1. Biometria e documenti di identità
e di viaggio
Alessandro Alessandroni
Università Roma Tre
3 Aprile 2014

2. AGENDA
documenti biometrici:
• tipologie di documenti
• caratteristiche biometriche, formati e modalità di
memorizzazione
emissione:
• come garantire qualità dei dati biometrici memorizzati
verifica:
• come ottenere accuratezza del riconoscimento
biometrico
• resistenza agli attacchi (spoofing)

3. Principali novità rispetto al 2013
Italia
 permesso di soggiorno biometrico europeo (gennaio
2014) avvio emissione con verifica al rilascio
 Pronte le regole tecniche del nuovo DDU (documento
digitale unificato)
Europa
 Diffusione varchi automatici (288) in 13 stati membri
 Progetti europei di ricerca: nuovi scanner, spoofing,
valutazione prestazioni, evoluzione passaporto
Mondo
 A fine 2014: 700 milioni di passaporti emessi da 110
stati

4. Perché documenti con
dati biometrici
 Rendere più forte il legame tra titolare e
documento
 Consentire il ricoscimento automatico nei varchi
di frontiera insieme al controllo automatico del
documento

5. 5

6. 6
I dati biometrici previsti da ICAO
 Le norme ICAO 9303 considerano 3 tipi di
caratteristiche biometriche per i documenti
elettronici:
 Volto (obbligatorio)
 Impronte (opzionali)
 Iride (opzionale)
 Per passaporti e altri documenti di viaggio è
previsto un chip RFID per la memorizzazione
dei dati biometrici
 Per i visti non è prevista la presenza di chip
per evitare interferenze (Dati biometrici in
BD)

7. 7
Formato dati biometrici:
immagine o template?
 secondo le norme ICAO per ciascun tipo di dato biometrico è obbligatorio
memorizzare l’immagine
 la registrazione del template associato alla immagine è opzionale
 il template occupa meno spazio della immagine ed è preferibile dal punto
di vista della privacy
 motivi della scelta della immagine:
 indipendenza dai produttori richiede le immagini o template standard
 i template standard comportano prestazioni inferiori

8. Documenti elettronici
conformi ICAO in circolazione
 PASSAPORTI ELETTRONICI: Nel mondo 101 stati
emettono passaporti elettronici conformi ICAO
 500 milioni a fine 2012, 700 milioni a fine 2014
 47 stati solo immagine dl volto
 54 stati volto + 2 impronte (tutti gli stati membri UE)
 0 stati con iride
 PERMESSI DI SOGGIORNO
 Tutti gli stati europei emettono permessi di soggiorno elettronici
conformi ICAO e UE 380/2008 con immagine volto e 2
impronte
 CARTE DI IDENTITA’
 Alcuni stati europei emettono carte di indentità e-MRTD
conformi ICAO (ad esempio Olanda, Svezia, Lituania, e
prossimamente Italia)
8

9. Documenti biometrici italiani
9

10. 10
Visti: VIS/BMS

11. PARTE 2
LA FASE DI EMISSIONE

12. 12
Accuratezza dei
sistemi biometrici
 La biometria non è “esatta” al 100%
 FMR (False Match Rate): il sistema accetta chi non dovrebbe
 FAR (False Acceptance Rate): il sistema non accetta chi dovrebbe
 FAR e FRR sono legati tra loro ed entrambi sono funzione della
soglia di sicurezza del sistema (t)
 Una soglia bassa (sistema poco sicuro) determina pochi Falsi Rifiuti ma
aumenta le False Accettazioni
 Una soglia elevata (sistema molto sicuro) determina poche False Accettazioni
ma aumenta i Falsi Rifiuti
 EER (Equal Error Rate)
 La soglia t puo essere tarata in modo
che FRR = FAR. L’errore in questo
punto operativo prende il nome di EER.

13. 13
Principali esigenze per i dati
biometrici acquisiti e registrati
 L’accuratezza dei sistemi biometrici dipende
dalla qualità dei dati acquisiti
 Le prestazioni possono diminuire sensibilmente al
degradare della qualità (aumentano FAR e FRR)
 Interoperabilità (standard ICAO/ISO)
 Misure di Sicurezza per garantire autenticità,
integrità e riservatezza (firma digitale e altri
meccanismi crittografici)

14. 14
14
qualità del dato biometrico acquisito
dipende da:
 qualità intrinseca (ad es. impronte con ridge line poco
prominenti nel caso di lavoratori manuali e persone
anziane)
 stato della caratteristica biometrica da acquisire (ad
es. pelle secca o troppo umida)
 comportamento dell’utente (posizionamento non
corretto del dito, espressione e orientamento del volto)
 dispositivi impiegati per la acquisizione (ad es.
scanner con elevata distorsione)
 ambiente (ad es. Illuminazione, impurità sulla superfice
dello scanner)

