Xử lý ảnh nhận dạng vân tay

HỌC VIỆN CƠNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THƠNG CƠ SỞ TẠI TP.HCM Khoa: Công nghệ thông tin - - BÁO CÁO CÁ NHÂN XỬ LÝ ẢNH Đề tài: NHẬN DẠNG VÂN TAY Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Lê Hoàng Thái MỞ ĐẦU Ngày nay, với tiến vượt bậc khoa học kỹ thuật nói chung, mơn khoa học nhận dạng ảnh thu thành tựu to lớn chứng tỏ vai trị khơng thể thiếu với ứng dụng sâu rộng khoa học kỹ thuật đời sống Một phận khoa học xử lý ảnh nhận dạng ảnh vân tay nghiên cứu từ lâu đưa vào áp dụng đời sống Công nghệ mang lại nhiều thành lớn lao mặt khoa học công nghệ nói chung đời sống người nói riêng Dấu vân tay đặc điểm quan trọng để phân biệt người người khác Hiện nay, vân tay cơng nghệ mang tính bảo mật tốt thông dụng Nhiều sản phẩm công nghệ ứng dụng vân tay để bảo vệ thông tin, tài sản, liệu : máy vi tính, két sắt, khóa cửa, máy chấm cơng, … Các nước phát triển bắt đầu triển khai ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay vào chứng minh thư, hộ chiếu điện tử Xuất phát từ thực tế trên, em định chọn công nghệ nhận dạng vân tay để tìm hiểu, làm đề tài cho báo cáo cá nhân mơn Xử lý ảnh Mặc dù đề tài nghiên cứu nhiều lạ em, q trình làm khơng tránh khỏi sai sót Em kính mong nhận góp ý thầy/cơ bạn để báo cáo sau đạt kết tốt Em xin chân thành cảm ơn Người thực MỤC LỤC MỞ ĐẦU MỤC LỤC CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY Lịch sử phát triển nhận dạng vân tay Các đặc điểm nhân chủng học vân tay – Lý chọn vân tay làm đặc điểm nhận dạng sinh trắc học CHƯƠNG II: QUY TRÌNH NHẬN DẠNG ẢNH VÂN TAY Thu nhận ảnh vân tay Lưu trữ ảnh vân tay Tiền xử lý ảnh vân tay Trích chọn đặc trưng Phân lớp vân tay Đối sánh vân tay kiểm tra 11 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA NHẬN DẠNG VÂN TAY 12 Đăng nhập tài khoản ngân hàng - Máy ATM 12 Hộ chiếu điện tử 12 Căn cước công dân 13 Điều tra phá án 13 Máy chấm công 13 Cảm biến vân tay điện thoại thông minh 14 Ổ khóa mở cảm biến vân tay 14 KẾT LUẬN 15 TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY Lịch sử phát triển nhận dạng vân tay - Dấu vết sớm vân tay tạo cách 4000 năm kim tự tháp thời kỳ cổ đại Con người sớm nhận vân tay không giống ai, vân tay đặc trưng cho người sử dụng dấu vân tay tài liệu văn quan trọng, giao kèo, hình thức vay mượn, mua bán, xác nhận nợ… Hình 1.1 Một số chứng vân tay tìm thời xưa - Vào năm 1684, nhà giải phẫu học người Anh Nehemiah Grew đưa báo khoa học cơng trình nghiên cứu ông ta đường vân, rãnh cấu trúc ảnh vân tay Từ xuất nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề - Năm 1788, Mayer mô tả chi tiết thông tin giải phẫu vân tay - Năm 1809, Thomas Bewick bắt đầu sử dụng vân tay biểu tượng đăng kí thương mại – tạo cột mốc quan trọng nghiên cứu khoa học nhận dạng vân tay - Vào năm 1823, giáo sư Johannes Evangelist Purkinie giới thiệu mơ hình phân lớp ảnh vân tay Trong ơng phân lớp ảnh vân tay làm loại đường vân - Năm 1858, nhà quản lý Anh Ấn độ Sir William Herschel lấy sử dụn dấu vân tay vài thành viên dân số địa phương chữ ký tài liệu số lượng lớn nạn mù chữ Ấn độ Ông tin dấu vân tay cá nhân - Vào năm 1880, Henry Fauld lần chứng minh cách khoa học tính bất biến vân tay cá nhân - Năm 1888, Francis Galton giới thiệu đặc trưng chi tiết cho việc tách lớp vân tay để phục vụ cho đối sánh vân tay - Vào năm 1899 Edward Henry phát minh cơng trình tiếng mang tên “Hệ thống Henry” việc tách lớp vân tay - Đến đầu kỉ XX, cấu trúc vân tay mô tả cách đầy đủ Nhận dạng vân tay thức chấp nhận phương pháp nhận dạng cá nhân có giá trị trở thành chuẩn pháp luật Ví dụ, năm 1924 FBI thiết lập sở liệu có 810.000 thẻ vân tay Các đặc điểm nhân chủng học vân tay – Lý chọn vân tay làm đặc điểm nhận dạng sinh trắc học - Phương pháp bảo mật dùng chìa khóa dùng mật PIN – Personal Identification Number sử dụng phổ biến thực tế chứng minh không hiệu tính an tồn khơng cao khó nhớ Người ta nhận thấy đặc trưng sinh trắc dễ dàng bị thay thế, chia sẻ hay giả mạo , chúng xem đáng tin cậy nhận dạng người so với phương pháp - Vân tay đặc điểm đặc biệt người tính đa dạng nó, người sở hữu dấu vân tay khác nhau, trường hợp người có dấu vân tay trùng Việc xác nhận người thực hệ thống nhận dạng vân tay an tồn nhanh chóng - Tính bất biến theo thời gian dấu vân tay: Vân tay gai da đội lớp biểu bì lên mà thành Đó nơi tập kết miệng tuyến mồ hơi, tuyến bã nhờn … Nó định hình người thai tháng bụng mẹ Khi đứa bé trào đời, lớn lên, vân tay phóng đại giữ nguyên dạng già Nếu tay bị bỏng, bị thương, bị bệnh lành, vân tay lại tái lập y hệt cũ Chỉ có tổn thương sâu hủy hoại hồn tồn, sẹo chằng chịt xóa dấu vân tay Vân tay không thay đổi từ người đời đến chết - Tính cá thể dấu vân tay: Vân tay khơng giống Nó người (và ngón tay) Tính chất thừa nhận qua việc kiểm tra hàng triệu mẫu vân tay Trong trường hợp vân tay cặp sinh đơi, phần lớn có quan hệ giống Chẳng hạn, vân tay người dạng hình vịm, vân tay người dạng hình vịm, đặc trưng cục điểm cuối, điểm rẽ nhánh khác Xác xuất trùng lặp vân tay 10-6 Một người với hai bàn tay có 10 ngón đầy đủ xác suất trùng lặp 20 ngón trở nên nhỏ đến mức coi Do đó, khơng có hai người khác có dấu vân tay trùng Khơng có hai người có tất mười vân tay giống hệt CHƯƠNG II: QUY TRÌNH NHẬN DẠNG ẢNH VÂN TAY Vân tay Thu nhận ảnh vân tay Tiền xử lý ảnh Trích chọn đặc điểm Phân loại đối sánh Cơ sở liệu Tìm kiếm kiểm tra Kết Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ AFIS (Automated Fingerprint Identification System) Thu nhận ảnh vân tay Có phương pháp thu nhận ảnh vân tay: - Gián tiếp: Ảnh thu từ vết mực thấm đầu ngón tay, sau lăn án tờ giấy trắng, sau ảnh số hóa thiết bị quét ảnh thiết bị quét ảnh quang học hay camera chất lượng cao Trong phương pháp người ta dùng kiểu như:  Phương pháp lăn  Phương pháp ấn  Phương pháp