Nghiên cứu phát triển giải pháp xác thực định danh cá nhân hình ảnh tĩnh mạch ngón tay

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, phát triển giải pháp xác thực/định danh cá nhân qua hình ảnh tĩnh mạch ngón tay TRẦN ANH TÚ Ngành Kỹ thuật Y Sinh Giảng viên hướng dẫn: Trường: TS Nguyễn Việt Dũng Điện – Điện Tử HÀ NỘI, 2022 TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu, phát triển giải pháp xác thực/định danh cá nhân qua hình ảnh tĩnh mạch ngón tay TRẦN ANH TÚ Ngành Kỹ thuật Y Sinh Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Việt Dũng Chữ ký GVHD Trường: Điện – Điện Tử HÀ NỘI, 2022 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc BẢN XÁC NHẬN CHỈNH SỬA LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên tác giả luận văn: Trần Anh Tú Đề tài luận văn: Nghiên cứu, phát triển giải pháp xác thực/định danh cá nhân qua hình ảnh tĩnh mạch ngón tay Chun ngành: Kỹ thuật Y sinh Mã số SV: 20202789M Tác giả, Người hướng dẫn khoa học Hội đồng chấm luận văn xác nhận tác giả sửa chữa, bổ sung luận văn theo biên họp Hội đồng ngày 26/10/2022 với nội dung sau: - Đã chỉnh sửa số lỗi tả luận văn - Đã mơ tả rõ đặc trưng trích xuất để đưa vào xác thực phương pháp học máy mục 3.4 Giáo viên hướng dẫn Ngày tháng năm 2022 Tác giả luận văn TS Nguyễn Việt Dũng Trần Anh Tú CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TS Trần Anh Vũ LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ cảm kích đặc biệt tới giảng viên hướng dẫn Tiến sĩ Nguyễn Việt Dũng – người định hướng, trực tiếp dẫn dắt cố vấn cho tơi suốt q trình (thực đề tài nghiên cứu khoa học) (hoàn thành luận văn thạc sĩ) Tôi xin cảm ơn thầy cô giảng viên Trường Điện – Điện tử – Trường Đại học bách khoa Hà Nội truyền đạt cho kiến thức chuyên sâu chuyên ngành suốt thời gian học tập để tơi có tảng kiến thức hỗ trợ lớn trình làm luận văn thạc sĩ Trong luận hẳn tránh khỏi hạn chế thiếu sót Tơi mong muốn nhận nhiều đóng góp q báu từ q thầy ban cố vấn để đề tài hoàn thiện có ý nghĩa thiết thực áp dụng thực tiễn sống Tôi xin chân thành cảm ơn! Học Viên Trần Anh Tú MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG BIỂU v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ AN TỒN THƠNG TIN VÀ XÁC THỰC ĐỊNH DANH NGƯỜI DÙNG 1.1 Tổng quan an toàn thông tin 1.1.1 Khái niệm an tồn thơng tin .3 1.1.2 Các mối đe dọa nguy an tồn thơng tin 1.1.3 Các giải pháp đảm bảo an ninh an tồn thơng tin 1.1.4 Một số khái niệm thường sử dụng an tồn thơng tin 1.2 Các kiến thức xác thực người dùng 1.2.1 Khái niệm xác thực người dùng .8 1.2.2 Các giải pháp xác thực người dùng phổ biến 1.2.3 Các giao thức xác thực 14 CHƯƠNG GIẢI PHÁP XÁC THỰC ĐỊNH DANH QUA HÌNH ẢNH TĨNH MẠCH NGÓN TAY 16 2.1 Tổng quan giải pháp 16 2.1.1 Sự cấp thiết tầm quan trọng giải pháp xác thực định danh qua hình ảnh tĩnh mạch ngón tay 16 2.1.2 Các đặc điểm giải pháp xác thực định danh qua hình ảnh tĩnh mạch ngón tay 17 2.1.3 Nguyên lý hoạt động giải pháp xác thực định danh qua hình ảnh tĩnh mạch ngón tay 18 2.1.4 Mơ hình toán tổng thể giải pháp 20 2.2 Các cơng trình nghiên cứu liên quan 21 CHƯƠNG THIẾT KẾ, XÂY DỰNG GIẢI PHÁP XÁC THỰC ĐỊNH DANH QUA HÌNH ẢNH TĨNH MẠCH NGĨN TAY 23 3.1 Phân tích, thiết kế mơ hình cho giải pháp 23 3.2 Khối tách ngón tay 25 3.2.1 Bộ lọc cạnh 25 3.2.2 Bộ dò cạnh 27 3.2.3 Hiệu chỉnh ảnh 28 3.3 Khối tăng cường chất lượng tĩnh mạch 28 3.3.1 Cân mức xám đồ 28 i 3.3.2 Bộ lọc nhiễu 29 3.4 Khối trích xuất đặc trưng 30 3.4.1 Trích xuất đường tĩnh mạch 31 3.4.2 Bộ lọc nhiễu lọc hình thái 35 3.4.3 Thuật tốn trích xuất đặc trưng 36 3.5 Khối thuật toán xác thực 38 3.5.1 Xác thực sử dụng thuật toán đối sánh mẫu 38 3.5.2 Xác thực sử dụng học máy 39 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ .41 4.1 Phương pháp đánh giá 41 4.2 Giới thiệu sở liệu 42 4.3 Các công cụ hỗ trợ xây dựng mô hình 44 4.4 Các mơ hình thử nghiệm 45 4.5 Kết thực nghiệm 47 4.5.1 Kết thực nghiệm khối tách ngón tay 47 4.5.2 Kết thực nghiệm khối tăng cường chất lượng tĩnh mạch 49 4.5.3 Kết thực nghiệm khối trích xuất đặc trưng 50 4.5.4 Kết thực nghiệm khối xác thực 51 4.5.5 Tổng hợp, đánh giá kết thực nghiệm nghiên cứu nghiên cứu khác 53 KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 PHỤ LỤC 61 ii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 2.1 Tổng thể tiến trình thu nhận xử lý tĩnh mạch ngón tay 17 Hình 2.2 Mơ tả thiết bị xác thực tĩnh mạch ngón tay 18 Hình 2.3 Cấu tạo thiết bị thu nhận hình ảnh tĩnh mạch ngón tay 18 Hình 2.4 Nguyên lý thu ảnh tĩnh mạch ngón tay 19 Hình 2.5 Xu hướng cơng nghệ sinh trắc học khía cạnh tốn điện tử 20 Hình 2.6 Mơ hình thực giải pháp xác thực định danh cá nhân tĩnh mạch ngón tay 20 Hình 3.1 Ảnh tĩnh mạch ngón tay thu từ camera 23 Hình 3.2 Độ tương phản khơng đồng ảnh tĩnh mạch ngón tay 23 Hình 3.3 Thơng tin không cần thiết từ thiết bị thu 24 Hình 3.4 Mơ hình giải pháp xác thực đề xuất 24 Hình 3.5 Sơ đồ thuật tốn trích xuất vùng quan tâm 25 Hình 3.6 (a) Mặt nạ Sobel theo phương x, (b) Mặt nạ Sobel theo phương y 26 Hình 3.7 (a) Mặt nạ Prewitt theo phương x, (b) Mặt nạ Prewitt theo phương y 26 Hình 3.8 Mặt nạ lọc cạnh 27 Hình 3.9 Sơ đồ thuật toán tăng cường ảnh tĩnh mạch 28 1.5 Hình 3.10 Ý tưởng phân phối đồng thuật toán CLAHE 29 Hình 3.11 (a) Tọa độ mặt nạ Gaussian, (b) Giá trị mặt nạ Gaussian có 30 Hình 3.12 Sơ đồ thuật tốn khối tách đường tĩnh mạch 30 Hình 3.13 Cấu hình mặt cắt ngang ngón tay 32 Hình 3.14 Mối quan hệ cấu hình mặt cắt, độ cong xác xuất điểm tĩnh mạch 33 Hình 3.15 Hai siêu phẳng phân chia tuyến tính với biên độ khoảng cách lề khác 39 Hình 4.1 Một số hình ảnh sở liệu FV-USM 42 Hình 4.2 Một số hình ảnh sở liệu tĩnh mạch ngón tay Đại học Bách khoa Hồng Kông 43 Hình 4.3 Một số hình ảnh sở liệu UTFVP 43 Hình 4.4 Các mơ hình thử nghiệm với khối tách ngón tay (a) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc cạnh Sobel, (b) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc cạnh Prewitt, (c) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc cạnh Eui Chul Lee 45 Hình 4.5 Các mơ hình thử nghiệm với khối tăng cường chất lượng tĩnh mạch (a) Mơ hình thử nghiệm sử dụng