Nghiên cứu phương pháp tăng cường chất lượng ảnh vân ta

i

BẢN CAM ĐOAN
Tên tôi là: Trần Thị Thuận
Lớp: Cao học Công nghệ thông tin K10A
Khoá học: 2011 - 2013
Chuyên ngành: Khoa học máy tính
Mã số chuyên ngành: 60 48 01
Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông
Thái Nguyên
Giáo viên hướng dẫn: PGS.TS Ngô Quốc Tạo
Cơ quan công tác: Trường Đại học Sư phạm Kỹ Thuật Nam Định
Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung được trình bày trong bản luận văn
này là kết quả tìm hiểu và nghiên cứu của riêng tôi, trong quá trình nghiên
cứu luận văn “Nghiên cứu phương pháp tăng cường chất lượng ảnh vân
tay” các kết quả và dữ liệu được nêu ra là hoàn toàn trung thực. Mọi thông tin
trích dẫn đều được tuân theo luật sở hữu trí tuệ, có liệt kê rõ ràng các tài liệu
tham khảo.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm với những nội dung được viết trong
luận văn này.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 07 năm 2013
HỌC VIÊN

TRẦN THỊ THUẬN


ii

LỜI CẢM ƠN
Luận văn được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin và
Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên dưới sự hướng dẫn của thầy PGS. TS

Ngô Quốc Tạo.
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới thầy PGS. TS Ngô
Quốc Tạo - Viện Công nghệ thông tin, người đã tận tình hướng dẫn giúp đỡ
để em hoàn thành tốt luận văn của mình.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô giáo Trường Đại học
Công nghệ Thông tin và Truyền Thông - Đại học Thái Nguyên, cùng các thầy
cô giáo đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá
trình học tập tại trường cũng như quá trình làm luận văn này.
Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, các đồng nghiệp
những người đã động viên, giúp đỡ và tạo điều kiện cho em trong quá trình
học tập và hoàn thành luận văn.

Thái Nguyên, ngày 18 tháng 07 năm 2013
HỌC VIÊN

TRẦN THỊ THUẬN


iii

MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................1
Hình 1.1:Quá trình xử lý ảnh............................................................................................5
Hình 1.2: Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh...................................................5
[

5

Hình 1.3. Sinh trắc học thông dụng:..................................................................................8
(a) DNA, (b) tai, (c) mặt, (d) thân nhiệt mặt,thân nhiệt tay, (f) tĩnh mạch tay, (g) vân tay, (h)

dáng đi, (i) đặc trưng hình học bàn tay, (j) mống mắt, (k) chỉ tay, (l) võng mạc, (m) chữ ký,
(n) giọng nói....................................................................................................................8
Hình 1.4: Mẫu ảnh vân tay: lằn màu đen, lõm màu trắng..................................................10
Hình 1.5: Khung hình phản ánh các loại lằn....................................................................10
Hình 1.6. Các kiểu vân tay theo định nghĩa của Henry.....................................................11
Hình 1.7. Mô hình tổng quát của một hệ tự động nhận dạng vân tay.................................13
ảnh đầu vào để thu được ảnh đầu ra tốt............................................................................13
Hình 1.8. Các ảnh vân tay thu được theo các phương pháp khác nhau..............................15
Hình 1.9. Cấu tạo cơ bản của thiết bị quét ảnh vân tay sống..............................................16
Hình 1.10. Các đặc trưng tổng thể ảnh vân tay.................................................................18
Hình 1.11. Các điểm đặc trưng cục bộ............................................................................19
Hình1.12.Đối sánh 2 ảnh vân tay dựa trên các điểm đặc trưng và hướng...........................20
Hình 1.13. Các hướng khác nhau của các cặp điểm đặc trưng...........................................21
Hình 1.14. Ảnh vân tay có chất lượng kém và rất kém.....................................................24
Hình 1.15. Phân ngưỡng sang ảnh nhị phân sẽ mất mát thông tin......................................25
CHƯƠNG 2: LỌC ẢNH VÂN TAY DỰA TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN ......................26
VÀ MIỀN TẦN SỐ.......................................................................................................26
Hình 2.1. Sơ đồ thuật toán tăng cường ảnh vân tay nhiều bước.........................................28
Hình 2.2: Ảnh vân tay trong miền không gian và miền tần số ..........................................29
Hình 2.3: Sơ đồ các bước lọc ảnh sử dụng biến đổi Fourier rời rạc....................................31
Hình 2.4. Kết quả của quá trình chuẩn hoá ảnh.................................................................33
Hình 2.6. Ảnh hướng vân tay được tính trên một lưới 16x16............................................39


iv

Ước lượng tần số đường vân ......................................................................41
Hình 2.8. Kết quả của quá trình tách hướng đường vân cục bộ.........................................43
Hình 2.11. Kết quả của việc làm mảnh ảnh của ảnh đã được nhị phân...............................50
3.1. Giới thiệu.........................................................................................................54

3.2. Các thuật toán được mô phỏng.......................................................................54

3.2.1.Mở ảnh...............................................................................................54
3.2.2.Chuẩn hóa ảnh....................................................................................55
3.2.3.Lọc Gabor...........................................................................................56
3.2.4.Nhị phân hóa......................................................................................57
3.2.5.Xem ảnh xương..................................................................................58
3.2.6.Xem đặc trưng....................................................................................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................59
1. Kết luận..............................................................................................................59
2. Kiến nghị............................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................60


v

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
LỜI NÓI ĐẦU................................................................................................................1
Hình 1.1:Quá trình xử lý ảnh............................................................................................5
Hình 1.2: Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh...................................................5
[

5

Hình 1.3. Sinh trắc học thông dụng:..................................................................................8
(a) DNA, (b) tai, (c) mặt, (d) thân nhiệt mặt,thân nhiệt tay, (f) tĩnh mạch tay, (g) vân tay, (h)
dáng đi, (i) đặc trưng hình học bàn tay, (j) mống mắt, (k) chỉ tay, (l) võng mạc, (m) chữ ký,
(n) giọng nói....................................................................................................................8
Hình 1.4: Mẫu ảnh vân tay: lằn màu đen, lõm màu trắng..................................................10
Hình 1.5: Khung hình phản ánh các loại lằn....................................................................10

Hình 1.6. Các kiểu vân tay theo định nghĩa của Henry.....................................................11
Hình 1.7. Mô hình tổng quát của một hệ tự động nhận dạng vân tay.................................13
ảnh đầu vào để thu được ảnh đầu ra tốt............................................................................13
Hình 1.8. Các ảnh vân tay thu được theo các phương pháp khác nhau..............................15
Hình 1.9. Cấu tạo cơ bản của thiết bị quét ảnh vân tay sống..............................................16
Hình 1.10. Các đặc trưng tổng thể ảnh vân tay.................................................................18
Hình 1.11. Các điểm đặc trưng cục bộ............................................................................19
Hình1.12.Đối sánh 2 ảnh vân tay dựa trên các điểm đặc trưng và hướng...........................20
Hình 1.13. Các hướng khác nhau của các cặp điểm đặc trưng...........................................21
Hình 1.14. Ảnh vân tay có chất lượng kém và rất kém.....................................................24
Hình 1.15. Phân ngưỡng sang ảnh nhị phân sẽ mất mát thông tin......................................25
CHƯƠNG 2: LỌC ẢNH VÂN TAY DỰA TRÊN MIỀN KHÔNG GIAN ......................26
VÀ MIỀN TẦN SỐ.......................................................................................................26
Hình 2.1. Sơ đồ thuật toán tăng cường ảnh vân tay nhiều bước.........................................28
Hình 2.2: Ảnh vân tay trong miền không gian và miền tần số ..........................................29
Hình 2.3: Sơ đồ các bước lọc ảnh sử dụng biến đổi Fourier rời rạc....................................31
Hình 2.4. Kết quả của quá trình chuẩn hoá ảnh.................................................................33
Hình 2.6. Ảnh hướng vân tay được tính trên một lưới 16x16............................................39


vi

Ước lượng tần số đường vân ......................................................................41
Hình 2.8. Kết quả của quá trình tách hướng đường vân cục bộ.........................................43
Hình 2.11. Kết quả của việc làm mảnh ảnh của ảnh đã được nhị phân...............................50
3.1. Giới thiệu.........................................................................................................54
3.2. Các thuật toán được mô phỏng.......................................................................54

3.2.1.Mở ảnh...............................................................................................54
3.2.2.Chuẩn hóa ảnh....................................................................................55

