تشخيص اثرانگشت - WEBSITE X5 UNREGISTERED VERSION - Matlab Pajooh

Go to content

Main menu:

بخش ويژه
(انگشت نگاري (تشخيص اثر انگشت

:در تشخيص هويت سعي مي شود تا براي چنين سوالاتي پاسخ پيدا كنيم

آيا يك فرد خاص همان كسي است كه ادعا مي كند؟

آيا سوابق و يا اطلاعاتي از يك فرد خاص موجود است؟

آيا يك فرد خاص حق ورود به سيستم را دارد؟


براي پاسخ دادن به اين سوالات در اولين گام بايد هويت فرد را مشخص كرد.از طرفي ديگر با رشد سريع تكنولو?ي شاهد آن هستيم كه ارتباط بين افراد بيش از پيش الكترونيكي شود. بنابراين نياز داريم تا هويت افراد را بطور دقيق و خودكار تعيين كنيم. با وجودي كه شناسايي افراد بصورت خودكار در جامعه امروز امري ضروري به نظر مي ايد اما شناسايي افراد توسط خصيصه هاي فيزيكي آن ها موضوع تازه اي نيست .انسان ها يكديگر را با توجه به خصيصه هاي فيزيكي شان شناسايي مي كنند.ما در ملاقات حضوري يكديگر را از روي چهره تشخيص مي دهيم و يا در ارتباط تلفني با توجه به صداي فرد مقابل به هويت او پي مي بريم
در روش هاي سنتي اطلاعاتي كه فرد در اختيار دارد بيانگر هويت اوست.از جمله اين اطلاعات مي توان به كلمه رمز و يايك شماره شناسايي اشاره كرد كه اين روش هاي سنتي داراي مزايا و معايبي هستند.


:مزايا
سادگي و كم هزينه بودن ان ها است.سيستمي كه بخواهد چنين شاخص هايي را مورد شناسايي قرار دهد چندان پيچيده نخواهد بود و با هزينه اندكي نيز قابل پياده سازي است.

:معايب
اين شاخص ها قابل دزدي هستند و يا ممكن است فراموش شوند.در واقع در روش هاي سنتي سيستم قادر نيست تا بين فرد واقعي و فرد نفوذ كننده تمايز قايل شود و هر كسي كه دانش مورد نظر را در اختيار داشته باشد به عنوان فرد واقعي شناسايي خواهد شد پس مي توان نتيجه گرفت كه سيستم هاي سنتي از امنيت كافي براي جامعه الكترونيكي امروزي ما برخوردار نيستند
اما امروزه تعيين هويت قطعي افراد در مبادله اطلاعات يك عنصر حياتي در ايمني داده ها است.بنابراين روش هاي مختلفي براي تعيين هويت افراد وجود دارد.
يكي از پايه هاي خودكار سازي تعيين هويت افراد , شناسايي انسان ها بر اساس وي?گي هاي بيومتريك انها مانند چهره, الگو هاي گفتاري و اثر انگشت و... است.
تعيين هويت افراد با استفاده از اثر انگشت نسبت به ساير روش هاي بيومتريك تعيين هويت بطور گسترده اي مورد استفاده قرار ميگيرد



براي حل اين مشكلات ، استخراج ريزه ها از تصاوير اثر انگشت و كاربرد ان ها در تطبيق اثر انگشت مورد بررسي قرار مي گيرد

علم بيومتريك
بيومتريك علم تحيل وي?گي هاي فيزيولو?ي و يا رفتاري و پايه خودكار سازي روش هاي شناسايي يك فرد بر اساس خصوصيات فيزيولو?ي ويا رفتاري است.
روش هاي بيومتريك از اثر انگشتان ، الگوهاي رفتاري ، خصوصيات چهره اي ، اسكن شبكيه چشم ، دستخط بعنوان خصيصه هاي قابل شناخت انسان استفاده مي كنند.
اين وي?گي ها يا در وجود فرد مسستر است و يا رفتاري است كه او از خود بروز مي دهد.بنابراين به صورت ذاتي نسبت به روش هاي سنتي قابل اعتماد تر بوده است و از امنيت بيشتري برخوردار است.به همين نسبت نيز سيستم هايي كه قادر به تشخيص شاخص هاي بيومتريكي هستند از پيچيدگي بيشتري برخوردارند.
نكته قابل توجه اينست كه سيستم هاي بيومتريك نيز قابل نفوذ هستند و در پاره اي موارد امكان تهيهيك كپي و يا تقليد از وي?گي مورد نظر وجود دارد.در چنين مواردي سيستم بيومتريك ممكن است دچار اشتباه گردد.با اين حال سيستم هاي بيومتريك به مراتب نسبت به سيستم هاي سنتي قابل اعتماد تر مي باشند.

