TELKOM NIKA , Vol.13, No .2, June 20 15 , pp. 597 ~ 6 0 3   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i2.1171        597     Re cei v ed  No vem ber 2 6 , 2014; Re vi sed  March 28, 20 15; Accepted  April 15, 201 Iris Image Recognition Based on Independent  Component Analysis and Support Vector Machine      Muhammad Fachru rro zi* 1 , Muhammad Mujtahid 2   Dep a rtment of Comp uter Scie nce,  Univ esitas  Sri w i j a y a, In do nesi a   Kampus Indr al a y a, Sumatera  Selata n 30 662  Indon esi a ,   Pho ne: + 62 71 1 58 016 9   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : obetsob e ts@ g mail.c o m 1 ; mujtah id.h akim @gmai l .com 2       A b st r a ct   T he iris  has  very un iq ue te xture an d p a ttern, differe nt for eac h i ndiv i d ual  an d the  pa ttern w i l l   remain sta b le,  maki ng p o ssi ble w hat bi ometric techno lo g y  call iris rec o gniti on. In this  paper, 1 50 ir is  imag es fro m  th e De part m e n of Co mputer S c ienc e, Pa l a ck Univ ersity  i n  Olomouc   iris d a tabas e are us ed   for iris reco gniti on b a sed  on i n dep en dent co mp on ent an al y s is and s u p port  vector machi n e. T here ar e th ree   steps for dev el opi ng this r e se arch n a m ely, i m a ge  prepr oc essin g , feature  extraction  and  recog n itio n. T h e   first step is i m age  pre p roces s ing  in  order to  get the  ir is re gio n  fro m  the  eye i m age. T h e seco nd  is fe atu r e   extraction  by  usin g in de pe n dent co mpo n e n t ana lysis  in   order to  get t he feat ure fro m  th e iris  i m a ge.   Supp ort vector mach in e (SVM) is used for iris classifi cati o n  and rec o g n iti on. In the end  of this experi m ent ,   the i m p l e m e n t meth od w i l l  b e  eva l uat ed b a sed  up on Ge nui ne Acce pta n ce R a te (GAR). Experi m e n t a l   results sh ow  that the r e co gni sed rat e  fro m  t he var i at i on  of traini ng  data  i s  52%  w i th on e dat a trai n, 7 3 %   w i th tw o data  trains an d 90 % three d a ta  trains. F r om  t he exp e ri ment al resu lt, it also show s that this   techni qu e prod uces a go od p e rformanc e.       Ke y w ords : Iri s  Rec ogn itio n, Bio m etric, Ind epe nd ent C o m pon ent A nalys i s , Supp ort Ve ctor Mach ine,   Iris  Processi ng       1. Introduc tion  Huma ns h a ve uniqu e and  distinctive ch ara c teri stics  su ch a s  face,  fingerp r int, voice, iri s   and g e stu r e s ,  with the s chara c te risti c s able to  be u s ed a s  recogni tion or  cla s sifying of hum a n s,  this is  kno w n as bi ometric re co gnition  [1].  The method of ident ification ba se d on bio m etri cha r a c teri stics is preferre over traditi onal pa sswo rds a nd PIN base d  meth ods for va rio u rea s on su ch  as the fa ct t hat the pe rso n  to be  id enti f ied is  requi red to be  phy sically pre s e n t  a t   the time-of-i d entification. I dentificatio n based on  biometri c te ch nique s obvia tes the ne ed  to   remem b e r  a   password o r   carry a  to ken .  A biom et ric  system  is e s sentially  a p a ttern recogniti on  system  whi c h ma ke s a  person a l ide n tification by  determi ning  the auth enti c ity of a spe c ific  physiol ogical  or b ehavio ura l  ch ara c te risti c  p o sse s sed   by the u s e r  [2 ]. Biometric te chn o logie s  are  thus define d  as the "auto m ated metho d s of identif ying or authe nticating the id entity of a living   person b a sed  on a physiol ogical or be h a vioural  cha r acteri stic" [3].  Eyes a r e  one  of the  imp o rt ant hu man  senses.  Stimul ation of  light-sen sitive  re ceptors i n   the eye  (ph o tore cepto r s)  raise s  th e sen s of si g h t [4 ]. As sh own i n  Figu re  1 th e eye  stru ctu r con s i s ts of e y e scle r a, iris, pupil and eyelid. In  biome t ric syste m use d  fo r the identificatio n and   detectio n  in a  case study, the stru ctu r o f  the eye most often used i s  the iri s         Figure 1. Eye anatomy  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 2, June 20 15 :  597 – 60 3   598 The i r is  ha s a  uniqu e p a ttern and  texture  in the  huma n  eye an can not be t r an sfe rre d o r   faked  whi c make s the i r i s  mo re  se cure than oth e biometri systems. The i r is pattern al so  ha a marvello us  and g r eat st ructure an d m u ltiplies the  t e xture to re cogni se pe rso nal identification.  This  pap er i m pleme n ts t he  combi nati on bet wee n  i ndep ende nt  comp one nt a nalysi s  (I CA) as  feature extra c tion an d su p port vecto r  m a chi n e s  ( SVMs) a s  the  cl assificatio n  method to eval uate  the pe rform a nce  of the  G A R. Thi s  pa p e r al so  co nsi s ts  of thre step s: imag e  pre p ro ce ssi n g ,   feature extra c tion by u s in g indep end en t compo nent  analysi s  then  the sup port  vector ma chi ne is  us ed for iris  class i fic a tion and rec o gnition.         2. Rese arch  Metho d   Iris re co gniti on is an a u tomated m e thod of bi ometri c iden tification tha t  uses  mathemati c al  pattern -reco gnition te chni que s on vi d e o  image s of  the iride s   of an individ ual' s   eyes: these, compl e x ran d o m pattern s a r e uniq ue an d  can be  see n  from so me di stan ce [5].    Millions of p eople from several  cou n trie s have  be en en rolled i n  an iri s  re cognition   system s with  a variety of purpo se s, such a s  pa ssport-f r ee a u tomated bo rd er-crossin g, and   some n a tion al ID syste m  base d  on  iris re co gni tion. Therefo r e, t he deve l opment of iris  recognitio n  is a biom etri c tech nolo g y that has t he p o t ential to be  d e velope d. Fig u re  2 sho w s the   stru cture of an iris im a ge reco gnition  system.           Figure 2. The  stru cture of  iris image  re co gnition sy ste m       Based  on Fi gure  2, there are three  main  ste p s f o r this  resea r ch  namely, image prep ro ce ssin g, feature extractio n  and  re cog n ition.       2.1. Image Preproc essin g   Image pro c e ssi ng is a form of treatment or pro c e s sing the   imag e as input an d transfo rmin g it  into anothe r image a s  out put with ce rta i n techniq u e s . Image processing is  con ducte d to fix  the   image si gnal  data errors caused by sig nal acq u isit io n and tran sm issi on, as wel l  as to impro v e   the quality of the appeara n ce of the image to be mo re ea sily interp reted by the huma n  visual   system to pe rform well a n d  also an al ysin g the manipul ation of the image.     In ord e r to  g e t the be st p a rt of the i r is im age, ima g e  processing  is n e cessa r y to se parate t he  image of the  iris from th e  information t hat is  not ne eded. Vari ou s metho d s fo r se parating t he  image  of the  i r is from  the  e y e image  h a ve be en  co ndu cted. In  this study, there  a r e fou r   step s f o image p r ep ro ce ssi ng in order to get the  best iri s  regi on for the be st recog n ition result:   1)  Conve r t to grayscale: co nverting RGB image to  grayscale in orde r to facilitate the next stage 2)  Histo g ra m eq ualisation: a t e ch niqu e for  adju s ting the  image inte nsi t ies to en han ce  cont ra st.   The pu rpo s of this techni que is to prod uce a u n iform  image histo g r am.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Iris Im age Recognition Based on Indepe ndent Com ponent .... (Muham m ad Fachrurrozi)  599 3)  Edge  dete c tion u s in g Pre w itt ope rato r: a di sc reet differentiation   ope rato to  comp ute an   approximatio n of the gradi ent of  the image inten s ity functio n 4)  Conve r t to  Carte s ia n po lar: to get a prope r iris  area. Carte s i an into pola r  coo r din a te  conve r si on is  requi re d.      2.2. Featur e Extrac tion u s ing Indepe ndent  Comp onent  Analy s is (ICA)    Feature extra c tion i s  the  p r oces of extractin g  info rmation o r  im portant fe atures of  an  image. As m entione d abo ve, indepen d ent com pone nt  analysi s  (I CA) is a pplie d as a featu r extraction m e thod. One of the ICA algo rithm w ill be u s ed in this re search, nam el y FastICA.  FastICA is a  popula r  algo rithm for inde pend ent com pone nt analysis  cre a ted b y  Aapo   Hyvärine n, Helsin ki University of Tech n o logy.  