ảnh vân tay ảo (Ảnh vân tay thu nhận trường) - Trực tiếp: Ảnh vân tay thu trực tiếp thông qua thiết bị cảm nhận mà không cần thông qua bước trung gian in ảnh vân tay giấy Lưu trữ ảnh vân tay Lưu trữ ảnh vân tay sở liệu vấn đề quan trọng, có ảnh hưởng sống cịn đến hiệu tìm kiếm hệ nhận dạng vân tay cỡ lớn Đối với ảnh vân tay, thông tin đặc trưng cần lưu trữ gồm: Véc tơ đặc trưng hướng, tập hợp điểm đơn, véc tơ mã vân tay (FingerCode), nhãn lớp tập điểm đặc trưng cục Ngoài hệ thống cịn phải lưu trữ thơng tin cá nhân liên quan đến vân tay như: Tên, tuổi, nơi sinh, màu tóc, thân nhân… Tiền xử lý ảnh vân tay - Ảnh sau thu nhận thường bị giảm cấp bị lỗi thiết bị thu nhận, hay dấu vết vân tay để lại có chất lượng kém, bị mờ, nhòe … - Trong giai đoạn việc nâng cấp ảnh có ý nghĩa to lớn Nó có tác dụng cải thiện độ tương phản làm lên thuộc tính, đặc điểm cần thiết cho trình nhận dạng lằn vân (ridge), thung lũng, điểm cuối, điểm rẽ nhánh, hướng đường vân … - Đồng thời hệ thống xử lý dấu vân tay dựa sở hướng tiếp cận cấu trúc việc chuyển đổi ảnh đa mức xám thành ảnh nhị phân làm mảnh thực vào cuối giai đoạn Hình 2.2 Tiền xử lý ảnh vân tay: 1) Ảnh gốc; 2) Chuẩn hóa; 3) Tăng cường; 4) Nhị phân hóa; 5) Làm mảnh; 6) Xem chi tiết Trích chọn đặc trưng Đối với hệ thống xử lý ảnh nào, q trình trích chọn đặc tính ln có vai trò quan trọng Đối với ảnh vân dấu vân tay, loại ảnh có tính chất đặc thù riêng nên cơng việc trích chọn địi hỏi kiến thức chun mơn định vân tay Các đặc trưng ảnh vân tay gồm hai loại: Đặc trưng cục đặc trưng tổng - Đặc trưng tổng thể: Đây loại đặc trưng biểu diễn cấu trúc chung toàn ảnh vân tay Có nhiều loại đặc trưng tổng thể phong phú, ví dụ : Đặc trưng hướng, điểm đơn, mã vân tay … Hình 2.3 Các điểm đơn Các điểm đơn định nghĩa nơi mà độ cong đường vân đạt giá trị cực đại, hướng đường vân thay đổi với tốc độ nhanh, bao gồm: điểm Core điểm Delta  Điểm Core: Là điểm trung tâm ảnh vân tay Nó điểm hội tụ đường vân, giúp việc định hướng ảnh vân tay  Điểm Delta: Là trung tâm tam giác nơi đường vân gặp Điểm đơn thường sử dụng việc tách lớp ảnh vân tay, tiến hành loại sơ trình tìm kiếm vân tay - Đặc trưng cục bộ: Là điểm đặc biệt đường vân ảnh vân tay Nó đại diện cho đường vân lân cận cục với Chính vậy, tập hợp điểm đặc trưng cục xuất vân tay Có nhiều kiểu điểm đặc trưng cục bộ, biểu diễn thành loại: Điểm kết thúc đường vân (Ridge Ending), điểm rẽ nhánh (Ridge Bifurcation) Hình 2.4 Các điểm đặc trưng cục Phân lớp vân tay Các ảnh vân tay phân loại thông tin loại ảnh vân tay sử dụng để thu hẹp phạm vi tìm kiếm sở liệu Theo phương pháp phân loại Henry dựa vào định nghĩa tâm tam phân điểm, dấu vân tay chia thành ba nhóm cung (arch), quai (loop) xốy (whorl) Hình 2.5 Ba loại vân tay: cung (arch), quai (loop) xoáy (whorl) - Vân hình cung (Arch): mẫu vân khơng có tam phân điểm chia thành hai loại cung trơn cung trồi Hình 2.6 Mẫu vân hình