سيستم هاي بيومتريك
يك سيستم بيومتريك در واقع يكسيستم شناسايي الگو است كه هويت فرد را با تجزيه و تحليل وي?گي هاي استخراج شده از خصيصه بيومتريكي تعيين مي كند.
يك سيستم بيومتريك از لحاظ منطقي به دو بخش تقسيم مي شود:1-بخش نام نويسي 2-بخش شناسايي
در بخش نام نويسي جمع اوري خصيصه هاي بيومتريكي افراد و ذخيره ان ها در سيستم انجام مي شود.
در طي اين فاز وي?گي مورد نظر توسط بخش بيومتريك خوان خوانده شده و سپس توسط بخشي با نام استخراج كننده وي?گي، وي?گي هاي موجود در قالب الگوهايي جدا مي شود و در بانك داده سيستم قرار مي گيرد.وظيفه بخش شناسايي ، تشخيص و تاييد هويت افراد در هنگام ورود و يا دستيابي به سيستم است. طي اين فاز بخش بيومتريك خوان خصيصه بيومتريكي را خوانده و وي?گيهاي ان را استخراج مي كند سپس اين وي?گي ها را با الگو هاي موجود در بانك داده سيستم مقايسه مي كند و در نهايت مجوز ورود يا عدم ورود به سيستم را صادر مي كند.
خطا در سيستم هاي بيومتريكي
در روش هاي سنتي دانشي كه به سيستم ارايه مي شود بطور دقيق هويت فرد را مشخص مي كند.تفاوت اصلي بينيك سيستم بيومتريك و يك سيستم سنتي تشخيص هويت در پاسخي است كه هر يك از اين دو به خصيصه ارايه شده مي دهند.
بر خلاف سيستم هاي سنتي يك سيستم بيومتريك جواب مطلق اري يا نه مبني بر رد يا پذيرش نمي دهند.به عنوان مثال در يك سيستم سنتي يا عين كلمه رمز ارايه شده در سيستم موجود است و يا نيست. بنابراين حالت بينابيني وجود ندارد اما در يك سيستم بيومتريك عين خصيصه ارايه شده به سيستم را در بانك داده نداريم و ان چه ارزيابي مي شود ميزان شباهت خصيصه ارايه شده با خصيصه موجود در بانك داده است. مثلاميزان شباهت امضاي ارايه شده با امضايي كه از قبل در سيستم موجود است، اندازه گيري ميشود. هدف ايده ال طراحي يك سيستم بيومتريك است كه ميزانتطبيق بين دو خصيصه را بطور صد در صد مشخص كند. اما در عمل دستيابي به چنين سيستمي غير ممكن است .بنابراين همواره از يك مقدار حد استانه براي تصميم گيري در مورد يا پذيرش خصيصه مورد نظر استفاده مي شود.با توجه به مطالب بيان شده دو نوع خطا براي يك سيستم بيومتريك مي توان تعريف كرد.
رد نادرست: بدين معنا كه به فرد اصلي اجازه ورود به سيستم داده نشود.اين خطا زماني رخ مي دهد كه سيستم شباهت كافي بين خصيصه ارايه شده و خصيصه موجود در سيستم پيدا نكند.
پذيرش نادرست: به اين معنا كه به كاربر غير مجاز اجازه ورود به سيستم داده شود.اين خطا زماني رخ مي دهد كه شباهت بين خصيصه ارايه شده توسط كاربر غير مجاز و خصيصه موجود در سيستم از حد استانه بيشر باشد.

