background image

 

6

 RETINA IDENTIFICATION 

Robert â€œBuzz” Hill

1

 

Portland, OR 

buzzhill@rain.com 

1.  Introduction 

Identification of a given person is often an essential part of transactions on a network.  

While this is the goal, the fact is we often are left with substitutes for true personal 

identification in such transactions such as something the person knows (password) or 

has  (a  card,  key,  etc.).    Retinal  identification  (RI)  is  an  automatic  method  that 

provides  true  identification  of  the  person  by  acquiring  an  internal  body  image,  the 

retina/choroid of a willing person who must cooperate in a way that would be difficult 

to counterfeit. 

RI has found application in very high security environments (nuclear research and 

weapons  sites,  communications  control  facilities  and  a  very  large  transaction-
                                                           

1

 

The  author  of  this  chapter  is  the  original  RI  inventor  and  the  founder  of  EyeDentify,  Inc. 

(1976). Although, he no longer owns stock or otherwise has an interest in EyeDentify, ha has, 

at various times since 1987, served as its consultant. 

 

Abstract

  Retina  based  identification  is    perceived  as  the  most 

secure  method  of  authenticating  an  identity.  This  chapter  traces 

the basis of retina based identification and overviews evolution of 

retina  based  identification  technology.  It  presents  details  of  the 

innovations  involved  in  overcoming  the  challenges  related  to  

imaging  retina  and  user  interface.  The  retinal  information  used 

for  distinguishing  individuals  and  a  processing  method  for 

extracting  an  invariant  representation  of  such  information  from 

an  image  of  retina  are  also  discussed.    The  issues  involved  in 

verifying and identifying an individual identity are presented.  The 

chapter describes performance of retina based identification and 

the  source  of  inaccuracies  thereof.  The  limitations  of  the  retina 

based technology are enumerated. Finally, the chapter attempts to 

speculate  on  the  future  of  the  technology  and  potential 

applications. 

Keywords:

  Fundus,  choroid,  fundus  camera,  astigmatism, 

ergonomics, infrared imaging, fixation. 

background image

Hill 

processing center). The installed base is a testament to the confidence in its accuracy 

and invulnerability. Its small user base and lack of penetration into high-volume price-

sensitive  applications  is  indicative  of  its  historically  high  price  and  its  unfriendly 

perception. 

2.  Retina/Choroid as Human Descriptor 

Awareness of the uniqueness of the retinal vascular pattern dates back to 1935 when 

two ophthalmologists, Drs. Carleton Simon and Isodore Goldstein, while studying eye 

disease,  made  a  startling  discovery:  every  eye  has  its  own  totally  unique  pattern  of 

blood vessels.  They subsequently published a paper on the use of retinal photographs 

for identifying people based on blood vessel patterns [7]. 

Later  in  the  1950's,  their  conclusions  were  supported  by  Dr.  Paul  Tower  in  the 

course of his study of identical twins [8]. He noted that, of any two persons, identical 

twins  would  be  the  most  likely  to  have  similar  retinal  vascular  patterns.  However, 

Tower's study showed that of all the factors compared between twins, retinal vascular 

patterns showed the least similarity. 

The  eye  shares  the  same  stable  environment  as  the  brain  and  among  physical 

features unique to individuals, none is more stable than the retinal vascular pattern. 

Because  of  its  internal  location,  the  retina/choroid  is  protected  from  variations 

caused  by  exposure  to  the  external  environment  (as  in  the  case  of  fingerprints, 

palmprints etc.). 

Referring to Figure 6.1, the retina is to the eye as  film is  to camera. Both detect 

incident light in the form of an image that is focused by a lens. The amount of light 

reaching the retina (or film) is a function of the iris (f-stop).  The retina is located on 

the  back  inside  of  the  eyeball.    Blood  reaches  the  retina  through  vessels  that  come 

from the optic nerve. Just behind the retina is a matting of vessels called the choroidal 

vasculature. 

 

Visual Axis

Pupil

Blind Spot

Vessels

Iris

Fovea

Scan Area

(Area Band)

 

Figure 6.1

 Eye and scan circle (area band). 

The products of EyeDentify, Inc. have always used infrared light to illuminate the 

retina  as  will  be  discussed  later.  The  retina  is  essentially  transparent  to  this 

wavelength of light. The  mat of vessels of  the choroid just behind the retina reflect 

background image

Retina Identification 

most  of  the  useful  information  used  to  identify  individuals,  so  the  term  â€œretinal 

identification”  is  a  bit  of  a  misnomer  but  nevertheless  useful  because  the  term  is 

familiar.    RI  in  this  chapter  will  be  used  interchangeably  to  mean  retina/choroid 

identification. This area of the eye is also referred to by  medical doctors as the eye 

fundus.  

It might seem that corrective error changes (such as becoming more near-sighted 

over  time)  might  change  the  image  of  this  very  stable  structure.    In  fact,  the  low 

resolution required to acquire adequate identification information masks any effect the 

focus errors might have.  The RI products of EyeDentify, Inc. take advantage of this 

fact.  No focusing of the RI system optics is necessary reducing cost and making the 

unit easier to use. 

The operational rule-of-thumb for the circular scan RI systems described here is as 

follows: If the person to be identified can see well enough to drive with at least one 

eye, it is highly likely that he/she can use RI successfully.  

Children  as  young  as  four  years  of  age  have  been  taught  how  to  use  RI.  Once 

learned, RI is simple to use for the vast majority of the human population. 

3.  Background 

The concept of a simple device for identifying individuals with RI was conceived in 

1975.  A practical implementation of this concept did not  emerge  for several  years. 

The author formed a corporation, EyeDentify, Inc. in 1976 and a full time effort began 

to research and develop RI. In the late 1970s several different brands of ophthalmic 

instruments called fundus cameras were modified in an attempt to obtain live images 

of the retina suitable for personal identification [9,10].  Using then available fundus 

cameras for the optics portion of RI had at least three major disadvantages: 

1.  Critical alignment was necessary requiring either extraordinary expertise or the 

assistance of an operator. 

