Biometria della Scrittura : Analisi 3D

Abstract

L’evoluzione tecnologica e la necessità di rendere sicuro l’accesso a luoghi o informazioni altamente riservate ha consento la diffusione, nell’ultimo ventennio, di sistemi basati su identificativi contenenti informazioni legate a caratteristiche umane, per poi diffondersi fino al mercato definito “consumer”, cioè composto non da enti governativi, grandi istituzioni pubbliche o private, o forze dell’ordine, ma anche dal cittadino comune, attratto dalla possibilità di “secretare” informazioni personali, senza la necessità di ricordarsi lunghe e complesse parole chiavi (pin e/o password). L’evoluzione delle tecniche di “misura” delle caratteristiche fisiche e in seguito comportamentali di un individuo costituiscono le basi della Biometria La biometria deriva dalle parole greche bìos = “vita” e metros = “conteggio” o “misura” ed è la disciplina che ha come oggetto di studio la misurazione delle variabili fisiologiche o comportamentali tipiche degli organismi, attraverso metodologie matematiche e statistiche. In linea di principio, ogni caratteristica umana, di tipo fisico o psicologico, può qualificarsi come discriminante nell’individuazione di una persona. Nella pratica, però, affinché una caratteristica umana possa essere presa in considerazione come discriminante biometrica, dovrà soddisfare le seguenti proprietà:  Universalità: ogni individuo deve possedere tale caratteristica;  Caratterizzazione: ogni coppia di persone deve essere sufficientemente differente in relazione alla caratteristica in oggetto;  Permanenza: la caratteristica deve essere sufficientemente invariante nel tempo;  Acquisibilità: la caratteristica deve essere quantitativamente misurabile. Il diffondersi di sistemi biometrici per il riconoscimento personale ha portato a prendere in considerazione anche altre caratteristiche [3], più legate ai sistemi biometrici stessi, che non alle peculiarità intrinseche della caratteristica individuata Con riferimento alla definizione di riconoscimento biometrico, si opera una distinzione di massima fra:  biometria “fisica” basata su dati derivati da caratteristiche fisiche dell’individuo (ad esempio impronte digitali, caratteristiche del viso, dell’iride o della mano);  biometria “comportamentale” basata sulla valutazione di caratteristiche comportamentali dell’individuo (ad esempio, la dinamica di apposizione della firma, il tipo di postura , la voce ecc). I processi di riconoscimento biometrico possono avvenire o in maniera interattiva, cioè con la collaborazione del soggetto interessato che, a conoscenza dell’operatività del sistema biometrico, si presta a fornire i suoi dati biometrici volontariamente (biometria interattiva), oppure tramite l’uso di sistemi biometrici privi di interazione diretta con l’utente, il quale può essere o meno a conoscenza del funzionamento di essi (biometria passiva). La registrazione dell’utente (Enrollment) è la prima fase di un processo biometrico e consiste nell’acquisizione, tramite un apposito sensore, della caratteristica biometrica dell’individuo. La procedura che segue alla fase di registrazione, è nota come “estrazione delle caratteristiche”, e prevede di ricavare dal campione acquisito alcune caratteristiche numeriche il cui insieme prende il nome di “template”. La fase di registrazione si conclude con la memorizzazione del template su un supporto di memorizzazione Durante la verifica di identità, il sensore acquisisce il campione biometrico dell’utente, dal quale, come accade nel processo di Enrollment, vengono estratte le caratteristiche e calcolato il template. Quest’ultimo viene comparato con quello precedentemente acquisito nella fase di Enrollment, memorizzato su sistema o sul dispositivo. L’esito del confronto può confermare o rifiutare la dichiarazione di identità dell’utente. In fase di identificazione l’utente non dichiara la propria identità e ne possiede sistemi contenenti identificativi biometrici per la comparazione. Questo processo prevede che il soggetto si sottoponga all’inserimento della propria caratteristica biometrica, sia in modo collaborativo che non, con il fine ultimo di trovare, tra i soggetti registrati, tutti quelli caratterizzati da un grado di coincidenza superiore ad una soglia prefissata. L’output prodotto dal sistema consente di identificare l’utente con il migliore grado di coincidenza oppure di segnalare l’assenza di questo dai dati contenuti nel sistema. A differenza dei sistemi basati su password, in cui è non solo possibile, ma necessario, effettuare un confronto perfetto tra le due stringhe alfanumeriche, un sistema biometrico si trova a verificare la similitudine tra due insiemi di caratteristiche estratte in due momenti differenti, con sistemi di acquisizione compatibili, ma non necessariamente identici. Le differenze tra gli insiemi di dati non sono dovute esclusivamente all’utilizzo di sensori di acquisizione di differente qualità o tipologia (es. sensori per impronte digitali capacitivi in registrazione e ottici in verifica), ma anche alle differenti condizioni al contorno durante la fase di acquisizione (es. illuminazione, rumore di fondo, polvere, modifiche temporanee nel tono della voce, malfunzionamenti del sensore di acquisizione, o problemi fisici del soggetto come per esempio infiammazioni oculari, ecc.). In tale contesto particolare attenzione viene rivolta alla biometria della scrittura La verifica più diffusa sull’autenticità di una firma si basa sul controllo visivo. La sigla apposta sul retro delle carte di credito, ad esempio, consente di accertare in qualche modo l’autenticità del titolare. Il controllo visivo tradizionale è eseguito da persone addestrate o da esperti in falsificazioni. Quello che si compie all’atto del riconoscimento di una firma altro non è che la realizzazione pratica del concetto di riconoscimento biometrico. La firma di ogni individuo presenta sempre una serie di caratteristiche, quali ad esempio la velocità di scrittura o i punti nei quali si esercita più pressione, che appartengono alla sfera comportamentale e sono pressoché inimitabili. Se la firma non è apposta su un foglio di carta ma su una “tavoletta elettronica” oppure viene usata una particolare penna “elettronica” è possibile trasformare in dati numerici gli aspetti comportamentali. Da quanto esposto in precedenza, risulta evidente, che se si desidera operare con strumenti e piattaforme di calcolo automatiche, è necessario disporre di sistemi in grado di trasformare gli aspetti comportamentali legati alla dinamica della firma in dati numerici. Tale procedimento è noto con il termine “estrazione delle features”. Dal punto di vista operativo, l’utente (di cui si deve riconoscere la firma) appone la propria firma con una penna “elettronica” su una tavoletta di digitalizzazione in grado di ricavare una serie di parametri tra cui:  La traiettoria di scrittura (tracciato visivo).  La pressione esercitata.  L’angolo di inclinazione della penna.  L’accelerazione del movimento.  Il numero di volte che la penna viene sollevata dal foglio. Il vantaggio principale di un siffatto sistema di riconoscimento è l’alta accettazione da parte degli utenti causata dal fatto che gli stessi sono abituati ad apporre la propria firma e quindi non trovano una differenza significativa fra il metodo tradizionale di apposizione della firma e quello biometrico. Lo svantaggio principale consiste soprattutto nella instabilità del campione biometrico in quanto la maniera di apporre la propria firma può variare nel tempo (sistemi biometrici basati su caratteristiche comportamentali hanno bisogno di continui aggiornamenti). Esistono due metodi di analisi della firma :  Processo statico di analisi. Nel caso in cui non stessimo processando una firma indotta in tempo reale ma elaborata come copia di un’altra già presente su un foglio e successivamente scannerizzata per ottenere una rappresentazione digitale a due dimensioni, significa che stiamo compiendo un’ operazione di verifica statica (off-line).  