Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt 273384
- 56 trang
- file .pdf
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI THANH BÌNH
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG
NHẬN DẠNG SINH TRẮC MỐNG MẮT
Chuyên ngành : Kỹ thuật Máy tính và Truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN THỊ HOÀNG LAN
HÀ NỘI – 2014
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin, ngày càng có
nhiều những ứng dụng của công nghệ thông tin trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Và một trong những ứng dụng nổi bật của ngành công nghệ thông tin là việc nhận
dạng dựa trên các đặc điểm sinh trắc như vân tay, mống mắt, khuôn mặt của con
người được gọi là công nghệ sinh trắc.
Công nghệ nhận dạng sinh trắc học với đặc điểm có tính duy nhất, độ chính
xác và bảo mật rất cao. Trong đó, công nghệ sinh trắc mống mắt được đánh giá là
tiên tiến nhất và có độ tin cậy cao nhất đã được nghiên cứu nhiều nhưng chủ yếu ở
nước ngoài. Ở Việt Nam, đây vẫn còn là vấn đề mới, chưa có nhiều các nghiên cứu
chuyên sâu.
Với mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu, khám phá công nghệ này, học viên đã
lựa chọn, tìm hiểu về công nghệ sinh trắc mống mắt và cố gắng xây dựng thử
nghiệm một ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt.
Nội dung của luận văn là tìm hiểu, nghiên cứu về sinh trắc học và hệ thống
sinh trắc nói chung. Sau đó, học viên tiến hành đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu về sinh
trắc học của mống mắt và cấu trúc cũng như phương pháp, thuật toán được áp dụng
trong hệ thống sinh trắc mống mắt. Từ đó, học viên tiến hành xây dựng thử nghiệm
ứng dụng xác thực và nhận dạng sinh trắc mống mắt dựa trên cấu trúc và phương
pháp đã được nghiên cứu ở trên. Ứng dụng được xây dựng, lập trình và thử nghiệm
với bộ công cụ Matlab. Cuối cùng là kết quả của quá trình thử nghiệm và đánh giá
ứng dụng dựa trên kết quả thu được.
Bố cục của luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu vấn đề và xác định nhiệm vụ: Trình bày vấn đề, tính cấp
thiết, mục tiêu của luận văn.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 1
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Chương 2: Tổng quan về sinh trắc học và sinh trắc học mống mắt: Trình bày
tổng quan về sinh trắc học, sinh trắc mống mắt, hệ thống sinh trắc học, hệ thống
sinh trắc mống mắt và các thông số đánh giá chất lượng hệ thống sinh trắc.
Chương 3: Tìm hiểu các phương pháp dùng trong hệ thống sinh trắc mống
mắt: Trình bày phương pháp được tìm hiểu trong phân tách mống mắt, chuẩn hóa,
mã hóa đặc trưng và đối sánh.
Chương 4: Xây dựng ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt và kết
quả thực nghiệm: Trình bày ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt, quá
trình thu thập, thiết kế cơ sở dữ liệu, giao diện, kết quả thực nghiệm và đánh giá
ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt.
Luận văn được kết thúc bằng phần kết luận và tài liệu tham khảo.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 2
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu của tôi hoàn toàn do tôi tự làm dưới sự
hướng dẫn của cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan. Những kết quả tìm hiểu và
nghiên cứu trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công
bố trong bất cứ công trình nào.
Nếu xảy ra bất cứ điều không đúng như những lời cam đoan trên, tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm trước Viện và Nhà trường.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2014
Tác giả
Bùi Thanh Bình
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 3
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn trường đại học Bách Khoa Hà Nội,
viện Công nghệ Thông tin – Truyền thông, chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính và
Truyền thông và toàn thể các thầy cô đã ân cần dạy dỗ, chỉ bảo, định hướng nghiên
cứu cho em trong suốt một năm học vừa qua, truyền đạt cho chúng em những kiến
thức quý báu.
Em xin chân thành cảm ơn Phó giáo sư tiến sỹ Nguyễn Thị Hoàng Lan đã
giành nhiều tâm huyết, kinh nghiệm của cô để chỉ dẫn, định hướng nghiên cứu cũng
như luôn luôn góp ý cho em để hoàn thành đề tài luận văn này.
