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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE INVESTIGACIÓN EN COMPUTACIÓN “Análisis del holograma y la trama de seguridad de la Credencial para Votar con fotografía” TESIS Que para obtener el grado de: “Maestro en Ciencias de la Computación” Presenta Ing. Samuel Sánchez Islas Directores Dr. Edgardo Manuel Felipe Riverón Dr. Salvador Godoy Calderón Mayo de 2009 2 Resumen El presente trabajo presenta un sistema que analiza algunos candados de seguridad de la credencial para votar con fotografía, que es un documento NO oficial para elegir representantes populares en México y que también es utilizado para realizar diversos trámites bancarios o de identificación personal. El software desarrollado se basa en las características emitidas por el Instituto Federal Electoral, cuyo organismo es el encargado de organizar las elecciones populares. Las propiedades del holograma, de la trama de seguridad y la fotografía impresa sobre la credencial son analizadas por el sistema, mediante la digitalización de la credencial, segmentación, mejoramiento, extracción de rasgos y clasificación por separado de cada uno de ellos y por último, realizar la clasificación final. 3 Abstract This research deals with a system that analyses some security locks embedded onto the voter photo-Id-card, which is the de facto document for voting processes in Mexico, and is also used to conduct banking operations, as well as in any other kind of transaction that requires a personal identification. The system takes as guide the specifications issued by the Federal Electoral Institute which is responsible for organizing the process of popular election. By scanning the Id-card, the system analyses the properties of the photograph, the hologram and the security screen printed on it. Then, over the scanned image, several processes of image enhancement, segmentation, feature extraction and classification are applied. Finally, a decision is made about the Id-card´s authenticity and some observations and recommendations regarding its state of deterioration and possible replacement are issued. 4 Capítulo I INTRODUCCIÓN________________________________________________ 12 1.1 El problema a resolver ___________________________________________________ 13 1.2 Justificación ___________________________________________________________ 14 1.3 Objetivos _____________________________________________________________ 14 1.3.1 Objetivo general ____________________________________________________________ 14 1.3.2 Objetivos particulares ________________________________________________________ 14 1.4 Hipótesis______________________________________________________________ 15 1.5 Medios utilizados _______________________________________________________ 15 1.6 Contribuciones y publicaciones ____________________________________________ 15 1.6.1 Contribuciones ______________________________________________________________ 15 1.6.2 Publicaciones _______________________________________________________________ 16 1.6.2.1 Reportes técnicos del CIC _________________________________________________ 16 1.6.2.2 Ponencias en congresos __________________________________________________ 16 1.7 Organización del documento _____________________________________________ 17 Capítulo II ESTADO DEL ARTE _____________________________________________ 18 2.1 Introducción ___________________________________________________________ 19 2.2 Antecedentes __________________________________________________________ 19 2.2.1 Primeros estudios documentales _______________________________________________ 21 2.3 Estado del arte _________________________________________________________ 22 2.3.1 Definición de Documentoscopía ________________________________________________ 22 2.3.2 ¿Qué estudia la Documentoscopía? _____________________________________________ 23 2.3.3 Formas y técnicas de modificación ______________________________________________ 24 2.3.4 Bases técnicas sobre las que se articulan los exámenes documentoscópicos _____________ 25 2.3.4.1 Pericia grafocrítica ______________________________________________________ 26 2.3.4.2 Pericia documental ______________________________________________________ 26 2.3.5 Limitaciones de la Documentoscopía ____________________________________________ 28 2.3.5.1 Documentos creados mediante sistemas de reprografía: Fotocopias _______________ 28 2.3.5.2 Superposición de trazos __________________________________________________ 28 2.3.6 Algunos sistemas de verificación de documentos ___________________________________ 29 Capítulo III CONCEPTOS BÁSICOS Y DEFINICIONES ____________________________ 30 3.1 Sección 1. Análisis de imágenes ___________________________________________ 31 3.1.1 Resolución espacial __________________________________________________________ 33 3.1.2 Resolución de niveles ________________________________________________________ 33 3.1.3 Digitalización de imágenes ____________________________________________________ 33 5 3.1.4 Realzadores de bordes basados en la primera y segunda derivadas ____________________ 34 3.1.4.1 Filtros pasa-altas ________________________________________________________ 34 3.1.4.2 Realce de las altas frecuencias _____________________________________________ 35 3.1.4.3 Realce de las imágenes en colores __________________________________________ 36 3.1.5 Procesamiento de imágenes mediante operaciones morfológicas ______________________ 37 3.1.5.1 Transformación Sombrero de Copas (Top-Hat) ________________________________ 38 3.1.6 Reconocimiento de patrones___________________________________________________ 39 3.2 Sección 2. Credencial para Votar con fotografía ______________________________ 40 3.2.1 Evolución de la Credencial para Votar como producto electoral _______________________ 41 3.2.2 Evolución del Esquema de Producción de la Credencial para Votar _____________________ 42 3.2.3 Situación actual en México ____________________________________________________ 44 3.2.4 Características y elementos de seguridad de la credencial para votar con fotografía _______ 46 3.2.4.1 Descripción técnica ______________________________________________________ 46 3.2.4.2 Descripción gráfica ______________________________________________________ 46 3.2.4.2.1. Anverso ____________________________________________________________ 46 3.2.4.2.2. Laminado __________________________________________________________ 48 3.2.4.2.3. Fotografía __________________________________________________________ 48 3.2.4.2.4. Trama de seguridad __________________________________________________ 48 3.2.4.2.5. Holograma _________________________________________________________ 49 3.2.4.2.6. Reverso ____________________________________________________________ 49 3.2.4.3 Cambios en la credencial para votar con fotografía en el año 2001_________________ 51 3.2.4.2.7. Fotografía __________________________________________________________ 51 3.2.4.2.8. Holograma _________________________________________________________ 52 3.2.4.2.9. Otras características agregadas _________________________________________ 54 Capítulo IV SOLUCIÓN DEL PROBLEMA ____________________________________ 58 4.1 Descripción general del sistema ___________________________________________ 59 4.2 Interfaz gráfica _________________________________________________________ 59 4.3 Captura de las imágenes _________________________________________________ 63 4.3.1 Medidas de la credencial para votar con fotografía _________________________________ 65 4.4 Plan General ___________________________________________________________ 65 4.4.1 Extracciónde los textos _______________________________________________________ 70 4.4.2 Fotografía__________________________________________________________________ 73 4.4.2.1 Extracción de rasgos _____________________________________________________ 74 4.4.2.2 Clasificación de la fotografía _______________________________________________ 78 4.4.3 Trama de seguridad __________________________________________________________ 78 4.4.3.1 Segmentación de la trama ________________________________________________ 78 4.4.3.2 Extracción de rasgos _____________________________________________________ 80 4.4.3.3 Clasificación ___________________________________________________________ 82 4.4.4 Holograma _________________________________________________________________ 82 6 4.4.4.1 Segmentación del holograma ______________________________________________ 83 4.4.4.2 Extracción de características _______________________________________________ 86 4.4.4.3 Clasificación ___________________________________________________________ 88 4.4.5 Clasificación Final ____________________________________________________________ 88 4.5 Arquitectura del sistema _________________________________________________ 90 4.6 Pruebas ______________________________________________________________ 91 Capítulo V EXPERIMENTACIÓN Y RESULTADOS _________________________ 110 5.1 Resultados finales _____________________________________________________ 111 5.1.1 Fotografía_________________________________________________________________ 111 5.1.2 Trama de seguridad _________________________________________________________ 112 5.1.3 Holograma de seguridad _____________________________________________________ 113 5.1.4 Clasificación final ___________________________________________________________ 114 5.2 Medidas de evaluación: Presicion and recall ________________________________ 116 Capítulo VI CONCLUSIONES Y TRABAJO FUTURO ___________________________ 118 6.1 Conclusiones _________________________________________________________ 119 6.2 Trabajo futuro ________________________________________________________ 120 7 Índice de tablas Tabla 1. Clasificación de las técnicas de clasificación. _______________________________ 24 Tabla 2. Resultado del análisis en las fotografías impresas. _________________________ 111 Tabla 3. Resultado del análisis en la trama de seguridad.