- Đặc điểm chi tiết của vân tay: Một số đường vân đang chạy liên tục rồi đếnmột vị trí nào đó hoặc bị phân ra hai, ba nhánh điểm rẽ nhánh hoặc có khi bị độtngột kết thúc điểm cụt gọi là
Hệ thống nhận dạng vân tay
Nhận dạng vân tay
- Vân tay là những vết lằn tạo nên các hoa văn trên bề mặt da đầu các ngón tay mà ta quen gọi là các dòng đường vân Một thẻ mẫu đã được in vân, được gọi là một chỉ bản và thường gồm hai loại: vân tay lăn (rolled) và vân tay ấn (plain) Vân tay được thu nhận bởi các sensor gọi là vân tay sống, dạng này phổ biến ở các nước công nghiệp Dấu vết vân tay của nghi can để lại hiện trường gọi là vân tay hiện trường, dạng vân này chất lượng xấu và không đầy đủ nên rất khó nhận dạng
- Một cấu trúc đường vân lý tưởng bao gồm các dòng đường vân và các dòng đường rãnh chạy xen kẽ nhau, “song song” với nhau, một đường vân bị kẹp giữa hai đường rãnh và ngược lại, một đường rãnh bị kẹp giữa hai đường vân.
- Tùy theo chất lượng mà ảnh vân tay được chia làm 3 miền con: vùng có cấu trúc rõ ràng, vùng bị phá hủy nhưng có thể khôi phục lại được và vùng bị phá hủy không thể khôi phục được.
- Đặc trưng của vân tay: Hình dạng các đường vân tay rất phong phú, song vẫn có thể phân loại theo các lớp khác nhau Vùng vân trung tâm dùng để phân loại là vùng vân nằm chính giữa một dấu vân tay được giới hạn bởi đường bao trên và đường bao dưới Việc phân loại đường vân giúp rút ngắn thời gian nhận dạng vân.
- Điểm gặp nhau của ba dòng vân khác nhau được gọi là tam phân điểm (delta), còn điểm mà quanh nó có một dòng vân chạy vòng quanh gọi là tâm điểm (core).
- Số đếm vân là số đường vân cắt đoạn thẳng nối hai điểm mốc Điểm mốc có thể là tâm điểm (core), tam phân điểm (delta) hay điểm đặc trưng chi tiết.
- Đặc điểm chi tiết của vân tay: Một số đường vân đang chạy liên tục rồi đến một vị trí nào đó hoặc bị phân ra hai, ba nhánh (điểm rẽ nhánh) hoặc có khi bị đột ngột kết thúc (điểm cụt) gọi là những đặc điểm chi tiết.
1.1.2 Nhận dạng dấu vân tay
- Nhận dạng vân tay hoạt động theo nguyên tắc: Khi đặt ngón tay lên trên một thiết bị đọc dấu vân tay, ngay lập tức thiết bị này sẽ quét hình ảnh ngón tay đó và đưa vào hệ thống Hệ thống sẽ xử lý dấu vân tay, chuyển sang dạng dữ liệu số rồi đối chiếu các đặc điểm của vân tay đó với dữ liệu đã được lưu trữ trong hệ thống.
- Nếu dấu vân tay này khớp với dữ liệu hệ thống thì các chức năng tiếp theo sẽ được thực hiện Trên lý thuyết, nhận dạng vân tay sẽ cho phép loại bỏ hoàn toàn các loại mật khẩu song vẫn đảm bảo tính bảo mật khi người dùng đăng nhập thiết bị.
1.1.3 Ứng dụng nhận dạng vân tay
- So sánh dấu vân tay vốn được coi là một phương tiện hữu hiệu hỗ trợ cho các nhà điều tra trong quá trình phá án và xét xử Người ta có thể tìm ra tung tích tội phạm cũng như nạn nhân thông qua dấu vân tay ở trên hiện trường Tuy nhiên phương pháp này vẫn bộc lộ một vài khuyết điểm do tác động của các yếu tố khách quan như môi trường thời tiết, hiện trường sau khi khảo sát,…và các yếu tố chủ quan gây nhiễu Nếu chỉ đơn thuần dựa vào yếu tố kỹ thuật mà bỏ qua một loạt các biện pháp nghiệp vụ khác, sai số này có thể lên tới 10% Mặc dù vậy, phương pháp nhận dạng vân tay hiện vẫn còn phổ biến ở nhiều nơi và nhiều quốc gia,mặc nhiên phương pháp nhận dạng vân tay vẫn được sử dụng trong việc điều tra phá án của cảnh sát vì thế việc nâng cao sự chính xác khi nhận dạng vân tay là một vấn để thiết yếu.
- Ngày nay, người ta cũng lợi dụng các đặc điểm riêng biệt của vân tay để xây dựng các hệ thống bảo mật các thông tin riêng tư cho người sở hữu chúng, từ việc dùng các ổ khóa vân tay thay thế cho các ổ khóa thông thường cho đến việc dùng vân tay thay thế mật khẩu đã quá phổ biến trong thời đại công nghệ thông tin Người ta chỉ cần quét dấu vân tay của mình qua các thiết bị chức năng là có thể mở được một cánh cửa, đăng nhập vào hệ thống máy vi tính, qua một phòng bí mật hay các trạm bảo vệ bí mật.
- Trong lĩnh vực quản lý nhân sự, phương pháp nhận dạng vân tay còn hỗ trợ đắc lực cho việc quản lý và chấm công tại các nhà máy, xí nghiệp, công ty bằng máy các máy chấm công vân tay Tuy nhiên, phổ biến nhất có lẽ là dấu vân tay của chúng ta qua mặt sau của chứng minh thư để xác định một cách nhanh nhất các đặc điểm, hồ sơ của một công dân đã được lưu trong cơ sở dữ liệu.
Hệ thống nhận diện vân tay
Hệ thống nhận dạng: là hệ thống xác thực một cá nhân bằng cách tìm kiếm và đối sánh đặc tính sinh trắc của người này với toàn bộ các mẫu sinh trắc được lưu giữ trong cơ sở dữ liệu.
Hình 1 Hệ thống nhận diện vân tay
Xử lý dấu vân tay bao gồm hai quá trình: quá trình đăng nhập bằng vân tay và quá trình đối sánh dấu vân tay [trong đó việc đối sánh dấu vân tay được chia thành quá trình so sánh dấu vân tay (1: 1) và tìm kiếm dấu vân tay (1: N) trong hai cách].
- Verification (Xác nhận dấu vân tay): Đầu tiên một người sẽ cung cấp dấu vân tay cùng với thông hoặc đặc điểm cá nhân của người đó như họ tên, ngày sinh, quê quán… (trong chứng minh thư) hoặc là Username, tên tài khoản, các quyền hạn của ngươi đó,…(trong bảo mật) Bước này nhằm tạo ra một cơ sở dữ liệu tương ứng dấu vân tay và các đặc điểm liên quan Nguyên lý cơ bản của hệ thống này là sử dụng các diot phát sáng để truyền các tia gần hồng ngoại (Near Infrared NIR) tới ngón tay và chúng sẽ được hấp thụ lại bởi hồng cầu trong máu Vùng các tia bị hấp thụ trở thành vùng tối trong hình ảnh và được chụp lại bởi camera CCD. Sau đó, hình ảnh được xử lý và tạo ra mẫu vân tay Mẫu vân tay được chuyển đổi thành tín hiệu số và là dữ liệu để nhận dạng người sử dụng Ưu điểm vượt trội của hệ thống này là chỉ tương tác với cơ thể sống nên việc bắt chước, giả mạo hoặc ăn cắp dữ liệu là điều hoàn toàn bất khả thi.
- Identification (Nhận diện dấu vân tay): Dấu vân tay sẽ được đưa thu thập từ một sensor để đối chiếu với database chứa các vân tay để truy ra các đặc điểm muốn truy xuất Việc đối sánh ảnh vân tay cần nhận dạng chỉ cần được tiến hành trên các vân tay (có trong cơ sở dũ liệu) thuộc loại đã được xác định nhờ quá trình phân loại Đây là giai đoạn quyết định xem hai ảnh vân tay có hoàn toàn giống nhau hay không và đưa ra kết quả nhận dạng, tức là ảnh vân tay cần nhận dạng tương ứng với vân tay của cá thể nào đã được lưu trữ trong cơ sỏ dữ liệu.