Cuối cùng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người đã luôn
động viên và tạo mọi điều kiện tốt cho em học tập và nghiên cứu thật tốt. Và gửi lời
cảm ơn tới những người bạn đã giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như hoàn
thành đề tài luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 4
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
MỤC LỤC
Danh mục hình ảnh ...................................................................................................7
Danh mục bảng ..........................................................................................................8
Chương 1: Giới thiệu vấn đề và xác định nhiệm vụ ..............................................9
1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................... 9
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 10
1.3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................... 10
Chương 2: Tổng quan về sinh trắc học và sinh trắc học mống mắt ...................11
2.1. Sinh trắc học .............................................................................................................. 11
2.2. Sinh trắc mống mắt ................................................................................................... 13
2.3. Giới thiệu chung hệ thống sinh trắc học và sinh trắc học mống mắt ........................ 14
2.3.1. Hệ thống sinh trắc học ........................................................................................ 14
2.3.2. Hệ thống sinh trắc mống mắt.............................................................................. 17
2.4. Các thông số đánh giá chất lượng hệ thống xác thực sinh trắc ................................. 18
2.4.1. Vấn đề lỗi trong hoạt động của hệ sinh trắc ....................................................... 18
2.4.2. Các thông số đánh giá chất lượng ...................................................................... 18
Chương 3: Tìm hiểu các phương pháp trong hệ thống sinh trắc mống mắt .....20
3.1. Sơ đồ khối và chức năng hệ thống nhận dạng mống mắt ......................................... 20
3.1. Phân tách ảnh mống mắt ........................................................................................... 22
3.1.1. Vấn đề ảnh mống mắt ......................................................................................... 22
3.1.2. Các phương pháp phân tách ảnh mống mắt........................................................ 23
3.1.2.1. Phương pháp dùng phép biến đổi Hough ........................................................ 23
3.1.2.2. Phương pháp vi-tích phân của Daugman......................................................... 25
3.2. Chuẩn hóa ảnh mống mắt .......................................................................................... 26
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 5
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
3.2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 26
3.2 .2. Phương pháp chuẩn hóa vùng ảnh mống mắt.................................................... 27
3.2.2.1. Mô hình Rubber Sheet của Daugman .............................................................. 27
3.3. Mã hóa đặc trưng và đối sánh ................................................................................. 29
3.3.1. Đặc trưng ảnh mống mắt .................................................................................... 29
3.3.2. Các phương pháp mã hóa đặc trưng ................................................................... 30
3.3.2.1. Phương pháp bộ lọc Gabor .............................................................................. 30
3.3.2.3. Phương pháp bộ lọc Log-Gabor ...................................................................... 32
3.3.3. Các phương pháp đối sánh ................................................................................. 32
3.3.3.1. Đối sánh dựa trên khoảng cách Hamming....................................................... 32
3.3.3.2. Đối sánh dựa trên khoảng cách Weighted Euclidean ...................................... 34
Chương 4: Xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt và kết quả thực
nghiệm ......................................................................................................................35
4.1. Phân tích ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt .................................... 35
4.2. Xây dựng các khối chức năng của ứng dụng ............................................................ 37
4.3. Triển khai cài đặt thử nghiệm ................................................................................... 42
4.4. Kịch bản, kết quả và đánh giá thử nghiệm nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt 45
Kết luận ....................................................................................................................52
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................54
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 6
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Danh mục hình ảnh
Hình 1 Cấu tạo về mắt và mống mắt ................................................................................... 13
