Đặc trƣng cơ bản của võn tay hiện trƣờng là nú thƣờng khụng đầy đủ, phần lớn cỏc trƣờng hợp chỉ để lại dấu võn tay của một phần ngún tay, nhiều khi bị mờ, nhũe, bị đố lờn vết bẩn hoặc cỏc hoa văn và đặc biệt là bị biến dạng theo mặt cong của đồ vật. Tuy vậy, trong nhiều trƣờng hợp vẫn cũn nhiều đặc điểm chi tiết đủ để truy nguyờn chớnh xỏc đối tƣợng đó để lại những dấu võn tay đú.
Cấu trỳc ảnh võn tay
Ảnh võn tay cú cấu trỳc bề mặt khỏ đặc biệt. Một cấu trỳc đƣờng võn lý tƣởng bao gồm cỏc dũng đƣờng võn và cỏc dũng đƣờng rónh chạy xen kẽ nhau, “song song” với nhau, một đƣờng võn bị kẹp giữa hai đƣờng rónh, và ngƣợc lại, một đƣờng rónh bị kẹp giữa hai đƣờng võn (xem Hỡnh 1.5).
Xột về kết cấu bề mặt, ảnh võn tay là một kết cấu cú hƣớng. Hƣớng ở đõy chớnh là hƣớng của cỏc dũng đƣờng võn với sự thay đổi tƣơng đối chậm.
Trong một ảnh võn tay đa mức xỏm, xột trong một lõn cận, mức xỏm của cỏc điểm thuộc đƣờng võn và cỏc điểm thuộc đƣờng rónh trờn một mặt cắt vuụng gúc với đƣờng võn biến đổi theo dạng gần nhƣ hỡnh sin nhƣ minh họa ở Hỡnh 1.6.
Hỡnh 1.6: Mức xỏm của ảnh võn tay theo mặt cắt ngang so với hƣớng đƣờng võn (V) là điểm chớnh giữa của đƣờng rónh, (R) là điểm chớnh giữa của đƣờng võn
Khi một võn tay bị phỏ hủy, cỏc cấu trỳc đƣờng võn và đƣờng rónh cũng bị phỏ hủy theo. Tuy nhiờn, dự cú sự xuất hiện của nhiễu, một chuyờn gia về võn tay vẫn cú thể khụi phục lại cỏc cấu trỳc đƣờng võn bằng cỏch sử dụng tớnh định hƣớng và tớnh súng của đƣờng võn để phỏn đoỏn và suy diễn.
Về mặt chất lƣợng, cú thể phõn chia một dấu võn tay bất kỳ thành 3 loại:
Vựng cú cấu trỳc rừ rànglà vựng mà mỗi đƣờng võn và đƣờng rónh phõn biệt
một cỏch rừ ràng với cỏc đƣờng võn và cỏc rónh khỏc (xem Hỡnh 1.7(a)), và do đú việc trớch chọn đặc trƣng dễ đảm bảo chớnh xỏc.
Vựng bị phỏ hủy nhưng cú thể khụi phục lại được là vựng mà cỏc đƣờng võn
và cỏc rónh bị phỏ hủy bởi một số lƣợng nhỏ cỏc vết gấp, cỏc nhỏt cắt, ..., nhƣng chỳng ta vẫn cú thể xỏc định và vẽ lại đƣợc cỏc vựng võn lõn cận cựng cỏc thụng tin hữu ớch về cấu trỳc cỏc đƣờng võn (xem Hỡnh 1.7(b)).
Vựng bị phỏ hủy khụng thể khụi phục được: là vựng mà cỏc đƣờng võn và cỏc
đƣờng rónh bị phỏ hủy bởi một số lƣợng lớn cỏc nhiễu (xem Hỡnh 1.7(c)). Cỏc đƣờng võn và cỏc đƣờng rónh này là khụng thể xỏc định đƣợc, cỏc vựng lõn cận cũng khụng cung cấp đƣợc thụng tin gỡ đỏng kể để cú thể khụi phục lại cấu trỳc cỏc đƣờng võn.
(a) Cấu trỳc võn tay rừ ràng
(b) Vựng bị phỏ huỷ nhưng cú thể khụi phục lại được
(c) Vựng bị phỏ huỷ nặng, khụng thể khụi phục lại được
Hỡnh 1.7: Cỏc vựng võn với chất lƣợng khỏc nhau
Chỳng ta gọi hai loại đầu là vựng cú thể khụi phục lại đƣợc và vựng thứ ba là vựng khụng thể khụi phục lại đƣợc. Trong bài toỏn nhận dạng võn tay, chỳng ta chỉ sử dụng vựng cú thể khụi phục đƣợc, vựng khụng thể khụi phục đƣợc xếp vào loại “vựng khụng xỏc định”. Cỏc đặc trƣng chi tiết do mỏy phỏt hiện trờn cỏc vựng khụng xỏc định thƣờng khụng đƣợc xột đến.
Đặc trưng của võn tay
Quan sỏt cỏc dấu võn tay trong Hỡnh 1.8, chỳng ta thấy cú nhiều hỡnh dạng rất phong phỳ, song vẫn cú thể phõn loại chỳng theo cỏc lớp khỏc nhau. Cú những lớp ở đú đƣờng võn chạy từ một phớa, đến giữa nhụ lờn rồi lại chạy tiếp sang phớa bờn kia tạo thành một mẫu võn cú hỡnh dỏng nhƣ những chiếc cung chồng lờn nhau Hỡnh 1.8(a). Song cũng cú những dũng võn sau khi chạy nhụ lờn ở giữa rồi lại quay trở về nơi xuất phỏt ban đầu Hỡnh 1.8(b). Lại cú những dũng đƣờng võn chạy vũng quanh một điểm, giống nhƣ những dũng nƣớc xoỏy khi chảy qua một chƣớng ngại vật nào đú Hỡnh 1.8(c).
(a) Hỡnh cung (b) Hỡnh quai (c) Hỡnh xoỏy
Hỡnh 1.8: Một số dạng võn tay thƣờng gặp
Để thuận tiện cho phõn loại ngƣời ta quy ƣớc với nhau một số khỏi niệm cơ bản:
Vựng võn trung tõm dựng để phõn loại là vựng võn nằm chớnh giữa một dấu võn tay đƣợc giới hạn bởi đƣờng bao trờn và đƣờng bao dƣới. Cỏc đƣờng bao là cỏc đƣờng võn bao vựng võn trung tõm, đƣợc quy ƣớc là một cặp đƣờng võn lỳc đầu chạy song song với nhau sau đú đến tam phõn điểm bờn ngoài nhất (cú thể ở bờn trỏi hay bờn phải) thỡ chạy tỏch ra, một chạy lờn phớa trờn, một chạy xuống phớa dƣới và cựng bao bọc lấy vựng trung tõm. Khi dũ theo nột võn, ngƣời ta qui ƣớc nếu gặp điểm cụt, phải chuyển ngay sang đƣờng võn liền ngoài để tiếp tục. Hỡnh 1.9 dƣới cho ta thấy vớ dụ về vựng võn trung tõm đƣợc giới hạn bởi cỏc đƣờng bao trờn A và đƣờng bao dƣới B.
Hỡnh 1.9: Mụ tả đƣờng bao và vựng võn trung tõm
Điểm kỳ dị (Singular point):
Trờn nhiều mẫu võn tay, chỳng ta dễ thấy cú những điểm đặc biệt cú thể quy ƣớc lấy làm điểm tham chiếu (reference points) để phõn loại. Những điểm đú thƣờng nằm trờn vựng tam giỏc chỗ giao nhau của ba dũng võn hoặc điểm quay gấp của một dũng đƣờng võn nào đấy chỳng tƣơng ứng đƣợc gọi là tam phõn điểm và
tõm điểm. Một võn tay cú thể cú hai, ba, cú khi bốn điểm nhƣ thế, song cũng cú võn
tay chẳng cú điểm nào.
Tam phõn điểm (Delta) là điểm gặp nhau của ba dũng võn khỏc nhau hoặc là
điểm phõn kỳ của đƣờng bao trờn và đƣờng bao dƣới khi ta xột từ trỏi sang phải và từ phải sang trỏi. Nếu võn tay cú nhiều tam phõn điểm thỡ ta ƣu tiờn chọn tam phõn điểm ngoài cựng để giới hạn vựng trung tõm. Tam phõn điểm cú thể định vị bởi điểm đầu tiờn rẽ nhỏnh, điểm kết thỳc, điểm giao nhau, điểm chấm hay đoạn võn ngắn nằm trờn vựng phõn kỳ. Hỡnh 1.10 mụ tảmột số vớ dụ về tam phõn điểm.
Đƣờng bao trờn A
Đƣờng bao dƣới B
Vựng võn trung tõm, đƣợc giới hạn bởi hai đƣờng bao
Hỡnh 1.10: Một số vớ dụ về tam phõn điểm
Tõm điểm (Core) là điểm mà quanh nú cú một dũng võn chạy vũng quanh,
nằm gần vị trớ trung tõm của võn tay. Trong võn tay, tõm điểm đƣợc qui ƣớc chọn điểm nằm trờn đƣờng võn mà tại đú độ cong của đƣờng võn là lớn nhất. Một võn tay cú thể cú nhiều tõm điểm. Hỡnh 1.11 cho minh họa một số vớ dụ về tõm điểm.
Hỡnh 1.11: Một số vớ dụ về tõm điểm
Số đếm võn
Là số đƣờng võn cắt đoạn thẳng nối hai điểm mốc (xem Hỡnh 1.12). Điểm mốc cú thể là tõm điểm (core), tam phõn điểm (delta) hay điểm đặc trƣng chi tiết.
Hỡnh 1.12: Số đếm võn
Cỏc dạng cơ bản của võn tay
Võn tay đƣợc phõn loại thành cỏc dạng cơ bản căn cứ vào cỏch sắp xếpchung của cỏc dũng đƣờng võn. Cú ba dạng cơ bản chủ yếu đú là dạng hỡnh cung, dạng hỡnh quai và dạng hỡnh xoỏy. Mỗi dạng này cũn cú thể chia chi tiết
hơn nữa, thậm chớ cú thể phõn loại mịn hơn bằng việc đƣa thờm số đếm võn. Bởi vỡ cú một mức độ độc lập nhất định giữa cỏc dạng cơ bản trờn mƣời đầu ngún tay, phƣơng phỏp phõn loại võn tay theo dạng cơ bản khi ỏp dụng cho cả 10 ngún sẽ cú giỏ trị phõn một tập chỉ bản thành nhiều nhúm nhỏ, mỗi nhúm nhỏ bao gồm những ngƣời cú cựng một tổ hợp dạng cơ bản nhƣ nhau. Nhƣ vậy, việc phõn nhúm theo dạng cơ bản sẽ rất hữu ớch vỡ nú cho phộp giảm số lƣợng cỏc phộp đối sỏnh khi ta đối sỏnh một chỉ bản võn tay với một tập chỉ bản cho trƣớc nào đú.
- Dạng võn hỡnh cung (ARCHxem hỡnh 1.13): Chiếm khoảng 3,6% tổng số võn tay.
- Dạng võn hỡnh quai (LOOPxem hỡnh 1.14): Dạng võn hỡnh quai là loại thƣờng gặp nhất trong cỏc mẫu võn tay, chiếm khoảng 49,5% số võn tay.
- Dạng võn hỡnh xoỏy (WHORL xem hỡnh 1.15): Loại võn hỡnh xoỏy cũn đƣợc gọi là hoa tay, chiếm khoảng 46,4% trong số cỏc võn tay. Ở loại này, cú ớt nhất một đƣờng võn tạo thành một vũng trũn đúng hay một đƣờng võn hỡnh chữ S.
Hỡnh 1.13: Mụ tả loại võn hỡnh cung
Hỡnh 1.15: Mụ tả loại võn hỡnh xoỏy
Bảng 1.2 sau đõy chỉ ra cho ta tần suất xuất hiện cỏc dạng cơ bản của võn tay trờn 10 đầu ngún tay.
Bảng 1.2: Tần suất xuất hiện dạng cơ bản [2]
DCB\Ngún CP TP GP NP UP CT TT GT NT UT Cộng Cung 0.204 0.81 0.35 0.15 0.18 0.25 0.75 0.46 0.22 0.25 3.624 Quai trỏi 0.08 1.5 0.16 0.094 0.23 3.13 4.001 5.32 3.23 7.05 24.795 Quai phải 3.301 3.15 5.32 3.41 7.56 0.17 1.008 0.09 0.183 0.5 24.692 Xoỏy 6.413 4.49 4.13 6.33 2.02 6.54 4.197 4.11 6.35 1.85 46.43 Cụt, Sẹo 0.003 0.05 0.04 0.016 0.01 0.01 0.044 0.02 0.017 0.35 0.56
Trong đú CP, TP, GP, NP, UP lần lƣợt là cỏc ngún tay cỏi, trỏ, giữa, nhẫn và ỳt của bàn tay phải cũn CT, TT, GT, NT, UT là cỏc ngún tay cỏi, trỏ, giữa, nhẫn và ỳt của bàn tay trỏi. Qua bảng này ta thấy chỉ cú 0.204% dạng cơ bản hỡnh cung trờn ngún cỏi phải trong khi đú cú 6.35% dạng cơ bản hỡnh xoỏy trờn ngún đeo nhẫn trỏi.
Bảng 1.3 chỉ ra cho ta thấy mƣời hai tổ hợp cỏc dạng võn tay cơ bản trờn hai bàn tay cú tần suất xuất hiện cao nhất. Cột thứ nhất chỉ ra cỏc tổ hợp dạng cơ bản của 10 ngún tay bắt đầu từ ngún cỏi phải và kết thỳc là ngún ỳt trỏi. Những chữ cỏi R, L, W và A kớ hiệu tƣơng ứng cho cỏc dạng cơ bản quai phải, quai trỏi, xoỏy và cung. Cột thứ hai chỉ ra số phần trăm. Tổ hợp phổ biến nhất, ƣớc tớnh khoảng 3,545% số chỉ bản cú 5 ngún tay phải đều cú dạng quai phải và 5 ngún tay trỏi đều cú dạng quai trỏi.
Do vậy, bằng cỏch kiểm tra dạng cơ bản của mƣời ngún tay, một chuyờn gia võn tay cú thể phõn loại một ngƣời cụ thể vào một lớp nào đú (cú cựng tổ hợp dạng cơ bản). Tuy nhiờn, mỗi nhúm này vẫn cũn bao gồm rất nhiều ngƣời. Để tăng tốc độ
truy nguyờn trờn CSDL dung lƣợng lớn, cần thiết phải dựng kỹ thuật đỏnh chỉ số CSDL võn tay khụng chỉ theo dạng cơ bản mà cũn theo những đặc điểm khỏc nữa.
Bảng 1.3: Tần suất xuất hiện một số tổ hợp cỏc dạng võn tay cơ bản
Tổ hợp dạng cơ bản Tần suất xuất hiện
RRRRR LLLLL 3.545 WWWWW WWWWW 1.86 WWWWR WWWWL 1.68 RLRRR LRLLL 1.64 RRRRR LRLLL 1.53 WRRRR WLLLL 1.45 RRRWR LLLLL 1.41 RLRRR LLLLL 1.36 RRRRR LALLL 1.26 WRRRR LLLLL 1.12 RARRR LALLL 1.02 RRRWR LLLWL 0.96
Điểm đặc trưng chi tiết
Trong mỗi dấu võn tay cú một số đƣờng võn đang chạy liờn tục rồi đến một vị trớ nào đú hoặc bị phõn ra hai, ba nhỏnh (điểm rẽ nhỏnh) hoặc cú khi bị đột ngột kết thỳc (điểm cụt). Cỏc điểm kết thỳc hay rẽ nhỏnh này phõn bố tƣơng đối ngẫu nhiờn trờn một dấu võn tay và đƣợc gọi là những đặc trƣng chi tiết (minutiae). Dƣới đõy là một số kiểu điểm đặc trƣng chi tiết (ĐTCT).
Điểm cụt: Hỡnh 1.16(a) cho ta thấy điểm kết thỳc đƣờng võn (ridge ending)
hay cũn gọi là điểm cụt xuất hiện khi đƣờng võn đột ngột kết thỳc.
(a) Điểm cụt (b) Điểm rẽ nhỏnh
Hỡnh 1.16: Minh họa điểm đặc trƣng chi tiết
Điểm rẽ nhỏnhlà điểm tại đú đƣờng võn rẽ ra làm hai nhỏnh (xem Hỡnh 1.16(b)).
Tuy nhiờn cỏc cỏchtổ hợp khỏc nhau của hai loại ĐTCT này cũng tạo ra nhiều biến thể khỏc nhau đƣợc gọi chung là đặc điểm thứ cấp (secondary feature)
nhƣ cỏc chấm cụ lập, cỏc đoạn đƣờng võn ngắn, đƣờng võn hỡnh mắt (lũng hồ), hỡnh múc, cầu nối, hai đƣờng võn cụt gặp nhau.
- Những chấm nhỏ cụ lập (dot): gồm một số điểm đen gộp lại thành một dấu
chấm cụ lập.
- Đoạn đường võn ngắn hay đảo (island): là một đoạn đƣờng võn ngắnnhƣ trong Hỡnh 1.17(a), nhƣng khụng quỏ ngắn để cú thể coi là một điểm, cũng là tổ hợp hai điểm cụt liờn thụng, nằm gần sỏt nhau và ngƣợc chiều nhau.
(a) Đoạn võn ngắn dạng đảo
(b) Đoạn võn hỡnh mắt (c) Nhỏnh múc (d) Đoạn cầu nối
Hỡnh 1.17: Một số dạng võn đặc biệt
- Đường hỡnh mắt hay hồ (lake): Một đƣờng võn rẽ ra làm hai nhỏnh sau đú
khộp lại tạo thành một vũng kớnnhƣ trong Hỡnh 1.17(b), chỳng là tổ hợp hai điểm rẽ nhỏnh, gần nhau và ngƣợc chiều nhau.
- Nhỏnh múc (spur): Đƣờng võn tỏch ra nhƣ một cỏi múc ngắn(xem Hỡnh 1.17(c)).
- Đoạn cầu nối (crossover): Do một múc kộo dài làm thành cầu nối hai đƣờng
võn kề nhau (xem Hỡnh 1.17(d)).
Những điểm ĐTCT này phõn bố rải rỏc trong mối tƣơng quan lẫn nhau, mỗi điểm ĐTCT đƣợc biểu diễn bởi thể loại, vị trớ và hƣớng xỏc định. Trừ khi một ngún tay bị phỏ hủy nặng để lại sẹo, cỏc điểm ĐTCT nhỡn chung sẽ vẫn khụng thay đổi đối với một ngƣời trong suốt cả cuộc đời từ khi sinh ra cho đến khi qua đời.
Một thực tế đƣợc thừa nhận rộng rói là hai dấu võn tay cựng cú bộ ớt nhất từ 10 đến 13 đặc điểm ĐTCT cựng cỏc tƣơng quan vị trớ tƣơng ứng giống nhau thỡ coi nhƣ chỳng đƣợc để lại từ cựng một ngún tay. Hai ngún tay khỏc nhau luụn tạo ra những dấu võn tay chứa tập cỏc điểm ĐTCT phõn bố khỏc nhau. Do vậy, ngún tay để lại dấu võn tay cú thể truy nguyờn nhờ đối sỏnh cỏc điểm ĐTCT.
1.2. Hệ thống nhận dạng võn tay tự động
Ở nƣớc ta hiện nay, tại hầu hết cỏc địa phƣơng cấp tỉnh đều xõy dựng hệ thống tàng thƣ võn tay căn cƣớc cụng dõn và căn cƣớc can phạm, cụng việc phõn
loại và tỡm kiếm võn tay chủ yếu vẫn cũn phải thực hiện bằng cỏc phƣơng phỏp thẻ phiếu thủ cụng. Cỏc chuyờn gia phải phõn loại, xem xột, so sỏnh cỏc chỉ bản võn tay bằng mắt thƣờng với cỏc dụng cụ nhƣ: kớnh lỳp, bỳt chỡ, compa, thƣớc kẻ, .... Việc tổ chức cỏc bộ thẻ và tra tỡm, đối sỏnh thủ cụng nhƣ vậy mất nhiều thời gian và cụng sức, do đú thƣờng khụng đạt đƣợc hiệu quả mong muốn.
Hiện nay, cỏc ứng dụng tự động nhận dạng võn tay ra đời cho phộp tỡm kiếm võn tay trong một cơ sở dữ liệu lớn với thời gian nhanh và độ chớnh xỏc cao.
Một hệ thống nhận dạng võn tay tự động thụng thƣờng phải cú hai chức năng cơ bản: xõy dựng cơ sở dữ liệu (CSDL) và truy nguyờn võn tay. Xõy dựng CSDL võn tay tức là thực hiện cỏc cụng việc: Thu thập chỉ bản của cỏc đối tƣợng quản lý, quột chỉ bản, nhập thụng tin thuộc tớnh (số đối tƣợng, họ tờn, năm sinh, nơi sinh, ...), phõn loại võn tay theo cỏc đặc điểm cơ bản, xử lý trớch chọn tự động cỏc ĐTCT, lƣu và tổ chức CSDL. Truy nguyờn võn tay là xỏc định xem đối tƣợng cú võn tay đú đó cú trong cơ sở dữ liệu hay chƣa, số hồ sơ đối tƣợng đăng ký là bao nhiờu. Khi xõy dựng CSDL võn tay cũng nhƣ khi truy nguyờn đều đũi hỏi phải phõn loại và trớch chọn cỏc điểm ĐTCT trƣớc khi tiến hành đối sỏnh.Hỡnh 1.18 mụ tả sơ đồ khối tổng quỏt của hệ thống nhận dạng võn tay tự động.
Thu nhận ảnh, nhập thụng tin thuộc tớnh và tiền xử lý: Khõu này cú ý nghĩa
rất lớn trong mụ hỡnh nhận dạng võn tay tự động. Ảnh võn tay thu nhận cú chất lƣợng khỏc nhau. Ảnh lấy mẫu trờn cỏc mỏy lăn tay sống chuyờn dụng thƣờng cú chất lƣợng tốt hơn ảnh quột từ chỉ bản lăn mực. Tiền xử lý ảnh là chuyển ảnh võn tay sang một dạng phự hợp, cú chất lƣợng tốt để phục vụ cho pha trớch chọn đặc trƣng.
Phõn loại võn tay tự động: Phõn loại võn tay tự động là xõy dựng thuật toỏn
phõn tớch ảnh võn tay để phõn chia chỳng thành một số dạng cơ bản. Phõn loại là bƣớc lọc thụ, bởi vỡ hai võn tay thuộc hai loại khỏc nhau đƣợc coi là khỏc nhau, khụng cần phải đối sỏnh nữa. Với việc phõn loại võn tay, khõu đối sỏnh chỉ phải