The al gorithm i s  ba sed  on a fixe d-poi nt iterati on  scheme  maxi mising  non -Gau ssi an a s  a mea s u r of statistical i ndep ende nce .  It can also  b e   derived a s  an  approxim atively Newto n  iteration.   .Here i s  the  algorith m  of fastICA ba se d Fast an d Rob u st Fixed - Point Algorit hms for  Indepe nde nt Comp one nt Analysi s  [6]:    1)  Cente r ing:  centerin g of the input d a ta  x  i s  don e  by cal c ulati ng the ave r age of ea ch   comp one nt o f  x  then  x  i s   red u ced  b y  the me an.  Thi s  h a s th e effect  of  makin g  e a ch  comp one nt having a ze ro  mean.      (1)     2)  Whiteni ng:  Whiteni ng da ta involves a  linear tra n sf ormatio n  of the data so that the ne comp one nts  are un co rrela t ed and have  varian ce on e.     (2)     In this e quat ion,    is  the centralised o b se rvation si gnal,  z  is o b se rvation  si gnal afte whiteni ng tre a tment,  Λ  an U  a r e ei ge nvalue mat r ix and eig enve c tor m a trix of  x  covar i ance  matrix , re spe c tively. Eigenvalue m a tri x  and  eige n v ector matrix  is  obtain e d   according to  PCA method.   3)  Ran domly ge nerate d  orth o gonal mat r ix  w-w is di re cte d  toward no rmalise d  z.   4) Perform  the  calcul ation    (3)     Where, E {...} is  the average of all c o lumn vec t ors   x  matrix.   5) Perform  n o rm alisatio n:       (4)        6)  If not converg ed, repe at ste p  4.      2.3. Recog n ition using Support Ve ctor Machine   SVM will b e  u s ed  a s  a te ch nique fo r i r is i m age  cla s sification  or re co gnition. Th workin g   prin ciple  of SVM is essentially only able to  h a ndle t w o- cla ss  cla s sif i cat i on [ 7 ] .  Ho w e v e r,   techni que s h a ve been de veloped an d multicla ss  su pport vecto r  machi n e s  are  able to classify   two or more  classes. Therefore,  in this  thesi s  will use the mult iclass SVM as  cl assifiers for the  iris image.   There are two option s  for impleme n ting the mu lticlass SVM by combining several binary   SVM or com b ining all of  the data that  con s ist s   of multiple cla s se s into an  optimal form  of  probl em s. Ho wever, the  seco nd ap pro a ch fo r the o p timisation p r oblem to be  solved i s  mu ch  more  com p licated. He re is a comm on  method u s e d  to implemen t the multicla ss SVM with  the  firs t approac h:  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 2, June 20 15 :  597 – 60 3   600 1)  One-agai nst - all method: By using this m e t hod, SVM model s build  binary k  (k i s  the numbe of  clas se s).   2)  One-agai nst - one metho d : By using this meth o d , build k (k-1) / 2 pieces of bina ry   cla ssifi cation   model  (k i s  t he n u mb er of  cla s se s).  Th ere  are  seve ral meth od s to  pe rform  the  test after the whol e k (k-1)  / 2 classificati on model i s  b u ilt. One is the method of voting   [8] .   The  step s of  the multi-cla s s SVM is  use d  to cl assify iris im ages in  this research are a s   follows 1)  Available da ta denote d  as  whe r e a s  ea ch  lab e l den oted    for  , where  l  is the numb e r of data. Assume d two  cla s ses  -1 a nd +1 can  b e   compl e tely se parate d  by the hyper pla n e  dimensi o n  d ,  which is defi ned:        (5)     2)  If all the training data sati sf y the const r ai nts, then:     (6)      (7)     and the di sta n ce b e twe en  the tw o hyperplane s is exp r esse d as:      (8)     3)  No w, by com b ining (6) a n d  (7) into a si n g le co nstraint , we get:       (9)     In the traini ng pha se, t he main  go al is to find  the SV that maximise s the margi n  of  s e pa r a tion d . The la rg est  margin  coul d be  foun d b y  maximisin g  the valu e of  the di stan ce   betwe en the  hyperpl ane a nd the clo s e s t point, which  is      (10 )     This problem   can  be  solve d  by a  vari ety of  comp utational te ch niqu es, in clu d ing  the L agrang e   Multiplier.           (11)    whe r  is sim u ltaneo usly  minimised wit h  re spe c t to  w  and  b  and  maximise d wi th  respec t to  4)  Finally, the deci s ion b oun dary ca n be d e rived a s  follows:     (12 )     5)  If the data p o ints are not  sepa rabl e by a li near se paratin g hyp e r plan e, a set of slack o r   relaxation va riable s    is intro duced with   such t hat  ( 9 ) b e com e :      (13 )     The sl ack variable s  mea s u r e the deviati on of t he dat a points f r om  the margi nal  hyper pla ne.   