Avances en el estudio, diseño y evaluación de sistemas interactivos multimodales en escenarios de seguridad biométrica

摘要

La Tesis que se presenta en este documento se enmarca dentro de dos áreas de investigación: la Biometría y la Interacción. Tradicionalmente en el ámbito de la Biometría la mayor parte de los estudios se han centrado en la evaluación de la eficacia de los distintos algoritmos y de las distintas técnicas y algoritmos empleadas en la tarea de identificación. Sin embargo, a pesar de la creciente madurez de estas tecnologías, su salto al gran público aconseja otro tipo de estudios 'centrados en el usuario'. Este es el trabajo que aborda esta Tesis. En primer lugar se ha realizado un análisis de las iniciativas más importantes para la definición y diseño de los sistemas interactivos. Mediante este estudio se han conseguido establecer algunos conceptos básicos de la interacción hombre-máquina, tales como, la multimodalidad (el uso de varias modalidades), la importancia de la selección y sincronización de las modalidades o la descripción del concepto de usabilidad (combinación de los aspectos de eficiencia, eficacia y satisfacción del usuario). Adicionalmente se señalan lagunas existentes en la evaluación de los sistemas interactivos para el campo de la Biometría. Posteriormente y soportado tanto por literatura especializada como por un proceso de reflexión propia se propone de manera justificada un entorno de experimentación y una metodología de trabajo para la evaluación de sistemas interactivos en escenarios de seguridad biométrica. Para ello se ha intentado potenciar las soluciones que aportan mayor flexibilidad al proceso de implementación y que se apoyan en recomendaciones y estándares existentes para planificar los experimentos y llevar a cabo los análisis de los resultados. Con todo ello se desarrollan tres experimentos: 1. Usabilidad de un sistema de acceso Web con autenticación biométrica (capítulo 5). En él se llevan a cabo pruebas con 43 usuarios sobre una aplicación web de control de acceso que utiliza tres tecnologías biométricas (huella, firma y voz). La experimentación se diseñó en base a las recomendaciones del organismo internacional IBG (International Biometric Group). Los análisis de la información obtenida reflejan algunas relaciones interesantes tales como la que se establece entre la facilidad de uso de las tecnologías y la seguridad percibida por los usuarios. 2. Estudio sobre la percepción y los aspectos interactivos asociados a un sistema multibiométrico Web (capítulo 6). Se plantea como continuación del anterior experimento. El servicio de control de acceso es similar aunque en este caso se requiere al usuario una identificación multibiométrica, es decir, con dos modalidades. Además se incluye una nueva modalidad, el reconocimiento de iris. En este estudio se profundiza en aspectos interactivos tales como la influencia de la falta de eficacia en la identificación o de los fallos en la captura de los rasgos biométricos sobre la percepción del sistema por parte del usuario. En este punto, se detecta una relación interesante, que ya se observa en el primer experimento, entre la seguridad y la facilidad de uso. También se explora la evolución tanto de las percepciones de los usuarios a lo largo del experimento como de las distintas estrategias de selección de las modalidades que adoptan los usuarios. Por _último, se plantea un análisis comparativo entre la población de usuarios que realizó las pruebas con un agente animado -ECA- (25 usuarios) y los que sólo eran guiados por mensajes de texto (20 usuarios). La comparación resalta la diferencia del impacto en la privacidad entre los dos grupos. 3. Evaluación de la influencia de un ECA en un sistema de identificación biométrica para dispositivos móviles (capítulo 7). En este experimento se avanza en el estudio de las capacidades de comunicación y habilidades emocionales de los agentes virtuales para diálogos de entrenamiento y verificación biométrica por voz. Para ello se propone un escenario de identificación biométrica vocal que simula las características de un dispositivo móvil y cuyo objeto es dar acceso a los usuarios a una aplicación de supervisión del estado de los electrodomésticos de un hogar. El experimento se vuelve a realizar de forma comparativa con dos grupos de usuarios (18 de ellos con un ECA y otros 18 guiados _únicamente por voz). A partir del análisis de la información obtenida se llega, principalmente, a dos conclusiones: la primera, que el ECA parece servir para mejorar el aprendizaje del flujo correcto del diálogo, al menos en los primeros momentos; la segunda, que un comportamiento más natural y emocional del ECA puede reducir el sentimiento de invasión de privacidad que anteriormente se hablá detectado. A la vista de las conclusiones alcanzadas en los experimentos se reafirma la necesidad de tener en cuenta los factores humanos para el diseño y planificación de servicios que cuenten con tecnologías de identificación biométrica. Como muestra de ello es destacable la relación que se ha observado entre la utilización de agentes virtuales y la sensación de los usuarios de perdida de privacidad. Este efecto parece desaparecer una vez que se dota al agente virtual de un papel más activo y con capacidades expresivas mayores. La