Tải bản đầy đủ
Hình 1.5: Khung hình phản ánh các loại lằn

Hình 1.5: Khung hình phản ánh các loại lằn

Tải bản đầy đủ

11

Các thuộc tính sinh trắc học trên ảnh vân tay rất dễ nhận biết và các
thuộc tính đó được sử dụng cho mục đích định danh. Ảnh vân tay có nhiều
dạng khác nhau. Trên thực tế để phân loại các kiểu vân tay, người ta thường
dùng định nghĩa phân loại của ông Henry đưa ra vào năm 1911, bao gồm:
Hình quai trái(left loop), hình quai phải(right loop), hình cung(Arch), hình
vòm(Tented arch), hình xoáy(Whorl) hay còn gọi vòng trái, vòng phải, vòm
hay cung , vòng xoắn. Hình 1.6 là các kiểu vân tay.

Hình 1.6. Các kiểu vân tay theo định nghĩa của Henry
Hình cung; Hình mái vòm; Hình quai phải; Hình quai trái; Hình xoáy.
Còn theo tài liệu của FBI, vân tay có thể chia thành ba nhóm mẫu
lớn: vòm, vòng và vòng xoắn. Trong mỗi nhóm mẫu lớn đó có thể chia
thành nhiều nhóm nhỏ khác nhau như bảng 1.2:
Vòm

Vòng

Vòng xoắn

A. Vòm thẳng

A. Vòng quay

A. Vòng xoắn thẳng

B. Vòm cong

B. Vòng trụ

B. Vòng ổ trung tâm
C. Vòng đôi
D. Vòng xoắn ngẫu nhiên

Bảng 1.2: Bảng phân loại vân tay theo FBI

12

1.3.2. Hệ tự động nhận dạng dấu vân tay
Sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử-tin học trong những
năm gần đây đã tạo tiền đề thúc đẩy nhanh sự nghiên cứu ứng dụng máy tính
trong việc nhận dạng vân tay. Đến nay, với sự trợ giúp của máy tính, hầu hết
các nước tiên tiến trên thế giới đã xây dựng những hệ tự động nhận dạng vân
tay cho riêng mình, còn gọi tắt là AFIS (Automated Fingerprint Identification
System).
Về nguyên tắc, một hệ AFIS cần phải thoả mãn những yêu cầu sau:
Hệ thống phải giải quyết tốt vấn đề thu nhận ảnh vân tay và biểu diễn
chúng trong một định dạng ảnh thích hợp.
Hệ thống phải tự độnh so sánh hai vân tay và đưa ra câu trả lời chính
xác xem hai vân tay đó có phải là một hay không.
Hệ thống phải có khả năng nhận dạng vân tay, nghĩa là phải tìm kiếm
trong cơ sở dữ liệu và đưa ra kết quả theo yêu cầu đòi hỏi.
Hệ thống phải có khả năng phân loại một ảnh vân tay đã cho về một
trong các dạng đã biết dựa theo đặc tính hình học của bức ảnh.
Trong lịch sử phát triển của các hệ AFIS, có rất nhiều hệ với các khả
năng và đặc điểm riêng, nhưng chung qui lại, một hệ tự động nhận dạng vân
tay bao gồm 3 khối chức năng chính sau:
Thu nhận và xử lý nâng cao chất lượng ảnh
Phân loại và trích chọn đặc điểm
Lưu trữ, tìm kiếm và đối sánh ảnh trong cơ sở dữ liệu
Độ phức tạp của hệ AFIS phụ thuộc nhiều vào khối chức năng thứ 2 và
thứ 3 của sơ đồ. Quá trình phân loại và trích chọn đặc điểm phụ thuộc mạnh
vào chất lượng ảnh đầu vào. Nếu ảnh đầu vào chất lượng tốt, cấu trúc ảnh
đường vân rõ ràng và ít bị nhiễu thì quá trình phân loại và trích chọn đặc điểm
sẽ diễn ra nhanh chóng và chính xác. Nhưng ngược lại, nếu ảnh đầu vào chất

