Nghiên cứu các đặc điểm vân tay ứng dụng vào công tác hình sự tại công an tỉnh bình định

3
Phương pháp sinh trắc vân tay được ứng dụng rộng rãi vì
đây cũng là cách mà con người sử dụng để nhận dạng một người.
Sự hình thành của nó phụ thuộc vào điều kiện ban đầu và nó cũng
không thay đổi theo thời gian sau khi lớn lên. Người ta ước tính
khoảng 64 tỷ người thì mới có 2 người có vân tay giống nhau. Vân
tay là một trong những phương pháp sinh trắc quan trọng đã được
sử dụng từ rất lâu trong các vấn đề pháp lý và điều tra tội phạm.
Nó đã trải qua một khoảng thời gian dài được nghiên cứu và phát
triển.
Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn và trên cơ sở nghiên cứu các
yêu cầu đặt ra của bài toán, tôi lựa chọn hướng giải quyết là
"Nghiên cứu các đặc điểm vân tay ứng dụng vào công tác hình sự
tại Công an tỉnh Bình Định" nhằm giải quyết được các vấn đề tìm
kiếm mà các phương pháp khác không thực hiện được, đó là lý do
tôi chọn đề tài này.
2. Mục đích nghiên cứu
- Đối sánh 2 ảnh vân tay: Mở 2 ảnh vân tay và đối sánh
xem có đồng nhất hay không.
- Nhận dạng ảnh vân tay: So sánh vân tay có trong cơ sở
dữ liệu hay không và in ra họ tên (nếu tồn tại trong cơ sở dữ liệu).
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Các đối tượng phạm tội.
- Các đối tượng đã làm chứng minh nhân dân.
- Phương pháp phân tích thiết kế hệ thống.
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Đặc điểm vân tay người.


4
- Ứng dụng tại Công an tỉnh Bình Định
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Các tài liệu về đặc điểm vân tay.
- Các tài liệu về ngôn ngữ C#.
- Các tài liệu về phương pháp phân tích và thiết kế hệ thống
thông tin và ngôn ngữ UML.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
5.1. Về mặt lý thuyết: Tài liệu giới thiệu tổng quan, đặc điểm
vân tay và ứng dụng vào thực tiễn công tác của Công an tỉnh Bình
Định.
5.2. Về mặt thực tiễn: Áp dụng hệ thống nhận dạng vân tay tự
động hỗ trợ việc tìm kiếm, truy nguyên một cá nhân phục vụ tìm kiếm
tội phạm.
6. Cấu trúc của luận văn
Cấu trúc của luận văn gồm 3 chương:
Chương 1, "Các đặc điểm vân tay con người". Trong chương
này, luận văn sẽ giới thiệu các đặc tính, hình dạng của các đường vân,
quá trình nghiên cứu và sử dụng vân tay, cơ chế hình thành của
đường vân.
Chương 2, "Nhận dạng vân tay". Trong chương này, luận văn
sẽ giới thiệu các ứng dụng sinh trắc, các thuật toán xử lý ảnh vân tay
và so khớp vân tay.
Chương 3, "Xây dựng hệ thống chương trình nhận dạng vân
tay", luận văn sẽ triển khai và xây dựng chương trình ứng dụng dựa
vào các đặc tính khác nhau của đường vân, các điểm đặc biệt của
đường vân để đối sánh với nhau.


5
Phần kết luận và hướng phát triển sẽ tổng hợp những kết quả
nghiên cứu của luận văn, những ưu và nhược điểm của luận văn, qua
đó đưa ra hướng phát triển của đề tài.
CHƢƠNG 1
CÁC ĐẶC ĐIỂM VÂN TAY CON NGƢỜI
1.1. KIẾN THỨC CHUNG VỀ VÂN TAY
1.1.1 Mấy nét về quá trình nghiên cứu và sử dụng vân tay
1.1.2. Những cơ sở khoa học của vân tay
a. Cấu tạo của da
Da bao bọc cơ thể con người như một lớp vỏ là cơ quan thực
hiện chức năng bảo vệ cơ thể, điều chỉnh nhiệt độ, sự bài tiết, thoát
mồ hôi hô hấp và xúc giác. Gồm 3 lớp:
- Lớp thượng bì: Lớp da này gồm nhiều thành phần khác nhau,
phần trên cùng gọi là da sừng, da sừng thường bị thay đổi bởi nó luốn
tiếp xúc với mọi vật. Những người lao động chân tay trên lòng bàn
tay của họ hình thành một lớp da cứng hóa chai, có tác dụng tăng
cường bảo vệ cho lớp da bên trong.
- Lớp đệm: Lớp này chủ yếu là các dây thần kinh cảm giác,
các tuyến mồ hôi qua đó được thoát ra bề mặt của da thông qua các lỗ
thoát mồ hôi nhỏ li ti. Trong thành phần mồ hôi, nước chiếm tỷ lệ
98%, còn lại là các chất hữu cơ, vô cơ khác như NaCl, các a xít
béo…
- Lớp hạ bì: Lớp này chủ yếu là các tế bào mỡ được tạo thành
như một mạng lưới gồm các sợi của mô liên kết. Mô liên kết đã làm
cho toàn bộ cấu tạo của da có sự đàn hồi cần thiết
b. Sự hình thành của đường vân
c. Đặc tính của vân tay