investigación, tal como se ha resumido, apunta ésta y otras cuestiones relativas a la interacción de los usuarios con sistemas interactivos multimodales en escenarios de seguridad biométrica, al mismo tiempo que abre campos de trabajo de interés para la futura aceptación de esta tecnología por parte del gran público. udABSTRACT The framework of this Thesis consists of two research fields: Biometrics and Interaction. Regarding the biometric technology, most of the work to date has been focused in effectiveness evaluation of the different algorithms. However, the growing maturity of these technologies and their arrival to the general public advise another kind of 'user-centered' studies. This is the work which tackles this Thesis. Firstly an analysis of the state of the art about the most interesting initiatives for the definition of multimodal systems is carried out. Through this study we state the basic principles about the interaction such as the multimodality (i.e., the use of several modalities), the importance of the modalities selection and synchronization or the description of usability concept (combination of effectiveness, efficiency and subjective satisfaction). In addition to this and specifically for the Biometrics, we point some gaps in the evaluation of interactive systems. Regarding that we resume the most influential proposals of architectures and methodologies usually applied in the evaluation task. Secondly, based on the before specialized literature and self reflection, we proposed an experimental framework and methodology for the evaluation of interactive systems in biometric security environments. To that end, we have tried to promote the solutions which provide more flexibility to the implementation process and those where the experiment planning and results analysis are supported by recommendations and standards. All in all, we conduct three experiments: Usability of an access control system for Web through biometric authentication (chapter 5). We carried out tests with 43 users on a web application for controlling the access which uses the biometric technologies (fingerprint, signature and voice modality). The experiment was designed based on the recommendations of the international organization IBG (International Biometric Group). The analysis of the collected information reflects some interesting relations such as between the ease of use of the biometric technologies and the perceived security. Study of the perception and interactive aspects related with a multiobiometric web system (chapter 6). This experiment is continuation of the previous one. The authentication service is similar but, in this case, system requires to the user a multibiometric identification (two modalities) and it includes also a new technology: iris recognition. In this study we focus our attention in interactive aspects such as how the lack of identification effectiveness or the failures of capture affects to the user perception. In this respect, we identify, as it happened in the first experiment, the interesting relation between the security and the ease of use. We also explore the evolution of the user perception throughout the experiment and the different selection strategies which users adopt. Lastly, we carry out a comparative analysis between the population who use the interface which includes an animated agent -ECA, Embodied Conversational Agent- (25 users) and those who were only guided by text messages (20 users). The comparison highlights the difference between both groups for the privacy impact. Evaluation of the effects of an ECA on a biometric identification system for mobile devices (chapter 7). In this experiment we move forward on the study of ECA's communication capabilities and emotional skills for voice training and verification dialogues. To do this we propose a voice identification scenario which simulates the features of a mobile device (screen, size, interaction, etc.). Its main task is to guarantee to the user the access in a supervision service for electrical household appliances. The experiment is again carried out comparing two user groups (18 people with an interface which includes an ECA and 18 more who are guided just only by voice). From the information collected during the tests, mainly, we reach two conclusions: firstly, ECA might be useful for improving the learnability of the dialogue, at least in early stages; secondly, a more natural and emotional ECA's behaviour could be useful for reducing the negative feeling of privacy invasion which had been detected before. In light of the conclusions reached in these experiments we confirm the necessity of taking into account human factors for the design and planning of biometric identification services. In this sense we could point out the relation found between the virtual agents (ECAs) and the feeling of loss of privacy. This effect seems to disappear when the ECA has a more active role in the interaction and better expressive skills are implemented. This research, as it has been summarized, suggests these matters and others, relating to the user interaction with multimodal interactive systems in biometric identification scenarios. At the same time it opens new research lines which might improve the future acceptability of biometric technology for the general public.