Nghiên cứu một số kỹ thuật nhận dạng vân tay và ứng dụng

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
..

TRƢỜNG ĐẠI HỌC CNTT VÀ TRUYỀN THÔNG

NGUYỄN THỊ THƢƠNG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ KỸ THUẬT
NHẬN DẠNG VÂN TAY VÀ ỨNG DỤNG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC MÁY TÍNH
MÃ SỐ: 60.48.01

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN VĂN TẢO

THÁI NGUYÊN, THÁNG 9 - 2012


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của cá nhân tơi,
khơng sao chép của ai. Nội dung lý thuyết trong luận văn có sự tham khảo và sử
dụng của một số tài liệu, thông tin được đăng tải trên các tạp chí và các trang
web theo danh mục tài liệu của luận văn. Các số liệu, chương trình và những kết
quả trong luận văn là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ một cơng
trình nào khác.

Thái Ngun, ngày 15 tháng 9 năm 2012
Học viên cao học
Nguyễn Thị Thương

LỜI CẢM ƠN
Sau thời gian học tập, nghiên cứu tại Trường Đại học Công nghệ Thông tin &
Truyền thông – Đại học Thái Ngun tơi đã hồn thành luận văn Thạc sỹ khoa học.
Để hoàn thành được luận văn này tôi đã nhận được rất nhiều sự động viên, giúp đỡ
của nhiều cá nhân và tập thể.
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS.Nguyễn Văn Tảo – người
đã hướng dẫn, chỉ bảo, giúp đỡ và động viên tơi trong suốt q trình làm luận văn
tốt nghiệp.
Tơi xin thể hiện lịng biết ơn tới các thầy, các cô trong trường Đại học Công
nghệ Thông tin & Truyền thông đã trang bị cho tôi những kiến thức bổ trợ, vơ cùng
có ích trong những năm học vừa qua.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phịng Đào tạo
trường Đại học Cơng nghệ Thông tin & Truyền thông đã tạo điều kiện cho tơi trong
q trình học tập.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn Sở Giáo dục Đào tạo Bắc Giang, Trường
THPT Ngô Sĩ Liên Bắc Giang, các đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện, động
viên và giúp đỡ tơi trong suốt thời gian qua.
Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2012
Học viên cao học
Nguyễn Thị Thương


MỤC LỤC
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY
1.1. Giới thiệu.............................................................................................................1
1.1.1. Lịch sử của nhận dạng vân ..............................................................................1
1.1.2. Các ứng dụng của vân tay ...............................................................................2
1.1.3. Các phương pháp sinh trắc...............................................................................3
1.1.4. Các phương pháp đánh giá hiệu quả................................................................5

1.2. Một số đặc điểm trên vân tay..............................................................................6
1.3. Hoạt động của hệ nhận dạng vân tay..................................................................6
1.3.1. Mơ hình của hệ thống tự động nhận dạng vân tay...........................................6
1.3.2. Hoạt động của hệ thống tự động nhận dạng vân tay .......................................9
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG NHẬN DẠNG VÂN TAY
2.1. Một số kỹ thuật nhận dạng................................................................................12
2.1.1. Các kỹ thuật thường dùng..............................................................................12
2.1.2. Xu hướng của cơng nghệ nhận dạng vân tay ................................................13
2.2. Thuật tốn trích chọn đặc trưng .......................................................................14
2.2.1. Thuật tốn trích chọn theo dịng chảy............................................................16
2.2.2. Thuật tốn trích chọn đặc trưng từ ảnh đường vân nhị phân.........................21
2.3. Thuật toán đối sánh vân tay...............................................................................25
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỬ NGHIỆM
3.1. Giới thiệu...........................................................................................................30
3.2. Thiết kế hệ thống...............................................................................................30
3.2.1. Mơ hình chức năng.........................................................................................31
3.2.2. Tính năng u cầu..........................................................................................32
3.3. Thiết kế thuật tốn............................................................................................32
3.3.1. Thuật tốn trích chọn đặc trưng.....................................................................32


3.3.2. Thuật toán đối sánh........................................................................................45
3.4. Thiết kế giao diên chương trình........................................................................54
3.5. Kết quả thực nghiệm.........................................................................................60
3.5.1. Số liệu thử nghiệm.........................................................................................60
3.5.2. Kết quả thử nghiệm thuật tốn trích chọn đặc trưng......................................60
3.5.3. Kết quả thử nghiệm thuật toán đối sánh ........................................................61
Kết luận ...................................................................................................................63
Tài liệu tham khảo....................................................................................................64

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Một số đặc điểm trên vân tay ..................................................................... 6
Hình 1.2. Mơ hình hệ thống tự động nhận dạng vân .................................................7
Hình 1.3. Mơ hình thiết bị cảm biến quang học.........................................................9
Hình 1.4. Mơ hình thiết bị cảm biến bán dẫn...........................................................10
Hình 1.5. Quy trình mã hóa vân tay.........................................................................11
Hình 2.1. Cầu nối trước và sau khi xử lý.................................................................24
Hình 2.2. Gai nhỏ trước và sau khi xử lý.................................................................24
Hình 2.3. Đối chiếu vân tay dựa trên cở sở minutiae ..............................................26
Hình 3.1. Sơ đồ hệ thống nhận dạng vân tay ..........................................................31
Hình 3.2. Các loại vân tay........................................................................................32
Hình 3.3. Sơ đồ thuật tốn trích chọn đặc trưng ....................................................33
Hình 3.4.Tăng cường ảnh.........................................................................................35
Hình 3.5. Ước lượng orientation image...................................................................37
Hình 3.6. Khoanh vùng ảnh vân tay.........................................................................39
Hình 3.7.Thơng số của hai dạng minutiae quan trọng ............................................40
Hình 3.8. Nhị phân hóa và làm mảnh đ
ờng vân ...................................................40
ư
Hình 3.9. Phát hiện điểm đặc trưng .........................................................................41
Hình 3.10. Số minutiae phát hiện được....................................................................43
Hình 3.11. Lọc các minutiae....................................................................................44