The ne w obje c tive function  to be minimised be come s:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Iris Im age Recognition Based on Indepe ndent Com ponent .... (Muham m ad Fachrurrozi)  601  (14 )     whe r C  is t he u s er-d efin ed pe nalty p a ram e ter th a t  penali s e s  a n y violation  of the safety  margi n  for all the training d a ta.  6)  In orde r to ob tain a nonli n e a r de ci sion  b ound ary, we  repla c e th e in ner p r od uct   of (12 )   with a nonli n e a r ke rn el   and  get:     (15 )     There are three types of ke rnel s that can be u s e d  to deal with cases which  are not  linear, it can  use the h e lp  of a wide vari ety  of kernel f unctio n s a s  shown in Tabl e I.      Table 1. Kern el Functio n  for SVM  Kernel   K   Linear   Poly nomial   Radial Basis Function   exp       3. Results a nd Discu ssi on  Before we de scribe the ex perim ents p e r forme d  to ass e s s  our proposed methods ,  firs t,  the data b a s employed  in  the a s se ssme nt is bri e fly in trodu ced  a n d  then  the  act ual exp e rim e nts  with the co rre s po ndin g  re sults are p r e s e n ted.      3.1. Iris Data base   The hum an i r is ima g e s  that are u s e d  in this stud y are not ta ken di re ctly but use   secondary  data that is obtai ned  f r om http://phoenix.inf.upol.cz Dep t. Computer Sci ence, Palacky  University in Olomou c [8]. Iris imag e d a ta is  offline  with si ze 2 0 0  x 200 pixels and RGB (red,  gree n, blue) f o rmat con s ist i ng of 25 peo ple with six p hotos for e a ch individual. The imag es  were  taken at  di e r ent ho urs a n d  days. T he i m age fo rmat  use d  is P N (Portabl e Network  Gra phi cs).  Figure 3 sh o w s o ne exam ple of an eye  image that is  use d  as in put  data.          Figure 3. Sample imag e from iris d a tab a se       3.2. Experimental Setting s   Iris imag es th at are alre ady  input will go  throu gh the im age preproce ssi ng sta ge in  orde r   to se pa rate t he i r is imag from the  eye   image.   T h e   i m age   prep ro ce ssi ng process will pro d u c e a  norm a lised iris image wit h  size 5 80 x 35 pixels . Figure 4 sho w s the result of  the image   prep ro ce ssin g stage. After that, the pixel val ues from norm a lized iris im age  will be use d  to   obtain  th e ch ara c teri stics by  usi ng Fa stICA  algo rith m ,  and th e la st  stage  is iri s  i m age  re co gni tion   by usi ng SV M. The  expe ri ment i s  d one   by usi ng a  va riation on  th e numbe r of  im age of different  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 2, June 20 15 :  597 – 60 3   602 traine rs. The  first test will use on e train i ng data  with  three data tests, the se cond test will  use   two training data with three data tests, and the la st testing will be three training data with three  data tests.            Figure 4. Iris  norm a lized in to polar coo r d i nates.       To evaluate  the algorith m , the performanc e ca n be mea s u r ed  by calcul ating GAR  (Gen uine  Acceptan ce  Rate ). The   GA R stated su ccess rate of  verifi cation of  system with  all t h e   training  data  and test d a ta is u s ed.  The high er value indi cates the hi g her GA R sy stem  verification  su ccess rate. T he eq uation f o r calculat ing  the value of  GAR  can b e   see n  in e quat ion  (16 )     (16 )       3.3. Experimental Result  The  re sult of  these exp e riments  ha s b een  co ndu ct ed u s in g six  iris ima ges  from 2 5   different pe op le, whe r e in  such a n  expe ri ment ha s bee n ca rrie d  out  usin g thre e variation s  o n  the  amount  of tra i ning d a ta to t he te st data.  The first te st  will u s one  trainin g  ima g e  with th ree  te st  image s, the se con d  test will use two trainin g  im age s with thre e test image s, and the final  test   will use a three trai ning i m age with t h ree te st  image s. Figure  5 sho w s th e result of the  experim ent  whe r we o b tained  52% , 73% and  90% gen ui ne a c ceptan ce  rate (GA R r e spec tively.          