Cơ sở nhận dạng
- Cơ sở nhận dạng vân tay là những đặc điểm riêng biệt trong cấu tạo của các vân tay khác nhau Dấu vân tay của mỗi cá nhân là độc nhất Xác suất hai cá nhân
- thậm chí ngay cả anh em (hoặc chị em) sinh đôi cùng trứng - có cùng một bộ dấu vân tay là 1 trên 64 tỉ.
- Ngay cả các ngón trên cùng bàn tay cũng có vân khác nhau Dấu vân tay của mỗi người là không đổi trong suốt cuộc đời Người ta có thể làm phẫu thuật thay da ngón tay, nhưng chỉ sau một thời gian dấu vân tay lại được hồi phục như ban đầu.
- Vân tay là những đường có dạng dòng chảy có trên ngón tay người Nó là một tham số sinh học bất biến theo tuổi tác đặc trưng cho mỗi cá thể Cấu trúc dễ nhận thấy nhất của vân tay là các vân lồi (đường gợn - ridge) và vân lõm (luống - valley); trong ảnh vân tay, vân lồi có màu tối trong khi vân lõm có màu sáng Vân lồi cú độ rộng từ 100 àm đến 300 àm Độ rộng của một cặp võn lỗi lừm cạnh nhau là 500 àm Cỏc chấn thương như bỏng nhẹ, mũn da khụng ảnh hưởng đến cấu trỳc bên dưới của vân, khi da mọc lại sẽ khôi phục lại đúng cấu trúc này Vân lồi và vân lõm thường chạy song song với nhau; chúng có thể rẽ thành hai nhánh, hoặc kết thúc.
- Hình ảnh vân tay thường được biểu diễn như 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 tương 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 đường vân ( xuất hiện có màu tối trong I tương ứng với bề mặt vân lồi còn khoảng không gian giữa các vân lồi ( có màu sáng ) tương ứng là bề mặt vân lõm.
Hình 3 Bề mặt S của một vùng vân tay
- Trên các ảnh vân tay có các điểm đặc trưng được phân thành hai loại:
- Singularity: Trên vân tay có những vùng có cấu trúc khác thường so với những vùng bình thường khác (thường có cấu trúc song song), những vùng như vậy goi là Singularity Có hai loại Singularity là Core và Delta.
Hình 4 Điểm Core và Delta
- Minutiae: Khi dò theo từng đường vân ta sẽ thấy có những điểm đường vân kết thúc (Ridge Ending) hoặc rẽ nhánh (Bifurcation), những điểm này được gọi chung là Minutiae.
Phương pháp nhận dạng vân tay
Hai phương pháp nhận dạng vân tay thường được sử dụng là:
- Phương pháp 1: Dựa vào các đặc tính cụ thể của dấu vân tay, như điểm cuối, điểm rẽ nhánh của các vân trên tay.
- Phương pháp 2: So sánh toàn bộ đặc tính của dấu vân tay.
1.4.1 Thuật toán xử lý ảnh
Quá trình nhận dạng vân tay thực chất là quá trình xử lý ảnh vân tay Do điều kiện chuyên môn nên bài báo cáo này không đi sâu vào môn xử lý ảnh mà chỉ tập trung vào việc ứng dụng nó vào việc trích được các điểm đặc trưng từ một bức ảnh dấu vân tay.
1.4.2 Phương pháp trích các điểm đặc trưng Ảnh vân tay là ảnh định hướng, các đường vân là các đường cong theo các hướng xác định Góc định hướng θxy hợp bởi phương của một điểm (x,y) trên đường vân với phương ngang được gọi là hướng của điểm đó, nó nằm trong đoạn
[0 o ;180 o ] 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 (để làm giảm gánh nặng tính toán và cho phép thực hiện các ước lượng còn lại nhờ phép nội suy) Tập hợp các hướng của các điểm trên ảnh vân tay gọi là trường định hướng của ảnh vân tay đó Ảnh định hướng vân tay là một ma trận D mà mỗi phần tử mang thông tin về góc định hướng của các đường vân Mỗi phần tử θij, tương ứng với nốt [i,j] trong lưới ô vuông chứa điểm ảnh [xi, yj], biểu diễn hướng trung bình của đường vân trong lân cận của [xi, yj] Người ta thêm vào một giá trị rij liên kết với θij để biểu diễn tính tin cậy (hay toàn vẹn) của hướng.
Có hai phương pháp chính để tìm các điểm minutiae: trích các điểm minutiae từ ảnh nhị phân (binary) và trích các điểm minutiae trực tiếp từ ảnh xám.