15. 15
15
Esempi qualità del dato biometrico
Insufficente
pressione

16. 16
16
qualità del dato biometrico
(ISO 29794-1)
 Character: qualità basata sulle caratteristiche
intrinseche della fonte
 Fidelity: fedeltà del campione rispetto alla fonte
 Utility: utilità del campione nel sistema biometrico

17. 17
Effetto dell’età sulla qualità
intrinseca delle impronte
12 anni

18. Qualità dello scanner
Parametri di qualità:
•Area acquisizione
•Accuratezza risoluzione
•Distorsione geometrica
•Risposta alle frequenze
spaziali (fuoco)
•Rapporto segnale/rumore
risoluzione
•Range dinamico
Alto
impatto
medio
impatto
basso
impatto
Laboratorio DigitPA

19. Principali parametri di qualità
degli scanner
Original
Acquisition Area Output Resolution Geometric Accuracy
Spatial Frequency
Response
Signal-to-noise
Ratio
Fingerprint Gray
Range

20. 20
Esperimenti per valutare impatto dei
parametri di qualità delle impronte
 The FVC2006 DB2 has been used
 1680 images: 140 fingers, 12 impressions per fingers
 Acquisition area: w=17.8mm, h=25.0mm
 Quality parameters considered:
 Acquisition area
 Output resolution
 Geometric accuracy
 Spatial frequency response
 Signal-to-noise ratio
 Fingerprint gray range
 From FVC2006 ten of the best performing algorithms on DB2 have
been selected (not only minutiae-based)
 Experiment size
 115,920 image transformations
 11,192,300 fingerprint pairs compared

23. 23
Specifiche Scanner Impronte Digitali (single-
finger) per applicazioni PA
basate su test di laboratorio
Classe Applicazioni Area
(alt × largh)
Accuratezza
sulla
risoluzione
Distorsione
geometrica
Risposta
frequenze
spaziali
Rapporto
Segnale
Rumore
Livelli di grigio e
range dinamico
A
(10%)
Enrollment per applicazioni large-scale e per
progetti dove è importante interoperabilità tra
scanner diversi, anche di fornitori diversi
(es. Passaporto, CIE)
Verifica di identità in applicazioni large-scale
dove l’enrollment è stato eseguito con scanner
di classe A o con scanner IAFIS IQS
(es. Verifica di un Passaporto o di un Visto)
25.4mm
×
25.4mm
500dpi  1%
(IAFIS IQS)
1.5%
(IAFIS IQS)
TSI ≥ 0.20
(PIV IQS)
Dev.Std.
σ ≤ 3.5
(PIV IQS)
Formato
256 livelli grigio.
Range dinamico
almeno 150 livelli
(PIV IQS)
B
(20%)
Enrollment e verifica identità in applicazioni
medium-scale dove gli utenti possono
autenticarsi su scanner diversi
(es. CMG - Carta Ministero Giustizia)
Verifica di identità in applicazioni large-scale
in cui enrollment eseguito can scanner classe A
(es. autenticazione con CIE)
20.0mm
×
15.0mm
500dpi  1.5% 2.0% TSI ≥ 0.15
Dev.Std.
σ ≤ 5.0
Formato
256 livelli grigio.
Range dinamico
almeno 140 livelli
C
(150%)
Enrollment e Verifica di identità in applicazioni
small-scale, dove tipicamente gli utenti usano
sempre lo stesso scanner
(es. sicurezza logica o fisica in piccole
amministrazioni o singoli uffici)
16.5mm
×
12.8mm
(PIV IQS)
500dpi  2.0%
(PIV IQS)
2.5%
(PIV IQS)
TSI ≥ 0.12
Dev.Std.
σ ≤ 8.0
Formato
256 livelli grigio.
Range dinamico
almeno 130 livelli
maggiore impatto minore impatto
IAFIS PIV

24. 24
Tipo di scanner:
single-finger o 4-4-2

25. 25
4-4-2: slap e segmentazione

26. Scanner di impronte single finger
con interfaccia per utente
26

27. 27
Corretto posizionamento delle dita

28. Procedura di acquisizione impronte
 A partire da un indice, tre immagini separate vengono catturate
(mettendo il dito per tre volte sullo scanner).
 Per ogni immagine, il punteggio di qualità (NFIQ) viene calcolato.
 Le immagini della impronta vengono confrontate tra loro
 La migliore immagine, sulla base degli score di matching con le
altre, viene selezionata per la memorizzazione
 Se nessuna delle tre immagini ha un punteggio di 1, 2 o 3,
l'operatore acquisisce l'impronta del dito successivo nella
sequenza: indice, medio, anulare e pollice
 Questa procedura è conforme alla norma ISO/IEC 29196 -
Technical Report on guidance for biometric enrolment, § 8.3.3
single finger systems
28

29. 29
Processo acquisizione impronte di una
mano
Processo Standard
Inizio del processo di
cattura
Rilevamento dal dito
indice
NO
SI
Esito del processo di cattura
Fine del processo di cattura
SI
Esito del processo di
cattura
Esito del processo di
cattura
Rilevamento dal dito
pollice
Esito del
processo di
cattura
SI SI
NO NO NO
Rilevamento dal dito
anulare
Rilevamento dal dito medio
:
Selezione della migliore tra le
immagini scartate

30. 3030
sw controllo qualità
delle impronte acquisite
1 2 3 4 5NFIQ
 Feedback immediato sulla qualità delle
impronte raccolte tramite valore NFIQ
 Selezione dita con migliori impronte
Sw del NIST considerato uno standard de facto (NISTIR -7151)

31. 31
Correlazione tra qualità (NFIQ) e
accuratezza nel matching (Sagem)

32. Compressione immagine impronte
 L’immagine digitale delle impronte acquisite (risoluzione 500 ppi,
area di acquisizione di un pollice quadrato, profondità 8 bit) ha una
dimensione di 250 KB; per la registrazione nel microprocessore
RF è necessaria compressione per rendere dimensione
compatibile con la capacità del chip
 La riduzione di qualità non deve compromettere la accuratezza del
riconoscimento biometrico in fase di verifica.
 Decisione CE 3770/2009 prescrive per le impronte il ricorso alla
compressione delle immagini attraverso l'algoritmo WSQ, e indica
in circa 12 – 15 Kbyte per dito il volume di memorizzazione
necessario per le immagini compresse delle impronte digitali.
 Il fattore di compressione da utilizzare non deve essere superiore
a 15:1, come prescritto dalla norma ISO 19794-4
 Non devono essere effettuate compressioni multiple che
degraderebbero significativamente l‟immagine.
32

33. 33
Aspetti ambientali
 Posizionamento scanner (altezza, stabilità,
inclinazione)
 Umidità, temperatura, illuminazione, polvere
 Pulizia superficie

34. Risultati qualità impronte registrate
(30/01/2012)
NFIQ=1
NFIQ=3
NFIQ=2
Indice
destroIndice
sinistro
98% NFIQ = 1,2,3
96% dito= indice
34

35. Verifica al rilascio
 Falsi rigetti
 Bassa qualità impronte
 Bassa qualità intrinseca anche del migliore dito prescelto
(in particolare: minori)
 Condizioni e posizionamento (dito secco, umido, scarsa
pressione, ecc.)
 Scambi dito
 nonostante interfacce utente con indicazione dito
35

36. Verifica al rilascio:
come ridurre i falsi rigetti
 Falsi rigetti
 Bassa qualità impronte
 Soluzione a breve: verifica delle due impronte in AND e
riduzione soglia (stesso FAR con drastica riduzione FRR)
 A M/L: utilizzo scanner con nuove tecnologie (contactless,
ultrasuoni, OCT…)
 Scambi dito
 Soluzione a breve: verifica immediata delle impronte subito
dopo acquisizione
 Soluzione a M/L: utiilizzo 4-4-2
36

37. 37
Scanner contactless
Scanner ottici
in alcuni casi bassa qualità immagine acquisita
dito secco, dito umido
scarsa pressione
deformazione
sono soggetti a spoofing
Altre tecnologie
 Ultrasuoni
 OTC
 fotocamere

38. 38
Volto acquisito tramite scanner foto
 Degrado dovuto a stampa/acquisizione con scanner
 Rischio di sostituzione o manipolazione immagine (morphing)
A B
A B

39. 39
All.A: Esempi e linee guida per le foto
ISO/IEC 19794-5:2005(E)

40. 40
All.A:Esempi e linee guida per le foto
ISO/IEC 19794-5:2005(E)

41. 41
41
Esempio software controllo conformità
ICAO

42. 42
Effetto della compressione sulle
prestazioni di riconoscimento

43. PARTE 3
LA FASE DI VERIFICA

44. Verifica dei documenti elettronici
 Alle frontiere:
 Postazioni fisse
 Varchi automatici (Sistemi ABC)
 Dispositivi mobili
 Sul territorio:
 Postazioni fisse
 Dispositivi mobili
44

