Báo cáo xử lý ảnh nhận dạng vân tay

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH _ BÀI BÁO CÁO CÁ NHÂN CHỦ ĐỀ: NHẬN DẠNG VÂN TAY GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: LÊ HOÀNG THÁI SINH VIÊN THỰC HIỆN: NGUYỄN ĐỖ YẾN CHI – N18DCCN022 1 Giới thiệu Dấu vân tay đại diện lớp biểu bì ngón tay: bao gồm mơ hình đường vân rãnh đan xen • lịch sử phát triển Cuối kỷ XVI, kỹ thuật vân tay khoa học đại lần khởi xướng Năm 1686, Marcello Malpighi, giáo sư giải phẫu học trường đại học Bologna, ghi nhận tác phẩm diện đường vân, đường xoắn ốc vòng lặp dấu vân tay năm 1880, Henry Fauld, người đề xuất cách khoa học tính cá nhân dấu vân tay dựa quan sát thực nghiệm Vào cuối kỷ 19, Ngài Francis Galton ơng giới thiệu tính nhỏ để đối sánh dấu vân tay Năm 1899, Edward Henry, thiết lập “hệ thống Henry” phân loại dấu vân tay Vào đầu kỷ 20, nhận dạng dấu vân tay thức chấp nhận phương pháp nhận dạng cá nhân hợp lệ trở thành thói quen tiêu chuẩn pháp y Cảm biến vân tay Trước đây, ứng dụng thực thi pháp luật, việc thu thập hình ảnh dấu vân tay thực cách sử dụng gọi "kỹ thuật mực": ngón tay đối tượng phết mực đen ép vào thẻ giấy; thẻ sau quét cách sử dụng máy qt giấy thơng thường, tạo hình ảnh kỹ thuật số Loại trình gọi thu nhận dấu vân tay ngoại tuyến cảm biến ngoại tuyến Ngày nay, hầu hết AFIS (hệ thống nhận dạng vân tay tự động) dân hình chấp nhận hình ảnh kỹ thuật số quét trực tiếp thu cách cảm nhận trực tiếp bề mặt ngón tay máy quét vân tay điện tử Phương pháp không cần dùng mực tất đối tượng phải làm ấn ngón tay vào bề mặt phẳng máy quét quét trực tiếp Bộ phận quan trọng máy quét dấu vân tay cảm biến (hay phần tử cảm biến), thành phần hình thành nên hình ảnh dấu vân tay Hầu tất cảm biến có thuộc ba họ: quang học, trạng thái rắn siêu âm • Cảm biến quang học: Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) kỹ thuật thu thập quét trực tiếp lâu đời sử dụng nhiều Ngón tay chạm vào mặt lăng kính thủy tinh, đường vân tiếp xúc với bề mặt lăng kính, rãnh khoảng cách định; mặt trái lăng kính chiếu sáng ánh sáng khuếch tán Ánh sáng vào lăng kính bị phản xạ thung lũng bị hấp thụ đường rãnh Việc thiếu phản xạ cho phép rặng núi bị phân biệt với thung lũng Các tia sáng thoát từ mặt phải lăng kính hội tụ qua thấu kính vào cảm biến hình ảnh CCD (charge coupled device) CMOS (complementary metal oxide semiconductor) • Cảm biến trạng thái rắn Cảm biến trạng thái rắn (còn gọi cảm biến silicon) bán thị trường vào năm 1990 Tất cảm biến dựa silicon bao gồm mảng pixel, pixel cảm biến nhỏ Người dùng trực tiếp chạm vào bề mặt silicon: không cần phận quang học cảm biến hình ảnh CCD / CMOS bên ngồi Bốn hiệu ứng có đề xuất để chuyển đổi thơng tin vật lý thành tín hiệu điện: điện dung, nhiệt, điện trường áp điện • Cảm biến siêu âm: Cảm biến siêu âm xem loại siêu âm Một đặc tính sóng âm khả xuyên qua vật liệu, tạo tiếng vang cục lần thay đổi trở kháng Cơ chế cảm biến dựa hấp thụ sóng âm khác đường vân rãnh (ridges and valley) vân tay phát lớp bên da Rút trích đặc trưng Trong hình ảnh dấu vân tay, đường vân (ridges ) tối rãnh sáng Các đường vân rãnh thường chạy song song với nhau; chúng phân đôi đơi chúng chấm dứt Khi