- Trích các điểm minutiae từ ảnh nhị phân (binary): Ý tưởng chính của phương pháp này là từ ảnh xám ban đầu ta sử dụng các bộ lọc thích hợp để phát hiện và làm mảnh đường vân dưới dạng một pixel (ridge detection), biến đổi ảnh xám ban đầu thành ảnh binary (có giá trị là 0 hoặc 1) tương ứng.
- Trích các điểm minutiae trực tiếp từ ảnh xám : I là một ảnh xám có kích thước m x n, coi chiều thứ ba z là mức xám tại điểm (i,j) Theo quan điểm toán học, đường vân là tập hợp các điểm cực đại dọc theo một hướng xác định Việc xác định các điểm Minutiae trực tiếp từ ảnh xám dựa vào thuật toán dò theo đường vân Thuật toán này dựa vào việc xác định các điểm cực đại dọc theo đường vân Điểm cực đại có thể được xác định bằng cách so sánh mức xám giữa các điểm trong thiết diện Ω.
Đối sánh vân tay
- 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.
- Một lượng lớn các thuật toán đối sánh vân tự động đã được đề nghị trong các tài liệu nhận dạng mẫu Hầu hết các thuật toán này không gặp khó khăn trong đối sánh các ảnh vân tay chất lượng tốt Nhưng trong đối sánh vân tay tồn tại thách thức ở các ảnh chất lượng thấp và vấn đề đối sánh từng vùng vân tay Trong trường hợp hệ thống trợ giúp con người AFIS, một thuật toán kiểm tra chất lượng được sử dụng để chỉ lấy và chèn vào cơ sở dữ liệu các ảnh vân tay tốt Hơn nữa, quá trình xử lý các mẫu vân khó có thể được quản lý Dù sao, sự can thiệp là không thể trong các hệ thống nhận dạng trực tuyến tự động - những hệ thống này đang có nhu cầu ngày càng tăng trong các ứng dụng thương mại.
- 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 (ví dụ: hướng và tần suất cục bộ, hình dạng vân, thông tin kết cấu) 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 Về nguyên lý, đối sánh dựa độ tương quan và đối sánh dựa vào chi tiết có thể xem như là một phần của đối sánh dựa đặc trưng vân, theo cách hiểu mật độ điểm ảnh, vị trí chi tiết là nhưng đặc trưng của mẫu vân ngón tay
- Nhiều kĩ thuật khác cũng đã được đề nghị chính thức, về nguyên lý, có thể được xếp vào các loại trên theo các đặc trưng được sử dụng, nhưng chúng ta đề cập để phân loại chúng tách biệt trên cơ sở các kĩ thuật đối sánh Chúng bao gồm các phương pháp dựa mạng thần kinh và các cố gắng thực hiện đối sánh vân sử dụng các bộ xử lý song song hoặc với các kiến trúc dành riêng khác.
Chương trình nhận diện vân tay
Giới thiệu về chương trình
2.1.1 phần mềm Đây là chương trình nhận dạng vân tay dựa theo phương pháp trích các điểm đặc trưng Singularity và Minutiae Chương trình nhận dạng vân tay của nhóm cảm biến vân tay được xây dựng bằng lập trình python trong hệ điều hành ubuntu Ưu điểm của ngôn ngữ lập trình python:
2.1.2 Phần cứng a Cảm biến vân tay
- Cảm biến vân tay là một thiết bị điện tử được sử dụng để chụp một hình ảnh kỹ thuật số của các mẫu vân tay Hình ảnh chụp được gọi là mẫu lấy trực tiếp Nó được xử lý kỹ thuật số để tạo ra một mẫu sinh trắc học được lưu giữ và sử dụng cho việc đối sánh Đây là điểm chung của một số công nghệ sử dụng các bộ cảm biến vân tay.
- Sự tạo ảnh vân tay quang học bao gồm việc chụp một hình ảnh kỹ thuật số của ảnh sử dụng ánh sáng nhìn thấy được Về bản chất, loại cảm biến là máy ảnh kỹ thuật số đặc biệt Lớp trên cùng của cảm biến, nơi ngón tay được đặt vào, được gọi là bề mặt cảm ứng Bên dưới lớp này là một lớp phosphor phát sáng chiếu vào bề mặt của ngón tay Ánh sáng phản chiếu từ các ngón tay đi qua lớp phosphor thành một chuỗi các trạng thái rắn pixels thu thập hình ảnh trực quan của vân tay.