cân mức xám đồ tồn cục, (b) Mơ hình thử nghiệm sử dụng cân mức xám đồ thích ứng giới hạn độ tương phản 46 iii Hình 4.6 Mơ hình thử nghiệm với khối trích xuất đặc trưng khối xác thực theo phương pháp học máy (a) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc Trung vị Frangi, (b) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc Trung vị 46 Hình 4.7 Mơ hình thử nghiệm với khối trích xuất đặc trưng khối xác thực theo phương pháp đối sánh mẫu (a) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc Trung vị lọc Frangi, (b) Mơ hình thử nghiệm sử dụng lọc Trung vị .47 Hình 4.8 Kết thử nghiệm với khối tách ngón tay (a) Kết với lọc Sobel, (b) Kết với lọc Prewitt, (c) Kết với lọc Eui Chul Lee 47 Hình 4.9 (a) Ảnh tĩnh mạch trước lọc, (b) Ảnh tĩnh mạch sau qua lọc cạnh Eui Chul Lee 48 Hình 4.10 (a) Ảnh cạnh ngón tay trích xuất đầy đủ qua dị cạnh, (b) Ảnh mặt nạ để tách ngón tay 48 Hình 4.11 (a) Ảnh ngón tay thu nhận bị lệch chuẩn bị xoay, (b) Ảnh ngón tay sau hiệu chỉnh 48 Hình 4.12 Ảnh tăng cường sử dụng cân mức xám đồ toàn cục 49 Hình 4.13 Kết sau CLAHE (a) Lưới chia ảnh 3x3, (b) Lưới chia ảnh 6x6, (c) Lưới chia ảnh 8x8 49 Hình 4.14 (a) Ảnh tăng cường mức xám sử dụng CLAHE, (b) Ảnh loại bỏ nhiễu sử dụng lọc mờ Gaussian 50 Hình 4.15 Kết thử nghiệm thuật tốn trích xuất đường tĩnh mạch (a) Kết sử dụng phương pháp RLT, (b) Kết sử dụng phương pháp MCM, (c) Kết sử dụng phương pháp EMC 50 Hình 4.16 (a) Ảnh tĩnh mạch sau qua lọc trung vị, (b) Ảnh tĩnh mạch sau qua lọc Frangi 51 Hình 4.17 Ảnh tĩnh mạch áp dụng HOG 51 Hình 4.18 Đồ thị EER kết thực nghiệm xác thực với phương pháp đối sánh mẫu (a) Đồ thị EER có lọc Frangi, (b) Đồ thị EER khơng có lọc Frangi 52 Hình 4.19 Đồ thị EER kết thực nghiệm xác thực với phương pháp học máy SVM (a) Đồ thị EER có lọc Frangi, (b) Đồ thị EER khơng có lọc Frangi 53 Hình 4.20 (a) Ảnh tĩnh mạch ngón tay nhãn 0001_1, (b) Ảnh tĩnh mạch nhãn 0001_1 trước xác thực theo mơ hình đề xuất đối sánh mẫu 1, (c) Ảnh tĩnh mạch nhãn 0001_1 trước xác thực theo mơ hình đề xuất đối sánh mẫu .54 Hình 4.21 (a) Ảnh tĩnh mạch ngón tay mẫu 0044_6, (b) Ảnh tĩnh mạch ngón tay mẫu 0044_6 trích xuất theo mơ hình đề xuất đối sánh mẫu 2, (c) Ảnh tĩnh mạch ngón tay mẫu 0044_6 trích xuất theo mơ hình đề xuất đối sánh mẫu 1, (d) Ảnh tĩnh mạch xác thực mẫu 0001_1 trích xuất theo mơ hình đề xuất đối sánh mẫu 55 Hình 4.22 Đồ thị ROC mơ hình EMC, Trung vị, Frangi Đối sánh mẫu 56 iv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Bảng so sánh phương pháp phương diện tính bảo mật tính thực tế 19 Bảng 4.1 Các tham số giá trị phục vụ tối ưu thuật toán SVM .52 Bảng 4.2 Bảng tổng hợp kết kiểm thử nghiên cứu khác 54 v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AHE CLAHE EMC GHE HOG MCM NIR RLT SVM WLD Adaptive Histogram Equalization Contrast Limit Adaptive Histogram Equalization Enhance Maximum Curvature Global Histogram Equalization Histogram of oriented gradients Maximum Curvature Method Near Infrared Light Repeated Line Tracking Support Vector Machine Wide Line Detector vi