Transcript Slajd 1

Rozpoznawanie odcisków
palców
Zastosowanie Informatyki w Medycynie
Jakub Snelewski, Jacek Gajek
Plan
•
Historia
•
•
Obecnie
Metody minucyjne
•
Zasada 3N
•
Tworzenie obrazu binarnego c)
•
Elementy podstawowe
•
Tworzenie obrazu odchudzonego d)
•
Poziom globalny
•
Wykrywanie minucji (Minutiae) e)
•
Wzorce linii papilarnych
•
Inne metody wykrywania minucji
•
Estymacja obrazu kierunkowego
•
Ekstrackcja cech (Feature Extraction)
•
Estymacja obrazu kierunkowego
•
Weryfikacja wykrytych minucji
•
Indeks Poincaré (Kawagoe i Tojo, 1984)
•
Dopasowywanie wzorców punktowych
•
Poziom lokalny
•
Ataki rodzaje
•
System Klasyfikacji Odcisków
•
Poziom szczegółów
•
Rodzaje nośników
•
Rodzaje sensorów linii papilarnych
•
Wytwarzanie falsyfikatów
•
Źródła zakłóceni
•
Eksperyment T. Matsumoto, 2004 r.
•
Literatura
Usuwanie zakłóceń
Źródła wiedzy
Historia
1888 - Sir Francis Galton (kuzyn Darwina), Anglia
•
klasyfikacja punktów osobliwych,
•
definicja tzw. “minucji” (detali Galtona)
•
określenie trwałości linii papilarnych i jednoznaczności
weryfikacji (prawdopodobieństwo błędu 1:64 mld)
•
dzieło “Fingerprints”
•
podwaliny obecnie funkcjonujących systemów biometrii odcisku
1899 - Sir Edward Richard Henry, Anglia
•
system klasyfikacji odcisków, w rzeczywistości opracowany przez indyjskich asystentów
1924 - Utworzenie FBI Fingerprint Identification Division, USA
następuje powszechna akceptacja tej metody rozpoznawania tożsamości
Obecnie
•
AFIS Automatic Fingerprint Identification System
1. Kryminalistyka
•
Ogromne bazy danych: aktualna baza FBI – ponad 200 mln
kart daktyloskopijnych (karta zawiera odcisk każdego z 10
palców), baza polska – około 3.2 mln kart oraz 63 tys.
niezidentyfikowanych śladów z miejsc przestępstw (CLK KGP,2011)
•
Różna jakość odcisków porównywanych (odciski utajone, niepełne)
•
Czas identyfikacji odcisku liczony w minutach
2. Biometria
•
•
Identyczna jakość porównywanych odcisków
Czas identyfikacji odcisku liczony w ułamkach sekundy
Zasada 3N
• linie papilarne nie zmieniają się w funkcji
czasu
• linie papilarne są statyczne i wyraźne
• odciski palców są niepowtarzalne
✔
Francisa Galtona
✔
Niezmienne
✔
Nieusuwalne
Niepowtarzalne
Elementy podstawowe
Poziom globalny
Punkty osobliwe: łuk, pętla, wir
Rdzeń:
• tożsamy z najbardziej na północ
wysuniętym punktem osobliwych typu wir
lub pętla dla odcisków nieposiadających
punktów osobliwych, zwykle tożsamy z
położeniem maksymalnej krzywizny linii
• niezbędny w celu wyrównania obrazów
przed identyfikacją
Wzorce linii papilarnych
Łuk
6%
Pętla
64%
Punkty osobliwe
Wir
30%
Estymacja obrazu kierunkowego
➔
Pole gradientu (dyskretnego)
➔
∇(xi, yi) = [∇x(xi, yi),∇y(xi, yi)]T
➔
➔
➔
Pole kierunków ortogonalne do pola
gradientu
Obraz kierunkowy ≡ pole średnich
lokalnych kierunków
Uśrednianie kierunków np. w
obszarze 4x4
Estymacja obrazu kierunkowego
Oryginał
Obraz kierunkowy
Indeks Poincaré (Kawagoe i Tojo,
1984)
Całkowita rotacja wzdłuż krzywej pola
wektorowego
Indeks Poincaré (Kawagoe i Tojo,
