Brevet FR3041423A1 — publié le 20170324

Procédé d'extraction de caractéristiques morphologiques d'un échantillon de matériel biologique La présente invention concerne un procédé d'extraction de caractéristiques morphologiques de matériels biologiques, en particulier des empreintes digitales, notamment internes ou externes, utilisant des signaux délivrés par des dispositifs d'acquisition par tomographie optique cohérente, notamment pour la biométrie. La technique d'imagerie tomographique optique cohérente (OCT) est une technique d'imagerie optique sans contact puissante qui est actuellement couramment utilisée dans le secteur médical. Elle commence à être utilisée pour des applications grand public, notamment pour des applications biométriques. Les problématiques propres à ce type d'applications s'avèrent actuellement différentes et étroitement liées à l'étude de propriétés de surfaces délimitées à partir d'informations natives tridimensionnelles. Dans l'étude de la morphologie des différentes couches de matériels biologiques situés sous la peau, comme représenté à la figure 1, les méthodes connues exploitent seulement les informations d'intensité, notamment pour la segmentation d'images en intensité afin de délimiter des surfaces séparant deux matériels biologiques distincts. Cette segmentation est délicate, l'intensité du signal délivré par le capteur OCT étant étroitement dépendante des tissus situés au-dessus du tissu d'intérêt. Cela crée une variabilité dans la segmentation des images utilisées qui nuit à l'extraction de la surface recherchée. Dans le domaine de la biométrie, les images de l'empreinte digitale interne située sous la peau, à l'interface « épiderme / derme » obtenue après segmentation présentent des zones non exploitables avec ce type de capture et ne permettent donc pas toujours une identification des personnes aisée et fiable. Pourtant, les empreintes internes sont mieux préservées que les empreintes externes, ne subissant pas les mêmes altérations de leur propriétés de surface que ces dernières, comme des cicatrices, des tâches, par exemple de l'encre ou de la saleté, ou encore la variation de l'humidité surfacique du doigt, notamment due à la transpiration ou aux conditions d'humidité ambiante. L'empreinte digitale interne est donc une information biométrique très pertinente car plus stable au cours du temps et moins tributaire des variations environnementales. Elle peut par ailleurs permettre l'authentification d'une personne dont l'empreinte digitale externe est abîmée. L'empreinte digitale interne peut également permettre de détecter une tentative de fraude d'identité. En effet, une méthode de fraude connue, difficile à détecter par les capteurs biométriques connus, consiste à déposer sur le doigt de l'usurpateur une surcouche où est inscrite en relief une empreinte digitale d'une autre personne. Cette surcouche est difficile à 3041423 2 détecter, notamment car sous celle-ci se trouve un doigt réel avec du sang oxygéné, et la température de la surcouche est proche de celle de la surface d'un doigt réel. La figure 1 représente une image typique obtenue d'un doigt par tomographie optique cohérente, comme représenté à la figure 3(a). La sonde du capteur OCT est déplacée à 5 l'aide de deux miroirs galvanométriques suivant les axes X et Y, comme visible à la figure 3(a). Pour chaque position de la sonde, une mesure obtenue par interférométrie est enregistrée, comme décrit dans l'article de A. F. Fercher et al. « Optical Coherence Tomography - Principles and Applications », publié dans « Reports on progress in physics », 2003, n°66, pages 239-303. Cela consiste en une mesure de l'intensité rétrodiffusée en 10 fonction du temps de vol, c'est-à-dire le temps que met la lumière à traverser les différentes couches de l'échantillon examiné. La distance de propagation à partir de la sonde peut être trouvée en multipliant le temps de vol par la vitesse de la lumière. Un profil de réflectivité de la lumière en profondeur est alors obtenu, appelé « A-scan » et représenté à la figure 3(b). Un exemple de profil « A-scan » en intensité, issu d'un doigt enregistré par OCT, 15 est représenté en figure 4. Le signal d'intérêt correspondant au signal provenant de la partie superficielle externe du doigt est compris entre le premier pic numéroté 1 et le troisième pic numéroté 3. Avant le premier pic numéroté 1, seul le bruit de fond est visible. Le pic numéroté 1 correspond à l'interface air/peau, c'est-à-dire à l'empreinte digitale externe. Il s'agit de l'interface où le saut d'indice optique est le plus grand, dû à l'inhomogénéité des 20 deux milieux, induisant l'amplitude plus élevée du pic. En cas de tentative de fraude, le pic numéroté 1 correspond à l'interface air/surcouche. Après ce pic, l'intensité du signal décroit globalement. Cette décroissance est due aux phénomènes d'absorption et de