45.  Verificare la genuinità e validità del
documento
 Identificare il passeggero
 Verificare l’ammissibilità del passeggero
sul territorio Nazionale e Schengen
Il controllo in frontiera:
(biometria)

46. SiF architettura
Prima linea
degli Uffici di Frontiera
VIS
Banca dati
visti
SIDAF
Databse degli
specimen
SDI/SIS
Archivi nazionali ed
europei di polizia
Database dei documenti
smarriti o rubati
Gestore documentale
dell’ufficio di frontiera
SIF
External DBs

47. Verifica Impronte digitali del Permesso di Soggiorno Elettronico Italiano
- Regolamento (CE) 1030/2002, del passaporto e del nuovo permesso
di soggiorno 380/2008
SIF 2: Principali funzionalità biometriche

48. Verifica dei visti uniformi Schengen alla
frontiera (tipo C e A)
• Può essere effettuata dalle postazioni I-VIS o dalle
postazioni SIF per mezzo della cooperazione
applicativa con il sistema I-VIS
• È previsto il riscontro presso il CS-VIS del visto esibito
dal viaggiatore per mezzo del numero di visto (sticker
number) con possibilità di verifica delle impronte
acquisite al momento con quelle presenti nel sistema
centrale europeo
48

49. Perché varchi automatici?
 Facilitare i viaggiatori mantenendo alti i livelli di
sicurezza
 Fare uso più efficiente delle guardie di frontiera
49

50. (1)
(2/5)
(3)
(4)(6)
Processo di verifica (unico passo)
1. Lettura documenti (passaporto, permesso
di soggiorno, visti) sia dati anagrafici che
biometrici
2. Verifica autenticità, integrità del documento
3. Verifica eventuale presenza
nominativo/impronte in banche dati
nazionali e/o internazionali
4. Acquisizione caratteristiche biometriche
(volto e/o impronte)
5. Verifica identità con riconoscimento
biometrico
6. Verifiche opzionali (es. antispoofing,
presenza di una sola persona nel varco,
ecc.)
7. Apertura varco in caso di esito positivo
50

51. Aeroporti Regno Unito - Stansted –
Londra (unico passo) (1/2)
51

52. Aeroporti Regno Unito - Stansted - Londra (2/2)
52

53. Aeroporto Francoforte – Progetto
EasyPASS
53

54. Aeroporto Francoforte – Progetto EasyPASS
statistiche
 ≈ 50000 passaporti presentati ai varchi
 ≈ 43000 utenti passati con successo attraverso
EasyPASS (86%)
 14% tasso di rifiuto (ulteriori controlli manuali
necessari da parte delle guardie di frontiera)
 5.5% rifiutati a causa del fallimento del
riconoscimento del volto (@FAR 0.1%)
 8.5% rifiutati dal sistema a causa di altre ragioni
(es. comportamenti non corretti dell’utente,
verifica del documento fallita, corrispondenze
segnalate su banche dati nazionali/internazionali)
54

55. Aeroporto Francoforte – Progetto EasyPASS
 ≈ 18s tempo medio per passare il varco
 5-6s per leggere e controllare i dati sul passaporto
 5-6s necessari all’utente per entrare e posizionarsi
correttamente nel gate
 1s per il confronto del volto
 5-6s necessari all’utente per uscire dal gate
55

56. Accuratezza del riconoscimento biometrico nei
varchi automatici (Linee guida tecniche
FRONTEX)
Volto Impronta digitale
FAR=0.1% FRR≤5% FRR≤3%
56

57. Sistemi ABC nel mondo al 15 Aprile
2013
57
eMRTD Pre-registrazione Pre-registrazione/eMRTD
Registrazione necessaria per gli stranieri
http://www.iata.org/whatwedo/stb/maps/Pages/passenger-facilitation.aspx

58. Sistemi ABC in Europa
(situazione a marzo 2013)
eMRTD Pre-registrazione Pre-registrazione/eMRTD
 Fine 2013: 288 varchi in 13 stati membri
58

59. Considerazioni su aspetti biometrici
SPOOFING
 Rischio di attacchi di tipo spoofing con false credenziali
biometriche del volto (foto, video, maschere) o delle impronte
 I controlli di vivezza antispoofing possono aumentare i tempi di
verifica (ad esempio controllo chiusura palpebre) o fornire falsi
rigetti che si aggiungono a quelli dell’algoritmo di matching
 Per il riconoscimento del volto FRR elevati da 5% fino a 15-20% in
condizioni non controllate
 si cerca di migliorare con acquisizioni 3D o acquisizioni multiple
con scelta della immagine migliore tramite misure di qualità
 Per le impronte problemi di posizionamento corretto di contatto
 Difficoltà di verificare le prestazioni delle soluzioni di spoofing
detection
59