Hình 3.12. Các minutiae đ
ợc trích chọn cuối đ
ư
ể tạo mã ......................................45
Hình 3.13. Năm kiểu vân tay trong thực tế .............................................................46

Hình 3.14. Sơ đồ mơ tả thuật tốn phân loại vân tay .............................................47
Hình 3.15. Phương pháp chỉ số Poincaré ................................................................47
Hình 3.16. Lấy đặc tính cho phân loại.....................................................................48
Hình 3.17. Kết quả cây quyết định của bài tốn phân loại kiểu vân........................49
Hình 3.18. Đư
ờng cong sai số kết quả của bài toán phân loại vân tay..................50
Hình 3.19. Khớp mẫu từng đối tượng .....................................................................51
Hình 3.20. Thực hiện matching................................................................................52
Hình 3.21. Kết quả nhận dạng..................................................................................53


MỞ ĐẦU
Để đáp ứng như cầu bảo mật thông tin ngày càng cao, sinh trắc học đã
được đưa vào để tạo ra một phương pháp nhận dạng. Trong số hàng loạt công
nghệ sinh trắc học, nhận dạng vân tay được sử dụng sớm nhất và mang đến
nhiều cơ hội hơn là sử dụng những công nghệ sinh trắc học khác.
Nhận dạng vân tay có thể là phương pháp phức tạp nhất của tất cả công
nghệ sinh trắc và được xác nhận qua nhiều ứng dụng. Nhận dạng vân tay đã
chứng thực một cách đặc biệt về tính hiệu quả cao của nó và là cơng nghệ được
sử dụng nhiều trong ngành điều tra tội phạm hơn một thế kỷ qua.
Thậm chí như dáng đi con người, gương mặt, hoặc chữ ký có thể thay đổi
với thời gian và có thể được làm giả hoặc mô phỏng theo. Tuy nhiên, vân tay là
duy nhất và ít thay đổi theo thời gian. Tính riêng biệt này đã minh chứng rằng
nhận dạng vân tay là chính xác và hiệu quả hơn các phương pháp nhận dạng
khác.
Ngồi ra, vân tay có thể được chụp ảnh lại và được số hóa bằng những
thiết bị giá thành thấp và nén một cách hiệu quả nên chỉ mất một dung lượng
nhỏ để lưu trữ một lượng dữ liệu lớn của thông tin. Với những sức mạnh này,
nhận dạng vân tay là một phần chủ yếu trên thị trường an ninh và tiếp tục cạnh
tranh hơn ở các lĩnh vực khác trên khắp thế giới.

Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu nột số kỹ thuật nhận dạng vân tay và
ứng dụng” mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Nội dung luận văn gồm ba chương:
Chương 1: Tổng quan về nhận dạng vân tay
Chương 2: Một số kỹ thuật trong nhận dạng vân tay
Chương 3: Thiết kế hệ thống thử nghiệm

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



8


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHẬN DẠNG VÂN TAY
1.1. Giới thiệu
1.1.1. Lịch sử của nhận dạng vân tay
Con người đã sử dụng vân tay từ rất xa xưa. Qua các cuộc khai quật khảo
cổ người ta đã tìm thấy các ảnh vân tay trên các vật dụng xưa. Tuy các vật
dụng khảo cổ này đã cung cấp các bằng chứng thiết thực cho thấy rằng người
xưa đã rất lưu tâm đến các đặc trưng duy nhất của ảnh vân tay, nhưng những
quan tâm lúc đó chưa phải là những xem xét mang tính khoa học và hệ thống.
Chỉ cho đến những năm cuối của thế kỉ XVI thì các kỹ thuật của ngành nhận
dạng vân tay hiện đại mới được hình thành. Vào năm 1788, Mayer đã đưa ra
một bản mô tả chi tiết về sự hình thành trên phương diện giải phẫu học của vân
tay, trong đó có một số lượng lớn các đặc tính của đường vân. Purkinje vào năm
1823 đã đưa ra một cơ chế phân lớp ảnh vân tay đầu tiên, cơ chế này cho phép
phân ảnh vân tay vào một trong chín lớp tương ứng với chín dạng cấu trúc
đường vân khác nhau. Vào năm 1864, Nehemiah Grew đã công bố một báo cáo

khoa học đầu tiên nội dung về việc nghiên cứu một cách hệ thống của ông ta về
cấu trúc đường vân, rãnh vân và tuyến mồ hơi trên vân tay. Kể từ đó, một số
lượng lớn các nhà khoa học đã bỏ ra nhiều công sức trong việc nghiên cứu về
vân tay… Vào năm 1880, Henry Fault lần đầu tiên đã gợi ý trên quan điểm
khoa học về tính đặc trưng cho từng người của vân tay dựa trên quan sát của
ông ta. Từ năm 1890, Thomas Bewick đã bắt đầu sử dụng vân tay của ơng như
là một nhãn hiệu đăng kí của ông ta và sự kiện này được xem là một mốc quan
trọng nhất của ngành khoa học nghiên cứu về vân tay. Một bước tiến quan trọng
hơn của 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. Các khám phá này đã đặt những nền móng đầu tiên cho ngành
nhận dạng vân tay hiện đại. Vào cuối thế kỷ XIX, ông Francis galton đã giới
thiệu về các điểm chi tiết đặc trưng. Vào cuối thế kỷ XX, cơ chế hình thành của
vân tay cũng đã được người ta nghiên cứu và hiểu rõ hơn. Từ đó, nhận dạng vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên



9


tay đã được chính thức chấp nhận như là một phương pháp để nhận dạng cá
nhân hiệu quả và là một chuẩn được sử dụng trong các thủ tục pháp lý. Các cơ
sở dữ liệu lưu trữ ảnh vân tay đã được hình thành để thực hiện nhiệm vụ quản lý
nhân thân hoặc tội phạm. Các cơ sở dữ liệu ngày càng lớn dần một cách nhanh
chóng khiến cho nhận dạng và tìm kiếm ảnh vân tay bằng phương pháp thủ
cơng gần như khơng thể thực hiện được vì khơng đáp ứng được yêu cầu, đặc
biệt về mặt thời gian và độ chính xác. Từ đầu năm 1960, các hệ thống nhận
dạng vân tay tự động (Automatic Fingerprint Identification System- AFIS) bắt
đầu được nghiên cứu và phát triển không ngừng. Các hệ thống này đã chứng

minh được hiệu quả của nó trong nhiều lĩnh vực khác nhau có sử dụng kỹ thuật
nhận dạng ảnh vân tay để xác minh nhân thân của một người.
Trong thời gian gần đây, cùng với sự lớn mạnh của xu hướng nối kết điện
tử trong giao dịch và trao đổi thơng tin thì nhu cầu cần có một hệ thống AFIS
đảm nhận chức năng xác thực và bảo mật an toàn đã trở nên cấp thiết. Mở ra
một phạm vi ứng dụng rộng lớn cho các hệ thống nhận dạng vân tay trong
tương lai.
1.1.2. Các ứng dụng của nhận dạng vân tay
Việc nhận dạng cá nhân là sự gắn kết một đặc tính nhận biết cụ thể nào đó
vào một cá nhân và bài tốn của việc tìm ra đặc tính nhận biết của một người có
thể được chia thành hai loại bài tốn với độ phức tạp khác nhau: Xác minh và
nhận dạng. Việc xác minh (xác thực) là chỉ nhằm đến việc xác nhận hoặc từ
chối đối với một yêu cầu cụ thể được đưa ra bởi chính cá nhân u cầu. Cịn
nhận dạng là dạng bài tốn tìm kiếm và xây dựng các đặc tính nhận biết của một
đối tượng. Trong xã hội thông tin điện tử ngày nay cùng với sự gia tăng khơng
ngừng về tính di động, tự động hóa cũng như tầm quan trọng của các giao dịch
trao đổi điện tử thì ứng dụng nhận dạng cá nhân trải trên rất nhiều ngành, lĩnh
vực,…Từ ứng dụng xác thực để bảo vệ truy cập đối với một tài nguyên nào đó,
điều khiển cổng vào ra của các khu vực trọng yếu, bảo mật an tồn trong các
giao dịch tài chính đến các ứng dụng chấm công, quản lý nhân sự, hành
chính,…
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

10




Tuy nhiên nhận dạng và xác thực là những vấn đề rất khó giải quyết, hầu
hết các phương pháp nhận dạng trước đây và ngày nay sử dụng đều theo hướng

đơn giản hóa nó thành bài tốn kiểm tra về sự tồn tại của một yếu tố cụ thể có
liên quan đến người đang xem xét. Các yếu tố điển hình được sử dụng có thể là
sự sở hữu một vật nào đó, chẳng hạn việc xác thực quyền ra vào một tịa nhà
bằng cách kiểm tra sự có hay khơng có chìa khóa để mở cửa tịa nhà đó. Hoặc
yếu tố đó cũng có thể là sự hiểu biết về một điều gì đó, chẳng hạn việc cho phép
hay không cho phép một người truy nhập vào một hệ thống được xác minh bằng
cách kiểm tra tên đăng nhập cùng mật khẩu gắn liền. Các phương pháp cổ điển
này đã cho thấy chúng chứa đựng khá nhiều điểm yếu, đối với phương pháp
kiểm tra sự sở hữu một vật nào đó để chứng minh về nhân thân và quyền hạn
của người sở hữu đã bộc lộ các điểm yếu do các tình huống như vật đó có thể
bị đánh rơi, mất cắp hoặc thất lạc, nếu các tình huống này xảy ra thì xem như
người được ủy quyền sẽ mất đi các quyền hạn được trao, hơn nữa người sở hữu
mới của vật đó có thể xem như là mặc nhiên có những quyền mà cơng tác xác
thực bảo vệ.
1.1.3. Các phƣơng pháp sinh trắc
Ngày nay, tuy một số phương pháp nhận dạng cá nhân mới vẫn còn ở mức
độ đơn giản hóa thành bài tốn kiểm tra sự tồn tại của một yếu tố, tuy nhiên
dạng yếu tố được sử dụng là các đặc tính gắn liền một cách vật lý đối với mỗi
người. Các đặc tính này có thể là đặc trưng sinh lý của người như là vân tay,
mống mắt,… hoặc đặc trưng hành vi của mỗi người như giọng nói, chữ ký,…
Phương pháp nhận dạng một cá nhận dựa vào các đặc trưng sinh lý hành vi của
người như thế được gọi là sinh trắc. Ưu điểm nổi bật của của phương pháp này
so với các phương pháp cổ điển được nêu ở trên là nó khơng thể bị thất lạc hoặc
qn mất; nó đại diện một cách hiển nhiên và rõ ràng về nhân thân của một
người. Các đặc tính sinh lý hoặc hành vi của một người được sử dụng để làm
chủ thể của sinh trắc đều phải có thuộc tính sau:
 Mang tính phổ thơng, nghĩa là ai cũng có đặc tính này.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