____________________________ 112 Tabla 4. Resultado del análisis en el holograma de seguridad. _______________________ 113 Tabla 5. Clasificación final. _____________________________________________________ 115 Tabla 6. Resultados de la eficiencia del sistema. ___________________________________ 117 8 Índice de figuras Figura 1. Pinturas rupestres. _____________________________________________________ 19 Figura 2. Imprenta fabricada por Johannes Gutenberg. ______________________________ 20 Figura 3. Diagrama para el reconocimiento automático de objetos. ____________________ 32 Figura 4. Tipos de resolución espacial en impresiones digitales. ______________________ 33 Figura 5. Realce de una imagen en colores. ________________________________________ 38 Figura 6. Subproceso de producción de los formatos de Credencial para Votar. _________ 44 Figura 7. Formato de la credencial para votar con fotografía. _________________________ 47 Figura 8. Anverso de la Credencial para Votar con Fotografía. ________________________ 47 Figura 9. Laminado con tinta invisible. ____________________________________________ 48 Figura 10. Fotografía impresa y sus candados de seguridad. _________________________ 49 Figura 11. Ubicación del holograma en la credencial. ________________________________ 49 Figura 12. Código de barras en la Credencial para Votar con fotografía. ________________ 50 Figura 13. Reverso de la Credencial para Votar con Fotografía. _______________________ 51 Figura 14. Impresión digital de la foto._____________________________________________ 52 Figura 15. Holograma del Instituto Federal Electoral. ________________________________ 53 Figura 16. Código de barras unidimensional ubicado dentro de la Credencial para Votar con fotografía. ____________________________________________________________________ 54 Figura 17. Laminado con el nombre del ciudadano. _________________________________ 55 Figura 18 (a). Microtexto que contiene el nombre y fecha de registro del ciudadano alrededor de la fotografía ubicada en el anverso. ____________________________________________ 55 Figura 18 (b). Microtexto que describe el nombre completo del ciudadano alrededor de la zona para firma ubicada en el anverso. ____________________________________________ 55 Figura 19 (a). Anverso del nuevo modelo de la Credencial para Votar con fotografía. _____ 56 Figura 19 (b). Reverso del nuevo modelo de la Credencial para Votar con fotografía. _____ 56 Modelo 1992 Modelo 2001 ____________________________________________________ 57 Figura 20 (a). Principales diferencias visibles de la credencial para votar (anverso) ______ 57 Modelo 1992 Modelo 2001 ____________________________________________________ 57 Figura 20 (b). Principales diferencias visibles de la credencial para votar (reverso) _______ 57 Figura 21. Pantalla principal del sistema. __________________________________________ 59 Figura 22. Ejemplo de una credencial para votar con fotografía. _______________________ 60 Figura 23. Fotografía extraida. ___________________________________________________ 60 Figura 24. Ventana que muestra el resultado de la extracción de los datos. _____________ 61 Figura 25. Ventana de análisis de la trama de seguridad. _____________________________ 62 9 Figura 26. Ventana de análisis de la: (a) Imagen analógica, (b) Imagen digital. ___________ 62 Figura 27. Ventana de análisis del holograma. ______________________________________ 63 Figura 28. Resultado del análisis._________________________________________________ 63 Figura 29. (a) Imagen digitalizada a cero grados; (b) imagen digitalizada a seis grados. ___ 64 Figura 30. Dispositivo que permite inclinar la credencial a seis grados respecto a la horizontal. ____________________________________________________________________ 64 Figura 31. Medidas calculadas de las credenciales para votar. ________________________ 65 Figura 32. Diagrama general del sistema. __________________________________________ 67 Figura 33. Diagrama de bloques del proceso de recorte del área de interés. _____________ 68 Figura 34. Área de interés de la credencial. ________________________________________ 69 Figura 35. Diagrama de bloques del proceso para extraer la fotografía de la credencial. ___ 69 Figura 36. Máscara para el realzado de la imagen. ___________________________________ 70 Figura 37. Fotografía segmentada. ________________________________________________ 70 Figura 38. Diagrama de bloques del proceso para extraer los textos. ___________________ 71 Figura 39. Imagen original (a); Umbralado (b); Etiquetado (c); Área ocupada por cada objeto (d); y Perímetro de cada objeto (e). _______________________________________________ 72 Figura 40. Rasgos correspondientes del 10 al 13. ___________________________________ 73 Figura 41. Tipo de imágenes (a) digital (b) analógica. ________________________________ 74 Figura 42. Diagrama de bloques para determinar el tipo de impresión de la fotografía. ____ 74 Figura 43. Imagen que muestra el área de estudio para el primer rasgo de la imagen resultante si la imagen es (a) digital; (b) analógica. __________________________________ 75 Figura 44. Imagen que muestra el área de estudio para el segundo rasgo: (a) digital; (b) analógica. ____________________________________________________________________ 75 Figura 45. Diagrama para detectar la resolución de la imagen digital.__________________ 76 Figura 46. Imágenes cuadradas con puntos impresos con diferentes resoluciones espaciales. ___________________________________________________________________ 77 Figura 47. Diagrama para extraer la trama de seguridad. _____________________________ 79 Figura 48. Fotografía Original. ___________________________________________________ 79 Figura 49. Imagen realzada. _____________________________________________________ 80 Figura 50. Trama segmentada. ___________________________________________________ 80 Figura 51. Extracción del rasgo 1. ________________________________________________ 81 Figura 52. Extracción del los rasgos 2 y 4. _________________________________________ 81 Figura 53. Extracción del rasgo 3. ________________________________________________ 81 Figura 54. Extracción del rasgo 5. ________________________________________________ 82 Figura 55. Holograma impreso en la credencial para votar con el logotipo del Padrón Electoral (a); idem con el logotipo del Instituto Federal Electoral (b). ___________________ 83 10 Figura 56. Diagrama de bloques para la segmentación del holograma en la credencial para votar. ________________________________________________________________________ 83 Figura 57. Parte del holograma del Padrón Electoral a segmentar. _____________________ 83 Figura 58. Parte del holograma a identificar. _______________________________________ 84 Figura 59. Diagrama de bloques de la metodología para segmentar el holograma del Padrón Electoral. _____________________________________________________________________ 85 Figura 60. Máscara de Prewitt utilizada para detectar líneas verticales en una imagen. ____ 85 Figura 61. Diagrama de bloques de la metodología para segmentar el holograma del Instituto Federal Electoral. ______________________________________________________________ 86 Figura 62. ¿Aparece en la imagen a cero grados? ___________________________________ 87 Figura 63. ¿Aparece en la imagen a seis grados y corresponde a la figura? _____________ 87 Figura 64. ¿Aparece en la imagen a cero grados? ___________________________________ 87 Figura 65. ¿Aparece en la imagen a seis grados y corresponde a la figura? _____________ 87 Figura 66. Determinar el ángulo de las líneas. ______________________________________ 88 Figura 67. Diagrama de bloques de la arquitectura del sistema. _______________________ 91 Figura 68. Credenciales para votar con fotografía. __________________________________ 92 Figura 69. Extracción de las fotografías. ___________________________________________ 92 Figura 70. Resultados a partir de los textos. ________________________________________ 93 Figura 71. Resultados a partir de los textos. ________________________________________ 94 Figura 72. Resultado del análisis de la fotografía. ___________________________________ 95 Figura 73. Resultado del análisis de la fotografía. ___________________________________ 95 Figura 74. Resultado del análisis de la fotografía. ___________________________________ 96 Figura 75. Resultado del análisis de la fotografía. ___________________________________ 97 Figura 78. Resultado del análisis de la credencial para votar con fotografía del modelo 1998. _____________________________________________________________________________ 99 Figura 80. Credencial de elector apócrifa número uno. ______________________________ 100 Figura 81. Fotografía de la credencial de elector apócrifa número uno. ________________ 100 Figura 82. Análisis de texto impreso en la credencial._______________________________ 101 Figura 83. Resultado del análisis de la fotografía. __________________________________ 102 Figura 84. Análisis de la trama de seguridad. ______________________________________ 103 Figura 85. Análisis del holograma. _______________________________________________ 103 Figura 86. Resultado final. ______________________________________________________ 104 Figura 87. Credencial de elector apócrifa número dos. ______________________________ 105 Figura 88. Fotografía del “propietario” de la credencial de elector apócrifa número dos. _ 105 Figura 89. Análisis del texto. ____________________________________________________ 106 Figura 90. Resultado del análisis de la fotografía. __________________________________ 107 11 Figura 91. Análisis de la trama de seguridad. ______________________________________ 108 Figura 92. Análisis del holograma. _______________________________________________ 108 Figura 93. Resultado final. ______________________________________________________ 109 12 Capítulo I Introducción Resumen En este capítulo se mencionan los objetivos generales y particulares planteados, el problema a resolver, la justificación, y las contribuciones y los aportes que se realizaron en este trabajo de tesis. Finalmente, se expone el contenido por capítulos del trabajo de tesis. 