Publication: Hardware/software architectures for iris biometrics
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Publication date
2009-11
Defense date
2010-01-11
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Abstract
Nowadays, the necessity of identifying users of facilities and services has become quite important not only to determine who accesses a system and/or service, but also to determine which privileges should be provided to each user. For achieving such identification, Biometrics is emerging as a technology that provides a high level of security, as well as being convenient and comfortable for the citizen. Most biometric systems are based on computer solutions, where the identification process is performed by servers or workstations, whose cost and processing time make them not feasible for some situations. However, Microelectronics can provide a suitable solution without the need of complex and expensive computer systems. Microelectronics is a subfield of Electronics and as the name suggests, is related to the study, development and/or manufacturing of electronic components, i.e. integrated circuits (ICs). We have focused our research in a concrete field of Microelectronics: hardware/software co-design. This technique is widely used for developing specific and high computational cost devices. Its basis relies on using both hardware and software solutions in an effective way, thus, obtaining a device faster than just a software solution, or smaller devices that use dedicated hardware developed for all the processes. The questions on how we can obtain an effective solution for Biometrics will be solved considering all the different aspects of these systems. In this Thesis, we have made two important contributions: the first one for a verification system based on ID token and secondly, a search engine used for massive recognition systems, both of them related to Iris Biometrics. The first relevant contribution is a biometric system architecture proposal based on ID tokens in a distributed system. In this contribution, we have specified some considerations to be done in the system and describe the different functionalities of the elements which form it, such as the central servers and/or the terminals. The main functionality of the terminal is just left to acquiring the initial biometric raw data, which will be transmitted under security cryptographic methods to the token, where all the biometric process will be performed. The ID token architecture is based on Hardware/software co-design. The architecture proposed, independent of the modality, divides the biometric process into hardware and software in order to achieve further performance functions, more than in the existing tokens. This partition considers not only the decrease of computational time hardware can provide, but also the reduction of area and power consumption, the increase in security levels and the effects on performance in all the design. To prove the proposal made, we have implemented an ID token based on Iris Biometrics following our premises. We have developed different modules for an iris algorithm both in hardware and software platforms to obtain results necessary for an effective combination of same. We have also studied different alternatives for solving the partition problem in the Hardware/software co-design issue, leading to results which point out tabu search as the fastest algorithm for this purpose. Finally, with all the data obtained, we have been able to obtain different architectures according to different constraints. We have presented architectures where the time is a major requirement, and we have obtained 30% less processing time than in all software solutions. Likewise, another solution has been proposed which provides less area and power consumption. When considering the performance as the most important constraint, two architectures have been presented, one which also tries to minimize the processing time and another which reduces hardware area and power consumption. In regard the security we have also shown two architectures considering time and hardware area as secondary requirements. Finally, we have presented an ultimate architecture where all these factors were considered. These architectures have allowed us to study how hardware improves the security against authentication attacks, how the performance is influenced by the lack of floating point operations in hardware modules, how hardware reduces