2.  A bright illumination light was necessary. 
3.  They were too complex and therefore too expensive. 

The early RI experiments used visible light to illuminate the retina.  This proved 

undesirable since the amount of light required for a sufficient signal-to-noise ratio was 

often uncomfortable to the user. An experiment  was tried using near infrared as the 

illuminating source. This wavelength is invisible to the human eye and eliminates the 

bright illuminating light that can be annoying to the subject and cause his/her pupils to 

constrict (lowering the detected light). Inexpensive light sources and detectors existed 

for the near IR providing a cost saving advantage as well. 

The first practical working prototype of RI was built in 1981. An RI camera using 

an infrared light was connected to a general-purpose desktop computer for analyzing 

the reflected light  waveforms.  Several forms of feature- extraction algorithms were 

evaluated. Simple correlation proved to be a superior matching technique however. 

Four years of refinement led to the first production RI system built by EyeDentify, 

Inc.  (then  of  Portland,  OR).  It  was  called  the  EyeDentification  System  7.5  and 

performed three basic functions:  

background image

Hill 

1.  Enrollment - where a person's reference eye signature is built and a PIN number 

and text (such as the person's name) is associated with it. 

2.  Verification - a person previously enrolled claims an identity by entering a PIN 

number. The RI scans the ID subject’s eye and compares it with the reference eye 

signature associated with the entered PIN. If a match occurs, access is allowed.  

3.  Recognition  -  RI  scans  the  ID  subject’s  eye  and  â€œlooks-up”  the  correct,  if  any, 

reference eye signature. If a match occurs, access is allowed. 

System  7.5  performed  a  circular  scan  of  the  retina,  reducing  the  circular  fundus 

image composed of 256 twelve bit logarithmic samples into a reference signature for 

each  eye  of  40  bytes.  The  contrast  pattern  was  coded  in  the  frequency  domain.  An 

additional  32  bytes  per  eye  of  time-domain  information  was  added  to  speed  up  the 

Recognition mode. 

 

Patents 

State-of-the-art  RI  is  covered  by  at  least  nine  active  U.S.  patents.  The  RI 

implementation described here is covered by at  least  four  major U.S. patents dating 

back  to  1978  [2,3,4,5].  The  patent  with  broad  first  claim  to  the  method  of  RI  [2] 

expired  in  1995  and  is  thought  to  have  discouraged  others  from  developing  RI 

technology.  Now that the method of identifying individuals by their retinal patterns is 

no  longer  protected  (as  opposed  to  the  apparatus  to  identify),  we  may  see  more 

interest  by  others  in  developing  RI  technology  that  is  not  protected  by  the  active 

patents whose claims are less general than the expired patent. EyeDentify, Inc. either 

owns  or  has  exclusive  license  to  the  three  aforementioned  patents  that  have  not,  as 

yet,  expired.  These  patents  deal  with  the  alignment/fixation  and  user  interface 

subsystems of the RI technology. 

4.  Technology 

The three major subsystems of the RI technology are: 

 

Imaging,  signal  acquisition,  and  signal    processing

:  An  RI  Camera  that 

translates a circular scan of the retina/choroid into a digital waveform. 

 

Matching

: A computer that verifies or recognizes the acquired eye pattern with a 

stored template. 

 

Representation

:  The  eye  (retina)  signature  reference  templates  with  the 

corresponding identification information; storage issues. 

Sections  6,  7,  8,  9,  and  10  describe  in  more  detail  the  entire  RI  system.  Section  5 

discusses representation issues. 

 

background image

Retina Identification 

5.  Eye Signature (Reference Template) 

The  representation  of  retina  is  derived  from  a  retina  scan  composed  of  an  annular 

region of retina, scan circle (Figure 6.1).  The spot size (width of annular band) and 

scan  circle  size  are  chosen  to  return  sufficient  light  and  contrast  detail  in  the  worst 

case (very small eye pupil) to support the performance specification of the RI.  

Two  major  representations  for  the  RI  eye  signature  have  emerged.  The  original 

representation  consisted  of  40  bytes  of  contrast  information  encoded  as  real  and 

imaginary  coordinates  in  the  frequency  domain  and  was  generated  with  the  fast 

fourier transform. 

The  second  representation,  while  slightly  larger  at  48  bytes,  leaves  the  contrast 

data in the time domain.  The primary advantage of the time domain representation of 

the  eye  signature  is  computing  efficiency  resulting  in  lower  computer  cost  and/or 

higher processing speed. 

Taking the ratio of the brightness at any point to the average regional brightness 

removes  artifacts  that  are  due  to  non-uniformity  of  the  beam  at  the  point  where  it 

enters the eye. This also normalizes the identifying signal for varying pupil sizes that 

greatly influence the total light returned to the detector. 

The fully processed digital eye signature can be described as a normalized  contrast 

waveform of the entire scan circle. Average RMS contrast averages approximately 1.5 

to  4%  of  the  total  light  detected.  The  contrast  maximum  is  the  brightest  reflection 

from the scan circle and the contrast minimum is the darkest reflection from the scan 

circle.  The waveform is normalized so that the maximum or the minimum is at the 4 

bit limit (either +7 or â€“8, respectively) to fully utilize digital dynamic range.  

The  simplest  form  of  the  RI  reference  eye  signature    is  an  array  of  96  four-bit 

contrast  numbers  for  each  of  96  equally  spaced  scan  circle  positions  for  a  time-

domain pattern of 48 bytes per eye. An optional 49th byte carries the AC RMS value 

of  the  waveform  to  be  used  for  equalizing  the  RMS  values  of  the  acquired  and 

reference waveforms in the correlation (match) routine. 

6.  RI Camera 

Most of us, at one time or another, have gone to an optometrist or ophthalmologist to 

have our eyes examined. As part of the exam, the doctor uses an instrument called a 

retinascope. The RI camera accomplishes  the same  thing as a retinascope.  Its  light 

source is projected onto the subject's retina and (the doctor in case of the retinascope) 

detects the return light. The light coming from the retinascope is in a collimated beam 

so that the eye lens focuses it to a spot on the retina. 

