Luận văn thạc sĩ kĩ thuật thuật toán phân tích đặc trưng vân tay và ứng dụng xây dựng phần mềm nhận dạng vân tay

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC KINH DOANH VÀ CÔNG NGHỆ HÀ NỘI -ooo - NGUYỄN THỊ BÍCH HẬU MỘT SỐ THUẬT TỐN PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG VÂN TAY VÀ ỨNG DỤNG XÂY DỰNG PHẦN MỀM NHẬN DẠNG VÂN TAY Chuyên ngành : Kỹ thuật phần mềm Mã số : 60.48.01.03 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS TRẦN MINH TÂN ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki tế Hà Nội, 2016 ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki tế LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn khoa học Tiến sĩ Trần Minh Tân Các số liệu kết nghiên cứu luận văn hoàn toàn trung thực chưa sử dụng công bố cơng trình khác Mọi giúp đỡ cho việc thực luận văn cám ơn thơng tin trích dẫn luận văn ghi rõ nguồn gốc Nếu phát có gian lận tơi xin hồn toàn chịu trách nhiệm nội dung luận văn Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016 TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Thị Bích Hậu ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki tế MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC HÌNH MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Lịch sử nhận dạng vân tay .3 1.1.2 Các ứng dụng nhận dạng vân tay 1.1.3 Các phương pháp sinh trắc .5 1.1.4 Các phương pháp đánh giá hiệu 1.2 Một số đặc điểm vân tay 1.3 Hoạt động hệ nhận dạng vân tay 1.3.1 Mơ hình hệ thống tự động nhận dạng vân tay 1.3.2 Hoạt động hệ thống tự động nhận dạng vân tay 12 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG NHẬN DẠNG VÂN TAY 16 2.1 Một số kỹ thuật nhận dạng 16 2.1.1 Các kỹ thuật thường dùng 16 2.1.2 Xu hướng công nghệ nhận dạng vân tay .17 2.2 Thuật tốn trích chọn đặc trưng 19 2.2.1 Thuật tốn trích chọn đặc trưng theo dịng chảy 20 2.2.2 Thuật tốn trích chọn đặc trưng từ ảnh đường vân nhị phân .26 2.3 Thuật toán đối sánh vân tay 31 2.3.1 Ý tưởng 31 2.3.2 Thuật toán 32 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM 36 3.1 Giới thiệu 36 3.2 Thiết kế hệ thống 36 ận Lu 3.2.1 Mơ hình chức .36 n vă 3.2.2 Tính yêu cầu 37 ạc th sĩ nh Ki tế 3.3 Thiết kế thuật toán 39 3.3.1 Thuật tốn trích chọn đặc trưng 39 3.3.2 Thuật toán đối sánh 56 3.4 Thiết kế giao diện chương trình 66 3.5 Kết thực nghiệm 74 3.5.1 Số liệu thử nghiệm .74 3.5.2 Kết thử nghiệm thuật toán trích chọn đặc trưng 74 3.5.3 Kết thử nghiệm thuật toán đối sánh 74 KẾT LUẬN 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki tế DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Một số đặc điểm vân tay Hình 1.2 Mơ hình hệ thống tự động nhận dạng vân tay .10 Hình 1.3 Mơ hình thiết bị cảm biến quang học 12 Hình 1.4 Mơ hình thiết bị cảm biến bán dẫn 13 Hình 1.5 Quy trình mã hóa vân tay 15 Hình 2.1 Cầu nối trước sau xử lý 29 Hình 2.2 Gai nhỏ trước sau xử lý 30 Hình 2.3 Đối chiếu vân tay dựa sở minutiae 31 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nhận dạng vân tay 37 Hình 3.2 Các loại vân tay .38 Hình 3.3 Sơ đồ thuật tốn trích chọn minutiae .39 Hình 3.4 Tăng cường ảnh .42 Hình 3.5 Ước lượng orientation image 45 Hình 3.6 Khoanh vùng ảnh vân tay 47 Hình 3.7 Thơng số hai dạng minutiae quan trọng 48 Hình 3.8 Nhị phân hóa làm mảnh đường vân 49 Hình 3.9.Phát minutiae 51 Hình 3.10 Số minutiae phát 53 Hình 3.11 Lọc minutiae 54 Hình 3.12 Các minutiae trích chọn cuối để tạo mã .55 Hình 3.13 Năm kiểu vân tay thực tế 56 Hình 3.14 Sơ đồ mơ tả thuật toán phân loại vân tay 57 Hình 3.15 Phương pháp số Poincaré 58 Hình 3.16 Lấy đặc tính cho phân loại 59 Hình 3.17 Kết định tốn phân loại kiểu vân .60 Hình 3.18 Đường cong sai số kết toán phân loại vân tay .61 Hình 3.19 Khớp mẫu đối tượng 62 ận Lu Hình 3.20 Thực matching .64 n vă Hình 3.21 Kết nhận dạng .65 ạc th sĩ nh Ki tế MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Từ kỷ 18, vân tay biết phương tiện hữu hiệu để đồng người Cho đến nay, để quản lý công dân hầu hết quốc gia giới xây dựng hệ thống cước mà thực chất hệ thống thơng tin quản lý người, lấy vân tay làm khóa đồng nhất, với nhiều quy mô khác nhau, từ thẻ phiếu thủ công, khí hóa đến tự động hóa trình độ cao Vấn đề xử lý hình ảnh vân tay tự động (gọi tắt AFIS: Automatic Fingerprint Identification System) quan tâm từ năm 1970, đến năm 1980 có số kết đối sánh tự động ảnh vân tay mức đối sánh bình thường mà chưa quan tâm đến cấu trúc đặc biệt mẫu vân tay Đến năm 1989 giới xuất phương pháp phân tích, trích chọn đối sánh mẫu vân tay dựa vào cấu trúc đặc trưng Hiện nay, thị trường có bán nhiều loại thiết bị chụp vân tay (fingerprint reader, fingerprint scanner) với chất lượng khác Các phương pháp nhận dạng vân tay kinh điển dựa vào việc đối sánh (matching) điểm đặc trưng (feature) vân tay Trong đề tài nghiên cứu ứng dụng lĩnh vực nhận dạng vân tay vào thực tiễn Một lĩnh vực phổ biến giới hạn chế Việt Nam Từ thực tế trên, em chọn đề tài: “Một số thuật toán phân tích đặc trưng vân tay ứng dụng xây dựng phần mềm nhận dạng vân tay.” Mục tiêu nhiệm vụ nghiên cứu 2.1 Mục tiêu Tìm hiểu đặc trưng ảnh vân tay hệ thống nhận dạng vân tay tự động Từ nghiên cứu số thuật tốn rút trích đặc trưng ảnh vân tay phương pháp nhận dạng vân tay để xây dựng phần mềm nhận dạng ận Lu vân tay n vă ạc th sĩ nh Ki tế 2.2 Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu đặc trưng ảnh vân tay hệ thống nhận dạng vân tay tự động Từ nghiên cứu số thuật tốn rút trích đặc trưng ảnh vân tay phương pháp nhận dạng vân tay để xây dựng phần mềm nhận dạng vân tay - Lựa chọn giải thuật phù hợp xây dựng phần mềm nhận dạng vân tay Đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Đặc trưng hình ảnh vân tay, thuật tốn nhận dạng hình ảnh vân tay - Xây dựng phần mềm nhận dạng vân tay Nội dung phương pháp nghiên cứu 4.1 Nội dung nghiên cứu - Tìm hiểu lịch sử, ứng dụng phương pháp nhận dạng vân tay - Tìm hiểu, so sánh số thuật tốn nhận diện vân tay sử dụng - Lựa chọn thuật toán xây dựng phần mềm nhận dạng vân tay 4.2 Phương pháp nghiên cứu 4.2.1 Thời gian nghiên cứu Từ tháng 11/2015 đến tháng 5/2016 4.2.2 Địa điểm nghiên cứu Thử nghiệm hệ thống nhận dạng vân tay trường Cao đẳng Y tế Hải Phòng Số 169 Trần Nguyên Hãn, Lê Chân, Hải Phòng 4.2.3 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp quan sát khoa học - Phương pháp thực nghiệm khoa học - Phương pháp phân tích tổng kết kinh nghiệm - Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết - Phương pháp phân loại hệ thống hóa lý thuyết - Phương pháp lịch sử Bố cục luận văn - Chương 1: Tổng quan nhận dạng vân tay - Chương 2: Một số vấn đề nhận dạng vân tay Lu ận - Chương 3: Thiết kế hệ thống thử nghiệm n vă ạc th sĩ nh Ki tế CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY 1.1 Giới thiệu 1.1.1 Lịch sử nhận dạng vân tay Con người sử dụng vân tay từ xa xưa Qua khai quật khảo cổ người ta tìm thấy ảnh vân tay vận dụng xưa Tuy vận dụng khảo cổ cung cấp chứng thiết thực cho thấy người xưa lưu tâm đến đặc trưng ảnh vân tay, quan tâm lúc chưa phải xem xét mang tính khoa học hệ thống Chỉ năm cuối kỉ XVI kỹ thuật ngành nhận dạng vân tay đại hình thành Vào năm 1788, Mayer đưa mô tả chi tiết về hình thành phương diện giải phẫu học vân tay, số lượng lớn đặc tính đường vân Purkinje vào năm 1823 đưa chế phân lớp ảnh vân tay đầu tiên, chế cho phép phân ảnh vân tay vào chín lớp tương ứng với chín dạng cấu trúc đường vân khác Vào năm 1864, Nehemiah Grew công bố báo cáo khoa học nội dung việc nghiên cứu cách hệ thống ông ta cấu trúc đường vân, rãnh vân tuyến mồ hôi vân tay Kể từ đó, số lượng lớn nhà khoa học bỏ nhiều công sức việc nghiên cứu vân tay… Vào năm 1880, Henry Fault lần gợi ý quan điểm khoa học tính đặc trưng cho người vân tay dựa quan sát ông ta Từ năm 1890, Thomas Bewick bắt đầu sử dụng vân tay ông nhãn hiệu đăng kí ơng ta kiện xem mốc quan trọng ngành khoa học nghiên cứu vân tay Một bước tiến quan trọng ngành nhận dạng vân tay thực vào năm 1899 Edward Henry, ông xây dựng nên “Hệ thống Lu ận Henry ” nhằm thực việc phân lớp ảnh vân tay Các khám phá n vă ạc th sĩ nh Ki tế đặt móng cho ngành nhận dạng vân tay đại Vào cuối kỷ XIX, ông Francis galton giới thiệu điểm chi tiết đặc trưng Vào cuối kỷ XX, chế hình thành vân tay người ta nghiên cứu hiểu rõ Từ đó, nhận dạng vân tay thức chấp nhận phương pháp để nhận dạng cá nhân hiệu chuẩn sử dụng thủ tục pháp lý Các sở liệu lưu trữ ảnh vân tay hình thành để thực nhiệm vụ quản lý nhân thân tội phạm Các sở liệu ngày lớn dần cách nhanh chóng khiến cho nhận dạng tìm kiếm ảnh vân tay phương pháp thủ công gần khơng thể thực khơng đáp ứng yêu cầu, đặc biệt mặt thời gian độ xác Từ đầu năm 1960, hệ thống nhận dạng vân tay tự động (Automatic Fingerprint Identification System- AFIS) bắt đầu nghiên cứu phát triển không ngừng Các hệ thống chứng minh hiệu nhiều lĩnh vực khác có sử dụng kỹ thuật nhận dạng ảnh vân tay để xác minh nhân thân người Trong thời gian gần đây, với lớn mạnh xu hướng nối kết điện tử giao dịch trao đổi thơng tin nhu cầu cần có hệ thống AFIS đảm nhận chức xác thực bảo mật an toàn trở nên cấp thiết Mở phạm vi ứng dụng rộng lớn cho hệ thống nhận dạng vân tay tương lai 1.1.2 Các ứng dụng nhận dạng vân tay Việc nhận dạng cá nhân gắn kết đặc tính nhận biết cụ thể vào cá nhân tốn việc tìm đặc tính nhận biết người chia thành hai loại toán với độ phức tạp khác nhau: Xác minh nhận dạng Việc xác minh (xác thực) nhằm đến việc xác nhận từ chối yêu cầu cụ thể đưa cá nhân yêu cầu Lu ận Còn nhận dạng dạng tốn tìm kiếm xây dựng đặc tính nhận biết n vă ạc th sĩ nh Ki tế a) Toán tử ma-trận tịnh tiến; b) Quay tịnh tiến đối tượng Cịn Sp tính theo cơng thức: Cuối tìm điểm minutiae tham chiếu ITref(x,y,) cho bước matching * Đối sánh vân tay Khi khớp hai mẫu vân tay, việc làm phù hợp T I Đầu tiên thực quay toàn minutiae template theo điểm tham chiếu chọn bước khớp mẫu Toán tử quay RA định nghĩa sau: Tiếp theo, đếm cặp minutiae thỏa mãn sai lệch vị trí góc giới hạn e Để đánh giá mức độ giống dùng thang điểm Sf=Nc/q, với Nc số cặp điểm minutiae thỏa mãn lân cân ; q tổng số minutiae input ận Lu n vă ạc th sĩ 62 nh Ki tế Hình 3.20 Thực matching a) Khớp minutiae; b) Ngưỡng lân cận để tính điểm (score) Hàm thực phát đối sánh vân tay matimafv score = matimafv(f,g,e ), Trong đó: f: mẫu input-image, g: mẫu template-image, e: giá trị lân cận, score: điểm kết đối sánh hai mẫu Thử nghiệm với hai ảnh đầu mẫu (xx_1.tif xx_2.tif) với tất mẫu lại dự liệu (gồm 125 ảnh đánh số xx_3.tif đến xx_7 tif, tổng cộng có 6250 phép thử nghiệm) lấy kết so sánh có score cao xác đạt 100% Tuy nhiên số liệu cịn có khả mở rộng thêm nên hình thức thể kết minh bạch dải kết ận Lu xác từ cao đến thấp Việc hiển thị 1, 2, hay nhiều kết n vă ạc th sĩ 63 nh Ki tế thực khơng khó khăn Trong đồ án thể bốn kết sát với ảnh đầu vào Ví dụ: Hình sau cho thấy nhận dạng ảnh 7_2 (của người 7, mẫu số 2) bốn mẫu gần người 7, mẫu giống 100% Hình 3.21 Kết nhận dạng b) Vân tay đầu vào; a) Các vân tay nhận dạng theo ận Lu n vă ạc th sĩ 64 nh Ki tế 3.4 Thiết kế giao diện chương trình Giao diện chương trình Ở menu Vân tay cho phép mở vân tay để thực đối sánh ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 65 tế Menu Xử lý cho phép thực thao tác so sánh ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 66 tế ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 67 tế Với mẫu ta thực so sánh kết ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 68 tế Menu công cụ cho phép ta kiểm nghiệm thuật toán: ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 69 tế ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 70 tế ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 71 tế ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 72 tế 3.5 Kết thực nghiệm 3.5.1 Số liệu thử nghiệm 3.5.2 Kết thử nghiệm thuật tốn trích chọn đặc trưng 3.5.3 Kết thử nghiệm thuật toán đối sánh ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 73 tế KẾT LUẬN Trong luận văn "Một số thuật tốn phân tích đặc trưng vân tay ứng dụng phần mềm nhận dạng vân tay" em hồn thành nhiệm vụ sau: Trình bày tổng quan lịch sử sinh trắc học nói chung sinh trắc học vân tay nói riêng Trình bày số kỹ thuật nhận dạng vân tay tập trung vào thuật tốn trích chọn đặc trưng Đã ứng dụng thuật tốn trích chọn đặc trưng vào thiết kế hệ thống nhận dạng vân tay Trên việc luận văn thực Luận văn tìm ận Lu hiểu thuật tốn sử dụng thuật toán để thiết kế hệ thống n vă ạc th sĩ nh Ki 74 tế TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU TIẾNG VIỆT [1] Đỗ Năng Toàn, Phạm Việt Bình, Giáo trình mơn học Xử lý ảnh , Đại học Thái Nguyên- Khoa CNTT, 2007 [2] Ngô Diên Tâp ,Xử lý ảnh máy tính, Nxb Khoa học kỹ thuật, 1997 [3] Ngô Quốc Tạo, Nâng cao hiệu số thuật toán nhận dạng ảnh, Luận án Phó Tiến Sĩ,1996 [4] Một số trang web TÀI LIỆU TIẾNG ANH [5] Maltoni D., Maio D., Jain A K., Prabhakar S., Handbook of Lu ận Fingerprint Recognition, Springer, 2003 n vă ạc th sĩ nh Ki 75 tế [6] Hong L., Automatic Personal Identification using Fingerprints, Michigan State Univesity, 1998 [7] Ratha N K., Chen S., Jain A K., Adaptiveow orientation based feature extraction in Fingerprint Recognition, Michigan State Univesity, 1995 [8] Gonzalez R C., Woods R E., Digital Image Processing, 2nd Edition, Prentice Hall 2002 [9] Gonzalez R C., Woods R E., Eddins S L., Digital Image Processing using MATLAB, Prentice Hall 2004 [10] Park H C., Park H., Fingerprint Classification using Fast Fourier Transform and Nonlinear Discriminant Analysis, University of Minnesota [11] Chickkerur S., Wu C., Govindaraju V., Cartwright A N., Fingerprint Image Enhancement Using STFT Analysis, University at Buffalo [12] Chickkerur S., Wu C., Govindaraju V., A systemmatic approach for feature extraction fingerprint images, University at Buffalo ận Lu n vă ạc th sĩ nh Ki 76 tế