13

lượng kém thì quá trình phân loại và trích chọn đặc điểm sẽ gặp khó khăn và
kết quả đầu ra sẽ kém chính xác, gây trở ngại khi cần tìm kiếm, đối sánh và
nhận dạng sau này. Vì vậy, khâu xử lý nâng cao chất lượng ảnh là rất quan
trọng và phải được làm tốt. Đây cũng là mục tiêu chính của bài khoá luận ,
nhằm tập trung vào các kỹ thuật tăng cường chất lượng

Hình 1.7. Mô hình tổng quát của một hệ tự động nhận dạng vân tay
ảnh đầu vào để thu được ảnh đầu ra tốt.
1.3.3. Tính cá nhân và bất biến của vân tay.
Hai tính chất cơ bản của ảnh vân tay đó là tính cá nhân và tính bất biến
• Tính bất biến: Vân tay là do các gai da đội lớp biểu bì lên mà thành.
Đó là nơi tập kết miệng các tuyến mồ hôi, tuyến bã nhờn… Nó đã định hình
khi con người còn là cái thai 4 tháng trong bụng mẹ. Khi đứa bé ra đời, lớn
lên, vân tay được phóng đại nhưng vẫn giữ nguyên dạng cho đến khi về già.
Nếu tay có bị bỏng, bị thương, bị bệnh thì khi lành, vân tay lại tái lập y hệt
như cũ. Chỉ khi có tổn thương sâu huỷ hoại hoàn toàn, sẹo chằng chịt mới xoá
mất vân tay. Giá trị pháp lý của tính bất biến là được ước lượng bởi quan sát
bằng kinh nghiệm và cũng dựa trên việc giải phẩu để quan sát hình thái trên
da.

14

• Tính độc nhất: Vân tay không ai giống ai. Tính chất này đã được thừa
nhận qua việc kiểm tra hàng triệu mẫu vân tay. Trong trường hợp vân tay của
các cặp sinh đôi, mặt dù phần lớn là có quan hệ giống nhau. Chẳng hạn, nếu
vân tay của một người là dạng hình vòm, thì vân tay của người kia cũng dạng
hình vòm, nhưng các đặc trưng cục bộ như điểm cuối điểm rẽ sẽ khác nhau.
1.3.4. Thu nhận và lưu trữ ảnh vân tay.
1.3.4.1. Thu nhận ảnh vân tay.
Tuỳ thuộc vào quá trình xử lý người ta chia làm hai loại thu nhận ảnh
vân tay đó là off-line và on-line.


Một ảnh off-line là ảnh thu được từ các vết mực của các đầu ngón

tay, và được tạo ra từ vết mực được in trên tờ giấy trắng, sau đó ảnh được số
hoá bằng các thiết bị quét ảnh như các thiết bị quét ảnh quang học hay các
Camera chất lượng cao. Trong phương pháp này người ta thường dùng các
kiểu như:
- Phương pháp lăn: Đầu tiên cho vân tay của người cần lấy mẫu, thấm
mực, rồi lăn nhẹ trên tờ giấy trắng để thu được các vết mực, chờ cho mực
khô, sau đó một thiết bị máy ảnh hay camera để sao chụp bức ảnh này.
Phương pháp này được sử dụng lâu đời nhất, khoảng cách đây 100 năm, diện
tích ảnh vân tay thu nhận được rộng vì quá trình lăn, thu được nhiều thông tin
trên ảnh tuy nhiên chất lượng các ảnh vân tay đôi khi không tốt và ảnh thường
bị sai lệch do tác dụng khi lăn ngón tay.
- Phương pháp ấn: Trong phương pháp này người ta cho các ngón tay
thấm mực rồi sau đó ấn nhẹ trên giấy mà không lăn, chờ cho vết mực khô rồi
sao chụp ảnh vân tay này bằng máy ảnh hoặc camera. Rõ ràng, phương pháp
này diện tích vùng ảnh nhỏ hơn, thông tin ảnh cũng ít hơn nhưng độ chính xác
cao hơn.

