Báo cáo xử lý ảnh

z HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠNG NGHỆ THƠNG TIN II CHỦ ĐỀ: NHẬN DẠNG VÂN TAY Mơn: Xử lý ảnh Giảng viên hướng dẫn: Lê Hoàng Thái Sinh viên thực hiện: Họ tên: Lê Danh Đằng MSSV: N18DCCN041 Lớp: D18CQCN02-N TP Hồ Chí Minh - 2021 Chương GIƠI THIÊU Dấu vân tay đại diện cho lớp biểu bì ngón tay: bao gồm mơ hình đường gờ rãnh đan xen Các gờ đầu ngón tay phát triển qua nhiều năm cho phép người cầm nắm đồ vật Giống thứ thể người, đường vân tay hình thành thơng qua kết hợp yếu tố di truyền môi trường Trên thực tế, hình thành dấu vân tay tương tự phát triển mao mạch mạch máu trình hình thành mạch Mã di truyền DNA đưa dẫn chung cách da hình thành thai nhi phát triển, cách thức cụ thể mà hình thành kết kiện ngẫu nhiên (vị trí xác thai nhi bụng mẹ thời điểm cụ thể thành phần xác mật độ nước ối xung quanh) Đây lý dấu vân tay cặp song sinh giống hệt khác Dấu vân tay hình thành đầy đủ (tức trở nên ổn định) vào khoảng bảy tháng phát triển bào thai cấu hình vân tay khơng thay đổi suốt đời cá nhân, ngoại trừ trường hợp tai nạn vết cắt đầu ngón tay Đặc tính khiến dấu vân tay trở thành định danh sinh trắc học hấp dẫn Dấu vân tay người phát số lượng lớn vật khảo cổ vật phẩm lịch sử Mặc dù phát cung cấp chứng cho thấy người cổ đại nhận thức tính cá nhân dấu vân tay, đến cuối kỷ XVI, kỹ thuật vân tay khoa học đại lần khởi xướng Vào năm 1686, Marcello Malpighi, giáo sư giải phẫu học trường đại học Bologna, ghi nhận tác phẩm diện đường gờ, đường xoắn ốc vòng lặp dấu vân tay Kể từ đó, số lượng lớn nhà nghiên cứu đầu tư nhiều công sức vào việc nghiên cứu dấu vân tay Henry Fauld, vào năm 1880, người đề xuất cách khoa học tính cá nhân dấu vân tay dựa quan sát thực nghiệm Đồng thời, Herschel khẳng định ông thực hành nhận dạng dấu vân tay khoảng 20 năm Những phát thiết lập tảng nhận dạng dấu vân tay đại Vào cuối kỷ 19, Ngài Francis Galton tiến hành nghiên cứu sâu rộng dấu vân tay; anh giới thiệu tính nhỏ để đối sánh vân tay vào năm 1888 Một bước tiến quan trọng nhận dạng dấu vân tay thực vào năm 1899 Edward Henry, người thiết lập “hệ thống Henry” tiếng phân loại dấu vân tay | Page 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 Các quan nhận dạng dấu vân tay thiết lập toàn giới sở liệu dấu vân tay tội phạm thành lập Các kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay khác nhau, bao gồm thu nhận dấu vân tay tiềm ẩn, phân loại dấu vân tay đối sánh dấu vân tay phát triển Ví dụ, phận nhận dạng dấu vân tay FBI thành lập, vào năm 1924, với sở liệu gồm 810,000 thẻ dấu vân tay Với mở rộng nhanh chóng nhận dạng vân tay pháp y, sở liệu vân tay hoạt động phát triển lớn đến mức nhận dạng vân tay thủ công trở nên không khả thi; chẳng hạn, tổng số thẻ dấu vân tay sở liệu dấu vân tay FBI 200 triệu tăng liên tục Với hàng nghìn yêu cầu nhận hàng ngày, nhóm 1300 chuyên gia dấu vân tay đưa phản hồi kịp thời cho yêu cầu Bắt đầu từ đầu năm 1960, FBI, Bộ Nội vụ Vương quốc Anh, Sở Cảnh sát Paris bắt đầu đầu tư nhiều công sức vào việc phát triển Hệ thống Nhận dạng Vân tay Tự động (AFIS) [29] Dựa quan sát cách chuyên gia dấu vân tay người thực nhận dạng dấu vân tay, ba vấn đề việc thiết kế AFIS xác định nghiên cứu: thu thập dấu vân tay kỹ thuật số, trích xuất đặc điểm đường vân cục đối sánh mẫu đường vân đặc trưng Những nỗ lực họ thành công đến mức ngày hầu hết quan thực thi pháp luật toàn giới sử dụng AFIS Các hệ thống cải thiện đáng kể suất hoạt động quan thực thi pháp luật giảm chi phí thuê đào tạo chuyên gia dấu vân tay người Công nghệ nhận dạng vân tay tự động nhanh chóng phát triển vượt ngồi ứng dụng pháp y vào ứng dụng dân Nhờ hiệu suất nhận dạng tốt thị trường Máy tính Cá nhân giá rẻ thiết bị thu thập ngày phát triển, hệ thống sinh trắc học dựa dấu vân tay trở nên phổ biến triển khai nhiều ứng dụng: ví dụ: Đăng nhập PC, thương mại điện tử, máy ATM, kiểm soát truy cập vật lý Chương PHÂN TÍCH VÀ BIỂU DIỄN 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 quét giấy thông thường, tạo hình ảnh kỹ thuật số cuối Loại trình gọi thu nhận dấu vân tay ngoại tuyến cảm biến | Page ngoại tuyến (xem Hình 1) Một trường hợp cụ thể cảm biến ngoại tuyến thu dấu vân tay tiềm ẩn từ trường vụ án Hình Hình ảnh dấu vân tay thu ngoại tuyến kỹ thuật mực in Ngày nay, hầu hết AFIS 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 live-scan (xem Hình 2) 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 FTIR kỹ thuật thu thập quét trực tiếp lâu đời sử dụng nhiều Ngón tay chạm vào mặt lăng kính thủy tinh, đường gờ 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 rãnh bị hấp thụ đường rãnh Việc thiếu phản xạ cho phép đường vân phân biệt với rãnh Các tia sáng thoát từ mặt phải lăng kính hội tụ qua thấu kính vào cảm biến hình ảnh CCD CMOS | Page Hình Ba máy quét dấu vân tay sử dụng FVC2006 hình ảnh thu thập qua máy ● Cảm biến trạng thái rắn Cảm biến trạng thái rắn (còn gọi cảm biến silicon) có mặt 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 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 | Page cục lần thay đổi trở kháng Công nghệ chưa đủ trưởng thành để sản xuất quy mô lớn Các kỹ thuật cảm biến hình ảnh đa quang thu nhận không chạm 3D phát triển để khắc phục số nhược điểm máy quét vân tay bao gồm: i) khó khăn thao tác với ngón tay ướt khơ, ii) da bị biến dạng gây áp lực ngón tay lên bề mặt máy qt iii) khơng có khả phát ngón tay giả Chất lượng máy quét dấu vân tay, kích thước vùng cảm nhận độ phân giải ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất thuật toán nhận dạng dấu vân tay Để tối đa hóa khả tương thích hình ảnh dấu vân tay kỹ thuật số đảm bảo chất lượng tốt dấu vân tay thu được, Cục Thơng tin Tư pháp Hình Hoa Kỳ đưa thông số kỹ thuật quy định chất lượng định dạng hình ảnh dấu vân tay máy quét ngoại tuyến / quét trực tiếp tuân thủ FBI (Phụ lục F G CJIS) Thật không may, thông số kỹ thuật nhắm đến ứng dụng pháp y (lĩnh vực AFIS) ngày thơng số kỹ thuật cuối tồn để đánh giá / chứng nhận máy quét vân tay thương mại Hướng tần suất vân cục Hướng vân cục điểm (x, y) góc θxy mà đường vân tay, cắt 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) vân cục fxy điểm (x, y) số lượng đường gờ đơn vị chiều dài dọc theo đoạn giả định có tâm (x, y) trực giao với hướng đỉnh địa phương θxy Hong, Wan, Jain ước tính tần số vân cục cách đếm số pixel trung bình hai vân liên tiếp mức xám dọc theo hướng bình thường so với hướng vân cục Trong phương pháp đề xuất Maio Maltoni, dạng vân mơ hình hóa cục bề mặt hình sin, định lý biến thiên sử dụng để ước tính tần số chưa biết | Page Hình Các bước trích xuất đặc điểm vân tay mối quan hệ chúng | Page Chương THUẬT TỐN TRÍCH CHỌN ĐẶC TRƯNG Thuật tốn dị cạnh mức xám : Thuật tốn dị theo cạnh đường vân mức xám ảnh vân tay đầu vào sử dụng lọc thích nghi có định hướng nơi cần thiết phải làm trơn ảnh Một điểm mạnh đáng ý việc dò theo cạnh đường vân tay đoạn thẳng tuyến tính Việc phát đường vân tay khơng phải tn theo điểm ảnh mà theo bước (từng đoạn) Do độ cong đường vân thay đổi nhiều điểm khác việc dị theo cạnh đường vân phải có khả thích nghi với độ cong đường vân Điều giúp tăng tốc độ việc dò cạnh nhiều đồng thời trì độ xác Một điểm khác thuật toán thao tác kiểm tra sau xử lý (hậu xử lý) Không giống với hầu hết phương pháp khác, phương pháp không dựa vào mối quan hệ vị trí điểm chi tiết đặc trưng mà dựa vào mối quan hệ kết nối đường vân mức độ tin cậy xác định điểm chi tiết đặc trưng Điều quan trọng ảnh vân tay bị nhiễu, có nhiều điểm chi tiết đặc trưng giả phát giai đoạn đầu xử lý Độ tin cậy cho phép phân biệt điểm chi tiết đặc trưng thật với điểm chi tiết đặc trưng giả quan trọng cho việc tăng độ xác việc nhận dạng vân tay Thuật tốn : Một ảnh vân tay mức xám I kích thước HxH xem bố cục có định hướng, chứa đựng đường vân phân cách với đường rãnh Đặt g(i,j) mức giá trị xám ảnh vị trí điểm ảnh (i,j) φ (i,j) hướng điểm ảnh với < g(i,j) r Dựa vào điều kiện này, việc phát điểm ngừng đường vân không phụ thuộc vào mức xám vùng ảnh hành, việc dị cạnh thực vùng ảnh sậm màu vùng ảnh có độ tương phản Điểm ngừng đường vân xác định giá trị cực đại cục không nằm vùng hữu hạn đường vân dị cạnh mà nằm đường vân khác Vì thuật tốn thực tốt giá trị mức xám độ tương phản không đồng vùng ảnh vân tay Trị số đường vân m I gắn liền với chi tiết đặc trưng với độ tin cậy chi tiết đặc trưng, sử dụng cho giai đoạn xử lý kiểm tra (hậu xử lý) Kiểm tra sau xử lý: Trong phần trước chi tiết đặc trưng xác định mà không quan tâm xem xét đến mối quan hệ mặt không gian kiến trúc chúng với chi tiết đặc trưng khác đường vân vùng lân cận Trong số có số chi tiết đặc trưng giả Trong thuật toán xác định chi tiết đặc trưng có sử dụng kết hợp kỹ thuật lọc low-pass giới hạn kích thước đường vân tối thiểu hợp lý nên giúp làm giảm số lượng chi tiết đặc trưng giả Các điểm đốm cô lập khơng xuất ảnh đường nét thuật tốn này, tương tự đoạn đường vân ngắn ốc đảo nhỏ Tuy nhiên đường vân đứt rời khoảng cách lớn vết bẩn không nối lại lọc làm trơn định hướng, tạo hai điểm ngừng giả Ngoài ra, tượng đường vân giao tràn mực, nhấn tay mạng tạo điểm phân nhánh giả Hơn nữa, đường vân khơng làm trơn tốt dẫn đến việc tạo đoạn gai nhỏ từ hình thành điểm ngừng điểm phân nhánh giả Các chi tiết đặc trưng giả loại bỏ cách dựa vào mối quan hệ không gian kiến trúc chúng, với đường vân vùng không gian lân cận Hình 7(a) mơ tả cặp chi tiết đặc trưng giả tạo đoạn gãy đường vân Hình (b-d) mô tả cặp chi tiết đặc trưng giả tạo đường vân giao từ việc tràn mực, ấn mạnh nhiễu Hình (e) mô tả cặp chi tiết đặc trưng giả tạo đường vân không làm trơn tốt Đường vân mức xám gắn liền với chi tiết đặc trưng giả hướng dò cạnh mơ tả hình 17 | Page Hình Một vài kiến trúc chi