Hình 3 Sơ đồ khối quá trình xác thực .................................................................................. 16
Hình 4 Sơ đồ khối quá trình nhận dạng ............................................................................... 16
Hình 2 Sơ đồ khối đăng ký sinh trắc.................................................................................... 16
Hình 5 Sơ đồ khối hệ thống sinh trắc mống mắt ................................................................. 20
Hình 6 Phân tách và chuẩn hóa ảnh mống mắt .................................................................... 21
Hình 7 Quá trình trích chọn đặc trưng sử dụng bộ lọc Gabor ............................................. 21
Hình 8 Tính khoảng cách dựa trên phương pháp khoảng cách Hamming .......................... 22
Hình 9 Biến đổi Hough ........................................................................................................ 25
Hình 10 Chuẩn hóa dựa trên mô hình Rubber Sheet của Daugman .................................... 27
Hình 11 Mô hình Rubber Sheet ........................................................................................... 27
Hình 12 Phần thực và phần ảo của bộ lọc Gabor 2D ........................................................... 31
Hình 13 Cách tính khoảng cách Hamming .......................................................................... 33
Hình 14 Sơ đồ khối chức năng ứng dụng xác thực sinh trắc mống mắt .............................. 36
Hình 15 Cấu trúc của các khối và các hàm sử dụng trong ứng dụng thử nghiệm ............... 37
Hình 16 Ảnh trong bộ CSDL Casia ..................................................................................... 38
Hình 17 Ảnh sau khi được phân tách vùng ảnh mống mắt .................................................. 39
Hình 18 Ảnh sau khi được chuẩn hóa .................................................................................. 40
Hình 19 Đầu ra quá trình mã hóa của mống mắt ................................................................. 41
Hình 20 Kết quả đối sánh 2 mẫu mống mắt ........................................................................ 41
Hình 21 Giao diện hệ thống sinh trắc mống mắt ................................................................. 43
Hình 22 Cơ sở dữ liệu của ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt ................... 44
Hình 23 Kết quả quá trình nhận dạng/xác thực ................................................................... 45
Hình 24 Ảnh của người cần nhận dạng................................................................................ 47
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 7
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Hình 25 Quá trình nhận dạng trong ứng dụng ..................................................................... 47
Hình 26 Kết quả quá trình nhận dạng .................................................................................. 48
Hình 27 Ảnh của mẫu mống mắt cần xác thực .................................................................... 49
Hình 28 Quá trình xác thực trong ứng dụng ........................................................................ 49
Hình 29 Kết quả quá trình xác thực ..................................................................................... 50
Danh mục bảng
Bảng 1 So sánh các công nghệ nhận dạng sinh trắc học...................................................... 13
Bảng 2 Kết quả thử nghiệm ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt ................................ 48
Bảng 3 Kết quả thử nghiệm ứng dụng xác thực sinh trắc mống mắt ................................... 51
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 8
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Chương 1: Giới thiệu vấn đề và xác định nhiệm vụ
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, sinh trắc học (biometric) gồm có vân tay, khuôn mặt, mống mắt … được
nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống. Ví dụ như trong
hộ chiếu điện tử được xác thực ở các sân bay, trong hệ thống xác thực của các cơ sở
cần bảo mật cao như cơ quan an ninh, phòng thí nghiệm, cơ sở sản xuất, hệ thống
rút tiền tự động ATM ...
Trong các sinh trắc học, sinh trắc vân tay đã được cộng đồng khoa học chấp nhận và
đã được sử dụng tương đối hiệu quả trong thực tế. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu
điểm của sinh trắc vân tay, thì vẫn tồn tại những nhược điểm như phải tiếp xúc trực
tiếp vào bề mặt thiết bị để xác thực/nhận dạng, vân tay có thể biến dạng theo điều
kiện bên ngoài như khi tiếp xúc với nước, thời tiết thay đổi, thông tin vân tay không
rõ nét do bị mờ vân tay.
Chính vì vậy, công nghệ sinh trắc học mống mắt với các ưu điểm nổi bật như không
phải tiếp xúc trực tiếp vào thiết bị, không thay đổi theo điều kiện bên ngoài … được
đánh giá là công nghệ tiên tiến nhất và đáng tin cậy nhất hiện nay. Công nghệ này
đang được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây như
hộ chiếu điện tử trong hệ thống an ninh quốc gia, xác thực thẻ tín dụng … Ngoài ra,
công nghệ mống mắt cũng là một công nghệ khó, bao gồm nhiều các thuật toán nhỏ,
phức tạp.
Cùng với thời gian nghiên cứu và sự hướng dẫn của cô giáo, học viên đã hoàn thành
đề tài luận văn với những nội dung đề ra. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, vấn đề
nghiên cứu rất mới với lượng kiến thức lớn và khó, do vậy không thể tránh được
những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 9
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Như chúng ta đã biết, vấn đề bảo mật thông tin cá nhân, xác thực và nhận dạng
thông tin đã, đang và sẽ là những vấn đề quan trọng, cấp thiết đối với mỗi cá nhân,
tổ chức và chính phủ. Vì vậy, công nghệ sinh trắc đã được nghiên cứu và ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Bên cạnh những công nghệ sinh trắc về vân tay,
khuôn mặt đã được áp dụng với những ưu và nhược điểm cố hữu, công nghệ sinh
trắc mống mắt vẫn là một công nghệ mới ở thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng, hoàn toàn có thể khắc phục được những nhược điểm của những công nghệ
sinh trắc khác.
Cũng vì lí do trên mà học viên quyết định chọn đề tài luận văn của mình là:
“Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt”
1.3. Mục tiêu của đề tài
Từ những vấn đề nêu trên, luận văn của học viên bao gồm những yêu cầu và nhiệm
vụ sau:
• Tìm hiểu về công nghệ sinh trắc, ứng dụng của công nghệ sinh trắc, các hệ
thống xác thực, nhận dạng sinh trắc và các thông số đánh giá chất lượng hệ
thống sinh trắc nói chung.
• Nghiên cứu về công nghệ sinh trắc mống mắt, hệ thống xác thực, nhận dạng
sinh trắc mống mắt và các phương pháp được sử dụng trong hệ thống sinh
trắc mống mắt.
• Xây dựng ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt sử dụng các
phương pháp đã được nghiên cứu ở trên.
• Thử nghiệm và đánh giá ứng dụng sinh trắc mống mắt với bộ công cụ
Matlab, Digital Image Processing và bộ cơ sở dữ liệu Casia.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 10
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Chương 2: Tổng quan về sinh trắc học và sinh trắc học
mống mắt
2.1. Sinh trắc học
Thuật ngữ sinh trắc học (Biometric) được ghép theo tiếng Hy Lạp từ hai từ: Bio
(thuộc về thực thể sinh vật sống) mà metriko (kỹ thuật độ đo, đo lường), thuật ngữ
này đã được hình thành trong quá trình phát triển loài người và được biết đến từ lâu
để thể hiện các đặc trưng về thể chất hay về hành vi của từng cá thể con người. Có
nhiều loại đặc trưng sinh trắc học: vân tay (Fingerprint), lòng bàn tay (Palm print),
dạng hình học bàn tay (Hand geometry), chữ ký viết tay (Hand written Signature),
khuôn mặt (Face), tiếng nói (Voice), mống mắt (Iris), võng mạc (Retina), ADN
…Những đặc trưng này đã được phát hiện từ rất sớm để nhận dạng, xác thực chủ
thể con người và hiện nay đang được quan tâm nghiên cứu phát triển ứng dụng
trong các lĩnh vực an ninh quốc phòng, thương mại điện tử. Như vậy, sinh trắc học
được coi là độ đo các đặc điểm về hành vi (chữ kỹ, dáng đi, thói quen) hoặc các
thuộc tính vật lý mang tính duy nhất của cơ thể con người cho phép nhận diện cá
thể con người. Các đặc trưng sinh trắc học của cơ thể người được sử dụng phải đảm
bảo các tiêu chuẩn sau đây:
• Tính rộng rãi: cho biết mọi người thông thường đều có đặc trưng này, tạo
khả năng sử dụng hệ thống an ninh sinh trắc học cho một số lượng lớn người.
• Tính phân biệt: đặc trưng sinh trắc học giữa hai người bất kỳ phải khác nhau,
đảm bảo sự duy nhất của chủ thể.
• Tính ổn định: đặc trưng phải có tính ổn định trong một thời gian tương đối
dài.
• Tính dễ thu thập: để khả thi trong sử dụng, đặc trưng sinh trắc học phải dễ
dàng thu nhận mẫu khi đăng ký, kiểm tra xác thực.
• Tính hiệu quả: việc xác thực sinh trắc phải chính xác, nhanh chóng và tài
nguyên cần sử dụng chấp nhận được.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 11
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
• Tính chấp nhận được: quá trình thu thập mẫu sinh trắc phải được sự đồng ý
của người dùng.
