Báo cáo xử lý ảnh vân tay,

Các kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay khác nhau, bao gồm thu nhận dấu vân tay tiềm ẩn, phân loại dấu vân tay và đối sánh dấu vân tay đã được phát triển.. Dựa trên những quan sát về cách các

HỌC VIỆN CÔNG NGHỆ BƯU CHÍNH VIỄN THÔNG CƠ SỞ TẠI

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO MÔN: XỬ LÝ ẢNH

Giảng viên hướng dẫn: LÊ HOÀNG THÁI Sinh viên thực hiện: NGUYỄN QUỐC NHẬT

Mã sinh viên: N18DCCN142 Lớp: D18CQCN01-N

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH 5/2021

I ĐÔI NÉT VỀ DẤU VÂN TAY VÀ SINH TRẮC HỌC NHẬN DIỆN VÂN TAY

1 Dấu vân tay là gì?

người, nó được hình thành thông qua di truyền và nhân tố môi trường Dấu vân là mô hình của các đường biểu bì của ngón tay, gồm các đường lồi và lõm đan xen nhau Dấu vân tay là riêng biệt đối với mỗi cá thể người, kể cả một cặp song sinh cũng không thể

có vân tay giống nhau, tuy có cùng hệ thống gen di truyền và chia sẻ chung môi trường phát triển trong bụng mẹ nhưng do họ có vị trí khác nhau trong dạ con nên môi trường vi

mô của họ khác nhau và do đó có dấu vân tay khác nhau Trên đầu ngón tay có ba kiểu mẫu chính được phân biệt đó là: vân xoáy, vân móc, vân cung

2 Lịch sử sinh trắc học nhận diện vân tay

các hiện vật khảo cổ học và các vật phẩm lịch sử Mặc dù những phát hiện này cung cấp bằng chứng cho thấy người cổ đại đã nhận thức được tính cá nhân của dấu vân tay, nhưng mãi đến cuối thế kỷ XVI, kỹ thuật vân tay khoa học hiện đại mới lần đầu tiên được khởi xướng

Bologna, đã ghi nhận trong các nghiên cứu của mình về sự hiện diện của các đường gờ, đường xoắn ốc và vòng lặp trong dấu vân tay Kể từ đó, một lượng lớn những nhà nghiên cứu đã đầu tư rất nhiều vào nghiên cứu dấu vân tay Vào năm 1880, Henry Fauld là người đầu tiên đề xuất một cách khoa học về tính cá nhân của các dấu vân tay dựa trên một quan sát thực nghiệm Đồng thời, Herschel khẳng định rằng ông đã nghiên cứu thực tế trong việc nhận dạng dấu vân tay trong khoảng 20 năm Những phát hiện này đã thiết lập nền tảng của nhận dạng dấu vân tay hiện đại Một bước tiến quan trọng trong nhận dạng dấu vân tay đã được thực hiện vào năm 1899 bởi Edward Henry, người đã thiết lập “hệ thống Henry” nổi tiếng về phân loại dấu vân tay

pháp nhận dạng cá nhân hợp lệ và trở thành một tiêu chuẩn phổ biến trong pháp y Các

cơ quan nhận dạng dấu vân tay được thành lập trên toàn thế giới và cơ sở dữ liệu dấu vân tay tội phạm được thành lập Các kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay khác nhau, bao gồm thu nhận dấu vân tay tiềm ẩn, phân loại dấu vân tay và đối sánh dấu vân tay đã được phát triển

sát Paris bắt đầu đầu tư vào việc phát triển Hệ thống Nhận dạng Vân tay Tự động (AFIS) Dựa trên những quan sát về cách các chuyên gia về dấu vân tay của con người thực hiện nhận dạng dấu vân tay, ba vấn đề chính trong việc thiết kế AFIS đã được xác định và nghiên cứu: thu thập dấu vân tay kỹ thuật số, trích xuất đặc điểm vân tay cục bộ và đối sánh mẫu đặc trưng vân tay Những nỗ lực của họ đã thành công, ngày nay hầu hết mọi

