مبانی سامانه‌های شناسایی اثر انگشت

/ / مقالات

هادی ویسی، بهنام بخشی

شرکت سپید سیستم شریف

خرداد 1397

1- 1   مقدمه

اثر انگشت قدیمی‌ترین کاربرد زیست‌سنجی در تایید هویت است که در اواخر قرن ۱۹ میلادی به صورت رسمی یکتا بودن آن برای هر فرد تایید، و در کاربردهای قضایی به عنوان یک روش تایید هویت معتبر شناخته شد. اثر انگشت انسان ترکیبی است از فرورفتگی‌ها و برآمدگی‌های موازی یکدیگر و پیچ در پیچ بر روی پوست نوک انگشت که برای هر فرد الگویی یکتا می‌سازد (شکل 1). طرحی که از کنار هم قرار گرفتن این خطوط در کنار یکدیگر ایجاد می‌شود، به صورت تصادفی شکل می‌گیرد و در حدود هفت ماهگی رشد جنین کامل شده و پس از آن تغییری نمی‌کند مگر این که به وسیله‌ی جراحت یا سوختگی از بین برود. این ویژگی‌ها اثر انگشت را به یک گزینه‌ی بسیار مناسب برای تشخیص هویت بدل کرده است.

شکل 1 یک نمونه اثر انگشت

عملیات اصلی که در سیستم‌های تشخیص اثر انگشت و همه سیستم‌های زیست‌سنجی دیگر صورت می‌گیرد، را می‌توان در دو بخش ثبت‌نام (Enrollment) و تطبیق/مقایسه (Matching) قرار داد. هر فرد که از سیستم استفاده می‌کند ابتدا نیاز است که در آن سیستم ثبت‌نام کند. برای این کار، مشخصات زیستی فرد با استفاده از حسگر دریافت می‌کند و با استخراج ویژگی‌های مورد نیاز از آن، الگویی برای آن فرد تولید کرده و در پایگاه داده ذخیره می‌کند (شکل 2).

شکل 2 مراحل عملیات ثبت‌نام در سیستم‌های زیست‌سنجی

در مرحله‌ی شناسایی (تطبیق/مقایسه)، سیستم با دریافت مشخصات زیستی جدید از حسگر، ویژگی‌های مورد نیاز آن را استخراج می‌کند و با تشکیل الگوی مربوط به آن، الگو را با یک یا چند الگو ذخیره شده در پایگاه داده مقایسه می‌کند و در نهایت پاسخ مورد نظر را به عنوان خروجی بازمی‌گرداند. در شکل 3 شمای کلی عملیات مقایسه را ملاحظه می‌فرمایید.

شکل 3 مراحل عملیات مقایسه در سیستم‌های زیست‌سنجی

1- 2   روش‌های دریافت اثر انگشت

یک اثر انگشت را می‌توان بر اساس طریقه‌ی دریافت آن به دو دسته‌ی برون‌خط (آفلاین) و برخط (آنلاین) تقسیم کرد. دریافت آفلاین اثر انگشت معمولا به این صورت اتفاق می‌افتد که نوک انگشت به جوهر آغشته شده و به آرامی روی کاغذ فشار داده می‌شود. سپس نقش اثر انگشت از روی کاغذ به وسیله‌ی اسکنرهای معمول کاغذ اسکن شده و مورد استفاده قرار می‌گیرد. حالت آفلاین هنوز هم در محیط‌های قضایی کاربرد پیدا می‌کند. در مقابل دریافت به صورت آنلاین -که امروزه کاربرد بسیاری پیدا کرده- اثرانگشت به وسیله‌ی قرار دادن نوک انگشت بر روی سطح حسگر دریافت می‌شود. نوع خاصی از اثرانگشت که در کاربردهای قضایی اهمیت بسیار زیادی دارد، اثرانگشت نهان (Latent) گفته می‌شود که آن را از صحنه‌ی جرم بدست می‌آورند. طبیعت پوست انسان به گونه‌ای است که همواره مقداری روغن در سطح آن وجود دارد و این موضوع باعث به جای ماندن اثرانگشت در سطوحی که انگشت با آن تماس داشته می‌شود. این اثرانگشت‌ها را با استفاده از مواد شیمیایی خاصی می‌توان ظاهر و ثبت کرد.

1- 3  استخراج ویژگی

اثر انگشت یک نمایش از شکلی است که نوک انگشت در تماس با یک سطح نرم ایجاد می‌کند. مهم‌ترین ویژگی ساختاری اثر انگشت، الگوی درهم‌تنیده‌‌ی خطوطی است که از برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های روی انگشت به وجود می‌آید. در یک تصویر اثر انگشت، برآمدگی‌های اثر انگشت تیره و فرورفتگی‌های آن به صورت روشن دیده می‌شوند (شکل 4).

شکل 4 محل فرورفتگی‌های(valleys) و برآمدگی‌ها (ridges) در یک تصویر اثر انگشت

در هنگامی که اثر انگشت را در سطح کلی بررسی می‌کنیم، شکل کلی الگوهای فرورفتگی‌ها و برآمدگی‌ها را در کنار یکدیگر مورد توجه قرار می‌دهیم. در برخی از این محدوده‌ها انحناها و شکل قطع شدن خطوط الگویی مشخص ایجاد می‌کنند که آن‌ها را با عنوان محدوده‌های تکین (Singular) می‌شناسیم. محدوده‌های تکین را می‌توان در سه دسته‌ی کلی پیچ (Loop)، دلتا (Delta) و حلقه (Whorl) قرار داد (شکل 5). بسیاری از الگوریتم‌های تطبیق اثر انگشت، ابتدا تصاویر اثر انگشت را با استفاده از نقطه‌ی مرکزی اثر انگشت تراز می‌کنند. نقطه‌ی مرکزی اثر انگشت مرکز بالاترین محدوده‌ی تکین از نوع پیچ یا حلقه در تصویر می‌باشد. برای اثر انگشت‌هایی که هیچ محدوده‌ی تکین از نوع پیچ یا حلقه ندارند، مانند دسته‌ی قوس (Arch) در شکل 6، پیدا کردن نقطه‌ی مرکزی کار دشواری است و معمولا نقطه‌ای در نظر گرفته می‌شود که خطوط اثر انگشت دارای بیشترین انحنا هستند. متاسفانه برای همه‌ی اثر انگشت‌ها نمی‌توان یک نقطه‌ی مرکزی یکتا مشخص کرد.

شکل 5 محدوده‌های تکین (مربع‌های سفید) و نقاط مرکزی (دایره‌های سفید رنگ) در دو نمونه اثر انگشت

محدوده‌های تکین  معمولا برای دسته‌بندی اثر انگشت‌ها به کار می‌روند. دسته‌بندی اثر انگشت باید به گونه‌ای صورت بگیرد که هر اثر انگشت تنها به یکی از دسته‌ها تعلق داشته باشد. این عمل معمولا برای ساده‌سازی جستجو در پایگاه‌های داده انجام می‌شود.

شکل 6 اثر انگشت‌های نمونه از هر یک از پنج دسته‌ی اصلی

در سطح محلی ویژگی بسیار مهمی که از اثز انگشت استخراج می‌شود، منیوشا (Minutia) نام دارد. این ویژگی در محل‌هایی که عدم پیوستگی در خطوط الگوی اثر انگشت دیده می‌شود، اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال در یک خط در یک الگوی اثر انگشت می‌تواند ناگهان قطع شود (خاتمه یا Termination) و یا به دو خط تقسیم شود (شاخه یا Bifurcation). با این که می‌توان تقسیم‌بندی‌های دقیق‌تری نیز برای منیوشاها در نظر گرفت، اما مدل مختصات منیوشا که توسط FBI ارائه شده است، تنها دو نوع «خاتمه» و «شاخه» را در نظر گرفته است. بدین ترتیب که در آن هر منیوشا توسط نوع آن، مختصات آن (مقادیر x و y) و همچنین زاویه‌ای جهت خطوط و خط افقی می‌سازند نمایش داده می‌شود (شکل 7).

شکل 7 a) یک منیوشا  از نوع  «خاتمه» که در آن x0 و y0 مکان آن و θ زاویه‌ی آن با محور افقی را نشان می‌دهد. b) یک منیوشا از نوع «شاخه» که در آن x0 و y0 مکان آن و θ زاویه‌ی آن با محور افقی را نشان می‌دهد. c) نقاط «خاتمه» (دایره‌های سفید) و «شاخه» (دایره‌های خاکستری) در یک نمونه اثر انگشت واقعی

با وجود این که برخی از الگوریتم‌های تطبیق اثر انگشت، بر پایه‌ی برخی روش‌های همبستگی، عکس‌های اثر انگشت را مستقیما با یکدیگر مقایسه می‌کنند؛ مقایسه‌ی تصاویر اثر انگشت روشی غیرپایدار محسوب می‌شود. به همین علت اکثر سیستم‌های تشخیص اثر انگشت برای مقایسه‌ی اثر انگشت‌ها ابتدا ویژگی‌های برجسته‌ی آن را استخراج می‌کند. اکثر ویژگی‌های استخراج شده از اثر انگشت مرتبط به ویژگی‌هایی فیزیکی است که در انگشت قابل ملاحظه است (مانند محدوده‌های تکین و نقاط منیوشا) اما گاهی این ویژگی‌ها مستقیما به ویژگی‌های فیزیکی بستگی ندارد (مانند جهت محلی اثر انگشت و یا خروجی یک فیلتر). یک ویژگی ممکن است به خودی خود برای مقایسه به کار برود و یا پیش‌زمینه‌ای برای استخراج ویژگی‌های بعدی باشد. به عنوان مثال ممکن است پیش‌پردازش‌هایی بر روی عکس اثر انگشت اعمال شود برای ساده‌تر کردن استخراج نقاط منیوشا. در شکل 8 می‌توانید یک نمایش گرافیکی از بخش‌های اصلی استخراج ویژگی را ملاحظه فرمایید.

شکل 8 نمایش گرافیکی مراحل اصلی استخراج ویژگی و ارتباط داخلی آن‌ها با یکدیگر. استخراج جهت و تعداد محلی خطوط معمولا در اولین مرحله صورت می‌گیرد چون از خروجی آن‌ها می‌توان برای مراحل بعدی کمک گرفت.

1- 4   تطبیق دو اثر انگشت

در تطبیق اثر انگشت هدف این است که با دریافت دو نمونه اثر انگشت مشخص کند که آیا این دو متعلق به یک انگشت هستند یا خیر. پاسخی که این مرحله دریافت می‌کنیم پاسخ قطعی و دقیق نیست؛ تنها بیان‌گر احتمال تعلق داشتن این دو اثر انگشت به یک انگشت است. طراحی الگوریتمی که دو اثر انگشت با شباهت بسیار بالا را تطابق دهد کار دشواری نیست، اما چالش اصلی تطابق اثر انگشت‌ها زمانی است که نمونه‌ها تحت تاثیر یک یا چند مورد از موارد زیر باشند:

  • جابه‌جایی و چرخش بسیار زیاد: جابه‌جایی اثر انگشت در تصویر یا چرخش آن معمولا موجب می‌شود که بخشی از آن از تصویر خارج شود. این امر موجب می‌شود که همپوشانی کمتری بین دو نمونه وجود داشته باشد. این امر در حسگرهایی که سطح آن‌ها کوچک است بیشتر نیز حس می‌شود. در یک حسگر با وضوح تصویر 500 dpi جابه‌جایی انگشت به اندازه‌ی دو میلی‌متر، موجب می‌شود که اثر انگشت در تصویر به اندازه‌ی ۴۰ پیکسل جابه‌جایی داشته باشد.
  • اعوجاج غیرخطی: در عملیات دریافت اثر انگشت، نگاشتی از شکل سه بعدی اثر انگشت به یک تصویر دو بعدی داریم و در این بین به علت شکل انعطاف‌پذیر پوست، ممکن است در دریافت‌های متعدد از یک انگشت، اعوجاج‌های غیرخطی مختلفی داشته باشیم.
  • متفاوت بودن فشار انگشت و شرایط پوست: در هنگام دریافت اثر انگشت، در صورتی خطوط برآمدگی اثر انگشت به درستی ثبت می‌شوند که انگشت به صورت یک‌نواخت بر روی سطح حسگر قرار بگیرد. اما میزان فشار انگشت، خشک بودن بیش از حد انگشت، بیماری‌های پوستی، عرق، غبار، چربی و رطوبت هوا همگی شرایطی هستند که می‌توانند باعث شوند که انگشت نتواند در تماس یک‌نواخت بر روی سطح حسگر قرار بگیرد.
  • خطاهای استخراج ویژگی: استخراج ویژگی در عمل به صورت ایده‌آل انجام نمی‌شود و ممکن است با خطاهای اندازه‌گیری همراه باشد. به عنوان مثال برای یک تصویر اثر انگشت با کیفیت پایین ممکن است منیوشا های بسیاری به اشتباه تشخیص داده‌شوند و در عوض همه‌ی منیوشا های موجود در تصویر استخراج نشود.

شکل 9 نمونه‌هایی از اثر انگشت‌هایی که به دلایل گوناگون عملیات تطابق برای آن‌ها سخت شده است
و توسط اکثر الگوریتم‌های تطابق، به اشتباه مطابقت داده نمی‌شوند.

بنابراین یک الگوریتم تطابق خوب باید بتواند تا حد ممکن در برابر این تغییرات مقاوم باشد. الگوریتم‌های تطبیق اثر انگشت را می‌توان در سه دسته‌ی زیر قرار داد:

  • تطابق بر پایه‌ی همبستگی: در این روش دو تصویر اثر انگشت در حالت‌های مختلف (با جابه‌جایی‌ها و مقادیر چرخش مختلف) بر روی یکدیگر قرار می‌گیرند و در هر حالت میزان شباهت دو تصویر با یکدیگر سنجیده می‌شود.
  • تطابق بر پایه‌ی منیوشا: در این حالت منیوشا های موجود در دو تصویر اثر انگشت را استخراج کرده‌ایم و به صورت دو مجموعه بر روی صفحه‌ی دو بعدی قرار می‌دهیم. سپس سعی می‌کنیم نگاشتی از مجموعه‌ی اول به مجموعه‌ی دوم پیدا کنیم که در آن بیشترین جفت منیوشا صدق کنند.
  • تطابق بر پایه‌ی ویژگی‌های خطوط اثر انگشت: در این روش دو اثر انگشت بر اساس الگو‌های استخراج شده از شکل خطوط اثر انگشت با یکدیگر مقایسه می‌شوند و مطابقت داده می‌شوند.

در ادامه‌ی این بخش الگوی اثر انگشت دریافتی به هنگام ثبت‌نام با T نمایش داده می‌شود و الگوی اثر انگشت دریافتی جدید که تطابق آن با T بررسی می‌شود را I می‌نامیم. در حالتی که هیچ استخراج الگویی انجام نشده باشد نیز فرض می‌شود که تصویر اثر انگشت به صورت خاکستری در دسترس است.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *