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 thời gian. Cách tiếp cận theo hƣớng tần suất cho phép xử lý toàn bộ ảnh vân tay cùng lúc.
Quá trình lọc bắt đầu bằng việc tính toán hƣớng ảnh vân tay. Đối lập với lọc Gabor ƣớc lƣợng hƣớng vân sử dụng khoảng hƣớng liên tục, trong phƣơng pháp này chỉ sử dụng một bộ 16 hƣớng để tính toán hƣớng. Một cửa sổ ảnh đặt tại điểm trung tâm của ảnh gốc đƣợc sử dụng để lấy hình chiếu của các đƣờng vân cục bộ và với mỗi hƣớng thực hiện tính toán hình chiếu dọc theo trục y của cửa sổ. Hình chiếu với biến thiên cực đại đƣợc sử dụng nhƣ là hƣớng đại diện cho điểm đó trong ảnh vân. Quá trình này áp dụng cho toàn bộ pixel để tính toán ảnh định hƣớng tƣơng ứng ảnh vân tay.
Tƣơng tự nhƣ quá trình lọc sử dụng bởi Hong và các tác giả, sau khi ảnh hƣớng vân đƣợc tính toán, ảnh gốc sẽ qua quá trình lọc kênh để điều chỉnh tần suất vân tƣơng ứng. Trƣớc hết, ảnh vân đƣợc chuyển đổi từ không gian rời rạc đến không gian liên tục sử dụng biến đổi Fourier hai hƣớng rời rạc. Ảnh Fourier đƣợc lọc sử dụng 16 bộ lọc Butterworth, mỗi bộ lọc lọc theo hƣớng nhất định. Số lƣợng bộ lọc hƣớng tƣơng ứng với tập định hƣớng sử dụng để tính toán ảnh định hƣớng. Sau khi lọc đƣợc sử dụng độc lập cho ảnh Fourier cho ra một tập ảnh lọc theo hƣớng gọi là “ảnh trƣớc khi lọc” – prefiltered images .
Bƣớc tiếp theo của quá trình nâng cao chất lƣợng ảnh là giai đoạn xây dựng ảnh lọc cuối cùng sử dụng giá trị từng pixel trong tập ảnh trƣớc khi lọc. Để thực hiện đƣợc, hai giá trị đầu vào không thể thiếu là giá trị hƣớng vân tại mỗi điểm trong ảnh vân và hƣớng lọc cho mỗi ảnh trƣớc khi lọc nói trên. Mỗi điểm trong ảnh lọc cuối cùng đƣợc tính toán bằng cách lựa chọn giá trị pixel trong ảnh “trƣớc khi lọc” sao cho hƣớng lọc gần với hƣớng vân thực tế nhất. Đầu ra của quá trình lọc là một ảnh đã đƣợc nâng cao chất lƣợng về hƣớng của vân.
Bƣớc cuối cùng sử dụng một ngƣỡng đáp ứng cho ảnh vừa lọc để thu đƣợc ảnh nhị phân đƣợc nâng cao chất lƣợng cuối cùng. Quá trình này bao gồm việc tính toán mức xám trung bình trong một cửa sổ ảnh tại mỗi pixel và nếu mức xám trung bình lớn hơn ngƣỡng, pixel đƣợc đặt giá trị là 1 ngƣợc lại giá trị của pixel là 0. Ảnh đa mức xam đƣợc chuyển thành ảnh nhị phân chỉ có hai giá trị là màu của đƣờng vân và màu nền giữa đƣờng vân.
Nói chung, có thể thấy trong hầu hết các kỹ thuật nâng cao chất lƣợng ảnh đều sử dụng bộ lọc cho phép chuyển đổi ảnh tuân theo các đặc tính cục bộ của ảnh vân tay. Cả hai phƣơng pháp đề cập ở trên đều sử dụng thông tin hƣớng vân phục vụ việc lọc ảnh. Tuy nhiên, chỉ phƣơng pháp lọc Gabor là sử dụng thông tin tần suất vân còn phƣơng pháp của Sherlock giả sử tần suất vân là không đổi. Bằng cách sử dụng cả thông tin hƣớng và tần suất vân, lọc Gabor cho phép lọc chính xác hơn và kết quả tất yếu là ảnh đƣợc nâng cao chất lƣợng là chính xác hơn. Do vậy luận văn sẽ sử dụng phƣơng pháp lọc Gabor để thực hiện quá trình nâng cao chất lƣợng ảnh trong giải pháp kết hợp. Quá trình nâng cao chất lƣợng ảnh sẽ có các bƣớc nhƣ sau:
Phân mảnh - segmentation
Chuẩn hóa - normalisation
Ƣớc lƣợng hƣớng vân cục bộ - orientation estimation
Ƣớc lƣợng tần suất vân cục bộ - ridge frequency estimation
Lọc Gabor - Gabor filtering
Nhị phân hóa - binarisation
Làm mảnh - thinning
Trong các phần tiếp theo, luận văn sẽ mô tả chi tiết các bƣớc trong quá trình nâng cao chất lƣợng ảnh nhƣ đã đề cập ở trên.
Hình 37. Thuật toán nâng cao chất lƣợng ảnh
Phân mảnh Chuẩn hóa Ƣớc lƣợng hƣớng vân cục bộ Ƣớc lƣợng tần suất vân cục bộ Lọc Gabor Nhị phân hóa Làm mảnh
Ảnh ban đầu Ảnh đã đƣợc tăng cƣờng