Un processo dinamico eseguito on line basato sull’acquisizione dei dati relativi alla firma che deve essere riconosciuta, estrazione delle caratteristiche della firma acquisita e verifica della necessità, o meno di riacquisire la firma (controllo sulla qualità dei dati acquisiti), gnerazione del template e algoritmo di controllo (matching) Nei sistemi di verifica on-line della firma, le tavolette elettroniche, sensibili alla pressione esercitata durante la scrittura, sono i dispositivi maggiormente utilizzati per l’acquisizione dei dati. Comunque una valida alternativa è costituita da particolari “penne digitali” (o smart pens). Tali “penne”, munite di particolari sensori, sono in grado di registrare la traiettoria di scrittura ed associare ad ogni punto della scritta le coordinate spaziali e la coordinata temporale (in altre parole sono in grado di registrare, in forma numerica, l’equazione oraria della traiettoria). In generale in fase di immissione dati, si possono verificare “interferenze” correlate all’HW utilizzato in fase di acquisizione, oppure all’atto di apposizione. Infatti si può verificare l’introduzione di rumore di acquisizione, ovvero di alterazione dei dati acquisiti a causa della variabilità, seppur minima, delle caratteristiche del gesto scrittorio. Tutto ciò impone una pre-elaborazione dei dati. In generale in fase di immissione dati, si possono verificare “interferenze” correlate all’HW utilizzato in fase di acquisizione, oppure all’atto di apposizione. Infatti si può verificare l’introduzione di rumore di acquisizione, ovvero di alterazione dei dati acquisiti a causa della variabilità, seppur minima, delle caratteristiche del gesto scrittorio. Tutto ciò impone una pre-elaborazione dei dati. Dall’analisi di quanto descritto precedentemente, si è cercato di applicare una innovativa tecnica 3D al riconoscimento offline delle firme, al fine di migliorarne i risultati. In particolare, l’attenzione si è concentrata, durante il periodo di ricerca, sulla Olografia Conoscopica, già usata in ricerche precedenti al fine di riconoscere l’autenticità di firme manoscritte. Ora l’approccio seguito è quello di applicare tale tecnica non alla verifica della semplice sovrapposizione dei tratti, ma all’estrazione di un profilo di pressione della firma manoscritta, così come realizzato dai sistemi offline digitali, ma con una profondità di informazione molto superiore. L’olografia conoscopica si fonda sulle proprietà di alcuni cristalli birifrangenti che consentono la scissione del raggio incidente in un raggio primario, detto ordinario, propagantesi nel crsitallo a velocità costante, ed un raggio secondario, detto straordinario, la cui velocità di propagazione è dipendente dall’angolo di incidenza. I due raggi sono quindi caratterizzati da una differenza di fase, introdotta dai differenti cammini ottici che compiono a partire dal punto di separazione. E’ noto che il fenomeno dell’interferenza è dovuto alla presenza di luce coerente, ed è noto inoltre come si propaga la luce nei cristalli uniassiali. Quello che verrà illustrato qui in seguito è come questi cristalli ottici siano la base di un sistema olografico a luce incoerente. Al contrario dell’olografia classica, in cui la luce coerente è un’esigenza ineliminabile, nell’olografia conoscopica questa necessità cade. Un sistema conoscopico, basato su tali principi è costituito da tre parti: un misuratore ottico comprendente l’obbiettivo, un elaboratore digitale che fornisce i dati e che elimina i bad data points, ed un protocollo per il trasferimento dei dati o un programma di interfacciamento. Fisicamente esistono tre varianti: Per l’analisi dei tratti sovrapposti con microprofilometria laser si è utilizzato un profilometro micrometrico prodotto dalla Optimet© basato su olografia conoscopica: il Conoscan 3000 Questo oggetto ha la caratteristica di risultare estremamente versatile e può lavorare con risoluzioni dal sub-micron al metro, cambiando l’ottica relativa. Esistono due diverse configurazioni possibili dello strumento: la configurazione fix-probe, che è adatta per piccoli oggetti e consiste nel tenere il sensore conoscopico fissato e mettere l’oggetto da analizzare su una opportuna tavola x – y, e la configurazione scan-probe, adatta per oggetti grandi e pesanti e che consiste nel fissare sia il sensore conoscopico sia l’oggetto per poi effettuare la scansione con un sistema di scanning ausiliario. Le prove sostenute sono state realizzate attraverso configurazioni del dispositivo in configurazione fix-probe. Questo sistema laser olografico risulta indipendente dal tipo di superficie ed ha una alta frequenza di scansione (> 800 Hz). La sonda conoscopica può misurare anche la luce diffusa proveniente da superfici riflettenti, come ad esempio da oggetti metallici o relativamente brillanti. L’immagine “grezza”, così come fornita dal