Increasing the Robustness of Biometric Templates for Dynamic Signature Biometric Systems

Personal use of this material is permitted. Permission from IEEE must be obtained for all other uses, in any current or future media, including reprinting/republishing this material for advertising or promotional purposes, creating new collective works, for resale or redistribution to servers or lists, or reuse of any copyrighted component of this work in other works. R. Tolosana, R. Vera-Rodriguez, J. Ortega-Garcia and J. Fierrez, "Increasing the robustness of biometric templates for dynamic signature biometric systems," Security Technology (ICCST), 2015 International Carnahan Conference on, Taipei, 2015, pp. 229-234. doi: 10.1109/CCST.2015.7389687Due to the high deployment of devices such as smartphones and tablets and their increasing popularity in our society, the use of biometric traits in commercial and banking applications through these novel devices as an easy, quick and reliable way to perform payments is rapidly increasing. The handwritten signature is one of the most socially accepted biometric traits in these sectors due to the fact that it has been used in financial and legal transitions for centuries. In this paper we focus on dynamic signature verification systems. Nowadays, most of the state-of-the-art systems are based on extracting information contained in the X and Y spatial position coordinates of the signing process, which is stored in the biometric templates. However, it is critical to protect this sensible information of the users signatures against possible external attacks that would allow criminals to perform direct attacks to a biometric system or carry out high quality forgeries of the users signatures. Following this problem, the goal of this work is to study the performance of the system in two cases: first, an optimal time functions-based system taking into account the information related to X and Y coordinates and pressure, which is the common practice (i.e. Standard System). Second, we study an extreme case not considering information related to X, Y coordinates and their derivatives on the biometric system (i.e. Secure System), which would be a much more robust system against attacks, as this critical information would not be stored anywhere. The experimental work is carried out using e-BioSign database which makes use of 5 devices in total. The systems considered in this work are based on Dynamic Time Warping (DTW), an elastic measure over the selected time functions. Sequential Forward Features Selection (SFFS) is applied as a reliable way to obtain an optimal time functions vector over a development subset of users of the database. The results obtained over the evaluation subset of users of the database show a similar performance for both Standard and Secure Systems. Therefore, the use of a Secure System can be useful in some applications such as banking in order to avoid the lost of important user information against possible external attacks.This work was supported in part by the Project Bio-Shield (TEC2012-34881), in part by Cecabank e-BioFirma Contract, in part by the BEAT Project (FP7-SEC-284989) and in part by Catedra UAM-Telefonica

Preprocessing and feature selection for improved sensor interoperability in online biometric signature verification

Under a IEEE Open Access Publishing Agreement.Due to the technological evolution and the increasing popularity of smartphones, people can access an application using authentication based on biometric approaches from many different devices. Device interoperability is a very challenging problem for biometrics, which needs to be further studied. In this paper, we focus on interoperability device compensation for online signature verification since this biometric trait is gaining a significant interest in banking and commercial sector in the last years. The proposed approach is based on two main stages. The first one is a preprocessing stage where data acquired from different devices are processed in order to normalize the signals in similar ranges. The second one is based on feature selection taking into account the device interoperability case, in order to select to select features which are robust in these conditions. This proposed approach has been successfully applied in a similar way to two common system approaches in online signature verification, i.e., a global features-based system and a time functions-based system. Experiments are carried out using Biosecure DS2 (Wacom device) and DS3 (Personal Digital Assistant mobile device) dynamic signature data sets which take into account multisession and two different scenarios emulating real operation conditions. The performance of the proposed global features-based and time functions-based systems applying the two main stages considered in this paper have provided an average relative improvement of performance of 60.3% and 26.5% Equal Error Rate (EER), respectively, for random forgeries cases, compared with baseline systems. Finally, a fusion of the proposed systems has achieved a further significant improvement for the device interoperability problem, especially for skilled forgeries. In this case, the proposed fusion system has achieved an average relative improvement of 27.7% EER compared with the best performance of time functions-based system. These results prove the robustness of the proposed approach and open the door for future works using devices as smartphones or tablets, commonly used nowadays.This work was supported in part by the Project Bio-Shield under Grant TEC2012-34881, in part by Cecabank e-BioFirma Contract, and in part by Catedra UAM-Telefonic