time with software reducing the hardware area and the power consumption. The other singular contribution made is the development of a search engine for massive identification schemes, where time is a major constraint as the comparison should be performed over millions of users. We have initially proposed two implementations: following a centralized architecture, where memories are connected to the microprocessor, although the comparison is performed by a dedicated hardware co-processor, and a second approach, where we have connected the memory driver directly in the hardware coprocessor. This last architecture has showed us the importance of a correct connection between the elements used when time is a major requirement. A graphical representation of the different aspects covered in this Thesis is presented in Fig.1, where the relation between the different topics studied can be seen. The main topics, Biometrics and Hardware/Software Co-design have been studied, where several aspects of them have been described, such as the different Biometric modalities, where we have focussed on Iris Biometrics and the security related to these systems. Hardware/Software Co-design has been studied by presenting different design alternatives and by identifying the most suitable configuration for ID Tokens. All the data obtained from this analysis has allowed us to offer two main proposals: The first focuses on the development of a fast search engine device, and the second combines all the factors related to both sciences with regards ID tokens, where different aspects have been combined in its Hardware/Software Design. Both approaches have been implemented to show the feasibility of our proposal. Finally, as a result of the investigation performed and presented in this thesis, further work and conclusions can be presented as a consequence of the work developed.-----------------------------------------------------------------------------------------
Actualmente la identificaciĂłn usuarios para el acceso a recintos o servicios está cobrando importancia no sĂłlo para poder permitir el acceso, sino además para asignar los correspondientes privilegios segĂşn el usuario del que se trate. La BiometrĂa es una tecnologĂa emergente que además de realizar estas funciones de identificaciĂłn, aporta mayores niveles de seguridad que otros mĂ©todos empleados, además de resultar más cĂłmodo para el usuario. La mayorĂa de los sistemas biomĂ©tricos están basados en ordenadores personales o servidores, sin embargo, la MicroelectrĂłnica puede aportar soluciones adecuadas para estos sistemas, con un menor coste y complejidad. La MicroelectrĂłnica es un campo de la ElectrĂłnica, que como su nombre sugiere, se basa en el estudio, desarrollo y/o fabricaciĂłn de componentes electrĂłnicos, tambiĂ©n denominados circuitos integrados. Hemos centrado nuestra investigaciĂłn en un campo especĂfico de la MicroelectrĂłnica llamado co-diseño hardware/software. Esta tĂ©cnica se emplea en el desarrollo de dispositivos especĂficos que requieren un alto gasto computacional. Se basa en la divisiĂłn de tareas a realizar entre hardware y software, consiguiendo dispositivos más rápidos que aquellos Ăşnicamente basados en una de las dos plataformas, y más pequeños que aquellos que se basan Ăşnicamente en hardware. Las cuestiones sobre como podemos crear soluciones aplicables a la BiometrĂa son las que intentan ser cubiertas en esta tesis. En esta tesis, hemos propuesto dos importantes contribuciones: una para aquellos sistemas de verificaciĂłn que se apoyan en dispositivos de identificaciĂłn y una segunda que propone el desarrollo de un sistema de bĂşsqueda masiva. La primera aportaciĂłn es la metodologĂa para el desarrollo de un sistema distribuido basado en dispositivos de identificaciĂłn. En nuestra propuesta, el sistema de identificaciĂłn está formado por un proveedor central de servicios, terminales y dichos dispositivos. Los terminales propuestos Ăşnicamente tienen la funciĂłn de adquirir la muestra necesaria para la identificaciĂłn, ya que son los propios dispositivos quienes realizan este proceso. Los dispositivos se apoyan en una arquitectura basada en codiseño hardware/software, donde los procesos biomĂ©tricos se realizan en una de las dos plataformas, independientemente de la modalidad biomĂ©trica que se trate. El reparto de tareas se realiza de tal manera que el diseñador pueda elegir que parámetros le interesa más enfatizar, y por tanto se puedan