cơ quan thực thi pháp luật trên toàn thế giới đều sử dụng AFIS Các hệ thống này đã cải thiện đáng kể năng suất hoạt động của các cơ quan thực thi pháp luật và giảm chi phí thuê và đào tạo các chuyên gia về dấu vân tay của con người

thành các ứng dụng pháp y hàng đầu và vào các ứng dụng dân sự Nhờ hiệu suất nhận dạng tốt và thị trường ngày càng tăng của các thiết bị thu nhận, các hệ thống sinh trắc học dựa trên dấu vân tay đang trở nên rất phổ biến và đang được triển khai ngày càng rộng rãi

II CHI TIẾT VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY

1 Cảm biến vân tay

hầu hết được thực hiện bằng cách quét mực (hoặc một số chất liệu tương tự vậy) lên ngón tay rồi ấn ngón tay xuống bề mặt giấy, dấu vân tay sẽ được in lại trên giấy đó Công việc

đó được gọi là thu thập dấu vân tay ngoại tuyến hoặc cảm biến ngoại tuyến Ví dụ như lấy dấu vân tay để làm căn cước công dân, thu thập dấu vân tay tại một hiện trường vụ

án để điều tra,

chóng hơn bằng các máy quét điện tử, không cần đến mực, người ta chỉ cần đặt ngón tay lên bề mặt của máy quét Bộ phận quan trọng nhất trong các máy quét này là cảm biến, nơi mà dấu vân tay hình thành Hầu hết các cảm biến thuộc một trong ba loại sau: Quang học, trạng thái rắn và siêu âm

nhất Khi ngón tay chạm vào bề mặt kính thủy tinh thì mặt sau của tấm kính được chiếu sáng bằng ánh sáng khuếch tán Ánh sáng này gặp những đường lồi lõm trên ngón tay và phản chiếu lại, hội tụ vào cảm biến Từ đó lấy được dấu vân tay

1990 Bao gồm một mảng pixel, mỗi pixel là một cảm biến nhỏ Người dùng trực tiếp chạm vào bề mặt của Silicon Thông tin vật lý được chuyển đổi thành tín hiệu điện nhờ vào bốn yếu tố: Điện dung, nhiệt, áp điện và điện trường

- Cảm biến siêu âm: Có thể xem như một loại phản xạ âm vang Sóng âm có một đặc tính là khả năng xuyên qua vật liệu tạo ra tiếng vọng ở mỗi lần thay đổi trở kháng Công nghệ này chưa thật sự phát triển để trở nên phổ biến

được phát triển để khắc phục những hạn chế của các máy quét hiện nay bao gồm: Khó khăn khi làm việc với ngón tay bị ướt; Da bị biến dạng do tác động của lực ấn ngón tay xuống máy quét; Không có khả năng phát hiện ngón tay giả

2 Khai thác tính năng

sáng Những đường lồi lõm này đôi lúc chạy song song nhau, đôi lúc chúng kết thúc tại một điểm nào đó Khi phân tích một mẫu vân tay, mẫu này có thể có một hoặc nhiều vùng đặc biệt, các vùng đặc biệt này phân thành ba kiểu: loop, delta và whorl Các vùng loop, delta và whorl này lần lượt được đặc trưng bởi các hình ∩, ∆ và O

Ví dụ như việc các đường lồi sẽ không liên tục, hoặc chúng đột ngột đi đến điểm kết thúc hoặc chúng phân đôi ra Mặc dù đây là những chi tiết nhỏ nhưng nó cần thiết trong một

số trường hợp nhất định khi phải xác định dấu vân tay với yêu cầu độ chính xác cao

Hình ảnh các điểm kết thúc

2.1 Định hướng vân và tần suất

Tần suất hình chóp cục bộ tại điểm có tọa độ (x, y) là số lượng đường gờ trên một đơn vị chiều dài dọc theo một đường giả định có tâm tại (x, y)