سيستم هاي تاييد وتعيين هويت مبتني بر اثر انگشت
در گذشته سيستم هاي بيومتريكي مبتني بر اثر انگشت براي مسايل پليسي و جنايي مورد استفاده قرار مي گرفت اما امروزه اين سيستمها براي موارد كنترلي و امنيتي سازمان ها و ادارات نيز استفاده مي شود.


اخذ تصوير
قديمي ترين روش همان روش استفاده از كاغذ و جوهر است در اين شيوه ابتدا سطح انگشت را به جوهر اغشته كرده و سپس روي كاغذ مي غلتانند.براي وارد كردن تصوير به دست امده به يك سيستم كامپيوتري از يك پويشگر تخت استفاده مي شود. تصوير بدست امده از اين روش بسيار اعوجاج داشته و حتي در تشخيص بصورت دستي نيز نيازمنديك فرد خبره است.روش ديگري كه امروزه در بسياري از سيستم ها از ان استفاده مي شود بكارگيري دوربين هايCCD است.
در روش اخير كه اصطلاحا اسكن زنده نيز ناميده مي شود دستيابي به تصويري با كيفيت خوب امكان پذير است.چهار تكنيك براي اسكن زنده وجود دارد كه به ان ها اشاره مي كنيم:

تكنيك نوري
ماورا صوت
ميدان الكتريكي
تكنيك حرارتي

در كليه اين تكنيك ها سطح انگشت با قسمت خاصي از دستگاه در تماس قرار گرفته و تصوير اخذ مي شود.
در تكنيك نوري انگشت بر روي يك منشور قرار مي گيرد و به ان نور تابانده مي شود. با اندازه گيري ميزان نور بازگشتي از هر قسمت،تصويري از اثر انگشت شكل مي گيرد. در روش ماورا صوت با توجه به ميزان انر?ي صوتي منعكس شده از سطح انگشت براي اشكار سازي لبه ها و شيارها استفاده ميشود.حسگرهاي ميدان الكتريكي بر اساس اندازه گيري اختلاف ظرفيت الكتريكي سطح انگشتي كه حسگر را لمس مي كند عمل ميكنند و در نهايت حسگر هاي حرارتي با اندازه گيري اختلاف دماي سطح پوست، شيارها و لبه هاي اثر انگشت را نمايان ميسازد

روش اسكن زنده،تصوير نسبتا خوبي از اثر انگشت ارايه ميدهد.اما هنوز هم عواملي چون خشكي پوست، بيماري هاي پوستي، عرق،
كثيفي و چربي باعث بوجود امدن اعوجاج درتصوير اثر انگشت مي شوند.در هر دو روش سنتي و اسكن زنده عواملي باعث بروز اختلاف در دو نسخه از يك اثر انگشت مي شوند كه در زير به ان ها اشاره مي كنيم:

انتقال: تفاوت در موقعيت مكاني نسخه هاي مختلفي كه از اثر انگشت گرفته مي شود.
چرخش: ناشي از چرخش انگشت هنگام اخذ اثر انگشت است.
مقياس: از اختلاف فشاري كه فرد در هر بار اخذ اثر انگشت به سطح دستگاه يا كاغذ وارد مي كند ناشي مي شود.

اختلاف در اثر انگشت به دليل عواملي چون بيماري هاي پوستي، سوختگي و عرق وجود دارد. با وجود اين كه اسكن زنده تصويري با كيفيت خوب از اثر انگشت در اختيار ما قرار مي دهد اما باز هم مكانيزم هايي به موازات ان براي اخذ اثر انگشت به صورت كنترل شده به كار مي رود. در اخذ اثر انگشت به صورت كنترل شده ميزان فشاري كه فرد در هر بار اخذ به سطح دستگاه وارد مي كند توسط يك حسگر فشار اندازه گيري شده و به عنوان يك پارامتر ورودي به سيستم داده مي شود بدين طريق مي توان باز هم كارايي سيستم را افزايش داد.

طبقه بندي اثر انگشت
طبقه بندي اثر انگشت در سيستم هاي تعيين هويت مورد استفاده قرار مي گيرد.هدف از طبقه بندي اثر انگشت اين است كه بانك داده را تا حد امكان به بخش هاي كوچكتري تقسيم كنيم..در سيستم هاي تعيين هويت تنها بخشي از بانك داده كه از حيث طبقه متناظر با اثر انگشت ورودي است مورد جستجو قرار مي گيرد.درسيستم هايي كه با جمعيت هاي كم كار مي كنند مي توان از رده اي كه اثر انگشت به ان متعلق است به عنوان تنها وي?گي براي تعيينيا تاييد هويت فرد استفاده كرد.از جمله قديمي ترين سيستم طبقه بندي مورد استفاده در سيستم هاي دستي روشي است كه توسط هنري ارائه شده است.در اين طبقه بندي 5 رده وجود دارد كه به ترتيب

راست – حلقه، چپ –حلقه،پيچشي ، كماني و كماني خيمه اي ناميده مي شود.
تعيين طبقه براي يك اثر انگشت با توجه به جهت امتداد لبه ها در اطراف هسته و همچنين تعداد و چگونگي قرار گرفتن نقاط هسته و دلتا صورت مي گيرد.در موارد كمي نمي توان يك اثر انگشت را به يك طبقه خاص نسبت داد و همواره در هر نوع سيستم طبقه بندي يك طبقه با نام طبقه غير مترقبه در نظر گرفته مي شود و چنين اثر انگشتي را به اين طبقه نسبت مي دهند.
طبقه بندي ارائه شده براي فرايندي دستي طبقه بندي مناسبي است،چرا كه ضوابط بيان شده براي نسبت دادن يك اثر انگشت به يك رده خاص بسيار شفاف و واضح است.در يك سيستم خودكار بهتر است تا با بيشتر كردن تعداد رده ها بانك داده را به بخش هاي كوچكتري تقسيم كنيم.اما به دليل واضح بودن سيستم طبقه بندي ارائه شده اكثر سيستم هاي خودكار امروزي نيز از همين طبقه بندي استفاده مي كنند.

استخراج وي?گي هاي موجود در اثر انگشت
خصوصيات اصلي در يك اثر انگشت لبه ها (برجستگي ها) و شيارها ( فرو رفتگي ها) هستند كه بصورت يك در ميان قرار دارند.لبه ها و شيارها بصورت محلي داراي جهت يكساني بوده و موازي مي باشند.در خطوط لبه بي نظمي هاي مانند دو شاخه شدن خط لبه و پايانيافتن خط لبه ديده مي شود در چنين حالتي اصطلاحا مي گوييم با عدم پيوستگي محلي مواجه گشته ايم. كه چنين نقاطي را وي?گي مي نامند.
رايج ترين وي?گي هايي كه امروزه از اثر انگشت استخراج مي شود وي?گي هايي هستند كه توسط Galtonمعرفي شدند.در ابتدا اين شخص چهار وي?گي معرفي كرد، اما بعد ها اين وي?گي توسط افراد ديگري هم توسعه پيدا كرد و تا هجده وي?گي معرفي شد.
استخراج خودكار كليه وي?گي هاي معرفي شده توسط كامپيوتر بسيار مشكل بوده و حتي استخراج ان ها بصورت دستي نيز نياز به تخصص دارد. در اكثر سيستم هاي خودكار امروزي فقط به استخراج دو وي?گي خاص با نام هاي پايان – لبه و دو شاخه كه ريزه ناميده مي شود بسنده مي شود.ايندو وي?گي خاص بيشتر از وي?گي هاي ديگر در يك اثر انگشت قابل مشاهده است و الگوريتم هاي استخراج ان از قابليت اعتماد بيشتري برخوردار مي باشد.شناسايي اثر انگشت بر اساس تحليل ريزه هاي استخراج شده انجام ميشود.بنابراين قابليت اجرا و كارايي سيستم خودكار شناسايي اثر انگشت به دقت ريزه هاي استخراج شده بستگي دارد.
البته تعداد زيادي از روش ها براي كشف ريزه هاي اثر انگشت وجود دارد در بيشتر اين روش ها تصاوير سياه و سفيد (سطح خاكستري) اثر انگشت را به يك تصوير باينري (دو سطحي) تبديل مي كند.
طي اين فاز لبه ها از شيارها كاملا تفكيك مي شود. سپس يك فرايند نازك سازي كه باعث مي شود تا لبه ها به منحني هايي با عرض يك نقطه تبديل شوند بر روي تصوير باينري انجام مي دهند.در مرحله بعد ريزه ها از تصوير باينري نازك سازي شده، استخراج ميشوند. البته تبديل تصوير سطح خاكستري به تصوير باينري ممكن است بسياري از اطلاعات ريزه ها را از بين ببرد و عمليات بسيار حساسي است.همچنين فرايند نازك سازي داخلي از نظر محاسباتي بسيار پيچيده است.
روش استخراج ريزه هاي بررسي شده در اين پرو?ه بر اساس الگوريتم دنبال كردن خط لبه است.در اين الگوريتم جهت لبه ها و مشخصه هاي ساختاري خطوط لبه مانند عرض و فاصله خطوط لبه به صورت خودكار از تصوير سطح خاكستري اثر انگشت براورد مي شوند.
براي بدست اوردن نتايج قابل اطمينان در استخراج ريزه ها تصوير اثر انگشت ورودي تحليل مي شود و پارامتر هاي خطوط لبه براورد مي شوند. سپس الگوريتم دنبال كردن خط لبه براي استخراج ريزه ها بكار مي رود.براي حفظ هر اثر انگشت، مرز هاي تطبيق توافقي براي حذف ريزه هاي نا معتبر خارج از محدوده مورد نظر توليد و براي تعيين مقدار كمي ريزه ها از مفهوم مجموعه هاي فازي روي لبه ها استفاده مي شود.اگر ريزه هاي بدست امده معتبر باشند،در يك بانك اطلاعاتي ثبت ميشوند و در غير اين صورت به مرحله تطبيق مي روند.خصوصياتي از اثر انگشت كه در يك سيستم خودكار ذخيره مي شود شامل موقعيت مكاني، جهت و نوع ريزه ها است.بدين ترتيب مساله تطبيق دو اثر انگشت به تطبيق دو گراف يا دو مجموعه از نقاط منتهي مي شود.تحقيقاتي كه در طي يكصد سال گذشته صورت گرفته يكتا بودن الگوي اثر انگشت بر اساس ريزه را براي جمعيت هاي زياد تضمين مي كند.بر روي يك تصوير كامل از اثر انگشت بين 50 تا 150ريزه قابل استخراج است و در يك سيستم خودكار استخراج و تطبيق حدود 10 ريزه براي نتيجه گيري در مورد يكسان بودن دو اثر انگشت كافي مي باشد.مشكل عمده سيستم هاي امروزي كه بر اساس ريزه كار مي كنند كيقيت پاين تصاوير اثر انگشت و در نتيجه عدم وجود الگوريتم هاي قابل اعتماد در استخراج ريزه است.همواره اين احتمال وجود دارد كه يك ريزه به اشتباه استخراج شود و يا ريزه اي كه وجود دارد استخراج نشود.مساله استخراج اشتباه يك وي?گي در مورد ديگر وي?گي هاي معرفي شده به جز ريزه ها شديدتر مي باشد. در بعضي سيستم ها وي?گي هاي ديگري نيز علاوه بر ريزه ها استخراج ميشونديكي از رايج ترين اين وي?گي ها تعداد لبه اي است كه توسط خط واصل بين دو ريزه قطع مي شود.از ديگر اين وي?گي ها ميتوان به حفره هاي موجود بر روي بعضي لبه ها اشاره كرد.
حجم محاسبات براي استخراج وي?گي هاي يك اثر انگشت بسيار بالا مي باشد. و اين مساله به خصوص در سيستم هاي On Lineمشكل بوجود مي اورد.
در بخش هايي از اثر انگشت كه از كيفيت مطلوبي برخوردار نيستند تعداد زيادي وي?گي كاذب استخراج مي شود كه واقعا وجود ندارند.براي كاهش حجم محاسبات و صرفه جويي در وقت الگوريتم استخراج وي?گي بر روي كليه قسمت هاي تصوير اعمال نميشود.بلكه ابتدا با محاسبات ساده تري سعي مي شود تا قسمت هايي كه داراي كيفيت بهتري هستند مشخص شوند و سپس تنها در اين قسمت ها به استخراج وي?گي پرداخته مي شود.
بدين طريق هم سرعت سيستم را افزايش داده ايم و هم به قابليت اعتماد مكانيزم استخراج وي?گي افزوده ايم.در كنار اين دو مزيت، اين روش داراي يك عيب نيز مي باشد و ان اينست كه با كنار گذاشتن قسمت هايي از اثر انگشت از درجه يكتايي ان كاسته مي شود
دريك اثر انگشت وي?گي هايي وجود دارد كه براي فرايند طبقه بندي بسيار مناسب مي باشد.كه اين وي?گي ها نقاط هسته و دلتا نام دارند.كه با نام نقاط تكين نيز شناخته مي شوند.كه با استفاده از نقشه جهتي استخراج نقاط هسته و دلتا ميسرمي شود.
نقشه جهتي(Direction Map) ماتريسي است كه هر درايه از ان متناظر با محلي روي تصوير اثر انگشت بوده و مقدار هر درايه جهت غالب لبه ها و شيارها را در موقعيت مورد نظر نشان مي دهد.