Feature selection in a low cost signature recognition system based on normalized signatures and fractional distances

Producción CientíficaIn a previous work a new proposal for an efficient on-line signature recognition system with very low computational load and storage requirements was presented. This proposal is based on the use of size normalized signatures, which allows for similarity estimation, usually based on DTW or HMMs, to be performed by an easy distance calcultaion between vectors, which is computed using fractional distance. Here, a method to select representative features from the normalized signatures is presented. Only the most stable features in the training set are used for distance estimation. This supposes a larger reduction in system requirements, while the system performance is increased. The verification task has been carried out. The results achieved are about 30% and 20% better with skilled and random forgeries, respectively, than those achieved with a DTW-based system, with storage requirements between 15 and 142 times lesser and a processing speed between 274 and 926 times greater. The security of the system is also enhanced as only the representative features need to be stored, it being impossible to recover the original signature from these.Junta de Castilla y Leon (project VA077A08

Biometric walk recognizer. Research and results on wearable sensor-based gait recognition

Gait is a biometric trait that can allow user authentication, though being classified as a "soft" one due to a certain lack in permanence, and to sensibility to specific conditions. The earliest research relies on computer vision-based approaches, especially applied in video surveillance. More recently, the spread of wearable sensors, especially those embedded in mobile devices, which are able to capture the dynamics of the walking pattern through simpler 1D signals, has spurred a different research line. This capture modality can avoid some problems related to computer vision-based techniques, but suffers from specific limitations. Related research is still in a less advanced phase with respect to other biometric traits. However, the promising results achieved so far, the increasing accuracy of sensors, the ubiquitous presence of mobile devices, and the low cost of related techniques, make this biometrics attractive and suggest to continue the investigations in this field. The first Chapters of this thesis deal with an introduction to biometrics, and more specifically to gait trait. A comprehensive review of technologies, approaches and strategies exploited by gait recognition proposals in the state-of-the-art is also provided. After such introduction, the contributions of this work are presented in details. Summarizing, it improves preceding result achieved during my Master Degree in Computer Science course of Biometrics and extended in my following Master Degree Thesis. The research deals with different strategies, including preprocessing and recognition techniques, applied to the gait biometrics, in order to allow both an automatic recognition and an improvement of the system accuracy

Online signature verification algorithms and development of signature international standards