Tần suất đỉnh cục bộ được tính bằng cách đếm số pixel trung bình giữa hai đỉnh liên tiếp Trong một số phương pháp, các đường vân được mô hình hóa như một bề mặt hình sin, định lý biến thiên được dùng để ước tính số lần chưa biết

2.2 Phân đoạn

Công việc phân đoạn bao gồm việc tách vùng vân tay ra khỏi nền, để có thể xác định một cách hiệu quả cần tách nó ra khỏi nền

2.3 Phát hiện điểm đặc biệt

Hầu hết những phương thức tiếp cận dấu vân tay phù hợp với định hướng dấu vân tay, trong đó có phương pháp nổi tiếng nhất dựa trên chỉ số PoinCaré Một số phương pháp thay thế đã được đề xuất để phát hiện điểm đặc biệt, được phân loại trong ba loại sau: 1) Nhóm phương pháp dựa trên đặc điểm cục bộ của hình ảnh; 2) Nhóm các phương pháp dựa trên phân vùng; 3) Nhóm các phương pháp tiếp cận phát hiện lõi và đăng ký dấu vân tay

2.4 Cải tiến hình ảnh

Chất lượng hình ảnh của dấu vân tay dùng làm đầu vào ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của các thuật toán rút trích đặc trưng và kỹ thuật nhận dạng dấu vân tay Trong thực tế, do tình trạng da (ướt, khô, vết cắt, vết bầm ), lực ấn ngón tay không chính xác và ngón tay bị ảnh hưởng bởi thói quen sống (người lao động chân tay) cũng đều ảnh hướng đến kết quả sau cùng

Mục tiêu của thuật toán nâng cao dấu vân tay là cải thiện rõ nét sự tương phản giữa các đường lồi và lõm trên vân tay Kỹ thuật này là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất để cải thiện hình ảnh dấu vân tay dựa trên các bộ lọc theo ngữ cảnh

2.5 Khai thác chi tiết

Hầu hết các phương pháp này yêu cầu hình ảnh thang xám của dấu vân tay phải được chuyển đổi dưới dạng nhị phân Các hình ảnh nhị phân được thu được bằng quá trình nhị phân hóa, sau đó được chuyển đến giai đoạn làm mỏng tạo nên các đường

gờ với độ dày được giảm xuống 1 pixel Cuối cùng là một quá trình quét hình ảnh đơn giản để phát hiện các pixel

Hình ảnh vân tay trước và sau quá trình làm mỏng

Một số phương pháp được đề xuất là thực hiện trên ảnh thang xám mà không qua quá trình phân tách và làm mỏng bởi các lý do sau: 1) Một lượng lớn thông tin có thể

bị mất đi trong quá trình chuyển đổi nhị phân; 2) Quá trình làm mỏng có thể đi cùng

với một số chi tiết giả mạo; 3) Các kỹ thuật này không mang lại hiệu quả đối với ảnh chất lượng thấp;

3 So khớp vân tay

không rõ ràng đều có thể thực hiện được và có thể cho ra kết quả với độ chính xác cao nếu có thuật toán hợp lý Một số khó khăn khi đối chiếu là: 1) Biến dạng phi tuyến tính; 2) Áp suất khác nhau và tình trạng da; 3) Lỗi trích xuất

sau: 1) Đối chiếu dựa trên tương quan; 2) Đối chiếu dựa trên chi tiết nhỏ 3) Đối chiếu dựa trên các đường vân lồi

là dấu vân tay dùng để so sánh đối chiếu được gọi là mẫu (I) Nếu không có trích xuất đối tượng nào được hình thành, biểu diễn của dấu vân tay trùng với hình ảnh vân tay thang độ xám

3.1 Các kỹ thuật dựa trên tương quan

Lấy (∆x, ∆y, θ) tượng trưng cho phép quay của ảnh đầu vào (I) một góc θ xung quanh điểm góc (thường là điểm trung tâm của ảnh) và được dịch chuyển bởi các Pixel ∆x, ∆y tương ứng với x, y Sau đó, sự giống nhau giữa ảnh đầu vào (I) và mẫu ban đầu (T) được tính như sau:

Tương quan chéo là một thước đo khá phổ biến về sự tương đồng của hình ảnh Việc áp dụng trực tiếp công thức trên sẽ hiếm khi thu về kết quả mong muốn bởi các vấn đề sau:

 Biến dạng phi tuyến tính làm cho các vùng đặc biệt của ngón tay khác nhau đáng kể về cấu trúc

 Tình trạng da và áp lực của ngón tay khiến cho độ sáng, độ tương phản và độ dày của các đường vân thay đổi đáng kể trên các lần hiển thị khác nhau Để khắc phục tình trạng này, có thể sử dụng các biện pháp phức tạp hơn

 Về mặt tính toán sẽ rất tốn kém

3.2 Phương pháp Minutiae-based

Đây là kỹ thuật được sử dụng rộng rãi nhất, là cơ sở để các chuyên gia so sánh vân tay trong việc thẩm định dấu vân tay Ở hai dấu vân tay (Vân tay đăng ký mẫu

và vân tay được so sánh) sẽ được trích xuất ra các chi tiết nhỏ và lưu dưới dạng tập hợp các điểm trong mặt phẳng hai chiều Thuật toán so khớp sẽ xem mỗi chi tiết nhỏ

là một bộ ba m = {x, y, θ}, với {x, y} là tọa độ vị trí nhỏ nhất và θ là góc nhỏ nhất Trong việc nhận dạng mẫu, vấn đề so sánh đối chiếu của các chi tiết vụn vặt thường được giải quyết như một vấn đề so sánh đối chiếu các điểm Kỹ thuật biến đổi Hough – Kỹ thuật chuyển đổi mẫu điểm phù hợp với xác suất phát hiện các đỉnh trong không gian Hough Bằng cách sử dụng cấu trúc con của kỹ thuật so sánh đối tượng, nó tách

biệt không gian tham số {x, y, θ} và tích lũy kết quả trong không gian tùy chỉnh bằng cách lấy các tham số biến đổi liên quan đến hai tập hợp điểm

Một số chuyên gia đã đề xuất kỹ thuật “so sánh chi tiết cục bộ” bao gồm việc so sánh hai dấu vân tay theo chi tiết cục bộ Cấu trúc cục bộ được đặc trưng bởi các thuộc tính bất biến đối với biến đổi toàn cục (dịch, xoay, ) vì vậy nó phù hợp để so khớp Việc so khớp các dấu vân tay chỉ dựa trên các sắp xếp vụn vặt cục bộ làm lỏng lẻo các mối quan hệ vốn rất khác biệt do đó làm giảm lượng thông tin có sẵn của các dấu vân tay So sánh toàn cục so với so sánh cục bộ là sự cân bằng giữa tính đơn giản,

sự phức tạp theo từng giai đoạn thấp và khả năng chịu biến dạng cao (so sánh cục bộ)

và tính phân biệt cao (so sánh toàn cục) Các kỹ thuật so sánh gần đây có xu hướng kết hợp các thế mạnh của các chi tiết cục bộ và toàn cục

3.3 Kỹ thuật Ridge Feature-based

Ba lý do chính khiến các nhà thiết kế kỹ thuật nhận diện dấu vân tay tìm kiếm các đặc điểm phân biệt dấu vân tay khác, ngoài các chi tiết vụ vặt là: 1) Việc trích xuất các chi tiết vụn vặt từ dấu vân tay kém chất lượng sẽ rất khó khăn; 2) Khai thác các chi tiết nhỏ sẽ tốn thời gian; 3) Các tính năng bổ sung có thể được sử dụng kết hợp với các chi tiết vụn vặt để tăng độ chính xác

Một kỹ thuật được đề xuất đó chính là kỹ thuật phân tích kết cấu cục bộ, trong đó khu vực của vân trung tâm được đánh dấu lại Một vecto đặc trưng được gọi là mã ngón tay bao gồm một sự thay đổi có thứ tự của các đối tượng địa lý được trích xuất

từ thông tin cục bộ có trong mỗi khu vực được chỉ định Do đó, các yếu tố đặc trưng

sẽ nắm bắt thông tin kết cấu cục bộ và toàn cục Việc so khớp hai dấu vân tay sẽ được chuyển thành so khớp các mã ngón tay tương ứng

Một số phương pháp tiếp cận đã được đề xuất, trong đó các đặc điểm không vụ vặt (mối quan hệ không gian giữa các đường gờ, định hướng cục bộ, mật độ cục bộ) được sử dụng cùng với các chi tiết vụn vật để cải thiện hiệu suất tổng thể của hệ thống

4 Đánh giá hiệu suất (Các thí nghiệm, cuộc thi liên quan đến sinh trắc học nhận diện vân tay)

Mặc dù sinh trắc học nhận diện vân tay có độ chính xác rất cao nhưng không có thuật toán nhận diện dấu vân tay nào là hoàn hảo cả Đánh giá hiệu suất là công việc rất quan trọng đối với tất cả các hệ thống sinh trắc học, đặc biệt là sinh trắc học nhận diện vân tay Các nghiên cứu đánh giá hiệu suất phổ biến là: Cuộc thi nhận diện vân tay (FVC); Đánh giá công nghệ vân tay (FpVTE); Chiến dịch MINEX

Cuộc thi dấu vân tay đầu tiên FVC2000 được tổ chức bởi phòng thí nghiệm hệ thống sinh trắc học của đại học Bologna, cùng với trung tâm kiểm tra sinh trắc học của Đại học Bang San Jose Mục đích của cuộc thi là tạo ra một tiêu chuẩn chung để so sánh các thuật toán nhận dạng vân tay, để các tổ chức công nghiệp và giới học thuật so sánh hiệu suất và cải tiến kỹ thuật của họ Sau cuộc thi, một số công ty và nhóm nghiên cứu đã sử dụng bộ dữ liệu của cuộc thi FVC2000 cho các nghiên cứu của họ Với thành công từ cuộc thi đầu tiên, các cuộc thi tiếp nối nó bao gồm FVC2002-2004-2006 Cho thấy cuộc thi vô cùng thành công và nhận được rất nhiều sự quan tâm từ giới nghiên cứu sinh trắc học

FpVTE2003 được tổ chức để đánh giá độ chính xác của hệ thống xác minh và nhận diện vân tay FpVTE2003 được tổ chức bởi NIST (Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ) 18 công ty khác nhau đã tham gia với 34 hệ thống được kiểm tra, bao gồm cả hệ thống dấu vân tay của NIST Vertification Test Bed Người ta tin rằng FpVTE2003 có sự đánh giá chặt chẽ nhất về các hệ thống đối chiếu dấu vân tay

5 Kết luận

Nhận dạng vân tay tự động là một trong những ứng dụng đầu tiên của nhận dạng mẫu máy (có từ hơn 50 năm trước đây) Vì vậy, có một quan niệm sai lầm rằng: Nhận dạng vân tay là một vấn đề đơn giản và dễ dàng giải quyết Thực chất ngược lại, nhận dạng vân tay không dễ dàng thực hiện vì nhận dạng mẫu rất phức tạp và rất khó khăn

Việc thiết kế các thuật toán có khả năng trích xuất hiệu quả và vận hành 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 thập chi phí thấp với diện tích nhỏ Mặc dù các hệ thống nhận dạng dấu vân tay hiện đại ngày nay có thể thực hiện hiệu quả trong việc đối sánh dấu vân tay với tốc độ rất cao (hàng triệu lần nhận dạng mỗi giây) nhưng mức độ xác minh của chúng vẫn không thể sánh được với một nhận dạng vân tay chuyên nghiệp vân tay được nghiên cứu và xây dựng bài bản

Như bất kỳ kỹ thuật xác thực nào khác, nhận dạng vân tay không hoàn toàn chống giả mạo Các mối đe dọa tiềm tàng chính đối với các hệ thống dựa trên dấu vân tay là: 1) tấn công các kênh thông tin liên lạc; 2) tấn công các mô-đun phần mềm cụ thể (ví dụ: thay thế trình trích xuất tính năng hoặc trình kết hợp bằng Trojan); 3) tấn công cơ sở dữ liệu của các mẫu đã đăng ký; 4) đưa ngón tay giả vào cảm biến Về cơ bản, tính khả thi của hai kiểu tấn công cuối cùng đã được một số nhà nghiên cứu báo cáo: liên quan đến điểm 4), trong nó đã chỉ ra rằng thực sự có thể giả mạo hệ thống nhận dạng dấu vân tay bằng các đầu ngón tay giả được chế tạo tốt như điểm 3)

III SỬ DỤNG NHẬN DIỆN VÂN TAY TRONG XÃ HỘI NGÀY NAY

của tội phạm sẽ được lưu lại ở hiện trường vụ án, nhờ đó mà cơ quan chức năng có thể điều tra

Hình ảnh minh họa cơ quan chức năng đang tiến hành lấy dấu vân tay cho việc điều tra

tiền bạc sẽ đơn giản hơn rất nhiều khi chỉ cần dấu vân tay để xác minh danh tính của chủ tài khoản, người dùng không cần phải nhớ đến dãy mật khẩu dài và khó nhớ

thông tin cá nhân như điện thoại di động, máy tính bảng, laptop đều được trang bị hệ thống bảo mật bằng dấu vân tay, điều đó khiến cho việc bảo mật trở nên hiệu quả và nhanh chóng hơn cách trước kia (bảo mật bằng mật khẩu)

Hình ảnh cảm biến vân tay trên một chiếc laptop

chứng Down, hội chứng ba nhiễm sắc thể 18, ba nhiễm sắc thể 13, sai lệch nhiễm sắc thể giới tính XXX, XXY… Đồng thời, việc rà soát hồ sơ bệnh nhân bằng hệ thống sinh trắc học sẽ cho ra kết quả nhanh chóng và chính xác hơn

dục (điểm danh, tránh gian lận trong thi cử), tư vấn hướng nghiệp (dấu vân tay còn có thể cho biết chỉ số IQ, tiềm năng bẩm sinh, thế mạnh),

IV TỔNG KẾT

1 Ưu điểm của nhận diện vân tay trong cuộc sống

toàn khác nhau nên có thể đảm bảo được tính duy nhất khi xác minh danh tính của một

ai đó Và cũng vì dấu vân tay của mỗi người là riêng biệt nên việc nhầm lẫn hầu như không xảy ra, và sẽ khó thực hiện nếu một ai đó muốn gian lận

một lần chạm ngón tay vào máy quét thay vì phải luôn mang theo các giấy tờ xác minh bản thân, hoặc phải nhớ những dãy mật khẩu với nhiều ký tự khó nhớ

nhanh hơn thế nữa

lý số lượng lớn công nhân, nhân viên, học sinh, sinh viên

2 Nhược điểm của nhận diện vân tay

các tổ chức tinh vi: Sinh trắc học vân tay không hoàn toàn chống giả mạo

mẫu vân tay hoàn chỉnh dùng cho những lần xác minh về sau

hiện nay không thể quét được đối với một ngón tay bị ướt nước hoặc dính nhiều bụi bẩn

vân tay hoàn chỉnh theo năm tháng Có nhiều ngành nghề tiếp xúc nhiều với hóa chất hoặc chất bẩn nên phải mang găng tay thường xuyên, hoặc có nhiều ngành nghề nếu làm lâu thì vân tay trên ngón tay sẽ bị bào mòn Những điều đó sẽ khiến cho việc quét và xác minh vân tay trở nên khó khăn