13 1. Introducción La Credencial para Votar con fotografía es un documento expedido por el Instituto Federal Electoral (IFE), de carácter autónomo, destinado para sufragar el voto en las elecciones federales y estatales durante la elección popular de sus representantes en México y como un documento NO oficial para la identificación de los mexicanos. Es la única identificación válida que se emite al mayor de edad para realizar las operaciones bancarias, transacciones monetarias e incluso para identificarse al entrar a los centros nocturnos y comprar cigarros o alcohol dentro del país. Este documento lo poseen aproximadamente 66 millones de mexicanos. En la actualidad, las credenciales para votar se falsifican y se alteran con datos apócrifos para cometer fraudes patrimoniales. Con una credencial falsa, alterada o con datos que no corresponden a la persona que la tramitó, los delincuentes pueden vaciar la cuenta bancaria de una persona, así como vender o hipotecar una casa que no es suya. También los delincuentes pueden comprarse carros, equipos de cómputo y electrodomésticos a nombre de otra persona, a la que endeudan sin que lo sepa. Con una credencial de elector alterada o falsa, se pueden cometer más de 15 tipos de delitos, de acuerdo con reportes de la Fiscalía Especializada para la Atención de Delitos Electorales en México (FEPADE). Desde hace más de cinco años se han documentado casos de falsificaciones de credenciales para votar y fraudes cometidos por bandas que han sido descubiertas por las autoridades. Una credencial falsa o alterada lo mismo sirve para que un indocumentado cruce el país hacia Estados Unidos sin problemas, o para que alguien cobre el pago de una extorsión telefónica a través del sistema de "dinero en minutos" [1]. Según el Código Penal Federal de México, en su artículo 411, las penas por la falsificación del documento van desde los tres a los siete años de prisión y multa de setenta a doscientos días de salario mínimo [2]. Esta información, sobre el artículo 411, aparece en el formato que cada ciudadano llena y firma al solicitar su credencial para votar. 1.1 El problema a resolver Existen diversos candados o medidas de seguridad dentro de la credencial para votar introducidos en su diseño con el fin de dificultar su falsificación [3]. Por lo tanto, este trabajo se propone verificar algunas medidas de seguridad de las credenciales para votar con fotografía, que de una forma rápida y robusta permita verificar la autenticidad de las mismas. 14 1.2 Justificación La ignorancia de las personas y la falta de comunicación por parte del gobierno y de la sociedad sobre estas cuestiones, permiten que haya bandas delictivas que realicen documentos falsos y cometan actos fuera de la ley. Es necesario divulgar todo este tipo de información a la sociedad en general, para que así todos conozcan lo necesario al respecto y eviten ser engañados para utilizar la credencialpara votar con fotografía o algún otro documento apócrifos. En la República Mexicana existen “peritos” especializados en detectar este tipo de delitos. Estos expertos en la materia de la documentoscopía son los encargados de determinar si un documento es falso o auténtico, analizando cada una de las características y candados o medidas de seguridad que pudiera contener el documento explorado. Hasta ahora no se tiene documentado un trabajo que detecte la autenticidad de la credencial para votar con fotografía analizando sus elementos de seguridad y sus características técnicas mediante el uso de la visión por computadora. En este trabajo de tesis se pretende mostrar una robusta metodología para analizar la trama de seguridad, la fotografía y el holograma impreso en la credencial para votar y con ello autentificar con robustez su validez a partir de la verificación de un mínimo de características extraídas de las mismas. 1.3 Objetivos A continuación se enumeran los objetivos general y particular para este trabajo de tesis: 1.3.1 Objetivo general Desarrollar un sistema que detecte la autenticidad del holograma y la trama de seguridad en la fotografía impresos en las credenciales para votar con fotografía. 1.3.2 Objetivos particulares • Creación de las condiciones necesarias para obtener en forma digital, la información del anverso de las credenciales de elector con fotografía mediante escáner. • Creación de la base de datos requerida para almacenar la información obtenida a partir del escaneado del anverso de credenciales reales. • Ubicación automática de la fotografía dentro de la credencial. • Ubicación automática de la posición del holograma dentro de la credencial. • Detección y extracción de la trama de seguridad que aparece sobre la fotografía y su análisis. • Detección de la presencia del holograma en la credencial y su análisis. 15 • Determinación de la autenticidad de la credencial para votar con fotografía sobre la base de los resultados de los dos análisis anteriores. 1.4 Hipótesis El sistema será capaz de identificar con robustez y de una manera amigable y sencilla para el usuario, si una credencial para votar con fotografía es auténtica o apócrifa sobre la base de los resultados de los análisis de la trama de seguridad y el holograma. 1.5 Medios utilizados Para obtener las imágenes digitales de la credencial para votar, se utilizó un escáner de alta resolución de la marca Hewlett Packard (HP) Scanjet 8200, un disco duro portátil con una capacidad de 500gb a 5400 revoluciones por minuto (rpm) con cable USB, para almacenar las imágenes digitales y un dispositivo de hecho con cartoncillo y terciopelo negro construido para inclinar la credencial adecuadamente y así hacer “visible” el holograma. 1.6 Contribuciones y publicaciones Durante el desarrollo del presente trabajo de tesis se han hecho las siguientes contribuciones y publicaciones. 1.6.1 Contribuciones La principal contribución hecha con este trabajo de tesis es el poner a disposición de las autoridades un sistema, único en México, que decide sobre la autenticidad de la credencial para votar con fotografía al analizar la trama de seguridad ñeque aparece sobre la fotografía, el holograma de seguridad impreso sobre la mica y, adicionalmente, la autenticidad de la misma foto, sobre la base de las características con las que fue plasmada en la credencial para votar con fotografía. Una contribución imprescindible para lograr los resultados correspondientes, es el dispositivo construido con el propósito de que el holograma se haga visible al ser digitalizada la credencial para votar. Finalmente, se han creado y probado las correspondientes metodologías que se describirán más adelante destinadas para: Segmentar la trama de seguridad impresa; Segmentar y detectar el holograma de la credencial para votar con fotografía; Y adicionalmente: Determinar si la impresión de la fotografía es digital o analógica. 16 Determinar, si es digital, si la resolución espacial de la misma es de 800 puntos por pulgada o no. 1.6.2 Publicaciones Estas consisten en reportes técnicos y ponencias en congresos nacionales e internacionales, todos llevados a cabo en México. 1.6.2.1 Reportes técnicos del CIC Durante el desarrollo de esta tesis y como resultado de la investigación realizada, se publicaron los dos siguientes reportes técnicos: “Características y elementos de seguridad en la credencial para votar con fotografía”, Sánchez Islas Samuel; Felipe Riverón Edgardo Manuel, Deloya Cruz José de Jesús. Serie Azul, número 233, registro ISBN 978-970-36-0485-2, marzo 2008, 22 páginas. “La importancia del microtexto como candado de seguridad”, Deloya Cruz José de Jesús; Felipe Riveron Edgardo Manuel, Sánchez Islas Samuel, Serie Azul, número 234, registro: ISBN 978-970-36-0484-5, marzo 2008, 19 páginas. 1.6.2.2 Ponencias en congresos Para exponer gradualmente los resultados que fueron obteniéndose durante el desarrollo del trabajo, se hicieron en congresos nacionales e internacionales las siguientes presentaciones orales: • 4to Congreso Internacional Tendencias Tecnológicas en Computación 2008, Análisis y verificación de la trama de seguridad visible en la credencial para votar con fotografía, Samuel Sánchez Islas y Edgardo Manuel Felipe Riverón, Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico en Cómputo (CIDETEC), Instituto Politécnico Nacional, México, Distrito Federal, octubre de 2008. • 5to Congreso Internacional de Ingeniería Electromecánica y Sistemas (CIIES), Metodología para determinar la validez de la trama de seguridad en la Credencial para Votar con fotografía mediante filtros pasa-altas, Samuel Sánchez Islas y Edgardo Manuel Felipe Riverón, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME) Unidad Zacatenco del Instituto Politécnico Nacional, México, Distrito Federal, noviembre de 2008: • 19na. Reunión de Otoño de Comunicaciones, Computación y Electrónica ROCC 2008, Determinación de la autenticidad de la trama de seguridad en la Credencial para Votar con fotografía, Samuel Sánchez Islas y Edgardo Manuel Felipe Riverón, Acapulco, Guerrero, México, diciembre de 2008. • 17th International Conference on Computing, A morphological-based method to determine the kind of media (analogical or digital) used to print id-photographs, 17 Samuel Sánchez Islas, Edgardo Manuel Felipe Riverón y Salvador Godoy Calderón, Centro de Investigación en Computación, México, Distrito Federal, diciembre de 2008. • 10th Conference on Computing CORE 2009, A methodology to determine the resolution of the photograph printed in the Mexican Id-Card, Samuel Sánchez Islas, Edgardo Manuel Felipe Riverón y Salvador Godoy Calderón, Centro de Investigación en Computación, México, Distrito Federal, mayo de 2009. 