Báo cáo xử lý ảnh vân tay,

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO MƠN: XỬ LÝ ẢNH Đề tài: NHẬN DIỆN VÂN TAY Giảng viên hướng dẫn: LÊ HOÀNG THÁI Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC NHẬT Mã sinh viên: N18DCCN142 Lớp: D18CQCN01-N THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 5/2021 I ĐƠI NÉT VỀ DẤU VÂN TAY VÀ SINH TRẮC HỌC NHẬN DIỆN VÂN TAY Dấu vân tay gì? Về mặt sinh học, dấu vân tay thứ khác bên thể người, hình thành thơng qua di truyền nhân tố môi trường Dấu vân mô hình đường biểu bì ngón tay, gồm đường lồi lõm đan xen Dấu vân tay riêng biệt cá thể người, kể cặp song sinh khơng thể có vân tay giống nhau, có hệ thống gen di truyền chia sẻ chung môi trường phát triển bụng mẹ họ có vị trí khác nên môi trường vi mô họ khác có dấu vân tay khác Trên đầu ngón tay có ba kiểu mẫu phân biệt là: vân xốy, vân móc, vân cung Lịch sử sinh trắc học nhận diện vân tay Trong lịch sử, dấu vân tay người phát số lượng lớn vật khảo cổ học 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 Năm 1686, Marcello Malpighi - giáo sư giải phẫu học trường đại học Bologna, ghi nhận nghiên cứu diện đường gờ, đường xoắn ốc vòng lặp dấu vân tay Kể từ đó, lượng lớn nhà nghiên cứu đầu tư nhiều vào nghiên cứu dấu vân tay Vào năm 1880, Henry Fauld người đề xuất cách khoa học tính cá nhân dấu vân tay dựa quan sát thực nghiệm Đồng thời, Herschel khẳng định ông nghiên cứu thực tế việc nhận dạng dấu vân tay khoảng 20 năm Những phát thiết lập tảng nhận dạng dấu vân tay đại 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 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 quan nhận dạng dấu vân tay thành 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 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) 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 vân tay cục đối sánh mẫu đặc trưng vân tay Những nỗ lực họ thành công, 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 dấu vân tay tự động nhanh chóng phát triển trở thành ứng dụng pháp y hàng đầu vào ứng dụng dân Nhờ hiệu suất nhận dạng tốt thị trường ngày tăng thiết bị thu nhận, hệ thống sinh trắc học dựa dấu vân tay trở nên phổ biến triển khai ngày rộng rãi II CHI TIẾT VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY Cảm biến vân tay Từ xa xưa, mà công nghệ đại chưa phát triển việc lấy mẫu vân tay hầu hết thực cách quét mực (hoặc số chất liệu tương tự vậy) lên ngón tay ấn ngón tay xuống bề mặt giấy, dấu vân tay in lại giấy Cơng việc gọi thu thập dấu vân tay ngoại tuyến cảm biến ngoại tuyến Ví dụ lấy dấu vân tay để làm cước công dân, thu thập dấu vân tay trường vụ án để điều tra, Ngày nay, kỹ thuật tiên tiến việc lấy dấu vân tay thực nhanh chóng máy quét điện tử, không cần đến mực, người ta cần đặt ngón tay lên bề mặt máy quét Bộ phận quan trọng máy quét cảm biến, nơi mà dấu vân tay hình thành Hầu hết cảm biến thuộc ba loại sau: Quang học, trạng thái rắn siêu âm - Cảm biến quang học: Là loại cảm biến lâu đời sử dụng rộng rãi Khi ngón tay chạm vào bề mặt kính thủy tinh mặt sau kính chiếu sáng ánh sáng khuếch tán Ánh sáng gặp đường lồi lõm ngón tay phản chiếu lại, hội tụ vào cảm biến Từ lấy dấu vân tay - Cảm biến trạng thái rắn (cảm biến Silicon): Được sử dụng vào năm 1990 Bao gồm mảng pixel, pixel cảm biến nhỏ Người dùng trực tiếp chạm vào bề mặt Silicon Thông tin vật lý chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ vào bốn yếu tố: Điện dung, nhiệt, áp điện điện trường - Cảm biến siêu âm: Có thể xem loại phản xạ âm vang Sóng âm có đặc tính khả xuyên qua vật liệu tạo tiếng vọng lần thay đổi trở kháng Công nghệ chưa thật phát triển để trở nên phổ biến Các kỹ thuật cảm biến 3D-Touch cảm biến hình ảnh đa quang phát triển để khắc phục hạn chế máy quét bao gồm: Khó khăn làm việc với ngón tay bị ướt; Da bị biến dạng tác động lực ấn ngón tay xuống máy quét; Khơng có khả phát ngón tay giả Khai thác tính Trong hình ảnh dấu vân tay, đường lồi màu tối cịn đường lõm màu sáng Những đường lồi lõm đơi lúc chạy song song nhau, đôi lúc chúng kết thúc điểm Khi phân tích mẫu vân tay, mẫu có nhiều vùng đặc biệt, vùng đặc biệt phân thành ba kiểu: loop, delta whorl Các vùng loop, delta whorl đặc trưng hình ∩, ∆ O Ở mức độ cục bộ, nhiều chi tiết nhỏ khác tìm thấy dấu vân tay Ví dụ việc đường lồi không liên tục, chúng đột ngột đến điểm kết thúc chúng phân đôi Mặc dù chi tiết nhỏ cần thiết số trường hợp định phải xác định dấu vân tay với yêu cầu độ xác cao Hình ảnh điểm kết thúc 2.1 Định hướng vân tần suất Tần suất hình chóp cục điểm có tọa độ (x, y) số lượng đường gờ đơn vị chiều dài dọc theo đường giả định có tâm (x, y) Tần suất đỉnh cục tính cách đếm số pixel trung bình hai đỉnh liên tiếp Trong số phương pháp, đường vân mơ hình hóa bề mặt hình sin, định lý biến thiên dùng để ước tính số lần chưa biết 2.2 Phân đoạn Công việc phân đoạn bao gồm việc tách vùng vân tay khỏi nền, để xác định cách hiệu cần tách khỏi 2.3 Phát điểm đặc biệt Hầu hết phương thức tiếp cận dấu vân tay phù hợp với định hướng dấu vân tay, có phương pháp tiếng dựa số PoinCaré Một số phương pháp thay đề xuất để phát điểm đặc biệt, phân loại ba loại sau: 1) Nhóm phương pháp dựa đặc điểm cục hình ảnh; 2) Nhóm phương pháp dựa phân vùng; 3) Nhóm phương pháp tiếp cận phát lõi đăng ký dấu vân tay 2.4 Cải tiến hình ảnh Chất lượng hình ảnh dấu vân tay dùng làm đầu vào ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thuật tốn rút trích đặc trưng kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay Trong thực tế, tình trạng da (ướt, khơ, vết cắt, vết bầm ), lực ấn ngón tay khơng xác ngón tay bị ảnh hưởng thói quen sống (người lao động chân tay) ảnh hướng đến kết sau Mục tiêu thuật toán nâng cao dấu vân tay cải thiện rõ nét tương phản đường lồi lõm vân tay Kỹ thuật kỹ thuật sử dụng rộng rãi để cải thiện hình ảnh dấu vân tay dựa lọc theo ngữ cảnh 2.5 Khai thác chi tiết Hầu hết phương pháp yêu cầu hình ảnh thang xám dấu vân tay phải chuyển đổi dạng nhị phân Các hình ảnh nhị phân thu trình nhị phân hóa, sau chuyển đến giai đoạn làm mỏng tạo nên đường gờ với độ dày giảm xuống pixel Cuối trình quét hình ảnh đơn giản để phát pixel Hình ảnh vân tay trước sau trình làm mỏng Một số phương pháp đề xuất thực ảnh thang xám mà không qua trình phân tách làm mỏng lý sau: 1) Một lượng lớn thơng tin bị trình chuyển đổi nhị phân; 2) Q trình làm mỏng với số chi tiết giả mạo; 3) Các kỹ thuật không mang lại hiệu ảnh chất lượng thấp; So khớp vân tay Việc đối chiếu mẫu dấu vân tay chất lượng cao với mẫu dấu vân tay khơng rõ ràng thực cho kết với độ xác cao có thuật tốn hợp lý Một số khó khăn đối chiếu là: 1) Biến dạng phi tuyến tính; 2) Áp suất khác tình trạng da; 3) Lỗi trích xuất Hầu hết phương pháp so sánh đối chiếu dấu vân tay chia thành ba loại sau: 1) Đối chiếu dựa tương quan; 2) Đối chiếu dựa chi tiết nhỏ 3) Đối chiếu dựa đường vân lồi Dấu vân tay lấy trình đăng ký gọi mẫu (T), đầu vào dấu vân tay dùng để so sánh đối chiếu gọi mẫu (I) Nếu khơng có trích xuất đối tượng hình thành, biểu diễn dấu vân tay trùng với hình ảnh vân tay thang độ xám 3.1 Các kỹ thuật dựa tương quan Lấy (∆x, ∆y, θ) tượng trưng cho phép quay ảnh đầu vào (I) góc θ xung quanh điểm góc (thường điểm trung tâm ảnh) dịch chuyển Pixel ∆x, ∆y tương ứng với x, y Sau đó, giống ảnh đầu vào (I) mẫu ban đầu (T) tính sau: Trong đó, CC(T, I) = TTI tương quan chéo T I Tương quan chéo thước đo phổ biến tương đồng hình ảnh Việc áp dụng trực tiếp công thức thu kết mong muốn vấn đề sau:  Biến dạng phi tuyến tính làm cho vùng đặc biệt ngón tay khác đáng kể cấu trúc  Tình trạng da áp lực ngón tay khiến cho độ sáng, độ tương phản độ dày đường vân thay đổi đáng kể lần hiển thị khác Để khắc phục tình trạng này, sử dụng biện pháp phức tạp  Về mặt tính tốn tốn 3.2 Phương pháp Minutiae-based Đây kỹ thuật sử dụng rộng rãi nhất, sở để chuyên gia so sánh vân tay việc thẩm định dấu vân tay Ở hai dấu vân tay (Vân tay đăng ký mẫu vân tay so sánh) trích xuất chi tiết nhỏ lưu dạng tập hợp điểm mặt phẳng hai chiều Thuật toán so khớp xem chi tiết nhỏ ba m = {x, y, θ}, với {x, y} tọa độ vị trí nhỏ θ góc nhỏ Trong việc nhận dạng mẫu, vấn đề so sánh đối chiếu chi tiết vụn vặt thường giải vấn đề so sánh đối chiếu điểm Kỹ thuật biến đổi Hough – Kỹ thuật chuyển đổi mẫu điểm phù hợp với xác suất phát đỉnh không gian Hough Bằng cách sử dụng cấu trúc kỹ thuật so sánh đối tượng, tách biệt khơng gian tham số {x, y, θ} tích lũy kết không gian tùy chỉnh cách lấy tham số biến đổi liên quan đến hai tập hợp điểm Một số chuyên gia đề xuất kỹ thuật “so sánh chi tiết cục bộ” bao gồm việc so sánh hai dấu vân tay theo chi tiết cục Cấu trúc cục đặc trưng thuộc tính bất biến biến đổi tồn cục (dịch, xoay, ) phù hợp để so khớp Việc so khớp dấu vân tay dựa xếp vụn vặt cục làm lỏng lẻo mối quan hệ vốn khác biệt làm giảm lượng thơng tin có sẵn dấu vân tay So sánh toàn cục so với so sánh cục cân tính đơn giản, phức tạp theo giai đoạn thấp khả chịu biến dạng cao (so sánh cục bộ) tính phân biệt cao (so sánh tồn cục) Các kỹ thuật so sánh gần có xu hướng kết hợp mạnh chi tiết cục toàn cục 3.3 Kỹ thuật Ridge Feature-based Ba lý khiến nhà thiết kế kỹ thuật nhận diện dấu vân tay tìm kiếm đặc điểm phân biệt dấu vân tay khác, chi tiết vụ vặt là: 1) Việc trích xuất chi tiết vụn vặt từ dấu vân tay chất lượng khó khăn; 2) Khai thác chi tiết nhỏ tốn thời gian; 3) Các tính bổ sung sử dụng kết hợp với chi tiết vụn vặt để tăng độ xác Một kỹ thuật đề xuất kỹ thuật phân tích kết cấu cục bộ, khu vực vân trung tâm đánh dấu lại Một vecto đặc trưng gọi mã ngón tay bao gồm thay đổi có thứ tự đối tượng địa lý trích xuất từ thơng tin cục có khu vực định Do đó, yếu tố đặc trưng nắm bắt thông tin kết cấu cục toàn cục Việc so khớp hai dấu vân tay chuyển thành so khớp mã ngón tay tương ứng Một số phương pháp tiếp cận đề xuất, đặc điểm không vụ vặt (mối quan hệ không gian đường gờ, định hướng cục bộ, mật độ cục bộ) sử dụng với chi tiết vụn vật để cải thiện hiệu suất tổng thể hệ thống Đánh giá hiệu suất (Các thí nghiệm, thi liên quan đến sinh trắc học nhận diện vân tay) Mặc dù sinh trắc học nhận diện vân tay có độ xác cao khơng có thuật tốn nhận diện dấu vân tay hoàn hảo Đánh giá hiệu suất công việc quan trọng tất hệ thống sinh trắc học, đặc biệt sinh trắc học nhận diện vân tay Các nghiên cứu đánh giá hiệu suất phổ biến là: Cuộc thi nhận diện vân tay (FVC); Đánh giá công nghệ vân tay (FpVTE); Chiến dịch MINEX Cuộc thi dấu vân tay FVC2000 tổ chức phịng thí nghiệm hệ thống sinh trắc học đại học Bologna, với trung tâm kiểm tra sinh trắc học Đại học Bang San Jose Mục đích thi tạo tiêu chuẩn chung để so sánh thuật toán nhận dạng vân tay, để tổ chức công nghiệp giới học thuật so sánh hiệu suất cải tiến kỹ thuật họ Sau thi, số cơng ty nhóm nghiên cứu sử dụng liệu thi FVC2000 cho nghiên cứu họ Với thành công từ thi đầu tiên, thi tiếp nối bao gồm FVC2002-2004-2006 Cho thấy thi vơ thành công nhận nhiều quan tâm từ giới nghiên cứu sinh trắc học FpVTE2003 tổ chức để đánh giá độ xác hệ thống xác minh nhận diện vân tay FpVTE2003 tổ chức NIST (Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ) 18 công ty khác tham gia với 34 hệ thống kiểm tra, bao gồm hệ thống dấu vân tay NIST Vertification Test Bed Người ta tin FpVTE2003 có đánh giá chặt chẽ hệ thống đối chiếu dấu vân tay Kết luận Nhận dạng vân tay tự động ứng dụng nhận dạng mẫu máy (có từ 50 năm trước đây) Vì vậy, có quan niệm sai lầm rằng: Nhận dạng vân tay vấn đề đơn giản dễ dàng giải Thực chất ngược lại, nhận dạng vân tay khơng dễ dàng thực nhận dạng mẫu phức tạp khó khăn Việc thiết kế thuật tốn có khả trích xuất hiệu vận hành cách mạnh mẽ khó, đặc biệt hình ảnh dấu vân tay chất lượng sử dụng thiết bị thu thập chi phí thấp với diện tích nhỏ Mặc dù hệ thống nhận dạng dấu vân tay đại ngày thực hiệu việc đối sánh dấu vân tay với tốc độ cao (hàng triệu lần nhận dạng giây) mức độ xác minh chúng sánh với nhận dạng vân tay chuyên nghiệp vân tay nghiên cứu xây dựng Như kỹ thuật xác thực khác, nhận dạng vân tay khơng hồn tồn chống giả mạo Các mối đe dọa tiềm tàng hệ thống dựa dấu vân tay là: 1) công kênh thông tin liên lạc; 2) công mơ-đun phần mềm cụ thể (ví dụ: thay trình trích xuất tính trình kết hợp Trojan); 3) công sở liệu mẫu đăng ký; 4) đưa ngón tay giả vào cảm biến Về