Một trầy xước hoặc bề mặt cảm ứng bẩn có thể gây ra một hình ảnh vân tay chất lượng kém Một nhược điểm của loại cảm biến này trong thực tế là khả năng hình ảnh bị ảnh hưởng lớn bởi chất lượng của da trên ngón tay Ví dụ, một ngón tay bẩn hoặc trầy xước rất khó để có được một hình ảnh đúng Nó cũng có thể dễ dàng bị đánh lừa bởi một hình ảnh vân tay nếu không kết hợp với một bộ dò “ngón tay sống” Tuy nhiên, không giống như cảm biến điện dung, công nghệ cảm biến này không nhạy cảm với hiện tượng phóng điện. b Cơ sở máy quét quang học
- Trung tâm của máy quét quang học là CCD ( Charge Coupled Device ) - hệ thống cảm biến ánh sáng sử dụng trong camera kỹ thuật số CCD là một mảng diode nhạy cảm với ánh sáng gọi là photosite, có nhiệm vụ tạo tín hiệu điện tương ứng với những photon ánh sáng Mỗi photosite ghi lại một pixel, tức một chấm nhỏ thể hiện rằng ánh sáng đã chạm đến điểm đó Các pixel sáng và tối sẽ tổng hợp thành một hình ảnh của vật thể được quét (như ngón tay) Thường thì Bộ chuyển đối ADC (từ analog sang digital) trong hệ thống quét sẽ xử lý tín hiệu điện analog để tạo ra bức ảnh dạng số hóa.
- Quy trình quét bắt đầu khi bạn đặt ngón tay lên một đĩa thủy tinh, và để CCD chụp ảnh Máy quét có nguồn điện riêng, thường là một mảng diode phát sáng để tỏa sáng các đường vân trên ngón tay Cuối cùng hệ thống CCD sẽ tạo ra hình ảnh đảo ngược của ngón tay Bộ xử lý quét sẽ đảm bảo rằng hình ảnh thu được đủ rõ
Hình 5 CCD ( Charge Coupled Device ) bằng cách kiểm tra độ tối pixel trung bình, hay tổng giá trị của một mẫu nhỏ, và sẽ từ chối quét hình nếu nó quá sáng hoặc quá tối Nếu ảnh bị từ chối, máy quét sẽ điều chỉnh thời gian phơi sáng, rồi quét lại lần nữa Còn nếu độ tối đã đủ thì hệ thống sẽ tiếp tục kiểm tra độ phân giải ảnh Bộ xử lý sẽ quan sát một số đường thẳng di chuyển ngang dọc trên ảnh Nếu ảnh có độ phân giải tốt, đường thẳng chạy vuông góc với vân tay sẽ gồm các phần xen kẽ gồm các pixel rất tối và rất sáng.
Cảm biến vân tay FPM-10A
- Xử lý dấu vân tay bao gồm hai quá trình: quá trình đăng nhập bằng vân tay và quá trình đối sánh dấu vân tay [trong đó việc đối sánh dấu vân tay được chia thành quá trình so sánh dấu vân tay (1: 1) và tìm kiếm dấu vân tay (1: N) trong hai cách].
- Khi đăng nhập bằng vân tay, hãy nhập từng dấu vân tay 2 lần, Hình ảnh mục nhập thứ hai được xử lý và mẫu tổng hợp được lưu trữ trong mô-đun Khi vân tay được khớp, thông qua cảm biến đầu vân tay, hình ảnh dấu vân tay cần xác minh sẽ được nhập và xử lý, sau đó khớp và so sánh với mẫu vân tay trong mô-đun (nếu nó khớp với mẫu được chỉ định trong mô-đun, nó được gọi là phương pháp so sánh dấu vân tay, đó là phương pháp 1: 1; nếu nó phù hợp với nhiều mẫu, nó được gọi là phương pháp tìm kiếm dấu vân tay, nghĩa là 1: N), mô-đun đưa ra kết quả phù hợp (đạt hoặc không đạt).
2.2.2 Các thông số kĩ thuật
- Nguồn cung cấp hiệu điện thế: DC 3.6 ~ 6.0V
- Dòng điện làm việc: