2.2.1. Phân tích và biểu diễn vân tay
Khi ấn ngón tay vào một bề mặt trơn, một vân tay đƣợc sao chép lại từ lớp biểu bì da. Cấu trúc dễ nhận thấy nhất của vân tay là các vân lồi và vân lõm; trong ảnh vân tay, vân lồi có màu tối trong khi vân lõm có màu sáng. Vân lồi có độ rộng từ 100m đến 300m. Độ rộng của một cặp vân lỗi lõm cạnh nhau là 500m. Các chấn thƣơng nhƣ bỏng nhẹ, mòn da..không ảnh hƣởng đến cấu trúc bên dƣới của vân, khi da mọc lại sẽ khôi phục lại đúng cấu trúc này.
Hình 31. Vân lồi và lõm trên một ảnh vân tay
Vân lồi và vân lõm thƣờng chạy song song với nhau; chúng có thể rẽ thành hai nhánh, hoặc kết thúc. Ở mức độ tổng thể, các mẫu vân tay thể hiện các vùng vân khác nhau mà ở đó các đƣờng vân có hình dạng khác biệt. Những vùng này (gọi là các vùng đơn) có thể đƣợc phân loại thành các dạng: loop, delta và whorl và đƣợc kí hiệu tƣơng ứng là , , . Vùng whorl có thể đƣợc mô tả bởi hai vùng loop đối diện nhau.
Hình 32. Mẫu vân tay dạng gấp khúc
Mẫu vân tay dạng gấp khúc: a) loop trái; b) loop phải; c) vòng; d) vòm; và e) vòm dạng lều; hình vuông đánh dấu điểm đặc biệt của mỗi dạng loop và tam giác đánh dấu điểm đặc biệt dạng delta.
Hình 33. Vân tay ứng với năm phân lớp chính
Ở mức độ cục bộ, chúng ta tìm kiếm các đặc tính quan trọng, gọi là các chi tiết. Các chi tiết mô tả cách mà các vân bị đứt quãng. Ví dụ vân có thể đi tới điểm kết thúc, hay rẽ thành hai nhánh…. Viện các chuẩn quốc gia Mĩ đề nghị phân loại chi tiết theo bốn loại gồm: điểm kết thúc, điểm rẽ hai, điểm rẽ ba, và điểm không xác định. Trong khi đó mô hình chi tiết của cục điều tra liên bang Mĩ chỉ có hai loại chi tiết là điểm kết thúc và điểm rẽ hai. Mỗi chi tiết đƣợc đặc trƣng bởi phân lớp, hệ tọa độ xy , góc tạo bởi tiếp tuyến của đƣờng vân tại chi tiết và trục ngang. Trong các ảnh vân tay, các điểm kết thúc và rẽ hai có thể tráo đổi cho nhau và ở cùng vị trí, ở ảnh âm bản điểm kết thúc xuất hiện nhƣ là điểm rẽ hai và ngƣợc lại.
Hình 34. Các dạng đặc trƣng vân phổ biến
a) Các dạng đặc trưng phổ biến; b) Đặc trưng kết thúc với [x0, y0] là giá trị tọa độ của điểm đặc trưng và θ là góc tạo bới hướng vân tại điểm đặc trưng với trục hoành; c) Đặc trưng rẽ nhánh: θ được định nghĩa là giá trị của điểm kết thúc tương ứng với điểm rẽ nhánh trong ảnh âm bản.
Hình 35. Tính đối ngẫu của đặc trƣng kết thúc và rẽ nhánh
Tính đối ngẫu của đặc trưng kết thúc và đặc trưng rẽ nhánh a) trong ảnh nhị phân và b) trong ảnh âm bản
Hầu hết các thuật toán phân loại và nhận dạng vân tay yêu cầu giai đoạn trích chọn đặc trƣng để xác định các đặc trƣng nổi bật. Hình ảnh vân tay thƣờng đƣợc biểu diễn nhƣ là một bề mặt hai chiều. Kí hiệu I là ảnh vân tay cấp xám với cấp xám g. I[x,y] là cấp xám của điểm ảnh [x,y]. Kí hiệu z = S(x,y) là bề mặt rời rạc tƣơng ứng với ảnh I: S(x,y) = I[x,y]. Bằng cách chọn các điểm ảnh màu sáng có cấp xám là 0, và các điểm ảnh có màu tối có cấp xám là g-1, thì các đƣờng vân (xuất hiện có màu tối trong I) tƣơng ứng với bề mặt vân lồi còn khoảng không gian giữa các vân lồi (có màu sáng) tƣơng ứng là bề mặt vân lõm.
2.2.2. Sử dụng vân tay trong bài toán xác minh
Dấu vân tay đƣợc chính thức công nhận là dấu hiệu xác minh nhân dạng trong khoảng đầu thế kỷ XX và từ đó trên thực tế đã trở thành kỹ thuật xác minh trong các cơ quan hành pháp trên toàn thế giới. So với các đặc điểm sinh trắc học khác, dấu vân tay có một số ƣu điểm nhƣ:
1/ Tính phổ biến rộng:
Đại bộ phận nhân loại đều có dấu vân tay rõ ràng, do đó rất thuận tiện cho việc xác minh. Con số này hiển nhiên lớn hơn nhiều so với số ngƣời có hộ chiếu, chứng minh thƣ hay bất kỳ loại thẻ nào khác.
2/ Tính duy nhất:
Ngay cả 2 ngƣời sinh đôi có cùng DNA cũng mang dấu vân tay khác nhau, vì cấu trúc đƣờng vân tay trên ngón tay không đƣợc gen mã hóa. Nhƣ vậy, vân tay mang giá trị xác minh cao hơn so với DNA. Ngoài ra, trong lịch sử hơn một trăm năm ngành pháp y chƣa từng phát hiện trƣờng hợp dấu vân tay trùng hợp nào, và còn có cả các mô hình toán học chứng minh tính độc nhất vô nhị của dấu vân tay.
3/ Tính bất biến:
Đƣờng vân tay trên bề mặt ngón tay đƣợc hình thành từ trong bụng mẹ và bất biến cho đến lúc chết ngoại trừ trƣờng hợp bị bỏng hoặc thƣơng nặng.
4/ Có thể thu thập dễ dàng:
Quá trình thu thập dấu vân tay đã trở nên dễ dàng hơn kể từ khi xuất hiện các bộ cảm ứng trực tuyến. Các bộ cảm ứng này có thể chụp đƣợc những hình ảnh bề mặt ngón tay với độ phân giải cao chỉ trong vài giây. Quá trình này không yêu cầu hoặc yêu cầu không quá cao về việc đào tạo ngƣời sử dụng và dấu vân tay có thể dễ dàng thu thập từ những ngƣời có thiện chí hoặc ít thiện chí hợp tác. Ngƣợc lại, các phƣơng thức có độ chính xác khác nhƣ nhận dạng đồng tử lại cần ngƣời hợp tác hết sức thiện chí, đồng thời phải trải qua quá trình đào tạo đáng kể mới có thể sử dụng đƣợc hệ thống nhận dạng này.
5/ Hiệu quả cao:
Cho tới nay dấu vân tay vẫn là mộ trong những phƣơng thức sinh trắc học chính xác nhất hiện có với tỷ lệ sai số chấp nhận đƣợc (FAR) và tỷ lệ sai số không chấp nhận đƣợc (FRR) tối ƣu nhất. Các hệ thống giám định pháp y hiện nay có thể đạt mức FAR dƣới 10-4.
6/ Khả năng đƣợc chấp nhận cao:
Tuy một thiểu số ngƣời nằm trong diện áp dụng phƣơng pháp vẫn chƣa sẵn lòng cung cấp dấu vân tay vì cơ sở dữ liệu dấu vân tay pháp y thƣờng gắn với khoa học hình sự, nó là phƣơng thức nhận dạng sinh trắc học đƣợc áp dụng rộng rãi nhất.
