Chương 2 BÀI TOÁN NHẬN DẠNG VÂN TAY
2.5. ĐỐI SÁNH VÂN TAY DỰA TRÊN ĐẶC TRƢNG
2.5.1. Bài toán đối sánh vân tay
Một thuật toán đối sánh vân tay so sánh hai vân tay cho trƣớc và trả về độ tƣơng tự (không làm mất tính tổng quát, có giá trị giữa 0 và 1) hoặc một quyết định hai ngôi (khớp hoặc không khớp). “Chỉ một vài thuật toán hoạt động trực tiếp trên ảnh vân cấp xám; hầu hết chúng yêu cầu một biểu diễn vân trung gian đƣợc dẫn xuất qua gia đoạn trích chọn đặc trƣng. Không làm mất tính tổng quát, từ đây về sau chúng ta kí hiệu biểu diễn của vân tay có đƣợc qua quá trình tuyển chọn nhƣ là mẫu (T) và biểu diễn của vân tay đƣợc đối sánh nhƣ là đầu vào (I). Trong trƣờng hợp không có giai đoạn trích chọn đặc trƣng, biểu diễn vân tay đồng nhất với chính ảnh cấp xám vân tay. Chúng ta kí hiệu cả ảnh vân tay và các vector đặc trƣng ảnh (nhƣ các chi tiết) là T và I
Trích chọn đặc trƣng vân tay và các thuật toán đối sánh khá giống nhau cho các bài toán nhận dạng và kiểm tra vân tay. Bới vì bài toán nhận dạng vân tay (tìm kiếm một vân tay đầu vào trong một cơ sở dữ liệu có N vân tay) có thể đƣợc thực hiện nhƣ là thực hiện tuần tự đối sánh một - một giữa các cặp vân tay. Sự phân loại vân tay và các kĩ thuật đánh chỉ số thƣờng đƣợc sử dụng để tăng tốc độ tìm kiếm trong các bài toán nhận dạng vân tay.
Đối sánh hai ảnh vân tay là một bài toán khó, chủ yếu do sự thay đổi dấu in của cùng một vân tay. Các yếu tố chính làm các dấu in khác nhau đƣợc tổng kết dƣới đây:
Sự đổi chỗ: một ngón tay có thể đặt ở các vị trí khác nhau trên bộ cảm biến làm tịnh tiến ảnh vân tay. Một ngón tay thay đổi chỉ 2mm làm tịnh tiến khoảng 40 điểm ảnh trong cùng một vân tay đƣợc quét ở độ phân giải 500dpi
Sự quay: cùng một vân tay có thể quay ở các góc khác nhau trên bề mặt bộ cảm biến. Mặc dù bộ hƣớng dẫn ngón tay đƣợc gắn trên các máy quét thƣơng mại, nhƣng trong thực tế tồn tại sự quay không cố ý lên tới +/-20 độ theo chiều dọc.
Sự chồng chéo từng phần: sự đổi chỗ và sự quay vân tay thƣờng làm cho một phần vân tay bị đổ ra ngoài vùng nhìn thấy của bộ cảm biến, kết quả là xuất hiện sự chồng chéo giữa các vùng cận cạnh của mẫu vân và các vân tay đầu vào
Sự nhiễu phi tuyến: liên quan đến việc ánh xạ hình ảnh ba chiều sang hình ảnh hai chiều trên bề mặt bộ cảm biến. Ánh xạ này gây ra nhiễu phi tuyến trong việc đọc vân tay do sự mềm dẻo của ngón tay. Thông thƣờng, các thuật toán đối sánh vân tay không quan tâm đến các đặc tính nhƣ ánh xạ, và xem một ảnh vân tay là không bị nhiễu bằng cách cho rằng: ảnh vân tay đƣợc cung cấp khi ngƣời dùng đặt đúng vị trí ngón tay: 1) Tiếp cận ngón tay vuông góc với bộ cảm biến và 2) Khi chạm bề mặt bộ cảm biến, ngƣời dùng không ấn mạnh hay xoắn ngón tay
Do sự mềm dẻo của bề mặt da, các phần lực không vuông góc với bề mặt bộ cảm biến gây ra các nhiễu không tuyến tính (nén lại hay dãn ra) trong quá trình lấy vân. Nhiễu làm mất khả năng đối sánh các vân tay nhƣ là các mẫu cứng.
Điều kiện áp lực và da: cấu trúc các vân của một vân tay có thể thu đƣợc chính xác nếu nhƣ phần ngón tay đƣợc lấy ảnh tiếp xúc đúng quy cách với bề mặt bộ cảm biến. Một số điều kiện nhƣ áp lực ngón tay, ngón tay khô, bệnh ngoài da, ƣớt, bẩn, độ ẩm không khí – gây ra sự tiếp xúc không đúng quy cách. Hệ quả là, ảnh vân tay lấy đƣợc rất nhiễu và mức độ các nhiễu này phụ thuộc vào mức độ các nguyên nhân nêu trên.
Các lỗi trích chọn đặc trƣng: các thuật toán trích chọn đặc trƣng là không hoàn hảo và thƣờng có các lỗi số đo. Các lỗi có thể tạo ra ở trong bất kì giai đoạn nào trong quá trình trích chọn đặc trƣng (chẳng hạn: ƣớc lƣợng ảnh hƣớng và tần suất, phát hiện số lƣợng, dạng, vị trí các vùng đơn, phân đoạn vùng vân tay từ nền).
Cặp ảnh trong hình dƣới thể hiện tính thay đổi cao có thể đặc tính hóa hai vết hằn khác nhau của cùng một ngón tay.
Hình 49. Các dấu vân tay thu đƣợc của cùng một ngón tay không đối
sánh đƣợc do nhiễu phi tuyến (trên) và điều kiện da (dƣới)
Các ảnh vân tay từ các ngón tay khác nhau có thể xuất hiện khá giống nhau, đặc biệt trong bối cảnh cấu trúc tổng thể (vị trí các vùng đơn, hƣớng vân cục bộ…). Mặc dù khả năng một lƣợng lớn các chi tiết từ các vết ấn của hai vân tay khác nhau có thể so khớp là cực kì nhỏ , nhƣng ngƣời đối sánh vân tay hƣớng tới việc sử dụng các phép căn chỉnh tốt nhất. Họ thƣờng xuyên có ý định khai báo các cặp chi tiết so khớp thậm chí ngay cả khi chúng không trùng khớp hoàn hảo.
Một lƣợng lớn các thuật toán đối sánh vân tự động đã đƣợc đề nghị trong các tài liệu nhận dạng mẫu. Hầu hết các thuật toán này không gặp khó khăn trong đối sánh các ảnh vân tay chất lƣợng tốt. Nhƣng trong đối sánh vân tay tồn tại thách thức ở các ảnh chất lƣợng thấp và vấn đề đối sánh từng vùng vân tay. Các phƣơng pháp đối sánh vân tay có thể đƣợc phân loại thô vào ba họ:
Đối sánh dựa độ tương quan: Hai ảnh vân tay đƣợc đặt chồng lên và độ tƣơng quan giữa các điểm ảnh tƣơng ứng đƣợc tính với sự căn chỉnh khác nhau (ví dụ với các vị trí và độ quay khác nhau).
Đối sánh dựa vào chi tiết: Đây là kĩ thuật phổ biến nhất và đƣợc sử dụng rộng rãi nhất. Chi tiết đƣợc trích chọn từ hai vân tay đƣợc lƣu giữ nhƣ là tập các điểm trong một bề mặt hai chiều. Đối sánh dựa chi tiết cơ bản bao gồm tìm kiếm sự căn chỉnh giữa tập chi tiết mẫu và tập chi tiết đầu vào dẫn tới sự so khớp lớn nhất các cặp chi tiết.
Đối sánh dựa đặc tính vân: trong các ảnh vân tay chất lƣợng thấp, việc trích chọn chi tiết rất khó khăn. Khi các đặc trƣng khác của mẫu vân tay (ví dụ: hƣớng và tần suất cục bộ, hình dạng vân, thông tin kết cấu) có thể đƣợc trích chọn một cách tin cậy hơn chi tiết, sự khác biệt của chúng là không cao. Các phƣơng pháp thuộc họ này so sánh các vân tay với các đặc trƣng đƣợc trích chọn từ các mẫu vân. Về nguyên lý, đối sánh dựa độ tƣơng quan và đối sánh dựa vào chi tiết có thể xem nhƣ là một phần của đối sánh dựa đặc trƣng vân, theo cách hiểu mật độ điểm ảnh, vị trí chi tiết là nhƣng đặc trƣng của mẫu vân ngón tay.