Nghiên cứu xây dựng hệ thống kiểm soát trung cập mạng và an ninh thông tin dựa trên sinh trắc học sử dụng công nghệ nhúng nhánh 2

Trờng ĐH Bách khoa Hà Nội

Báo cáo đề tài nhánh 2
Thuộc đề tài:
Nghiên cứu xây dựng hệ thống kiểm soát
trung cập mạng và an ninh thông tin dựa
trên sinh trắc học sử dụng công nghệ nhúng

Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Thị Hoàng Lan

8600-2

Hà Nội - 2010


BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
Trường Đại học Bách khoa HN

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC.01/06-10

BÁO CÁO NHÁNH 2
KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI

Nghiên cứu xây dựng hệ thống kiểm soát truy cập
mạng và an ninh thông tin dựa trên sinh trắc học
sử dụng công nghệ nhúng
Mã số đề tài: KC.01.11/06-10
Cơ quan chủ trì đề tài: Đại học Bách khoa Hà Nội
Chủ nhiệm đề tài:

PGS. TS. Nguyễn Thị Hoàng Lan

Hà Nội - 11/2010


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................................4
DANH MỤC BẢNG .............................................................................................................8
Chương 1 KHẢO SÁT CÁC CÔNG NGHỆ NHÚNG SINH TRẮC HỌC ..................11
1.1 Các công nghệ nhúng sử dụng trong sinh trắc học .................................................... 11
1.1.1 Hệ thống quét an ninh võng mạc ........................................................................11
1.1.2 Thiết bị quét vân tay ...........................................................................................18
1.1.3 Thẻ thông minh...................................................................................................32
1.1.4 Thẻ từ..................................................................................................................55
1.1.5 Thẻ RFID ............................................................................................................59
1.1.6 Thẻ USB .............................................................................................................78
1.2 Lựa chọn giải pháp..................................................................................................... 81
1.3 Khảo sát linh kiện ...................................................................................................... 81
1.3.1 Vi điều khiển ......................................................................................................81
1.3.2 Chip nhớ .............................................................................................................92
1.3.3 Các phụ kiện khác ..............................................................................................94
Chương 2 XÂY DỰNG GIẢI PHÁP VÀ THỬ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NHÚNG....95
2.1 Giải pháp hệ nhúng trong BioPKI ............................................................................. 95
2.2 Cấu hình thử nghiệm hệ nhúng lưu trữ đặc trưng sinh trắc ....................................... 96
2.2.1 Phần cứng ...........................................................................................................96
2.2.2 Phần mềm ...........................................................................................................98
2.2.3 Tài liệu kỹ thuật ................................................................................................100
2.3 Phát triển phiên bản thử nghiệm hệ nhúng lưu trữ đặc trưng sinh trắc.................... 100
2.3.1 Giao tiếp giữa hệ nhúng và PC .........................................................................100

2.3.2 Sơ lược về giao tiếp USB và lớp thiết bị HID ..................................................101
2.3.3 Sử dụng thư viện RL-USB để xây dựng firmware ...........................................119
2.3.4 Đánh giá kết quả ...............................................................................................140
Chương 3 THIẾT KẾ VÀ CÀI ĐẶT HỆ NHÚNG VÀ PHẦN MỀM NHÚNG SINH
TRẮC HỌC CHO HỆ BioPKI (Bio-Etoken).................................................................141
3.1 Giới thiệu ................................................................................................................. 141
3.2 Thiết kế .................................................................................................................... 142
3.2.1 Thiết kế kiến trúc ..............................................................................................142
3.2.2 Thiết kế phần cứng ...........................................................................................143


3.2.3 Thiết kế phần mềm ...........................................................................................153
3.2.4 Thiết kế phần dẻo (Firmware) ..........................................................................168
3.3 Cài đặt ...................................................................................................................... 184
3.3.1 Cài đặt phần cứng .............................................................................................184
3.3.2 Cài đặt phần mềm .............................................................................................184
3.3.3 Cài đặt phần dẻo ...............................................................................................185
3.4 Thử nghiệm và tích hợp vào hệ thống BioPKI ........................................................ 185
3.4.1 Thiết bị nhúng được chế tạo và sử dụng trong hệ thống BioPKI .....................186
3.4.2 Tích hợp hệ nhúng và các yếu tố sinh trắc vào hệ BioPKI ..............................187
3.4.3 Quá trình sử dụng thẻ trong các ứng dụng của hệ thống BioPKI .....................190
3.5 Kết luận .................................................................................................................... 194
Chương 4 XÂY DỰNG HỆ NHÚNG NHẬN DẠNG GIỌNG NÓI.............................195
4.1 Giới thiệu T-ENGINE SH7760 ............................................................................... 195
4.1.1 Giới thiệu ..........................................................................................................195
4.1.2 Đặc tả T-Engine ................................................................................................196
4.1.3 Mô hình tổng quan............................................................................................197
4.1.4 Giao diện của SH7760 ......................................................................................200
4.2 Tổng quan về tín hiệu tiếng nói ............................................................................... 200
4.2.1 Quá trình phát âm .............................................................................................202