obtener distintas arquitecturas segĂşn se quiera optimizar el tiempo de procesado, el área o consumo, minimizar los errores de identificaciĂłn o incluso aumentar la seguridad del sistema por medio de la implementaciĂłn en hardware de aquellos mĂłdulos que sean más susceptibles a ser atacados por intrusos. Para demostrar esta propuesta, hemos implementado uno de estos dispositivos basándonos en un algoritmo de reconocimiento por iris. Hemos desarrollado todos los mĂłdulos de dicho algoritmo tanto en hardware como en software, para posteriormente realizar combinaciones de ellos, en busca de arquitecturas que cumplan ciertos requisitos. Hemos estudiado igualmente distintas alternativas para la solucionar el problema propuesto, basándonos en algoritmos genĂ©ticos, enfriamiento simulado y bĂşsqueda tabĂş. Con los datos obtenidos del estudio previo y los procedentes de los mĂłdulos implementados, hemos obtenido una arquitectura que minimiza el tiempo de ejecuciĂłn en un 30%, otra que reduce el área y el consumo del dispositivo, dos arquitecturas distintas que evitan la pĂ©rdida de precisiĂłn y por tanto minimizan los errores en la identificaciĂłn: una que busca reducir el área al máximo posible y otra que pretende que el tiempo de procesado sea mĂnimo; dos arquitecturas que buscan aumentar la seguridad, minimizando ya sea el tiempo o el área y por Ăşltimo, una arquitectura donde todos los factores antes nombrados son considerados por igual. La segunda contribuciĂłn de la tesis se refiere al desarrollo de un motor de bĂşsqueda para identificaciĂłn masiva. La premisa seguida en esta propuesta es la de minimizar el tiempo lo más posible para que los usuarios no deban esperar mucho tiempo para ser identificados. Para ello hemos propuesto dos alternativas: una arquitectura clásica donde las memorias están conectadas a un microprocesador central, el cual a su vez se comunica con un coprocesador que realiza las funciones de comparaciĂłn. Una segunda alternativa, donde las memorias se conectan directamente a dicho co-procesador, evitándose el uso del microprocesador en el proceso de comparaciĂłn. Ambas propuestas son comparadas y analizadas, mostrando la importancia de una correcta y apropiada conexiĂłn de los distintos elementos que forman un sistema. La Fig. 2 muestra los distintos temas tratados en esta tesis, señalando la relaciĂłn existente entre ellos. Los principales temas estudiados son la BiometrĂa y el co-diseño hardware/software, describiendo distintos aspectos de ellos, como las diferentes modalidades biomĂ©tricas, centrándonos en la BiometrĂa por iris o la seguridad relativa a estos sistemas. En el caso del co-diseño hardware/software se presenta un estado de la tĂ©cnica donde se comentan diversas alternativas para el desarrollo de sistemas empotrados, el trabajo propuesto por otros autores en el ¶ambito del co-diseño y por Ăşltimo quĂ© caracterĂsticas deben cumplir los dispositivos de identificaciĂłn como sistemas empotrados. Con toda esta informaciĂłn pasamos al desarrollo de las propuestas antes descritas y los desarrollos realizados. Finalmente, conclusiones y trabajo futuro son propuestos a raĂz de la investigaciĂłn realizada.
Actualmente la identificaciĂłn usuarios para el acceso a recintos o servicios está cobrando importancia no sĂłlo para poder permitir el acceso, sino además para asignar los correspondientes privilegios segĂşn el usuario del que se trate. La BiometrĂa es una tecnologĂa emergente que además de realizar estas funciones de identificaciĂłn, aporta mayores niveles de seguridad que otros mĂ©todos empleados, además de resultar más cĂłmodo para el usuario. La mayorĂa de los sistemas biomĂ©tricos están basados en ordenadores personales o servidores, sin embargo, la MicroelectrĂłnica puede aportar soluciones adecuadas para estos sistemas, con un menor coste y complejidad. La MicroelectrĂłnica es un campo de la ElectrĂłnica, que como su nombre sugiere, se basa en el estudio, desarrollo y/o fabricaciĂłn de componentes electrĂłnicos, tambiĂ©n denominados circuitos integrados. Hemos centrado nuestra investigaciĂłn en un campo especĂfico de la MicroelectrĂłnica llamado co-diseño hardware/software. Esta tĂ©cnica se emplea en el desarrollo de dispositivos especĂficos que requieren un alto gasto computacional. Se basa en la divisiĂłn de tareas a realizar entre hardware y software, consiguiendo dispositivos más rápidos que aquellos Ăşnicamente basados en una de las dos plataformas, y más pequeños que