profilometro, anche se contiene tutte le informazioni, non consente di stabilire con immediatezza ed efficacia il profilo 3D della scrittura. Pertanto, i dati acquisiti vengono elaborati tramite tecniche di image processing in modo da ottenere una visione 3D delle incisioni della carta. Partendo da tale analisi si è pssati nel lavoro di ricerca alla pplicazione formale dei dati estratti per verificare la possibilità di estrarre una delle più importanti caratteristiche biometriche e distintive presenti in una firma: il porfilo di pressione. Tutti i tradizionali testi di grafologia ed analisi della scrittura sono concordi nell’indicare che:  la modulazione di pressione è una caratteristica “personale” di un individuo (rappresenta una caratteristica biometrica);  in un individuo la modulazione di pressione è, in genere, una caratteristica che varia meno di altre caratteristiche grafiche;  la modulazione di pressione ha una forte variabilità da individuo ad individuo;  duplicare (falsificare) la modulazione di pressione è difficilissimo se non impossibile. Per tali motivi, la pressione è uno dei parametri che vengono valutati ai fini dell’identificazione di una scrittura. Comunemente, nelle analisi grafologiche la valutazione della pressione viene effettuata attraverso lo studio dei “chiaroscuri”, cioè dell’analisi delle variazioni cromatiche e della larghezza dei tratti presenti nel tracciato grafico. In realtà, bisogna tener presente che non sempre vi è una la relazione diretta tra pressione scrittoria e chiaroscuri. Pertanto, l’osservazione dell’inchiostrazione deve essere associata ad analisi effettuate mediante adeguata strumentazione: stereo-microscopio con illuminazione monolaterale radente, illuminazione trasmessa (osservazione in trasparenza), profilometro. Per la verità, soltanto il profilometro e, in alcuni casi, la luce radente sono gli unici ausili tecnici che possono fornire elementi sulle deformazioni permanenti lasciate sul foglio. Le restanti tecniche possono consentire all’esperto di rilevare “unicamente” le modalità di erogazione della pressione quali la direzione dello sviluppo gestuale e la forza relativa (rapporto tra tratti marcati ed alleggeriti). In particolare, il porfilometro consente, se utilizzato per l’analisi della grafia autografa fornita o acquisita per la comparazione, di identificare l’intervallo di variabilità pressoria del soggetto e questo sia nel minimo (tratti alleggeriti) che nel massimo (tratti marcati). Durante il lavoro di ricerca, si sono effettuate anche analisi relative alle modulazioni di presisone in elazione alla modifica dello strumento scrittorio, per cui si sono effettuati molti test con strumenti scrittori differenti ed osservarne le caratteristiche così da verificare come un particolare strumento di scrittura funziona e che evidenze lascerà sul foglio. In altre parole si è cercato di distinguere tra caratteristiche comuni a tutti gli strumenti scrittori di un certo tipo e caratteristiche associabili ad un particolare strumento scrittorio o al singolo individuo. In generale, risulta possibile concludere che, l’analisi dell’intensità cromatica dell’inchiostro e la larghezza dei tratti è un buon modo per controllare la modulazione di pressione, bisogna però tener ben in conto che tali caratteristiche non sempre sono legati alla pressione scrittori. È sempre utile effettuare analisi con adeguata strumentazione (profilometro e/o luce radente monolaterale) per verificare e confermare le tesi scaturite da un’analisi prettamente visiva. Infine, partendo da una scritta effettuata 16 anni prima, si è passati ad analizzare se dopo 16 anni la stessa sarebeb stata vergata in maniera differetne, tantod a rendere impossibile associare il porfilo di pressione all’individuo. Si è allora preso un campione relativo al 2012 e si sono effettuati confronti tra i porfili di presisone normalizzati, esratti tramite olografia conoscopica ed elaborati con porgrammi matlab dedciati, ottenendo come risultato che, anche considerando il supproto e il mezzo scrittorio simili, ma non identici, è possibile, per ogni lettera, identificare un profilo simile entro limiti bioemtrici, tale a poter identificare il tratto come distintivo di un individuo, anche dopo molti anni, avvalorando la natura biometrica della scrittura stessa.