4.2.2 Biểu diễn tín hiệu tiếng nói ..............................................................................203
4.3 Hệ thống nhận dạng người nói ................................................................................. 205
4.3.1 Giới thiệu chung ...............................................................................................205
4.3.2 Mô hình hệ định danh người nói ......................................................................210
4.3.3 Phương pháp xử lý đồng hình ..........................................................................214
4.3.4 Phương pháp dự đoán tuyến tính ......................................................................216
4.3.5 Phương pháp phân tích phổ Mel (MFCC) ........................................................223
4.4 Thiết kế chi tiết phần cứng ...................................................................................... 232
4.5 Thiết kế chi tiết phần mềm ...................................................................................... 234
4.5.1 Lưu đồ thuật toán của hệ thống ........................................................................235
4.5.2 Các module chính của chương trình .................................................................237
4.6 Các giải thuật tăng hiệu quả nhận dạng ................................................................... 257
4.6.1 Xác lập ngưỡng điểm số nhận dạng cho từng người nói ..................................257
4.6.2 Sinh từ ngẫu nhiên cho huấn luyện ..................................................................258
4.6.3 Nhận dạng với nhiều từ khác nhau trong nhiều lần ..........................................258

2


4.7 Đánh giá kết quả ...................................................................................................... 259
4.7.1 Kết quả đạt được...............................................................................................259
4.7.2 Kết quả thử nghiệm hệ thống ...........................................................................260
4.8 Hạn chế và hướng phát triển .................................................................................... 266
Chương 5. KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM HỆ NHÚNG VÀ PHẦN MỀM NHÚNG SINH
TRẮC HỌC CHO HỆ BioPKI (Bio-Etoken).................................................................267
5.1. Thử nghiệm độc lập thiết bị BioEtoken .................................................................. 267
5.2. Thử nghiệm tích hợp với hệ thống BIOPKI ........................................................... 269
5.3. Đánh giá chung ....................................................................................................... 270
KẾT LUẬN .......................................................................................................................271
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................274

3


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

1.1 Vân mắt ................................................................................................................11
1.2 Máy giám định võng mạc .....................................................................................12
1.3 Con ngươi mắt ......................................................................................................12
1.4 Võng mạc mắt ......................................................................................................13
1.5 Chiếu tia laser vào mắt để thực hiện quét võng mạc............................................14
1.6 Các thông tin trong võng mạc sẽ được lưu trữ dưới dạng mã máy để so sánh ...14
1.7 So sánh kết quả quét võng mạc so sánh với thông tin số được lưu trữ trong cơ sở
dữ liệu của máy tính ............................................................................................15
1.8 Quét võng mạc .....................................................................................................16
1.9 Vân tay .................................................................................................................18
1.10 Nghiên cứu vân tay ............................................................................................19
1.11 Quét các điểm trên vân tay .................................................................................19
1.12 Vân tay ...............................................................................................................19
1.13 Phân tích vân tay ................................................................................................19
1.14 Mã hóa các vân trên vân tay thành các kí hiệu máy tính ...................................19
1.15 Máy quét vân tay ................................................................................................19
1.16 Các loại mô hình cơ bản của vân tay .................................................................20

1.17 Đối chiếu dấu vân tay.........................................................................................21
1.18 Biểu đồ minh họa một cảm biến điện dung đơn giản.........................................23
1.19 Phân tích các điểm trên vân tay..........................................................................25
1.20 Các điểm chính trên vân tay ...............................................................................25
1.21 Quy trình phân tích vân tay ................................................................................26
1.22 Nec Versa M350 ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay FingerPrint. ............26
1.23 Hệ thống thẻ Oberthur ........................................................................................27
1.24 Hệ thống đăng nhập bằng dấu vân tay ...............................................................27
1.25 Ổ Pico Finger của Green House. (Mobile-Review) ............................................28
1.26 Hộ chiếu nhúng chip cảm ứng, mang đầy đủ thông tin xác thực vân tay ..........28
1.27 Ổ USB SanDisk Cruzer Profile ..........................................................................29
1.28 Giới thiệu thẻ thông minh ..................................................................................32
1.29 Thẻ thông minh smartcard .................................................................................33
1.30 Một thẻ thông minh ............................................................................................34
1.31 Smartcard ...........................................................................................................35
1.32 Máy đọc thẻ ........................................................................................................36
1.33 Các loại thẻ thông minh có tiếp xúc ...................................................................37
1.34 Đặc trưng của thẻ SmartCard .............................................................................37
1.35 Chuẩn smart card................................................................................................38
1.36 Một thẻ thông minh dùng trong bảo hiểm y tế ở Pháp .......................................38
1.37 smartCard chip ...................................................................................................39