The retina reflects some of the light back towards the eye lens, which once again 

collimates the light.  This light leaves the eye at the same angle that it enters the eye, a 

process called retro-reflection. The light reflected from the retina is observed by the 

examining doctor who holds the instrument to his own eye. In the case of RI, a light 

detector replaces the examining doctor's eye. 

If the doctor were to examine the eye from a number of points 10 degrees off the 

visual axis of the patient's eye, it would simulate the action of the fovea centered RI 

scan we will discuss here. 

background image

Hill 

Old  Camera 

}

}

34

26

26

62

57

60

64

66

10

28

30

20

14

14

10

12

32

17

32

18

5

68

59

56

34

50

48

52

54

82

74

72

76 78 80

38 36

37

35

33

70

46

44

40

39

42

Scanner

Light Transmitter

Reflected light receiver

Figure 6.2

 Old camera. 

The  first  products  of  EyeDentify  used  a  camera  disclosed  in  detail  in  US  Patent 

#4620318  [4] (Figure  6.2).  This  design  used  a  rotating  mirror  assembly  to  generate 

the  scan  circle  on  the  retina.  Hot  mirrors  (reflecting  infra  red  while  transmitting 

visible light) are used to combine the Scanner optical path and the align/fixate target 

optical path. What follows is a description of the operation of the relevant portions of 

the camera described in the patent as they relate to the EyeDentification System 7.5.  

A fixation target (33) allows the RI subject to properly focus his/her eye (5) and 

align its visual axis (10) with an optical axis (34) of the scanner. Fixation target (33) 

includes  a  visible  light  emitting  diode  (35)  positioned  in  a  mounting  structure  (36) 

having a pinhole (37). LED (35) illuminates the fixation reticle (38).  

US  Patent#4923297  [1]  describes  an  improved  fixation  targeting  system  that 

replaced the system described above in production 7.5's. This patent describes the 7.5 

fixation  target  system  as  a  quasi-reticle  that  generates  enhanced  multiple  ghost 

reflections of a single pinhole.  It is a simple plate of glass with a partially silvered 

mirror  on  one  surface  and  an  opaque  mirror  surface  with  a  pinhole  on  the  other 

illuminated by a light emitting diode. 

Alignment  is  a  critical  requirement  of  RI  and  this  so-called  â€œghosticle” 

alignment/fixation  system  accomplishes  its  function  elegantly.    It  is  simple  and 

intuitive - just line up the dots - and both alignment and fixation are assured.  Yet it is 

inexpensive  and  easier  to  align  in  production  than  previous  RI  alignment/fixation 

systems. 

Once  alignment  and  fixation  are  accomplished  the  scan  can  be  initiated  either 

manually  by  pressing  a  button  or  automatically  when  the  RI  is  placed  in  the  Auto-

Acquire mode (a feature introduced in the model 8.5 product). 

An IR source (39) provides a beam of IR radiation for scanning fundus (12) of eye 

(5).  IR  source  (39)  includes  an  infrared  light  emitting  diode  (the  drawing  shows  a 

tungsten bulb (40) as the light source) that produces light that passes through a spatial 

filter (42) and is refracted by a lens (44). An IR filter (46) (not used in the IR LED 

version)  passes  only  the  IR  wavelength  portion  of  the  beam,  which  then  passes 

through  a  pinhole  (48).  The  beam  is  then  reflected  by  a  mirror  (50)  onto  a  beam 

splitter (52) that is mounted to coincide with the fixation target optical axis (34). 

The  scanner  directs  the  beam  into  the  fixated  eye  from  an  angle  of  10  degrees 

offset from the optical axis. The scanner includes a rotatable housing (57) and scanner 

background image

Retina Identification 

optics  that  rotate  with  the  housing  as  indicated  by  a  circular  arrow  (58).  As  the 

scanner rotates, the 10 degree offset beam rotates about the optical axis. 

The scanner optics include a hot mirror (59) (one that reflects IR radiation while 

passing visible light), located in the path of the source beam and the fixation beam. 

The visible wavelength fixation beam is passed through hot mirror (59), while the IR 

source  beam  is  reflected  away  from  the  housing  (57)  at  a  point  spaced  apart  from 

optical axis (34) and is oriented to direct the IR beam through an IR  filter (62) and 

into the eye (5) as housing (57) rotates. Hot mirror (59) causes a displacement of the 

fixation beam so an offset plate (64) is positioned to compensate for the displacement. 

When housing (57) rotates, the IR beam is directed into the eye (5) in an annular 

scanning pattern centered on the fovea as represented by circular locus of points (32). 

Light reflected  from  fundus (12) of the eye (5) varies in intensity depending on the 

structures  encountered  by  the  scan.  The  reflected  light  is  re-collimated  by  the  lens 

(30)  of  the  eye  (5)  directed out  pupil  (28), back  through  objective  lens  (66)  and  IR 

filter  (62),  and  reflected  off  scanner  mirror  (60)  and  hot  mirror  (59).  The  reflected 

beam is then focused by objective lens (56) on to beam splitter (52) which passes a 

portion  of  the  reflected  scanning  beam  to  a  hot  mirror  (70)  that  reflects  the  beam 

through a spatial filter (72). The beam is next reflected by a mirror (74), refracted by a 

lens (76) and passed through another spatial filter (78) to a detector (80). 

 

New Camera 

Current  RI  camera  technology  is  based  on  an  active  US  Patent  [5].  It  is  a  much 

simpler design that also takes advantage of the concentric nature of the RI's fixation 
and scanning to reduce labor intensive alignment of camera parts and the part count   

The current RI camera is shown schematically in Figure 6.3. It includes a rotating 

scanner disk (116) that integrates a multi-focal Fresnel fixation lens (114), a Fresnel 

optical  scanner  (122,124)  and  an  angular  position  encoder  (140)  into  a  unitary, 

inherently aligned, compression-molded scanner disk.  An RI subject views through 

the  multi-focal  Fresnel  lens,  an  image  of  a  pinhole  (108)  illuminated  by  a  krypton 

bulb (104). The multi-focal lens is centered on the disk and creates a multiple in- and 

out-of-focus  images  (180  182,  184,  186)  of  the  pinhole  image.  By  setting  the  focal 

distances  of  these  images  along  a  range  that  includes  corrective  errors  of  from  -7 

diopters  (very  near  sighted)  to  +3  diopters  (very  far  sighted),  at  least  one  of  the 

pinhole  images  will  be  in  relatively  sharp  focus  for  virtually  everyone  in  the  RI 

subject population. The images will appear concentric when the RI subject is properly 

aligned with the scanner disk and associated optics. 

Once aligned, the subject initiates scanning which causes the scanner disk to rotate.  

The Fresnel optical scanner receives IR light from the krypton bulb light source and 

creates an IR scanning beam (126). IR light reflected by the eye fundus (12) of the RI 

subject  returns  via  a  reciprocal  path,  by  way  of  a  beam  splitter  (112)  and  into  a 

detector  (134)  to  generate  eye  waveform  data.  Rotational  position  information  from 

the  encoder  instructs  the  signal  acquisition  system  when  to  sample  the  detector's 

output. 

The key  feature of this  new  RI camera design is that it integrates and inherently 

aligns multiple optical elements greatly reducing both the material and labor costs of 

background image

Hill 

the  original  RI  camera.  Overall  costs  of  the  camera  yields  to  manufacturing 

economies of scale much more so than with the original RI camera. 

Both camera types share the same subsystem functions: 

 

 

 
Figure 6.3

 New camera

 

Target - Align & Fixate

 

To insure that the circular scan of the RI is centered on the fovea and that the subject 

is in the scanner beam throughout the scan, an alignment/ fixation target is presented 

to the ID subject. One form of this target is an optical system that presents say four 

simple reticles at focal distances of -7, -3, 0 and +3 diopters. For virtually all of the ID 

population, at least one of the reticles will be in focus regardless of corrective error 

(near-sightedness  through  far-sightedness).  When  the  ID  subject  â€œfocuses”  (fixates) 

on the target, the RI is angularly aligned to subject's eye, centering the RI's scan circle 

on the eye fundus. When he/she aligns two or more of the reticle patterns nulling their 

parallax, the RI illumination beam is centered on the eye pupil. Translation along the 

optical (Z) axis is not critical and is achieved by providing a rest for some part of the 

face  (forehead,  eye  socket,  etc.).  Rotation  about  the  Z-axis  caused  by  head  tilt  is 

addressed by the Rotator algorithm, discussed later. 

It is important to note that Fixation/Alignment is an absolute requirement for this 

method of RI to work.  It would be prohibitively difficult to identify someone using 

RI  without  his  or  her  cooperation  in  performing  this  function.    Depending  on  one's 

perspective, this requirement can be seen as a benefit (usually to the ID subject) or a 

negative  (covert  ID).    This  does,  however,  prevent  RI's  use  in  identifying  an 

individual against his or her will which may make RI appear more acceptable to the 

ID subject population. 

 

background image

Retina Identification 

Transmitter (Light Source) 

The light source is ideally near infrared and is not visible to the identification subject.  

The illumination spot projected on the retina must be uniform.  A suitable diffuser is 

required to achieve spot uniformity when using a light source that, when projected on 

the  retina/choroid,  is  not  homogenous.  This  is  usually  the  case  with  an  IR  Light 

Emitting Diode and can also be true of other light sources. 

A tungsten lamp is considerably brighter than an IRED and can produce better S/N 

figures.  The disadvantages of such a lamp compared to an IRED is the need for filter, 

turn-on  time  and  lamp  life.  Retinal  identification  systems  have  been  proposed  that 

would  use  a  laser  (preferably  solid  state).    The  author  is  not  familiar  with  any 

commercially  available  system  that  uses  a  laser,  however.    Further,  lasers  can  be 

considered dangerous by the RI subject population. 

 

Receiver 

The light receiver is composed of a silicon photodetector, a  high gain pre-amplifier 

and  a  sharp  cut-off  low-pass  filter.  The  filter  is  necessary  to  sharply  reduce  high 

frequency  noise  generated  by  the  detector/preamp  that  is  outside  of  the  useable 

passband which is determined by the spot and scan circle sizes and the scanner speed. 

With the selected parameters a good choice is an 8th order switched capacitor elliptic 

filter with a corner frequency of approximately 220 Hz. 

 

Scanner

 

The scanner has to deal with the light noise arising from  (i) corneal reflections, (ii) 

other scattered light sources, and (iii) ambient light. Reflected noise in the RI comes 

from essentially four sources, the front and back surfaces of the cornea, and the front 

and back surfaces of crystalline lens.  Extensive spatial filtering that is conjugate to 

the retina and the scan angle reduces the light noise to insignificance. 

Corneal  reflections  of  the  scanner  light  source  is  one  of  the  primary  reasons  for 

using  a  circular  rather  than  a  raster  scan  of  the  eye  fundus.  The  reflections  would 

render  the  center  pixels  of  a  raster  scan  of  the  retina  useless  unless  an  annular 

illumination  requiring  very  critical  alignment  is  used.  The  scanner  consists  of  the 

following components comprising the signal acquisition and processing subsystem: 

7.  Signal Acquisition Subsystem 

The signal acquisition subsystem consists of the following  components: 

Detector/Preamplifier 

 

The  silicon  photodetector  operating  in  the  photo-ampuric  mode  receives  the  light 

collected  from  the  RI  camera.  It  is  converted  to  a  voltage  by  a  low  noise  op-amp 

configured  as  a  trans-impedance  amplifier.    With  a  carefully  selected  op-amp,  the 

primary sources of electrical noise are the thermal noise of the feedback resistor and 

background image

10 

Hill 

quantum  noise.  A  second  op-amp  brings  the  signal  level  up  to  a  level  sufficient  to 

drive the contrast processor.  