1.7 Organización del documento Este trabajo está estructurado en seis capítulos. El primero, denominado Introducción, menciona la situación actual respecto de la credencial para votar con fotografía, la cual presenta el origen del problema a resolver con la tesis, su justificación, los objetivos general y particulares que se persiguen, las contribuciones realizadas y la relación de los reportes técnicos realizados y los congresos asistidos. El segundo capítulo detalla lo que es la documentoscopía, de donde nacen los escritos y los primeros estudios documentales hechos para garantizar su autenticidad, es decir, las técnicas que se aplican comúnmente dentro de la documentoscopía para determinar si un documento es legítimo o apócrifo. El tercer capítulo se divide en dos secciones; en la primera se exponen las definiciones y conceptos relacionados con el mejoramiento de imágenes, la segmentación y la clasificación de patrones aplicados en el desarrollo de esta tesis. La segunda sección se refiere a la descripción técnica de la credencial de elector para votar con fotografía,tanto desde el punto de vista geométrico como óptico, describiéndose en detalle los candados o medidas de seguridad que se verifican y estudian dentro de esta tesis. El cuarto capítulo explica en detalle las metodologías creadas para el análisis de la credencial para votar con fotografía, a saber, las metodologías para segmentar, extraer las características y clasificar la trama de seguridad, el holograma, y adicionalmente la fotografía del propietario de la credencial y los textos relacionados con ella. En el quinto capítulo se describen los experimentos hechos con credenciales auténticas y algunas apócrifas creadas particularmente para este trabajo, y se muestran los resultados obtenidos en cada una de las etapas de procesamiento, segmentación y clasificación de los patrones hallados en las credenciales y sobre esa base se muestra la evaluación general hecha al sistema. Finalmente, el capítulo seis incluye las conclusiones finales, las limitaciones del trabajo desarrollado y el trabajo futuro a resolver. 18 Capítulo II Estado del arte Resumen En este capítulo se da una breve explicación de lo que es la Documentoscopía, sus orígenes, conceptos y las diferentes formas de falsificar un documento, los primeros estudios en documentos, así como algunas técnicas para determinar su autentificación, las limitaciones de la misma documentoscopía y la descripción de algunos sistemas para la verificación de documentos. 19 2. La Documentoscopía 2.1 Introducción El sistema de justicia competente necesita ocasionalmente, auxiliarse de especialistas que, por su experto conocimiento y especialización, puedan ilustrar sobre determinadas materias ajenas al concreto saber judicial en particular. Con esto, el órgano jurisdiccional pretende obtener una opinión (valoración técnica), sobre aspectos concretos que concurren en los hechos y que en última instancia alcanzarán o no una relevancia en un proceso judicial y sobre conocimientos no jurídicos que probablemente se van a manifestar en el juicio a través de la denominada prueba pericial. En la elaboración de este tipo de pruebas conviven, en la realidad de la práctica jurídica, las que provienen de los profesionales independientes formados en esta materia, junto con las confeccionadas por los integrantes de los laboratorios oficiales [4]. 2.2 Antecedentes Desde tiempos muy antiguos, el hombre ha tratado de dejar impreso su pensamiento de diversas formas y dejar una marca en la historia de su paso por el mundo. Frente a la cultura oral inicial, cuya única depositaria era la memoria, con el nacimiento de la escritura se dio paralelamente la utilización de diferentes soportes y el desarrollo de muy diversas técnicas para realizarla. Así, al principio, el hombre primitivo empleó dibujos y símbolos rudimentarios en piedra que representaban escenas o instantes de caza, armas, creencias, etc. Estos dibujos, denominados rupestres, son considerados una forma de protoescritura (Figura 1). Figura 1. Pinturas rupestres. 20 Fueron los egipcios quienes perfeccionaron estos dibujos hasta convertirlos en un verdadero lenguaje escrito, que sería el origen de lo que hoy conocemos como alfabeto. Sin embargo, este sistema era complicado y, por lo tanto, poco práctico para operaciones comerciales. Es por eso que el pueblo fenicio comenzó con la simplificación de los miles de caracteres ideográficos egipcios, para convertirlos en construcciones silábicas, es decir, cada símbolo representaba una sílaba concreta y de la combinación de éstas, surgiría la representación de una palabra. Este fue lógicamente, el paso previo necesario para llegar a la escritura de caracteres alfabéticos que utilizamos actualmente en la cultura occidental, la cual llegó de mano de los griegos, con algunos aportes posteriores, como los signos de puntuación, creados para facilitar, ordenar y amenizar la lectura, fruto del intelecto de Alejandrino, gramático del siglo primero antes de la era cristiana. En la figura XX se muestra el desarrollo de la escritura al paso de los siglos. Si bien al principio el conocimiento y uso de la escritura estaba reservado a las clases sociales superiores, con el devenir del tiempo su uso se fue expandiendo. Con el invento de la imprenta de tipos móviles por Johannes Gutenberg (Figura 2) a mediados del siglo XV, proliferó la circulación de libros y manuscritos y con ello, el conocimiento por parte del vulgo del idioma escrito. Este hecho, además de los beneficios a nivel cultural, educacional, comercial, etc., trajo como consecuencia negativa la difusión de técnicas dolosas de falsificación y adulteración de documentos, que evolucionaban a medida que desarrollaba el grafismo como medio de comunicación. Figura 2. Imprenta fabricada por Johannes Gutenberg. 21 2.2.1 Primeros estudios documentales Hay quienes sostienen que los primeros en establecer medidas de seguridad en documentos a los fines de preservar su integridad y contenidos, fueron los cristianos durante la escritura y traducción de las Sagradas Escrituras. Lo cierto es que los primeros estudios documentales fueron motivados por el interés histórico, naciendo así la Paleografía y la Diplomática, artes que tienden a la lectura y a la averiguación de la autenticidad de los documentos antiguos. Michon quien es considerado el padre de la grafología [5], en 1875 enunció algunas leyes acerca de los signos gráficos, buscando en ellos una forma en las letras que pudieran revelar la franqueza o la mentira, la generosidad o la avaricia, el amor por el trabajo o la pereza. Estas leyes, dicho sea de paso, fueron infortunadas y desvirtuadas más adelante por Crépieux-Jamin [6] y otros investigadores, entre los que se puede contar a Edmond Sollange Pellat [7], grafólogo francés que enunció desde 1927 algunos principios de la expresión gráfica en su célebre monografía “Les lois de l’Écriture” [7] en donde menciona entre otras cosas, la relación que existe entre la influencia de nuestro cerebro y la manera de realizar un trazo al momento de escribir. Aunque los principios de Pellat [7] pueden considerarse como postulados básicos de la función grafomotriz como leyes del grafismo manual, no deben ser considerados en sentido estricto como leyes de la grafología. Mucho después de Pellat se han enunciado otros principios rectores de la actividad grafomanual, entre los que se pueden citar los de Buquet [8], Saudek [9] [10], Michaud [11], etc.; todos ellos forman parte de los antecedentes de lo que hoy se conoce como Documentoscopía. Todos coinciden en lo siguiente acerca de la grafología: 1. Control cerebral de la actividad gráfica o “ley del impulso cerebral. El gesto gráfico está sometido a la influencia inmediata del cerebro. El órgano que escribe no modifica la forma de aquél, si funciona normalmente y está lo bastante adaptado a su función”. 2. Conciencia y automatización del movimiento. “Cuando uno escribe, el yo está en acción, pero el sentimiento casi inconsciente de esta actuación pasa por alternativas cuando tiene que realizar un esfuerzo, es decir, en los comienzos, y el mínimo cuando el movimiento de la escritura viene secundado por el impulso adquirido, o sea, en los finales”. 3. Ley de la señal del esfuerzo. “No se puede modificar voluntariamente en un momento dado la escritura natural sin dejar en su trazado la señal del esfuerzo realizado para lograr el cambio”. 4. Evasión del movimiento automático. “El que escribe en circunstancias en que dicho acto le es particularmente difícil, traza instintivamente, o bien formas de letras que le son más habituales, o bien formas más sencillas y fáciles de construir”. Los estudios de estos precursores han sido expresados de diferentes maneras por diferentes autores, en diferentes épocas. Sin embargo, todos ellos coinciden en que toda 22 persona posee una escritura propia ydiferente de las demás, principio de base científica corroborado a través del tiempo que sirve como fundamento a la hora de realizar un análisis dirigido a determinar autoría gráfica de un texto o firma. Saudek [9] [10] expresaba, además, que no se pueden disimular o modificar todos los elementos de la grafía habitual; así mismo, el intento de cambio deja señales en el escrito que pueden ser detectadas por el experto. Conviene señalar también que, a diferencia de los autómatas, la escritura de una persona está sujeta a cambios, temporales o permanentes, originados por diversos factores endógenos y exógenos; la tarea del experto, consiste entonces en atribuir, según su atender y los principios de la ciencia, cuáles de estas diferencias pueden ser relacionadas a modificaciones accidentales o naturales y cuáles a causas fraudulentas. 2.3 Estado del arte 2.3.1 Definición de Documentoscopía El vocablo Documentoscopía es una formación híbrida, esto es, del latín documentus y del griego copain, que es la disciplina relativa a la aplicación práctica y metódica de los conocimientos científicos, teniendo como objetivo el verificar la autenticidad o determinar la autoría de los documentos [12]. En otra definición, se tiene que la Documentoscopía es la técnica que trata de establecer, mediante una metodología propia, la autenticidad de escritos y documentos, y determinar, cuando sea posible, la identidad de sus autores [13]. Su campo de actuación es muy amplio, abarcando la investigación de todo tipo de documentos con el fin de tratar de determinar su autenticidad o falsedad. En México, específicamente, la Procuraduría General de la República (PGR), define la Documentoscopía como la disciplina encargada del análisis de un documento a fin de determinar su autenticidad, falsedad o posible alteración [14]. Tomando en cuenta las definiciones anteriores, se puede construir una definición propia: “La Documentoscopía es la disciplina que se encarga del análisis de un documento con la finalidad de determinar su autenticidad, falsedad o alteración. Esta disciplina no indica quién fue el autor o el momento en que fue alterado, para lo cual existen otras ciencias que se dedican a estos estudios”. La Documentoscopía utiliza dos premisas: “Origen” (naturaleza del documento) y “Autenticidad” (si es falso o no). Mientras las armas de fuego y los cadáveres le “hablan” a los técnicos especializados en la materia, los documentos también tienen su propio lenguaje, de manera que el experto 23 tiene la responsabilidad de “interpretar” correctamente todo aquello que un documento pueda revelarle. 2.3.2 ¿Qué estudia la Documentoscopía? Como anteriormente se mencionó, esta disciplina estudia la autenticidad de un documento definiéndolo como: Toda información que se puede entender, interpretar y quedar escrita en el tiempo. Una maqueta, se puede considerar un documento siempre y cuando se tengan conceptos suficientes para interpretar la información. Pero no todos los documentos pueden ser interpretados o analizados para determinar su autenticidad. Existen algunos que son estudiados en mayor detalle por expertos o peritos, ya que de manera delictiva no se sabe qué nuevas cuestiones aparecerán o qué nuevos documentos pretendan falsificar para obtener beneficios propios o dañar a un tercero: a) Producciones manuscritas. Implican el estudio de textos y de firmas. La naturaleza de los documentos donde se plasman las producciones es de lo más variada, abarcando desde el anónimo con amenazas, hasta la firma en la escritura notarial, pasando por la escritura y firma que aparece en un cheque, la firma de la aceptación de una letra de cambio, los textos de las recetas de los médicos, las pinturas en muros y paredes, etc. b) Documentos mercantiles. Los cheques bancarios, cheques de viajero, letras de cabio, pagarés, etc. El estudio en este caso no recae sobre los manuscritos de los mismos, sino que afecta a cualquier otro tipo de manipulación fraudulenta de que hayan sido objeto (“lavado” con algún químico, información eliminada, añadidos, intercalados, confección íntegramente falsa del documento, etc.). c) Documentos de identidad. Pasaporte (nacional y extranjeros), Documento Nacional de identidad (DNI), cartas de identidad extranjeras, títulos de viaje; en México, las credenciales para votar con fotografía, etc. La manipulación más habitual de que suele ser objeto este tipo de documentos por parte del falsificador, consiste en la sustitución de la fotografía del titular en el documento auténtico. Muchas veces, es acompañada por la modificación de la fecha de nacimiento, con el fin de acomodar tal extremo a la apariencia física del sujeto que aparece en la fotografía; también modifican el nombre, la dirección, entre otras cosas. La conducta indicada puede implicar la imitación parcial de las marcas de sello húmedo o seco, que suelen afectar la fotografía del titular. También puede presentarse, si bien no de forma habitual dada la dificultad que conlleva, la falsificación integral de documentos de identidad. d) Documentos cuyos textos están confeccionados por procedimientos mecánicos. Máquinas de escribir (primera y segunda generación), impresoras, procedimientos de artes gráficas, etc. La pericia que suele desarrollarse en este terreno y en especial en lo que se refiere a las máquinas de escribir electrónicas e impresoras (ya que son los casos que se presentan con mayor 24 frecuencia), presenta una serie de dificultades, no siempre superables, provocadas por la avanzada tecnología empleada en las mismas, lo que las convierte en instrumentos de una precisión extraordinaria. e) Otros Documentos. Documentos consistentes en billetes de banco, tarjetas de crédito, permisos de conducción nacionales y extranjeros, billetes de lotería, cupones, vales, tarjetas de transporte público, estudios sobre marcas de sellos tanto húmedos como secos, etc. La mayor incidencia de alteraciones fraudulentas dentro de este grupo de elementos mencionados a modo de ejemplo, recae especialmente sobre el papel moneda, que se fabrica de manera engañosa mediante sistemas de offset y fotocopiadoras de alta resolución de color. 2.3.3 Formas y técnicas de modificación Existen diversas técnicas para realizar modificaciones a un documento. Según la clasificación de Velásquez Posada (2004) [15], las manipulaciones pueden afectar el “animus” (afectan el contenido ideal o informativo) o el “corpus”, entendido este último como las características fisicoquímicas y/o gráficas del documento, es decir, sus elementos alegóricos (emblemas, signos, letras, etc.); el sustrato material (grafito, tinta, etc.) o bien el soporte físico del mismo (papiro, pergamino, papel, etc.). Dentro de este último grupo se encuentran las manipulaciones fisicoquímicas y las grafonómicas. Por otro lado, Val Latierro propone la siguiente clasificación [16]: Tabla 1. Clasificación de las técnicas de clasificación. Modificaciones Naturales Permanentes Sin interés pericial Transitorias Causas materiales Papel, pluma, tinta, posición, violenta o reforzada, ojos cerrados, frío, calor, etc. Causas somáticas (Corporales) Edad, sexo, cansancio, enfermedades (corazón, asma, alcoholismo, hemiplejia, fiebre, etc.) Causas temperamentales Causas psicológicas Alegría, cólera, locura, disimulo, impaciencia, miedo, odio, etc. Educación y ambiente Profesión (religiosos, militares, notarios, abogados, médicos, maestros, etc.) y familia Modificaciones Falsificación Escrito sin firma 25 Fraudulentas simple Escrito con firma de persona que existió o que existe Escrito con firma de persona irreal Falsificación por imitación Medios mecánicos Transparencia, calco, recorte y composición Asimilación de grafía Previa maniobra mecánica (borrado, raspado, lavado) Interpolación (Por parte del texto) Imitación completaFalsificación por disimulo Alterando elementos del grafismo Variando la posición de la pluma Variando la posición del brazo Variando la inclinación del papel Escritura con mano no-hábil Escritura temblona Escritura tipografiada Alteraciones fraudulentas Eliminación de palabras o letras borrando, raspando o lavando con ingredientes químicos Tachado o emborrado Retoque (clarificar) o enmienda (recomendar) Modificaciones Mixtas Mano forzada (se obliga al escribiente) Mano llevada (ayuda en el trazo) Mano inerte (abandono total de la mano) 2.3.4 Bases técnicas sobre las que se articulan los exámenes documentoscópicos Existen diversos estudios y metodologías para determinar si un documento es falso o es auténtico, basados en el conocimiento previo que se puede tenerse acerca del mismo. A continuación se mencionan algunas técnicas. 26 2.3.4.1 Pericia grafocrítica Antes de mencionar los métodos principales del grafismo es necesario tomar en consideración dos aspectos. El primero, la escritura es una manifestación personal del ser humano e irrepetible por terceros, que como consecuencia viene a representarlo y a diferenciarlo de los demás. Y el segundo, las numerosas vertientes por las que se desarrolla el estudio del grafismo y que reciben denominaciones distintas en función de la finalidad perseguida. Las diferentes ramas del grafismo se pueden clasificar: de la siguiente forma [17]: a) Grafopsicología o grafología. Denominación que se le otorga a los estudios del grafismo encaminados a establecer aspectos psicológicos del autor de la muestra escritural. b) Grafocrítica. Término empleado para hacer referencia a los exámenes acerca de la autenticidad o no, del documentos moderno. c) Diplomática. Denominación que se da al estudio del grafismo para establecer la autenticidad o no, del documento antiguo. d) Grafofisiología. Tiene como finalidad el conocimiento de aspectos fisiológicos del sujeto relacionados con la escritura [18]. e) Grafoscopía. Es la disciplina que se encarga del estudio de la escritura y las firmas para determinar la autoría de las mismas, así como la identificación de los sujetos a partir de las características de su escritura y de su firma. f) Grafometría. Se refiere al análisis gráfico que tiene por objeto descubrir los caracteres cuantitativos proporcionales que definen un escrito, y que el falsificador no puede modificar porque no son aparentes; Caligrafía, o arte de escribir bellamente, Criptografía o escritura clave, etc. [19]. De entre los numerosos métodos existentes, el grafonómico quizás sea el que más ventajas pueda presentar en la labor de identificación. No obstante, el especialista no debe descartar el acudir a otro método con la finalidad de adquirir, si es necesario, plena convicción acerca de la autoría de la producción gráfica objeto de pericia [20]. 