تشخیص اثر انگشت

يك سيستم بيومتری ساده دارای چهار بخش اساسی است :

1) بلوك سنسور: كه كار دريافت اطلاعات بيومتری را بر عهده دارد.
2) بلوك استخراج ويژگيها: كه اطلاعات گرفته شده را می گيرد و بردار ويژگی هاي آن را استخراج می كند.
3) بلوك مقايسه: كه كار مقايسه بردار حاصل شده با قالبها را بر عهده دارد.
4) بلوك تصميم: كه اين قسمت هويت را شنااسايي مي كند يا هويت را قبول كرده يا رد مي كند.

هر خصيصه اي از انسان مي تواند به عنوان يك ويژگي در بيو متري بكار برده شود به شرطي كه شروط زير ر ا بر آورده كند :
1) عمومي بودن : هر شخصي آن خصيصه را داشته باشد.
2) متفاوت بودن : در اشخاص ، متفاوت باشد و دو تا شبيه هم نباشد.
3) دوام داشتن : در يك بازه زماني ثابت باشد.
4) قابل بدست آوردن باشد.
در كاربردهاي زندگي روزمره سه فاكتور ديگر نيز بايد رعايت شود: كارايي (دقت، سرعت)، دسترسي (براي كاربران بي ضرر باشد) امنيت بالا.
در اين مقاله ما به معرفي تعدادي از عواملي كه دربيو متري مورد استفاده قرار مي گيرند مي پردازيم.

باز شناسي هويت از طريق اثر انگشت

اين روش قديمي ترين روش آزمايش تشخيص هويت از راه دور است. اگرچه قبلاً اثر انگشت تنها در زمينه جرم قابل بحث بود، تحقيقات در بسياري كشورها سطحي از پذيرش را نشان ميدهد كه به اين روش اجازه استفاده در برنامه هاي عمومي را مي دهد. سيستمها ميتوانند جزئياتي از اثر انگشت (نقاطي مانند تقاطعها يا كناره هاي برجستگيها) يا كل تصوير را بگيرند. الگوهاي مرجع كه براي حفظ اين جزئيات بكار ميرود در حدود 100 بايت هستند كه در مقايسه با تصوير كاملي كه از اثر انگشت با حجم 500 تا 1500 بايت ميباشد، بسيار كوچكتر هستند.

در برنامه هاي عمومي مشكلاتي در ثبات وجود دارد. بعضي كارگران و معتادان شديد به سيگار, اغلب انگشتاني دارند كه تحليل اثرانگشت آنان مشكل است. با اين وجود، طرحهاي بلند مدت و موفق زيادي در استفاده از اثر انگشت وجود داشته است. در حال حاضر اثر انگشت خوانهاي زيادي در دامنه وسيعي وجود دارند كه به همراه بعضي كارتخوانها استفاده ميشوند. اگرچه در حال حاضر قيمت آنها چندان پايين نيست اما ميزان عرضه آنان در فروشگاههاي كامپيوتر عادي باعث افت سريع قيمت آنان خواهد شد. به طور مثال شركت هواپيمايي آلماني لوفتانزا، آزمايش بليت هاي بيومتريك را آغاز كرده است. اين بليت ها با اطلاعات مربوط به اثر انگشت شصت مسافران رمزگذاري شده اند و انتظار ميرود سرعت كنترل را بدون پيچيدگي هاي امنيتي افزايش دهند.

نكته قابل توجه ديگر در سيستم هاي توليد توليد شده با استفاده از فناوري بيومتريك (اثر انگشت) قابل ملاحظه است، استقبال رو به گسترش مردم از خريد اين محصولات است. به طور مثال، شركت لنوو (Lenovo) با فروش بيش از يك ميليون كامپيوترهاي كيفي بيومتريكي كه اثر انگشت فرد صاحب آن را اسكن مي كند، به يكي از بزرگترين فروشندگان كامپيوترهاي بيومتريكي در جهان تبديل شده است.
در اين بخش سعي بر آن شده است كه اصول كلي، موانع و محدوديت هاي سيستمهاي تشخيص اثر انگشت بررسي شوند.

