Báo cáo xử lý ảnh nhận vân tay

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH …oOo… BÀI BÁO CÁO CÁ NHÂN MÔN: XỬ LÝ ẢNH Chủ đề: Sinh trắc học nhận diện vân tay Giảng viên hướng dẫn: LÊ HOÀNG THÁI Sinh viên thực hiện: CHÂU VĂN HẬU Mã sinh viên: N18DCCN058 Lớp: D18CQCN01-N Thành phố Hồ Chí Minh 05/2021 Giới thiệu sinh trắc học nhận diện vân tay Dấu vân tay đại diện gờ da ngón tay, bao gồm mơ hình đường gờ thung lũng đan xen Các nếp nhăn da hình thành thơng qua kết hợp yếu tố di truyền môi trường, cách thức cụ thể mà hình thành kết kiện ngẫu nhiên, chẳng hạn vị trí xác thai nhi bụng mẹ thời điểm cụ thể Dấu vân tay không thay đổi suốt đời cá nhân, ngoại trừ trường hợp tai nạn vết cắt đầu ngón tay Đặc tính làm cho dấu vân tay trở thành mã nhận dạng sinh trắc học hấp dẫn Dấu vân tay người phát số lượng lớn vật khảo cổ, điều cho thấy người cổ đại nhận thức tính cá nhân vân tay cuối kỷ mười sáu, kỹ thuật dấu vân tay khoa học đại lần bắt đầu Vào đầu kỷ 20, nhận dạng dấu vân tay thức coi phương pháp nhận dạng cá nhân hợp lệ trở thành tiêu chuẩn phổ biến pháp y 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 Với mở rộng nhanh chóng nhận dạng dấu vân tay pháp y, sở liệu dấu vân tay theo cấp bậc opera phát triển lớn đến mức việc nhận dạng dấu vân tay thủ công trở nên không khả thi Bắt đầu từ đầu năm 1960, FBI, Bộ Nội vụ Vương quốc Anh Sở Cảnh sát Paris bắt đầu đầu tư vào việc phát triển Hệ thống Nhận dạng Vân tay Tự động (AFIS) Ba vấn đề việc thiết kế AFIS xác định nghiên cứu: thu thập dấu vân tay kỹ thuật số, trích xuất đặc điểm vân tay cục đối sánh mẫu đặc trưng vân tay Hầu hết quan thực thi pháp luật toàn giới sử dụng AFIS Công nghệ nhận dạng vân tay tự động nhanh chóng phát triển vượt ngồi ứng dụng pháp y năm vào ứng dụng dân Nhờ hiệu suất nhận dạng tốt thiết bị thu thập ngày phát triển, hệ thống sinh trắc học dựa dấu vân tay trở nên phổ biến triển khai loạt ứng dụng: Đăng nhập PC, thương mại điện tử, máy ATM, kiểm soát truy cập mức vật lý Trước đây, việc thu thập hình ảnh dấu vân tay thực "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 cuối Loại trình gọi thu nhận dấu vân tay ngoại tuyến cảm biến ngoại tuyến Ngày nay, không cần phải dùng mực mà tất đối tượng phải làm ấn ngón tay vào bề mặt máy quét live-scan hầu hết AFIS dân hình chấp nhận hình ảnh kỹ thuật số quét trực tiếp thu máy quét vân tay điện tử 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 Các bước xử lý hình ảnh vân tay Trong hình ảnh dấu vân tay, có đường gờ tối thung lũng sáng (xem Hình 1a) Khi phân tích cấp độ toàn cục, mẫu vân tay thể vùng nơi đường gờ có hình dạng đặc biệt Những vùng (được gọi điểm kỳ dị) phân loại thành ba kiểu: vòng lặp, đồng bằng, vịng xốy (xem Hình 1b) Hình a) Các đường dốc thung lũng hình ảnh dấu vân tay; b) vùng số (hộp trắng) điểm cốt lõi (vòng tròn) ảnh dấu vân tay Ở cấp độ cục bộ, đặc điểm quan trọng khác, gọi chi tiết nhỏ tìm thấy mẫu dấu vân tay, rặng núi khơng liên tục Ví dụ, rặng núi đột ngột kết thúc chia thành hai rặng núi (Hình 2) Hình Các chi tiết vân dứt (trắng) phân tách (xám) in ngón tay mẫu *Bước 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 hồnh Tần số (hoặc mật độ) hình chóp 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 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 *Bước 2: Phân đoạn Phân đoạn tách vùng dấu vân tay khỏi sau Bởi hình ảnh vân tay mẫu có vân, việc sử dụng kỹ thuật ngưỡng cục toàn cục toàn cục không cho phép khu vực vân tay bị cô lập cách hiệu *Bước 3: Phát điểm kỳ dị Phương pháp tiếng dựa số Poincar´e (Kawagoe Tojo) Một số phương pháp đề xuất để phát điểm kỳ dị: 1) phương pháp dựa đặc điểm cục hình ảnh định hướng 2) phương pháp dựa phân vùng 3) phương pháp phát lõi đăng ký dấu vân tay *Bước 4: Cải tiến mã hóa nhị phân Hiệu suất thuật tốn trích xuất chi tiết nhỏ kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay phụ thuộc nhiều vào: tình trạng da (ví dụ: ướt khơ, vết cắt vết bầm tím), tiếng ồn cảm biến, lực nhấn ngón tay khơng xác ngón tay có chất lượng thấp (ví dụ: người el derly, người lao động chân tay), tỷ lệ đáng kể dấu vân tay hình ảnh (khoảng 10%) có chất lượng Mục tiêu thuật toán nâng cao dấu vân tay cải thiện độ rõ ràng cấu trúc sườn núi vùng khơi phục đánh dấu vùng khôi phục để xử lý thêm Kỹ thuật sử dụng rộng rãi để cải thiện hình ảnh dấu vân tay dựa lọc theo ngữ cảnh Trong lọc theo ngữ cảnh, đặc điểm lọc thay đổi theo ngữ cảnh cục xác định hướng địa phương sườn núi tần suất sườn núi cục Một lọc thích hợp điều chỉnh theo tần số định hướng sườn núi cục bảo tồn cấu trúc sườn núi thung lũng thực *Bước 5: Chiết xuất chi tiết Một số tác giả đề xuất phương pháp chiết xuất chi tiết nhỏ hoạt động trực tiếp hình ảnh thang màu xám mà không cần phân tách làm mỏng Sự lựa chọn thúc đẩy cân nhắc sau: i) lượng đáng kể thông tin truyền tải bị mất; ii) làm mỏng tạo số lượng lớn chi tiết giả; iii) hầu hết kỹ thuật binarization không mang lại kết khả quan áp dụng cho hình ảnh chất lượng thấp Có đề xuất kỹ thuật chiết xuất chi tiết nhỏ theo quy mô xám trực tiếp, với ý tưởng theo dõi đường gờ hình ảnh quy mơ xám, cách men theo hướng cục mơ hình đường gờ Giai đoạn xử lý thường hữu ích việc loại bỏ chi tiết giả phát vùng bị hỏng cao đưa vào bước xử lý trước (ví dụ, làm mỏng) (Hình 3) Hình a) Hình ảnh thang màu xám vân tay; b) hình ảnh thu sau tăng cường tinh chỉnh binarization; c) ảnh thu sau làm mỏng; d) chi tiết nhỏ kết thúc phân đôi phát thông qua tính tốn pixel khơn ngoan số giao 3 Các phương pháp đối sánh vân tay Việc đối sánh dấu vân tay chất lượng cao với biến thể nhỏ bên chủ thể khơng khó thuật tốn hợp lý thực với độ xác cao Thách thức thực đối sánh mẫu có chất lượng bị ảnh hưởng bởi: i) xếp / xoay vòng đĩa lớn; ii) biến dạng phi tuyến tính; iii) áp suất tình trạng da khác nhau; iv) lỗi trích xuất tính Hai cặp hình ảnh Hình 4a cho thấy cách trực quan thay đổi cao đặc trưng cho hai lần hiển thị khác ngón tay Mặt khác, thể rõ Hình 4b, hình ảnh dấu vân tay từ ngón tay khác đơi xuất giống (các biến thể nhỏ chủ thể) Hình 4: a) Mỗi hàng hiển thị cặp lần hiển thị ngón tay, lấy từ FVC2002 DB1, lần hiển thị khơng khớp sai hầu hết thuật tốn gửi cho FVC2002 [32]; b) hàng hiển thị cặp lần hiển thị ngón tay khác nhau, lấy từ sở liệu FVC2002 đối sánh sai số thuật toán gửi đến FVC2002 Số lượng lớn phương pháp đối sánh vân tay có phân loại thơ thành ba nhóm: i) đối sánh dựa tương quan, ii) đối sánh dựa chi tiết nhỏ iii) đối sánh dựa đặc điểm sườn núi *Phương pháp 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 Sau đó, giống hai hình ảnh dấu vân tay T tơi đo là: S (T, I) = max 𝐶𝐶(𝑇, 𝐼 (𝛥𝑥,∆𝑦,𝜃) ), 𝛥𝑥,∆𝑦,𝜃 (2.1) CC (T, I) = TT I tương quan chéo T I Việc áp dụng trực tiếp Công thức (2.1) dẫn đến kết chấp nhận được, chủ yếu vấn đề sau • Sự biến dạng phi tuyến tính làm cho ấn tượng ngón tay khác đáng kể cấu trúc toàn cục; việc sử dụng kỹ thuật tương quan cục theo khối giúp giải vấn đề • Tình trạng da áp lực ngón tay khiến độ sáng, độ tương phản độ dày đường vân thay đổi đáng kể lần hiển thị khác Việc sử dụng biện pháp tương quan phức tạp bù đắp cho vấn đề • Ứng dụng trực tiếp Cơng thức (2.1) mặt tính tốn tốn *Phương pháp 2: Phương pháp dựa chi tiết Đây kỹ thuật phổ biến sử dụng rộng rãi, sở việc so sánh dấu vân tay chuyên gia giám định dấu vân tay thực Các chi tiết nhỏ trích xuất từ hai dấu vân tay lưu trữ dạng tập hợp điểm mặt phẳng hai chiều Các thuật toán đối sánh 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 phương pháp tiếp cận dựa biến đổi Hough kỹ thuật sử dụng phổ biến để đối sánh chi tiết vụn vặt tồn cục; ví dụ thể Hình 2.8 Hình 5: Đối sánh chi tiết nhỏ Chang cộng cách tiếp cận [11] Hình a) b) cho thấy chi tiết nhỏ trích xuất từ mẫu dấu vân tay đầu vào, tương ứng; c) chi tiết nhỏ chồng lên cách thơ thiển cặp đánh dấu hình elip; d) vịng trịn biểu thị cặp chi tiết nhỏ kết hợp thuật toán Một số tác giả đề xuất kỹ thuật “đối sánh chi tiết cục bộ” bao gồm so sánh hai dấu vân tay theo cấu trúc chi tiết cục bộ; cấu trúc cục đặc trưng thuộc tính ln bất biến chuyển đổi tồn cục (ví dụ: dịch, xoay, v.v.) phù hợp để so khớp mà khơng có liên kết toàn cục trước Việc so khớp dấu vân tay dựa xếp vụn vặt cục làm lỏng lẻo mối quan hệ khơng gian tồn cầu vốn khác biệt làm giảm lượng thơng tin có sẵn cho dấu vân tay phân biệt *Phương pháp 3: Kỹ thuật dựa tính Ridge Một kỹ thuật phân tích kết cấu cục vùng dấu vân tay quan tâm đánh dấu liên quan đến điểm cốt lõi (xem Hình 6) 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 (*) Do đó, yếu tố đặc trưng nắm bắt thông tin kết cấu cục việc liệt kê có thứ tự tessellation nắm bắt mối quan hệ tồn cầu đóng góp địa phương 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 Hình 6: Sơ đồ hệ thống cách tiếp cận FingerCode (*) Khi hình lặp lại, bao phủ mặt phẳng mà khơng có khoảng trống hay bị chồng lắp, bạn có kết tessellation – họa tiết mosaic với hiệu ứng thị giác đê mê 4 Đánh giá độ xác Mặc dù độ xác hệ thống sinh trắc học dựa dấu vân tay cao, khơng có thuật tốn nhận dạng dấu vân tay hồn hảo Các nỗ lực đánh giá hiệu suất biết đến rộng rãi lĩnh vực Cuộc thi Xác minh Vân tay (FVC) Đánh giá Công nghệ Nhà cung cấp Vân tay (FpVTE); sáng kiến gần khác bao gồm Thử nghiệm SDK NIST chiến dịch MINEX nhằm đánh giá khả tương tác Bảng 1: So sánh FVC2004 FpVTE2003 Các ứng dụng sinh trắc học nhận diện vân tay - Sinh trắc học vân tay điều tra tội phạm: Dấu vân tay tội phạm để lại trường vụ án sở để quan điều tra đưa kết luận Các nhà điều tra lấy dấu vân tay kẻ tình nghi dùng hệ thống nhận dạng vân tay tự động để so sánh dấu vân tay có trùng khớp với liệu vân tay lưu trữ máy hay khơng Điều nhằm phát kẻ tình nghi có nằm số kẻ tình nghi tội phạm lưu trữ hệ thống - Sinh trắc vân tay giúp kiểm soát vấn đề xuất nhập cảnh: Ngày nay, sinh trắc vân tay ứng dụng rộng rãi việc kiểm soát xuất – nhập cảnh biên giới sân bay nhằm tăng cường an ninh biên giới, tăng quản lý xuất nhập cảnh, đảm bảo an ninh quốc gia nhiều nước - Sinh trắc vân tay giáo dục: Sinh trắc vân tay phân tích xác đặc điểm tính cách, điểm mạnh, điểm yếu, phong cách học tập, phân tích trí thơng minh, … cá nhân dựa mối liên hệ vân tay não Từ đó, giúp cha mẹ, nhà trường tìm phương pháp nuôi dạy giáo dục phù hợp - Sinh trắc vân tay việc chọn nghề: Kết phân tích sinh trắc vân tay tiềm bẩm sinh, loại hình trí thơng minh, số IQ, EQ, AQ, CQ, phân tích tính cách cơng việc theo thuyết Holland, Từ đó, giúp cá nhân định hướng nghề nghiệp phù hợp - Sinh trắc vân tay y học: Dấu vân tay giúp phát bệnh dựa thông số sai lệch gen như: hội chứng Down, hội chứng ba nhiễm sắc thể 18, ba nhiễm sắc thể 13, sai lệch nhiễm sắc thể giới tính XXX, XXY… Đồng thời, việc rà soát hồ sơ bệnh nhân hệ thống sinh trắc học cho kết nhanh chóng xác - Sinh trắc vân tay quản lý tài chính: Hiện nay, sinh trắc vân tay áp dụng việc bảo mật giao dịch tài ngân hàng Bằng cách giúp người dùng nhanh chóng truy cập tài khoản thực giao dịch mà không cần nhớ đến dãy số mật - Sinh trắc vân tay nhằm bảo vệ tài sản: Có thứ tài sản cần bảo vệ dùng đến sinh trắc vân tay thay cho đồ vật mang tính bảo mật dễ bị thất lạc như: chìa khóa, thẻ chìa khóa, thẻ nhân viên, mã Pin,… Sinh trắc vân tay giải pháp kiểm sốt truy cập vật lý có độ bảo mật tính tiện lợi cao - Sinh trắc vân tay quản lý thời gian chấm công: Nhiều cơng ty áp dụng trog việc kiểm sốt thời gian chấm công dành cho nhân viên Quản lý thời gian nhân viên sinh trắc vân tay tiện lợi, nhanh chóng, xác, khách quan so với cách làm thủ công Với phát triển khoa học công nghệ, ứng dụng sinh trắc vân tay sống ngày nhân rộng, mang đến nhiều lợi ích thiết thực cho người 6 Kết luận Nhận dạng vân tay tự động ứng dụng nhận dạng mẫu máy (nó có từ 50 năm trước) Bởi điều này, có quan niệm sai lầm phổ biến nhận dạng dấu vân tay vấn đề hồn tồn giải Ngược lại, nhận dạng vân tay nhiệm vụ nhận dạng mẫu phức tạp khó khăn Các vấn đề mở quan trọng tóm tắt sau Cải thiện thuật tốn trích xuất đối sánh tính Việc thiết kế thuật tốn có khả trích xuất tính hiệu khớp chúng cách mạnh mẽ khó, đặc biệt hình ảnh vân tay chất lượng sử dụng thiết bị thu nhận chi phí thấp với diện tích nhỏ Nghiên cứu sâu cần thiết để phát triển cách tiếp cận trích xuất tính trích xuất cách đáng tin cậy quán tập hợp tính cung cấp thơng tin phong phú, so sánh với phương pháp thường sử dụng chuyên gia người Bảo mật hệ thống sinh trắc học dựa dấu vân tay Như kỹ thuật xác thực khác, nhận dạng vân tay khơng hồn tồn chống giả mạo Các mối đe dọa tiềm ẩn hệ thống dựa dấu vân tay là: 1) công kênh liên lạc; 2) công mô-đun phần mềm cụ thể 3) công sở liệu mẫu đăng ký; 4) đưa ngón tay giả vào cảm biến Một số lượng nghiên cứu đáng kể phương pháp phát giả mạo kỹ thuật bảo vệ khuôn mẫu chắn cần thiết để giải mối đe dọa bảo mật quan trọng === ... 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 Với mở rộng nhanh chóng nhận dạng dấu vân tay pháp y,... 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 Các bước xử lý hình ảnh vân tay Trong hình ảnh dấu vân tay, có đường gờ tối thung... luận Nhận dạng vân tay tự động ứng dụng nhận dạng mẫu máy (nó có từ 50 năm trước) Bởi điều này, có quan niệm sai lầm phổ biến nhận dạng dấu vân tay vấn đề hồn tồn giải Ngược lại, nhận dạng vân tay