A/D Conversion 

 

The raw unprocessed analog signal derived from the camera photodetector can span at 

least two orders of magnitude due to the range of pupil sizes encountered in normal 

operation of the RI.  Performing the conversion at this point requires close to 16 bits 

of  resolution  to  accommodate  absolute  signal  variations,  contrast  figures  and 

sufficient  resolution  left  to  quantize  the  â€œcontrast”  portion  of  the  signal.  A  more 

economical  scheme  is  to  perform  the  contrast  processing  function  ahead  of  the 

conversion.  An 8 bit analog-to-digital converter is all that is required in this case 

Contrast Processor 

 

8.  The function of this stage in the signal chain is to reduce the raw camera signal 

into  salient  contrast  information  that  has  both  human  descriptor  qualities  of 

invariance and discrimination. It can be done in hardware  or software and both 

methods have been used successfully in EyeDentify’s commercial products. The 

far  less  expensive  modality  is  hardware  because  it  dramatically  reduces  the 

resolution  required  of  the  analog  /digital  converter.  The  contrast  processor 

removes the redundant or variable content from the acquired scanner waveform 

while retaining sufficient information to yield a unique eye signature. 

8.  Computing Subsystem 

The computing subsystem could be explained in terms of its hardware and software 

components. 

Hardware 

 

EyeDentify's  System  7.5,  the  first  widely  available  RI,  used  a  Motorola  68000 

microprocessor  as  both  the  controller  and  signal  processor.  By  moving  contrast 

processing to hardware and coding correlation in the time domain in the late 1980s, it 

was  possible  to  move  to  a  68HC11  micro-controller  to  replace  most  of  the 

functionality of the 68000 based System 7.5. The cost of the computing elements of 

RI have been and currently are insignificant compared to the opto-mechanical portion 

of the system. 

 

Software 

The software performs the following two functions: phase correction and matching. 

Phase Correction

 

Each  time  the  RI  subject  looks  into  the  RI  camera,  his  or  her  head  may  be  slightly 

tilted (rotated) from the position it was before. The rotator algorithm (phase corrector) 

background image

Retina Identification 

11 

shifts the acquired waveform through the equivalent of several degrees of rotation or 

head tilt. This is done while correlating it with the stationary reference eye signature 

to find the best match (highest correlation).   

Matching 

Comparison of the acquired contrast  waveform is done  with a routine that performs 

the following steps: 

1.  Sample  rate  converts  the  reference  eye  signature  into  an  array  with  the  same 

number of elements as the acquired array. 

2.  Normalize both arrays to have a RMS value of 1.0. 
3.  Correlate arrays using the time domain equivalent of Fourier-based correlation. 

The quality of match is indicated by the correlation value, where the time shift is 

zero. It ranges from +1.0, a perfect match, to -1.0, a perfect mismatch. Experience has 

shown that scores above 0.7 can be considered a match (see Performance discussion 

below). 

8.  System Operation 

Taking an Eye Reading 

Central  to  every  RI  transaction  is  the  process  wherein  the  camera  scans  the  RI 

subject's eye.  We present here the detailed user instructions below to give an idea of 

the user involvement and training needed for retina based identification. The subject is 

instructed as follows: 

 

If you wear glasses, take them off (does not apply to contacts). 

 

If the system requires PIN (Personal Identification Number), enter it (recognition 

does not require a PIN). 

 

Position camera at eye level (or eye to camera) 

 

The target consists of a number of softly illuminated dots.  Moving the head in 

relation to the eye lens opening, without tilting or skewing the head centers the 

target. Do this until all of the dots move one behind the other.  The smaller dots 

will then appear inside the larger dots. 

 

Both eyes should be wide open. Squinting or closing one eye can cause eyelashes 

to be included in the reading. 

 

Be sure that your eye is about three-quarters of inch from the eye lens. 

 

Press the scan button (or wait for scanner to stop if in the Auto-Acquire mode). 

 

Hold your head steady during the reading. 

background image

12 

Hill 

 

Although it is important to fixate on the center of the target during the reading, 

you  should  not  fixate  for  more  than  a  couple  of  seconds  before  pressing  the 

button.  Otherwise, the eye may drift. 

Various incarnations of RI cameras and systems have different user requirements, 

but the steps above apply generally to all of them.   

 

Alignment/Fixation 

To use RI, it is important for the subject to be aligned with the RI camera and fixated 

on its target. After peering into the camera, the subject achieves alignment by lining 

up  the  dots  of  the  target  so  they  appear  as  one.  At  that  point  fixation  is  also 

accomplished since the virtual dot image is then focused on the fovea of the subject's 

eye  (Figure  6.1).  This  process  assures  that  the  subject's  eye  pupil  is  within  the 

“acceptance  diamond”  which  is  the  cross  sectional  shape  of  the  volume  where  the 

entire  scan's  beam  will  fill  the  eye  pupil.  This  volume  is  essentially  like  two  cones 

placed  together  at  their  bases  with  their  centers  along  the  eye’s  optical  axis  (the  Z 

axis). A larger volume means less critical alignment. The volume is a function of the 

exit/entrance aperture,  which  is determined by the  size of the  RI camera's objective 

lens. 

 

Scanning 

Eyeglasses  must  be  removed  for  the  RI  camera  to  work  reliably.    There  are  two 

reasons:  1)  Reflections  from  the  lens  surface  may  interfere  with  the  scanner  signal, 

and 2) Distortion of the retina/choroid image may occur if eye glasses are not in the 

same  position  on  the  face  from  use  to  use  such  as  when  they  slide  down  the  ID 

subject's  nose.  If  an  attempt  is  made  to  enroll  an  individual  with  eyeglasses,  it  is 

possible that the eye glass reflection will be enrolled, not the retina/choroid, resulting 

in a very simple eye signature that might be duplicated. 

