Основні методи розпізнавання відбитків пальців, алгоритми побудови систем розпізнавання

 

Перш ніж перейти до розгляду цих питань, зупинимося безпосередньо на тому, що такий папілярний рисунок і як він з'являється на поверхні пальців.

Шкіра людини складається з двох прошарків:

– епідерміса (epidermis), зовнішнього прошарку;

– дерми (derma), глибшого прошарку.

На п'ятому місяці внутрішньоутробного розвитку людини дерма, до цього часу гладка, стає нерівною й починає здобувати вигляд безлічі дермальних горбків, що чергуються між собою (іноді їх називають сосочками). На поверхні пальців ці горбки складаються в ряди. Епідерміс повторює будову зовнішнього прошарку дерми й утворює невеликі складки, що відображають і повторюють хід рядів дермальних горбків.

Ці складки, які ми бачимо на поверхні шкіри неозброєним оком, називаються папілярними лініями (від лат. papillae – сосочки) і відокремлюються одна від одної неглибокими борозенками. На вершинах складок - гребенях папілярних ліній перебувають численні дрібні пори — зовнішні отвори вивідних проток потових залоз шкіри. Папілярні лінії на поверхні пальців рук, утворюють різні візерунки, які називаються папілярними рисунками.

Остаточно папілярний рисунок на поверхні пальців формується до 7-го місяця внутрішньоутробного розвитку. З цього часу борозенки, що сформувалися на поверхні пальців, залишаються незмінними протягом усього життя людини.

Побудова верхнього прошарку шкіри пальців рук людини – епідерміса така, що вона охороняє дерму, тобто властиво шкіру, від механічних ушкоджень. Після будь-яких ушкоджень епідерміса, що не зачіпають дермальних горбків, папілярний рисунок у процесі загоєння відновлюється в колишньому вигляді, що підтверджено численними експериментами. Якщо ж дермальні горбки ушкоджуються, то утворюється рубець, певною мірою деформуючи папілярний рисунок, але принципово це не змінює початкового загального рисунку, причому сам рубець може використовуватися як побічна ознака під час ідентифікації.

Методи розпізнавання

Залежно від якості отриманого зі сканера зображення відбитків пальців, на ньому можна виділити деякі характерні ознаки поверхні пальців, які надалі можна використовувати з метою ідентифікації.

На найпростішому технічному рівні, наприклад, якщо дозвіл отриманого зі сканера зображення становить 300–500 dpi, на зображенні поверхні пальця можна виділити досить велику кількість дрібних деталей (minutiae), за якими можна їх класифікувати, але, як правило, в автоматизованих системах використовують усього два типи деталей візерунка (особливих точок):

– кінцеві точки –точки, в яких «чітко» закінчуються папілярні лінії;

– точки розгалуження – визначаються як точки, у яких папілярні лінії роздвоюються.

На рисунку 3.33 представлений приклад, на якому видно, що таке кінцеві точки й точки розгалуження.

 

Рисунок 3.33 – Точки розгалуження та кінцеві точки

 

Якщо є можливість одержати зображення поверхні пальця з розділенням близько 1000 dpi, на ньому можна виявити деталі внутрішньої будови самих папілярних ліній, зокрема, пори потових залоз (рисунок 3.34, де порожніми кружками відзначені пори, чорними кружками відзначені кінцеві точки й точки розгалуження) і відповідно використовувати вже їх розташування з метою ідентифікації. Однак цей метод мало розповсюджений через складність одержання в не лабораторних умовах зображень такої якості.

 

Порожніми кружками відмічені пори,

а чорними – кінцеві точки, та точки розгалуження

 

Рисунок 3.34 – Зображення пор та кінцевих точок

 

В автоматизованому розпізнаванні відбитків пальців, на відміну від традиційної дактилоскопії, виникає набагато менше проблем, пов'язаних з різними зовнішніми факторами, що впливають на сам процес розпізнавання. При одержанні відбитків пальців фарбовим способом (за допомогою відкочування) важливо виключити або, принаймні, максимально зменшити зсув або поворот пальця, зміну тиску, зміну якості поверхні шкіри та ін. З електронних безфарбових сканерів одержати зображення відбитка пальця з достатньою для обробки якістю простіше. Якість одержуваного зі сканера зображення папілярного візерунка пальця є одним з основних критеріїв, від якого залежить, який обирається алгоритм формування згортки відбитка пальця й в остаточному підсумку ідентифікації людини.

У наш час виділяють три класи алгоритмів порівняння відбитків пальців.

1. Кореляційне порівняння — два зображення відбитка пальця накладаються одне на одне, і підраховується кореляція (за рівнем інтенсивності) між відповідними пікселями, обчислена для різних вирівнювань зображень одне від одного (наприклад, шляхом різних зсувів і обертань); за відповідним коефіцієнтом приймається рішення про ідентичність відбитків.
Внаслідок складності й тривалості роботи даного алгоритму, особливо при ідентифікації (порівняння «один до багатьох») – системи, побудовані з його використанням, зараз практично не використовуються.

2. Порівняння за особливими точками – по одному або декількох зображеннях відбитків пальців зі сканера формується шаблон, що є двомірною поверхнею, на якій виділені кінцеві точки й точки розгалуження. При порівнянні – на відсканованому зображенні відбитка також виділяються ці точки, карта цих точок порівнюється з шаблоном і за кількістю точок, що збіглися, приймається рішення щодо ідентичності відбитків (рисунок 3.35). У роботі алгоритмів даного класу також використовуються механізми кореляційного порівняння, але при порівнянні положення кожної з приблизно відповідних одна одній точок.

Рисунок 3.35 – Порівняння двох відбитків пальців за особливими точками

 

У силу простоти реалізації й швидкості роботи алгоритми даного класу є найпоширенішими. Єдиним істотним недоліком даного методу порівняння є досить високі вимоги до якості одержуваного зображення (близько 500 dpi).

3. Порівняння за візерунком – у даному алгоритмі порівняння використовуються безпосередньо особливості побудови папілярного рисунка на поверхні пальців. Одержане зі сканера зображення відбитка пальця розбивається на безліч дрібних комірок, як показано на рисунку 3.36 (розмір комірок залежить від необхідної точності).

Рисунок 3.36 – Розбиття папілярного рисунка на комірки

 

Розташування ліній у кожній комірці описується параметрами деякої синусоїдальної хвилі (рисунок 3.37), тобто задається початкове зрушення фази (q), довжина хвилі (l) і напрямок її поширення (d).

Рисунок 3.37 – Хвильове уявлення ліній в комірці

 

Відповідно при одержанні відбитка для порівняння – він вирівнюється й приводиться до такого ж вигляду, що й шаблон. Потім порівнюються параметри хвильових уявлень відповідних комірок.

Перевагою алгоритмів цього класу є те, що вони не вимагають одержання зображення високої якості. У рамках роботи ми обмежимося тільки узагальненим описом роботи кожного з класів алгоритмів, насправді ж в реалізації це все виглядає набагато складніше й з погляду математичного апарата й з погляду роботи з зображенням.

Варто відмітити, що в автоматизованій ідентифікації існує кілька проблем пов'язаних зі складністю сканування й розпізнавання деяких типів відбитків пальців, у першу чергу це стосується маленьких дітей, тому що їх пальці дуже маленькі для того, щоб навіть на гарному встаткуванні одержати їх відбитки пальців з деталізацією, прийнятною для розпізнавання. Крім цього, близько 1% дорослих людей мають унікальні відбитки пальців, тому для роботи з ними доводиться або розробляти спеціалізовані алгоритми обробки, або робити виключення у вигляді персонального для них відмовлення від біометрії.