2.3.4.2 Pericia documental La pericia documental se refiere al examen de los documentos con la finalidad de establecer la presencia o no de irregularidades o manipulaciones de naturaleza fraudulenta, y en consecuencia, determinar la autenticidad o falsedad de los elementos de seguridad. El método de análisis que se sigue en la elaboración de los estudios de esta naturaleza, se estructura en dos fases perfectamente diferenciadas. La primera lleva a cabo una minuciosa observación del elemento de seguridad; la segunda, compara detalladamente el elemento con las características originales, todo ello con el auxilio del instrumental adecuado. 27 A través de la observación se efectúa una valoración del documento objeto de pericia, de manera que se puedan constatar sus características generales. La primera observación que se hace es la macroscópica, que aunque puede resultar obvia, arroja desde un primer momento la impresión que se tiene sobre el objeto. Posteriormente, la observación se enfoca al análisis de los aspectos que muestran detalles, la que necesariamente deberá practicarse con el auxilio de instrumental técnico. El especialista necesita auxiliarse de una serie de medios técnicos, los que son fundamentales para poder valorar los aspectos que la observación macroscópica a simple vista (sin ayuda de instrumento alguno) no alcanza a percibir. Los conocimientos de los diversos métodos y técnicas no serán suficientes si no se dispone de este apoyo tecnológico. La minuciosidad del estudio no solo va a reparar en extremos significativos relacionados con la elaboración del documento, sino que se va a recrear también en el análisis de la textura y trama del papel, su flexibilidad o consistencia, grosor, etc.; los sistemas de impresión utilizados, calidad, color, fijación y respuestas de las tintas ante diferentes fuentes de iluminación; la calidad y perfección de los textos impresos; la calidad de las leyendas y/o motivos del fondo de seguridad, etc. Con base en el estudio o análisis anterior, se obtiene una base absolutamente objetiva para considerar en principio que el documento analizado es apócrifo o auténtico. El resultado que el especialista ha obtenido deberá ser avalado por el resultado de la comparación del elemento analizado con otro fehacientemente auténtico de idéntica clase. Esto es debido a que la observación macroscópica y de detalle facilita la información sobre la presencia en el elemento controvertido de una serie de medidas, que entran dentro lo que se puede denominar “medidas estándar de confección y seguridad” en la elaboración del documento. Las medidas no deben concurrir en la confección de todos y cada unos de los elementos auténticos de similar naturaleza y en el mismo número (por ejemplo, en el caso de los pasaportes de diferentes países), sino deben estar en función de las directrices de las autoridades competentes en cada caso; tales documentos podrán llevar incorporados más o menos sistemas que garanticen su seguridad. Si no fuera posible el cotejo al que se hace referencia, la prudencia y el juicio objetivo del especialista deben obligarle a establecer sus conclusiones con un mínimo de reservas, ya que se considera que la constatación de la presencia de medidas de seguridad estándar en el documento son un indicio muy importante que apunta hacia su autenticidad. El siguiente estudio va de lo general a lo particular y de la constatación de que nos hallamos ante un “formato” auténtico de soporte, a la exploración encaminada a detectar la presencia de irregularidades de carácter fraudulento, que recaigan sobre aspectos esenciales del elemento a peritar. Por consiguiente, si se plantea la solicitud de la autoridad judicial acerca de la autenticidad o falsedad de un pasaporte de un país extranjero, el primer paso será determinar si se halla o no ante un formato auténtico de documento de esa clase. En el supuesto que no sea así, el estudio se da por finalizado, estableciéndose como conclusión que se trata de un documento íntegramente falso; en caso contrario, cuando el estudio revela que se está ante un formato auténtico, el examen abordará la observación minuciosa de aspectos puntuales, con el fin de revelar o no la presencia de irregularidades fraudulentas que recaigan sobre extremos esenciales del documento. 28 2.3.5 Limitaciones de la Documentoscopía Como toda disciplina, ésta no siempre tiende a ser exacta, ya que se basa en una serie de supuestos en los que las distintas metodologías y técnicas no siempre encuentran una solución confiable, o simplemente son insuficientes por sí solas para resolver de forma categórica la cuestión planteada. 2.3.5.1 Documentos creados mediante sistemas de reprografía: Fotocopias El análisis documentoscópico siempre debe recaer sobre elementos originales, ya que las medidas que se han acordado en calificar de “estándar de confección y seguridad”, en ningún caso las vamos a encontrar en una reproducción de esta naturaleza. El especialista a través de su examen lo único que podrá determinares que se encuentra ante una reproducción originada mediante este sistema, sin que en principio pueda efectuar valoraciones posteriores. No obstante, esta afirmación debe ser matizada, dado que en determinadas ocasiones la constatación de que se encuentra ante una fotocopia es suficiente para afirmar que el elemento analizado es falso (por ejemplo, un billete de banco). La valoración efectuada es aplicable a la reproducción o confección de un documento mediante sistemas informáticos (impresiones digitales de alta resolución). 2.3.5.2 Superposición de trazos La problemática que representa la superposición de trazos, ha sido y seguirá siendo un asunto cuya resolución no es siempre posible, y más en estos tiempos donde los componentes de las tintas son similares. La dificultad adquiere diversos grados en función de la naturaleza del cruzamiento en el que se encuentre, ya que cabe distinguir entre superposición homogénea y heterogénea. La primera se produce con el empleo de útiles de escritura semejantes (bolígrafo y bolígrafo, lápiz y lápiz); y la segunda, que a su vez puede ser simple o compleja, se origina, por ejemplo, en el caso de la denominada simple, con la intersección de trazos fijados por dos plumas que contienen tintas diferentes, y en el caso de la denominada compleja, con la intersección de dos trazos que han sido fijados con instrumentos de tipos diferentes, como por ejemplo, un trazo de lápiz con un trazo de bolígrafo, o un trazo de tinta con un texto mecanografiado. En esta cuestión, muchas veces se provoca que la dificultad del análisis en la superposición homogénea, da lugar a grandes controversias por la concurrencia de los trazos encontrado. En cualquier caso, la precaución a la hora de que se apliquen los diversos exámenes debe ser extrema. “Una cautela especial es necesaria en la determinación de la secuencia de las líneas de diferentes espesores o diferentes intensidades de color. Una línea pasada u oscura siempre parecerá estar por encima de una línea leve o vaga cuando se cruzan, y una línea pálida o de color claro siempre parecerá correr debajo de una línea negra en un cruzamiento” [9]. Existen diversas técnicas que pueden ser aplicadas para abordar la resolución del problema anterior, como es la utilización de microscopios especiales, luces infrarrojas, ultravioletas y el análisis químico de las tintas impresas dentro del documento. 29 2.3.6 Algunos sistemas de verificación de documentos Hoy en día existen diversos procedimientos para poder determinar si un documento es auténtico o falso. Algunas de estas metodologías han sido automatizadas para facilitar el trabajo de verificación en documentos de identidad nacional (DNI), validar cheques, billetes de banco, documentos notariales, etc. Existe un sistema denominado “Sistema de Verificación de Documentos (SVD)”, creado por la empresa TELVENT [21], el cual menciona que es una solución integral para el análisis de documentos de identificación; éste permite detectar automáticamente posibles falsificaciones y facilita la captura de los datos del portador del documento. Es una empresa a crear soluciones en diversas áreas de la tecnología. Las características de este sistema son las siguientes: Sistema y software basado en arquitectura Web. Verificación automática de las medidas de seguridad para comprobar la autenticidad de los documentos. Cuenta con su propio escáner que contiene luz invisible, infrarroja, ultravioleta y coaxial. Extracción automática de la fotografía. La verificación consiste en la ejecución de las acciones predefinidas para cada modelo de documento orientadas a la detección de falsificaciones o incidencias del mismo (caducidad de documentos, datos inconsistentes, etcétera). Estas medidas utilizan la información capturada del documento (imágenes y datos) y la almacenada en el repositorio para ese modelo de documentos. Realiza comparaciones entre imágenes, coherencia de datos del MRZ (Mechanical Reading Zone - Zona de Lectura Mecánica), comparación geométrica, etc. [22]. De igual manera se encuentran otros tipos de sistemas que permiten analizar ciertos documentos para determinar su autenticidad, como los billetes y cheques, en los cuales se analizan los caracteres OCR (Reconocimiento óptico de caracteres), las firmas y el microtexto que puedan aparecer impresos en el papel. 