3.2.3.Lọc Gabor...........................................................................................56
3.2.4.Nhị phân hóa......................................................................................57
3.2.5.Xem ảnh xương..................................................................................58
3.2.6.Xem đặc trưng....................................................................................58
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................................59
1. Kết luận..............................................................................................................59
2. Kiến nghị............................................................................................................59
TÀI LIỆU THAM KHẢO.............................................................................................60


1

LỜI NÓI ĐẦU
Đã từ rất lâu, con người đã lưu tâm đến đặc tính duy nhất của vân tay,
nhưng sự quan tâm này chưa mang tính khoa học và hệ thống. Chỉ cho đến
cuối thế kỷ 16 thì các kỹ thuật của ngành nhận dạng vân tay hiện đại mới
được hình thành. Vào năm 1864, Nehemiah Grew đã công bố một báo cáo
khoa học đầu tiên về các cấu trúc đường vân, rãnh vân và tuyến mồ hôi
trên vân tay. Kể từ đó, có một số lượng lớn các nhà khoa học đầu tư vào
lĩnh vực này. Năm 1788, Mayer đã đưa ra một bản mô tả chi tiết về sự
hình thành vân tay trên cơ sở giải phẩu học, và đã có một số lượng lớn
các đặc tính của đường vân được nhận biết và định tính. Năm 1809,
Thomas Bewick đã bắt đầu sử dụng vân tay như là một nhãn hiệu đăng
ký và sự kiện này được xem là một trong những cột mốc quan trọng nhất
của ngành khoa học nghiên cứu về vân tay. Năm 1823, Purkinje đã đưa ra
một cơ chế phân lớp ảnh vân tay đầu tiên, cho phép phân loại ảnh vân tay
vào một trong chín lớp tương ứng với chín dạng cấu trúc đường vân khác
nhau. Năm 1880, Henry Fault lần đầu tiên gợi ý trên quan điểm khoa học
về tính đặc trưng cho từng người của vân tay dựa trên sự quan sát của
ông. Các khám phá này đã đặt những nền móng đầu tiên cho ngành nhận

dạng vân tay hiện đại. Vào cuối thế kỷ 19, ông Francis Galton đã giới thiệu
về các điểm chi tiết đặc trưng. Một bước tiến quan trọng hơn trong ngành
nhận dạng vân tay đã được thực hiện vào năm 1899 bởi Edward Henry,
ông đã xây dựng nên “Hệ thống Henry” nhằm thực hiện việc phân lớp các
ảnh vân tay. Vào đầu thế kỷ 20, cơ chế hình thành của vân tay cũng đã
được người ta nghiên cứu và hiểu rõ. Từ đó, nhận dạng vân tay đã được
chính thức chấp nhận như là một phương pháp để nhận dạng cá nhân có
hiệu quả và là một chuẩn được sử dụng trong các thủ tục pháp lý.


2

Từ thế kỷ 18, vân tay được xem như là một phương thức hữu hiệu nhất để
định danh con người. Cho đến nay, để quản lý công dân của mình, hầu hết các
nước đã định ra các hệ thống thẻ căn cước, mà thực chất đó là những hệ thống
thông tin quản lý con người, lấy vân tay làm khóa. Các vấn đề xử lý và nhận
dạng ảnh vân tay tự động gọi tắt là AFIS đã được quan tâm từ thập niên 1970,
và đến 1980 có một số kết quả đối sánh tự động ảnh vân tay nhưng vẫn còn ở
mức đối sánh bình thường chưa quan tâm đến các cấu trúc đặc biệt của mẫu
vân tay. Năm 1989, trên thế giới xuất hiện các phương pháp phân tích, trích
chọn, và đối xánh mẫu vân tay dựa vào cấu trúc các điểm chi tiết. Và đến nay,
thế giới đã xuất hiện các phần mềm xử lý và nhận dạng ảnh vân tay tự động
như: SAGEM, MORPHO, NEC, HORUS,… Tuy nhiên, giá thành của các
phần mềm này rất đắt, hàng triệu USD.
Ở nước ta, trong những năm qua đã có những thành công nổi bật trong
trong lĩnh vực này. Năm 1992, có luận văn “biểu diễn và đồng nhất tự
động đường nét” của phó tiến sĩ Nguyễn Ngọc Kỷ. Tác giả đã đề xuất một
số phương pháp xử lý và đối sánh mẫu vân tay chủ yếu dựa vào đối sánh
cấu trúc các điểm đặc trưng, đã được ứng dụng trong thực tế và có hiệu
quả đáng kể. Trong hội nghị toàn quốc lần thứ ba về tự động hóa vào tháng

