Nội dung

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CÁC KỸ THUẬT ĐỐI SÁNH VÂN TAY DỰA TRÊN ĐẶC TRƢNG ĐIỂM CHẠC LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN HÀ NỘI - 2018 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ LÊ HỒNG HẢI NGHIÊN CỨU NÂNG CAO CÁC KỸ THUẬT ĐỐI SÁNH VÂN TAY DỰA TRÊN ĐẶC TRƢNG ĐIỂM CHẠC Chuyên ngành: Các hệ thống thông tin Mã số: 62 48 05 01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hóa 2. PGS.TS Nguyễn Hà Nam LỜI CẢM ƠN Luận án được thực hiện tại Trường Đại học Công nghệ - ĐHGQ Hà Nội, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Ngọc Hóa và PGS.TS. Nguyễn Hà Nam. Trước hết, tác giả xin được bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy Nguyễn Ngọc Hóa, thầy Nguyễn Hà Nam, những người đã hướng dẫn, đưa ra những định hướng giúp tác giả hoàn thành bản luận án này. Tác giả cũng cám ơn thầy Hà Quang Thụy, thầy Nguyễn Trí Thành, thầy Nguyễn Hải Châu đã cho tác giả nhiều lời khuyên quý báu để hoàn thiện các nội dung khoa học của luận án. Tác giả xin g i lời cám ơn tới công ty Sea-Solutions đã h trợ CS L vân tay chu n quốc tế VC 2002 trong quá tr nh thực hiện dự án xây dựng hệ thống nhận dạng vân tay Kokle. Tác giả cũng xin g i lời cảm ơn tới NCS Vũ Tiến Thành đã h trợ nhiều tài liệu quốc tế cập nhật. Tác giả xin chân thành cảm ơn Khoa Công Nghệ Thông Tin, Trường Đại Học Công Nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá tr nh học tập và nghiên cứu. Sau cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đ nh, những người thân và bạn bè đã giúp đỡ, động viên tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận án. 1 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công tr nh nghiên cứu của riêng tôi. Các nội dung viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công tr nh nào khác. Tác giả Lê Hồng Hải 2 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC K HIỆU VÀ CH VIẾT TẮT .............................................6 DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ..............................................................................7 DANH MỤC HÌNH ẢNH ......................................................................................8 DANH MỤC THUẬT TOÁN ..............................................................................12 GIỚI THIỆU CHUNG .......................................................................................13 Động lực nghiên cứu .......................................................................................... 13 Thực trạng nghiên cứu về đối sánh vân tay .......................................................15 Mục tiêu và các nội dung chính .........................................................................18 Các đóng góp của luận án ..................................................................................19 T chức của luận án ........................................................................................... 20 Chƣơng 1: KHÁI QUÁT VỀ ĐỐI SÁNH VÂN TAY DỰA TRÊN ĐIỂM CHẠC ........................................................................................................................... 22 1.1. Hệ thống nhận dạng vân tay tự động .......................................................... 22 1.2. Đặc trưng trích xuất từ ảnh vân tay ............................................................ 24 1.2.1. Thu ảnh vân tay từ bộ cảm biến ............................................................ 26 1.2.2. Nâng cao chất lượng ảnh vân tay .......................................................... 27 1.2.3. Tách đặc trưng điểm chạc .....................................................................29 1.3. Bài toán đối sánh vân tay dựa trên điểm chạc ............................................33 1.3.1. Phát biểu bài toán ..................................................................................33 1.3.2. Một số khó khăn trong quá tr nh đối sánh ............................................36 1.3.3. Giá trị tương đồng giữa hai ảnh vân tay ...............................................38 1.3.4. Đánh giá kết quả hệ thống nhận dạng vân tay ......................................38 3 1.4. Một số nghiên cứu đối sánh vân tay dựa trên điểm chạc ............................ 