Báo cáo xử lý ảnh nhận diện vân tay

Thu nhận và lưu trữ ảnh vân tay Thu nhận ảnh vân tay - Thu nhận gián tiếp Trước đây, trong các ứng dụng thực thi pháp luật, việc thu thập hình ảnh dấu vân tay được thực hiện bằng cách

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH

VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN

MÔN: XỬ LÝ ẢNH

ĐỀ TÀI:

NHẬN DIỆN VÂN TAY

Sinh viên thực hiện : NGUYỄN THẾ DUY

MSSV: N18DCCN032

Giảng viên : LÊ HOÀNG THÁI

MỞ ĐẦU

Với nhu cầu cấp bách đối với bảo mật cao ngày càng tăng, sinh trắc học đã được nhắm vào để tạo ra một phương pháp nhận dạng cho thế hệ tiếp nối Trong số hàng loạt công nghệ sinh trắc học, nhận dạng vân tay được sử dụng thời gian sớm nhất và mang đến nhiều cơ hội hơn là sử dụng những công nghệ sinh trắc học khác

Nhận dạng vân tay có thể là phương pháp phức tạp nhất của tất cả công nghệ sinh trắc và được xác nhận qua nhiều ứng dụng Nhận dạng vân tay đã chứng thực một cách đặc biệt về tính hiệu quả cao của nó và là công nghệ được đề cao

xa hơn nữa trong ngành điều tra tội phạm hơn một thế kỷ

Thậm chí như dáng đi con người, gương mặt, hoặc chữ ký có thể thay đổi với thời gian và có thể được làm giả hoặc mô phỏng theo Tuy nhiên,vân tay là duy nhất hoàn hảo theo từng riêng lẻ và cố định không thay đổi theo thời gian Tính riêng biệt này đã minh chứng rằng nhận dạng vân tay là chính xác và hiệu quả hơn các phương pháp nhận dạng khác

Ngoài ra, Vân tay có thể được chụp ảnh lại và được số hóa bằng những thiết bị giá thành thấp và nén một cách hiệu quả nên chỉ mất một dung lượng nhỏ để lưu trữ một lượng dữ liệu lớn của thông tin Với những sức mạnh này, nhận dạng vân tay là một phần chủ yếu trên thị trường an ninh và tiếp tục cạnh tranh hơn những cái khác trên khắp thế giới ngày nay

Các đặc điểm nhân chủng học của vân tay

Dấu vân tay là đại diện của lớp biểu bì của ngón tay: nó bao gồm một mô hình các đường vân và rãnh đan xen nhau Các gờ ở đầu ngón tay phát triển qua nhiều năm để cho phép con người cầm và nắm đồ vật Giống như mọi thứ trên

cơ thể con người, các đường vân tay hình thành thông qua sự kết hợp của các yếu tố di truyền và môi trường Trên thực tế, sự hình thành dấu vân tay tương tự như sự phát triển của mao mạch và mạch máu trong quá trình hình thành mạch

Mã di truyền trong DNA đưa ra các chỉ dẫn chung về cách da hình thành ở thai nhi đang phát triển, nhưng cách thức cụ thể mà nó hình thành là kết quả của các

sự kiện ngẫu nhiên (vị trí chính xác của thai nhi trong bụng mẹ tại một thời điểm cụ thể và thành phần chính xác và mật độ của nước ối xung quanh) Đây là

lý do tại sao ngay cả dấu vân tay của các cặp song sinh giống hệt nhau cũng khác nhau Dấu vân tay được hình thành đầy đủ (tức là đã trở nên ổn định) vào khoảng tháng thứ 7 của bào thai và cấu hình các gân ngón tay không thay đổi trong suốt cuộc đời của một cá nhân, ngoại trừ trường hợp tai nạn như vết cắt trên đầu ngón tay Đặc tính này làm cho dấu vân tay trở thành một mã nhận dạng sinh trắc học rất hấp dẫn

Thu nhận và lưu trữ ảnh vân tay

Thu nhận ảnh vân tay

- Thu nhận gián tiếp

Trước đây, trong các ứng dụng thực thi pháp luật, việc thu thập hình ảnh dấu vân tay được thực hiện bằng cách sử dụng cái gọi là "kỹ thuật mực": ngón tay của đối tượng được phết mực đen và ép vào thẻ giấy; thẻ sau đó được quét bằng cách sử dụng một máy quét giấy thông thường, tạo ra hình ảnh kỹ thuật số cuối cùng Loại quy trình này được gọi là thu nhận dấu vân tay ngoại tuyến hoặc cảm biến ngoại tuyến Một trường hợp cụ thể của cảm biến ngoại tuyến là thu được dấu vân tay tiềm ẩn từ hiện trường vụ án

Hình ảnh dấu vân tay thu được ngoại tuyến bằng kỹ thuật mực in

- Thu nhận trực tiếp

Ngày nay, hầu hết các AFIS dân sự và hình sự đều chấp nhận hình ảnh kỹ thuật

số quét trực tiếp thu được bằng cách cảm nhận trực tiếp bề mặt ngón tay bằng máy quét vân tay điện tử Phương pháp này không cần dùng mực và tất cả

những gì đối tượng phải làm là ấn ngón tay vào bề mặt phẳng của máy quét quét trực tiếp Bộ phận quan trọng nhất của máy quét dấu vân tay là cảm biến (hay phần tử cảm biến), đây là thành phần hình thành nên hình ảnh dấu vân tay Hầu hết tất cả các cảm biến hiện có thuộc một trong ba loại: quang học, thể rắn và siêu âm

Các kỹ thuật cảm biến mới như hình ảnh đa quang và 3D touch less đang được phát triển để khắc phục một số nhược điểm của các máy quét vân tay hiện tại, bao gồm: khó khăn khi thao tác với ngón tay ướt hoặc khô, sự biến dạng da do

áp lực của ngón tay lên bề mặt máy quét và không có khả năng phát hiện ngón tay giả

Lưu trữ ảnh vân tay

Lưu trữ ảnh vân tay trong cơ sở dữ liệu là một vấn đề hết sức quan trọng, có ảnh hưởng sống còn đến hiệu năng tìm kiếm trong các hệ nhận dạng vân tay cỡ lớn Đối với các ảnh vân tay, các thông tin đặc trưng cần được lưu trữ gồm: Véc tơ đặc trưng hướng, tập hợp các điểm đơn, véc tơ mã vân tay

(FingerCode), nhãn các lớp và tập điểm đặc trưng cục bộ Ngoài ra hệ thống còn phải lưu trữ các thông tin cá nhân liên quan đến vân tay như: Tên, tuổi, nơi sinh, màu tóc, thân nhân

Tiền xử lý vân tay

Hiệu suất của các thuật toán trích xuất chi tiết nhỏ và kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của hình ảnh dấu vân tay đầu vào Trên thực tế, do tình trạng da (ví dụ: ướt hoặc khô, vết cắt và vết bầm tím), tiếng ồn của cảm biến, áp lực ngón tay không chính xác và ngón tay có chất lượng thấp (ví dụ, người el derly, người lao động chân tay), một tỷ lệ đáng kể hình ảnh dấu vân tay (khoảng 10%) có chất lượng kém

Mục tiêu của thuật toán nâng cao dấu vân tay là cải thiện độ rõ ràng của cấu trúc sườn ở các vùng có thể khôi phục và đánh dấu các vùng không thể khôi phục là quá ồn để xử lý thêm Kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để tăng cường hình ảnh dấu vân tay là dựa trên các bộ lọc theo ngữ cảnh

Phương pháp trích xuất các đặc trưng

Biểu diễn đồ họa của các bước trích xuất đặc điểm vân tay và mối tương quan giữa chúng

Định hướng cục bộ và tần số

Ảnh vân tay là ảnh định hướng, các đường vân là các đường cong theo các hướng xác định Hướng đỉnh cục bộ tại điểm (x, y) là góc θxy mà các đường vân tay, cắt qua một vùng lân cận nhỏ tùy ý có tâm tại (x, y), tạo với trục hoành Thay vì tính góc định hướng tại mỗi điểm ảnh, hầu hết các phương pháp trích chọn đặc trưng và xử lý vân tay ước lượng góc định hướng tại các vị trí rời rạc

Phương pháp tính toán dựa trên trung bình cục bộ của các ước lượng gradient đã

được đề xuất

Ảnh vân tay và trường định hướng của nó

Một ảnh trường định hướng vân tay được tính trên một lưới 16x16

Phân đoạn

Nhiệm vụ phân đoạn bao gồm tách vùng dấu vân tay khỏi nền Vì hình ảnh dấu vân tay là các mẫu có vân, việc sử dụng kỹ thuật tạo ngưỡng cục bộ hoặc toàn cục không cho phép cô lập vùng dấu vân tay một cách hiệu quả

Phát hiện điểm kỳ dị

Hầu hết các phương pháp được đề xuất trong tài liệu để phát hiện điểm kỳ dị đều hoạt động dựa trên hình ảnh định hướng của dấu vân tay Phương pháp nổi tiếng nhất dựa trên chỉ số Poincare Một số cách tiếp cận thay thế đã được đề xuất để phát hiện điểm kỳ dị; chúng có thể được phân loại thô theo:

- Phương pháp dựa trên đặc điểm cục bộ của hình ảnh định hướng,

- Phương pháp dựa trên phân vùng,

- Phương pháp phát hiện lõi và đăng ký dấu vân tay

Cải tiến và mã hóa nhị phân

Hiệu suất của các thuật toán trích xuất chi tiết nhỏ và kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng của hình ảnh dấu vân tay đầu vào Mục tiêu của thuật toán nâng cao dấu vân tay là cải thiện độ rõ ràng của cấu trúc sườn ở các vùng có thể khôi phục và đánh dấu các vùng không thể khôi phục là

quá nhiễu để xử lý thêm Kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để tăng cường hình ảnh dấu vân tay là dựa trên các bộ lọc theo ngữ cảnh