4


Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình

1.38 Một loại thẻ thông minh .....................................................................................42
1.39 Một sơ đồ sắp xếp các điểm tiếp xúc .................................................................43
1.40 Mạch thẻ nhìn từ phía dưới ................................................................................43
1.41 Sơ đồ kiến trúc của một thẻ thông minh tiêu chuẩn vi điều khiển nhúng .........44
1.42 Serial number .....................................................................................................45
1.43 Một loại thẻ thông minh lưu hành tại Hà Lan ....................................................46
1.44 Thẻ thông minh được dùng trong chứng minh thư ............................................47
1.45 Usb sử dụng thẻ SIM ..........................................................................................49
1.46 Ứng dụng truyền hình có thu phí .......................................................................49
1.47 Thẻ thông minh lưu trữ mẫu vân tay cá nhân ....................................................53
1.49 Kiến trúc thẻ từ...................................................................................................56
1.50 Vỏ ngoài thẻ từ ...................................................................................................56
1.51 Mặt sau thẻ từ .....................................................................................................56
1.52 Kích thước thẻ ....................................................................................................56
1.53 Các vùng trên thẻ ...............................................................................................57
1.54 Mã hóa trên thẻ...................................................................................................58
1.55. Hình minh họa việc sử dụng thẻ trong thanh toán điện tử ................................58
1.56 Mở khóa cửa.......................................................................................................58
1.57 Hệ thống máy chấm công sử dụng thẻ từ ...........................................................58
1.58 MÁY CHẤM CÔNG THẺ TỪ ATR20-20 nhãn hiệu ACROPRINT do Hoa Kỳ
sản xuất. .............................................................................................................59
1.59 Hệ thống máy chấm công và kiểm soát cửa bằng thẻ từ RONALD JACK SC403......................................................................................................................59
1.60 Thẻ RFID ...........................................................................................................62
1.61 Đầu đọc thẻ RFID ..............................................................................................67
1.62 Ứng dụng thẻ RIFV trong quản lý thư viện .......................................................69
1.63 Thiết bị eToken của Aladdin Knowledge Systems ............................................79

1.64 Golden key USB token.......................................................................................79
1.65 Vi điều khiển AT91SAM7S256 .........................................................................82
1.66 Vi điều khiển LPC214X .....................................................................................87
1.67 Vi điều khiển STR75X .......................................................................................90
1.68 Chip nhớ 25LC1024 ...........................................................................................92
1.69 Chíp nhớ AT25256.............................................................................................93
1.70 Thạch anh ...........................................................................................................94
2.1 Giải pháp hệ nhúng ..............................................................................................95
2.2 Máy tính phát triển hệ nhúng ...............................................................................96
2.3 Board phát triển Keil MBC2300 ..........................................................................97
2.4 Mạch nạp firmware ..............................................................................................97
2.5 Chip LPC2368 ......................................................................................................98
2.6 USB2COM ...........................................................................................................98

5


Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

2.7 Keil uVision 3 ......................................................................................................99
2.8 Visual Studio 2005 ...............................................................................................99

2.9 USB Logo...........................................................................................................101
2.10 Thiết bị USB ....................................................................................................102
2.11 Mô hình bus USB .............................................................................................104
2.12 Cable USB ........................................................................................................105
2.13 Các thiết bị HID ...............................................................................................110
2.14 Khuôn dạng dữ liệu của giai đoạn setup trong kiểu truyền Control ................115
2.15 USB Stack ........................................................................................................122
2.16 Cửa sổ cấu hình lớp thiết bị .............................................................................130
2.17 Cửa sổ cấu hình thiết bị ....................................................................................131
2.18 Cửa sổ cấu hình sự kiện ...................................................................................133
3.1 Thiết kế kiến trúc Bio-Etoken ............................................................................142
3.2 Sơ đồ khối của vi điều khiển ..............................................................................146
3.4 Sơ đồ chân tín hiệu 25LC1024 ...........................................................................148
3.5 Sơ đồ khối thiết bị Bio-Etoken ...........................................................................148
3.6 Mạch tạo nguồn 3.3V ......................................................................................150
3.7 Mạch cấp nguồn cho AT91SAM7S256 .............................................................150
3.8 Mạch tạo xung ....................................................................................................151
3.9 Kết nối JTAG .....................................................................................................151
3.10 Kết nối USB .....................................................................................................152
3.11 Kết nối vi điều khiển và bộ nhớ .......................................................................152
3.13 Kết nối USB .....................................................................................................155
3.14 Kết nối USB .....................................................................................................156
3.15 Đường ống........................................................................................................157
3.16 Kiến trúc WinUSB ...........................................................................................159
3.17 WinUSB driver.................................................................................................162
3.18 Quá trình trao đổi giữa PC và Bio-Etoken .......................................................163
3.19 Các Endpoint sử dụng trong Bio-Etoken .........................................................164
3.20 Tổ chức lưu trữ dữ liệu đặc trưng ....................................................................180
3.21 Sơ đồ mạch in PCB ..........................................................................................184
3.22 Hình ảnh thật của thiết bị .................................................................................184

3.23 USBTester ........................................................................................................185
3.24 Quá trình ghi lên thẻ Bio-Etoken .....................................................................186
3.25 Quá trình đọc thẻ Bio-Etoken ..........................................................................186
3.26 Giao dịch tại LRA ............................................................................................187
3.27 Giao dịch tại CA-Operator ...............................................................................189
3.28 Dùng thẻ trong ứng dụng chữ ký số .................................................................191
3.29 Mô hình ứng dụng bảo vệ truy cập từ xa .........................................................192
3.30 Dùng thẻ trong ứng dụng bảo vệ truy cập từ xa ...............................................194

6


Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình
Hình

4.1 T-Engine SH7760...............................................................................................196
4.2 Sơ đồ khối tổng quan của T-Engine ...................................................................198
4.3 Sơ đồ trong của T-Engine ..................................................................................199
4.4 Giao diện của T-Engine .....................................................................................200
4.5 Quá trình giao tiếp bằng tiếng nói. .....................................................................201
4.6 Cơ quan phát âm ................................................................................................202
4.7 Mô hình toàn điểm cực ......................................................................................203
4.8 Biểu diễn tín hiệu tiếng nói trên miền thời gian .................................................204
4.9 Biểu diễn tín hiệu tiếng nói trên miền tần số .....................................................204
4.10 Biểu diễn tín hiệu tiếng nói trên miền kết hợp .................................................205
4.11 Thực hiện định danh người nói trong nhận dạng lời nói. .................................208

4.12 Mô hình chung của định danh người nói .........................................................210
4.13 Đáp ứng bộ lọc hiệu chỉnh ...............................................................................211
4.14 Giải thuật loại bỏ khoảng lặng và các đại lượng ..............................................213
4.15 Phương pháp xử lý đồng hình ..........................................................................215
4.16 Mô hình Levinson - Durbin..............................................................................216
4.17 Xác định đường bao phổ của nguyên âm [i] bằng phân tích LP sử dụng 3 cấp
khác nhau (p=6, 15, 100). ................................................................................218
4.18 Ví dụ về các điểm cực LPC trên mặt phẳng phức và phổ biên độ tương ứng (với
cấp LPC p=6). ..................................................................................................219
4.19 Ví dụ về đường bao phổ của LPC và FFT-cepstral..........................................221
4.20 Ví dụ tái tạo phổ từ cepstrum sử dụng số các tham số khác nhau (Nc=5, 20,
100). .................................................................................................................222
4.21 Sơ đồ khối của bộ xử lý MFCC .......................................................................223
4.22 Một ví dụ về bộ lọc thông dải. .........................................................................226
4.23 Ví dụ một mô hình GMM ................................................................................228
4.24 Các dòng chip phát triển của hãng Renesas. ....................................................233
4.25 Lưu đồ thuật toán hệ thống ..............................................................................235
4.26 Lưu đồ thuật toán pha huấn luyện. ...................................................................237
4.27 Lưu đồ thuật toán trích chọn đặc trưng. ...........................................................238
4.28 Lưu đồ thuật toán quá trình nhận dạng ............................................................243
4.29 Lưu đồ thuật toán quá trình tìm kiếm mẫu có điểm số cao nhất. .....................245
4.30 Lưu đồ thuật toán xử lý sự kiện màn hình cảm ứng.........................................247
4.31 Ma trận 8x16 điểm ảnh của chữ A ...................................................................254
4.32 Giao diện chính của chương trình ....................................................................259
4.33 Giao diện nhận dạng của chương trình ............................................................259
4.34 Giao diện thu thập thông tin về người huấn luyện. ..........................................260
4.35 Giao diện huấn luyện .......................................................................................260
4.36 Điểm số nhận dạng cùng một từ của một giọng với các tần số lấy mẫu khác
nhau. .................................................................................................................264

7


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 Mô tả chân tín hiệu AT91SAM7S256 ...............................................................145
Bảng 4.1 Bảng các đặc tả cơ bản của T-Engine SH7760 ..................................................197
Bảng 4.2 Bảng thống kê các yêu cầu được gửi tới Phòng thí nghiệm
tội phạm của Cục điều tra quốc gia liên quan đến pháp lý
về âm thanh. ....................................................................................................207
Bảng 4.3 Kết quả nhận dạng với từ đọc nằm trong từ vựng. ............................................262
Bảng 4.4 Kết quả nhận dạng với từ đọc không nằm trong từ vựng. .................................263
Bảng 4.5 Kết quả nhận dạng với từ không nằm trong từ vựng .........................................265

8


LỜI GIỚI THIỆU
Nhánh hai của đề tài KC.01.11/06-10 có nhiệm vụ:
Nghiên cứu công nghệ nhúng, lập trình nhúng và các kỹ thuật tích hợp
sinh trắc học dùng trong hệ thống an ninh, bảo mật thông tin dựa trên sinh
trắc học BioPKI.
Báo cáo gồm năm chương:
Chương 1. Khảo sát các công nghệ nhúng sinh trắc học
Chương này thực hiện khảo sát các công nghệ nhúng dùng trong an ninh sinh
trắc học hiện có, bao gồm: võng mạc, vân tay và các thiết bị dùng để xác thực
các thông tin cá nhân của người dùng như: thẻ từ, thẻ thông minh, thẻ usb...
Chương này cũng đề xuất giải pháp sẽ sử dụng trong hệ BioPKI: thẻ USB.
Cuối cùng là khảo sát các linh kiện cần thiết có thể sử dụng để xây dựng thẻ
USB.
Chương 2. Xây dựng giải pháp và thử nghiệm công nghệ nhúng

Chương này thực hiện việc đề xuất giải pháp, vai trò của hệ nhúng trong
BioPKI, chức năng của hệ nhúng và xây dựng phiên bản thử nghiệm trên
board phát triển của Keil.
Chương 3. Thiết kế và cài đặt hệ nhúng và phần mềm nhúng sinh trắc
cho hệ BioPKI
Chương này tiến hành thiết kế và xây dựng sản phẩm của nhánh: thẻ BioEtoken. Xây dựng phần cứng, phần mềm, phần dẻo, thử nghiệm và đánh giá
sản phẩm.
Chương 4. Xây dựng hệ nhúng nhận dạng giọng nói.
Chương này trình bày các nghiên cứu về nhận dạng giọng nói người, triển
khai thử nghiệm trên thiết bị nhúng T-ENGINE SH7760
Chương 5. Kết quả thử nghiệm hệ nhúng và phần mềm nhúng sinh trắc
học cho hệ BioPKI (Bio-Etoken).

9


Chương này báo cáo các kết quả thử nghiệm tích hợp vào hệ thống của thiết
bị Bio-Etoken.

10


Chương 1
KHẢO SÁT CÁC CÔNG NGHỆ NHÚNG SINH TRẮC HỌC
1.1 Các công nghệ nhúng sử dụng trong sinh trắc học
Các dấu hiệu sinh trắc học của con người khá đa dạng, do đó các phương
pháp ghi nhận và xử lý đặc điểm sinh trắc học cũng khá khác nhau. Phần này
sẽ trình bày các công nghệ sinh trắc học thông dụng trên thế giới.
1.1.1 Hệ thống quét an ninh võng mạc
1.1.1.1 Giới thiệu tổng quan

Cùng với sự ra đời của internet và các loại thẻ điện tử, càng ngày chúng ta
càng phải nhớ nhiều mật khẩu và mã số cá nhân. Và các nhà khoa học đã phải
dày công tìm kiếm những đặc điểm vật chất của mỗi người để làm mẫu mới
trong nhận dạng, xác định nhân thân mà không cần phải ghi nhớ cũng như
không sợ bị quên, bị mất hay bị đánh cắp. Ngoài vân tay đã được sử dụng lâu
nay, một số loại “vân” khác mới được đề xuất để chọn làm đặc điểm vật chất
mẫu trong khoa học nhận dạng như: vân môi, vân mắt, dáng đi…

Hình 1.1 Vân mắt
Vân mắt là đường vân võng mạc trong mắt. Võng mạc là một kết cấu phức
tạp và mỗi người đều có vân mắt riêng. Các chuyên gia dùng máy ảnh điện tử
có thể chụp được hình ảnh võng mạc trong mắt con người và dùng nó để giám
định từng người một.

11


Các nhà khoa học Mỹ đã chế tạo chiếc máy kiểm tra vân mắt và dùng nó
trong các cơ quan quốc phòng và an ninh.

Hình 1.2 Máy giám định võng mạc
Các nhân viên trước khi được tuyển chọn vào làm việc sẽ được chụp võng
mạc và lưu trữ hình ảnh vân đã được mã hóa trong máy giám định. Sau này,
mỗi lần vào cơ quan, chỉ cần đưa mắt nhìn vào máy giám định, ấn nút là võng
mạc hiện ra và dễ dàng phân biệt giả hay thật.
Các chuyên gia cho rằng, việc giám định này chính xác hơn giám định vân
tay, sai số không đến một phần triệu mà thủ tục đơn giản, mất ít thời gian
1.1.1.2 Kiến trúc

Hình 1.3 Con ngươi mắt

Các nhân võng mạc là một mảnh mô gồm các tế bào thần kinh nằm ở phần
sau của mắt. Do cấu trúc phức tạp của các mao mạch là nguồn cung cấp máu

12


cho võng mạc, võng mạc của mỗi người là duy nhất, mạng lưới các mao mạch
ở võng mạc rất phức tạp và thậm chí cả cặp song sinh giống hệt nhau cũng
không giống nhau.

Hình 1.4 Võng mạc mắt
Mặc dù mô hình võng mạc có thể được thay đổi trong các trường hợp bệnh
tiểu đường, bệnh tăng nhãn áp hoặc rối loạn thoái hóa võng mạc, võng mạc
thường không thay đổi từ khi sinh ra cho đến khi chết. Do tính chất của nó
độc đáo và không thay đổi,mà nó được coi là công nghệ chính xác và đáng tin
cậy nhất.Các nhà khoa học nghiên cứu đã kết luận chính xác rằng tỷ lệ lỗi của
nó được ước tính chỉ có một phần một triệu.
1.1.1.3 Nguyên lý hoạt động
Công nghệ sinh trắc học trong nhận dạng được biết đến bởi những thiết bị an
ninh quét võng mạc. Thiết bị này sử dụng mô hình võng mạc của người. Các
mạch máu trong võng mạc hấp thụ ánh sáng dễ dàng hơn so với các mô xung
quanh và dễ dàng xác định với ánh sáng thích hợp. Thực hiện công việc này
bằng cách: sử dụng chùm anh sáng hồng ngoại năng lượng thấp chiếu vào mắt
người. Các mao mạch ở võng mạc có khả năng hấp thụ ánh sáng cao hơn so
với những chỗ khác nên những thay đổi được phản ánh trong quá trình
quét.Các mô hình của các biến thể sẽ được chuyển thành mã máy tính và
được lưu trong cơ sở dữ liệu.

