby trvanı analyzy. Upravena verze pracujes radove mensımi hlasovymi nahravkami, ktere jsoupro ucely prace naprosto dostacujıcı. K Raspberry Pijsme pripojili PiFace Digital 2. Jedna se o rozsirujıcımodul, ktery je s Raspberry spojen pomocı GPIO (Gen-eral purpose input/output). Samotny modul obsahuje2 prepınacı rele, 8 vystupu s otevrenym kolektorem,8 digitalnıch vstupu, 8 LED indikatoru a 4 prepınace.PiFace Digital 2 se da programovat pomocı Pythonmodulu pifacedigitalio.
Celou softwarovou cast zastresuje Python skript,ktery se stara o snımanı vstupu. Zelene tlacıtko slouzık registraci osoby. Stisknutım tohoto tlacıtka zacnepo dobu 8 vterin nahravanı. Se zacatkem nahravanı serozsvıtı cervena LED dioda na PiFace Digital 2. Pouplynutı 8 vterin dioda zhasne. Nahravka je ulozenaa je z nı vytvoren voiceprint. Cervene tlacıtko slouzık samotne verifikaci osoby. Po jeho stisknutı se ak-tivuje mikrofon a uzivatel ma opet 8 vterin na nahranıhlasu. Celych 8 vterin znovu signalizuje cervena LEDdioda. Zpracovanı 8 vterinove nahravky (vytvorenı
voiceprintu a porovnanı) trva priblizne 4 vteriny. Vprıpade kladeneho vyhodnocenı se rozsvıtı zarovka.
4. TestovanıTestovanı probıhalo a stale probıha na ruznem spek-tru osob. Jedna se o muze i zeny ruzneho veku. Pripouzıvanı se mohou objevit dva typy chyb:
1. system odmıtne spravneho uzivatele2. system pustı neopravneneho uzivatele
Pri testovanı mela kazda nahravka delku 8 vterin.Testovalo se v klidovem prostredı, kde okolnı hluknepresahl 35dB. Prozatım bylo otestovano 30 osob ztoho 17 muzu a 13 zen. Nejmladsımu muzi bylo 17 leta nejstarsımu bylo 53 let. Nejmladsı zene bylo 20 let anejstarsı bylo 50 let.
V zadnem z experimentu se nestalo, ze by zarızenıodmıtlo spravneho uzivatele. Ve trech prıpadech doslok vpustenı nespravneho uzivatele, pricemz se vzdyjednalo o jedince stejneho pohlavı. Z testovanı tedyvyplynulo, ze v 90% system pustı spravneho uzivatelea v 10% pustı neopravneneho uzivatele.
5. ZaverTento projekt ukazuje, ze nami vyvinuty system dosahu-je zajımavych vysledku. Pro prakticke nasazenı jepotreba jeste snızit pocet neopravnenych prıstupu prisoucasnem zachovanı poctu korektnıch prıstupu. Zdemuzeme dale zlepsovat kvalitu vlastnıho algoritmurozpoznavani recnıka, nebo muzeme kombinovat tech-nologii identifikace recnıka naprıklad s pozadovanımzadanı hesla. Tento postup je nejspolehlivejsı, protozese opıra o biometricke merenı a zaroven skrytou znalost,kterou zna pouze opravnena osoba.
Nase zarızenı do budoucna slibuje sirokou moznostuplatnenı. Jako nejpravdepodobnejsı moznost se zatımjevı zabezpecenı domu, auta ci lode.
Na projektu se jeste da spousta vecı zdokonalit.Mame v planu tento projekt vylepsit jak po designove,tak po technicke strance. Spolecnost Phonexia jiz dnesuspesne zdokonaluje algoritmus pro rozpoznavanı rec-nıka.
Casy, kdy nebudeme muset hledat pred vstupnımidvermi sve klıce, se neuprosne blızı.
PodekovanıNa zaver bych chtel podekovat panu Ing. PetroviSchwarzovi, Ph.D. za odborne vedenı prace a cennerady, ktere mi pomohly tuto praci zkompletovat.
Literatura[1] Ph.D. Ing. Martin Drahansky. Bio-
metricke systemy bio. studijnı opora,2006. https://www.fit.vutbr.cz/study/courses/BIO/private/BIO_Studijni_opora.pdf.
[2] STEPHANIE MLOT. Zwipe, mastercardshow off credit card with a fingerprint sen-sor, Rıjen 2014. http://www.pcmag.com/article2/0,2817,2470568,00.asp.
[3] Margaret Rouse. voiceprint, Zarı 2005.http://searchsecurity.techtarget.com/definition/voiceprint.
![Page 1: Domovn´ı pˇr´ıstupovy´ syst em ... - excel.fit.vutbr.czexcel.fit.vutbr.cz/submissions/2015/058/58.pdf · Pˇrilozenˇ e materi´ aly: ... [1]. Biometrie skyt´ ´a obrovsk y](https://reader042.dokumenty.site/reader042/viewer/2022040417/5d57762a88c99300308bab92/html5/page/1.jpg)
![Page 2: Domovn´ı pˇr´ıstupovy´ syst em ... - excel.fit.vutbr.czexcel.fit.vutbr.cz/submissions/2015/058/58.pdf · Pˇrilozenˇ e materi´ aly: ... [1]. Biometrie skyt´ ´a obrovsk y](https://reader042.dokumenty.site/reader042/viewer/2022040417/5d57762a88c99300308bab92/html5/page/2.jpg)
![Page 3: Domovn´ı pˇr´ıstupovy´ syst em ... - excel.fit.vutbr.czexcel.fit.vutbr.cz/submissions/2015/058/58.pdf · Pˇrilozenˇ e materi´ aly: ... [1]. Biometrie skyt´ ´a obrovsk y](https://reader042.dokumenty.site/reader042/viewer/2022040417/5d57762a88c99300308bab92/html5/page/3.jpg)
![Page 4: Domovn´ı pˇr´ıstupovy´ syst em ... - excel.fit.vutbr.czexcel.fit.vutbr.cz/submissions/2015/058/58.pdf · Pˇrilozenˇ e materi´ aly: ... [1]. Biometrie skyt´ ´a obrovsk y](https://reader042.dokumenty.site/reader042/viewer/2022040417/5d57762a88c99300308bab92/html5/page/4.jpg)