• Chống giả mạo: khả năng mẫu sinh trắc khó bị giả mạo …
Có nhiều đặc trưng sinh học khác nhau được sử dụng trong thực tế. Mỗi đặc
trưng có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, không có một đặc trưng nào
thỏa mãn tốt, đầy đủ tất cả các yêu cầu của một đặc trưng sinh trắc học nêu
trên, nghĩa là không có một đặc trưng sinh trắc học hoàn toàn tối ưu. Dưới
đây là bảng so sánh khái quát các tiêu chuẩn đánh giá tương ứng với các đặc
trưng sinh trắc học [11]:
Đặc trưng sinh trắc Tính Tính Tính Tính Tính Tính Chống
học rộng phân ổn dễ hiệu chấp giả
rãi biệt định thu quả nhận mạo
thập được
Vân bàn tay M M M M M M L
Dạng hình học bàn M M M H M M M
tay
Vây tay M H H M H M M
Dáng đi M L L H L H M
Khuôn mặt H L M H L H H
Nhiệt khuôn mặt H H L H M H L
Thói quen gõ phím L L L M L M M
Mùi H H H L L M L
Tai M M H M M H M
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 12
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Võng mạc H H M L H L L
Mống mắt H H H M H L L
Chỉ tay M H H M H M M
Giọng nói M L L M L H H
Chữ ký L L L H L H H
ADN H H H L H L L
Bảng 1 So sánh các công nghệ nhận dạng sinh trắc học
Chú ý: Các ký hiệu có nghĩa như sau: H (cao), M (trung bình) và L (thấp) [11]
2.2. Sinh trắc mống mắt
Mống mắt (Iris) chỉ có ở trong cơ thể con người. Nó nằm trong mắt, nằm sau giác
mạc và thủy dịch. Nó phát triển hoàn toàn ở tháng thứ 8 của trẻ em. Nó vô cùng độc
đáo, và không giống nhau cho dù là 2 anh em sinh đôi.
Mống mắt được hình thành bởi các lớp kết hợp của các tế bào biểu mô sắc tố, các
dây cơ cho việc điều khiển đồng tử, lớp mô đệm bao gồm các mô liên kết, các mạch
máu và lớp biên trước.
Hình 1 Cấu tạo về mắt và mống mắt
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 13
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Sự phức tạp sinh lý trong tổ chức cấu trúc của mống mắt là độc đáo, và phù hợp với
các phép đo sinh trắc học, đặc trưng cho từng cá thể con người.
Thêm vào đó, cấu trúc mống mắt là bền vững theo thời gian, và chỉ có thay đổi nhỏ
trong suốt cuộc đời của mỗi con người. Mống mắt là cơ quan nằm sau giác mạc và
thủy dịch, chính vì vậy nó được bảo vệ tốt với điều kiện bên ngoài.
Các đặc tính như được bảo vệ từ môi trường và có sự ổn định đáng tin cậy hơn theo
thời gian so với sinh trắc học phổ biến khác. Chính vì vậy, đã có rất nhiều nghiên
cứu với khoảng thời gian liên tục và được đầu tư về nhận dạng mống mắt của các
nhà nghiên cứu khác nhau và các ngành công nghiệp trên toàn thế giới đã chứng
minh các đặc tính đó.
So với các sinh trắc học khác, sinh trắc mống mắt có những ưu điểm về tính rộng rãi
(có thể sử dụng với một số lượng lớn người), tính phân biệt (đảm bảo sự duy nhất
của chủ thể), tính ổn định trong một thời gian dài, tính hiệu quả (việc xác thực phải
chính xác).
Bên cạnh đó, sinh trắc mống mắt cũng có một số nhược điểm như tính chấp nhận
được (cần phải có sự đồng ý của người dùng) và cần có sensor chuyên biệt để thu
nhận ảnh mống mắt.
2.3. Giới thiệu chung hệ thống sinh trắc học và sinh trắc học mống
mắt
2.3.1. Hệ thống sinh trắc học
Hệ thống sinh trắc học (Biometric System) thực chất là một hệ nhận dạng xác thực
dựa trên các đặc điểm về hành vi hay thuộc tính vật lý của người cần nhận dạng xác
thực. Hệ thống sinh trắc học được phân ra thành hai loại chính [11]:
• Hệ xác thực thẩm định(Verification):
Hệ thống thực hiện đối sánh 1-1 giữa mẫu sinh trắc học thu nhận được
(Biometric sample) với mẫu dạng sinh trắc học (Biometric template) đã được
đăng ký trong hệ thống từ trước. Kết quả trả lời câu hỏi mẫu sinh trắc thu
nhận có liên quan tới mẫu dạng sinh trắc hay không.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 14
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Thông thường trong hệ xác thực, hệ sẽ kết hợp với thông tin định danh chủ
thể để thực hiện chức năng xác thực thẩm định sinh trắc (Authentication).
Trong hệ xác thực thẩm định, hệ đòi hỏi cao về độ chính xác để kết quả trả
lời câu hỏi “sinh trắc học sống thu nhận được (biometric sample) có phải là
sinh trắc học của chủ thể đã lưu trong hệ thống không?”
• Hệ nhận dạng (Identification, Recognition):
Hệ thống thực hiện chức năng tìm kiếm (1-n) từ một cơ sở dữ liệu để tìm một
mẫu sinh trắc cụ thể trong các mẫu khuôn dạng sinh trắc thu thập từ trước.
Sau đó thực hiện đối sánh xấp xỉ để nhận dạng phân lớp (Classification) hoặc
nhận dạng đồng nhất (Identification), ví dụ như việc tìm mẫu vân tay tội
phạm trong hồ sơ các vân tay, từ đó xác định danh tính của chủ sở hữu vân
tay.
Sơ đồ khối chức năng của hai loại hệ thống sinh trắc được minh họa như
hình dưới. Các thành phần chức năng chủ yếu của hệ thống sinh trắc:
o Thu nhận (Sensor, Capture): thu thập mẫu sinh trắc học và biểu diễn
dưới dạng số hóa
o Tiền xử lý (Preprocessing): thực hiện xử lý dữ liệu từ dữ liệu thu nhận
ban đầu để trở thành dữ liệu biểu diễn đặc trưng của đối tượng.
o Trích chọn đặc trưng (Feature Extraction): thực hiện nhằm trích và
chọn các đặc trưng từ mẫu sinh trắc học.
o Đối sánh (Matching): thực hiện so sánh các đặc trưng vừa trích chọn
với khuôn mẫu sinh trắc đã có trước.
o Ra quyết định (Decision): dựa trên kết quả đối sánh, sẽ khẳng định
danh tính người dùng (với hệ nhận dạng) hoặc là câu trả lời đúng hoặc
sai về mẫu sinh trắc học so với khuôn mẫu sinh trắc có từ trước (với
hệ thẩm định)
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 15
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Hoạt động của hệ thống xác thực sinh trắc với các thành phần chức năng
chủ yếu của hệ thống sinh trắc như đã nói ở trên bao gồm hai giai đoạn cơ
bản [11]:
o Đăng ký (Enrollment): Đăng ký mẫu sinh trắc vào hệ thống
Hình 2 Sơ đồ khối đăng ký sinh trắc
o Xác thực hoặc nhận dạng (Verification/Identification)
Xác thực (Verification)
Hình 3 Sơ đồ khối quá trình xác thực
Nhận dạng (Identification)
Hình 4 Sơ đồ khối quá trình nhận dạng
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 16
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
2.3.2. Hệ thống sinh trắc mống mắt
Cũng tương tự như các hệ thống sinh trắc học khác, hệ thống nhận dạng xác thực
sinh trắc mống mắt bao gồm 2 giai đoạn cơ bản: Đăng ký (Enrollment) và Xác
thực/Nhận dạng (Verification/Identification).
Ở giai đoạn đăng kí, thông tin người sử dụng sẽ được nhập vào và dữ liệu sinh trắc
mống mắt sẽ được đưa vào hệ thống. Hệ thống thực hiện quá trình tiền xử lý và
trích chọn các đặc trưng từ ảnh sinh trắc mống mắt. Cuối cùng, hệ thống lưu những
đặc trưng và thông tin người dùng vào cơ sở dữ liệu.
