Innovative Traits, Algorithms and Application Scenarios for Mono-multimodal Biometric Recognition

Identity verification is one of the most common and important processes in our daily lives. For centuries, humans have relied on the visual appearance of their peers - or other distinctive traits - to recognize them. Currently, most of the traditional authentication methods infer one s identity by either verifying the knowledge of a shared secret (i.e., password) or the possession of a given object (i.e., token); both methods are sub-optimal, since they do not directly verify the person s identity, but an alternate and less rich representation that could also very easily stolen or inadvertently shared. Biometrics offers a natural solution to this problem, by providing quantitative methods for recognizing one s identity by the analysis of either physiological or behavioural traits. In addition to the traditional biometric traits, such as fingerprint, iris or voice, there is a growing interest in novel biometric traits, that can be used in conjunction with the most established ones to compensate to their weaknesses. In the first part of this thesis, we will analyze the usage of heart sounds as a physiological trait for biometric recognition, discussing some novel ad-hoc algorithms developed to process them. Forensic analysts often have to determine whether a given speech sample was uttered by a suspect or not; in the second part of the thesis, we will investigate the usage of automatic text-independent speaker recognition systems in this context, exploring the limits of this approach and proposing new solutions. Finally, given the capillary diffusion that Internet access has gained in the last years, we will analyze the problem of biometric authentication for web application. Through the performance analysis of 3 biometric systems and their combination using 2 multi-biometric score level fusion strategies, we will find the optimal combination of those system; we will then present the architecture and implementation of an open-source web-based multi-biometric authentication system based on speech and face recognition, fused together using the optimal strategy identified in the preliminary analysis phase.

Provare la propria identità e una delle attività più comuni ed importanti che ci viene richiesto di svolgere quotidianamente. Nei secoli, gli esseri umani si sono affidati alla fisionomia dei propri simili - o ad altri tratti distintivi -per riconoscerli. Attualmente, la maggior parte dei metodi di autenticazione derivano l identità di una persona tramite la verifica di un segreto condiviso (come una password) o tramite la verifica del possesso di un determinato oggetto (un token); entrambi i metodi non sono esenti da difetti, poiché non verificano direttamente l identità della persona, ma una rappresentazione della stessa alternativa e meno significativa, che potrebbe inoltre essere rubata o inavvertitamente condivisa. I metodi di autenticazione biometrica offrono una valida soluzione a questo problema, fornendo metodi quantitativi per il riconoscimento dell identità di un individuo tramite l analisi di tratti fisiologici o comportamentali. Uno degli obiettivi principali delle attuali attività di ricerca nell ambito della biometria e l individuazione di nuovi tratti biometrici, che possano essere utilizzati in aggiunta ai tratti biometrici tradizionali per compensarne le debolezze. Nella prima parte di questa tesi verrà analizzato l utilizzo dei suoni cardiaci come tratti fisiologici per il riconoscimento biometrico, illustrando algoritmi e sistemi innovativi che sfruttano questa tecnica. Nella seconda parte della tesi si analizzerà l utilizzo di tecniche automatiche di riconoscimento biometrico basate sulla voce in contesto forense. La qualità del segnale audio analizzato in questi contesti è spesso non eccellente a causa del rumore introdotto dal processo di acquisizione e dall ambiente in cui viene effettuata la registrazione, che non sono sotto il controllo del perito. In queste difficili condizioni, attualmente il perito viene chiamato ad effettuare delle scelte che potrebbero condizionare l esito del riconoscimento e di conseguenza anche influenzare l esito del processo stesso. L analisi presentata si focalizza sulle limitazioni della biometria vocale in questo contesto, e presenta delle nuove soluzioni per aggirare le stesse. Infine, considerato il continuo incremento della diffusione dell accesso ad Internet e la crescente importanza che le attività basate sul web stanno assumendo negli ultimi anni, nella terza parte della tesi sarà analizzato il tema dell autenticazione biometrica nell ambito delle applicazioni web. Tramite l analisi delle prestazioni di 3 sistemi biometrici e le loro combinazioni utilizzando 2 strategie di fusione multi-biometrica a livello di punteggio, sarà identificata la combinazione ottimale degli stessi; saranno quindi presentate e discusse sia l architettura che l implementazione di un sistema open-source di autenticazione multi-biometrica per applicazioni web basate su riconoscimento del volto e della voce, fusi tramite la strategia ottimale identificata nella fase di analisi preliminare.