11




 Mang tính duy nhất, điều này nghĩa là sẽ khơng có hai người có cùng nội
dung của một đặc tính.
 Mang tính ổn định và bền vững, nghĩa là đặc tính đó sẽ khơng bị thay đổi
theo thời gian.
 Có thể thu thập, điều này nghĩa là đặc tính có thể định lượng.
 Khơng có một phương pháp sinh trắc đơn lẻ nào thỏa mãn một cách hiệu
quả mọi yêu cầu của tất cả các ứng dụng nhận dạng cá nhân. Mỗi phương
pháp sinh trắc đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng và thường chỉ
thích hợp với một số ứng dụng nhận dạng cụ thể. Các kỹ thuật sinh trắc
hiện đang được ứng dụng là:
 Giọng nói: giọng nói là đặc tính của mỗi cá nhân. Tuy nhiên nó khơng
mang đủ tính duy nhất để xác định về một người trên diện rộng. Đồng
thời tín hiệu của giọng nói có thể dễ dàng bị biến đổi bởi các yếu tố về
thiết bị hoặc sức khỏe, tâm trạng của người khi nói.
 Khn mặt: đây là một trong những phương pháp được sử dụng rộng rãi
vì đây là cách mà con người sử dụng để nhận dạng một người. Nhưng nó
cũng vẫn phải đối mặt với nhiều thách thức bởi nó địi hỏi phải có khả
năng thích ứng với thay đổi trên gương mặt người theo thời gian, sự biểu
cảm, hoặc sự thay đổi về tư thế khi thu nhận hình ảnh của khn mặt.
 Mống mắt: Đây được coi là duy nhất cho từng người và từng mắt.
Phương pháp này có tỉ lệ lỗi nhỏ nhất trong q trình xác thực và hiện
nay đang khơng ngừng được nghiên cứu và phát triển.
 Chữ ký: Chữ ký tên của một người được biết như là một đặc trưng của
người đó. Chữ ký là một phương pháp sinh trắc được chấp nhận sử dụng
cho việc xác thực một người từ rất lâu rồi, nó được ứng dụng trong các

văn bản hành chính, giao dịch pháp lý. Tuy nhiên chữ ký của một người
cũng có thể thay đổi theo tâm trạng, sức khỏe, thời gian và chữ ký cũng
rất có thể bị giả dạng một cách dễ dàng.
 Vân tay: Vân tay là các đường vân có trên ngón tay của mỗi người và nó
khơng thay đổi theo thời gian. Người ta đã tin rằng vân tay là đặc tính
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

12




duy nhất của từng người. Vân tay là một trong những phương pháp sinh
trắc quan trọng đã được sử dụng từ rất lâu trong các vấn đề về pháp lý và
điều tra tội phạm. Nó đã được nghiên cứu và phát triển trong một thời
gian dài, ngày nay nó cũng đang là một trong những chủ đề nghiên cứu
của nhiều nhà khoa học nhằm nâng cao độ chính xác và tin cậy cho công
tác xác thực và phục vụ thiết yếu hơn cho nhu cầu của cuộc sống ngày
càng hiện đại.
Ngồi các phương pháp trên cịn có một số phương pháp sinh trắc khác
cũng đang được nghiên cứu và phát triển như nhận dạng qua chuỗi DNA, nhận
dạng qua dáng đi của một người, đã nêu ở trên,…
1.1.4. Các phƣơng pháp đánh giá hiệu quả
Để đánh giá một hệ thống nhận dạng vân tay, người ta có thể dùng một hệ
đơn vị đo phân bố mật độ các giá trị kết quả trả về từ hệ thống dựa trên hai tập
dữ liệu thuộc nhóm người thật và nhóm người giả danh. Mỗi dữ liệu của từng
người trong nhóm có thể nhận một trong hai giá trị kết quả trả về là đúng hoặc
sai. Tổng hợp kết quả trên hai nhóm ta có bốn khả năng sau:
a) Người thật được chấp nhận
b) Người thật bị từ chối

c) Người giả danh được chấp nhận
d) Người giả danh bị từ chối.
Trong đó có hai khả năng a và d trả về kết quả của hệ thống là đúng, hai khả
năng còn lại cho biết hệ thống quyết định sai.
Về nguyên tắc, chúng ta có thể sử dụng các thơng số tỉ lệ chấp nhận sai
(False Acceptance Rate – FAR), tỉ lệ từ chối sai (False Reject Rate- FRR)
và tỉ lệ lỗi cân bằng đánh giá là phụ thuộc rất nhiều vào tập dữ liệu thử nghiệm
nên nó khơng thể cho biết độ chính xác khách quan của hệ thống mà nó chỉ có ý
nghĩa so sánh trong một môi trường thử nghiệm nhất định. Tuy nhiên có thể đưa
ra một kết quả đánh giá cuối cùng được chính xác và khách quan thì tập dữ liệu
thử nghiệm đòi hỏi phải thỏa mãn các yêu cầu như sau: tập dữ liệu phải đủ lớn
để có thể biểu diễn một cách đầy đủ các khả năng tồn tại của các ảnh vân tay và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

13




tập dữ liệu phải có sự phân bố đều giữa các yếu tố độ tuổi, giới tính, chủng
tộc,…

1.2. Một số đặc điểm trên vân tay.
Để lưu trữ thông tin về vân tay, một số khái niệm về các điểm đặc biệt
(minutiae points) trên vân tay đã được đưa ra. Những điểm này cũng cung cấp
thông tin quan trọng cho việc phân loại và so khớp vân tay.

Hình 1.1. Một số đặc điểm trên vân tay
 Điểm Delta: Là những điểm ở góc trái hoặc phải phía dưới đốt
ngón tay được bao bởi các đường vân hình tam giác

 Điểm Island: Những đường vân ngắn xuất hiện tại chỗ rẽ nhánh
của các đường vân
 Điểm Ridge Ending: Điểm cuối của đường vân
 Điểm Pore: Những lỗ nhỏ nằm rất đều trên đường vân
 Điểm Crossover: Điểm giao của 2 đường vân tay
 Điểm Core: Điểm trung tâm, thường nằm giữa ngón tay và được
bao quanh bởi những đường xốy, vịng hoặc cung ở tâm ngón
 Điểm Bifurcation: Điểm rẽ nhánh
1.3. Hoạt động của hệ nhận dạng vân tay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

14




1.3.1. Mơ hình của hệ thống tự động nhận dạng vân tay
Về cơ bản, một hệ thống tự động nhận dạng vân tay có mơ hình xử lý như
hình 1.2. Nó bao gồm 4 thành phần :

Hình 1.2. Mơ hình hệ thống tự động nhận dạng vân tay


Giao diện sử dụng



Hệ thống cơ sở dữ liệu



Hệ thống các mô đun mã hố vân tay



Hệ thống các mơ đun thẩm định.

Giao diện sử dụng cung cấp những phương tiện, cơ chế cho phép người sử
dụng có thể đưa vân tay vào trong hệ thống. Ngoài việc cập nhật vân tay, giao
diện cịn cho phép người sử dụng cập nhật các thơng tin cá nhân như họ tên,
ngày sinh...
Hệ thống cơ sở dữ liệu bao gồm tập hợp các bản ghi, mỗi bản ghi lưu trữ
thông tin một cá nhân bao gồm các thông tin về nhân thân như họ tên, ngày
sinh... và những thông tin chi tiết về vân tay đã được mã hố.
Mơ đun trích chọn có nhiệm vụ nạp thông tin người sử dụng và vân tay vào
cơ sở dữ liệu. Khi một ảnh vân tay và các thông tin của người sử dụng được thu
nhận, thuật tốn trích chọn đặc trưng vân tay được áp dụng đối với ảnh vân tay
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

15




và lấy ra các mẫu đã được trích chọn (mã hoá vân tay). Thuật toán kiểm tra chất
lượng được sử dụng để đảm bảo rằng các bản ghi trong hệ thống cơ sở dữ liệu
chứa các vân tay trong tình trạng tốt (chất lượng cao). Nếu một ảnh vân tay có
chất lượng thấp, nó được tự động cải thiện nhằm tăng độ rõ nét cấu trúc của các
đường vân và đường thung lũng cũng như lọc ra tất cả các vùng không thể phục
hồi được. Trong trường hợp xấu nhất, có thể hệ thống phải yêu cầu lấy lại mẫu

vân tay.
Nhiệm vụ của mô đun thẩm định là nhằm xác định tính hợp pháp của một
cá nhân có ý định truy nhập vào hệ thống. Hình ảnh vân tay của cá nhân truy
nhập sau khi được trích chọn đặc trưng được so sánh với cơ sở dữ liệu đã được
thiết lập từ trước để đưa ra kết luận là cá nhân đó truy nhập có hợp pháp hay
khơng?
Hệ thống tự động nhận dạng vân tay cần phải thoả mãn hai yêu cầu đặt ra :
Một là hệ thống phải tự động so sánh hai vân tay và đưa ra quyết định rằng
hai vân tay có đúng là một hay khơng. (Hai mẫu vân tay có phải thu nhận cùng
từ một ngón tay hay khơng).
Hai là hệ thống phải áp dụng các kỹ thuật có ý nghĩa cải tiến nhằm tăng khả
năng phân loại và nhận biết một số lượng lớn trong thời gian tìm kiếm ngắn
nhất và độ chính xác cao nhất.
Theo yêu cầu thứ nhất đặt ra, đòi hỏi mỗi vân tay thu nhận được phải có cơ
chế mã hố như thế nào đó để có thể phân biệt được với các vân tay khác. Còn
yêu cầu thứ hai đó là tốc độ tìm kiếm. Một cách tổ chức cơ sở dữ liệu thơng
thường đó là tổ chức tìm kiếm song song.
Về cơ bản, một hệ thống kiểm soát truy nhập bằng vân tay có thể coi là một
hệ thống tự động nhận dạng vân tay thu nhỏ. Tuy nhiên để hệ thống kiểm sốt
truy nhập có ý nghĩa, thì hệ thống chỉ làm việc với các vân tay sống (vân tay
được thu nhận bằng thiết bị thu nhận vân tay sống) còn hệ thống tự động nhận
dạng vân tay có thể thu nhận vân tay từ nhiều nguồn: từ thiết bị thu nhận vân
tay sống, camera, scanner...
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

16

Bất kỳ 1 hệ nhận dạng vân tay nào cũng bao gồm các hoạt động:
 Thu nhận dấu vân tay
 Mã hoá vân tay
 Xử lý nâng cấp chất lượng vân tay
 Đối sánh 2 vân tay
 Tổ chức CSDL
1.3.2. Hoạt động của hệ thống tự động nhận dạng vân tay
1.3.2.1. Thu nhận dấu vân tay
– Phương pháp quét bằng scanner
Vân tay được lăn trên giấy, sau đó dùng máy scanner để quét ảnh và lưu trữ
vào máy
Nhận xét: phương pháp cho chất lượng vân tay thu được kém nên cần có
q trình xử lý nâng cấp chất lượng ảnh trước khi lưu trữ.
– Phương pháp thu nhận vân tay sống
Dùng thiết bị cảm biến quang học hoặc dùng thiết bị cảm biến bán dẫn
Mô tả hoạt động: thiết bị cảm biến quang học:

Hình 1.3. Mơ hình thiết bị cảm biến quang học
Khi một ngón tay được đặt trên bề mặt của kính thu, các đường vân tiếp xúc
trực tiếp với kính, trong khi các phần lõm (thung lũng) khơng tiếp xúc. Tia sáng
lazer rọi vào kính với một góc nào đó, và một camera được đặt tương ứng thu
được ánh sáng phản chiếu. Do sự tiếp xúc trực tiếp của đường vân và khơng
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

17




trực tiếp của đường thung lũng mà ảnh vân tay thu được tương ứng với màu đen

là đường vân và màu trắng tương ứng với đường thung lũng.

Hình 1.4. Mơ hình thiết bị cảm biến bán dẫn
Thiết bị cảm biến bán dẫn đo dung lượng điện giữa bề mặt tiếp xúc của thiết
bị và mặt da, sau đó chuyển nó thành ảnh. Nếu người sử dụng đặt ngón tay lên
mặt tiếp xúc của thiết bị thì các đường vân sẽ ở sát bề mặt tiếp xúc hơn các
đường lõm. Khi đó, do khoảng cách từ đường vân đến bề mặt tiếp xúc ngắn hơn
nên dung lượng tích điện là cao hơn.
Ảnh của vân tay có thể bắt được bằng việc sắp xếp các tín hiệu thu được từ
một dãy các cảm biến trên bề mặt thiết bị bán dẫn. Thiết bị loại này nhỏ và nhẹ
hơn, nhưng nó dễ bị hư hại bởi những chất hóa học như muối có trên da người
do nó được làm bằng silic nên dễ vỡ. Để hạn chế bất lợi này, bề mặt tiếp xúc
thường được bọc. Việc phát triển những chất liệu bọc tốt là nhiệm vụ quan
trọng hàng đầu mà các nhà sản xuất thiết bị cảm nhận bán dẫn phải đối mặt.
1.3.2.2. Mã hoá vân tay
Một đặc điểm của hệ thống tự động nhận dạng vân tay hoặc hệ thống kiểm
soát truy nhập là:
 Thông thường đối với hệ thống nhận dạng vân tay, vân tay thu nhận
để lưu trữ trong cơ sở dữ liệu là các vân tay đầy đủ (tức là lăn từ cạnh trái
sang cạnh phải của mỗi ngón tay) và vân tay tra cứu đơi khi chỉ là một
phần của ngón tay (như vân tay thu nhận được từ hiện trường là một ví
dụ).
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

18




 Trong khi đó đối với hệ kiểm sốt truy nhập, thì vân tay lưu trữ và

vân tay tra cứu đều cùng được lấy từ một thiết bị và thông thường chỉ lấy
một phần giữa của ngón tay.
 Qui trình mã hố vân tay được mơ tả trong hình 1.5
Từ một ảnh vân tay thu nhận được, sau một loạt các quá trình xử lý chúng
ta thu nhận được một tập các điểm đặc trưng của mỗi vân tay. Các tập đặc trưng
này bao gồm các điểm trạc ba và điểm kết thúc như trong hình 1.5 sẽ là đặc
trưng cho mỗi một vân tay. Bên cạnh đó có các điểm đặc trưng đặc biệt như tâm
vân tay và điểm chạc ba của vân tay. Có nhiều phương pháp để mã hố các tập
điểm đặc trưng. Ví dụ: mã hố mỗi điểm đặc trưng được đại diện bằng bốn
tham số là toạ độ tương đối theo trục X và Y, góc quay xác định hướng của
đường vân và độ cong của đường vân.

Hình 1.5. Quy trình mã hóa vân tay
Đối với một vân tay thu nhận được, cần phải tiến hành theo 5 bước sau để
có thể trích chọn đặc trưng của vân tay:
a. Xác định hướng đường vân
b. Tách đường vân
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

19




c. Làm mảnh đường vân
d. Loại bỏ các điểm đặc trưng nhiễu
e. Xác định đặc trưng toàn cục của vân tay

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

20




CHƢƠNG 2
MỘT SỐ KỸ THUẬT TRONG NHẬN DẠNG VÂN TAY
2.1. Một số kỹ thuật nhận dạng
2.1.1. Các kỹ thuật thƣờng dùng
Cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử - tin học, việc
ứng dụng nhận dạng sinh trắc học vào việc kiểm soát truy nhập ngày nay đã trở
nên tương đối phổ biến và ngày càng được các nhà khoa học hoàn thiện, nhằm
đưa tới người sử dụng những sản phẩm ổn định, chính xác, hiệu quả và linh
động trong mơi trường làm việc. Bởi vì đặc điểm sinh trắc học không thể bị
quên (giống như Password) và cũng không thể bị phân chia hoặc đặt nhầm chỗ
(như chìa khố), nên chúng được coi như những gì có thể tin cậy được, để xác
thực, chứng minh tính hợp pháp của một cá nhân. Tuy nhiên vì việc triển khai
cơng nghệ này trên diện rộng cịn địi hỏi chi phí khá cao nên nó mới chỉ là giải
pháp lý tưởng ở những nơi có yêu cầu khắt khe về bảo mật.
Nhận dạng vân tay, hình dáng bàn tay, giọng nói, võng mạc, mống mắt và
khn mặt là những phương pháp nhận dạng sinh học thường được sử dụng hơn
cả, nhưng chúng không phải là duy nhất. Các phương pháp đặc biệt như nhận
dạng ADN hay chữ viết cũng được sử dụng trong trường hợp đòi hỏi độ an tồn
tuyệt đối về bảo mật, chẳng hạn kiểm sốt việc tiếp cận hệ thống phóng tên lửa.
Tại Việt Nam, các sản phẩm nhận dạng sinh trắc học đã bắt đầu xuất hiện,
bước đầu đó là các thiết bị bảo mật máy tính bằng vân tay hoặc là được tích hợp
ln trên các máy tính xách tay hoặc là thiết bị hoạt động độc lập như các thiết
bị của hãng DELSY, COMPAQ... Hầu hết các sản phẩm này được đóng gói
hồn chỉnh, người sử dụng chỉ có thể sử dụng chúng với các chức năng đã có
sẵn, hầu như khơng thể mở rộng phát triển theo các ứng dụng khác của người sử

dụng. Một số công ty phần mềm trong nước đã chọn lĩnh vực xử lý và nhận
dạng ảnh làm chiến lược phát triển như: Công ty Phần mềm tự động hoá thiết kế
CadPro với sản phẩm CadPro FIS, Trung tâm Công nghệ phần mềm E15 với
sản phẩm FIS-E15, …
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

21




Phương pháp truyền thống nhận dạng vân tay dựa trên phân loại theo cơng
thức “Gaton-Henry” mà cơng cụ chính là kính lúp và cây bút chì đã tồn tại hơn
một thế kỷ. Phương pháp này từ khi ra đời đã được hầu hết cảnh sát các nước
trên thế giới áp dụng trong việc truy nguyên hình sự nhằm khám phá tội phạm.
Tuy nhiên phương pháp thủ công này bộc lộ nhiều thiếu sót khó đáp ứng nhu
cầu xử lý vân tay ngày càng tăng. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của kỹ
thuật điện tử - tin học, những năm gần đây, hầu hết các nước tiên tiến trên thế
giới đã nghiên cứu ứng dụng máy tính trong việc nhận dạng vân tay phục vụ
cơng tác đấu tranh phịng chống tội phạm, còn được gọi là hệ thống tự động
nhận dạng vân tay.
2.1.2. Xu hƣớng của công nghệ nhận dạng vân tay
Cơng nghệ sinh trắc học (biometrics technology) cịn khá mới mẻ ở Việt
Nam. Tuy nhiên, trên thế giới công nghệ này đã bắt đầu thể hiện tiềm năng ứng
dụng rộng rãi và ưu việt trong nhiều lĩnh vực, trong đó nổi trội nhất là vấn đề an
ninh, bảo mật. Vấn đề này ngày càng có tầm quan trọng lớn mà Việt Nam
khơng thể đứng ngồi cuộc. Do vậy, một số công nghệ sinh trắc học đã và đang
được giới khoa học- công nghệ trong nước quan tâm và nghiên cứu.
Một thực tế không thể phủ nhận là xã hội ngày càng được kết nối chặt chẽ
và rộng khắp, với đủ loại công nghệ và thiết bị phức tạp như Internet, mạng

điện thoại di động, RFID, các bộ cảm biến, thương mại điện tử... Điều này giúp
cho bất kỳ ai có thể truy cập bất cứ thơng tin gì từ bất cứ đâu và vào bất kỳ lúc
nào; cũng đồng nghĩa với việc các thông tin cá nhân ngày càng gắn kết vào môi
trường mạng.
Từ khá lâu nay, kỹ thuật lưu trữ thông tin cá nhân và nhận dạng cá nhân chủ
yếu vẫn dựa vào một trong hai hoặc cả hai phương pháp chính là vật sở hữu
(thẻ, con dấu, chìa khố...) và mã cá nhân (mật khẩu, mã số PIN...). Những
phương pháp này có hạn chế cố hữu là có thể bị thất lạc, bị mất cắp, bị giả mạo,
bị quên...

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

22




Để vượt qua những hạn chế trên, các nhà nghiên cứu đã tìm ra hướng kết
hợp cơng nghệ sinh trắc học vào công nghệ thông tin, để giúp nhận dạng và xác
thực cá nhân một cách hiệu quả, an toàn, dựa trên những đặc điểm sinh lý và
hành vi. Những kỹ thuật sinh trắc học phổ biến nhất, hiện đang được nghiên cứu
và ứng dụng rộng rãi, bao gồm nhận dạng giọng nói, khn mặt, chữ ký, vân
tay, trịngmắt và mới đây nhất là tĩnh mạch lòng bàn tay. Trong số này, ba kỹ
thuật đầu có hiệu quả thấp bởi giọng nói thì bị ảnh hưởng bởi sức khoẻ của
người nói và tiếng ồn xung quanh; khn mặt có thể bị hố trang và ảnh hưởng
bởi ánh sáng; cịn chữ ký thì ngay cả chủ nhân cũng khó có thể ký giống hệt
nhau mỗi lần. Kỹ thuật nhận dạng bằng trịng mắt có độ chính xác cao, nhưng
chi phí đầu tư cũng rất cao và đặc biệt có hạn chế khi sử dụng tại Châu Á bởi đa
phần người dân ở đây có trịng mắt nhỏ. Kỹ thuật nhận dạng vân tay hiện đang
được sử dụng phổ biến nhất, nhưng có nhược điểm là ngón tay phải tiếp xúc với

máy, nhanh chóng gây bẩn lên bề mặt và khiến máy nhanh xuống cấp. Do vậy
xu hướng của công nghệ nhận dạng vân tay thể hiện ở các yêu cầu:
 Xây dựng các thuật tốn nhận dạng tối ưu (cơng thức vân tay, độ chính
xác, tốc độ truy xét…).
 Cứng hố thành các sản phẩm chuyên dụng ứng dụng hiệu quả vào cuộc
sống.
 Tăng cường giảm giá thành và chi phí.
 Ứng dụng rộng rãi.
2.2. Thuật tốn trích chọn đặc trƣng
Trích chọn đặc trưng là q trình trích rút các đặc trưng đại diện cho
ảnh vân tay, được gọi là các chi tiết đặc trưng, từ ảnh vân tay. Các đặc trưng
đại diện này u cầu phải có thuộc tính là khả năng bảo tồn tính đặc thù để
phân biệt có trong ảnh vân tay, đồng thời phải có tính cơ đọng, hỗ trợ chặt chẽ
cho quá trình đối sánh, và ít bị tác động bởi nhiễu hoặc sai lệch trong ảnh vân
tay, ngồi ra cịn u cầu phải tính tốn.
Một mẫu các chi tiết đặc trưng sẽ tạo nên một sự đại diện hiệu quả và
đúng đắn cho một ảnh vân tay. Hiện nay người đã xác định được gần 150 loại
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