bản, tính khả thi hai kiểu công cuối số nhà nghiên cứu báo cáo: liên quan đến điểm 4), thực giả mạo hệ thống nhận dạng dấu vân tay đầu ngón tay giả chế tạo tốt điểm 3) III SỬ DỤNG NHẬN DIỆN VÂN TAY TRONG XÃ HỘI NGÀY NAY - Ứng dụng sinh trắc học vân tay việc điều tra tội phạm: Khi gây án, dấu vân tay tội phạm lưu lại trường vụ án, nhờ mà quan chức điều tra Hình ảnh minh họa quan chức tiến hành lấy dấu vân tay cho việc điều tra - Ứng dụng vân tay quản lý tài chính: Việc thực giao dịch liên quan đến tiền bạc đơn giản nhiều cần dấu vân tay để xác minh danh tính chủ tài khoản, người dùng khơng cần phải nhớ đến dãy mật dài khó nhớ Sinh trắc học vân tay bảo mật thông tin nhân: Hiện nay, thiết bị có lưu trữ thông tin cá nhân điện thoại di động, máy tính bảng, laptop trang bị hệ thống bảo mật dấu vân tay, điều khiến cho việc bảo mật trở nên hiệu nhanh chóng cách trước (bảo mật mật khẩu) Hình ảnh cảm biến vân tay laptop - - Trong 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 sốt hồ sơ bệnh nhân hệ thống sinh trắc học cho kết nhanh chóng xác Ngồi ra, sinh trắc học vân tay ứng dụng nhiều lĩnh vực khác giáo dục (điểm danh, tránh gian lận thi cử), tư vấn hướng nghiệp (dấu vân tay cịn cho biết số IQ, tiềm bẩm sinh, mạnh), IV TỔNG KẾT Ưu điểm nhận diện vân tay sống - Là dạng sinh trắc học sử dụng rộng rãi, vân tay người hồn - tồn khác nên đảm bảo tính xác minh danh tính Và dấu vân tay người riêng biệt nên việc nhầm lẫn khơng xảy ra, khó thực muốn gian lận Nhanh chóng, tiện lợi việc bảo mật tài khoản, bảo mật thông tin cá nhân: Chỉ với lần chạm ngón tay vào máy qt thay phải ln mang theo giấy tờ xác minh thân, phải nhớ dãy mật với nhiều ký tự khó nhớ Thời gian thực xác minh vân tay cực nhanh tương lai cịn nhanh Tiện lợi cho công ty, doanh nghiệp trường học có nhiều chi nhánh, cần quản lý số lượng lớn công nhân, nhân viên, học sinh, sinh viên Nhược điểm nhận diện vân tay - Tuy tính bảo mật cao khơng đảm bảo dấu vân tay không bị làm giả - tổ chức tinh vi: Sinh trắc học vân tay khơng hồn tồn chống giả mạo Q trình lấy mẫu đăng ký dấu vân tay diễn tương đối lâu để lấy mẫu vân tay hoàn chỉnh dùng cho lần xác minh sau Lúc xác minh cần giữ ngón tay tình trạng sẽ, không ướt Hầu hết thiết bị khơng thể qt ngón tay bị ướt nước dính nhiều bụi bẩn Khơng phải ngành nghề, lĩnh vực người ta có ngón tay với dấu vân tay hồn chỉnh theo năm tháng Có nhiều ngành nghề tiếp xúc nhiều với hóa chất chất bẩn nên phải mang găng tay thường xuyên, có nhiều ngành nghề làm lâu vân tay ngón tay bị bào mịn Những điều khiến cho việc quét xác minh vân tay trở nên khó khăn  ... trường vi mô họ khác có dấu vân tay khác Trên đầu ngón tay có ba kiểu mẫu phân biệt là: vân xốy, vân móc, vân cung Lịch sử sinh trắc học nhận diện vân tay Trong lịch sử, dấu vân tay người phát số lượng... điểm cục hình ảnh; 2) Nhóm phương pháp dựa phân vùng; 3) Nhóm phương pháp tiếp cận phát lõi đăng ký dấu vân tay 2.4 Cải tiến hình ảnh Chất lượng hình ảnh dấu vân tay dùng làm đầu vào ảnh hưởng lớn... 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 Bắt