6
- Tính riêng biệt: Không có sự giống nhau tuyệt đối giữa vân
tay của người này so với vân tay của người khác.
- Tính bền vững: Từ khi sinh ra, lớn lên rồi trưởng thành và cho
đến lúc chết vân tay không thay đổi so với trạng thái hình dạng ban
đầu.
- Để lại dấu vết: Do có mồ hôi thoát ra nhờ lỗ chân lông, nên
khi bàn tay cầm nắm hoặc sờ vào một vật gì bao giờ cũng để lại dấu
vết vân tay ở vật đó.
1.2. HÌNH DẠNG CỦA ĐƢỜNG VÂN
1.2.1. Khái niệm và cơ chế hình thành dấu vết đƣờng vân
- Khái niệm: Dấu vết đường vân là dấu vết phản ánh cấu trúc
đường vân của con người (đối tượng gây vết) trên vật mang dấu vết.
- Cơ chế hình thành Trong mồ hôi có nước, các chất hữu cơ và
các chất vô cơ. Khi chân tay tiếp xúc vào vật đã để lại dấu vết và khi
nước bay hơi còn các thành phần khác sẽ dính trên vật mang vết tạo
các dấu vết đường vân.
1.2.2. Các dạng đƣờng vân
a. Vân tách nhánh
b. Vân đứt đoạn
c. Đoạn vân ngắn
d. Đường vân cụt
e. Vân hình hồ
f. Vân hình đảo
g. Vân nối ngang
h. Vân đối diện
i. Vân móc
j. Vân chấm
k. Vân hội tụ


7
l. Vân vòng khúc
m. Vân giới hạn
1.2.3. Hình chung của một điểm chỉ
a. Khái niệm điểm chỉ
b. Giới hạn của một điểm chỉ
1.2.4. Các dạng điểm chỉ cơ bản và điều kiện của nó
a. Điểm chỉ hình cung (chiếm tỷ lệ 5%)
b. Điểm chỉ hình quai (chiếm tỷ lệ 60%)
c. Điểm chỉ hình xoáy (chiếm tỷ lệ 35%)
1.3. TÂM ĐIỂM
1.3.1. Khái niệm
1.3.2. Tâm điểm dạng vân cơ bản hình quai
1.3.3. Tâm điểm trong vân xoáy
1.4. TAM PHÂN ĐIỂM
1.4.1. Khái niệm
1.4.2. Các dạng tam phân điểm
1.4.3. Phƣơng pháp xác định tam phân điểm
1.4.4. Một số chú ý khi xác định tam phân điểm
1.5. KẾT CHƢƠNG 1
CHƢƠNG 2
NHẬN DẠNG VÂN TAY
2.1. GIỚI THIỆU
2.1.1. Ứng dụng sinh trắc
2.1.2. Các phƣơng pháp sinh trắc
2.2. VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ NHẬN DẠNG VÂN TAY
2.3. NHẬN DẠNG VÂN TAY TỰ ĐỘNG
2.3.1. Thu nhận ảnh vân tay
2.3.2. Nâng cao chất lƣợng ảnh