cung – loại cung trơn (trái) cung chồi (phải) - Vân hình quai (loop): Đặc điểm loại vân có hay nhiều đường vân xuất phát từ phía mẫu, kết thúc phía bên kia, qua tâm đường vân uốn cong tạo nên hình dạng quai Nhóm gồm có loại quai trái quai phải Hình 2.7 Mẫu vân hình quai – loại quai trái (trái) quai phải (phải) - Vân hình xốy (whorl): Đặc điểm nhóm vân có hai tam phân điểm Gồm ba loại chủ yếu: Xốy trịn, xốy bầu dục quai kép Hình 2.8 Mẫu vân xốy Ngồi cịn có vân bất thường (accidental): nhóm mẫu vân mà đường vân xuất khơng có qui luật Các mẫu vân ngày thường có 2, 3, chí tam phân điểm Loại mẫu vân tay thường gặp Hình 2.9 Mẫu vân bất thường 10 Các phương pháp phân loại dấu vân tay dựa hai loại đặc điểm chung vân tay, số lượng tâm (điểm core) tam phân điểm (điểm delta) Phân lớp Số lượng tâm Số lượng tam phân điểm Cung trơn 0 Cung chồi 1(giữa) Quai trái 1(phải) Quai phải 1(trái) Xoáy 2 Quai kép 2 Bảng 2.1 Phân lớp vân tay Đối sánh vân tay kiểm tra - Tiến hành ảnh vân tay phân loại - Đây giai đoạn định xem hai ảnh vân tay có hồn tồn giống hay không đưa kết nhận dạng, tức ảnh vân tay cần nhận dạng tương ứng với vân tay cá thể lưu trữ sở liệu - Hiện có nhiều kỹ thuật đối sánh vân tay, cách tổng quát chia thành hai loại chính: + Kỹ thuật dựa điểm đặc trưng: dựa điểm đặc trưng cục (điểm cuối điểm rẽ nhánh) ảnh vân tay để đối sánh + Kỹ thuật dựa tương quan: kỹ thuật đối sánh dựa cấu trúc tổng thể đường vân rãnh hai ảnh vân tay - Ngoài sử dụng phương pháp đối sánh khác, ví dụ đối sánh lọc băng, đối sánh Hybrid 11 CHƯƠNG III: ỨNG DỤNG THỰC TẾ CỦA NHẬN DẠNG VÂN TAY Đăng nhập tài khoản ngân hàng - Máy ATM Trong lĩnh vực ngân hàng, đăng nhập vân tay giúp người dùng truy cập tài khoản thực giao dịch cách nhanh chóng, thuận tiện an tồn mà khơng cần phải nhớ dãy số mật tốn thời gian nhập mật Hộ chiếu điện tử Chíp điện tử nhúng hộ chiếu, chứa đầy đủ thông tin cá nhân cần thiết, thông tin sinh trắc học như: ảnh khuôn mặt (bắt buộc) ảnh vân tay ảnh mống mắt (tùy chọn) Với khả ứng dụng cao, trình thu nhận dễ dàng, thời gian nghiên cứu ứng dụng từ lâu kích thước chíp khơng tăng lên q lớn so với ảnh trịng mắt lưu trữ, nên ảnh vân tay thường ưu tiên sử dụng hộ chiếu điện tử 12 Căn cước cơng dân Chíp thẻ CCCD có khả lưu trữ thơng tin sinh trắc học (như dấu vân tay), cho phép xác thực bảo đảm xác người Qua đó, thơng tin chủ thẻ định danh cách xác, giảm thiểu nguy giả mạo thẻ, bảo đảm an toàn bảo mật giao dịch tài Điều tra phá án Vân tay có hệ thống vân độc nhất, 100 năm qua, dùng để nhận dạng nghi phạm Ngày nay, lấy dấu vân tay cách chủ yếu giúp cảnh sát phá án Nhận dạng vân tay biện pháp kỹ thuật hình khơng thể thay Máy chấm cơng Với lợi ích to lớn tính bảo mật cao, đem lại tiện lợi cho người dùng, xác thực vân tay máy chấm công thời điểm công nghệ xác thực phổ biến giới Tuy nhiên có hạn chế định mà dấu vân tay bị làm giả, nên cách bảo mật tốt mà chuyên gia khuyến khích bạn nên sử dụng phương thức xác nhận trở lên không nên phụ thuộc vào thứ 13 Cảm biến vân tay điện thoại thơng minh Lợi ích việc dùng cảm biến vân tay smartphone: - Giúp người dùng mở khóa hình nhanh - Dữ liệu bảo mật tốt, cho phép người dùng định trước sử dụng thiết bị Ổ khóa mở cảm biến vân tay Với ổ khóa thơng minh (ví dụ TappLock), người dùng khơng cịn phải lo lắng đến chuyện qn đem chìa khóa hay mật mã rườm rà nữa, tất đơn giản đặt ngón tay lên khu vực cảm biến khóa mở vân tay nhận dạng xác, tương tự cách bạn mở khóa smartphone qua cảm biến vân tay TappLock lưu giữ 200 vân tay, chống nước, kết nối với smartphone chạy hệ điều hành iOS, Android, Windows 10 qua Bluetooth 4.1, ứng dụng tên smartphone cho phép xem thời lượng pin khóa, cảnh báo phát có dấu hiệu bẻ khóa, cấp quyền mở khóa cho nhiều người xem thời gian mở khóa họ Ngồi cảm biến vân tay ứng dụng cho hệ thống cửa vào, khóa xe… 14 KẾT LUẬN - Hơn 100 năm qua so sánh dấu vân tay vốn coi phương tiện hữu hiệu hỗ trợ cho nhà điều tra trình phá án xét xử Người ta tìm tung tích tội phạm nạn nhân thơng qua dấu vân tay trường Tuy nhiên phương pháp bộc lộ vài khuyết điểm tác động yếu tố khách quan môi trường thời tiết, trường sau khảo sát,…và yếu tố chủ quan gây nhiễu Nếu đơn dựa vào yếu tố kỹ thuật mà bỏ qua loạt biện pháp nghiệp vụ khác, sai số lên tới 10% - Các máy quét vân tay gặp phải số nhược điểm bao gồm: khó khăn làm việc với ngón tay ướt khô, da bị biến dạng áp lực ngón tay chống lại bề mặt máy quét, khơng có khả phát ngón tay giả - Mặc dù hệ thống nhận dạng dấu vân tay đại ngày có hiệu việc đối sánh dấu vân tay với tốc độ cao (hàng triệu khớp giây) mức độ tinh vi chúng sánh với chuyên gia vân tay đào tạo - 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) Tấn công kênh liên lạc; 2) Tấn công mô-đun phần mềm cụ thể (ví dụ: thay trình trích xuất tính trình kết hợp “con ngựa thành Troy”); 3) Tấn công sở liệu mẫu đăng ký; 4) Đưa ngón tay giả vào cảm biến - Liên quan đến điểm 4), thực giả mạo hệ thống nhận dạng dấu vân tay đầu ngón tay giả chế tạo tốt; Ở điểm 3), kỹ thuật để thiết kế ngược mẫu dấu vân tay dựa sở chi tiết mơ tả Vì việc nâng cao xác nhận dạng vân tay vấn đề thiết yếu TÀI LIỆU THAM KHẢO Anil K Jain, Patrick Flynn, Arun A Ross, Handbook of Biometrics, Springer, 2008 15 ... triển nhận dạng vân tay Các đặc điểm nhân chủng học vân tay – Lý chọn vân tay làm đặc điểm nhận dạng sinh trắc học CHƯƠNG II: QUY TRÌNH NHẬN DẠNG ẢNH VÂN TAY Thu nhận ảnh. .. hai người khác có dấu vân tay trùng Khơng có hai người có tất mười vân tay giống hệt CHƯƠNG II: QUY TRÌNH NHẬN DẠNG ẢNH VÂN TAY Vân tay Thu nhận ảnh vân tay Tiền xử lý ảnh Trích chọn đặc điểm... Phân lớp vân tay Đối sánh vân tay kiểm tra - Tiến hành ảnh vân tay phân loại - Đây giai đoạn định xem hai ảnh vân tay có hồn tồn giống hay khơng đưa kết nhận dạng, tức ảnh vân tay cần nhận dạng tương