Contacts  do  not  need  to  be  removed.  Certain  types  of  contacts  can  prove 

problematical. Lenses can cause improper signatures if any part of the edge of the lens 

is inside the eye pupil while the eye is being scanned. Generally, the effect of contacts 

on eye signatures is so slight that it is not necessary to enroll a given eye both with 

and without them, except possibly in cases of severe or unusual correction (extreme 

near- or far-sightedness and/or astigmatism). 

 

RI at a Distance 

Just as the eye doctor can use a retinascope at a distance from the patient, a suitably 

designed RI can be used at a distance from the ID subject. However, the size of the RI 

must increase proportionate to the scan distance in order to support the RI's scan circle 

diameter.  Working  RI  systems  with  an  operating  distance  of  12  inches  have  been 

demonstrated in the laboratory. Other considerations in such systems include ambient 

light  conditions  and  Fixation/Alignment  issues.  Light  shields  sizes  have  to  grow  in 

proportion  to  the  operating  distance.  A  long  distance  universal  focus  target's 

requirements change when the operating distance exceeds a certain threshold. Scanner 

beam size will need to be larger as well. 

background image

Retina Identification 

13 

Enrollment 

RI  enrollment  is  the  process  of  acquiring  the  reference  eye  signature.    Each  eye 

signature is built from several eye readings.  The person responsible  for enrolling a 

new RI subject, the enroller guides that person through the following steps: 

 

Instruction on camera use.  Enroller instructs the enrollee on correct RI camera 

use.    Enroller  usually  demonstrates  this  by  scanning  his/her  own  eye  and  then 

describes  what  the  Enrollee  must  do  to  align  the  camera.  Fixation  is  automatic 

when the enrollee achieves alignment. 

 

Several scans until correct fixation/alignment is verified.  Out of beam condition 

(meaning the subject has not achieved alignment) is detected when the raw signal 

drops off in some part of the waveform. Both manual and automatic modes have 

proven  effective  for  this  purpose.  Fixation  can  only  be  verified  when  scans  are 

compared.  Correlation scores of a scan with the reference eye signature greater 

than, say, 0.75 to 0.8 indicate that correct fixation has been achieved. 

 

Several  scans  averaged.    Scans  that  have  a  correlation  within  a  certain  range 

(such as 0.75 to 0.8 are added to a waveform average. The impact on correlation 

scores of variant features such as a choroidal vessel that is substantially tangent to 

the scan circle is reduced with averaging. 

 

Optional  Recognize  -  verifies  whether  or  not  the  new  enrollment  eye  signature 

already exists in the database either because the new enrollee has already enrolled 

the  eye  or  the  database  is  large  enough  to  include  a  sufficiently  similar  eye 

signature to cause a false accept error in the Recognition mode. This step assures 

the new enrollment eye signature is unique to the database. 

 

Assignment of linked data (Name, Pin #, etc.). 

 

Store enrollment data. 

Automatic RI enrollment techniques have been studied wherein eye scans that do 

not  match  any  eye  signature  in  the  database  (using  the  Recognition  algorithm 

described below) but appear repeatable are given a label indicating such and stored to 

indicate  intrusion  attempts.    The  RI  system  can  alert  an  administrator  when 

unrecognized but repeatable eye signatures occur by displaying/printing that label. 

It  is  important  to  note  that  enrolling  is  somewhat  of  an  art  as  well  as  a  science.  

The enroller, through experience, learns  how best to  train  each  new enrollee and to 

interpret  correlation  scores  during  the  enrollment  process.  An  enroller  should 

remember  several  key  points.  Correlation  scores  should  get  progressively  better  as 

enrolment progresses. It is important for the enrollee to look away between scans to 

insure that the averaging process creates a true average of variations in head position.  

A person's â€œdominant eye” can be easier to enroll. If one eye is difficult to enroll, try 

the other. 

background image

14 

Hill 

Verify 

Subsequent  to  enrollment  an  enrollee  can  authenticate  his/her  identity  by  entering  a 

code  (such  as  a  PIN  number).  An  eye  scan  is  taken  and  compared  with  the  eye 

signature associated  with  the  PIN number.  If the eye  scan  matched against the eye 

signature  produces  a  correlation  score  above  the  match  threshold  (typically  a 

correlation score of 0.7), the person scanned is said to be the person enrolled with the 

given PIN and an appropriate action is taken. 

Recognize 

A  scan  is  taken  and  using  the  recognize  algorithm,  a  match  to  the  entire  database 

above  the  correlation  threshold  identifies  the  person  requesting  access.  Any  eye 

signature  recognize  algorithm  is  considerably  more  compute  intensive  than  verify 

algorithm.  The simplest form of recognize would take the verify time and multiply it 

by the number of people in the eye signature database.  Several multi-level techniques 

have been developed that reduce the time it takes for the recognition mode on given 

computing resources. In some cases, execution time has been reduced as much as two 

orders  of  magnitude.  The  down  side  of  the  methods  tried  is  that  they  sometimes 

eliminated good candidates, producing false reject errors. 

Today's fast microprocessors and time domain correlators have nearly eliminated 

the need for multi-step recognition routines for databases of medium size (hundreds to 

tens  of  thousands)  and,  in  the  process,  have  virtually  eliminated  false  reject  errors 

produced by multi-level recognition algorithms. 

 

Large Database Recognition

 

Recognition is identification where the ID subject does not claim an identity (with a 

PIN  number,  card  etc.)  as  part  of  the  process.  The  acquired  scan  waveform  is 

compared to an entire database of eye signatures to find the best match. 

Currently  available  parallel  processing  computers  can  perform  high  accuracy  RI 

recognition of databases composed of millions of eye signatures at very low relative 

cost.    Indeed,  some  RI  recognition  mode  feasibility  has  been  studied  on  massively 

parallel processing supercomputers with very promising results.  Simply dividing up 

the database and having each processor correlate the acquired scan with its portion of 

the database is the simplest method. RI's small signature size, uniqueness and small 

variance  gives  it  a  significant  competitive  advantage  in  terms  of  cost,  speed  and 

reliability for large database recognition mode over other biometric ID methods. 