30 Capítulo III Conceptos básicos y definiciones Resumen En este capítulo se explicarán los diversos conceptos y definiciones que se utilizaron durante la investigación, desde las relacionadas con la credencial para votar con fotografía hasta los conceptos utilizados en la formalización de la metodología desarrollada para decidir sobre la autentificación de la misma. 31 3.1 Sección 1. Análisis de imágenes El sistema de visión es el mecanismo sensorial de percepción más importante en el ser humano, aunque evidentemente no es exclusivo, ya que una capacidad visual no impide el desarrollo de ciertas actividades mentales mediante otros órganos sensoriales (oído, tacto, voz). El interés de los métodos de procesamiento de imágenes digitales se fundamenta en dos áreas principales de aplicación: a) mejoramiento de la calidad de las imágenes para la interpretación humana; b) procesamiento de los datos de la escena para la percepción visual autónoma de las máquinas computadoras. Con el propósito de dotar a las máquinas de un sistema de visión autónomo aparece el concepto de visión artificial. En la mayoría de los sistemas la capacidad sensorial de la visión es complementada con otros mecanismos sensoriales tales como detectores alcance o proximidad, [23]. Posteriormente es necesario realizar una integración multisensorial para completar el proceso de percepción global. Una de las primeras aplicaciones del mejoramiento de la calidad de las imágenes fue su tratamiento al enviarlas por cable submarino entre Londres y Nueva York para su publicación en periódicos. La introducción del sistema de transmisión de imágenes por cable a través del Atlántico a principio de los años 20, conocido como sistema Bartlane, redujo el tiempo de transmisión de más de una semana a menos de tres horas. Inicialmente, el sistema era capaz de codificar imágenes en 5 niveles de gris distintos, capacidad que se vio a aumentada a 15 niveles hacia 1929. Las mejoras en los métodos de transmisión de imágenes continuaron durante los siguientes 35 años [24]. No obstante, la aparición de las primeras computadoras digitales y los primeros programas espaciales en los Estados Unidos, impulsaron los conceptos del procesamiento de imágenes de una forma significativa. En 1964 se utilizaron técnicas computacionales en el Jet Propulsion Laboratory (Pasadera, California) para mejorar las imágenes de la Luna enviadas por la sonda espacial Ranger 7. Estas técnicas sirvieron como base para los métodos de mejora empleados en misiones posteriores, por ejemplo, las series Mariner a Marte y Apolo a la Luna. Desde 1964 hasta nuestros días, el campo del procesamiento de imágenes ha desarrollado enormemente. Las técnicas de procesamiento se usan ahora para resolver una gran variedad de problemas. Aunque a menudo no relacionados, esos problemas requieren comúnmente métodos capaces de realzar y extraer la información contenida en las imágenes para su análisis e interpretación por parte de los humanos. En cualquier caso se contemplan tanto técnicas de mejoramiento de la calidad de las imágenes como técnicas relativas a la percepción de máquina. Desde una perspectiva general, la visión artificial o visión por computadora es la capacidad de la máquina para “ver” el mundo que le rodea, o más precisamente, para deducir la estructura y las propiedades del mundo real tridimensional a partir de una o más imágenes bidimensionales. 32 Para realizar el proceso de visión artificial se puede utilizar elsiguiente flujo de información con el fin de reconocer de manera automática los objetos presentes en una imagen digital (Fig. 3). Figura 3. Diagrama para el reconocimiento automático de objetos. Pre-procesador. Tiene como objetivo mejorar la calidad de la imagen para futuros tratamientos. La idea es permitir que las etapas posteriores del análisis tengan mayores posibilidades de éxito. Aplica filtros u otros métodos para reducir la influencia del ruido u otras distorsiones normalmente presentes en la imagen. Este módulo también es usado para reducir el efecto de las transformaciones geométricas sobre la imagen, por ejemplo, el causado por la óptica del sistema de captación. El segmentador. Busca dividir la imagen en un conjunto de sub-imágenes con la finalidad de que cada sub-imagen se aproxime en lo posible a la región que ocupa cada uno de los objetos presentes en la misma. En el caso más simple de objetos aislados contrastantes con el fondo de la imagen, el proceso de división es relativamente sencillo de realizar. Sin embargo, en el caso general de objetos complejos que se solapan entre ellos en un fondo no homogéneo; el proceso de segmentación es, muy difícil de realizar. El extractor de rasgos. Aplica operadores sobre una imagen segmentada o no segmentada, permitiendo identificar objetos que ayudarán en la formación de hipótesis sobre la presencia de un objeto dado en la escena correspondiente. Los rasgos usados por el sistema dependen del tipo de objetos a ser reconocidos, así como de la estructura del banco de modelos utilizada. El generador de hipótesis. Utiliza los rasgos extraídos de una imagen para asignar pesos a los objetos presentes en la escena. Módulo verificador. Usa los modelos de los objetos contenidos en el banco de modelos para verificar las hipótesis generadas por el módulo generador de hipótesis. Busca refinar las certidumbres de los objetos. El sistema entonces selecciona el o los objetos con las más altas certidumbres, basándose en evidencias para marcarlos como los correctos [25]. 33 3.1.1 Resolución espacial Intuitivamente, el valor de la resolución espacial es un parámetro que permite detectar los más pequeños detalles discernibles en una imagen. Cuantitativamente, la resolución espacial puede ser definida de diferentes maneras; dos de ellas muy comunes son como pares de líneas por unidad de longitud, y como puntos (píxeles) por unidad de longitud. Supongamos que se construye una tabla con líneas en color blanco y negro alternadamente, cada una con un ancho W (W puede ser inferior a 1). El ancho de cada par es 2W, y hay 1/2W líneas por unidad de longitud. Por ejemplo, si el ancho de una línea es de 0.1mm, hay 5 pares de líneas por unidad de longitud (mm). Una definición ampliamente utilizada de la resolución de la imagen es el mayor número de pares de líneas discernibles por unidad de longitud (por ejemplo, 100 pares de líneas por mm). Los puntos por unidad de longitud es una medida de la resolución espacial de la imagen comúnmente utilizada en la impresión y en la industria editorial. En los EE.UU., esta medida generalmente se expresa en puntos por pulgada (ppp). Para dar una idea de la diferencia de calidad, los periódicos imprimen con una resolución de 75ppp; 133ppp en revistas; folletos brillantes en 175ppp, y algunos libros se imprimen en 2400 ppp [26]. Figura 4. Tipos de resolución espacial en impresiones digitales. 3.1.2 Resolución de niveles La resolución de niveles es el número máximo posible de niveles que puede tener cada píxel en una imagen una vez digitalizada (bits/punto). Es una medida de la cantidad de niveles de cuantificación posibles en una imagen digital. 3.1.3 Digitalización de imágenes El término digitalización se puede asociar de una manera clara, a la forma en que una imagen, texto, fotos, formas, sonido, movimiento, etc., se pueden convertir en una forma comprensible para las computadoras digitales. En general, las señales exteriores que hacen posible la identificación de las imágenes en su estado natural, se transforman en código binario (0s y 1s). 34 Para digitalizar las imágenes que usaremos en este trabajo se utilizará un escáner de color, que es un periférico diseñado para registrar caracteres escritos o gráficos en forma de fotografías o dibujos impresos, y que facilitan su introducción en la computadora al convertirlos en información binaria comprensible para ésta. El funcionamiento de un escáner es similar al de una fotocopiadora. Se coloca el elemento a copiar sobre un cristal, bajo el cual existen una lente especial y espejos que al barrer fila a fila la imagen existente en el elemento (papel, fotografía, etc.); se convierte en una sucesión de unos y ceros los cuales se introducen ordenadamente en la computadora. Para mejorar el funcionamiento del sistema informático cuando se están registrando textos, los escáneres se asocian a un tipo de software especialmente diseñado para el manejo de este tipo de información en código binario llamados de OCR (Optical Character Recognition o Reconocimiento Óptico de Caracteres en español), que permiten reconocer e interpretar los caracteres obtenidos del escáner en forma de una matriz de puntos, con el fin de identificar los caracteres que el subsistema está leyendo. 3.1.4 Realzadores de bordes basados en la primera y segunda derivadas El objetivo principal del realce de bordes es el de destacar los bordes y detalles finos de una imagen que aparezcan difuminados en ella, bien sea por error o bien por efecto natural del método usado para la captura de la imagen [27]. El realce de una imagen aumentará su contraste y alterará convenientemente los colores originales de la misma. Las utilidades de realce de las imágenes son variadas e incluyen aplicaciones que van desde la impresión electrónica, hasta el mejoramiento de las imágenes médicas y de control de calidad industriales e incluso para la detección autónoma de los objetivos en las armas inteligentes. Para la implementación del realce se utilizan, igualmente que para el suavizado, técnicas basadas en la aplicación de filtros. 