15

- Phương pháp ảnh vân tay ảo: Đây là một loại đặc biệt của phương
pháp thu nhận ảnh vân tay off-line. Các ảnh này được thu nhận tại các hiện
trường mà tội phạm để lại. Tại đó khi các đầu ngón tay ấn nhẹ trên các vật
dụng ở hiện trường, thì mồ hôi, hay chất nhờn trên biểu bì da sẽ in dấu vân
tay để lại hiện trường. Lúc này người ta sử dụng một loại hoá chất đặc biệt
phủ lên vết vân tay đó, làm cho hình ảnh của vết vân tay hiện lên, và sử dụng
các thiết bị như Camera hay máy ảnh để thu nhận các ảnh này
• Một ảnh On-line hay còn gọi là Live-scan: Là quá trình thu thập ảnh vân
tay trực tiếp thông qua các thiết bị cảm nhận mà không cần thông qua bước
trung gian là in ảnh vân tay trên giấy. Hình 1.5 là các ảnh vân tay thu được
theo các phương pháp khác nhau.

Hình 1.8. Các ảnh vân tay thu được theo các phương pháp khác nhau
(a) Dấu mực lăn ảnh vân tay, (b)Vết mực khô dấu vân tay, (c) Mẫu vân tay
sống, (d) Mẫu vân tay ẩn, (e) Mẫu vân tay được sao chụp bằng bộ cảm biến
đồng nhất
Đối với quá trình thu nhận ảnh vân tay sống người ta thường dùng cách
đặt các ngón tay trực tiếp vào thiết bị cảm ứng để thu nhận ảnh. Công nghệ

16

phổ biến nhất để thu nhận các mẫu ảnh vân tay sống là dựa trên sự phản xạ
ánh sáng từ dấu vân tay, khi đặt ngón tay vào cạnh một tấm gương, các đường
vân của ảnh vân tay sẽ tiếp xúc với tấm gương, trong khi các rãnh đường vân
thì không được tiếp xúc, bên cạnh tấm gương người ta đặt một hệ thống các
bóng đèn để phát ra ánh sáng Laser chiếu đến mặt dưới của tấm gương, ánh
sáng sẽ phản xạ trở lại và người ta dùng một Camera để thu các ánh sáng
phản xạ đó. Kết quả là thu được một ảnh vân tay trong Camera. Hình 1.9 là sơ
đồ thu nhận ảnh vân tay sống bằng thiết bị quét ảnh quang học.
(a) Cấu trúc hình học:
gồm có nguồn sáng Laser
L; Một tấm kính P; và
một mặt phẳng ảnh C ở

P
L

trong Camera thu hình.
C

(a)

(b) Đường đi của các tia
phản xạ khi gặp đường
vân và rãnh vân.

P
(b)

C

Hình 1.9. Cấu tạo cơ bản của thiết bị quét ảnh vân tay sống
1.3.4.2. Lưu trữ ảnh và các thông tin đặc trưng của vân tay
Lưu trữ ảnh vân tay trong CSDL 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,. . .Để lưu trữ các thông tin khác nhau này một cách có hiệu

17

quả và ít tốn kém, thông thường sử dụng giải pháp đa lưu trữ, nghĩa là phân
nhóm thông tin có cấu trúc hoàn toàn khác nhau theo những phương pháp
khác nhau, cụ thể là thông tin về vân tay được chia thành 4 nhóm: Nhóm dữ
liệu bình thường có thể lưu dạng bảng, nhóm dữ liệu dạng Véc tơ được lưu
trữ tuần tự, nhóm dữ liệu dạng Véc tơ cần lưu trữ bằng cây tìm kiếm và dữ
liệu ảnh.
- Nhóm dữ liệu thông thường có thể lưu trữ dạng bảng chính là các thông tin
cá nhân như: Tên, tuổi, nơi sinh, địa chỉ . . .
- Nhóm dữ liệu Véc tơ cần lưu trữ dưới dạng cây tìm kiếm là các Véc tơ đặc
trưng tổng thể được dùng ở mức tìm kiếm lọc vân tay trước khi đối sánh
1:1. Quá trình tìm kiếm này dựa trên cơ chế tìm láng giềng gần nên dữ liệu
cần được tổ chức dưới dạng cấu trúc chỉ số động cho tìm kiếm không gian.
- Nhóm dữ liệu Véc tơ được lưu trữ tuần tự các các Véc tơ đặc trưng cục bộ.
Các Véc tơ này được lưu trữ tuần tự là do tại mức đối sánh trên Véc tơ đặc
trưng cục bộ, mọi thao tác phải diễn ra tuần tự, tức là tập đặc trưng đầu vào
phải lần lượt đối sánh hết với tất cả các tập đặc trưng được liệt kê. Để lưu
trữ được thì các Véc tơ này được chuỗi hoá thành dạng lưu trữ trên bộ nhớ
ngoài. Mỗi Véc tơ được chuyển thành một tệp đặc trưng trên bộ nhớ ngoài.
Đường dẫn cụ thể của Véc tơ đặc trưng tương ứng với một vân tay được
lưu trong một bảng.
Riêng đối với nhóm dữ liệu ảnh, tuy chúng không tham gia vào quá
trình tìm kiếm vân tay, nhưng chúng có thể được sử dụng cho những mục
đích kiểm tra lại hoặc trích chọn lại đặc trưng khi cần. Do vậy, ảnh vân tay
được lưu dạng tệp trên bộ nhớ ngoài và đường dẫn của chúng được lưu vào
một bảng, giống các Véc tơ đặc trưng cục bộ
1.3.5. Các đặc trưng của vân tay và trích chọn các đặc trưng.

18

Các đặc trưng của ảnh vân tay được chia thành hai loại: Đặc trưng cục bộ và
đặt trưng tổng thể.
• Đặc trưng tổng thể: Đây là loại đặc trưng biểu diễn cấu trúc chung của
toàn bộ ảnh vân tay. Có rất nhiều loại đặc trưng tổng thể phong phú, ví dụ
như: các điểm đơn, mã vân tay, đặc trưng hướng, . . .

(a)

(b)

(c)

Hình 1.10. Các đặc trưng tổng thể ảnh vân tay
(a) Các điểm đơn; (b) Mã vân tay; (c) Đặc trưng hướng
Các điểm đơn được định nghĩa như là nơi mà độ cong đường vân đạt giá trị
cực đại, bao gồm: điểm hCore và điểm Delta:
- Điểm Core: Là điểm trung tâm của ảnh vân tay. Nó là điểm hội tụ của
các đường vân, nó giúp trong việcc định hướng ảnh vân tay.
- Điểm Delta: Là nơi mà hai đường vân chạy gần nhau rồi rẽ ra trong các
vùng tách riêng
Điểm đơn thường được sử dụng trong việc tách lớp các ảnh vân tay, cũng như
tiến hành loại sơ bộ quá trình tìm kiếm vân tay.
Đối với các đặc trưng tổng thể có nhiều phương pháp để trích chọn. Trên thực
tế, mỗi kỹ thuật khác nhau có những ưu điểm khác nhau và thích hợp cho
từng loại ảnh ở đầu vào. Thông thường với các đặc trưng hướng người ta sử

19

dụng kỹ thuật tính Gradient rồi lấy trung bình đạo hàm trong một số lân cận.
Đối với các điểm đơn, kỹ thuật trích chọn là tìm kiếm điểm không liên tục
trong đặc trưng hướng bằng cách đánh giá chỉ số Poincare. Đối với mã vân
tay thì thường sử dụng bộ lọc Gabor.
• Đặc trưng cục bộ: Là các điểm đặc biệt trong đường vân của ảnh vân
tay. Nó chỉ đại diện cho đường vân trong lân cận cục bộ với nó mà thôi.
Chính vì vậy, tập hợp các điểm đặc trưng cục bộ, tức là mỗi tập các đặc trưng
cục bộ chỉ xuất hiện trong một vân tay duy nhất. Có nhiều kiểu điểm đặc
trưng cục bộ, nhưng có thể biểu diễn thành hai loại: Điểm kết thúc đường vân
( Ridge ending), điểm rẽ nhánh (Ridge Bifurcation)

Điểm rẽ nhánh

Điểm cuối

Hình 1.11. Các điểm đặc trưng cục bộ
Người ta dựa vào các điểm đặc trưng cục bộ này để đối sánh trong hệ thống
nhận dạng vân tay. Để trích chọn đặc trưng cục bộ thông thường hiện nay có
hai phương pháp chính:
- Phương pháp thứ nhất: Trích chọn dựa trên ảnh được làm mỏng đường
vân, phương pháp này thường đi qua các bước: nhị phân hoá, làm mảnh
đường vân, và trích chọn điểm đặc trưng dựa trên 8 điểm lân cận của ảnh đã
được làm mảnh.

20

- Phương pháp thứ hai: Trích chọn điểm đặc trưng dựa vào dòng chảy các
đường vân nhưng không nhị phân hoá.
1.3.6. Vai trò của điểm đặc trưng và hướng điểm đặc trưng trong nhận
dạng vân tay.
Như đã nói ở phần 1.3.5, điểm đặc trưng được chia thành hai điểm chính:
điểm kết thúc ( điểm cuối) và điểm rẽ nhánh. Trong quá trình tìm kiếm vân
tay tự động, hệ thống không coi các vân tay như là các ảnh. Hệ thống chỉ quan
tâm đến các điểm đặc trưng cùng với hướng của nó. Khi đó một ảnh vân tay
sẽ giống như là một đám mây các điểm đặc trưng và hướng của nó tương ứng.
Khi đối sánh hai mẫu vân tay có đồng nhất hay không, đám mây các điểm
đặc trưng và hướng điểm đặc trưng của vân tay tìm kiếm sẽ được so sánh với
các đám mây điểm đặc trưng cùng với hướng của nó đã được lưu trữ trong cơ
sở dữ liệu.

Hình1.12.Đối sánh 2 ảnh vân tay dựa trên các điểm đặc trưng và hướng
Mỗi điểm đặc trưng, ta gắn một véc tơ có điểm đầu là điểm đặc trưng và
hướng của nó sẽ được bàn sau đây. Hướng của Véc tơ đó trùng với hướng của
điểm đặc trưng, bước tiếp theo của việc đối sánh hai vân có phải là một hay

21

không, thực chất là cặp các điểm đặc trưng của hai vân lại với nhau. Hai điểm
đặc trưng được cặp hoặc đối sánh nếu như chúng:
• Cùng loại điểm đặc trưng: Cùng là điểm rẽ nhánh hay điểm kết thúc.
• Thành phần các đặc điểm của chúng (như toạ độ x,y ) là như nhau.
Tuy nhiên, nếu hướng của hai điểm được cặp khác nhau thì hai điểm đặc
trưng ấy có thể sẽ khác nhau. Hình 1.10 chỉ ra 3 trạng thái thường gặp khi đối
sánh hai điểm đặc trưng, hình tròn trắng ký hiệu điểm đặc trưng vân tay dữ
liệu đưa vào và hình tròn đen ký hiệu điểm đặc trưng vân tay tìm kiếm.
- Hình a: Điểm đặc trưng vân tay dữ liệu tương xứng với điểm đặc trưng
vân tay tìm kiếm theo toạ độ và hướng (cặp điểm đặc trưng được đồng nhất);
- Hình b: Điểm đặc trưng vân tay dữ liệu ngược hướng với điểm đặc
trưng vân tay tìm kiếm (cặp điểm đặc trưng không đồng nhất);
- Hình c: Điểm đặc trưng vân tay dữ liệu và vân tay tìm kiếm vuông góc
nhau (cặp điểm đặc trưng không đồng nhất).
- Trong ba trường hợp trên, các điểm đặc trưng được gọi là cặp đồng nhất
chỉ có trường hợp a.

Hình a

Hình b

Hình c

Hình 1.13. Các hướng khác nhau của các cặp điểm đặc trưng
1.4.

Tăng cường chất lượng ảnh vân tay

1.4.1. Giới thiệu về lọc ảnh.
Nâng cao chất lượng ảnh là một bước quan trọng, tạo tiền đề cho xử lý
ảnh. Mục đích chính là nhằm làm nổi bật một số đặc tính của ảnh như thay