diffusion au fur et à mesure de la pénétration de la lumière dans le tissu ou la surcouche, et donc au cours de sa pénétration dans les différentes couches de la peau ou la surcouche. La détection de la 25 position du pic d'intensité maximale permet de localiser l'interface air/peau ou air/surcouche. En récupérant la position du maximum de chaque profil « A-scan » du volume tomographique, correspondant au temps de vol de la lumière entre la sonde et la surface externe du doigt, on peut construire une surface en trois dimensions, dite surface 3D, associée à l'empreinte digitale externe, comme visible à la figure 1. Le niveau du signal rétrodiffusé en 30 fonction de la position spatiale est représenté sur cette image. Pour former sélectivement l'image de l'empreinte interne et l'isoler du reste du volume, les méthodes connues reposent sur un filtrage spatial sur l'axe Z, permettant d'obtenir un niveau moyen aux alentours d'une certaine profondeur sous la peau, donnant l'information d'intensité rétrodiffusée, c'est-à-dire un niveau moyen de réflectivité, 3041423 3 correspondant notamment au voisinage spatial du deuxième pic principal de chaque profil « A-scan » sur la surface 3D pour l'empreinte interne, correspondant à l'image en intensité, présentée à la figure 2(a). Ces méthodes sont décrites notamment dans l'article de A. Bossen et al. « Internai Fingerprint identification with optical coherence tomography », publié dans 5 « IEEE Photonics technology letters », Vol. 22, No. 7, 2010 et l'article de M. Liu et al. « Biometric mapping of fingertip eccrine glands with optical coherence tomography » publié dans « IEEE photonics technology letters », Vol. 22, No. 22, 2010. La figure 2(b) représente l'image traitée par un système logiciel, appelé « matcher » en anglais, chargé de mettre l'image sous forme de données binaires et de repérer les minuties de l'empreinte, les points 10 caractéristiques de l'empreinte servant à l'identification. Certaines zones où le contraste de l'empreinte est faible apparaissent en blanc. Pour un même doigt, la position de ces zones peut varier en fonction des conditions expérimentales, ou du positionnement du doigt par rapport au capteur. Les performances obtenues à partir de l'image en intensité peuvent présenter des zones difficiles à exploiter en raison de la qualité des images, comme visible à 15 la figure 2(b). Ce contraste d'intensité pour l'empreinte externe est en outre très variable en fonction de l'état de la surface du doigt, s'il est tâché, par de l'encre par exemple, ou humide. Les performances en vérification d'empreintes sont notamment très dégradées dans le cas de doigts humides dans des acquisitions effectuées par des capteurs connus, tels que par exemple 20 les capteurs capacitifs ou optiques en deux dimensions avec contact, ou les capteurs optiques sans contact dits « 2 dimensions 1/2 », comme mentionné dans les articles de R. Cappelli et al. "Performances evaluation of fingerprint verification systems", IEEE transactions on pattern analysis and maching intelligence, vol. 28, No. 1, 2006, et de L.C. Jain et al. "Intelligent biometric techniques in fingerprint and face recognition", chapitre 2, Vol. 10, CRC press, 25 1999. Cette dégradation des performances survient également pour les capteurs biométriques sans contact tel que l'OCT. La figure 5 présente un exemple expérimental d'image OCT représentative de l'empreinte externe extraite de façon traditionnelle avec présence de microgouttelettes en sa surface, simulant le comportement d'un doigt en conditions de forte humidité ou de transpiration. L'image en intensité de cet exemple de doigt humide, présentée 30 à la figure 6, contient des taches blanches, dues entre autre à la présence des gouttelettes qui modifient localement les propriétés optiques du doigt, créant un effet de lentille parasite par exemple. Les lecteurs d'empreintes digitales connus visant à authentifier des personnes s'avèrent ainsi non opérationnels dans des conditions d'humidité élevées, aucune image fiable de l'empreinte d'un doigt mouillé ne pouvant être fournie. 3041423 4 Dans l'approche présentée dans l'article susmentionné de A. Bossen et al., l'acquisition est réalisée par contact du doigt sur une plaque de verre, conduisant à un aplatissement du doigt. L'image de l'empreinte est ensuite obtenue en moyennant les images en-face d'intensité, correspondant aux images dans le plan X-Y suivant les notations de la 5 figure 3, contenues dans une petite partie du volume tomographique contenant l'interface épiderme/derme, là où se situe l'empreinte interne, représentée à la figure 7 par la zone de jonction, ou « junction zone » en anglais. Cette méthode permet d'obtenir une image de textures 2D, notée I(x, y), liée à l'information d'intensité, x et y étant les coordonnées des pixels de l'image. Des méthodes de traitement d'images ont été appliquées à l'image I(x, y) 10 afin d'améliorer son contraste. Dans le cas où le doigt n'est pas aplati lors de l'acquisition, l'image I(x, y) peut être projetée sur la surface 3D de l'empreinte interne, obtenue grâce aux mesures de phase. L'empreinte 3D interne obtenue avec cette méthode est visible à la figure 8. Les performances de cette approche dans le contexte de la biométrie ne sont pas non plus suffisantes en raison de la qualité dégradée des images obtenues. 