3.1.4.1 Filtros pasa-altas Los filtros pasa-altas son los que solamente dejan pasar los cambios bruscos de intensidad, mientras que eliminan o minimizan los cambios suaves o graduales. En general, los cambios bruscos de intensidad se producen en los bordes de los objetos. Por esto, los filtros pasa-altas son adecuados para resaltar estos bordes [28]. Estos filtros se aplican a las imágenes mediante la convolución de las mismas con máscaras específicas creadas para ello. Cuando la máscara se encuentra sobre una zona con niveles de gris semejantes, la salida proporcionada por la máscara será 0 (cero) o próxima a este valor. Normalmente, al aplicar este tipo de filtro la imagen resultante podría tener valores de intensidad negativos. Como solo debemos considerar los niveles de gris positivos, los resultados del filtrado de las frecuencias bajas necesariamente implican un re-escalado o cambio de escala para que al final los niveles de gris queden dentro del rango de 0 a 255. Las máscaras pasa-altas de 3 x 3 píxeles más utilizadas para el realce son las siguientes: 35 1 -2 1 -1 -1 -1 0 -1 0 -2 4 -2 -1 8 -1 -1 4 -1 1 -2 1 -1 -1 -1 0 -1 0 Pasa-altas 1 Pasa-altas 2 Pasa-altas 3 Las máscaras anteriores no son las únicas que producen este efecto, pero sí son las más extendidas en su uso. Sin embargo, se pueden diseñar máscaras propias. Las siguientes máscaras son ejemplos propios: -2 0 -2 -1 -2 -1 0 8 0 -2 12 -2 -2 0 -2 -1 -2 -1 En estas máscaras, llamadas propiamente pasa-altas, hay que destacar que la suma algebraica de sus coeficientes es igual a cero. Así, cuando la máscara está sobre una zona de la imagen de poco contraste o con pequeña variación de sus niveles de gris (baja frecuencia), la salida dela máscara es igual a cero. Esto se traduce en que las zonas homogéneas, independientemente del nivel de gris, son pasadas a un mismo nivel (el cero), con lo que eliminamos de la imagen la información correspondiente a la baja frecuencia. Además, eliminar los términos de baja frecuencia produce una disminución de la media de los niveles de gris, reduciendo significativamente el contraste global de la imagen. 3.1.4.2 Realce de las altas frecuencias Ya hemos dicho que la información de los detalles está contenida en las componentes de alta frecuencia espacial. La información de los detalles en la imagen incluye los bordes y en general se corresponde con características de la imagen que ocupa espacialmente pequeñas zonas de la credencial. Esta información es visualmente importante porque delimita los objetos y sus bordes, así como su textura. El filtrado con filtro pasa-altas para el realce requiere normalmente de alguna forma de posprocesamiento, tal como la ecualización del histograma, con el fin de crear una imagen de un aceptable buen contraste. Sin embargo, el filtrado con filtro pasa-altas prácticamente no se usa en solitario para el realce, sino que forma parte de algoritmos de realce mucho más complejos. De forma aislada se usa generalmente para destacar los bordes de los objetos, aunque desafortunadamente se pierde una gran parte de la información visualmente interesante al eliminar las componentes de baja frecuencia. Los detectores de borde usan aproximaciones de máscaras de convolución en el dominio espacial equivalentes a un filtrado pasa-alto en el dominio de la frecuencia. Este problema 36 resuelve que con el filtrado de realce de alta frecuencia, se conserve parte de la información de baja frecuencia al añadir un offset a la función del filtro. La imagen filtrada pasa-altas puede obtenerse como la diferencia entre la imagen original y una versión filtrada pasa-bajas de esa imagen (Ecuación 1). Pasa-altas = Original – Pasa-bajas. (1) Multiplicando la imagen original por un factor de amplificación, A, se obtiene la definición de un filtro de énfasis de alta frecuencia: Énfasis de alta frecuencia = A* Original – Pasa-bajas (2) Énfasis de alta frecuencia = (A-1)*Original + (Original - Pasa-bajas) (3) Énfasis de alta frecuencia = (A-1)*Original + Pasa–altas (4) Para un valor de A = 1, el resultado es un pasa-altas estándar; cuando A > 1, parte de la imagen original se añade al resultado del pasa-altas que restaura parcialmente las componentes de baja frecuencia perdidas. El resultado es que la imagen resultante se parece más a la imagen original, con un grado de realce de los bordes que depende del valor de A. El proceso general de sustraer una imagen borrosa de una original como aparece en la ecuación (2), se denomina en inglés unsharp masking (enmascaramiento no agudo) [24]. En términos de implementación, el resultado precedente puede realizarse con la siguiente máscara de convolución. -1 -1 -1 -1 x -1 -1 -1 -1 Donde x =9*A-1 con A>0. El valor de A determina la fortaleza del filtro. Un valor de A = 1 resulta ser un filtro de alta frecuencia puro con el que aparecen solamente los bordes; para valores de A < 1 la imagen resultante aparece como un negativo de la imagen original, mientras que con valores de A>1 el realce es notable. Se pueden utilizar máscaras de mayor dimensión, como por ejemplo, una máscara de 7 x 7 píxeles con el valor central x = 49*A-1. 3.1.4.3 Realce de las imágenes en colores El realce de las imágenes en colores se puede realizar de la manera expuesta hasta ahora, al operar sobre cada uno de los tres planos que componen una imagen de color en 37 el modelo de color RGB. La máscara de realzado provoca que en general los colores de la imagen aumenten sus niveles de intensidad, acercándose al valor máximo de 255 en todos los planos. La figura 5 muestra el proceso descrito anteriormente para una imagen en colores. Para enfatizar una imagen de color Figura 5 (a) se convoluciona la imagen original con una mascara Figura 5 (b) con coeficientes negativos alrededor del píxel central positivo, con la suma de todos los coeficientes mayor que cero; posteriormente, la imagen resultante Figura 5 (c) se suma algébricamente píxel a píxel con la imagen original para recuperar los detalles perdidos en el filtrado y así obtener la imagen enfatizada en colores Figura 5 (d). Este procedimiento requiere de un escalado de los niveles para llevarlos todos a valores entre cero y 255. 3.1.5 Procesamiento de imágenes mediante operaciones morfológicas La morfología matemática está basada en la geometría y la forma. Las operaciones morfológicas simplifican la imagen y preservan la principal forma de los objetos. La morfología matemática usa la teoría de conjuntos, los resultados de la geometría integral y la topología [29]. La morfología matemática puede utilizarse, entre otras, para las siguientes tareas: Suavizar los bordes de una región. Esto es útil, por ejemplo, si se necesita mejorar la calidad de un borde, ya que usando técnicas estándares de segmentación, los bordes pueden presentar irregularidades debidas tanto al proceso de captura como a la presencia de ruido aditivo. 38 Figura 5. Realce de una imagen en colores. Separar regiones que el proceso de segmentación presenta unidas. Unir regiones que se han separado durante la segmentación. Como consecuencia de los dos puntos anteriores, facilitar el cómputo de regiones de una imagen. 3.1.5.1 Transformación Sombrero de Copas (Top-Hat) Una de las principales aplicaciones de esta transformación es eliminar los objetos de una imagen usando un elemento de estructura en las operaciones de la apertura o clausura sobre los objetos que no quepan en ella. Entre otras, la transformación top-hat es usada para limpiar los objetos claros ubicados en un fondo oscuro, en cuyo caso recibe el nombre de White top-hat. Un uso común de la transformación top-hat es para corregir los efectos de la iluminación no homogénea en las imágenes. La transformada top-hat en una imagen en escala de grises f es definida como la imagen original f menos su apertura (Ecuación 5). (5) Donde: es la apertura morfológica. La apertura de A por un elemento de estructura B denotado A o B, está definida como (Ec. 2 ): 39 (6) Por lo tanto la apertura de A por B es la erosión de A por B, seguida de la dilatación del resultado con el mismo elemento de estructura B. La apertura generalmente suaviza el contorno de un objeto, rompe estrechos istmos y elimina detalles específicos de la imagen [29]. La erosión está definida como (Ecuación 7): (7) La dilatación está definida como (Ecuación 8): (8) 3.1.6 Reconocimiento de patrones El reconocimiento de patrones es la disciplina científica cuyo objetivo es la clasificación de los objetos en un cierto número de categorías o clases. Dependiendo de la aplicación, esos objetos pueden ser imágenes, formas de onda de señales o cualquier tipo de medidas que necesiten ser clasificadas. El punto esencial del reconocimiento de patrones visuales es la clasificación de una señal según sus características. Señales, características y clases pueden ser de cualquiera forma; por ejemplo, se pueden clasificar las imágenes digitales de las letras mayúsculas en las clases «A» a «Z» dependiente de la distribución de los píxeles que las conforman o se pueden clasificar los sonidos producidos por los cantos de los pájaros en clases de órdenes aviares dependiente de las frecuencias de los mismos. El objetivo es clasificar patrones con base en un conocimiento a priori de los patrones o de alguna información estadística extraída de los mismos. Los patrones a clasificar suelen ser grupos de medidas u observaciones, definiendo puntos en un espacio multidimensional apropiado. Un sistema de reconocimiento de patrones completo consiste
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