8
a. Đặt vấn đề
Mục đích của thuật toán nâng cao chất lượng ảnh vân tay là
làm tăng độ rõ nét của các đường vân trong ảnh vân tay cũng như là
giảm bớt các yếu tố nhiễu tồn tại trong ảnh. Các thuật toán này có thể
được thực hiện trên ảnh mức xám hoặc ảnh hưởng vân nhị phân. Do
các đường vân và rãnh vân trong ảnh vân tay có đặc tính là xen kẻ
nhau và chạy song song nhau trong một vùng cục bộ, vì thế một số
heurristic đơn giản có thể được sử dụng để phân biệt giữa các cấu
trúc đường vân thật và cấu trúc đường vân giả trong các ảnh đường
vân nhị phân. Còn trong các ảnh vân tay mức xám, các đường vân và
rãnh vân trong một vùng cục bộ sẽ tạo thành nên một mặt phẳng uốn
theo dạng hình sin có tần số và hướng xác định. Nên đã có nhiều
phương pháp thuật toán nâng cao chất lượng thực hiện dựa vào yếu tố
trên. Đáng chú ý là phương pháp sử dụng tập bộ lọc cố định.
b. Thuật toán phương pháp sử dụng bộ lọc cố định
 Giới thiệu
 Lọc ảnh vân tay
 Trích chọn đường vân
 Nâng cao chất lượng ảnh
 Đánh giá kết quả thuật toán
Phương pháp này sử dụng bộ lọc để lọc nhiễu và nâng cao độ
rõ nét đường vân, nhưng một phương pháp tiếp cận khác. Bằng cách
sử dụng một tập bộ lọc Gabor có chỉ số hướng và tần số đường vân
cố định để cho ra một tập gồm các phân mảnh đường vân nhóm theo
từng giá trị hướng cục bộ. Các phân mảnh đường vân sau đó được
tổng hợp lại để xây dựng lại ảnh đường vân.
c. Tóm tắt


9
Thuật toán trên được thực hiện dựa trên bộ pand-pass nhằm
thực hiện các thao tác xoá nhiễu và nâng cao độ rõ nét của các đường
vân. Phương pháp này sử dụng một tập bộ lọc với hướng cố định để
thu về một tập các đoạn đường vân có hướng tương ứng, sau đó thực
hiện việc tái tạo lại các đường vân hoàn chỉnh từ nội dung của các tập
ảnh đường vân phân mảng. Thuật toán này mang lại hiệu quả rõ rệt
trong việc nâng cao chất lượng ảnh vân tay, nhất là trong các ảnh vân
tay đầu vào có chất lượng trung bình hoặc thấp, từ đó làm nâng cao
hiệu quả của thao tác trích chọn đặc trưng.
2.3.3. Trích chọn đặc trƣng
a. Đặt vấn đề
Trích chọn đặc trưng là quá trình rút trích các đặc trưng đại
diện cho ảnh vân tay, được gọi là các chi tiết đặc trưng từ ảnh vân
tay. Các đặc trưng đại diện này yêu cầu phải có thuộc tính là khả
năng bảo toàn tính đặc thù để phân biệt có trong ảnh vân tay, đồng
thời phải có tính cô đọng, hỗ trợ chặt chẽ quá trình đối sánh và ít bị
tác động bởi nhiễu hoặc sai lệch trong ảnh vân tay, ngoài ra còn yêu
cầu phải dễ tính toán.
b. Trích chọn đặc trưng từ ảnh đường vân nhị phân
 Giới thiệu
 Thuật toán
 Mã hóa điểm ảnh
 Tiền lọc
 Nâng cao chất lượng đường nét
 Loại bỏ các điểm chi tiết đặc trưng giả
 Loại bỏ các điểm chi tiết đặc trưng gần nhau
 Kiểm định sơ đồ hình học
 Loại bỏ các ốc đảo


10
 Kiểm định các điểm phân nhánh
 Kiểm định điểm cuối
 Các đường vân hội tụ
 Đánh giá kết quả thuật toán
Thuật toán đã nâng cao đáng kể tính đúng đắn của tập các chi
tiết đặc trưng sau khi được trích chọn. Bằng phương pháp kiểm định
các thuộc tính cùng quan hệ tương đối giữa các chi tiết đặc trưng,
thuật toán đã cho phép nhận diện khá chính xác các điểm chi tiết đặc
trưng giả. Hiệu quả mà thuật toán này mang lại là rất lớn vì nó giúp
cho quá trình đối sánh tập chi tiết đặc trưng sau này được chính xác
hơn.
Thuật toán đã được kiểm định với tập ảnh vân tay đã được làm
mảnh. Thuật toán giảm số lượng điểm ngừng nhiều nhất trong bước
kiểm định điểm cuối do nó thực hiện trên các vùng biên ảnh. Còn đối
với các điểm phân nhánh thì các bước xóa bỏ cầu nối và đường gai,
xóa bỏ các chi tiết đặc trưng gần nhau là mang lại hiệu quả cao nhất,
điều này được gây ra chủ yếu do các vùng ảnh chất lượng thấp mà tại
đó mật độ của các điểm chi tiết đặc trưng tăng cao.
c. Tóm tắt
Thuật toán này thực hiện trích chọn các đặc trưng mang tính
toàn cục hơn của ảnh vân tay. Bằng cách sử dụng một tập các bộ lọc
có hướng cố định, thuật toán cho phép nắm bắt các thông tin mang
tính toàn cục hơn các đường vân tại từng khu vực chia của ảnh vân
tay. Thuật toán này chủ yếu tập trung trên việc kiểm tra tính hợp lệ
của các điểm chi tiết đặc trưng sau khi đã được phát hiện. Vì các chi
tiết đặc trưng giả nếu không được phát hiện và loại bỏ thì có thể sẽ
làm giảm đáng kể hiệu quả của giai đoạn đối sánh sau này.