23




chi tiết đặc trưng, tuy nhiên phần lớn trong số chúng là khơng ổn và rất khó
nhận diện. Chỉ có hai loại đặc trưng cơ bản được sử dụng trong hầu hết các
trường hợp là điểm kết thúc và điểm chạc ba. Mỗi loại trong số chúng sẽ có các
thuộc tính như tọa độ x và tạo độ y, và hướng. Thông thường trên một ảnh vân
tay chất lượng tốt sẽ có khoảng 50- 100 điểm chi tiết đặc trưng.
Một thuật tốn trích chọn chi tiết đặc trưng phải vừa tin cậy và hiệu quả.

Tính tin cậy của thuật tốn thể hiện bằng các yếu tố:
- Không tạo ra các chi tiết đặc trưng giả
- Khơng bỏ sót các chi tiết đặc trưng thật.
- Khả năng định vị vị trí và xác định hướng của chi tiết đặc trưng một cách
chính xác.
Đảm bảo tính tin cậy của thuật tốn là một thử thách rất khó khăn. Vì
khơng phải tất cả các ảnh vân tay đầu vào đều có chất lượng tốt mà có một số
đáng kể trong đó có chất lượng ảnh trung bình hoặc thấp, trong các ảnh này cấu
trúc của đường vân cùng rãnh vân tại nhiều khu vực khơng được định nghĩa rõ
ràng và chính xác vì thế rất dễ tạo ra các sai lầm dẫn đến một số lượng thuật
toán giả được tạo ra, đồng thời một số chi tiết đặc trưng thật khác lại bị bỏ sót.
Vì vậy đối với một thuật tốn tốt thì cần khả năng thích ứng trong các tình
huống có cấu trúc đường vân không rõ ràng hoặc bị sai.
Đối với thuật toán nhận dạng vân tay tự động, yếu tố thời gian xử lý cũng
đóng một vai trị rất quan trọng và nhất là hệ thống xác minh hoạt động theo cơ
chế thời gian thực. Yếu tố này bảm đảm cho tính ứng dụng đúng đắn của chính
các hệ thống đó.
Ảnh vân tay là một mẫu dạng các dịng chảy, vì thế hướng cục bộ của
đường vân có thể cung cấp một số thông tin rất quan trọng về tổ chức của các
đường vân. Bằng cách kết hợp với thông tin hướng cục bộ một cách đúng đắn,
hiệu quả của thuật tốn có thể được nâng lên một cách rõ rệt. Trong báo cáo này
em sẽ trình bày về thuật tốn trích chọn đặc trưng theo dịng chảy và mã hóa nhị
phân.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

24

2.2.1. Thuật tốn trích chọn đặc trƣng theo dịng chảy
2.2.1.1. Ý tƣởng
Đầu tiên, đối với ảnh vân tay đầu vào, hướng cục bộ của đường vân sẽ được
ước lượng và vùng xử lý ảnh sẽ được xác định. Các đường vân được trích chọn
từ ảnh vân tay sau khi đã loại bỏ hết các vết đốm nhỏ và được làm mảnh để thu
về đường vân có độ rộng là một điểm ảnh. Cuối cùng, các chi tiết đặc trưng sẽ
được trích chọn từ các đường vân đã được làm mảnh và hiệu chỉnh bằng cách
sử dụng Heuristic.
2.2.1.2. Thuật toán
Cho một ảnh vân tay mức xám I được định nghĩa như là một ma trận N  N,
trong đó I(i,j) đại diện cho cường độ điểm ảnh tại hàng i cột thứ j. Một trường
định hướng O được định nghĩa như là một ma trận N  N, trong đó O(i,j) đại
diện cho giá trị hướng cục bộ của đường vân tại điểm ảnh (i,j). Hướng cục bộ
đường vân thường được xác định cho từng khối hơn là cho từng điểm ảnh riêng
lẻ; một ảnh được chia thành nhiều khối có kích thước w  w sao cho các khối
khơng phủ lấp nhau và một giá trị hướng đơn sẽ được xác định cho từng khối.
Ảnh vân tay G đã được chuẩn hóa, là một ảnh nhị phân N  N, trong đó
G(i,j)= 1 cho biết điểm ảnh (i,j) là một điểm thuộc đường vân và ngược lại
G(i,j)= 0 cho biết điểm ảnh đó khơng thuộc đường vân. Một đường vân trong
ảnh là một thành phần liên thông kết nối tám điểm lân cận với nhau. Một đường
vân mảnh sẽ có độ rộng là một điểm ảnh
*Tính trƣờng định hƣớng
Hướng của ảnh là sự kết hợp của đường vân và rãnh vân trong một vùng lân
cận cục bộ. Bằng cách xem ảnh vân tay như là một bố cục có định hướng thuật
tốn dưới đây cho phép tính giá trị theo phương pháp bình phương trị trung bình
tối thiểu.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

25