M.Sc. Youming Zhangin tietojenkäsittelyopin alaan kuuluva väitöskirja

Biometric Verification of a Subject Based on Data Mining of Saccade Eye Movement Signals (Sakkadisten silmänliikesignaalien tiedonlouhintaan perustuva henkilön biometrinen verifiointi)

tarkastetaan 21.2.2014 klo 12 Tampereen yliopiston Pinni B-rakennuksen luentosalissa 1096, Kanslerinrinne 1, Tampere.

Vastaväittäjänä on dosentti Alpo Värri (Tampereen teknillinen yliopisto). Kustoksena toimii professori Martti Juhola.

Tietokoneen käyttäjän varmentaminen silmänliikkeiden perusteella

Tutkimus käsittää tietokoneen käyttäjän biometrisen verifioinnin kehittämistä perustuen käyttäjän nopeisiin silmänliikkeisiin, sakkadeihin. Tällöin käyttäjästä tehdyillä silmänliikemittauksilla todennetaan, onko kyseinen henkilö oikea (autentikoitu) käyttäjä vai ei. Biometrista verifiointia eli käyttäjän vahvistamista on aiemmin tutkittu varsinkin sormenjälkikuvista, joista on kaupallisia sovelluksia, mutta myös mm. kasvo-, silmänpohja- ja kämmenkuvista. Nämä kaikki ovat biometrisiä datalähteitä. Tässä tutkimuksessa biometrisenä datana olivat henkilön silmänliikkeet. Tähän mennessä näitä ovat tutkineet biometristä verifiointia varten vain muutama muu tutkija maailmassa. Silmänliiketutkimuksia on luonnollisesti lääketieteessä ja psykologiassa tehty jo vuosikymmeniä ja tietokoneiden käyttöliittymienkin yhteydessä parikymmentä vuotta. Verrattuna muihin biometrisiin datoihin silmänliikkeiden hyvät puolet verifioinnin mielessä voivat olla seuraavat: vaikeampi imitoida ja datan yksinkertaisuuden vuoksi helpompi prosessointi, mikä tuottaa nopean laskennan.

Väitöstutkimuksen tekijä on tutkinut ja kuvaa tutkimuksessaan laskennallisia menetelmiä, joilla saadaan laskettua silmänliikkeistä henkilöiden välillä vaihtelevia ominaisuuksia verifiointia varten. Tekijä mittasi silmänliikevideokamerasysteemillä koehenkilöiden silmänliikkeet näiden katsellessa tarkoitukseen sopivia stimulaatioita (ärsykkeitä), kuten kuvaruudulla liikkuvia pieniä kohteita. Vertailudatana oli jo aiemmissa tutkimuksissa elektro-okulograafisesti mitattuja eli silmän etu- takaosan väliseen jännite-eroon perustuvia signaaleja, jolloin oli käytetty samanlaisia stimulaatioita kuin silmänliikekameroilla. Tekijä käytti signaalianalyysia silmänliikkeiden tunnistamiseksi signaalidatasta.

Väitöstutkimuksen tekijä kehitti testausproseduurit, tietokoneohjelmat, kuinka tehdä mittaukset ja erottaa kulloinenkin oikea käyttäjä muista koehenkilöistä, jotka esittivät testeissä laittomia tunkeilijoita. Hän perusti tämän verifioinnin useisiin tiedonlouhinnan ja koneoppimisen luokitusmenetelmiin, kuten suoraviivainen lähimmän naapurin etsintäalgoritmi ja edellistä kehittyneempi, mutta monimutkaisempi algoritmi nimeltä tukivektorikone. Tekijä testasi kehittämillään laskentamenetelmillä, kuinka usein oli mahdollista verifioida oikein asianomainen, oikea käyttäjä (oikeiden positiivisten määrät) ja kuinka usein pystyttiin erottamaan väärät yrittäjät (oikeiden negatiivisten määrät). Parhaimmillaan testit ylsivät erinomaiseen tulokseen, noin 95 prosenttia. Lisäksi hän toisti testejä samoille koehenkilöille päivien ja viikkojenkin väliajoilla voidakseen tutkia, miten koehenkilöiden silmänliikkeiden ominaisuuksien mahdollinen ajasta riippuva vaihtelevuus vaikuttaisi biometrisen verifiointiin. Vaihtelevuus vaikutti vain suhteellisen vähän laskien luokitustarkkuutta noin 90 prosenttiin. Tätä saattoi kuitenkin vähän vielä parantaa käyttämällä toista silmänliikevideokamerasysteemiä, jonka näytteenottotaajuus on 250 Hz. Aluksi tekijä käytti systeemiä, jossa se oli ainoastaan 30 Hz. Tätä matalaa taajuutta oli kuitenkin mielekästä kokeilla, sillä se vastaa halpojen, tietokoneissa olevien kamerasysteemien (eivät vielä silmänliikekameroita) ominaisuuksia. Kun voidaan olettaa tulevaisuudessa tietokoneiden ja älypuhelimien käyttöliittymään liitetyn silmänliikekameran käyttäjän katseen eli silmänliikkeiden tunnistamiseksi, tähän voitaisiin kytkeä myös biometrinen verifiointi. On jo olemassa älypuhelimia, joissa käyttöliittymä hyödyntää käyttäjän katseensuuntaa tunnistaen käyttäjän kuvaruudulla kulloinkin katsoman paikan.

Väitöstutkimus osoitti, että tietokoneen käyttäjä on mahdollista verifioida luotettavasti henkilöstä mitattujen silmänliikkeiden perusteella.

                                               ******

Youming Zhang on syntynyt Pekingissä Kiinassa ja hän on suorittanut M.Sc. -tutkinnon University of Science and Technology in Beijing.

Zhangin väitöskirja ilmestyy sarjassa Acta Universitatis Tamperensis; 1899, Tampere University Press, Tampere 2013. ISBN 978-951-44-9355-3, ISSN 1455-1616. Väitöskirja ilmestyy myös sähköisenä sarjassa Acta Electronica Universitatis Tamperensis; 1381, Tampere University Press 2013. ISBN 978-951-44-9356-0, ISSN 1456-954X.
http://tampub.uta.fi.

Väitöskirjan tilausosoite: Verkkokirjakauppa Granum, http://granum.uta.fi, tai e-mail: kirjamyynti@juvenes.fi.

Lisätietoja: Youming Zhang, puh. +358458070834, Youming.Zhang@uta.fi