Giai đoạn xác thực/nhận dạng là quá trình nhập thông tin và dữ liệu sinh trắc mống
mắt của người sử dụng, tiến hành tiền xử lý và trích chọn đặc trưng từ ảnh sinh trắc
mống mắt, rồi được đưa vào đối sánh. Với giai đoạn xác thực/nhận dạng, các đặc
trưng của ảnh thu nhận từ thiết bị thu nhận được đem đối sánh với những đặc trưng
trong cơ sở dữ liệu và đưa ra quyết định xác thực đúng/sai, hoặc nhận dạng
được/không.
Trong hệ thống sinh trắc mống mắt:
• Quá trình thu nhận là việc thu nhận các đặc điểm sinh trắc mống mắt của
người dùng. Trong đó, thiết bị thu nhận (Sensor, Capture) là thiết bị tương
tác với người dùng nhằm thu nhận được các đặc điểm sinh trắc của người đó.
Để thu nhận được đặc điểm sinh trắc mống mắt, thiết bị thu nhận phải là một
camera đặc biệt để quét mống mắt.
• Quá trình trích chọn đặc trưng là quá trình nhằm trích và chọn ra đặc trưng
riêng biệt của người sử dụng từ ảnh sinh trắc mống mắt và lưu lại thành các
mẫu. Mỗi người sẽ có mẫu mống mắt riêng biệt, chính sự duy nhất của mỗi
đặc trưng sinh trắc này của mỗi người được thể hiện ở sự duy nhất của mẫu
tạo ra này. Khi người sử dụng lần đầu tiên đăng ký ảnh mống mắt vào hệ
thống, mẫu tạo ra sẽ được cập nhật vào cơ sở dữ liệu mẫu. Ở những lần đăng
nhập sau, mẫu này sẽ được đem đối sánh với mẫu tương ứng ở những lần
đăng nhập đó để đưa ra quyết định.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 17
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
• Quá trình đối sánh và ra quyết định: từ mẫu mống mắt của người vừa thu
nhận được, mẫu này sẽ được đối sánh với các mẫu có sẵn trong cơ sở dữ liệu
để xác định xem mẫu này trùng với mẫu lưu sẵn nào trong hệ thống. Nếu
việc đối sánh cho thấy có một mẫu trùng hợp, hệ thống sẽ đưa ra quyết định
dựa trên việc xác thực được danh tính của mẫu mới thu nhận.
2.4. Các thông số đánh giá chất lượng hệ thống xác thực sinh trắc
2.4.1. Vấn đề lỗi trong hoạt động của hệ sinh trắc
Khi hoạt động, một hệ thống sinh trắc học thường gặp hai vấn đề lỗi sau đây:
• Lỗi khi đối sánh mẫu sinh trắc của hai người khác nhau nhưng cho kết quả là
của cùng một người. Lỗi này được gọi là loại bỏ sai (false reject hay false
match)
• Lỗi khi đối sánh hai mẫu sinh trắc của cùng một người nhưng cho kết quả
sai, vì cho rằng đó là hai mẫu của hai người khác nhau. Lỗi này được gọi là
chấp nhận sai (false accept hay false nonmatch).
2.4.2. Các thông số đánh giá chất lượng
• FAR (False Accept Ratio) - Tỷ lệ chấp nhận sai
Định nghĩa: FAR được định nghĩa là xác suất người sử dụng đưa ra lời khẳng
định sai sự thật về nhận danh của anh/cô ấy và nó sẽ được kiểm chứng như là tên
giả đó. Ví dụ A gõ ID của B để đăng nhập kiểm tra bằng sinh trắc học trên máy
B, A chỉ cần làm giả rằng anh ta là B. A diễn giải đặc điểm của anh ta để xác
minh. Nếu hệ thống sinh trắc học xác nhận A là B, khi đó có một sự chấp nhận
sai.
Vì vậy, tỷ lệ chấp nhận sai cho biết tỉ lệ trả lời là đúng đối với dữ liệu vào là sai.