اصول كلي در سيستمهاي تشخيص اثر انگشت:

همانگونه كه اشاره شد، اثر انگشت يكي از روشهاي مطمئن براي شناسايي افراد مي باشد و در زمينه هايي نظير رسيدگي به جرم، سيستم هاي كنترل حوادث، كنترل مرزهاي ملي و … به كار مي رود. دليل اصلي انتخاب اثر انگشت براي شناسايي افراد اين است كه اثر انگشت هر فرد منحصر به فرد بوده و بعضي از ويژگي هاي آن تا آخر عمر ثابت باقي مي ماند و از همين ويژگي ها در تطبيق اثر انگشت استفاده مي شود. براي تطبيق دستي اثر انگشت روشهاي استانداردي وجود دارد، اما روش دستي تطبيق اثر انگشت كاري مشكل و بسيار وقت گير بوده و كارايي لازم را ندارد.البته از آنجا كه بانكهاي اطلاعاتي داراي ميليونها اثر انگشت مي باشد، عملاً تطبيق دستي اثر انگشت امري محال مي شود.

به منظور اتوماتيك كردن تطبيق بايد روشي براي تصوير و يا كد كردن اثر انگشت تعريف گردد. اين بيان تصوير بايستي شرايط زير را داشته باشد:
1) توانايي تمايز هر اثر انگشت در سطوح مختلف رزولوشن،
2)  محاسبات ساده
3)  قابليت بكارگيري در الگوريتم هاي تطبيق اتوماتيك،
4)  پايداري و عدم تغيير با نويز و خرابي ها
5) كارا بودن و نشان دادن تصاوير به صورت فشرده

اگر تصوير به صورت خام ذخيره شود، حافظه زيادي مورد نياز است و سيستم كارايي لازم را نخواهد داشت. در روشهاي ساختاري ويژگي ها از تصوير استخراج و تصوير با اين ويژگي ها شناخته شده و همچنين با استفاده از همين ويژگيها عمل تطبيق صورت مي گيرد.

اثر انگشت از برآمدگي ها و فرو رفتگي اي فلو مانندي تشكيل شده است كه بسته به وضعيت قرار گرفتن آنها ويژگي هاي مختلفي به وجود مي آيد. تا كنون 18 ويژگي براي اثر انگشت شناخته شده است كه دو ويژگي مهم آن، انتهاي برآمدگي و دوشاخه شدن برآمدگي مي باشدكه اصطلاحاً به آنها مينوتيا مي گويند. در شكل زير اين دو ويژگي نشان داده شده است:

اطلاعات مينوتيا در مولفه هاي x , y و زاويه برآمدگي ها آنها قرار دارد. ساختار توپولوژيكي مينوتاي يك اثر انگشت منحصر به فرد بوده و با گذشت زمان تغيير نمي كند. در نتيجه مي توان تشخيص اثر انگشت را بر مبناي تطبيق ساختار توپولوژيكي مينوتيا استوار ساخت. در يك تصوير انگشت با كيفيت نسبتاً خوب در حدود 70 تا 80 مينوتا وجود دارد كه البته اين تعداد در تصويرهاي جزئي به حدود 20 تا 30 ويژگي كاهش مي يابد، اما باز هم بااين تعداد مي توان عمل تطبيق اثر انگشت را انجام داد.

اكثر سيستمهاي تشخيص اثر انگشت، ساختاري بر مبناي مينوتيا دارند. در اين سيستمها سه مرحله اساسي براي تشخيص وجود دارد كه عبارتند از:
1)  پيش پردازش
2) استخراج مينوتيا
3) تطبيق مينوتيا
مرحله اول براي افزايش كيفيت تصوير انجام مي گيرد، مرحله دوم براي استخراج ويژگي هاي تصوير و مرحله آخر براي مقايسه مورد استفاده قرار مي گيرد.

در مورد تطبيق، روشهاي گوناگوني وجود دارد كه از جمله مي توان به موارد ذيل اشاره كرد:
1)  تطبيق مجموعه نقاط
2) تطبيق گراف
3) همشكلي دو زير گراف
البته عمل تطبيق بنا به دلايل زير نياز به محاسبات پيچيده دارد:
1) معمولاً كيفيت اثر انگشت پايين است.
2) بانك اطلاعاتي اثر انگشت ها بزرگ است.
3) تصوير هايي كه به صورت ساختاري آسيب ديده اند، به الگوريتم هاي نيرومندي جهت تطبيق نياز دارند.

