Будущее рядом: омичка-техноптимист занимается биометрическими технологиями, приручает нейронные сети и искусственный интеллект

Мы продолжаем рассказывать про учёных, исследователей, изобретателей в рамках рубрики «Будущее рядом». Напомним, что в прошлый раз мы беседовали с Антоном Бубенчиковым об альтернативной энергетике. А сегодня нашей гостьей стала одна из разработчиков уникальной технологии дистанционной идентификации личности и оценки её функционального состояния по термограммам лица и шеи с использованием аппарата искусственных нейронных сетей. 

Что это за технология? Если коротко, то с её помощью (не без нейронных сетей, конечно) можно преобразовать тепло, исходящее от лица и шеи человека в уникальный ключ, а также получить данные о его состоянии. Такой ключ в дальнейшем может использоваться как для аутентификации, так и для дешифрования контента и определения лица, подписывающего документ, то есть генерации электронной подписи – электронного аналога рукописной. Подробнее о том, что это за технология и не только мы поговорили с аспиранткой и ассистенткой кафедры «Комплексная защита информации» Омского государственного технического университета Самалой Жумажановой.

Самал, расскажите почему Вас заинтересовала именно эта тема?

Наукой, в частности биометрическими технологиями, я занимаюсь более семи лет. Интерес к данной области зародился еще в СибАДИ на кафедре «Информационная безопасность» в рамках научно-исследовательских работ студентов под руководством Бориса Епифанцева. В аспирантуре ОмГТУ я продолжила исследования вместе с Павлом Ложниковым, затем с Алексеем Сулавко, моим научным руководителем. Наука позволяет взглянуть на привычные нам вещи с другой стороны, доступной не каждому человеку, в этом её изюминка. Отсюда и желание в ней работать и развиваться.

«Биометрия сразу привлекла мой интерес, к тому же она напрямую связана с информационной безопасностью, которую я изучала будучи студенткой. При большем исследовании данной области, оказалось, что в существующих разработках, методах и алгоритмах имеются недостатки, которые не позволяют на 100% довериться таким технологиям. В нашей научной группе более 15 лет исследуются различные биометрические (физиологические и поведенческие) образы и методы их обработки и принятия решений о принадлежности образа определенному классу»

А как именно это работает? 

Разработка позволяет решить актуальные на сегодняшний день проблемы: распознавание личности человека (аутентификация) и его психофизиологического состояния. Первая проблема связана с отчуждаемостью ключей и паролей (аутентификаторов) от их владельцев – ситуации, при которой аутентификатор может быть утерян, украден, передан третьему лицу (скомпрометирован), а вторая – с допуском человека в измененном/опасном психофизиологическом состоянии к выполнению своих профессиональных обязанностей. Обе проблемы решаются с использованием специализированных технологий, в которых для распознавания человека используются биометрические признаки. Биометрический признак – это физическая величина, извлекаемая из биометрического образа, которая характеризует человека и/или его состояние.

В качестве биометрического образа могут выступать следующие показатели: электрокардиограмма, электроэнцефалограмма, температура кожи и др. Чтобы преодолеть ограничения, связанные с использованием контактных датчиков для регистрации показателей, в последнее время используются тепловизионные системы (тепловизоры), предоставляющие информацию о температуре тела человека. Термографические изображения (термограммы) являются особым видом биометрических образов, позволяющих решить проблему как аутентификации человека, так и идентификации его состояния.

Примерно так выглядит общая схема работы системы без глубокой детализации

 

А какова область применения технологии и польза?

Разработку можно применить в подсистемах оценки текущего психофизиологического состояния субъектов-операторов, управляющих энергетическими установками, в автоматизированной системе управления технологическим процессом, транспортными средствами и иными сложными системами и объектами, а в ряде случаев она будет полезна пациентам, для которых использование контактных датчиков невозможно (при ожогах, открытых ранах и др.).

Кроме того, повсеместный переход к информационному обществу сопровождается обострением проблем информационной безопасности. Идет глобальная цифровая трансформация. В этих условиях требуется, чтобы цифровой образ личности был защищен, а именно, чтобы:

- можно было убедиться, что этот образ соответствует образу реальной личности;

- персональные данные личности, привязанные к ней, не компрометировались;

- аутентификаторы (в первую очередь – ключи) были неотлучаемы от личности владельца.

Криптография может дать надежную защиту, только если пароль выбран правильно (случайный длинный пароль) и если он не был скомпрометирован. Решить проблему запоминания пароля и отчуждения его от человека способна только биометрия. Также в связи с распространением коронавирусной инфекции COVID-19 общество находится в поиске способов использования имеющихся решений для их интеграции в системы массового скрининга субъектов. ИК-визуализация (использование тепловизионных систем для диагностики объектов) является альтернативным инструментом в борьбе с распространением пандемии.

Существуют ли аналоги технологии, на которые Вы ориентируетесь или с которыми планируете конкурировать? 

