Báo cáo nghiên cứu khoa học Nhận dạng vân lòng bàn tay sử dụng đặc trưng mã hướng phân biệt

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN  
BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC  
NHẬN DẠNG VÂN LÒNG BÀN TAY SỬ DỤNG  
ĐẶC TRƯNG MÃ HƯỚNG PHÂN BIỆT  
Giảng viên hướng dẫn: TS. Văn Thiên Hoàng  
Sinh viên thực hiện:  
Phạm Thị Quỳnh – 91011801415  
Phạm Nguyễn Hữu Phương – 81011801420  
TP. Hồ Chí Minh, 2020  
 
MỤC LỤC  
i
3.3 Phương pháp (2D)2LDA ..........................................................................46  
ii  
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT  
Từ viết  
tắt  
STT  
Tiếng Anh  
Ý nghĩa tiếng Việt  
1
2
MFRAT  
Modified Finite Radon Transform  
Biến đổi radon hữu hạn  
GridLDA Grid Linear Discriminant Analysis  
Phân tích phân biệt tuyến tính  
Mã định hướng phân biệt mạnh  
mẽ  
3
RDORIC  
Robust Discriminant Orientation Code  
4
5
LLDP  
Local line directional pattern  
Mẫu định hướng đường cục bộ  
Mô hình đa hướng cục bộ  
LMDP  
two-directional two-dimensional linear phân tích phân biệt tuyến tính hai  
6
(2D)2LDA  
discriminant analysis  
chiều  
7
EER  
Tỷ lệ lỗi bằng nhau  
Equal Error Rate  
8
SIFT  
Quy mô biến đổi tính năng  
Phát triển khối dựa trên Keypoint  
Mô hình nhị phân cục bộ  
Mã cạnh tranh thưa thớt  
Mạng lưới thần kinh kết hợp  
Kích thước mở rộng  
Scale Invariant Feature Transform  
KeyPoint based Block Growing  
Local Binary Pattern  
9
KPBG  
LBP  
10  
11  
12  
13  
SMCC  
PCNN  
HEBD  
Sparse Multiscale Competitive Code  
Pulse coupled neural network  
Horizontally Expanded Blanket  
Dimension  
Mô hình suy giảm tiêu cự  
14  
15  
GDDM  
FAR  
Gaussian defocus degradation model  
False Accepted Rate  
Gaussian  
Tỷ lệ lỗi được chấp nhận  
iii  
 
Từ viết  
tắt  
STT  
Tiếng Anh  
Ý nghĩa tiếng Việt  
phân tích phân biệt tuyến tính hai  
chiều  
Two-dimensional linear discriminant  
analysis  
16  
17  
18  
19  
2DLDA  
LDP  
Mô hình định hướng cục bộ  
Local Directional Patterns  
Enhanced local directional pattern  
Local directional number  
Mô hình định hướng cục bộ nâng  
ELDP  
LDN  
cao  
Số hướng địa phương  
iv  
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ  
vi  
 
Hình 2.6 13 x 13 MFRAT theo các hướng 00, 150, 300, 450,600, 750, 900; 1050, 1200, 1350,  
750, 900; 1050, 1200, 1350, 1500 và 1650 ..............................................................................35  
vii  
ii  
MỞ ĐẦU  
Tính cấp thiết đề tài  
Ngày nay, với sự cải thiện vượt bật của nền kinh tế thế giới, tấn công mạng và  
đánh cắp thông tin người dùng diễn ra ngày một tăng. Dẫn đến tầm quan trọng của  
việc bảo mật thông tin được quan tâm hàng đầu. Nhiều phương thức bảo mật được  
đưa ra như sử dụng mật khẩu, thẻ từ, … để bảo vệ hồ sơ cá nhân hoặc dữ liệu cá nhân.  
Có trường hợp các mật khẩu, thẻ từ có thể bị mất bởi chính người dùng hoặc bị các  
tổ chức, cá nhân đánh cắp. Việc nhận dạng bằng sinh trắc học có độ bảo mật cao, và  
nó luôn đi liền với người dùng. Phương pháp nhận dạng này ngày càng được ưa  
chuộng và dần thay thế các phương pháp bảo mật truyền thống như mật khẩu và tin  
nhắn.  
Sinh trắc học là một công nghệ dựa trên việc nhận dạng cá nhân bằng cách sử dụng  
các phương thức nhận dạng khác nhau của con người (vân tay, mống mắt, khuôn mặt,  
vân lòng bàn tay) hoặc là các cử chỉ, hành vi (giọng nói, chữ ký). Sinh trắc học được  
ứng dụng ở hai lĩnh vực quan trọng trong cuộc sống hằng ngày của chúng ta như giúp  
xác định danh tính của một người và nhận dạng cá nhân.  
Việc nhận dạng sinh trắc học phải đáp ứng độ chính xác, tốc độ và bảo mật tuyệt  
đối, an toàn cho người dùng và hạn chế tối đa việc tấn công từ bên ngoài vào hệ thống  
nhận dạng. Tính năng sinh trắc học được sử dụng rộng rãi nhất là dấu vân tay và  
mống mắt. Tuy nhiên, rất khó để trích xuất các chi tiết nhỏ có tính phân biệt cao. Mặt  
khác các thiết bị để nhận diện các tính năng sinh trắc học trên rất đắt tiền. Các đặc  
điểm sinh trắc học khác như khuôn mặt và giọng nói kém chính xác hơn và chúng có  
thể dễ dàng bị đánh lừa. Vân lòng bàn tay là một tính năng sinh trắc học tương đối  
mới, có một số lợi thế với các phương pháp sinh trắc học khác hiện có [1]. Với các  
yếu tố như là độ ổn định cao, nhiều đặc điểm nhận diện, tính vĩnh cửu, và đặc biệt là  
độ tin cậy tuyệt đối.  
1
   
Vân lòng bàn  
tay  
Mống mắt  
Khuôn mặt  
Vân tay  
Chữ ký  
DNA  
Hành vi  
Giọng nói  
Một số phương pháp sinh trắc học khác nhau  
Mục đích nghiên cứu  
Mục đích nghiên cứu của đề tài là kết hợp và phát triển thuật toán biểu diễn, rút  
trích đặt trưng vân lòng bàn tay với độ chính xác cao và tốc độ so khớp với khoảng  
thời gian tối ưu nhất. Thuật toán nhận dạng vân lòng bàn tay sẽ được minh họa cụ thể  
qua phần mềm chấm công nhân viên trong một công ty từ 100 đến 200 nhân viên.  
Đối tượng nghiên cứu  
Đối tượng nghiên cứu là vân lòng bàn tay người, các kỹ thuật xử lý và rút trích đặt  
trưng vân lòng bàn tay. Thực nghiệm trên cơ sở dữ liệu chuẩn Poly U để đánh giá  
tính hiệu quả của phương pháp được nghiên cứu trong đề tài và so sánh với các  
phướng pháp nghiên cứu liên quan khác nhau.  
Phạm vi nghiên cứu  
Đề tài tập trung làm việc nghiên cứu các phương pháp rút trích đặt trưng vân lòng  
bàn tay.  
Thực nghiệm minh họa thông qua ứng dụng chấm công nhân viên trong một công  
ty từ 100 đến 200 nhân viên.  
2
     