تطبيق اثر انگشت
تطبيق فرايندي است كه طي ان ميزان شباهت دو اثر انگشت اندازه گيري مي شود.در اكثر سيستم ها از ريزه ها براي تطبيق دادن دو اثر انگشت استفاده مي شود.
در روشي موسوم به بانك فيلتر ابتدا تصوير اثر انگشت به بخشهايي تقسيم مي شود سپس در هر بخش فيلتري موسوم به Gabor Filterرا با زاويه هاي مختلف اعمال كرده و به ازاي هر زاويه انحراف معيار براي ناحيه مورد نظر محاسبه مي شود.
با توجه به اين كه Gabor Filterيك فيلتر جهتي است و لبه هاي اثر انگشت نيز در هر ناحيه داراي يك جهت غالب مي باشد اعمال فيلتر با زاويه هاي مختلف باعث مي شود كه لبه ها تضعيفيا تقويت شوند.اگر زاويه انتخاب شده برايفيلتر برابر يا نزديك به جهت غالب لبه ها در ناحيه مورد نظر باشد ان ها را تقويت خواهد كرد و در غير اين صورت باعث تضعيفيا كم رنگ تر شدن لبه ها مي شود.در هر بار بكارگيري فيلتر انحراف معيار براي ناحيه مورد نظر محاسبه شده و مجموعه انحراف معيار هاي محاسبه شده بردار وي?گي متناظر با اثر انگشت مورد نظر را تشكيل مي دهد.در فاز تطبيق اين بردار هاي وي?گي هستند كه با هم مقايسه مي شوند.

سيستم هاي تطبيق مبتني بر ريزه مي توانند به يكي از اين دو شيوه عمل كنند :
در تطبيق نقاط، موقعيت مكاني ، نوع ريزه و جهت لبه اي كه ريزه بر روي ان قرار گرفته به عنوان خصوصيات اثر انگشت ذخيره شده و سپس در فاز تطبيق بررسي مي شود كه چند ريزه به خصوصياتيكسان بر روي هم رديف مي شوند.
براي بررسي اين موضوع دو اثر انگشت به گونه اي بر روي هم قرار مي گيرند كه بيشترين ريزه با خصوصياتيكسان بر روي هم رديف شوند.سپس اين تعداد شمرده شده و با مقدار حد استانه مقايسه مي شود و تصميم لازم نيز اتخاذ مي گردد.
در روش تطبيق ساختاري،ديگر به موقعيت مكاني ريزه ها توجهي نمي شود بلكه ساختار اطراف ان و يا به عبارت ديگر نوع ريزه هايي كه در همسايگي يك ريزه قرار دارند به عنوان خصوصيات ان مد نظر قرار مي گيرد.بدين صورت يك زير گراف براي يك ريزه تشكيل مي گردد و اين زير گراف هاي ريزه ها هستند كه با هم تطبيق داده مي شوند.
 
 
Back to content | Back to main menu