aquellos que se basan Ăşnicamente en hardware. Las cuestiones sobre como podemos crear soluciones aplicables a la BiometrĂa son las que intentan ser cubiertas en esta tesis. En esta tesis, hemos propuesto dos importantes contribuciones: una para aquellos sistemas de verificaciĂłn que se apoyan en dispositivos de identificaciĂłn y una segunda que propone el desarrollo de un sistema de bĂşsqueda masiva. La primera aportaciĂłn es la metodologĂa para el desarrollo de un sistema distribuido basado en dispositivos de identificaciĂłn. En nuestra propuesta, el sistema de identificaciĂłn está formado por un proveedor central de servicios, terminales y dichos dispositivos. Los terminales propuestos Ăşnicamente tienen la funciĂłn de adquirir la muestra necesaria para la identificaciĂłn, ya que son los propios dispositivos quienes realizan este proceso. Los dispositivos se apoyan en una arquitectura basada en codiseño hardware/software, donde los procesos biomĂ©tricos se realizan en una de las dos plataformas, independientemente de la modalidad biomĂ©trica que se trate. El reparto de tareas se realiza de tal manera que el diseñador pueda elegir que parámetros le interesa más enfatizar, y por tanto se puedan obtener distintas arquitecturas segĂşn se quiera optimizar el tiempo de procesado, el área o consumo, minimizar los errores de identificaciĂłn o incluso aumentar la seguridad del sistema por medio de la implementaciĂłn en hardware de aquellos mĂłdulos que sean más susceptibles a ser atacados por intrusos. Para demostrar esta propuesta, hemos implementado uno de estos dispositivos basándonos en un algoritmo de reconocimiento por iris. Hemos desarrollado todos los mĂłdulos de dicho algoritmo tanto en hardware como en software, para posteriormente realizar combinaciones de ellos, en busca de arquitecturas que cumplan ciertos requisitos. Hemos estudiado igualmente distintas alternativas para la solucionar el problema propuesto, basándonos en algoritmos genĂ©ticos, enfriamiento simulado y bĂşsqueda tabĂş. Con los datos obtenidos del estudio previo y los procedentes de los mĂłdulos implementados, hemos obtenido una arquitectura que minimiza el tiempo de ejecuciĂłn en un 30%, otra que reduce el área y el consumo del dispositivo, dos arquitecturas distintas que evitan la pĂ©rdida de precisiĂłn y por tanto minimizan los errores en la identificaciĂłn: una que busca reducir el área al máximo posible y otra que pretende que el tiempo de procesado sea mĂnimo; dos arquitecturas que buscan aumentar la seguridad, minimizando ya sea el tiempo o el área y por Ăşltimo, una arquitectura donde todos los factores antes nombrados son considerados por igual. La segunda contribuciĂłn de la tesis se refiere al desarrollo de un motor de bĂşsqueda para identificaciĂłn masiva. La premisa seguida en esta propuesta es la de minimizar el tiempo lo más posible para que los usuarios no deban esperar mucho tiempo para ser identificados. Para ello hemos propuesto dos alternativas: una arquitectura clásica donde las memorias están conectadas a un microprocesador central, el cual a su vez se comunica con un coprocesador que realiza las funciones de comparaciĂłn. Una segunda alternativa, donde las memorias se conectan directamente a dicho co-procesador, evitándose el uso del microprocesador en el proceso de comparaciĂłn. Ambas propuestas son comparadas y analizadas, mostrando la importancia de una correcta y apropiada conexiĂłn de los distintos elementos que forman un sistema. La Fig. 2 muestra los distintos temas tratados en esta tesis, señalando la relaciĂłn existente entre ellos. Los principales temas estudiados son la BiometrĂa y el co-diseño hardware/software, describiendo distintos aspectos de ellos, como las diferentes modalidades biomĂ©tricas, centrándonos en la BiometrĂa por iris o la seguridad relativa a estos sistemas. En el caso del co-diseño hardware/software se presenta un estado de la tĂ©cnica donde se comentan diversas alternativas para el desarrollo de sistemas empotrados, el trabajo propuesto por otros autores en el ¶ambito del co-diseño y por Ăşltimo quĂ© caracterĂsticas deben cumplir los dispositivos de identificaciĂłn como sistemas empotrados. Con toda esta informaciĂłn pasamos al desarrollo de las propuestas antes descritas y los desarrollos realizados. Finalmente, conclusiones y trabajo futuro son propuestos a raĂz de la investigaciĂłn realizada.
Description
Keywords
BiometrĂa, Iris, MicroelectrĂłnica, Biometrics, Microelectronics