tiết đặc trưng giả tiêu biểu Hình Một vài kiến trức đặc trưng khơng xử lý Hình mơ tả vài kiến trúc chi tiết đặc trưng giả xảy giới thiệu Các kiến trúc tạo đường vân dày bị nhiễu Do thuật toán sử dụng lọc low-pass định hướng có ngưỡng tần số trực giao với hướng đường vân tính cho thích nghi với tần số đường vân nên kết đường vân dày bị nhiễu làm trơn tốt không bị chia thành hai đường vân tách rời Cả hai hình 8(b) 8(c) chứa đoạn đường vân ngắn, chúng hồn tồn loại kỹ thuật giới hạn chiều dài đường vân tối thiểu q trình dị cạnh đường vân Và trường hợp khơng có đoạn đường vân ngắn chi tiết đặc trưng b c hình 8(b) biến chi tiết đặc trưng a chi tiết đặc trưng thật Kiến trúc chi tiết đặc trưng giả hình (c) khơng có đoạn vân ngắn a-b thí chuyển thành kiến trúc mô tả hình (b-d) tùy thuộc vào q trình dị cạnh Tuy nhiên kiểu kiến trúc tạo hai chi tiết đặc trưng thật Nếu loại bỏ chi tiết đặc trưng có kiểu kiến trúc 18 | Page hình (d) vài chi tiết đặc trưng thật bị xóa Vì thế, có hai lý để xem xét kiến trúc mô tả hình kiến trúc chi tiết đặc trưng giả cần phải loại bỏ Một thuật toán phát chi tiết đặc trưng ngăn ngừa việc phát sinh kiểu kiến trúc chi tiết đặc trưng khác Hai giai đoạn kiểm tra hậu xử lý phải dựa thông tin tin cậy việc loại bỏ chi tiết đặc trưng giả với việc giữ lại chi tiết đặc trưng thật có tầm quan trọng Phần cốt lõi giai đoạn kiểm tra phải phân biệt chi tiết đặc trưng giả với chi tiết đặc trưng thật Nếu kiểu kiến trúc chi tiết đặc trung giả hình mơ tả cách đắn rõ ràng việc loại bỏ chi tiết đặc trưng giả công việc dễ dàng cách sử dụng mô tả kiến trúc chi tiết đặc trưng Trong thuật tốn dị cạnh đường vân có cung cấp hướng việc dò cạnh điểm chi tiết đặc trưng vị trí số đường vân gắn liền với chi tiết đặc trung Các thơng tin tin cậy để tạo mô tả kiến trúc chi tiết đặc trưng giả có tính rõ ràng Giả sử tham số lưu chi tiết đặc trưng a hình [ia, ja, φda, c(ia,ja), ma, la], tham số lưu chi tiết đặc trung b [ib, jb, φdb, c(ib,jb), mb, lb] Chúng ta định nghĩa khoảng cách góc hai chi tiết đặc trưng : 19 | Page Đối với cặp chi tiết đặc trưng giả tạo đường vân đứt đoạn khoảng cách lớn hình (a), chúng thỏa mãn điều kiện sau : (CT3.2.22)(CT 3.2.23) (CT 3.2.24) Trong D1 số xác định trước Đối với cặp chi tiết đặc trưng giả tạo đường vân giao mô tả hình (b-d), chúng thỏa mãn điều kiện sau : (CT 3.2.25) D2 và CL số định nghĩa trước CL cụ thể có nhỏ giá trị trung bình độ tin cậy hướng tất chi tiết đặc trưng phát Việc kết hợp sử dụng độ tin cậy hướng chi tiết đặc trưng việc xác định điểm chi tiêt đặc trưng phân nhánh giả mối nối đường vân tạo tượng tràn mực ấn mạnh thường có độ tin cậy hướng thấp Đối với cặp chi tiết đặc trưng giả tạo việc làm trơn khơng tốt mơ tả hình (e), chúng thỏa mãn điều kiện : 20 | Page (CT 3.2.25) Trong D3 số xác định trước Các đẳng thức mô tả cho phép nhận dạng kiến trúc chi tiết đặc trung giả dựa mối quan hệ vị trí chi tiết đặc trưng (dab, φa, φb), quan hệ hướng (φda φdb) quan hệ số đường vân gắn với chi tiết đặc trưng (ma, la, mb, lb) độ chắn (c(ia,ja) c(ib,jb)) Thuật tốn Giả sử ban đầu có K chi tiết đặc trưng phát (K>1) từ ảnh vân tay Tham số chi tiết đặc trưng lưu lại [ik, jk, φdk, c(ik,jk), mk, lk] Đầu tiên, tất chi tiết đặc trưng k, 1