Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay

Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay Mục lục Trang CHƯƠNG 1: GIớI THIệU 1.1. Sự CầN THIếT CủA NHậN DạNG BằNG ảNH SINH TRắC 4 1.2. LịCH Sử CủA VÂN TAY 4 1.3. CáC Hệ THốNG XáC THựC . 4 1.4. SO SáNH CáC ĐặC TRƯNG SINH TRắC . 6 1.5. CáC LOạI LỗI CủA Hệ THốNG SINH TRắC 6 1.5.1. Các lỗi của hệ thống kiểm tra 7 1.5.2. Các loại lỗi của hệ thống nhận dạng . 8 CHƯƠNG 2: PHÂN TíCH Và BIểU DIễN VÂN TAY 10 2.1. PHÂN TíCH CấU TRúC VÂN TAY . 11 2.2. BIểU DIễN HìNH ảNH VÂN TAY 11 2.3. ƯớC LƯợNG HƯớNG VÂN CụC Bộ 13 2.4. ƯớC LƯợNG TầN SUấT VÂN CụC Bộ . 14 2.5. TĂNG CƯờNG ảNH 16 2.6. PHáT HIệN CHI TIếT . 18 2.7. LọC CHI TIếT 23 CHƯƠNG 3: Các kĩ thuật ĐốI SáNH VÂN TAY . 26 3.1. ĐặT VấN Đề . 28 3.2. CáC Kĩ THUậT DựA Độ TƯƠNG QUAN . 28 3.3. CáC kĩ thuật DựA CHI TIếT . 31 3.4 CáC Kĩ THUậT ĐốI SáNH DựA ĐặC TRƯNG VÂN . 34 3.5 SO SáNH HIệU NĂNG CủA CáC kĩ thuật ĐốI SáNH . 39 Chơng 4: Mô phỏng CáC THUậT TOáN . 41 4.1. GIớI THIệU . 43 4.2. CáC THUậT TOáN ĐƯợC Sử DụNG . 43 4.2.1. Thuật toán tính hớng vân tay cục bộ 44 4.2.1.1. Phơng pháp . 44 4.2.1.2. Kết quả thực thi . 44 4.2.2. Thuật toán chuẩn hóa ảnh . 44 4.2.2.1. Phơng pháp . 45 ~ 1 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay 4.2.2.2. Kết quả thực thi 45 4.2.3 .Thuật toán tăng cờng ảnh . 46 4.2.3.1. Phơng pháp . 46 4.2.3.2. Kết quả thực thi . 47 4.2.4. Thuật toán tách ngỡng tự động 47 4.2.4.1. Phơng pháp . 47 4.2.4.2. Thực nghiêm phơng pháp tác ngỡng theo cơ chế tìm ngỡng tự động . 48 4.2.5. Thuật toán tìm xơng . 48 4.2.5.1. Ph ơng pháp 48 4.2.5.2. Kết quả thực thi . 51 4.2.6. Tìm kiếm chi tiết 52 4.2.6.1. Phơng pháp 52 4.2.6.1. Kết quả thực thi . 53 4.2.7. Thuật toán đối sánh vân tay . 53 4.2.7.1. Phơng pháp . 53 4.2.7.2. Kết quả thực thi . 54 4.2.8 . Thuật toán Hough . 55 4.2.8.1. Phơng pháp . 55 4.2.8.2. Kết quả thực thi . 56 KếT LUậN 57 TàI LIU THAM KHO . 58 Phụ lục . 59 ~ 2 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay LờI Mở ĐầU gày nay, các kỹ thuật trắc sinh học ngày càng đợc ứng dụng rộng rãi. Trong đó, nhận dạng vân tay đợc xem là một trong những kỹ thuật hoàn thiện và đáng tin cậy nhất để xác nhận một ngời. Gần đây, kỹ thuật này đợc chú ý nhiều và ngời ta thấy rằng nó thích hợp với những ứng dụng có cơ sở dữ liệu nhỏ, nhng không thuận tiện cho những ứng dụng có phạm vi lớn. N Đa số các hệ thống bảo mật hiện nay đợc bảo vệ bằng password và PIN (Personal Identification Number), nhng các phơng pháp này đã đợc chứng minh là không hiệu quả. Bởi vì, password là những con số khó nhớ, dễ quên và dễ bị đánh cắp. Bằng cách sử dụng vân tay và mật mã, việc xác nhận một ngời có thể đợc thực hiện bằng một hệ thống nhận dạng vân tay an toàn và thuận tiện. Vì vậy, tôi đã chọn Đề tài Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay để làm Đồ án tốt nghiệp cho mình, với mong muốn Đề tài sẽ có hớng phát triển cho tất cả các lĩnh vực. Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS Lê Anh Ngọc đã nhiệt tình hớng dẫn tôi hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này, vì thời gian còn hạn chế nên Đề tài này còn nhiều thiếu sót và quy mô nhỏ - rất mong sự góp ý nhiệt tình của quý Thầy Cô và các bạn sinh viên! Tôi xin chân thành cảm ơn! Vinh, tháng 5 năm 2010 SV thực hiện Nguyễn Phơng Thảo 46K2 CNTT ~ 3 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay CHƯƠNG 1: GIớI THIệU 1.1. Sự CầN THIếT CủA NHậN DạNG BằNG ảNH SINH TRắC Nhận dạng sinh trắc đề cập đến việc sử dụng các đặc tính hành vi và thể chất (ví dụ: vân tay, gơng mặt, chữ ký .) có tính chất khác biệt để nhận dạng một ngời một cách tự động. Trong các tổ chức, cơ sở hành chính, khoa học . luôn có nhu cầu kiểm tra và trả lời các câu hỏi: Một ngời có đợc quyền vào và sử dụng các thiết bị hay không, Một cá nhân có quyền truy cập thông tin mật . Ngời ta nhận thấy các đặc trng sinh trắc không thể dễ dàng bị thay thế, chia sẻ hay giả mạo ., chúng đợc xem là đáng tin cậy hơn trong nhận dạng một ngời so với các phơng pháp dựa vào thẻ bài truyền thống (ví dụ dùng chìa khóa .), phơng pháp dựa vào trí thức (ví dụ dùng mật khẩu). Nhận dạng sinh trắc ngày càng cung cấp mức độ an toàn cao hơn, tính hiệu quả cao hơn, và càng thuận tiện cho ngời dùng. Vì vậy, các hệ thống sinh trắc đang đợc triển khai và thử nghiệm ngày càng nhiều trong các khu vực quản lý thuộc chính phủ (chứng minh th, bằng lái xe .), khu vực dân sinh (thẻ thông minh, đăng nhập mạng máy tính, ). Nhiều công nghệ sinh trắc đã và đang đợc phát triển, một số chúng đang đợc sử dụng trong các ứng dụng thực tế. Các đặc trng sinh trắc thờng đợc sử dụng là vân tay, gơng mặt, mống mắt, tiếng nói. Mỗi đặc trng sinh trắc có điểm mạnh và điểm yếu riêng, nên việc sử dụng đặc trng sinh trắc cụ thể là tùy thuộc vào yêu cầu của mỗi ứng dụng nhất định. Các đặc trng sinh trắc có thể đợc so sánh dựa vào các yếu tố sau: tính phổ biến, tính phân biệt, tính ổn định, tính thu thập, hiệu quả, tính chấp nhận. Vân tay - đợc biết tới với tính phân biệt (tính chất cá nhân) và ổn định theo thời gian là đặc trng sinh trắc đợc sử dụng rộng rãi nhất. 1.2. LịCH Sử CủA VÂN TAY Trên các mẫu khảo cổ học và các mẫu vật lịch sử, ngời ta đã tìm thấy nhiều mẫu vân tay. Điều này cung cấp bằng chứng rõ ràng là ngời xa đã nhận ra tính cá nhân của vân tay, nhng không xuất hiện bất kì cơ sở khoa học nào. Mãi đến thế kỉ 16 các kĩ thuật vân tay khoa học hiện đại mới xuất hiện và từ đó các lí thuyết và chơng trình mô tả, nhận dạng vân tay mới phát triển mau chóng: ~ 4 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay Hình 1.1: Một số bằng chứng vân tay tìm đợc thời xa Năm 1964: Nehemiah Grew nhà sinh thái học thực vật xuất bản những trang sách đầu tiên các nghiên cứu có tính hệ thống của ông về vân tay. Năm 1788: Mayer đã mô tả chi tiết thông tin giải phẫu của vân tay để đặc tính hóa, nhận dạng các đặc tính vân tay. Năm 1809: Thomas Bewick bắt đầu sử dụng vân tay của mình nh là biểu tợng đăng kí thơng mại - đã tạo ra một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu khoa học về nhận dạng vân tay. Năm 1880: Henry Fauld đã đa ra giả thuyết khoa học khẳng định tính cá nhân của vân tay dựa vào các nhận thức kinh nghiệm. Năm 1888: Ngài Francis Galton giới thiệu các đặc trng chi tiết phục vụ cho đối sánh vân tay. Đầu thế kỉ 20: Cấu trúc của vân tay mới đợc mô tả một cách khá đầy đủ. Các nguyên lý sinh học của vân tay đợc tổng kết nh sau: a. Biểu bì vân có các đặc tính khác nhau trên các vân tay khác nhau ~ 5 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay b. Cấu hình vân tay có sự thay đổi trên từng cá nhân, nhng sự thay đổi nhỏ này vẫn cho phép phân loại một cách có hệ thống các vân tay. c. Các chi tiết và cấu hình của mỗi đờng vân là ổn định và không thay đổi Nguyên lý a) là cơ sở cho nhận dạng vân tay, nguyên lý b) là cơ sở để tiến hành phân loại vân tay. Cũng từ đầu thế kỉ 20, nhận dạng vân tay chính thức đợc chấp nhận nh một ph- ơng pháp nhận dạng cá nhân có giá trị và trở thành chuẩn trong pháp luật. Ví dụ: năm 1924 FBI đã thiết lập một cơ sở dữ liệu có 810000 thẻ vân tay. 1.3. CáC Hệ THốNG XáC THựC Một hệ thống sinh trắc cơ bản là một hệ thống nhận dạng mẫu để nhận ra một ngời bằng cách quyết định tính xác thực của một đặc tính sinh học hay hành vi thuộc về ngời đó. Trong thiết kế một hệ thống sinh trắc, một vấn đề quan trọng đặt ra là xác định cách một ngời đợc nhận dạng. Một hệ thống sinh trắc có thể là một hệ thống kiểm tra hay một hệ thống nhận dạng. Hệ thống kiểm tra: là hệ thống xác thực một ngời bằng cách so sánh đặc tính sinh trắc của ngời này với mẫu sinh trắc của chính ngời đó đã đợc lu trữ trớc trong hệ thống. Hệ thống nhận dạng: là hệ thống xác thực một cá nhân bằng cách tìm kiếm và đối sánh đặc tính sinh trắc của ngời này với toàn bộ các mẫu sinh trắc đợc lu giữ trong cơ sở dữ liệu. 1.4. SO SáNH CáC ĐặC TRƯNG SINH TRắC Một đặc tính sinh học hoặc hành vi của con ngời có thể đợc sử dụng nh là một đặc trng sinh trắc trong nhận dạng một ngời nếu nó có các yêu cầu sau: Tính phổ biến: mọi ngời đều có đặc trng sinh trắc này. Tính phân biệt: hai ngời khác nhau thì đặc trng sinh trắc này phải khác nhau. Tính ổn định: đặc trng sinh trắc này không thay đổi theo từng giai đoạn thời gian (tơng ứng với hạng mục đối sánh nhất định). Tính thu thập: nghĩa là đặc trng này có thể đo đợc và lợng hóa. Hiệu năng: khả năng nhận dạng chính xác, tốc độ nhận dạng; các tài nguyên cần thiết để đạt đợc tốc độ và độ chính xác mong muốn; các nhân tố môi trờng và hoạt động ảnh hởng đến tốc độ và độ chính xác trong nhận dạng. ~ 6 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay Tính chấp nhận: mọi ngời vui lòng chấp nhận các đặc trng sinh trắc trong đời sống hàng ngày của họ. Khả năng phá hoại: là mức độ khó hay dễ để đánh lừa hệ thống bởi các phơng pháp lừa dối. Sau đây là một số đặc trng sinh trắc thông dụng: ADN, tai, mặt, dáng đi, đồ hình bàn tay và ngón tay, mống mắt . Hình 1.2: Một số đặc trng sinh trắc: a) gơng mặt, b) vân tay, c) Đồ hình bàn tay, d) Mống mắt, e) võng mạc, f) chữ kí, g) tiếng nói 1.5. CáC LOạI LỗI CủA Hệ THốNG SINH TRắC Đối sánh trong một hệ thống nhận dạng vân tay dựa vào điểm đối sánh s (không mất tính tổng quát, chúng ta giả sử giá trị của điểm này nằm trong [0,1]). Điểm đối sánh đợc dùng để lợng hóa độ tơng tự giữa biểu diễn của đầu vào và biểu diễn của mẫu cơ sở dữ liệu. Điểm này càng có giá trị gần 1 thì khả năng cả hai vân tay đều của cùng một ngón tay càng cao, ngợc lại điểm này càng có giá trị gần 0 thì khả năng hai vân tay là của hai ngón tay khác nhau càng lớn. Quyết định của hệ thống đợc điều khiển bởi ngỡng t. Với điểm s của hai vân tay: Nếu s t: Kết luận là cặp so khớp (nghĩa là hai vân tay của cùng một ngón tay). Nếu s t: Kết luận là cặp không so khớp (nghĩa là hai vân tay đến từ hai ngón tay khác nhau). Một hệ thống kiểm tra chấp nhận hai lỗi sau đây: ~ 7 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay Kiểm tra các số đo sinh trắc từ hai ngón tay khác nhau với kết quả là của cùng một ngón tay (ta gọi là so khớp sai) Kiểm tra các số đo sinh trắc của cùng một ngón tay với kết quả là của hai ngón tay khác nhau (ta gọi là không - so khớp sai) Hai lỗi trên tơng ứng còn đợc gọi là chấp nhận sai và từ chối sai. Bởi vì kẻ giả mạo có thể đợc chấp nhận sử dụng thiết bị hay hệ thống . nếu có sự so khớp sai, và ngời có đủ thẩm quyền đăng nhập, sử dụng thiết bị hay hệ thống lại bị từ chối nếu xảy ra sự không - so khớp sai. Chúng ta lợng hóa hai lỗi trên bằng các đại lợng: tỉ lệ chấp nhận sai và tỉ lệ từ chối sai. 1.5.1. Các lỗi của hệ thống kiểm tra Kí hiệu T là mẫu sinh trắc của một ngời đã đợc lu trữ, I là biểu diễn sinh trắc đầu vào cần đợc kiểm tra. Các giả thuyết đặt ra là: H 0 : I T, đầu vào và mẫu không của cùng một ngời. H 1 : I = T, đầu vào và mẫu của cùng một ngời. Tơng ứng với các giả thuyết là các kết luận: D 0 : ngời này không có mẫu sinh trắc đợc lu trữ trong hệ thống. D 1 : ngời này đã có mẫu sinh trắc đợc lu trữ trong cơ sở dữ liệu. Đối sánh trong kiểm tra T và I sử dụng độ tơng tự s (T,I). Nếu s nhỏ hơn ngỡng t thì kết quả là D 0 , nếu s lớn hơn hoặc