phân tích cấp độ toàn cục, mẫu vân tay thể nhiều vùng nơi đường vân có hình dạng đặc biệt Các vùng (được gọi vùng kỳ dị vùng số ít) phân loại thành ba kiểu: vòng lặp, vùng đồng vùng xoáy 3.1 Định hướng tần suất sườn núi cục Hướng đỉnh cục điểm (x, y) góc θxy mà đường vân tay cắt ngang qua vùng lân cận nhỏ tùy ý có tâm (x, y), tạo với trục hoành Donahue Rokhlin, Ratha, Chen Jain, Bazen Gerez , đề xuất phương pháp tính tốn mạnh mẽ, dựa giá trị trung bình cục ước lượng gradient Tần số (hoặc mật độ) đường vân cục (local ridge) fxy điểm (x, y) số đường vân đơn vị chiều dài dọc theo đoạn giả định có tâm (x, y) trực giao với hướng đỉnh cục θxy Hong, Wan, Jain ước tính tần suất sườn núi cục cách đếm số pixel trung bình hai đỉnh liên tiếp mức xám dọc theo hướng bình thường so với hướng sườn cục Maio Maltoni mơ hình hóa đường rãnh cục bề mặt hình sin, dùng định lý biến thiên sử dụng để ước tính tần số chưa biết 3.2 Phân đoạn Phân đoạn gồm tách vùng dấu vân tay khỏi vùng hình ảnh dấu vân tay mẫu có vân, phương pháp phân ngưỡng ảnh cục tồn cục khơng cho phép lập vùng chứa dấu vân tay cách hiệu 3.3 Phát điểm Singularity Hoạt động dựa hình ảnh định hướng dấu vân tay Phương pháp poincaré tiếp cận thay để phát điểm Singularity, chúng phân loại theo: phương pháp dựa điểm cục hình ảnh, phương pháp dựa phân vùng, phương pháp phát lỗi đăng ký dấu vân tay 3.4 Cải tiến Hiệu suất tính tốn trích xuất chi tiết kỹ thuật nhận dạng vân tay phụ thuộc vào chất lượng hình ảnh vân tay đầu vào ( tình trạng da, cảm biến tiếng ồn, áp lực vân tay,…) Mục tiêu thuật toán nâng cao dấu vân tay cải thiện độ rõ nét cấu trúc đường vân vùng phục hồi phục hồi Kỹ thuật sử dụng để cải tiến hình ảnh dấu vân tay dựa lọc theo ngữ cảnh Theo ngữ cảnh lọc, đặc tính lọc thay đổi theo ngữ cảnh cục xác định hướng địa phương sườn núi tần suất sườn núi cục Một cách phù hợp lọc điều chỉnh theo tần số hướng đỉnh cục hiệu loại bỏ tiếng ồn không mong muốn bảo tồn cấu trúc vân rãnh 3.5 Trích điểm minutiae Hầu hết phương pháp đề xuất yêu cầu chuyển đổi hình ảnh thang xám vân tay thành hình ảnh nhị phân Các hình ảnh nhị phân thu trình binarization chuyển đến giai đoạn làm mỏng cho phép giảm độ dày đường sườn xuống pixel Cuối cùng, phép quét hình ảnh đơn giản cho phép phát pixel tương ứng với chi tiết nhỏ thơng qua tính tốn pixel khôn ngoan việc vượt qua số Một số tác giả đề xuất phương pháp chiết xuất chi tiết nhỏ hoạt động trực tiếp hình ảnh thang xám mà khơng cần phân tích làm mỏng Sự lựa chọn thúc đẩy cân nhắc sau: lượng thơng tin đáng kể bị q trình mã hóa nhị phân; làm mỏng giới thiệu số lượng lớn chi tiết giả mạo; hầu hết kỹ thuật binarization không mang lại kết khả quan áp dụng cho hình ảnh chất lượng thấp Maio Maltoni đề xuất kỹ thuật chiết xuất trực tiếp chi tiết vụn vặt quy mơ xám, có ý tưởng theo dõi đường sườn núi hình ảnh tỷ lệ Đối sánh (matching) 4.1 Các kỹ thuật dựa tương quan Gọi I (∆x, ∆y, θ) đại diện cho phép quay ảnh đầu vào I góc θ xung quanh điểm gốc (thường tâm ảnh) dịch chuyển điểm ảnh ∆x ∆y theo hướng x y tương ứng (hình 4.1) Trong đó: CC(T,I) = TTI tương quan chéo T I Tương quan chéo thước đo độ tương tự hình ảnh mức tối ưu hóa cơng thức (hình 4.1) cho phép tìm đăng ký tối ưu 4.2 Phương pháp dựa minutiae Các chi tiết nhỏ trích xuất từ hai dấu vân tay lưu trữ dạng tập hợp điểm mặt phẳng hai chiều Các thuật toán so khớp chi tiết nhỏ phổ biến coi chi tiết nhỏ ba m = {x, y, θ} cho biết tọa độ vị trí nhỏ (x, y) góc nhỏ θ Các vấn đề đối sánh vụn vặt thường giải vấn đề đối sánh mẫu điểm Các phương pháp tiếp cận dựa biến đổi Hough kỹ thuật sử dụng phổ biến để đối sánh chi tiết vụn vặt toàn cục Kỹ thuật biến đổi Hough chuyển đổi việc so khớp mẫu điểm với tốn phát đỉnh khơng gian Hough tham số biến đổi Nó tách biệt khơng gian tham số (∆x, ∆y, θ) tích lũy chứng không gian tùy chỉnh cách lấy tham số biến đổi liên quan đến hai tập hợp điểm cách sử dụng cấu trúc kỹ thuật đối sánh đối tượng Đối sánh toàn cục so với đối sánh cục cân tính đơn giản, độ phức tạp tính tốn thấp khả chịu biến dạng cao (đối sánh cục bộ) tính phân biệt cao (đối sánh tồn cục) 4.3 Các kỹ thuật dựa tính vân tay Lý khiến nhà thiết kế kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay phải tìm kiếm đặc điểm phân biệt dấu vân tay khác, điểm nhỏ: • việc trích xuất chi tiết vụn vặt từ dấu vân tay chất lượng khó khăn • khai thác chi tiết minutiae tốn thời gian • tính bổ sung sử dụng với tính nhỏ (và thay thế) để tăng độ xác mạnh mẽ hệ thống Một vectơ đặc trưng (được gọi Mã ngón tay) bao gồm bảng liệt kê có thứ tự đối tượng trích xuất từ thơng tin cục có lĩnh vực định tessellation Việc so khớp hai dấu vân tay sau chuyển thành khớp với Mã ngón tay tương ứng chúng, thực đơn giản cách tính tốn khoảng cách Euclid hai Mã ngón tay Đánh giá hiệu suất 5.1 Tạo vân tay tổng hợp Hệ thống tổng hợp hình ảnh dấu vân tay thực tế mơ hình hóa xác biến thể lớp khác hình ảnh dấu vân tay quan sát tự nhiên Hệ thống tạo “số lần hiển thị” thực tế “ngón tay ảo”, cách mơ phỏng: • Các khu vực ngón tay khác chạm vào cảm biến; • Biến dạng phi tuyến tính áp lực khơng trực giao ngón tay tạo chống lại cảm biến • Sự thay đổi độ dày đường vân cường độ áp suất ẩm ướt; • Vết cắt nhỏ đầu ngón tay loại tiếng ồn khác Kết luận 6.1 ứng dụng thực tế • Hệ thống kiểm sốt vào • Xác định danh tính tội phạm • Xác nhận điện thoại, tốn thẻ ATM 6.2 Ưu nhược điểm nhận dạng vân tay * Ưu điểm: • Độ bảo mật cao • Dễ dàng quản lý • Đầu xác cao * Nhược điểm • Có mối đe dọa tiềm ẩn hệ thống dấu vân tay (Tấn công kênh liên lạc; Tấn công mô-đun phần mềm cụ thể ; Tấn công sở liệu mẫu đăng ký; Đưa ngón tay giả vào cảm biến.) • Việc triển khai hệ thống khó khăn • Máy quét vân tay không hoạt động tay bẩn ướt Tài liệu tham khảo Handbook-of-Biometrics ... nhỏ để đối sánh dấu vân tay Năm 1899, Edward Henry, thiết lập “hệ thống Henry” phân loại dấu vân tay Vào đầu kỷ 20, nhận dạng dấu vân tay thức chấp nhận phương pháp nhận dạng cá nhân hợp lệ trở... thường, tạo hình ảnh kỹ thuật số Loại trình gọi thu nhận dấu vân tay ngoại tuyến cảm biến ngoại tuyến Ngày nay, hầu hết AFIS (hệ thống nhận dạng vân tay tự động) dân hình chấp nhận hình ảnh kỹ thuật... ảnh, phương pháp dựa phân vùng, phương pháp phát lỗi đăng ký dấu vân tay 3.4 Cải tiến Hiệu suất tính tốn trích xuất chi tiết kỹ thuật nhận dạng vân tay phụ thuộc vào chất lượng hình ảnh vân tay