Figure 5. Experime n tal re sult with GAR  cal c ulatio n        In orde r to co mpare ou r m e thod with  other  exi s ting  method s, sev e ral meth od s listed in  publi s hed p a pers are implemente d  u nder the  sa me method  in feature e x traction o r  the  recognitio n  m e thod. Th ese  method s i n cl ude  Roy [9],  Wan g  [10], M i rda w ati [11],  Muslim  [12] a nd  prop osed I C A. From thi s  data, we o b t ained 9 8 .54 % , 97.25%, 87.50%, 80.0 0 % and  90.0 0 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       Iris Im age Recognition Based on Indepe ndent Com ponent .... (Muham m ad Fachrurrozi)  603 identificatio n su ccess rate s resp ectively. Table  2 sho w s the com pari s on of the pro posed metho d   with som e  m e thod s in iris  recognitio n . These com p a r i s on s indi cate  our alg o rithm  is effective an d   has a n  eme r g i ng perfo rma n ce in iri s  recognition.       Table 2. Meth ods p e rfo r ma nce  comp ari s on in iris  re co gnition   Me t h od s R e c o gn i t io n   R a te   Ro y  [9]   98.54%   Wang [10]   97.25%   Mirda w ati [11]   87.50%   Muslim [12]   80.00%   Proposed   90.00%       4. Conclusio n   The p ape h a examine d  the d e velop m ent of  a n  i r is-ba s e d  recognition  sy stem. The   Indepe nde nt Co mpo nent  Analysi s   was i m plem en ted a s   a fe ature  extra c tion m e thod   while   Suppo rt Vector Ma chin e  wa s ad opt ed a s  a  cla ssifie r  in o r der to d e vel op an i r is-b ase d   recognitio n  system. An  experime n tal study  u s ing the iri s  image dat aba se from  the  Dep a rtem ent.of Com pute r  Scien c e, P a lacky Univ ers i ty in  Olomouc [4] was   c a rried out to   evaluate the  effectivene ss of  the pro p o s ed  system.  Based  on  o b tained  re sul t s, the ICA a n d   SVM classifier produ ce s good recogni ze re sult  tha t  can be me asu r ed by calcul ating G A (Gen uine A c cepta n ce Ra te). The re sults sh ow  th at the combi nation of ICA and SVM is a  promi s in g an d effective in iris-ba s e d  re cognition.       Referen ces   [1]    Liu S, Mark S. A practical gui de to biom etric  securit y  tec h n o lo g y IT  Profession al 3 . 20 01 ; 1: 27-32.  [2]    Delac K, Mislav G.  A surv ey of b i o m etri c recog n iti on  meth ods. In E l ectron ics in   Marine,  20 04 Procee din g s El mar 200 4.  46 th  Internatio na l Sy mp osi u m. IEEE. 2004: 18 4-1 93.   [3]    Santosa B. F e ature Se lectio n   w i t h  Su pport  Vector Mach in es App lie d o n  T o rnado Detec t ion.  IPTEK  T he Journ a l for  T e chnol ogy a nd Scie nce 1 8 . 2007; 1.   [4]   Cor w in  EJ.  Buku Saku Pato fi siolo g i C o rw in . EGC. 2006.   [5]    Dau g man J. Ho w  iris rec o gniti on  w o rks.   Circuits and  Systems for Video Tech n o lo gy, IEEE  T r ansactio n s . 200 4; 14(1): 21 -30.  [6]    H y v ä rin en A,  Erkki O. Indepe nd ent com pon ent a nal ys is: alg o rithms  and  app licati ons.  Ne ura l   netw o rks . 2000 ; 13(4): 411-4 3 0 [7]   Bos w e ll  D.  Introducti on to Su pport Vector M a chi nes . 20 02.   [8]    Dep a rtement C o mputer Sci e n c e, Palack y Un iv ersit y   in Olo m ouc –  http://pho eni x.i n f.upo l.cz.  [9]    Roy  K, Prabir  B.  Iris recognit i on w i th sup p o r t vector mac h ines . Adv ance s  in Biom etric s . Spring er   Berlin H e i del be rg. 2005: 4 86-4 92.   [10]    W ang Y, Jiu  QH.  Iris recog n itio n usi ng i n dep en dent co mp on ent an aly s is . Machin Lear nin g  a n d   C y ber netics, 2 005. Proce e d i n g s of 200 5 In ternatio nal C onfe r ence o n . IEEE. 2005: 7.  [11]   Muslim  L.  Pe n gen ala n  In divi du M e la lui  Iris  Mata  me ngg un akan  ko mb in a s i Ind epe nd ent  Co mp on ent   Analys is dan S upp ort Vector Machi n e . Institut  T e knolo g i T e lkom. Ban d u n g . 2009.   [12]   Mirda w at S.  E k traksi Ciri Iris  Mata  men g g u naka n  Meto de  Indep en de nt Co mp one nt An alysis (ICA) Univers i tas Sri w i j a y a. P a lem b ang. 20 12.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.