4 năm 1998, Ngô Tứ Thành đã trình bày thuật toán tự động xác định điểm
đặc trưng dựa vào dòng chảy đường vân, và thuật toán đối sánh tuần tự
các điểm đặc trưng của mẫu vân tay. Tháng 11 năm 1999, GSTS.
Hoàng Kiếm cùng các cộng sự (khoa CNTT_KHTN) đã công bố kết quả
ứng dụng mạng nơron để nhận biết các đường vân cơ bản. Tháng 12 năm
1999, thạc sĩ Trần Trung Dũng (Khoa điện tử viễn thông_ĐHBKHN)
cũng công bố việc ứng dụng mạng nơron tự động để tìm nhân và delta
trong vân tay. Với các công trình nghiên cứu này có thể ứng dụng để phân
loại mẫu vân tay tự động, rút ngắn thời gian đối sánh mẫu cũng như tăng


3

hiệu suất nhận dạng mẫu vân tay. Tháng 12 năm 1999, TS. Nguyễn Cao
Thắng đưa ra một phương pháp trích chọn đặc trưng mới và chứng minh
được độ tin cậy của các đặc trưng này. Và gần đây nhất, tháng 1 năm
2000, thiếu tá Ngô Tứ Thành đã đề xuất phương pháp tra cứu công thức
vân tay hiện trường theo phương pháp “Henry_Thanh”. Phương pháp này
được phát triển dựa trên phương pháp cơ bản của Henry là đối sánh mười
mẫu vân tay để xác định chính xác một người. Trong trường hợp ảnh hiện
trường lấy về không đủ mười mẫu, tác giả đề xuất công thức để bù lắp
vào những mẫu khiếm khuyết để dựa vào đó tiến hành đối sánh như đối
sánh mười mẫu vân tay cơ sở.
Vân tay được đặc trưng hóa bởi các đặc trưng toàn cục và cục bộ. Đặc
trưng toàn cục bao gồm bản đồ hướng lằn, vị trí core và delta. Những điểm
đặc trưng như điểm kết thúc lằn, điểm rẽ đôi lằn,… là những đặc trưng cục
bộ. Sự ước tính hướng lằn cục bộ và tần số lằn cục bộ là một vai trò quan
trọng trong những giai đoạn con của hệ thống vân tay. Bản đồ hướng
được sử dụng trong quá trình nâng cao chất lượng ảnh, xác định những
điểm đơn, xử lý đặc trưng vào giao đoạn cuối và phân loại vân tay. Bản đồ

tần số lằn cục bộ có ý nghĩa trong việc nâng cao chất lượng ảnh vân tay.
Phần lớn các hệ thống nhận dạng vân tay online hay offline như AFIS,…
thì không dùng đến lằn và lõm mà dùng đến đặc trưng là những điểm
không bình thường trên lằn như điểm kết thúc lằn, điểm rẽ đôi lằn, delta,
core,…. Trong số những loại đặc trưng, có hai loại có ý nghĩa nhất và được
sử dụng nhiều nhất đó là đặc trưng kết thúc lằn, đó là điểm kết thúc lằn và
đặc trưng rẽ đôi nhánh, là điểm trên lằn mà tại đó có hai nhánh được rẽ ra.
Trong bài luận văn, tôi không có tham vọng đưa ra một mô hình lý
thuyết hay cài đặt một hệ AFIS hoàn chỉnh, mà chỉ tập trung nghiên cứu xử
lý ảnh một cách có hệ thống, cùng với những nghiên cứu, sưu tập và thử