15 Il existe un besoin pour améliorer la qualité des informations de la morphologie de surface externe ou interne des matériels biologiques provenant de dispositifs d'acquisition par tomographie optique cohérente, afin notamment d'extraire et d'identifier de façon efficace des empreintes digitales internes ainsi que des empreintes digitales externes en conditions difficiles. 20 L'invention vise à satisfaire ce besoin, et elle y parvient grâce à un procédé d'extraction de caractéristiques morphologiques d'un échantillon de matériel biologique, en particulier des empreintes digitales, notamment internes ou externes, utilisant un système d'acquisition par tomographie optique cohérente délivrant un signal représentatif de l'échantillon, 25 procédé dans lequel une image contenant des informations d'intensité et une image contenant des informations de phase sont formées à partir au moins du signal délivré par le système d'acquisition et représentatif de l'échantillon, afin d'extraire des caractéristiques morphologiques de l'échantillon. L'image contenant des informations d'intensité et l'image contenant des 30 informations de phase ne sont pas équivalentes en termes de contenu d'information. Même si leurs qualités sont comparables, les informations qu'elles contiennent sont complémentaires, et permettent de faciliter et d'optimiser l'extraction des caractéristiques morphologiques de l'échantillon à utiliser. 3041423 5 Le procédé selon l'invention peut ainsi être utilisé dans le domaine de la biométrie hautement sécurisée, visant la détection de fraude dans l'identification de personnes, en utilisant notamment l'empreinte digitale interne pour la comparer à l'empreinte externe, ou l'identification biométrique fiable en conditions difficiles, par exemple dans le cas de doigts 5 humides ou sales, ou dans le cas d'une empreinte digitale externe plus ou moins effacée. Dans le cas d'un doigt humide, dans l'image contenant les informations de phase, les maxima d'intensité rétrodiffusée sont toujours localisés au niveau de l'empreinte, et pas au niveau de la couche d'eau ou des gouttelettes. L'image en phase est ainsi de bien meilleure qualité, et peut conduire à une reconstruction convenable de la structure 3D de l'empreinte, 10 assurant des performances plus robustes en identification biométrique que celle obtenues à partir des images en intensité, telles qu'obtenues par les capteurs biométriques connus. Exploiter les informations de phase, correspondant au temps de vol de la lumière, permet de compenser la variabilité de l'intensité de diffusion de la lumière en jeu dans les propriétés de l'image, et notamment le fait qu'elles sont sensibles à l'angle d'incidence du 15 faisceau lumineux avec la normale de la surface de l'échantillon à étudier. Image en phase Le deuxième pic de l'intensité d'un profil « A-scan », numéroté 2 à la figure 4, est attribué à l'empreinte digitale interne, ou à l'interface surcouche/doigt dans le cas d'une 20 fraude. Il reflète les fortes inhomogénéités de la peau au niveau du derme papillaire, une couche de la peau située entre le derme et l'épiderme, correspondant à un changement d'organisation cellulaire, visible à la figure 7. Ainsi, de la même manière que précédemment décrit, il est avantageux de reconstruire une représentation 3D de l'empreinte interne en récupérant la position du deuxième pic de plus grande réflectivité pour chaque profil «A- 25 scan» du volume tomographique. Un profil de réflectivité de la lumière en profondeur étant établi à partir du signal représentatif de l'échantillon délivré par le système d'acquisition, ce profil de réflectivité présentant plusieurs pics de réflectivité maximale, on peut déterminer, afin de former l'image contenant des informations de phase, la position d'un pic de réflectivité maximale dudit profil 30 de réflectivité, choisi selon le type de données à extraire. Le pic d'intérêt pour l'empreinte externe correspond de préférence au premier pic de réflectivité maximale du profil de réflectivité, et le pic d'intérêt pour l'empreinte interne correspond de préférence au deuxième pic. 3041423 6 Une fois la position du pic d'intérêt déterminée, un filtrage spatial du signal peut être effectué, notamment un filtrage passe-bande de l'interférogramme dans le domaine spatial, consistant au moins à retenir le signal interférométrique contenu dans une fenêtre centrée sur le pic d'intérêt et de largeur prédéfinie, notamment de l'ordre de grandeur de la 5 résolution axiale du système d'acquisition OCT. Une transformation est alors avantageusement appliquée à ce signal afin d'obtenir des informations spectrales, notamment des informations spectrales en intensité et en phase concernant la diffusion enregistrée à l'interface air/doigt dans le cas d'une empreinte digitale externe ou à l'interface épiderme/derme dans le cas d'une empreinte digitale interne, la transformation étant 10 notamment une transformée de Hilbert pour obtenir le signal interférométrique complexe suivie d'une transformée de Fourier. Afin d'obtenir les informations de phase recherchées, la pente de la phase est avantageusement calculée par une régression linéaire de la dépendance spectrale de la phase, obtenue à partir des informations spectrales obtenues par transformation du signal spatialement filtré. 15 Dans le cas où l'échantillon est une empreinte digitale, la référence utilisée pour mesurer les informations de phase est de préférence l'enveloppe moyenne de la surface du doigt. Cette enveloppe moyenne correspond à la surface enveloppe du doigt sans les sillons, comme représenté à la figure 9. Une surface 3D peut être codée comme une image topographique S(x, y), où à chaque (x, y) est associé une valeur de profondeur, ou de 20 préférence ici, une valeur de temps de vol ou de phase. L'enveloppe moyenne, appelée Em(x, y), est alors obtenue en appliquant un filtre moyenneur, notamment un filtre passe-bas 2D, sur l'image topographique S(x, y). Les sillons étant de fréquences spatiales plus élevées, ceux-ci sont avantageusement supprimés lors de l'opération de filtrage. Une image de textures 2D P(x, y), dite image en phase, peut être obtenue en 25 faisant la soustraction entre S(x) et Em(x, y) : P(x,y) = S(x,y)- Em(x,y). De cette manière, la référence des mesures de temps de vol ou de phase n'est plus prise au niveau de la sonde du capteur mais au niveau de l'enveloppe moyenne. Par conséquent, l'image résultante représente avantageusement non pas les valeurs de phase (1), mais plutôt leurs variations A(1), ce qui permet d'avoir une image de texture plus contrastée. 30 Le contraste de cette image de texture peut être encore amélioré en appliquant une égalisation d'histogramme adaptative puis un ajustement de contraste utilisant une fonction sigmoïde, dont le milieu est déterminé par la méthode d'Otsu, consistant à considérer que l'image à binariser ne contient que deux classes de pixels, le premier plan et l'arrière-plan, et à 3041423 7 calculer le seuil optimal qui sépare ces deux classes afin que leur variance intra-classe soit minimale. De la même manière que pour l'image I(x, y), l'image de textures P(x, y) peut être projetée sur la surface 3D de l'empreinte interne représentée à la figure 11(a). 5 L'invention permet de détecter les fraudes par utilisation de surcouches, en comparant l'empreinte digitale associée au premier pic de réflectivité maximale à celle associée au deuxième pic. Si ces empreintes sont différentes, il y a fraude. Fusion des images en intensité et en phase 10 Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'image contenant des informations d'intensité et l'image contenant des informations de phase sont fusionnées pour former une seule image. Pour ce faire, la structure de chaque image contenant respectivement des informations d'intensité et des informations de phase est analysée afin d'établir pour chaque 15 image une carte de confiance contenant une valeur de qualité pour chaque pixel, en fonction des pixels voisins. Les cartes de confiance des images se fondent notamment sur la présence d'un bon contraste et sur la qualité locale des sillons présents sur les images, dans le cas d'une empreinte digitale. Chaque pixel de l'image de fusion F entre l'image I contenant des informations 20 d'intensité et l'image P contenant des informations de phase est avantageusement issu d'une combinaison linéaire des valeurs des pixels correspondants des deux images, pondérées par les valeurs de qualité des cartes de confiance : F (x, y) = aI (x, y) X / (x, y) + a p (x, y) X P (x, y), avec par exemple al = ci(xy) y) (x, Norm et ap = Cp (x, y) les coordonnées d'un pixel, Norm 25 Ci(x,y) la valeur de qualité du pixel (x, y) de l'image I, avec 0 (x, Y) F (x, y) = IP (x, y)si CI (x, y) REVENDICATIONS1. Procédé d'extraction de caractéristiques morphologiques d'un échantillon de matériel biologique, en particulier des empreintes digitales, notamment internes ou externes, utilisant un système d'acquisition par tomographie optique cohérente délivrant un signal représentatif de l'échantillon, procédé dans lequel une image contenant des informations d'intensité et une image contenant des informations de phase sont formées à partir au moins du signal délivré par le système d'acquisition et représentatif de l'échantillon, afin d'extraire des caractéristiques morphologiques de l'échantillon. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel l'image contenant des informations d'intensité et l'image contenant des informations de phase sont fusionnées pour former une seule image. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel, un profil de réflectivité de la lumière en profondeur étant établi à partir du signal représentatif de l'échantillon délivré par le système d'acquisition, ce profil de réflectivité présentant plusieurs pics de réflectivité maximale, on détermine, afin de former l'image contenant des informations de phase, la position d'un pic de réflectivité maximale dudit profil de réflectivité, selon le type de données à extraire. 4. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, une fois la position du pic d'intérêt déterminée, un filtrage spatial du signal est effectué, notamment un filtrage passe-bande de l'interférogramme dans le domaine spatial, consistant au moins à retenir le signal interférométrique contenu dans une fenêtre centrée sur le pic d'intérêt et de largeur prédéfinie, notamment de l'ordre de grandeur de la résolution axiale du système d'acquisition. 5. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel une transformation est appliquée au signal spatialement filtré afin d'obtenir des informations spectrales, notamment des informations spectrales en intensité et en phase concernant la diffusion enregistrée à l'interface air/doigt dans le cas d'une empreinte digitale externe ou à l'interface épiderme/derme dans le cas d'une empreinte digitale interne, la transformation étant notamment une transformée de Hilbert pour obtenir le signal interférométrique complexe suivie d'une transformée de Fourier. 3041423 20 6. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel, afin d'obtenir les informations de phase nécessaires à la formation de l'image en phase, la pente de la phase est calculée par une régression linéaire de la dépendance spectrale de la phase, obtenue à partir des informations spectrales obtenues par transformation du signal spatialement 5 filtré. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, dans lequel le pic d'intérêt pour l'empreinte externe correspond au premier pic de réflectivité maximale du profil de réflectivité, et le pic d'intérêt pour l'empreinte interne correspond au deuxième pic. 10 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, dans le cas où l'échantillon est une empreinte digitale, la référence utilisée pour mesurer les informations de phase est l'enveloppe moyenne de la surface du doigt. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel, pour fusionner l'image contenant des informations d'intensité et l'image contenant des 15 informations de phase, la structure de chaque image est analysée afin d'établir pour chaque image une carte de confiance contenant une valeur de qualité pour chaque pixel, en fonction des pixels voisins. 10. Procédé selon la revendication précédente, dans lequel chaque pixel de l'image de fusion entre l'image contenant des informations d'intensité et l'image 20 contenant des informations de phase est issu d'une combinaison linéaire des valeurs des pixels correspondants des deux images, pondérées par les valeurs de qualité des cartes de confiance. 11. Procédé selon la revendication 9, dans lequel l'image de fusion entre l'image contenant des informations d'intensité et l'image contenant des informations de 25 phase est formée en retenant, pour chaque pixel, le pixel de l'image ayant la valeur de qualité la plus élevée. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 9 à 11, dans lequel, dans le cas où l'échantillon est une empreinte digitale, la valeur de qualité d'un pixel est obtenue à partir de cartes de fiabilité des champs d'orientation des sillons de l'empreinte. 30 13. Dispositif d'extraction de caractéristiques morphologiques d'un échantillon de matériel biologique, en particulier des empreintes digitales, notamment 3041423 21 internes ou externes, comprenant un système d'acquisition par tomographie optique cohérente délivrant un signal représentatif de l'échantillon, le dispositif étant configuré pour former, à partir au moins du signal délivré par le système d'acquisition et représentatif de l'échantillon, une image contenant des informations 5 d'intensité et une image contenant des informations de phase, afin d'extraire des caractéristiques morphologiques de l'échantillon. 14. Dispositif selon la revendication précédente, configuré en outre pour fusionner l'image contenant des informations d'intensité et l'image contenant des informations de phase afin de former une seule image. 10 15. Dispositif selon la revendication 13 ou 14, ayant un champ de vue, correspondant à l'étendue spatiale maximale dans le plan X-Y pouvant être enregistrée, étendu, atteignant notamment 2 mm par 2 mm, soit 4 mm2.