11
2.3.4. Phân lớp ảnh vân tay
a. Đặt vấn đề
Phân lớp ảnh vân tay là kỹ thuật cho phép gán một ảnh vân vào
một trong nhiều phân lớp ảnh đã được định nghĩa trước. Mục đích
chính của nhiệm vụ này là nhằm tạo ra một cơ chế lập chỉ mục cho
ảnh vân tay để giảm thiểu không gian tìm kiếm trong quá trình nhận
dạng ảnh vân tay. Đây có thể được xem là một cơ chế đối sánh sơ
lược trước khi thực hiện các đối sánh chi tiết trong một không gian
nhỏ hơn. Thông thường, người ta sử dụng sáu lớp ảnh vân tay bao
gồm: đồng tâm (whorl), xoáy phải (right loop), xoáy trái (left loop),
cung (arch), xoáy đôi (twin loop) và cung nhọn (tented arch). Các
thuật toán phân lớp ảnh vân tay tự động thường dựa vào các đặc
trưng mang tính toàn cục của ảnh vân tay hơn là các loại đặc trưng
mang tính cục bộ. Đã có nhiều phương pháp được phát triển, chẳng
hạn như dựa trên mô hình (model-based), dựa trên kiến trúc
(structure-based), dựa trên tần số (frequency-based) và theo cú pháp
(syntatic).
b. Thuật toán phân lớp dựa trên đặc tính đường vân
 Giới thiệu
 Thuật toán
 Kiểm định đường vân
 Xác định các điểm đặc biệt
 Các đường vân quy hồi
 Phân lớp ảnh vân tay
 Đánh giá kết quả thuật toán
c. Tóm tắt
Phân lớp ảnh vân tay là một trong những yêu cầu cần thực hiện
trong các hệ thống nhận dạng ảnh vân tay cơ sở dữ liệu lớn, nhằm làm


12
giảm không gian tìm kiếm trong quá trình nhận dạng thông qua đặc
tính về lớp của ảnh vân tay. Dựa vào vị trí và số lượng các điểm đặc
biệt, hình dáng đường vân, thuật toán trên giúp chúng ta xác định
được một phần thông tin về lớp của ảnh vân tay. Điều này rất hữu ích
vì không phải tất cả các ảnh vân tay đều có thể xác định được dễ dàng
và chính xác về vị trí và số lượng của các điểm đặc biệt.
2.3.5. Đối sánh ảnh vân tay
a. Đặt vấn đề
Giai đoạn thực hiện đối sánh trong một hệ thống nhận dạng vân
tay đóng một vai trò rất quan trọng, ảnh hưởng đến quyết định cuối
cùng của hệ thống đối với việc xác định hai tập dữ liệu chi tiết đặc
trưng (một mẫu lưu trong cơ sở dữ liệu và một mẫu đầu vào) đại diện
cho hai ảnh vân tay khác nhau có phải là cùng xuất phát từ một vân
tay duy nhất hay không. Trong trường hợp lý tưởng, nếu có các điều
kiện: sự đối ứng của từng cặp chi tiết đặc trưng trong hai ảnh là biết
trước; không có những sai lệch như dịch chuyển, quay hoặc tỷ lệ và
các chi tiết đặc trưng đều được định vị một cách chính xác thì việc đối
sánh ảnh sẽ chỉ đơn giản là việc đếm số lượng cặp chi tiết đặc trưng
đối ứng nhau.
Tuy nhiên trong thực tế, các điều kiện trên là không có nên các
thuật toán đối sánh sẽ có nhiều khó khăn cần giải quyết. Các khó khăn
này bắt nguồn từ hai nguyên nhân chính: thứ nhất là dù cho hai ảnh
vân tay đó thực sự xuất phát từ một vân tay duy nhất, nhưng sự đối
ứng của các chi tiết đặc trưng là không thể biết trước được. Thứ hai
là thuật toán đối sánh ảnh phải ứng phó với các sai lệch được tạo ra
ngay từ giai đoạn thu thập ảnh như sự dịch chuyển, xoay hoặc nhiều
loại sai lệch phi tuyến khác xuất phát từ các yếu tố như độ ẩm ngón
tay, lực ấn khi thu nhận ảnh… ngoài ra các nhiễu không được xử lý

Xem chi tiết: Nghiên cứu các đặc điểm vân tay ứng dụng vào công tác hình sự tại công an tỉnh bình định