4

nghiệm của chính mình nhằm tìm ra một mô hình thuật toán ứng dụng
những kỹ thuật xử lý ảnh vào xử lý ảnh vân tay. Mục tiêu đạt đến là tăng
cường chất lượng ảnh đầu vào và tạo điều kiện tốt cho quá trình trích chọn
đặc trưng và nhận dạng sau này.
Dựa trên mục tiêu đã xác định, nội dung của luận văn sẽ được trình bày
qua 3 chương như sau:
Chương 1. Trình bày tổng quan về xử lý ảnh và hệ thống vân tay.
Chương 2. Trình bày về một số kỹ thuật tăng cường chất lượng ảnh vân tay.
Chương 3. Trình bày chương trình mô phỏng một số kỹ thuật tăng
cường chất lượng ảnh vân tay
Kết luận và những kiến nghị về hướng phát triển.
Do thời gian và trình độ còn hạn chế nên luận văn khó tránh khỏi
những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp, chỉ bảo của các thầy
giáo, cô giáo và các bạn đồng nghiệp.
Cuối cùng, tác giả xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy
giáo PGS. TS Ngô Quốc Tạo - Viện Công nghệ thông tin, Viện Khoa học và

Công nghệ Việt Nam đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ, khích lệ tác giả
trong suốt quá trình làm luận văn. Đồng thời, tác giả xin chân thành cảm ơn
các thầy cô trong trường ĐH CNTT & TT Thái Nguyên đã tạo điều kiện
thuận lợi, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này.


5

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ XỬ LÝ ẢNH, HỆ THỐNG VÂN TAY
1.1.

Giới thiệu về xử lý ảnh
Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng

vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần
cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều
ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ họa đóng một vai trò quan trọng
trong tương tác người máy.
Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào
nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh
có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận.

Hình 1.1:Quá trình xử lý ảnh
Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh được xem là
đăc trưng cường độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối
tượng trong không gian và nó có thể xem như một hàm n biến.

Hình 1.2: Các bước cơ bản trong một hệ thống xử lý ảnh

[


6

1.2.

Giới thiệu về hệ thống nhận dạng sinh trắc học.

1.2.1. Giới thiệu chung.
Nhận dạng sinh trắc học đề cập đến việc sử dụng các đặc tính hành vi và
thể chất (ví dụ: vân tay, gương mặt, chữ ký…) có tính chất khác biệt để nhận
dạng một người một cách tự động.
Trong các tổ chức, cở sở hành chính, khoa học… luôn có nhu cầu kiểm
tra và trả lời các câu hỏi: “một người có được quyền vào và sử dụng các thiết
bị hay không”, “một cá nhân có quyền truy cập thông tin mật”…
Người ta nhận thấy các đặc trưng sinh trắc không thể dễ dàng bị thay thế,
chia sẻ hay giả mạo…, chúng được xem là đáng tin cậy hơn trong nhận dạng
một người so với các phương pháp truyền thống trước đây như: dựa vào tri
thức (knowledge-based): mật khẩu, số định danh cá nhân PIN… hay là dựa
trên các thẻ bài (token-based): hộ chiếu, thẻ ID…
Nhận dạng sinh trắc ngày càng cung cấp mức độ an toàn cao hơn, tính
hiệu quả cao hơn, và càng thuận tiện cho người dùng. Vì vậy, các hệ thống
sinh trắc đang được triển khai và thử nghiệm ngày càng nhiều trong các khu
vực quản lý thuộc chính phủ (chứng minh thư, bằng lái xe…), khu vực dân
sinh (thẻ thông minh, đăng nhập mạng máy tính,…).
Nhiều công nghệ sinh trắc đã và đang được phát triển, một số chúng
đang được sử dụng trong các ứng dụng thực tế. Các đặc trưng sinh trắc
thường được sử dụng là giọng nói, ảnh khuôn mặt, ảnh mống mắt, ảnh vân
tay… đang thu hút được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học. Tuy nhiên,

trong các phương pháp bảo mật bằng các đặc trưng sinh trắc học trên thì
phương pháp dùng ảnh vân tay là một phương pháp được biết đến từ lâu và
được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực định danh cá nhân tự động ngày càng tỏ
ra hiệu quả nhất.