Trích xuất chi tiết

Hầu hết các phương pháp được đề xuất yêu cầu chuyển đổi hình ảnh thang xám vân tay thành hình ảnh nhị phân Các hình ảnh nhị phân thu được bằng quá trình binarization được chuyển đến giai đoạn làm mỏng cho phép giảm độ dày đường sườn xuống một pixel Cuối cùng, một phép quét ảnh đơn giản cho phép phát hiện các pixel tương ứng với các chi tiết nhỏ thông qua tính toán pixel thông minh của số giao nhau

a) Hình ảnh thang màu xám vân tay; b) hình ảnh thu được sau khi tăng cường và binarization; c) ảnh thu được sau khi làm mỏng; d) các chi tiết nhỏ nhất về sự kết thúc và phân đôi được phát hiện thông qua tính toán pixel

khôn ngoan của số giao nhau

Đối sánh

Đối sánh vân tay là công việc cuối cùng của quá trình nhận dạng vân tay, nó trả lời câu hỏi “Vân tay này là của ai trong số những người đó” 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 được thực hiện như 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 thường được sử dụng để tăng tốc độ tìm kiếm trong các bài toán nhận dạng vân tay Các phương pháp đối sánh vân tay có thể được phân loại thành ba họ:

+ Đối sánh dựa độ tương quan: Hai ảnh vân tay được đặt chồng lên và độ

tương quan giữa các điểm ảnh tương ứng được tính với sự căn chỉnh khác nhau (ví dụ với các vị trí và độ quay khác nhau)

+ Đối sánh dựa vào điểm đặc trưng: Đây là kĩ thuật phổ biến nhất và được sử

dụng rộng rãi nhất, do các chuyên gia pháp lý so sánh các vân tay và chấp nhận phương pháp như là bằng chứng định danh trong các phiên tòa ở hầu hết các quốc gia Điểm đặc trưng được trích chọn từ hai vân tay được lưu giữ như là tập các điểm trong một bề mặt hai chiều Đối sánh dựa vào điểm đặc trưng cơ bản bao gồm tìm kiếm sự căn chỉnh giữa tập điểm đặc trưng mẫu và tập điểm đặc trưng đầu vào dẫn tới sự so khớp lớn nhất các cặp điểm đặc trưng

+ Đối sánh dựa đặc tính vân: Trong các ảnh vân tay chất lượng thấp, việc trích

chọn chi tiết rất khó khăn Khi các đặc trưng khác của mẫu vân tay có thể được

trích chọn một cách tin cậy hơn chi tiết, sự khác biệt của chúng là không cao Các phương pháp thuộc họ này so sánh các vân tay với các đặc trưng được trích chọn từ các mẫu vân

Ứng dụng của cảm biến vân tay

Ngày nay, với công nghệ bảo mật cao cũng như tính tiện lợi của nó mà cảm biến vân tay được ứng dụng rộng rãi trong đời sống như:

- Điện thoại thông minh Smart Phone

- Hệ thống khóa cửa vân tay

- Két sắt an toàn

- Hệ thống máy chấm công

- Kiểm soát vào ra

- Ứng dụng trong an ninh quốc phòng

- Ứng dụng trong y tế

Kết luận

Nhận dạng vân tay tự động là một trong những ứng dụng đầu tiên của nhận dạng mẫu máy (nó có từ hơn 50 năm trước) Bởi vì điều này, có một quan niệm sai lầm phổ biến rằng nhận dạng dấu vân tay là một vấn đề hoàn toàn có thể giải quyết được Ngược lại, nhận dạng vân tay vẫn là một nhiệm vụ nhận dạng mẫu phức tạp và rất khó khăn Việc thiết kế các thuật toán có khả năng trích xuất các tính năng hiệu quả và khớp chúng một cách mạnh mẽ là rất khó, đặc biệt là trong các hình ảnh dấu vân tay chất lượng kém và khi sử dụng các thiết bị thu nhận chi phí thấp với diện tích nhỏ Mặc dù các hệ thống nhận dạng dấu vân tay hiện đại ngày nay có hiệu quả trong việc đối sánh dấu vân tay với tốc độ rất cao (hàng triệu khớp mỗi giây) nhưng mức độ tinh vi của chúng vẫn không thể sánh được với một chuyên gia vân tay được đào tạo bài bản Nghiên cứu sâu hơn là cần thiết để phát triển các phương pháp tiếp cận trích xuất tính năng có thể trích xuất một cách đáng tin cậy và nhất quán một tập hợp các tính năng cung cấp thông tin phong phú, có thể so sánh với các phương pháp thường được sử dụng bởi các chuyên gia con người

Tài liệu tham khảo HandBooks of Biometrics