Phương pháp nghiên cứu  
Đề tài này chúng tôi kết hợp thuật toán rút trích đặc trưng LLDP và phương pháp  
tách lớp tuyến tính (2D)2LDA để áp dụng phát triển phương pháp nhận diện vân lòng  
bàn tay với độ chính xác cao và thời gian nhận diện thấp.  
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài  
Trong lịch sử, các ứng dụng sinh trắc học chủ yếu được các cơ quan chức năng  
dùng để kiểm soát truy cập quân sự, nhận dạng tội phạm hoặc dân sự theo pháp luật.  
Ngày nay, sinh trắc học được ứng dụng rộng rãi các lĩnh vực như ngân hàng, bán  
lẻ, di động… để cho thấy lịch ích thực sự của sinh trắc học.  
Sinh trắc học được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sau:  
- Nhận dạng tội phạm/ nghi phạm  
- Quân sự (nhận dạng kẻ thù/ đồng minh)  
- Nhận dạng khách du lịch, người di cư, hành khách  
- Nhân dạng chủ sở hữu, người dùng  
- Nhận dạng người tiêu dùng, khách hàng  
Cấu trúc đề tài  
Cấu trúc đề tài gồm 5 chương  
Chương 1: Tổng quan  
- Giới thiệu về sinh trắc học, khó khăn và thử thách nhận diện vân lòng bàn tay,  
mô hình hệ thống vân lòng ban tay và các bước được thực hiện như thế nào.  
Giới thiệu một số phương pháp rút trích đặt trưng trong nhận diện vân lòng  
bàn tay  
Chương 2: Các nghiên cứu liên quan:  
- Trình bày các hướng tiếp cận rút trích đặc trưng vân lòng bàn tay và các hướng  
tiếp cận liên quan để xử lý anh để rút trích các đặt trưng bất biến, không ổn  
định có tính phân biệt cao như: như MFRAT, các phương pháp biểu diễn cục  
3
     
bộ như GridLDA, RDORIC, LLDP, LMDP. Dựa vào các phương pháp này,  
đề ra hướng tiếp cận về thuật toán xử lý vân lòng bàn tay của chúng tôi.  
Chương 3: Phương pháp đề xuất  
- Chương này chúng tôi giới thiệu mô hình phương pháp đề xuất, các thuật toán  
áp dụng và phương pháp như LLDP. (2D)2LDA và phương pháp đề xuất của  
chúng tôi. Sau đó đưa ra ví dụ minh họa thuật toán phương pháp đề xuất  
Chương 4: Kết quả thực nghiệm  
- Chương này đưa ra dẫn chứng kết quả thực nghiệm của phương pháp thông  
qua nhiều kích cỡ ảnh khác nhau. Sau đó so sánh với các phương pháp liên  
quan như RDORIC, LLDP trên cơ sở dữ liệu PolyU  
Chương 5: Kết luận và kiến nghị  
- Đưa ra kết luận nghiên cứu trong đề tài này, những gì đã làm được trong đề  
tài này đóng góp cho bài toán nhận dạng vân lòng bàn tay, đồng thời đưa ra  
hướng phát triển trong tương lai  
4
CHƯƠNG 1  
TỔNG QUAN  
1.1 Giới thiệu  
Sinh trắc học là xác minh danh tính cá nhân dựa trên các đặc điểm sinh học của  
người đó. Nó được chia thành hai loại, loại thứ nhất là các đặc điểm vật lý được sử  
dụng phổ biến nhất như mống mắt, vân tay, khuôn mặt, vân lòng bàn tay … và loại  
thứ hai là các đặc điểm, hành vi của con người ít được sử dụng đến như đi bộ, giọng  
nói, chữ ký. Những đặc điểm vật lý và hành vi cho phép nhận dạng con người được  
gọi là phương thức sinh trắc học.  
Sinh trắc học thiết lập một liên kết vật lý giữa một cá nhân với danh tính người  
dùng và nó định danh cho người dùng nên việc nhận dạng thông qua hệ thống sinh  
trắc học đáng tin cậy hơn so với các cách truyền thống như mật khẩu, mã PIN. Tuy  
nhiên, hệ thống sinh trắc học có một số hạn chế như tốc độ nhận dạng chậm và hệ  
thống nhận dạng có khi sai sót. Mặc dù các phương pháp bảo mật truyền thống có  
nhiều rủi ro về bảo mật như bị mất hoặc giả mạo nhưng phương pháp này có hiệu quả  
100%. Nếu mật khẩu chính xác, phản hồi của hệ thống là chính xác, còn ngược lại thì  
hệ thống phản hồi là sai. Tuy nhiên, cho đến nay, các hệ thống sinh trắc học đã không  
hoàn toàn chính xác 100% bởi vì nó còn phụ thuộc vào các đặc điểm nhận dạng và  
dữ liệu sinh trắc học giữa hai mẫu khác nhau.  
Vân lòng bàn tay được thể hiện bởi một số đặc điểm được phân thành ba loại:  
đường chính, nếp nhăn, đường vân và chi tiết nhỏ như trong hình 1.1. Cần lưu ý rằng  
các đường chính và nếp nhăn có thể được trích xuất từ độ phân giải nhỏ hơn 100 dpi,  
trong khi các đường vân và chi tiết nhỏ có thể được trích xuất từ độ phân giải 400  
dpi. Ưu điểm của những đặc điểm này là chúng độc đáo và bất biến theo thời gian.  
5
   
Hình 1.1 Các đặc trưng vân lòng bàn tay với độ phân giải cao và độ phân giải thấp [2]  
Các đường chính là những đường rõ ràng nhất tương ứng với các nếp gấp uốn cong  
của bàn tay. Ba nếp gấp nổi bật có thể được quan sát thấy ở phần lớn lòng bàn tay có  
tên là nếp nhăn ngang, nếp nhăn ngang gần và nếp nhăn xuyên tâm.  
Các nếp nhăn của lòng bàn tay mỏng hơn và không đều so với các đường chính  
chính vì vậy tạo nên một mô hình ngẫu nhiên làm tăng tính độc đáo của vân lòng bàn  
tay. Trên thực tế, vân lòng bàn tay chứa một số lượng lớn các nếp nhăn ổn định theo  
thời gian.  
Các đường vân của lòng bàn tay là những đường mỏng nhất và đều đặn nhất và  
các đường này giống với các nếp nhăn của dấu vân tay. Hình dạng của các nếp nhăn  
khác nhau từ người này sang người khác, vì các đường vân này thể được coi là một  
đường cong hoặc là các đường song song được xử lý.  
Các chi tiết vụn vặt là các điểm được định vị trên sự thay đổi liên tục của các đường  
vân. Trên thực tế, các đường này là những đặc trưng được sử dụng phổ biến nhất  
trong nhận dạng vân tay nhờ độ tin cậy của chúng.  
Bài toán nhận dạng vân lòng bàn tay có thể được ứng dụng rộng rãi trong thực  
tế trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Các ứng dụng liên quan đến bài toán này có thể  
liệt kê như sau:  
+ Hệ thống quản lý việc ra vào trong một đơn vị: giám sát việc ra vào của nhân  
viên, chấm công và phát hiện người lạ.  
6
 
+ Các hệ thống E-Comerce: quản lý việc giao dịch trực tuyến, không đòi hỏi  
người dùng phải nhớ các thông tin như: username, password, PIN, … mà vẫn đảm  
bảo hiệu quả và an toàn thông tin cao.  
+ Các hệ thống truy tìm, xác định một người nào đó thông qua dấu vết là vân  
lòng bàn tay thu nhận được.  
Nhận dạng vân lòng bàn tay là bài toán nhận dạng mẫu trực quan. Bài toán nhận  
dạng này thường được phân chia cơ bản thành hai dạng bài toán là chứng thực  
(Verification) và định danh (Identification). Trong bài toán xác thực sẽ cho biết bạn  
có phải là người mà bạn yêu cầu được chứng thực hay không. Bài toán định danh sẽ  
cho biết bạn là ai trong số những người mà hệ thống biết (thông qua quá trình huấn  
luyện) hoặc là một người khác lạ, tương ứng với ảnh vân lòng bàn tay đầu vào.  
1.2 Những khó khăn trong bài toán nhận dạng vân lòng bàn tay  
Nhận dạng vân lòng bàn tay có nhiều ưu điểm như dễ sử dụng, thân thiện với người  
dùng, không yêu cầu về chất lượng phần cứng cao để lấy mẫu và phương pháp xử lý  
tương đối đơn giản. Tuy nhiên, có việc nhận dạng đôi khi không có kết quả chính xác  
tuyệt đối là do một số yếu tố sau:  
Điều kiện của việc thu nhận ảnh: dữ liệu sinh trắc học thu được có thể bị nhiễu  
hoặc bị bóp méo, các biến thể (như ánh sáng kém hoặc việc thu nhận bị nhiễu) có thể  
gây ra việc nhận dạng không chính xác trong cơ sở dữ liệu.  
Tấn công giả mạo: hệ thống sinh trắc học dễ bị tấn công giả mạo trong đó đặc  
điểm sinh trắc học có thể được bắt chước hoặc giả mạo. Ví dụ, dấu vân tay bằng cao  
su có thể được sử dụng để giả mạo. Ngoài ra, các đặc điểm sinh trắc học ít phân biệt  
cũng dễ bị tấn công như vậy.  
Sự ảnh hưởng của thời gian: do vân lòng bàn tay của con người có những biến  
đổi theo thời gian như: thay đổi các đặc trưng về vân, bề mặt vân bị nhăn, từ đó làm  
cho các đặc trưng trên vân lòng bàn tay cũng bị thay đổi theo làm ảnh hưởng đến độ  
chính xác của việc nhận dạng.  
7
 
Sự xuất hiện hoặc thiếu một số thành phần trên vân lòng bàn tay: các thành  
phần như: sẹo, vết thương, nốt ruồi, …Vấn đề này càng làm cho bài toán khó khăn  
hơn nhiều.  
Thay đổi trong lượng cơ thể: Sự gia tăng hay giảm trọng lượng cơ thể cũng có  
thể ảnh hưởng đến hình dáng hình học của bàn tay.  
Tư thế: vân lòng bàn tay có thể được chụp từ xa, do đó, tư thế, góc nhìn của ảnh  
có thể bị lệch. Vì vậy, trong đề tài này chỉ giới hạn xét những ảnh vân lòng bàn tay là  
ảnh xám và được chụp trực diện với tư thế đặt bàn tay và kích thước cố định.  
1.3 Mô hình nhận dạng vân lòng bàn tay  
Một mô hình chung của hệ thống nhận dạng tay được minh họa trong Hình 1.2. Để  
đảm bảo xác minh người dùng, cần có năm bước bao gồm thu nhận hình ảnh, tiền xử  
lý, rút trích đặt trưng, so khớp và kết quả. Mỗi bước được mô tả trong các tiểu mục  
sau.  
Hình 1.2 Mô hình hệ thống nhận dạng vân lòng bàn tay  
1.3.1 Thu nhận ảnh  
Việc thu thập vân lòng bàn tay có thể được thực hiện bằng cách đặt lòng bàn tay  
trực tiếp lên bề mặt của thiết bị máy quét thương mại hoặc trước một thiết bị như  
webcam hoặc máy ảnh kỹ thuật số mà không cần tiếp xúc trực tiếp trên thiết bị thu  
thập vân lòng bàn tay. Các nghiên cứu trước đây đề xuất tích hợp các chốt để cố định  
vị trí của lòng bàn tay. Tuy nhiên, các nghiên cứu khác đã chứng minh sau đó rằng  
việc sử dụng các chốt cố định có thể tạo ra sự biến dạng của lòng bàn tay và hạn chế  
vị trí của lòng bàn tay. Vì những lý do này, các thiết bị khác đã được thiết kế mà  
8
     
không có bất kỳ tiếp xúc trực tiếp cũng như các chốt cố định nào để có được hình ảnh  
vân lòng bàn tay một cách tự nhiên.  
1.3.2 Tiền xử lý  
Tiền xử lý, là bước đầu tiên trong thuật toán được phát triển vì nó được sử dụng  
trong nhiều hệ thống sinh trắc học, là một trong những phần quan trọng nhất của thuật  
toán nhận dạng vân lòng bàn tay được phát triển. Trước bước trích xuất đặc trưng và  
so khớp, tất cả các hình ảnh trong cơ sở dữ liệu phải được xử lý trước và phải lấy  
được khu vực trung tâm của lòng bàn tay. Các thuật toán tiền xử lý sẽ được sử dụng  
cho mục đích này nên được chọn sao cho thuật toán nên được áp dụng cho tất cả các  
hình ảnh trong cơ sở dữ liệu và phải đạt được độ chính xác của lòng bàn tay với độ  
chính xác cao. Tóm lại, độ chính xác của thuật toán tiền xử lý là rất quan trọng, vì  
các lỗi có thể xảy ra trong bước xử lý này này sẽ ảnh hưởng đến các bước xử lý tiếp  
theo.  
Sau khi kiểm tra tất cả các hình ảnh trong cơ sở dữ liệu, chúng tôi quyết định xác  
định hệ tọa độ như được đưa ra trong Hình 1.4 [26] để căn chỉnh các hình ảnh lòng  
bàn tay khác nhau. Điểm A và Điểm B trong Hình 1.4 thể hiện các điểm cạnh được  
tìm thấy trong quá trình tiền xử lý và đường màu đen dọc đi qua cả Điểm A và Điểm  
B tạo thành trục Y. Đường màu đen nằm ngang vuông góc với trục Y, do đó nó tạo  
thành trục X. Tuy nhiên, chúng ta có thể vẽ vô số đường thẳng vuông góc với Y-axis,  
trừ khi điểm giao nhau của chúng là I được chỉ định. Vì thế, điểm giao nhau I phải  
được chỉ định để có trục X và Y duy nhất. Trung điểm của A và B được chọn làm  
điểm giao nhau I. Tính duy nhất của trục X và Y có thể được chứng minh như sau:  
Vì chỉ một đường thẳng có thể đi qua hai điểm khác nhau nên Y-axis là duy nhất. Vì  
trục Y thu được, độ dốc của nó được biết và do trục X vuông góc với trục Y, nên độ  
dốc của X-axis cũng được biết. Như ở trên đã đề cập, trung điểm của A và B được  
chọn là điểm giao nhau, do đó, trục X đi qua I. Một điểm trên trục X và độ dốc của  
trục X được biết, do đó phương trình của trục X được biết và nó là duy nhất.  
9
 
Hình 1.3 Hệ thống tọa độ  
Muốn xác định được tọa độ như trên, chúng ta phải xác định được điểm A và B.  
để xác định được điểm A và B chúng ta xem hình 1.5.  
Hình 1.4 Ảnh mô tả điểm tham chiếu đã được cắt  
Sau khi chỉnh ảnh vân lòng bàn tay được cắt. chúng ta tiến hành xoay hình theo  
góc 90 độ, như hình 1.6.  
10  
   
Hình 1.5 Ảnh sau khi được xoay 90 độ và nhận diện cạnh bàn tay  
Như được thấy trong Hình 1.6, chúng ta đã có được ranh giới của vùng mong  
muốn. Bước tiếp theo là tìm các điểm tham chiếu A và B, nằm trên ranh giới này.  
Tuy nhiên, điều đáng chú ý ở đây là, ngay cả những lỗi rất nhỏ ở các vị trí của các  
điểm tham chiếu có thể ảnh hưởng đáng kể đến hệ tọa độ, bởi vì các điểm tham chiếu  
xác định cả gốc của hệ tọa độ, đó là I và độ dốc của X và Y-axis. Đặt góc trên bên  
trái của Hình 1.6 là gốc tọa độ được biểu thị bởi O (0, 0) và để bất kỳ điểm p nào  
trong Hình 1.6 được ký hiệu là (x (p), y (p)), trong đó x (p) là khoảng cách ngang của  
điểm p đến điểm gốc tính bằng pixel và y (p) là khoảng cách dọc của cùng điểm với  
điểm gốc tính bằng pixel. Di chuyển qua ranh giới được hiển thị trong Hình 1.6 từ  
trái sang phải, các giá trị (x (p), y (p)) thay đổi như trong Hình 1.7  
11  
 
Tải về để xem bản đầy đủ
pdf 72 trang yennguyen 14540 Free
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Báo cáo nghiên cứu khoa học Nhận dạng vân lòng bàn tay sử dụng đặc trưng mã hướng phân biệt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

File đính kèm:

  • pdfbao_cao_nghien_cuu_khoa_hoc_nhan_dang_van_long_ban_tay_su_du.pdf