7

1.2.2. Hệ thống nhận dạng sinh trắc học.
Nhận dạng sinh trắc học, ý muốn nói đến việc định danh một cá nhân
dựa trên các đặc trưng về hành vi (behavioral) cũng như cấu trúc vật lý
(physiological) của một cá nhân nào đó, mà có khả năng tin cậy và phân biệt
được giữa một người với kẻ mạo danh.
Như vậy các phương pháp nhận dạng sinh trắc học có thể chia thành
hai loại chính, đó là: Phương pháp nhận dạng dựa trên hành vi và phương
pháp nhận dạng dựa trên các cấu trúc vật lý của con người.
Đối với phương pháp dựa trên hành vi là cố gắng xác định một vài
hành vi ngắn điển hình của người dùng, vídụ như dùng viết khi viết hay hành
vi ấn phím trên bàn phím để nhập mã PIN, mật khẩu . . . , còn phương pháp
dựa trên cấu trúc vật lý là dựa vào một số tính chất vật lý để xác định cá nhân
người dùng, ví dụ như: ảnh vân tay, ảnh mống mắt, ảnh bàn tay . . .
Để các đặc trưng sinh trắc học được ứng dụng trong nhận dạng, định
danh cá nhân thì nó phải thoả mãn các tính chất sau đây:
• Tính duy nhất (Uniqueness)
• Tính bất biến theo thời gian (Invariance to Time)
• Tính đo được (Mesuarability)
• Tính phổ biến (Univerality)
1.3. Hệ thống vân tay.
1.3.1. Tổng quan về vân tay
Trong đời sống hằng ngày, con người thường dùng các đặc tính của cơ

thể để nhận dạng nhau như mặt, giọng nói, cử chỉ, dáng điệu,…. Các đặc
tính đó gọi là các đặc tính sinh trắc học.
Mọi đặc tính vật lý, hành vi đều có thể dùng làm đặc tính nhận dạng
trong các hệ thống sinh trắc học nếu thỏa các tính chất sau:
- Phổ biến: mọi người đều có.


8

- Riêng biệt: khác nhau đối với hai người khác nhau.
- Vĩnh cửu: bất biến theo thời gian.
- Có thể thu thập được: đo được một cách định lượng.

Tuy nhiên trong các hệ thống sinh trắc học thực tế thì còn có ba nhân tố
khác được xem xét:
- Hiệu suất thi hành: độ chính xác, tốc độ, tài nguyên đòi hỏi.
- Khả năng chấp nhận: vô hại đối với con người.
- Bảo mật, an toàn: độ bền vững trước các phương pháp gian lận, tấn công.

Một số đặc tính sinh trắc học thông dụng: DNA, tai, mặt, thân nhiệt mặt,
thân nhiệt tay, tĩnh mạch tay, vân tay, dáng đi, đặc trưng hình học bàn
tay, móng mắt, cách bấm phím, mùi cơ thể, chỉ tay, võng mạc, chữ ký,
giọng nói.

Hình 1.3. Sinh trắc học thông dụng:
(a) DNA, (b) tai, (c) mặt, (d) thân nhiệt mặt,thân nhiệt tay, (f) tĩnh mạch
tay, (g) vân tay, (h) dáng đi, (i) đặc trưng hình học bàn tay, (j) mống
mắt, (k) chỉ tay, (l) võng mạc, (m) chữ ký, (n) giọng nói.

9

Bảng 1.1: Bảng so sánh các kĩ thuật trên đặc tính sinh trắc học
Hệ thống nhận dạng sinh trắc học có rất nhiều ứng dụng trong thực tế như:
- Thương mại: đăng nhập mạng máy tính, an toàn dữ liệu điện tử,

e- commerce, ATM, thẻ tín dụng, PDA, điện thoại di động, ...
- Chính phủ: chứng minh nhân dân, bằng lái xe, bảo hiểm xã hội,

kiểm soát biên giới, kiểm soát passport, ...
- Pháp y: nhận diện tử thi, nhận diện tội phạm, nhận diện khủng bố,

xác định quan hệ huyết thống, ...
Trong các hệ thống nhận dạng sinh trắc học thì có rất nhiều hệ thống sử
dụng vân tay để nhận dạng, đặc biệt là các ứng dụng pháp lý và chính phủ
như nhận dạng tử thi, nhận dạng tội phạm, chứng minh thư, ...
Vân tay là mẫu đặc trưng của một ngón tay. Mọi người đều có vân tay
và là duy nhất, bất biến với thời gian. Một vân tay bao gồm nhiều lằn và
lõm.


10

Hình 1.4: Mẫu ảnh vân tay: lằn màu đen, lõm màu trắng
Hình 1.5 là khung hình phản ánh về các loại lằn mà chúng ta thường
gặp trong mẫu ảnh vân tay.

Hình 1.5: Khung hình phản ánh các loại lằn

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.