Bề mặt dấu vân tay đƣợc tạo nên bởi một hệ thống các đƣờng vân và rãnh có tác dụng tạo ma sát khi cầm nắm đồ vật. Khi đƣợc kiểm tra, bề mặt này tiết lộ rất nhiều thông tin về cấu trúc. Các hình ảnh vân tay có thể đƣợc thể hiện cả bằng đặc điểm có tính phổ quát lẫn cá biệt. Đặc điểm có tính phổ quát bao gồm hƣớng vân tay, khoảng cách giữa các vân tay và các điểm đơn lẻ nhƣ tâm điểm và lòng bàn tay.
Xét từ góc độ phân loại, các điểm đơn lẻ này rất hữu ích . Tuy nhiên, việc xác minh lại chỉ phụ thuộc vào các đặc điểm nhỏ lẻ, bao gồm những đặc điểm cục bộ nhƣ những chỗ đứt gãy trên đƣờng vân tay. Có khoảng 18 loại điểm nhỏ lẻ nhƣ vậy, trong đó có điểm cuối đƣờng vân tay, điểm rẽ nhánh, điểm giao cắt và gò. Trong số này, điểm cuối đƣờng vân tay và điểm rẽ nhánh là những đặc điểm hay đƣợc sử dụng nhất. Điểm cuối đƣờng vân tay là điểm mà tại đó đƣờng vân tay đột ngột dừng lại, còn điểm rẽ nhánh là điểm có hình chạc ba của đƣờng vân tay. Đa phần các thuật toán đối chiếu không phân biệt 2 loại này vì trong quá trình thu thập dƣới nhiều áp lực khác nhau các thuật toán/ chúng có thể dễ dàng tráo đổi. Các đặc điểm có tính phổ quát tự bản thân chúng không đủ rõ ràng nên thƣờng đƣợc dùng cho việc phân loại trƣớc khi rút ra các đặc điểm nhỏ lẻ cá biệt.
Hình ảnh dấu vân tay đƣợc thu thập bằng các phƣơng pháp off-line chẳng hạn nhƣ in dấu mực trên giấy hoặc qua thiết bị thu trực tiếp bao gồm bộ cảm ứng quang học, điện dung, siêu âm hoặc nhiệt. Giai đoạn đầu tiên gồm các thuật toán xử lý hình ảnh tiêu chuẩn nhƣ loại bỏ các yếu tố gây nhiễu và làm mịn. Tuy nhiên cần chú ý rằng không giống những hình ảnh thông thƣờng, hình ảnh dấu vân tay thể hiện một hệ thống cấu trúc có định hƣớng và rất giàu thông tin cấu trúc trong phạm vi một hình ảnh. Ngoài ra, khái niệm gây nhiễu và các chi tiết tạo tác thừa cũng rất đặc trƣng đối với các dấu vân tay.
Các thuật toán nâng cao hình ảnh dấu vân tay đƣợc thiết kế chuyên biệt nhằm khai thác đặc tính định hƣớng và định kỳ của các đƣờng vân tay. Các đặc điểm nhỏ lẻ cuối cùng sẽ đƣợc trích chọn từ hình ảnh và sau đó đƣợc dùng cho việc đối chiếu. Mặc dù nghiên cứu về nhận diện dấu vân tay đã đƣợc tiến hành nhiều thập kỷ nay nhƣng vẫn còn tồn tại nhiều thách thức. Phần tiếp theo của luận văn này sẽ trình bày nghiên cứu về một số vấn đề đó.