60. Face spoofing: metodi
 (Foto stampata, video, maschera 3D)
60

61. Face spoofing: contromisure
61
 Hw
 thermography
 SW
 Motion analysis
 Texture analysis
 Liveness detection
 Eye blinking
 Lips movements

62. Fingerprint spoofing: contromisure
62
 Hw rilevazione di caratteristiche naturali:
 odore, battito e pressione del sangue, temperatura,
resistenza elettrica
 Misure 3D della superfice del dito fino a una
profondità di 1,5mm con “Optical Coherence
Tomography“ (OCT)
 SW
 Conteggio pori
 traspirazione
 distorsione pelle

63. Considerazioni su aspetti biometrici
qualità acquisizione
 Per il riconoscimento del volto FRR elevati dovuti
principalmente a illuminazione e posizione volto
 si cerca di migliorare con:
 acquisizioni 3D (face on the fly)
 acquisizioni multiple con scelta della immagine migliore tramite misure di
qualità
 Per le impronte problemi di posizionamento corretto di
contatto, superficie sporca
 Si cerca di migliorare con sensori contactless (finger on the fly)
63

64. FIDELITY: Face on the fly
64

65. FIDELITY: Finger on the fly
65
VANTAGGI
 Usabilità;
 Tempo di acquisizione in meno di un secondo mentre la mano
è in movimento;
 Nessun problema con il dito asciutto o bagnato
 impatto minimo su FTE a causa cattura senza contatto;
 Non ci sono impronte latenti
Le impronte vengono
acquisite facendo
scorrere la mano sopra
il sensore

66. INGRESS: Innovative Technology
for Fingerprint Live Scanners
 ULTRASUONI
 OCT (Optical Coherence Tomography)
66

67. Casi d’uso dei dispositivi mobili: verifiche...
 ...alla frontiera
 ...sul territorio
 a piedi
 in auto
67

68. Soluzioni presenti sul mercato:
mobili/semi-mobili
 Dispositivo “tutto in uno”
 Smartphone con periferiche
integrate o dispositivi collegati
-------------------------------------------
 tablet con periferiche integrate o
con dispositivi collegati
-------------------------------------------
 Valigetta rinforzata con notebook,
lettore full page di documenti,
scanner di impronte e fotocamera
MOBILE
SEMI- MOBILE

69. dispositivi mobili per acquisizione
impronte certificati da FBI
 Ad aprile 2013, 53 dispositivi mobili sono certificati dalla FBI/IAFIS
con livelli SAP/FAP da 10 a 45
la lista è disponibile nel sito
https://www.fbibiospecs.org/IAFIS/Default.aspx
SAP 10 SAP 20
SAP 30 SAP 45

70. Aspetti critici legati alla biometria
 Dispositivi per l’acquisizione
 Dispositivi di dimensioni contenute possono avere impatto
negativo sull’accuratezza
 Disponibilità di sw (controllo qualità, algoritmi di matching,
compressione/decompressione) per il sistema operativo
mobile
 Algoritmi di matching
 Versioni “light”, processori meno potenti
 Test non disponibili
 Aspetti legati a fattori ambientali (es. sole, luminosità)
 Conseguenze su
 Prestazioni (FAR, FRR)
 Interoperabilità
70

71. Alcune questioni aperte
 qualità degli elementi biometrici acquisiti non
soddisfacente in tutti gli stati, da migliorare (nuovi
scanner, migliori procedure e controllo qualità)
 statistiche sulla qualità non disponibili e metriche
non condivise
 algoritmi per impronte minori
 soluzioni antispoofing (specialmente per varchi
automatici) ancora con elevati errori
 modalità di combinazione delle diverse biometrie
presenti ancora da definire (multibiometria)
 problemi con le PKI di firma e di verifica
71

72. AGID (ex Cnipa/DigitPA)
 Linee guida per qualità e interoperabilità dati
biometrici passaporto, permesso di
soggiorno e prossimo DDU
 caratteristiche dei dispositivi di acquisizione
delle foto e delle impronte
 caratteristiche del sw di controllo qualità delle
immagini del volto e delle impronte
 caratteristiche del sw per il riconoscimento
del volto e delle impronte
 procedure di acquisizione delle impronte
 aspetti di sicurezza e privacy
 Test dei dispositivi di acquisizione e del
software di verifica
In corso attività per:
 Norme Tecniche sistemi biometrici
 Registro dei laboratori di certificazione 72

73. fine
Domande?
73