bằng ngỡng t thì cho kết luận D 1 . Từ các giả thuyết trên, chúng ta định nghĩa hai loại lỗi trong một hệ thống kiểm tra [8]: Dạng I: Đối sánh sai (kết luận là D 1 khi H 0 đúng) Dạng II: Không - đối sánh sai (kết luận là D 0 khi H 1 đúng) Khi đó, tỉ lệ đối sánh sai (FMR Finger Minutiae Regnition) là xác suất của lỗi loại I, tỉ lệ không - đối sánh sai (FNMR - Finger Minutiae Not Regnition) là xác suất của lỗi loại II: FMR = P (D 1 | H 0 đúng) FNMR = P (D 0 | H 1 đúng) Để đánh giá tính chính xác của một hệ thống sinh trắc chúng ta phải thống kê các điểm đối sánh s của các cặp vân tay của cùng một ngón tay (phân bố p(s|H1 đúng) - ~ 8 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay thờng đợc gọi là phân bố chân chính) và điểm đối sánh s của các cặp vân tay từ hai ngón tay khác nhau (phân bố p(s|H 0 sai)- thờng đợc gọi là phân bố giả mạo) FNMR = 0 t p (s|H 1 đúng)ds FMR = 1 t p (s | H 0 đúng)ds Hình 1.3: FMR (Finger Minutiae Regnition) và FNMR (Finger Minutiae Not Regnition) với một ngỡng t thể hiện phân bố chân chính và phân bố giả mạo. Trong hình vẽ FMR là phần trăm các cặp giả mạo có điểm đối sánh lớn hơn hay bằng t và FNMR là phần trăm các cặp chân chính có điểm đối sánh nhỏ hơn t. Thực tế, cả FMR và FNMR đều là hàm của ngỡng hệ thống t nên chúng ta có thể viết chúng là FMR(t) và FNMR(t). Nếu t giảm thì hệ thống sẽ bỏ qua nhiều lỗi và FMR(t) sẽ tăng, ngợc lại khi tăng t để cho hệ thống an toàn hơn thì FNMR(t) sẽ tăng tơng ứng. ~ 9 ~ Tìm hiểu và mô phỏng các kỹ thuật nhận dạng vân tay 1.5.2. Các loại lỗi của hệ thống nhận dạng: Từ định nghĩa các loại lỗi trong một hệ thống kiểm tra, chúng ta mở rộng để định nghĩa các loại lỗi trong một hệ thống nhận dạng. Giả sử hệ thống không dùng các cơ chế đánh chỉ số/truy tìm (nghĩa là hệ thống sẽ tìm kiếm vét cạn trên toàn bộ tập dữ liệu chứa N mẫu vân tay), và mỗi ngời chỉ có một mẫu vân tay đợc lu trữ. Kí hiệu FNMR N và FMR N tơng ứng là tỉ lệ không đối sánh sai và tỉ lệ đối sánh sai trong một hệ thống nhận dạng thì: FNMR N = FNMR FMR N = 1 - (1-FMR) N : trong biểu thức này (1 - FMR) là xác suất không xảy ra đối sánh sai với một mẫu vân tay và (1 - FMR) N là xác suất không xảy ra đối sánh sai với toàn bộ cơ sở dữ liệu mẫu. Nếu FMR nhỏ thì FMR N N.FMR, ta có thể nói tỉ lệ đối sánh sai tăng tuyến tính với kích thớc cơ sở dữ liệu mẫu. Trong trờng hợp cơ sở dữ liệu mẫu đợc phân loại và chỉ số hóa, thì trong quá trình nhận dạng chỉ có một phần cơ sở dữ liệu đợc kiểm tra. Khi đó: FNMR N = RER + (1 - RER).FNMR trong đó RER (tỉ lệ lỗi truy tìm) là xác suất mẫu vân tay cần tìm trong cơ sở dữ liệu bị bỏ qua do cơ chế truy tìm. FMR N = 1 - (1 - FMR) N-P trong đó P là tỉ lệ phần trăm trung bình các mẫu đợc tìm kiếm trong cơ sở dữ liệu mẫu trong quá trình nhận dạng. ~ 10 ~