در سيستمهاي تشخيص اثر انگشت موجود دربازار كه از اين دو ويژگي (انتهاي برآمدگي و دوشاخه شدن برآمدگي) استفاده مي شود، به علت بزرگ بودن بانك اطلاعاتي و نويز دار بودن تصاوير، يك تطبيق يك به يك عملاً مشكل بوده و از اين رو يكسري از تصوير هاي تطبيق يافته تهيه و سپس تطبيق نهايي توسط افراد متخصص انجام مي گيرد.

  استخراج ساير ويژگي ها:

علاوه بر ويژگي هاي بيان شده، در بسياري از سيستمهاي تشخيص اثر انگشت، از ويژگي هاي سطح بالا نيز استفاده مي شود. اين امر باعث افزايش صحت عمل تطبيق مي گردد. يكي از اين ويژگي هاي مهم كلاس الگوي اثر انگشت مي باشد.

اثر انگشت به پنج كلاس اصلي تقسيم مي شود كه عبارت است از:
1) كمان
2) كمان مايل
3) حلقه چپ
4) حلقه راست
5) مارپيچ

در تصاوير نويز دار و جزئي ممكن است كلاس الگو نامشخص باشد، كه در اينصورت از يك ويژگي سطح بالاتري به نام چگالي برآمدگي ها به جاي كلاس الگو استفاده مي شود كه بيانگر تعداد برآمدگي ها در واحد طول تعريف مي شود. به منظور مستقل كردن چگالي برآمدي ها از جهت تصوير، تعداد برآمدگي ها بين دو نقطه منفرد محاسبه مي شود. نقاط منفرد در اثر انگشت هسته و دلتا مي باشند. هسته بالاترين نقطه در داخلي ترين برآمدگي و دلتا يك نقطه سه شاخه است كه سه برآمدگي از كنار آن عبور مي كند. در شكل زير اين نقاط نمايش داده شده است:

کد کردن اطلاعات

در ادامه به بررسي مختصري از مراحل كد كردن اطلاعات اثر انگشت مي پردازيم:

  1)  نحوه به دست آمدن تصوير اثر انگشت:

1-1) كاغذ و مركب : در سالهاي گذشته بيشتر از روش كاغذ و مركب استفاده مي شد به اين ترتيب كه در ابتدا اثر انگشت فرد با استفاده از مركب بروي كاغذ ثبت و سپس تصوير اثر انگشت اسكن شده و فايل تصويري آن آماده مي شد، كه اين روش اكنون به علت مشكلات خاص خود و البته پيشرفت تكنولوژي كم كم منسوخ مي شود. معمولا چون كيفيت تصوير به دست آمده پايين است با
استفاده از تكنيك هاي پردازش تصوير اين نقيصه تا حدي مرتفع مي گردد.

       1-2)  روش اسكن مستقيم نوري:

روشهاي گوناگوني براي انجام اين نوع تصوير گيري وجود دارد. نمونه اي از آن در شكل زير آمده است:

1-3) با استفاده از سنسور LE

در اين روش از تكنولوژي نيمه هادي ها استفاده مي گردد. به اين ترتيب كه انگشت شخص بر روي سنسور LE كه از جنس نيمه هادي مي باشد، قرار گرفته و در نتيجه در محل هاي برآمدگي پوست انگشت كه در تماس با سنسور مي باشند، فوتون آزاد شده و به اين ترتيب اثر انگشت ثبت مي گردد.
امروزه اسكنر هايي كه براي ارتباط با كامپيوتر طراحي شده اند، به راحتي اطلاعات تصويراثر انگشت را تهيه و از طريق درگاه هاي كامپيوتر در اختيار نرم افزارهاي مربوطه قرار مي دهند.

نحوه استخراج ويژگي ها:

در اكثر سيستم ها از روشهاي ساختاري كه بر مبناي مينوتا هستند براي استخراج ويژگي ها استفاده مي شود. در اين سيستم ها در ابتداپيش پردازشهاي اوليه اي مانند يكنواخت كردن هيستوگرام، تشخيص برآمدگي ها و نازك كردن آنها روي تصوير اعمال ميگردد. سپس با استفاده از روشهاي زير به استخراج ويژگي ها و شناسايي اثر انگشت مبادرت مي ورزند:
1) روش فازي
2) روش شبكه هاي عصبي
3) ساختن گراف مربوطه به هر تصوير با استفاده از ميدان جهت دار و الگوريتم راتا
پياده سازي اين روشها يا با استفاده از كامپيوتر انجام گرفته و يا از مدارات مجتمعي كه به همين منظور ساخته شده است، انجام مي گيرد.

منبع