1984)
Cztery dyskretne wartości indeksu
• 0o – punkt nie należy do regionu
• 360o – punkt należy do regionu typu wir
• 180o – punkt należy do regionu typu pętla
• −180o – punkt należy do regionu typu delta
Inne metody
• Partycjonowanie obrazu (z
wykorzystaniem dyskretyzacji nachyleń
linii)
• Transformata Hough’a
Poziom lokalny
Minucje (detale Galtona)
System Klasyfikacji Odcisków
Poziom szczegółów
• Wymagana rozdzielczość: co najmniej 1000 dpi
• Cechy indywidualne: kształt linii, położenie i kształt porów,
zmarszczek, brodawek, blizn, linii zdegenerowanych
• Umożliwia identyfikację z wykorzystaniem fragmentu odcisku
Rodzaje sensorów linii papilarnych
• Optyczne
• Ultradźwiękowe
• Krzemowe:
– Pojemnościowe mikro-kondensaty płytkowe
– Naciskowe piezoelektryki
– Termiczne piroelektryki
Sprzęt - czytniki optyczne
Sprzęt - czytniki pojemnościowe
Sprzęt – czytniki naciskowe
Sprzęt – czytniki termiczne
Ultradźwiękowe
Zdjęcia z różnych sensorów
Źródła zakłóceni
Deformacje liniowe i afiniczne
•
różna siła docisku
•
inny kąt ułożenia palca (problem małych sensorów)
•
przesunięcia i obroty palca
Deformacje nieliniowe (zniekształcenia elastyczne)
•
mapowanie 3D ⇒ 2D
•
główna przyczyna zmienności wewnątrzklasowej
Różne obszary pomiarowe
Skóra sucha, spocona, chora, zraniona
•
grzbiety nie kontaktują się z powierzchnią urządzenia
•
niekompletny obraz odcisku
•
nieciągłości linii
•
sklejenia linii
Niedokładność urządzenia pomiarowego
Usuwanie zakłóceń
Uwypuklanie grzbietów i dolin
• lokalna selektywność kierunkowa i
częstotliwościowa: transformata Fouriera, filtry
Gabora, przekształcenia falkowe
• odpowiedź filtrów osiąga maksimum na kierunkach
ortogonalnych do grzbietów
Wyrównywanie jasności i ostrości obrazu
• wyrównywanie histogramu
• filtracja Laplace’a
Metody minucyjne
• reprezentacja odcisku jako zbioru minucji
• poszukiwanie maksymalnej liczby par
pasujących minucji
Tworzenie obrazu binarnego c)
Detekcja grzbietów
• progowanie obrazu z progiem globalnym (niska
jakość)
• progowanie obrazu z progiem
lokalnym/adaptacyjnym
• dekompozycja lokalnego histogramu poziomu
jasności w kierunkach ortogonalnych do grzbietów
• uwypuklanie grzbietów i dolin + progowanie z
progiem lokalnym
Tworzenie obrazu odchudzonego d)
Pocienianie obrazu binarnego
• metody znane z problemów rozpoznawania
pisma, analizy dokumentów,
wektoryzacji map
Wykrywanie minucji (Minutiae) e)
Estymacja z obrazu odchudzonego
• liczba sąsiadów należących do grzbietu
= 1 to zakończenie
= 2 to grzbiet, brak minucji
> 3 to rozwidlenie
• zakłócenia mogą zwielokrotnić liczbę minucji (niezbędna weryfikacja
fałszywych minucji)
Inne metody wykrywania minucji
Estymacja z obrazu binarnego i kierunkowego
• śledzenie grzbietów w obrazie binarnym (Weber, 1992)
• detekcja zaburzeń obrazu kierunkowego (Székely, 1993)
Estymacja z obrazu w skali szarości
•
śledzenie grzbietów w obrazie oryginalnym (Maio, Maltoni)
• modyfikacje powyższej metody: adaptacja długości kroku i
progu binaryzacji (Jiang, Yau, Ser 1999, 2001), jednoczesne
śledzenie grzbietu i sąsiednich dolin (Liu, Huang, Chan, 2000)
• filtr Gabora + klasyfikacja nieliniowa, (Leung, Engeler,
Franck, 1990)
• modelowanie lokalnych histogramów mieszaninami
gaussowskimi (Chang, Fan, 2001)
Ekstrackcja cech (Feature Extraction)
Film
Weryfikacja wykrytych minucji
reguły heurystyczne
• usuwanie minucji brzegowych
• usuwanie krótkich grzbietów
• usuwanie krótkich połączeń grzbietów
• łączenie krótkich przerw grzbietów
• usuwanie konstelacji minucji
wykorzystanie dualności minucji (weryfikacja minucji
jednocześnie dla obrazów odchudzonych pozytywowych i
negatywowych; Hung, 1993)
Dopasowywanie wzorców punktowych
Transformata Hough’a (metoda popularna, Ratha, 1996)
• przekształcenie problemu dopasowania wzorców do problemu
znalezienia maksimum tablicy akumulatorowej
• tablica akumulatorowa indeksowana położeniem, kierunkiem i
skalą minucji
Metody relaksacyjne (np. Rosenfeld, Kak, 1976)
•
iteracyjne zwiększanie prawdopodobieństwa dopasowania par
minucji
• Są to metody intensywne obliczeniowo
Ataki rodzaje
• idea fałszowania odcisku palca (utajonego)
• odcisk w formie z gliny lub wosku + odlew
żelatynowy
• fotografia palca + chromowanie modelu z
żelatyny
• (niechromowane grzebiety pozostawiają
ślady po nawilżeniu modelu)
Źródła wiedzy
• żywy palec
• odcisk utajony
• fotografia palca
Rodzaje nośników
zagęstniki spożywcze (żelatyna, guma
guar)
kleje elastyczne
silikon, silikon wzbogacony materiałem
przewodzącym (imitacja charakterystyki
impedancyjnej skóry)
Wytwarzanie falsyfikatów
Eksperyment T. Matsumoto, 2004 r.
Testowane systemy: 11 systemów od 9 producentów
•
dwa systemy instalowane w telefonach komórkowych
• dwa systemy oferowały “test żywotności”
•
optyczna i pojemnościowa technika pomiaru
Wyniki
• wszystkie systemy zaakceptowały żelatynowe falsyfikaty
• 5/11 systemów zaakceptowało silikonowe falsyfikaty
•
9/11 systemów zaakceptowało falsyfikaty silikonowe z domieszką grafitu
•
czytniki instalowane w telefonach komórkowych zostały
oszukane falsyfikatami wykonanymi z wykorzystaniem odcisków utajonych
pozostawionych na tych telefonach
• W wyniku etapu ekstrakcji cech powstaje „obraz”
nazywamy szablonem minucyjny. Jest to lista
minucji i wartości ich atrybutów. Przybliżeniu liczba
minucji waha się od 10 do 100. Jeśli każdy typ
Minucji jest przechowywany przez (1 bit),
lokalizacja (9 bitów każdy X i Y) oraz kierunek (8
bitów), to każda wymaga 27 bitów ,powiedzmy 4
bajty to szablon będzie wymagać do 400 bajtów. Nie
należy do rzadkości aby zobaczyć szablon długości
1024 bajtów.
Literatura
1) Fingerprint Identification and Verification System using Minutiae
Matching; F.A. Afsar, M. Arif and M. Hussain; Pakistan Institute of
Engineering & Applied Sciences Islamabad, Pakistan 2004
2) Fingerprint Verification Lawrence O’Gorman Veridicom Inc. Chatham,
NJ 2007
3) Minuatiae-based partial fingerprint recognition Tsai-Yang Jea
Univesity at Buffalo, the State University of NY 2005