Counterfeiting the Scan 

A counterfeit eye must have the following characteristics. 

 

The same optical system to simulate retina/choroid reflectivity. 

 

A lens to substantially focus the incoming collimated beam and to re-collimate 

the reflected beam. 

background image

Retina Identification 

15 

 

An alignment/fixation system that angulary orients the counterfeit eye about it's 

X and Y axes, translates the counterfeit eye along its X and Y axes, positions the 

eye at the correct distance from RI camera (translation along Z) and rotates the 

eye about its Z axis within the tilt range of the Rotation algorithm. 

The last item is the  most difficult to counterfeit.  A  well-designed RI provides as 

little  information  about  the  correct  alignment/fixation  as  possible  to  the  would-be 

counterfeiter. Variable fixation displays could also require a counterfeiter to perform 

an  interpretation  of  the  target  in  order  to  correctly  interact  with  the  acquisition 

process. For example, the ID subject could be instructed to remember a random three 

digit  sequence  that  is  displayed  in  the  RI  fixation  target  and  to  key  it  in  later.  This 

would force the counterfeiting system to see, interpret and output to the RI keypad the 

three digit sequence. 

9.  Performance 

100

90

80

70

60

50

-10

40

-20

30

-30

20

-40

10

-50

0

51 1E-03

58 1E-04

64 1E-05

70 1E-06

Figure 6.4

 Mismatch distribution in retina based identification. 

 

Many tests of performance of the retina/choroid scanning technology described have 

taken place, some with databases of several hundred individual eyes. Sandia National 

Laboratory has tested the products of EyeDentify and reported no false accepts and a 

three-attempt false reject error rate of less than 1.0% [11]. 

Mismatch Frequency Distribution 

A  frequency  distribution  of  each  eye  signature  compared  against  all  others  matches 

very closely with an ideal guassian distribution with a mean of 0.144 and a standard 

deviation of 0.117 as shown in Figure 6.4. The corresponding right tail probability of 

guassian distribution with this mean and standard deviation at a threshold score of 0.7 

is approximately one in one million.

background image

16 

Hill 

Source of Errors 

The  retina/choroid  contrast  waveform  has  a  low  variability  when  acquired  under 

correct  conditions.  The  conditions  under  which  the  variability  could  increase  and 

cause false reject (Type II) errors are: 

 

Lack of Fixation or sustained fixation 

 

Out of scanner beam condition 

 

Incorrect eye distance to RI camera lens 

 

Insufficient pupil size 

 

Obstruction and distortion of the optical path from: 

 

dirty camera window 

 

contact lens edges 
subject neglects to remove eyeglasses 

 

Ambient light interference 

Small pupils can cause false rejects. The purpose of the eye pupil is to regulate the 

amount  of  light  reaching  the  retina.  Bright  environments  such  as  those  encountered 

outdoors in the daytime can cause pupils to constrict to a very small size compared to, 

say,  indoor  lighting  conditions.  Because  light  must  pass  the  eye  pupil  twice  (once 

entering and once exiting the eye), the return light to the RI camera varies inversely 

with the  fourth power of the  pupil diameter. In the  worst  case (smallest pupil  size), 

resulting  retina/choroid  signals  can  be  attenuated  by  as  much  as  four  orders  of 

magnitude.  The  signal  can  be  so  low  that  system  noise  swamps  the  acquired  eye 

signature data, lowering correlation scores. 

Outdoor  environments  can  also  be  less  conducive  to  reliable  RI  performance 

because  of  the  potential  for  high  ambient  light  noise  entering  the  camera  and 

interfering  with  the  scanned  waveform.  Because  of  the  uniqueness  of  the 

retina/choroid  contrast  circle  characteristic,  false  accept  (Type  I)  errors  tend  to  be 

limited to large database recognition. 

10.  RI Subject Motivation 

An important and enduring observation of the use of RI to enroll and identify several 

thousand individuals over a period of two decades is the importance of motivation to 

have  the  enrollment  and  identification  transactions  succeed.  Many  of  these 

observations can be said, in a general sense, of other biometrics as well. 

Enrollment is the  subject's  first hands-on  use of RI.  The subject should  not fear 

harm from the RI camera before using it the first time.  Learning to align and fixate 

the RI camera, while a simple process, can be impeded willfully or subconsciously by 

a suspicious subject.  Several scans are necessary and depending on the quality of the 

background image

Retina Identification 

17 

scans, this procedure can take several minutes. Because RI requires cooperation from 

the subject, sabotage at this stage is  very easy. If a subject is difficult to enroll, the 

subject's motivation can deteriorate as time passes during the enrollment process. 

The identification transaction (verify or recognize) is less susceptible to fear based 

motivational  problems  simply  because  if  a  subject  has  been  successfully  enrolled 

he/she  must  have  overcome  considerable  fear  or  reluctance  already.    But  subtle 

sabotage  can  be  a  factor  here  as  well.  Deliberate  false  reject  transactions  with  an 

accompanying complaint such as â€œit gives me a headache” can diminish confidence in 

the system.  It is very difficult to ascertain whether subjective comments of this kind 

are truthful yet the result is the same - RI is less attractive. 

Many user's have naively assumed that the lack of negative consequences (I can't 

work here because I can't/won't use RI) is sufficient to gain acceptance of a RI system 

by  the  ID  subject  population.    Experience  has  taught  users  of  RI  that  a  perceived 

personal benefit (I am better off than people who can't/won't use RI) to the ID subject 

has  a  dramatically  positive  effect  on  RI  enrollment  and  identification  speed  and 

acceptance. 

11.  Limitations 

Perceived Health Threat 

While the low light level is harmless to the eye, there is a widely held perception that 

retinal  identification  can  hurt  the  retina.  This  appears  to  be  less  true  in  information 

access applications since ID subjects are generally less fearful of new technology. 

 

Outdoors vs. Indoors 

Small pupils can reduce the Type II (False Reject) performance. Because light must 

pass the eye pupil twice (once entering and once exiting the eye), the return light can 

be attenuated by as much as four orders of magnitude when the ID subjects pupils are 

small. The signal can be so low that quantum and feedback resistor noise swamp the 

eye signature data lowering correlation scores. Further, outdoor environments are less 

conducive  to  reliable  RI  performance  than  indoor  environments  because  of  ambient 

light conditions. 

 

Ergonomics 

The need to bring the RI device to an eye or the eye to the device makes the RI more 

difficult to use in some applications than other biometric identification technologies. 

For instance, it is quite easy for a subject, regardless of his height to reach a hand to a 

fingerprint or hand geometry. The eye is much less easily manipulated. Bringing the 

RI  camera  to  the  eye  seems  more  practical  in  â€œworkstation”  applications  while  the 

opposite is true in physical access control applications. 

background image

18 

Hill 

Severe Astigmatism 

Because eyeglasses must be removed in order to use RI systems reliably, people with 

severe  astigmatism  may  have  trouble  aligning  the  dots  in  the  camera's  align/fixate 

target.  To these individuals,  what appears to them can be  quite different than dots.  

This can result in ambiguous feedback during the alignment  step of  RI camera use, 

causing  the  eye  pupil  to  be  outside  the  â€œacceptance  diamond”  for  part  of  the  scan. 

That part of the scan will therefore be invalid. 

 

High Sensor Cost 

The  camera  requirement  of  RI  puts  a  lower  limit  on  the  cost  of  the  system. 

Manufacturing  economies  of  scale  can  mitigate  this  problem,  but  RI  is  likely  to 

always  be  more  expensive  than  some  other  biometrics  such  as  fingerprint  (using 

chips) or speaker recognition (telephone hand-set as sensor). 

12.  Future 

The inherent simplicity of the RI means that in mass production the cost of the entire 

unit  could  come  below,  say,    $100.  This  is  still  considerably  more  expensive  than 

some competing technologies  which  have a  much cheaper scan component (such as 

fingerprint  chips).  The  trade  off  is  accuracy.    If  accuracy  is  important  to  the  ID 

application, perhaps the additional cost of RI can be justified. 

With the proliferation of e-commerce applications, RI might reach a critical mass.  

Because of the RI's accuracy and small signature size it fits more naturally  with the 

encryption  that  is  needed  for  e-commerce  security  than  competing  biometric  ID 

technologies. Public key encryption systems are only as secure as their private keys 

and a high performance biometric identifier like RI is ideal for keeping private keys 

secret. 

13.  Conclusions 

RI is a highly accurate and secure biometric identification  method. The example RI 

system presented utilizes a small reference data size that makes it attractive in large 

population  networked  systems  in  both  verification  and  recognition  modes.    RI, 

currently,  is  both  image  and  performance  based.  The  performance  aspect  restricts 

successful use to those who are motivated to see the ID transaction successful. 

RI's weakness are:  

 

The cost of the signal acquisition hardware 

 

ID subject's unfounded fear that it is harmful 

 

Unfriendly access 

The future will likely bring the cost of RI down dramatically if a sufficiently large 

demand  is  created  to  achieve  manufacturing  economies  of  scale  especially  as  it 

background image

Retina Identification 

19 

applies to the RI camera optics and mechanics. Fear becomes less of an issue as the 

computer/internet  age  expands  and  raises  the  level  of  technological  awareness  and 

acceptance.  Lack  of  a  sufficient  level  of  friendly  access  may  prevent  RI  from 

becoming a truly ubiquitous method of identification. 

References 

[1]  J. H. Arndt, â€œOptical alignment System,” 

US Patent No. 4923297

, 1990. 

R.  B.  Hill,  â€œApparatus  and  method  for  identifying  individuals  through  their  retinal 

vasculature patterns,” 

US Patent No. 4109237

, 1978.

[3]  R.  B.  Hill,  â€œRotating  beam  ocular  identification  apparatus  and  method

,

”

  US  Patent  No. 

4393366

, 1983. 

[4]  R. B. Hill, â€œFovea-centered eye fundus scanner,” 

US Patent No. 4620318

, 1986. 

[5] 

Eye  fundus  optical  scanner  system  and  method,” 

US 

Patent No. 5532771

, 1990. 

[6]  J.  R.  Samples  and  R.  V.  Hill,  â€œUse  of  infrared  fundus  reflection  for  an  identification 

device,” 

American Journal of Ophthalmology

, Vol. 98, No. 5, pp. 636-640, 1984. 

[7]  C. Simon and I. Goldstein, â€œA New Scientific Method of Identification,” 

New York State 

Journal of Medicine

, Vol. 35, No. 18, pp. 901-906, September, 1935. 

[8]  P. Tower, â€œThe fundus Oculi in monozygotic twins: Report of six pairs of identical twins,” 

Archives of Ophthalmology

, Vol. 54, pp. 225-239, 1955. 

[9]  S. Yamamoto, H. Yokohuchi, and T. Suzuki, â€œImage Processing and Automatic Diagnosis 

of  Color  Fundus  Photographs,” 

Proceedings  2nd  International  Joint  Conference  on 

Pattern Recognition,

 Copenhagen, pp. 268-269, August 13-15, 1974

.

 

[10] H.  Yokouchi,  S.  Yamamoto,  T.  Suzuki,  M.  Matsui,  and  K.  Kato,  â€œFundus  pattern 

recognition,” 

Japanese Journal of Medical Electronics and Biological Engineering

, Vol. 

12, No. 3, pp. 123-130, June 1974. 

[11] 

A  Performance  Evaluation  of  Biometric  Identification  Devices

,  Technical  Report 

SAND91-0276,  UC-906,  Sandia  National  Laboratories,  Albuquerque,  NM  87185  and 

Livermore,  CA  94550  for  the  United  States  Department  of  Energy  under  Contract  DE-

AC04-76DP00789, 1991. 

background image

20 

[12]