Система идентификации личности по отпечаткам пальцев. Подсистема распознавания

2. Функциональное назначение системы

Реализация системы идентификации  личности по отпечаткам позволит интегрировать  в едином интерфейсе все этапы обработки изображения отпечатка пальца и сравнения его с другими отпечатками:

1. модификация изображения, исправление искажений;
2. выделение локальных особенностей – минюций. Формирование списка минюций в абсолютных параметрах;
3. сортировка списка абсолютных параметров, исключение ложных  и ненадежных минюций;
4. конвертирование абсолютных параметров в отностительные, формирование списка относительных параметров;
5. установка системы допусков для учета корреляцции изображений;
6. сравнение одного отпечатка с множеством других.

3. Особенности и условия эксплуатации системы

Система идентификации личности по отпечаткам пальцев предназначена для работы с цифровыми изображениями, полученными посредством сканирования.

Получение электронного представления  отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором – достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы.

На сегодняшний момент можно  выделить следующие сканеры отпечатков пальцев по используемым ими физическим принципам:

• оптические;
• кремниевые;
• ультразвуковые.

Старейшей технологией сканирования отпечатка является оптическая. Сканирование отпечатка пальца мини-камерами на ПЗС или КМОП-чипе позволило существенно уменьшить стоимость систем идентификации. Но этот способ снятия отпечатка сталкивается с некоторыми трудноразрешимыми проблемами: получаемый образ зависит от окружающего освещения, на границах образа возможны искажения, датчик может быть относительно легко "обманут" (некоторые дешевые датчики можно "дурачить" печатной копией, сделанной на обычном копире). Остаются проблемы и с размерами сканера. Датчик не может быть меньше, чем фокусное расстояние камеры. Среди главных преимуществ оптических систем можно еще раз упомянуть относительно низкую цену и практическую неуязвимость к воздействию электростатического разряда.

Абсолютно новой является технология использования электромагнитного  поля. Датчик излучает слабый электромагнитный сигнал, который следует по гребням и впадинам отпечатка пальца и учитывает изменения этого сигнала для составления образа отпечатка. Такой принцип сканирования позволяет просматривать рисунок кожи под слоем омертвевших клеток, что приводит к хорошим результатам при распознавании бледных или стершихся отпечатков. Остается проблема отсутствия приемлемого соотношения между размером датчика и его разрешающей способностью.

Еще одна перспективная технология, которую следует упомянуть - ультразвуковая. Трехмерный ультразвуковой сканер измеряет пересеченную поверхность пальца своего рода радаром. Этот метод сканирования может быть особенно удобен, например, в здравоохранении. Он не требует касания каких-либо считывающих устройств датчика стерильными руками, а отпечаток легко считывается даже через резиновые или пластиковые перчатки хирурга. Главное неудобство ультразвуковой технологии - ее высокая стоимость и длительное время сканирования.

Существуют и другие методы, либо использовавшиеся в прошлом, либо только разрабатываемые.

Полученные таким образом изображения имеют размер порядка нескольких мегапикселей и должны сохраняться в формате без сжатия, чтобы избежать искажений. Таким образом, объем графической информации, обрабатываемый системой, достаточно велик и составляет мегабайты. Эти особенности накладывают ограничения на использование непроизводительных и медленных алгоритмов.

4. Требования к функциональной структуре

Построение системы идентификации личности по отпечаткам пальцев предполагает модульную структуру. Общий интерфейс и возможность доступа ко всем модулям в составе системы должна обеспечивать оболочка. Из оболочки вызываются следующие модули: подсистема анализа изображения, подсистема сравнения одного отпечатка с множеством других. Обмен данными между подсистемами происходит через проект в рамках общей оболочки.

Подсистема анализа изображения должна обеспечивать возможность получения основных статистических характеристик папиллярного узора по ключевым участкам. Подсистема предполагает наличие средств для получения качественного образа отпечатка пальца.

Подсистема сравнения изображений отпечатков служит для автоматизированного выявления схожести различных изображений папиллярного узора.

5. Требования к техническому обеспечению

Задача обработки изображений  в системе связана с автоматическим анализом больших массивов графической информации. Преобразования, проводимые в системе, должны проводиться в процессе интерактивного взаимодействия с пользователем, поэтому паузы на обработку не должны превышать нескольких секунд. Исходя из этого, сформулированы требования к техническим характеристикам персонального компьютера, на котором будет функционировать система. Требования сведены в табл.1.1.

Таблица 1.1

Технические характеристики персонального  компьютера

Наименование	Значение
Частота процессора, МГц	от 900
Объем оперативной памяти, Мб	от 64
Разрешение экрана монитора	не менее  1024x768

 

6. Требования к информационному обеспечению

Система предназначена для обработки  битовых изображений. Вследствие неточностей, шумов и аппроксимаций, вносимых оборудованием (сканер или любое иное дискретизирующее графику устройство) в изображении появляются шумы различной природы. Система позволяет частично избавиться от этих искажений. Поэтому качество входных образов должно быть на приемлимом уровне.

Основным видом информации, обрабатываемым в системе идентификации личности, является графическая информация в растровом представлении. Такой вид данных воспринимается человеком непосредственно и целостно, поэтому необходимо обеспечить средства наглядной визуализации изображений на различных этапах обработки.

7. Требования к программному обеспечению

Систему целесообразно разрабатывать  для функционирования под операционной системой семейства Windows, так как ОС данного класса наиболее широко распространены в современном мире. Платформой для разработки выбрана среда для разработки приложений Microsoft Visual Studio C++ 2003. Эта среда поддерживает алгоритмический язык C++ и обладает при этом возможностями быстрой разработки и проектирования визуальных интерфейсов, что особенно важно при работе с графической информацией.

4. Основные технические решения проекта системы

1. Решение по комплексу технических средств

Как уже отмечалось в п. 1.3.5, для  достижения удобного пользователю режима функционирования системы необходимо следующая минимальная конфигурация персонального компьютера: частота процессора 900 МГц, объем оперативной памяти 64 Мб, монитор, поддерживающий разрешение 1024x768 точек. Также желательно наличие следующих периферийных технических средств: сканер отпечатков пальцев, цветной струйный принтер для вывода на печать результатов.

2. Описание системы программного обеспечения

Для реализации и функционирования проекта необходимо общесистемное  программное обеспечение ОС Windows XP, в основе которой лежит ядро, характеризуемое 32-разрядной вычислительной архитектурой и полностью защищенной моделью памяти, что обеспечивает надежную вычислительную среду.

Разработка системы распознавания личности и ее подсистем будет вестись с использованием среды для разработки приложений Microsoft Visual Studio C++ 2003. Среда разработки включает в себя высокопроизводительный 32-битный компилятор, что позволяет оптимизировать создаваемый код. Microsoft Visual Studio C++ включает обширный набор средств, который повышает производительность труда программистов и сокращают продолжительность цикла разработки. Многофункциональная интегрированная среда разработки Microsoft Visual Studio C++ 2003 включает компилятор, удовлетворяющий стандарта ANSI/ISO, встроенный дизайнер форм, богатый набор средств для работы с компонентами, инструмент Solution Explorer, менеджер проектов и отладчик. Удобство разработки и эффективность созданных в данной среде разработки программа делают Microsoft Visual Studio C++ 2003 оптимальным выбором для построения исследовательской системы, какой является система распознавания личности.

 

РАЗРАБОТКА ПОДСИСТЕМЫ РАСПОЗНАВАНИЯ

5. Описание постановки задачи распознавания

1. Характеристика задачи

При приложении пальца к сканирующему устройству возможно смещение или поворот  изображения отпечатка пальца по сравнению с тем, что уже хранится в базе. Данные погрешности не должны оказывать влияние на результат распознавания получаемого отпечатка пальца. Для этого был разработан алгоритм преобразования абсолютных параметров минюций к относительным. Посредствам такого преобразования удается предоствратить негативное влияние поворота и смещения, и распознать отпечаток, даже если он повернут на 180°.

Представим структурное представление  отпечатка пальцев в виде списка M, содержащего параметры специальных точек:

Каждый из наборов параметров представляет собой одну точку. Для приведения параметров к относительным параметрам необходимо провести обзор и преобразование всех точек.

Вследствие эластичности кожи и  роста человека расстояние между  точками может измениться, также точки, находящиеся ближе к краю отпечатка могут сместиться относительно других точек, что не должно влиять на результат распознавания, однако разные точки так же не должны быть приняты за одну. Для этого в подсистеме распознавания была разработана система допусков при сравнении двух отпечатков. Значения допусков были получены опытным путем, так же как и условия совпадения отпечатков.

Таким образом, задача распознавания  отпечатка пальцев по абсолютным параметрам минюций на изображении  может быть разбита на несколько подзадач:

1. разработка алгоритма, обеспечивающего компенсацию влияния перемещения или поворота отпечатка пальца;
2. разработка и реализация системы допусков и критериев схожести при поиске подходящего отпечатка по существующей базе отпечатков;
3. сравнение минюций на отпечатках пальцев с использованием полученых критериев и обнаружение схожести отпечатков по количеству совпавших минюций.

2. Входная информация

Входной информацией являются список минюций в абсолютных параметрах, расположенный в памяти, содержащий все необходимые параметры. Каждый элемент массива содержит все необходимые параметры минюций: координаты целого типа – 2х4 байта, угол направления 8 байт, тип точки 1 байт, поэтому общий размер массива должен быть кратен 2*4+8+1 = 17 байт.

 

,

 

где X_i, Y_i – координаты минюций на растровом представлении изображения отпечатка пальцев, целые числа, величина которых ограничена размером изображения отпечатка в пикселах;

α_i – направление предполагаемого продолжения гребня на отпечатке пальцев в точки типа окончание и направление слипания для точки типа раздвоение, дробное число, величина которого изменяется (–pi, +pi);

Т_i – тип обнаруженной точки, битовое поле, принимает 2 значения «раздвоение» = 0 (false) и «окончание» = 1 (true);

k – количество минюций на исследуемом отпечатке.

Так же в качестве входной информации для данной задачи являются матрицы, содержащие список минюций в абсолютных параметрах, хранящиеся в базе данных отпечатков, содержащие все, необходимые для распознавания, параметры найденные при предыдущих расчетах параметров отпечатков пальцев. В каждой строке массива содержится описание расположения одной точки на изображении отпечатка, а так же ее направление, тип и видимость. В табл. 2.1 приведен формат элемента матрицы.

Таблица 2.1

Формат элемента матрицы

 

Поле	Формат	Описание
x	Целое	Абцисса минюции на растре
y	Целое	Ордината минюции на растре
alpha	Целое	Ориентация минюции  на растре
type	Байт	Тип минюции. Раздвоение или окончание
show	Байт	Видимость точки

 

2.1.3. Выходная информация

Выходной информацией для данной подсистемы является список, содержащий отпечатки из базы данных, в которых были обнаружены сходства с обрабатываемым отпечатком. Значение, говорящее о том, что отпечатки совпали, так же получено опытным путем.

В каждой строке массива списка содержится описание отпечатка, его имя, количество совпавших точек при распознавании и степень сходства. В табл. 2.2 приведен формат строки.

 

Таблица 2.2

Формат строки

 

Поле	Формат	Описание
Name	Строковое	Имя отпечатка (наименование файла, из которого были взяты параметры)
Count	Целое	Количество минюций  совпавших при сравнении отпечатков.
Pct	Дробное	Степень сходства отпечатков в процентах, принимает значения (0, 100].

 

3. Математическая постановка задачи