The science of biometrics is based on discovering the identities of human beings by investigating their physical and behavioural traits. Of the many different biometric traits, i.e. fingerprint, iris, vascular, etc... the handwritten signature is still one of the most accepted techniques. Advancing progress in identification applications has led to widespread demand for new generation ID documents, such as electronic passports and citizen cards, which contain additional biometric information required for more accurate user recognition. This can be achieved by embedding dynamic signature features within the documentation. However, this would result in two significant drawbacks that must be addressed, these are: Memory Capacity and Computational Load. These problems and the increasing demand for standardized biometric verifications systems have motivated the research work performed in this Thesis. In order to achieve this, an attempt to reduce the information involved in verification processes is performed using feature selection criteria of the signature biometric data. Such reduced information content not only satisfies the memory capacity restrictions but also provides much more efficient use of the verification algorithms. In particular, two novel methods in the signature context, based on Principal Component Analysis and Hellinger Distance, are proposed here. The performance of the optimized features set obtained has been analyzed using two different verification algorithms. By reducing the sample size it has been observed that the error rates are maintained sufficiently low and the results obtained are in agreement with the current state of the art for signature techniques. It will be shown that in some cases that feature selection does not provide an adequate reduction solution, where a different strategy has been analyzed to achieve the aforementioned problems. A direct consequence of the widespread nature of biometric verification has led to demands for standardized protocols to improve interoperability. The work presented throughout this Thesis has considered current ISO/IEC signature standard data formats. It has been observed that the current compact data formats, 19794-7 Compact Format and 19794-11, do not meet the requirements of modern data formats. In particular, 19794-7 Compact Format, although having good compression ratios, has been found to imply an inadmissible loss in information. This problem has been solved by defining a new near-lossless compression data format based on lossless compression algorithms, and proposing different enhanced strategies to store signature data. This new data format achieves the same compression ratio, but without losing any relevant information. In addition, the problems found in the 19794-11CD2 regarding the lack of compression and information loss have been addressed. A new data format structure has been proposed, where the lack of compression is solved by reducing the data stored, avoiding duplicated data and providing a new singular point definition. This new structure has provided improved compression ratios, and, at the same time, carries more information. The two new data format definitions were presented to the ISO/IEC SC37 WG3 experts and accepted as the new third subformat “Compression Format” within the 19794-7 and the new committee draft for the 197974-11 CD3. ----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------En la sociedad actual existe la necesidad de verificar la identidad de usuarios de una manera automática y segura, sobre todo teniendo en cuenta las nuevas posibilidades que el comercio electrónico ha originado. Desgraciadamente todas estas nuevas posibilidades electrónicas de acceso a distintos servicios, también han incrementado las probabilidades de actividades delictivas como la usurpación de identidad. La biometría ha demostrado ser una tecnología válida para la verificación de identidades, ya que ofrece un alto nivel de seguridad a la vez que resulta cómoda al usuario. De hecho su uso ya ha sido probado con éxito para tales fines en distintos contextos, siendo uno de los más comunes y conocidos su aplicación en la nueva generación de documentos de identidad electrónicos, tales como el Documento Nacional de Identidad Electrónico (DNIe) así como en los nuevos pasaportes electrónicos. Estas nuevas generaciones de documentos de identidad incorporan técnicas biométricas que permiten a los usuarios la autenticación de su identidad en procesos remotos. Junto con estas ventajas de la tecnología biométrica, la capacidad de almacenamiento y procesado de datos por parte de los nuevos documentos de identidad hace posible la incorporación de la información dinámica que posee la firma manuscrita. Esta información puede ser utilizada para la verificación de la identidad de los usuarios de una manera muy familiar, ya que el uso de la firma manuscrita para la verificación de identidades está muy extendido. No obstante, a la hora de incluir esta información dentro de este tipo de dispositivos, se deben tener en cuenta dos limitaciones significativas. En primer lugar, hay que examinar las necesidades de almacenamiento indispensables para guardar los datos obtenidos de la firma manuscrita capturada así como para el patrón del usuario. En segundo lugar, hay que considerarla baja potencia de cálculo de estos dispositivos a la hora de desarrollar algoritmos de verificación. Del mismo modo, se debe tener en cuenta que los documentos de identidad se diseñan para ser usados en una gran variedad de escenarios, tanto a nivel nacional como internacional. Por esta razón el uso de normas internacionales que garanticen su interoperabilidad se hace un requisito indispensable. Partiendo de lo expuesto anteriormente, la presente Tesis Doctoral se ha centrado en mejorar la viabilidad de sistemas automáticos de verificación de firma dinámica manuscrita en entornos con fuertes limitaciones tanto en capacidad de almacenamiento de datos como en capacidad de computación. A su vez, se ha llevado a cabo un análisis exhaustivo de los actuales formatos de datos definidos en las norma internacional “19794 Biometric data interchange formats” existentes para firma manuscrita dinámica (parte 7 y 11 de esta norma), para contrastar como pueden llegar a afectar dichos formatos al rendimiento de los algoritmos de verificación. Los aspectos anteriormente indicados sobre las necesidades de almacenamiento y de computación han sido abordados a través de técnicas de selección de características probadas en dos implementaciones de algoritmos de verificación de firma basados en Modelado de Mezcla de Gausianas (designado por sus siglas en inglés “GMM”) y Alineamiento Dinámico Temporal (designado por sus siglas en inglés “DTW”). En concreto, las técnicas de selección de características empleadas han sido el Ratio de Fisher (cuyas siglas en inglés son FR), el Análisis de Componentes Principales (cuyas siglas en inglés son PCA), la combinación de ambas y por último, la distancia de Hellinger (cuyas siglas en inglés son HD). La primera de ellas es una técnica muy extendida en la literatura de firma manuscrita, mientras que las otros dos, PCA y HD, no se ha encontrado ninguna constancia de haber sido utilizada anteriormente en entornos de firma manuscrita. Los resultados han desvelado que la técnica PCA genera una selección de características más óptima que la técnica FR, mejorando las tasas de error de los algoritmos utilizados. Además, la combinación de esta técnica (PCA) con la técnica FR ha obtenido mejores resultados que aplicadas de manera individual. Por su parte, HD también ha demostrado su utilidad en el ámbito de la firma manuscrita dinámica, obteniendo mejores resultados que las técnicas expuestas anteriormente sobre todo en el caso del algoritmo DTW en el que el solapamiento de distribuciones de las características entre firmas genuinas y las firmas falsas es bajo. A la vista de estos resultados, con las técnicas de selección de características propuestas se ha logrado cumplir con los objetivos de reducir las necesidades tanto de espacio de almacenamiento como de capacidad computacional, manteniendo tasas de error acordes con el estado del arte. Cabe destacar que para el algoritmo GMM desarrollado se han propuesto dos vectores de características, uno formado por 28 elementos y otro de tan solo 13 elementos para entornos con limitaciones más extremas. A su vez, el algoritmo GMM implementado también ha demostrado ser robusto frente al número de funciones Gausianas que lo forman, obteniendo resultados en línea con el estado del arte para combinaciones de sólo cuatro funciones Gausianas. Estos dos resultados (el bajo número de elementos en el vector de características y el bajo número de funciones Gausianas) conllevan que tanto el modelo de usuario, como las firmas capturadas, requieran un mínimo espacio de almacenamiento. Del mismo modo, hacen que la carga computacional sea mucho menor que la de los algoritmos basados en GMM publicados con anterioridad. Con respecto al algoritmo DTW planteado, se ha propuesto un vector de características formado tan solo por seis elementos, obteniendo de nuevo bajas tasas de error tanto para falsificaciones aleatorias, como, especialmente, para falsificaciones entrenadas. Estos resultados una vez más muestran que las técnicas de selección de características han respondido satisfactoriamente. Pero a pesar de que el número de elementos del vector de características es muy bajo, no se han podido reducir las necesidades ni de espacio, ni de complejidad de cálculo, dado que para el algoritmo DTW todavía se incluye información de la presión. Sin embargo, estos objetivos han sido cubiertos mediante el análisis efectuado en relación con el número de puntos que se requieren para el almacenamiento tanto de las firmas capturas como para el del patrón de usuario. Las pruebas realizadas han puesto de manifiesto que submuestreando las firmas capturadas de manera que estén formadas sólo por 256 puntos, es suficiente para asegurar que los niveles de error obtenidos por los algoritmos se mantengan en niveles dentro del estado del arte de los algoritmos DTW. Incluso, bajando el número de puntos hasta la cifra de 128 se ha visto que aún se consiguen tasas de error aceptables. Además del estudio a nivel algorítmico de la viabilidad de implementación de algoritmos de firma manuscrita dinámica, esta Tesis Doctoral se ha también se ha enfocado en la mejora de las actuales normas internacionales de formato de datos existentes para firma manuscrita dinámica, teniendo por objetivo incrementar sus posibilidades de uso en dispositivos tales como documentos de identidad. Inicialmente, se ha realizado un estudio de la viabilidad del uso de estas normas internacionales (proyectos 19794-7 y 19794-11 del subcomité SC37 dentro de la organización ISO/IEC) en cuanto a tamaño de la muestra examinando varias bases de datos públicas de firma dinámica. De este análisis se ha concluido que el formato compacto definido en el proyecto 19794-7 presenta un ratio de compresión del 56% comparado con el formato completo. Por otro lado, el proyecto 19794-11 que se definía como un formato de compresión de datos para firma manuscrita, presentó ratios de compresión negativos, indicando que en lugar de tener un menor tamaño de muestra, este formato incrementa el tamaño en comparación con las firmas almacenadas siguiendo el formato completo 19794-7. A su vez, se ha mostrado como la compresión de datos, tanto en el formato compacto 19794-7 como en el formato 19794-11, tiene un impacto en el rendimiento de los algoritmos, incrementando sus tasas de error. Esto es debido a la información que se pierde en el proceso de compresión de los datos. Para resolver la perdida de rendimiento de los algoritmos cuando se usa el formato de datos compacto definido dentro del proyecto 19794-7, se han presentado dos nuevos formatos de datos. Estos formatos , denominados formatos de datos comprimidos, se basan en algoritmos de compresión de datos sin pérdida de información. Se ha llevado a cabo la evaluación de distintos algoritmos de estas características, así como distintas opciones de reordenación de los datos de la firma manuscrita para maximizar la compresión obtenida gracias a los algoritmos de compresión. Dentro de los formatos de datos sugeridos, se ha planteado un formato de datos comprimido que presenta los mismos ratios de compresión que el formato compacto 19794-7, pero sin incurrir en ninguna pérdida de datos, por lo que no presenta ningún impacto en las tasas de error de los algoritmos de verificación. Asimismo, también se ha propuesto un formato de datos comprimido con mínima perdida de información, mejorando las tasas de compresión, sin influir de nuevo en el rendimiento de los algoritmos de verificación. Este formato comprimido de datos con reducidas pérdidas tiene además la capacidad de ajustar el nivel de información perdida, lo que resulta una importante característica teniendo en cuenta las espectaculares resoluciones (tanto espaciales como temporales) que los dispositivos de captura presentan en la actualidad. Estas altas resoluciones conllevan un aumento importante en el tamaño de las muestras capturas, que puede ser minimizado con el uso de este formato comprimido con pérdidas. Ambos formatos de datos comprimidos, con y sin perdidas, fueron presentados a la comunidad internacional dentro del subcomité ISO/IEC SC37, proponiendo su inclusión en el proyecto 19794-7. Esta petición fue aceptada por los expertos internacionales de firma manuscrita, convirtiéndose el formato de datos comprimidos en el tercer subformato dentro de esta norma internacional. La publicación de esta norma con la inclusión de las contribuciones mencionadas está planificada para el año 2012. Con respecto al proyecto 19794-11CD2, se analizó el uso de una nueva estructura de datos que solucionara los problemas de la falta de compresión a través de la eliminación de información duplicada, almacenando menos datos y redefiniendo los puntos singulares en los que está basada la segmentación. Además, para aumentar aún más las tasas de compresión obtenidas, diferentes estrategias de eliminación de puntos espurios fueron tratadas. A su vez, para mejorar la calidad de la información almacenada dentro de este formato de datos, se ha estudiado la posibilidad de recrear los datos contenidos en el formato completo partiendo de los datos almacenados en esta parte 19794-11. Mediante estos análisis, se han obtenido tasas de compresión menores que los presentados por el formato compacto 19794-7. Esta nueva definición para el proyecto 19794-11 también se presentó al subcomité SC37, siendo igualmente aceptada por los expertos internacionales en firma manuscrita y adoptada en la nueva revisión del proyecto 19794-11CD3. La publicación de este proyecto como norma internacional se espera para 2013

Automatic signature verification system

Philosophiae Doctor - PhDIn this thesis, we explore dynamic signature verification systems. Unlike other signature models, we use genuine signatures in this project as they are more appropriate in real world applications. Signature verification systems are typical examples of biometric devices that use physical and behavioral characteristics to verify that a person really is who he or she claims to be. Other popular biometric examples include fingerprint scanners and hand geometry devices. Hand written signatures have been used for some time to endorse financial transactions and legal contracts although little or no verification of signatures is done. This sets it apart from the other biometrics as it is well accepted method of authentication. Until more recently, only hidden Markov models were used for model construction. Ongoing research on signature verification has revealed that more accurate results can be achieved by combining results of multiple models. We also proposed to use combinations of multiple single variate models instead of single multi variate models which are currently being adapted by many systems. Apart from these, the proposed system is an attractive way for making financial transactions more secure and authenticate electronic documents as it can be easily integrated into existing transaction procedures and electronic communication