13

Hình 1.5 Chiếu tia laser vào mắt để thực hiện quét võng mạc

Hình 1.6 Các thông tin trong võng mạc sẽ được lưu trữ
dưới dạng mã máy để so sánh
Bản đồ số về hình dạng võng mạc được tạo ra khi người dùng đứng trước
một camera. Camera này sẽ chụp hình chớp nhoáng hoặc sử dụng tia laser rọi
vào võng mạc của mắt. Sau đó, kết quả được so sánh với thông tin số đã được
lưu trữ trong cơ sở dữ liệu từ trước.
Đây được coi là công nghệ sinh trắc chính xác nhất song nó cũng là công
nghệ xâm nhập sự riêng tư nhiều nhất vì liên quan tới mắt.

14


Hình 1.7 So sánh kết quả quét võng mạc so sánh với thông tin số được lưu
trữ trong cơ sở dữ liệu của máy tính
1.1.1.4 Tình trạng triển khai hiện nay
Máy quét võng mạc thường được sử dụng để xác thực và mục đích nhận dạng.
Quét võng mạc đã được sử dụng bởi một số cơ quan chính phủ bao gồm
FBI,CIA, NASA. Tuy nhiên, những năm gần đây, máy quét võng mạc đã trở
nên khá phổ biến trong các hoạt động thương mại. Máy quét võng mạc đã
được sử dụng trong các nhà tù, cho máy ATM xác minh danh tính và phòng
chống gian lận.
a. Hộ chiếu điện tử
Vấn đề an ninh biên giới đang là vấn đề nghiêm trọng của các quốc gia trên
thế giới. Tại sân bay, hộ chiếu sinh trắc nhận dạng bằng mắt đã được thực
hiện với những người tình nguyện tham gia. Hành khách sử dụng một thẻ từ
có giá trị như một hộ chiếu. Hành khách sẽ phải đưa mắt ra trước 1 loại máy
như máy scanner trong 10 giây, để máy quét thông tin. Việc làm này khá

nhanh chóng nên hạn chế tổn thất về thời gian.
Mọi hành khách có thể làm một hộ chiếu sinh trắc ở ngay tại sân bay chỉ
trong vài phút. Cảnh sát kiểm tra trên danh sách của cảnh sát quốc tế Interpol

15


để chắc chắn người muốn làm hộ chiếu sinh trắc không phải là đối tượng đang
bị truy nã rồi cấp 1 thẻ bộ điện tử có lý lịch và dấu vết tròng mắt của đương
sự.
Vì đặc điểm mắt của mỗi người là độc nhất vô nhị, không thể làm giả được,
không thể làm bản sao được, nên no có tính an toàn, bảo mật hơn dấu tay.
Có khoảng hai mươi ngàn người đã được cung cấp dịch vụ này. Hộ chiếu
sinh trắc đã thành công và được nhiều nước quan tâm vì đây là 1 biện pháp an
toàn cao
Toàn bộ hệ thống quét được hỗ
trợ bằng máy tính. Mống mắt của
từng người đều lưu giữ trong bộ
nhớ, kèm theo các thông tin cá
nhân, như số hộ chiếu, năm sinh,
nghề nghiệp... Khi khách hàng đi
qua bộ phận kiểm tra, họ chỉ phải
dừng lại khoảng 2 giây để máy

Hình 1.8 Quét võng mạc

quét mắt "xác nhận".
Nếu phù hợp với phiên bản trong bộ nhớ, người đó sẽ được cho qua. Bằng
cách này, các sân bay có thể rút ngắn thời gian kiểm tra, giúp hành khách đỡ
phải xếp hàng cả tiếng đồng hồ trước quầy check-in.

Hãng Hàng không Anh cũng dự định sẽ đưa các hệ thống quét mắt vào sử
dụng ở sân bay Heathrow, London trong thời gian tới. Nếu thành công, kỹ
thuật này sẽ được mở rộng sang các sân bay khác ở Anh và châu Âu.
Bộ Nội vụ Anh cũng vừa đưa vào thử nghiệm hệ thống nhận dạng hành
khách bằng công nghệ quét hình ảnh võng mạc tại hai trong số 4 nhà ga của
sân bay quốc tế Heathrow ở London. Hệ thống mới này đòi hỏi các hành
khách phải chụp ảnh võng mạc để đăng ký vào cơ sở dữ liệu, và khi làm thủ

16


tục xuất nhập cảnh, hành khách đi máy bay sẽ phải đi qua cửa kiểm soát có
gắn một máy quét ảnh võng mạc chuyên dụng.
b. Thiết bị ứng dụng
Thiết bị quét võng mạc Smart-Iris quét võng mạc con người ngay trong đám
đông. Smart-Iris là một hệ thống nhận dạng mới được phát triển bởi các kỹ sư
điện tử của trường Đại học Southern Methodist University, cho phép các
camera có thể nhận dạng chính xác bất cứ người nào thông qua việc quét
võng mạc của họ, ngay cả khi họ đang di chuyển trong đám đông.
Smart-Iris là thành quả nhiều năm nghiên cứu của các kỹ sư tại trường này
thông qua nguồn tài trợ từ Lầu Năm Góc (Mỹ). Qua đó, họ có thể trang bị hệ
thống mới này cho các máy bay không người lái, gắn lên mũ của các người
lính và tất nhiên là trang bị cho các camera an ninh ở các khu vực nhạy cảm.
Tính ưu việt của Smart-Iris thể hiện ở chỗ hệ thống có khả năng làm việc cả
trong điều kiện ánh sáng yếu, bị ném pháo sáng, không bị cản trở bởi lông mi
xung quanh mắt và không bắt buộc người đó phải nhìn thẳng vào camera.
Smart-Iris chỉ cần quét qua một phần của con mắt là có thể lấy được các
thông tin nhận dạng cần thiết…
Ngoài ra còn rất nhiều thiết bị khác sử dụng công nghệ này…
1.1.1.5 Ưu/Nhược điểm

a. Ưu điểm
•

Ít xảy ra sai sót.

•

Tỉ lệ sai sót cực thấp (gần như 0%)

•

Độ tin cậy cao bởi vì không có hai người có cùng một khuôn mẫu võng

mạc
•

Cho kết quả một cách nhanh chóng

b. Nhược điểm
•

Độ chính xác đo lường có thể bị ảnh hưởng bởi bệnh về mắt như đục thủy

tinh thể

17


•

Đo độ chính xác cũng có thể bị ảnh hưởng bởi những người loạn thị nặng

•

Đeo kính hoặc kính sát tròng cũng có thể gây nhầm lẫn cho hệ thống.

•

Chủ thể bị quét phải được gần với camera quang học, người sử dụng cảm

thấy khó có thể tập trung vào camera quét mống mắt
•

Chi phí thiết bị cao

•

Những người quá cao hoặc quá thấp lại gặp rắc rối khi đứng trước máy

sao cho đúng cách.
1.1.2 Thiết bị quét vân tay
1.1.2.1 Giới thiệu tổng quan
Vân tay đường vân trên da ở đầu các ngón tay
và lòng bàn tay người. Vân tay của mỗi người
có những nét riêng biệt được giữ nguyên vẹn,
cố định từ khi mới sinh ra đến khi chết. Khi
tiếp xúc với một vật nhẵn, bóng, vân tay dễ in
hình lên vật đó.
Nghiên cứu vân tay là một bộ môn của kĩ
Hình 1.9 Vân tay

thuật hình sự, có tác dụng rất tích cực trong
điều tra tội phạm.

Khoảng thế kỉ 7, người Trung Quốc đã biết dùng ngón tay điểm chỉ vào các
văn bản thay cho chữ kí.Nửa cuối thế kỉ 19, Gantông (Galton) đã nghiên cứu
và phân biệt sự khác nhau giữa các dấu tay. Theo Hăngri (Henri), dấu tay
không có sự thay đổi trong suốt cuộc đời con người. Các nhà khoa học nghiên
cứu về vân tay đã khẳng định không có vân tay của người này giống vân tay
của người khác và họ đã phát minh ra phương pháp phân loại, sắp xếp vân tay
và lưu vào cơ sở dữ liệu. Ngày nay, các cơ quan An ninh, Cảnh sát của hầu
hết các nước trên thế giới đều có lưu trữ vân tay tội phạm, được phân loại, sắp
xếp và tra cứu theo phương pháp Gantông - Hăngri.

18


Ở Việt Nam hiện tại bên bộ khoa học hình
sự (bộ công an) đang tiến hành nghiên
cứu và đã có ứng dụng trong công nghệ
sinh trắc học về nhận dạng vân tay. Và áp
dụng các kết quả thu được vào cơ sở dữ
Hình 1.10 Nghiên cứu vân tay

liệu để nhận dạng các dấu vân tay của tội
phạm.

Hình 1.12 Vân tay

Hình 1.11 Quét các điểm trên vân tay

Hình 1.14 Mã hóa các vân trên vân tay
thành các kí hiệu máy tính

19

Hình 1.13 Phân tích vân tay

Hình 1.15 Máy quét vân tay


Kiến trúc
Vân tay là một trong những đặc điểm đặc trưng của từng người. Mỗi người
đều có một dấu vân tay đặc trưng của riêng mình. Điều này diễn ra như thế
nào?
Trên đầu ngón tay mỗi người dều có những đường vằn nhỏ bởi đặc điểm này
rất có lợi cho tổ tiên loài người, giúp họ dễ cầm nắm các vật dụng. Nhưng vân
tay hoàn toàn ngẫu nhiên. Như mọi thứ trong cơ thể con người, những đường
vân tay là sự kết hợp của sự di truyền và những nhân tố môi trường.
Có ba loại mô hình cơ bản của đường lằn dấu vân tay là những kiến trúc,
vòng lặp, hoàn sinh diệp

Các mô hình kiến trúc. Các mô hình vòng lặp. Các mô hình hoàn sinh diệp
Hình 1.16 Các loại mô hình cơ bản của vân tay
Ngoài ra cũng như mọi bộ phận khác trên cơ thể, các đường vằn này tạo
thành một nhân tố tự nhiên đặc trưng của mỗi người, kể cả đối với những cặp
song sinh giống hệt nhau. Tuy mới nhìn qua, hai vân tay trông có vẻ giống
nhau nhưng một điều tra viên chuyên nghiệp hoặc một phần mềm cao cấp có
thể nhìn thấu sự khác nhau rõ ràng giữa chúng. Tóm lại những vân tay của
những người khác nhau là hoàn toàn khác nhau kể cả sinh đôi.

Đây là ý tưởng cơ bản của hệ thống phân tích vân tay, cả trong việc điều tra
tội phạm và bảo vệ an ninh. Máy quét vân tay có nhiệm vụ thay thế con người
trong việc thu thập mẫu vân tay và so sánh nó với các mẫu khác trong hồ sơ.
Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu cách máy quét thực hiện việc này.

20


1.1.2.2 Nguyên lý hoạt động
Các nhân viên điều tra tội phạm đã biết, mỗi người có vân tay độc nhất vô
nhị. Công nghệ sinh trắc vân tay tạo ra một bản đồ gồm các điểm chính của
đường và vòng xoắn ngón trỏ hoặc ngón cái. Sau đó, nó mã hoá thông tin
thành bit số và byte. Khi người dùng đặt ngón tay của họ trên một máy quét
vân tay, vân tay trực tiếp của họ sẽ được so sánh với bản đồ số. Bản đồ số này
có thể được sử dụng để nhận dạng một người song không thể được biến thành
vân tay thực.

Hình 1.17 Đối chiếu dấu vân tay
1.1.2.2.1 Máy quét quang học
Một hệ thống máy quét quang học có hai nhiệm vụ cơ bản – lấy hình ảnh
ngón tay, và quyết định xem liệu dấu vân tay trong ảnh có khớp với mẫu có
sẵn hay không.
Có nhiều cách khác nhau để lấy hình ảnh ngón tay, trong đó cách phổ biến
nhất là quét quang học và quét điện dung. Cả hai đều đưa ra cùng một hình
ảnh, nhưng bằng hai phương pháp khác nhau hoàn toàn.
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).

21


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.
Trước khi so sánh hình ảnh nhận được với dữ liệu có sẵn, bộ xử lý quét sẽ
đảm bảo rằng hình ảnh thu được đủ rõ 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.
Nếu bộ xử lý cảm thấy hình ảnh đã đủ sắc nét và độ sáng, nó sẽ tiếp tục so
sánh hình ảnh đó với vân tay trong hồ sơ.
1.1.2.2.2 Máy quét điện dung
Cũng như máy quét quang học, máy quét điện dung tạo ra hình ảnh vân tay,
nhưng không phải bằng ánh sáng mà bằng dòng điện.
Biểu đồ hình 18 minh họa một cảm biến điện dung đơn giản, gồm một hoặc
vài chip bán dẫn chứa một mảng gồm nhiều ngăn nhỏ. Mỗi ngăn có hai đĩa
dẫn điện (Comductor Plate), được phủ một lớp cách điện. Mỗi ngăn này nhỏ
hơn chiều rộng của một đường vân trên ngón tay.

22


Hình 1.18 Biểu đồ minh họa một cảm biến điện dung đơn giản
Cảm biến được nối với một mạch điện nối xung quanh một bộ khuếch đại
toán học đảo ngược (Inverting Amplifier) – một thiết bị bán dẫn phức tạp gồm
nhiều transistor, điện trở và tụ điện.
Cũng như các bộ khuếch đại khác, một bộ khuếch đại ngược sẽ thay đổi dòng
điện dựa trên dao động của một dòng điện khác. Trong trường hợp này, bộ
khuếch đại ngược sẽ thay đổi điện áp nguồn dựa trên điện áp tương đối của
hai đầu vào, gọi là đầu đảo ngược và đầu không đảo ngược. Ở đây, đầu không
đảo ngược được nối đất (Non-Inverting Terminal), còn đầu đảo ngược được
nối với nguồn điện áp tham chiếu và một vòng lặp phản hồi. Vòng lặp này
cũng được nối với đầu ra của bộ khuếch đại, bao gồm hai đĩa dẫn điện.
Hai đĩa dẫn điện này hợp thành một tụ điện, có khả năng lưu trữ điện năng.
Bề mặt của ngón tay có vai trò như một tụ điện thứ ba, được ngăn cách bởi
lớp cách điện trong hệ thống ngăn – tức các túi khí trong đường rãnh trên đầu
ngón tay. Khi thay đổi khoảng cách giữa các đĩa tụ điện (bằng cách di chuyển
ngón tay ra xa hoặc gần đĩa dẫn điện) thì khả năng trữ điện của tụ điện cũng
thay đổi theo. Chính vì tính chất này nên tụ điện trong một ngăn nằm trong

23