2.2.3. Mô hình hệ thống xác minh
Hệ thống xác minh có hai giai đoạn: giai đoạn tham gia và giai đoạn xác minh. Sau đây là mô hình tổng quan của hệ thống xác minh:
Hình 36. Cấu trúc hệ thống xác minh sử dụng vân tay
Hệ thống xác minh phân làm hai giai đoạn nhƣ nêu trên, tuy nhiên hệ thống có thể phân tách thành ba giai đoạn cơ bản: tăng cƣờng ảnh vân tay, trích chọn đặc trƣng và hậu xử lý cuối cùng là giai đoạn đối sánh vân tay. Chúng ta sẽ trình bày ba giai đoạn cụ thể trong phần sau. Mẫu vân tay Thu nhận vân tay có ID kèm theo Thu nhận vân tay Tăng cƣờng ảnh vân tay Trích chọn đặc trƣng và hậu xử lý Tăng cƣờng ảnh vân tay Trích chọn đặc trƣng và hậu xử lý
Đối sánh vân tay
Kết quả đối sánh
Quá trình tham gia
Quá trình xác minh Ảnh vân tay đƣợc làm mảnh chất lƣợng tốt Ảnh vân tay đƣợc làm mảnh chất lƣợng tốt Mẫu đặc trƣng Mẫu đặc trƣng Mẫu đặc trƣng
2.3. NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG ẢNH
2.3.1. Lựa chọn thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh
Chất lƣợng của cấu trúc đƣờng vân tay trong hình ảnh dấu vân tay là một đặc điểm quan trọng vì các đƣờng vân này mang thông tin về những đặc điểm đặc trƣng cần cho việc trích chọn các chi tiết nhỏ lẻ. Lý tƣởng nhất là trong một hình ảnh dấu vân tay rõ ràng, các đƣờng vân tay và rãnh nằm xen kẽ nhau và chạy theo một hƣớng liên tục cục bộ. Tính liên tục này giúp tìm ra các đƣờng vân và nhƣ vậy giúp trích chọn một cách chuẩn xác các chi tiết nhỏ lẻ từ các đƣờng vân đã đƣợc làm mảnh.
Tuy nhiên, trong thực tế, một hình ảnh dấu vân tay thƣờng không đƣợc rõ nét nhƣ vậy do các yếu tố gây nhiễu làm sai lệch độ rõ ràng của cấu trúc đƣờng vân. Sự sai lệch này có thể là do các kiểu da khác nhau và do điều kiện lấy dấu khác nhau nhƣ sẹo, độ ẩm của tay, vết bẩn, và sự tiếp xúc không đều với thiết bị lấy dấu vân tay. Do đó, kỹ thuật nâng cao hình ảnh thƣờng đƣợc áp dụng nhằm giảm bớt yếu tố gây nhiễu và nâng cao độ nét của đƣờng vân so với đƣờng rãnh.
Phần này sẽ thảo luận về phƣơng pháp và việc ứng dụng thuật toán nâng cao chất lƣợng hình ảnh vân tay. Trƣớc hết, ngƣời viết xin khái quát các kỹ thuật hiện có trong việc nâng cao chất lƣợng hình ảnh vân tay. Tiếp đó là mô tả các phƣơng pháp đƣợc áp dụng để hiện thực hóa các thuật toán này. Một trong số những kỹ thuật nâng cao chất lƣợng hình ảnh dấu vân tay đƣợc áp dụng rộng rãi nhất là của Hong và cộng sự, dựa trên nếp cuộn hình ảnh cùng với bộ lọc Gabor đƣợc điều chỉnh phù hợp với định hƣớng của đƣờng vân tay cục bộ và tần suất của đƣờng vân. Các giai đoạn chính của thuật toán này là chuẩn hóa ảnh, ƣớc lƣợng hƣớng vân cục bộ, ƣớc lƣợng tần suất vân cục bộ và lọc.
Bƣớc đầu tiên của phƣơng pháp tiếp cận này là quá trình chuẩn hóa ảnh vân tay sao cho ảnh vân có mức độ trung bình và biến thiên xác định trƣớc (prespecified mean and variance). Do sự không hoàn thiện trong quá trình thu nhận vân tay chăng hạn do độ đậm nhạt của mực không đồng nhất hay tiếp xúc giữa tay và thiết bị thu nhận không đồng nhất, một ảnh vân tay có thể có mức độ thay đổi của mức biên thiên trong giá trị mức xáp dọc theo vân lõm và đƣờng vân. Quá trình chuẩn hóa đƣợc sử dụng nhằm giảm sự tác động của các biến thiên cho phép các bƣớc nâng cao chất lƣợng ảnh kế tiếp đƣợc thực hiện dễ dàng.
Tiếp theo, ảnh định hƣớng sẽ đƣợc xây dựng, đây là một ma trận các vector có hƣớng biểu diễn hƣớng đƣờng vân tại mỗi vị trí của ảnh. Phƣơng pháp phổ biến dựa trên gradient đƣợc sử dụng tính toán độ nghiêng bởi tính trực giao giữa vector định hƣớng và độ nghiêng. Trƣớc hết, ảnh đƣợc chia nhỏ thành nhiều khối vuông và độ nghiêng đƣợc tính toán cho từng pixel theo hai hƣớng x và y. Vector định hƣớng cho mỗi khối có thể tính toán bằng cách thực hiện lấy trung bình của toàn bộ các vector trực giao gradient của mỗi pixel trong khối đó. Nếu ảnh chứa nhiễu hay các vùng lỗi, hƣớng vân có thể xác định sai. Do hƣớng vân biến thiên nhỏ trong một vùng lân cận, ảnh định hƣớng sẽ đƣợc làm mƣợt sử dụng lọc thông thấp nhằm giảm các tác động của tác nhân ngoài.
Bƣớc tiếp theo trong quá trình nâng cao chất lƣợng ảnh là quá trình xác định ảnh tần suất vân. Ảnh tần suất vân xác định tần suất cục bộ của vân trong ảnh vân tay. Đầu tiên, ảnh vân đƣợc chia nhỏ thành các khối vuông và một cửa sổ có hƣớng đƣợc tính toán cho từng khối vuông đó. Với mỗi khối vuông, một đồ hình x đƣợc xây dựng dựa trên đƣờng vân và rãnh vân trong cửa sổ định hƣớng. Giá trị x là hình chiếu của mọi mức xám trong cửa sổ định hƣớng dọc theo trục trực giao với hƣớng vân. Do vậy, hình chiếu tạo thành sóng dạng sin mà trung tâm của bản đồ vân là điểm cực tiểu cục bộ. Khoảng cách giữa hai điểm cực đại liền nhau trong đồ hình x có thể sử dụng để ƣớc lƣợng tần suất vân.
Phƣơng pháp nâng cao chất lƣợng ảnh vân tay dựa trên lọc Gabor đƣợc sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng vân tay nhƣ đối sánh vân tay và phân loại vân tay. Lọc Gabor là bộ lọc kênh có cả hai thuộc tính dựa trên tần số và dựa trên hƣớng, điều này có nghĩa là bộ lọc có thể thay đổi sang giá trị tần số và hƣớng xác định khác. Một đặc tính hữu ích khác của vân tay đó là các ảnh vân đều có hƣớng và tần suất cục bộ rõ ràng. Do vậy thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh sử dụng đặc tính của cấu trúc không gian có trật tự bằng cách sử dụng lọc Gabor cho phép thay đổi sao cho phù hợp với hƣớng và tần suất vân cục bộ.
Dựa trên hƣớng cục bộ và tần suất vân xung quanh mỗi pixel, lọc Gabor đƣợc áp dụng tại mỗi pixel của ảnh. Quá trình lọc cho phép nâng cao chất lƣợng hƣớng vân theo hƣớng vân tại vùng cục bộ và giảm các hƣớng vân khác biệt. Do vậy bộ lọc cho phép tăng độ tƣơng phản giữa màu vân và màu nền, điều này cho phép giảm đáng kể độ nhiễu.
Một cách tiếp cận khác cho phép nâng cao chất lƣợng các đặc trƣng của ảnh vân tay đƣợc gọi là lọc Fourier có hƣớng. Lọc Gabor là cách tiếp cận theo không gian bao gồm cả các không gian xếp, cuộn với nhau, điều này dẫn tới việc tính toán mất nhiều