Аналоги существующей разработки имеются как в России, так и за рубежом, однако имеются некоторые отличия. Они состоят в том, что в нашей системе распознаются семь состояний человека, вызванные различными раздражителями (то есть это группа не только аффективных или стрессовых состояний, или степени алкогольного опьянения, как у большинства известных систем). Мы выделили эти состояния с учетом их негативного влияния (кроме состояния «норма») на выполнение субъектом своих профессиональных задач: это состояние ментального стресса, сонливости, физической усталости и три степени алкогольного опьянения. Также мы повышаем вероятность верного распознавания состояний и понижаем вероятность ошибок. На данный момент система оснащается механизмом распознавания субъектов. Это еще одна отличительная особенность настоящей разработки. 

В настоящей разработке применяются тепловизионные системы. Они позволяют преодолеть ограничения, связанные с использованием контактных датчиков для регистрации физиологических показателей (температуры тела). Термографические изображения (термограммы) являются особым видом биометрических образов, позволяющих решить проблему как аутентификации человека, так и идентификации его состояния.

«На эти 26 областей мы изначально делили термограмму, чтобы извлечь признаки «вручную», а затем уже к перешли нейронам»

Насколько дорогостоящая разработка?

Предлагаемая система представляет собой программно-аппаратный комплекс, в который входит тепловизор и программное обеспечение, состоящее из модулей, каждый из которых реализует определенную функцию. Мы только находимся на начальном этапе монетизации результатов проекта – тем не менее за плечами огромный научный задел. На данный момент мы оцениваем сегменты рынка, в которых могли бы быстро и без дополнительной поддержки внедрить наши разработки, так что привести точные цифры сегодня не смогу. Однако, для заинтересованных лиц и предприятий мы готовы рассчитать стоимость внедрения предлагаемой системы.

Скажите, а удалось ли уже апробировать и внедрить разработку?

Данная разработка готовится как минимально жизнеспособный продукт, который еще не внедрен, но уже тестируется на нескольких предприятиях Омска, одним из которых является Научно-технический центр «КАСИБ». Разрабатываемый продукт является уникальным и имеет ряд преимуществ перед существующими аналогами. Во-первых, тепловидение позволяет получать информацию о состоянии человека неинвазивным способом, без воздействия на его функциональные задачи. Во-вторых, здесь применяются методы и алгоритмы автоматического извлечения признаков на базе сверточных нейронных сетей, достигающих более высокой скорости распознавания по сравнению с признаками, извлеченными «вручную». В-третьих, данная разработка даст возможность производить и аутентификацию человека, и идентификацию его текущего состояния без необходимости хранить ключи и пароли.

«Настоящий продукт пока позволяет распознавать только психофизиологическое состояние человека по термографическим изображениям. Функции идентификации личности находятся на стадии разработки»

Разработки уже частично реализуются и являются дочерними в проекте «Конструктор искусственного интеллекта – AIConstructor (AIC)», предназначенном для поддержки научных исследований в области машинного обучения и создания систем искусственного интеллекта. При успешном выполнении проекта значительно возрастет точность распознавания психофизиологического состояния и идентификации субъектов, а также защита их аутентификаторов от компрометации.

А как оказались в команде проекта «AIConstructor» и чем именно там занимаетесь?

Настоящая разработка является дочерней в более масштабном проекте «Конструктор искусственного интеллекта – AIConstructor (AIC)», предназначенном для поддержки научных исследований в области машинного обучения и создания систем искусственного интеллекта, независимо от предметной области. От себя добавлю, что истоки проекта исходят из научной школы Епифанцева Бориса Николаевича, доктора технических наук, профессора, ведущего ученого Омска, с которым я познакомилась в рамках научно-исследовательской работы будучи студенткой кафедры «Информационная безопасность» СибАДИ. Его идеи послужили фундаментом нашей научной школы и получили развитие в работах его последователей. 

Свои исследования я продолжила под руководством учеников Бориса Николаевича - Павла Сергеевича Ложникова и Алексея Евгеньевича Сулавко, которые совместно с коллективом из молодых исследователей (студентов, магистрантов, аспирантов) сегодня представляют ядро научной школы. На базе ОмГТУ ведется активная научная деятельность при сотрудничестве с ведущими учеными из Уфы и Пензы. 

Сейчас наш научный коллектив в рамках проекта AIC ведет исследования по распознаванию субъектов и идентификации их состояния на базе различных биометрических признаков (ЭЭГ, термограммы лица, клавиатурный и рукописный почерк и др.). В качестве инструмента извлечения признаков и классификации образов мы применяем искусственные нейронные сети и исследуем алгоритмы их устойчивого и быстрого обучения на малых выборках. Это позволит значительно сократить вычислительные ресурсы для работы системы, в то же время снизить ошибки распознавания. Также мы применяем этот инструмент для создания искусственного интеллекта в защищенном исполнении. Это означает, что любому неавторизованному лицу не будет доступна информация, принадлежащая только легальному пользователю, т.е. исключается возможность компрометации (потери, кражи, передачи третьему лицу) биометрического образа авторизованного пользователя.

 

Основные участники проекта от команды «AIConstructor»

 

Расскажите чуть подробнее про Стипендию Президента РФ которую Вы получили: как решили принять участие и как проходил конкурс?