41 1.4.1. Đối sánh toàn cục ..................................................................................41 1.4.2. Đối sánh cục bộ .....................................................................................44 1.4.2.1. Một số cấu trúc cục bộ biểu diễn điểm chạc ...................................44 1.4.2.2. Hạn chế của một số biểu diễn truyền thống ....................................49 1.4.2.3. Biểu diễn cục bộ dựa trên mã trụ MCC Minutia Cylinder-Code) .50 1.4.3. Giai đoạn gia cố trong thuật toán đối sánh vân tay dựa trên cấu trúc cục bộ ............................................................................................................................. 53 1.5. Kết chương ..................................................................................................53 Chƣơng 2: CẢI TIẾN GIAI ĐOẠN GIA CỐ CỦA THUẬT TOÁN ĐỐI SÁNH DỰA TRÊN ĐIỂM CHẠC .............................................................................55 2.1. Các phương pháp gia cố thường s dụng ...................................................55 2.2. Giải thuật gia cố đề xuất .............................................................................59 2.2.1. Đề xuất cải tiến cho phương pháp gia cố dựa trên ph p biến h nh .......59 2.2.2. Đề xuất cải tiến cho phương pháp gia cố gia tăng ................................ 62 2.3. Đánh giá giải thuật gia cố đề xuất............................................................... 66 2.4. Kết chương ..................................................................................................67 Chƣơng 3: PHÁT HIỆN ĐIỂM ĐƠN NHẤT TỪ ẢNH VÂN TAY ..............68 3.1. Điểm đơn nhất vân tay và ứng dụng ........................................................... 68 3.2. Phát hiện điểm đơn nhất của vân tay .......................................................... 70 3.3. Đề xuất phát hiện điểm đơn nhất s dụng mạng nơ ron tích chập .............74 3.3.1. Học máy sâu .......................................................................................... 74 3.3.2. Mạng nơ ron tích chập ..........................................................................75 3.3.3. Kỹ thuật phát hiện điểm đơn nhất vân tay s dụng mạng CNN ...........78 3.3.3.1. Xây dựng mô h nh mạng CNN .......................................................78 4 3.3.3.2. Đánh giá kết quả..............................................................................81 3.4. Kết chương ..................................................................................................85 Chƣơng 4: CẢI TIẾN HIỆU N NG Đ NH DANH VÂN TAY QUY MÔ LỚN SỬ DỤNG GPU ..................................................................................................87 4.1. Đối sánh vân tay trên môi trường tính toán hiệu năng cao .........................87 4.2. Kiến trúc bộ x lý đồ họa GPU ..................................................................89 4.3. Đối sánh vân tay s dụng GPU ...................................................................91 4.3.1. Đối sánh s dụng mô tả ingerCode .....................................................91 4.3.2. Đối sánh s dụng mô tả MCC ............................................................... 91 4.4. Đề xuất đối sánh vân tay trên GPU của luận án .........................................93 4.4.1. Phương pháp đề xuất .............................................................................93 4.4.2. Kết quả thực nghiệm .............................................................................98 4.4.3. Đề xuất gia cố toàn cục trên GPU .........................................................99 4.4.4. Kết quả thực nghiệm gia cố toàn cục trên GPU..................................102 4.5. Mô h nh định danh CS L vân tay lớn trên nền dịch vụ Web ..................103 4.6. Kết chương ................................................................................................105 KẾT UẬN CHUNG VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN .......................................106 Các đóng góp của luận án ................................................................................106 Hạn chế của luận án .........................................................................................108 Hướng phát triển tiếp theo ...............................................................................108 NH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHO HỌC CỦ TÁC GIẢ LIÊN QU N ĐẾN LUẬN ÁN ..........................................................................................................110 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................111 5 DANH MỤC CÁC K HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Kí hiệu Tiếng Anh Automated Fingerprint Tiếng Việt Hệ thống nhận dạng vân tay Identification System tự động Convolution Neural Network Mạng tích chập nơ rơn Compute Unified Device Kiến trúc tính toán thiết bị Architecture hợp nhất DB Database Cơ s dữ liệu EER Equal Error Rate T lệ cân b ng l i GPU Graphic Processing Unit FMR False Match Rate T lệ chấp nhận sai FNMR False Not Match Rate T lệ từ chối sai AFIS CNN CUDA ộ x lý đồ họa Field Programmable Gate FPGA FVC Array Fingerprint Verification Mảng c ng lập tr nh được Cuộc thi xác thực vân tay Competition Sắp xếp giá trị tương đồng LSS Local Similarity Sort MCC Minutia Cylinder Code Mã trụ cho điểm chạc MLP Multilayer Perceptron Mạng nơ ron đa tầng SIMD Single Instruction Multidata cục bộ 6 DANH MỤC BẢNG SỐ IỆU Bảng 2.1: Kết quả s dụng phương pháp gia cố đề xuất ..............................................66 Bảng 3.1: Kết quả đánh giá trên tập dữ liệu đánh giá VC 2002 b-b........................83 Bảng 3.2: Kết quả đánh giá trên VC 2002 1 củaZhou và Chikkerur ....................83 Bảng 3.3: Kết quả đánh giá trên VC 2002 2 củaZhou và Chikkerur ....................84 Bảng 4.1: So sánh độ chính xác khi thay đ i thuật toán trên CS L VC 2002 1 ...98 Bảng 4.2: Thời gian thi hành của 10 truy vấn với kích thước CS L khác nhau .........99 Bảng 4.3: Thời gian thi hành truy vấn 10 kích thước CS L khác nhau s dụng ph p gia cố toàn cục s dụng GPU GTX680 .......................................................................102 Bảng 4.4: Thời gian thi hành truy vấn 10 kích thước CS L khác nhau s dụng ph p gia cố toàn cục s dụng GPU Nvidia K40 ..................................................................103 7 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Quá tr nh th m định vân tay ................................................................ 23 Hình 1.2: Tác vụ định danh vân tay .....................................................................24 Hình 1.3: Thuộc tính mức 1: gồm thông tin về các hướng đường vân a và thông tin về các điểm đơn nhất màu đỏ điểm lõi, màu xanh điểm tam phân b ..................25 Hình 1.4: Thuộc tính mức 2: gồm thông tin về các điểm kết thúc của đường vân a và các điểm đó đường vân r nhánh b ................................................................ 26 Hình 1.5: H nh ảnh một số thiết bị lấy mẫu vân tay ............................................26 Hình 1.6: Từ trái sang phải, chất lượng ảnh vân tay giảm dần ............................ 27 Hình 1.7: ộ lọc Gabor [24 ................................................................................28 Hình 1.8: Nâng cao chất lượng ảnh vân tay, từ trái qua phải: ảnh gốc, s dụng bộ lọc Gabor, bộ lọc ST T và mạng nơ ron C N [65 ...................................................29 Hình 1.9: Kết quả quá tr nh nhị phân hóa và làm mảnh ảnh vân tay...................30 Hình 1.10: Giá trị cn, a. Điểm trung gian, b. Điểm kết thúc đường vân, c. Điểm r nhánh [49 ..................................................................................................................30 Hình 1.11: Kết quả phát hiện điểm chạc từ ảnh vân tay s dụng phương pháp nhị phân và làm mảnh ..........................................................................................................31 Hình 1.12: Phát hiện điểm chạc trực tiếp trên ảnh đa mức xám .......................... 32 Hình 1.13: Mô h nh mạng nơ ron sâu phát hiện điểm chạc trực tiếp từ ảnh vân tay [86] ........................................................................................................................... 32 Hình 1.14: Các loại điểm chạc và thông tin về điểm chạc. H nh a: điểm kết thúc đường vân. H nh b: điểm đó đường vân tách làm 2 ...................................................33 Hình 1.15: Minh hoạ đối sánh giữa 2 tập điểm chạc ...........................................34 Hình 1.16: Các cặp điểm được coi là phù hợp sau quá tr nh căn ch nh nếu thỏa mãn các ngưỡng về khoảng cách và góc. Các cặp điểm được khoanh tròn là phù hợp với ngưỡng khoảng cách ts và ngưỡng góc tθ ................................................................ 36 8