Стипендия Президента РФ является финансовой поддержкой молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики. Заявку на получение стипендии я подавала осенью 2020 года, и уже в декабре 2020 года узнала о том, что стала одной из победителей по направлению «Стратегические информационные технологии, включая вопросы создания суперкомпьютеров и разработки программного обеспечения». Победителями по остальным направлениям стали еще 7 сотрудников ОмГТУ. О конкурсе на получение данной финансовой поддержки я узнала от коллег по кафедре, на которой я сейчас работаю в должности ассистента. Размер стипендии, которая выплачивается ежемесячно, составляет 22 800 руб. Для участия в данном конкурсе необходимо отправить заявку, в которой указывается актуальность заявленной темы и план работ на ближайшие три года. Для победы очень важен научный задел соискателя стипендии: количество публикаций, журналы и конференции, на которых были представлены результаты его научной деятельности, руководство и участие в научных проектах. Это является гарантией того, что с поставленными целью и задачами соискатель стипендии справится в случае выигрыша. 

«Победа в данном конкурсе была одновременно неожиданной и очень приятной, так как еще раз подтверждает, что мы занимаемся решением актуальных для общества задач. Это вдохновляет на совершение новых открытий в исследуемой области»

Вокруг много разговоров про нейросети, и большие данные. Кто-то относится ко всему этому с недоверием. Какова Ваша позиция на этот счёт и почему?

Учёные-исследователи отличаются своим открытым позитивным взглядом на мир, огромным желанием исследовать и создавать что-то новое. Конечно, критика, в том числе от коллег-специалистов, тоже присутствует, но она только увеличивает тягу к исследованиям. 

Я считаю, что отношение человека ко всеобщей цифровизации и таким новым явлениям как нейросети, криптография, большие данные, криптовалюта, биткоин и т.д. не зависят от их природы и свойств, а от отношения человека к жизни в целом и ко всему новому, что происходит вокруг него. Технооптимизм свойственен людям, которые оптимистично относятся к любым другим явления в любой другой сфере их жизнедеятельности. Такие люди обычно очень гибки в освоении чего-то нового, любят изучать, а не бояться. Когда-то использование банковских карт и онлайн-переводов казалось чем-то диким и ненадежным, однако общество привыкло к этому инструменту и это ускорило проведение множества операций. Конечно, кража средств с банковских счетов является актуальной угрозой, механизмы для нейтрализации которой, успешно совершенствуются специалистами в сфере кибербезопасности, однако, в эру использования банкнот краж было не меньше. Я все-таки призываю общество позитивно относиться к нововведениям, так как в нашей стране имеются хорошие научно-технические школы по подготовке кадров в сфере защиты информации, которые очень часто становятся победителями международных соревнований по кибербезопасности. ОмГТУ также имеет такую школу, наша кафедра воспитала студентов-победителей всероссийских конкурсов по информационной безопасности. 

К инструментам, которые появляются в рамках всеобщей цифровизации, все же стоит относиться с осторожностью. Это своего рода оружие, с которым нужно уметь обращаться, как например с АЭС, которые генерируют электроэнергию – блага для общества, но в случае неправильной эксплуатации может привести к катастрофе регионального масштаба. Особенно это стоит учитывать при воспитании подрастающего поколения, которое осваивает «гаджеты» раньше, чем произнесет слово «мама». Не стоит заменять живое общение общением через социальные сети. Недостаток прямой «живой» коммуникации был особенно заметным в период пандемии: несмотря на многие запреты, люди все же стремились видеться на улицах, гулять вдоль набережной и т.д. К тому же не стоит ставить эти два вида общения на один уровень – это как сравнивать мокрое и холодное. 

«Мое отношение в целом к новым проявлениям, связанным с цифровизацией – положительное, не только как ученого-исследователя, но, как и рядового пользователя. Это новые темы для изучения и совершенствования»

Самал, а какие у Вас планы на будущее? В первую очередь исследовательские. Планируете ли оставаться в Омске?

Мои исследовательские планы на ближайшее будущее в первую очередь связаны с защитой кандидатской диссертации, которую я пишу под руководством кандидата технических наук, доцента кафедры «Комплексная защита информации»  Алексея Евгеньевича Сулавко, который оказывает огромную помощь в моей научной деятельности. Также с учетом того, что я стала стипендиатом – буду выполнять работы в рамках заявленного проекта и совершенствовать свою разработку, излагать основные результаты в российских и зарубежных журналах, а также на международных и всероссийских конференциях. Ещё одна важная цель – перевести свои исследования в более практическое русло и выдать результаты в массы в виде готового продукта. 

Пока планирую оставаться в Омске в ОмГТУ, так как данный ВУЗ имеет хорошую научно-техническую и организационную базу для воплощения своих идей и не только в сфере, в которой я провожу исследования. 

«Конечно, в будущем хотела бы создать свою семью, вместе с супругом передать свои знания детям и продолжать изучать этот дивный новый мир»

О важном

Также нам хотелось бы напомнить, что у Трамплина есть донаты. И если вы хотите поддержать наше медиа, сделайте разовое или регулярное пожертвование на любую сумму. Подробности ниже