Công thức tính FAR:
nFA
Tỷ lệ chấp nhận sai: TFAR = 100%
N
Trong đó, nFA là số lần chấp nhận sai trong N lần thử nghiệm
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 18
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
• FRR (False Rejection Ratio) – Tỷ lệ từ chối sai
Định nghĩa: FRR được định nghĩa là xác suất người sử dụng đưa ra một nhận
dạng đúng nhưng lại bị từ chối. Ví dụ B nhập ID của B vào đăng nhập sinh trắc
học, B cũng đưa ra đặc điểm sinh trắc học của mình, nhưng hệ thống lại đưa ra
kết quả là không khớp, khi đó có một sự từ chối sai.
Vì vậy, tỷ lệ từ chối sai cho biết tỉ lệ trả lời là sai đối với dữ liệu vào là đúng.
Công thức tính FRR:
nFR
Tỷ lệ từ chối sai: TFRR = 100%
N
Trong đó, nFR là số lần từ chối sai trong N lần thử nghiệm
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------
BÙI THANH BÌNH
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG ỨNG DỤNG
NHẬN DẠNG SINH TRẮC MỐNG MẮT
Chuyên ngành : Kỹ thuật Máy tính và Truyền thông
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÁY TÍNH VÀ TRUYỀN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. NGUYỄN THỊ HOÀNG LAN
HÀ NỘI – 2014
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, với sự tiến bộ vượt bậc của công nghệ thông tin, ngày càng có
nhiều những ứng dụng của công nghệ thông tin trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống.
Và một trong những ứng dụng nổi bật của ngành công nghệ thông tin là việc nhận
dạng dựa trên các đặc điểm sinh trắc như vân tay, mống mắt, khuôn mặt của con
người được gọi là công nghệ sinh trắc.
Công nghệ nhận dạng sinh trắc học với đặc điểm có tính duy nhất, độ chính
xác và bảo mật rất cao. Trong đó, công nghệ sinh trắc mống mắt được đánh giá là
tiên tiến nhất và có độ tin cậy cao nhất đã được nghiên cứu nhiều nhưng chủ yếu ở
nước ngoài. Ở Việt Nam, đây vẫn còn là vấn đề mới, chưa có nhiều các nghiên cứu
chuyên sâu.
Với mong muốn tìm hiểu, nghiên cứu, khám phá công nghệ này, học viên đã
lựa chọn, tìm hiểu về công nghệ sinh trắc mống mắt và cố gắng xây dựng thử
nghiệm một ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt.
Nội dung của luận văn là tìm hiểu, nghiên cứu về sinh trắc học và hệ thống
sinh trắc nói chung. Sau đó, học viên tiến hành đi sâu tìm hiểu, nghiên cứu về sinh
trắc học của mống mắt và cấu trúc cũng như phương pháp, thuật toán được áp dụng
trong hệ thống sinh trắc mống mắt. Từ đó, học viên tiến hành xây dựng thử nghiệm
ứng dụng xác thực và nhận dạng sinh trắc mống mắt dựa trên cấu trúc và phương
pháp đã được nghiên cứu ở trên. Ứng dụng được xây dựng, lập trình và thử nghiệm
với bộ công cụ Matlab. Cuối cùng là kết quả của quá trình thử nghiệm và đánh giá
ứng dụng dựa trên kết quả thu được.
Bố cục của luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Giới thiệu vấn đề và xác định nhiệm vụ: Trình bày vấn đề, tính cấp
thiết, mục tiêu của luận văn.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 1
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Chương 2: Tổng quan về sinh trắc học và sinh trắc học mống mắt: Trình bày
tổng quan về sinh trắc học, sinh trắc mống mắt, hệ thống sinh trắc học, hệ thống
sinh trắc mống mắt và các thông số đánh giá chất lượng hệ thống sinh trắc.
Chương 3: Tìm hiểu các phương pháp dùng trong hệ thống sinh trắc mống
mắt: Trình bày phương pháp được tìm hiểu trong phân tách mống mắt, chuẩn hóa,
mã hóa đặc trưng và đối sánh.
Chương 4: Xây dựng ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt và kết
quả thực nghiệm: Trình bày ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt, quá
trình thu thập, thiết kế cơ sở dữ liệu, giao diện, kết quả thực nghiệm và đánh giá
ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt.
Luận văn được kết thúc bằng phần kết luận và tài liệu tham khảo.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 2
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài nghiên cứu của tôi hoàn toàn do tôi tự làm dưới sự
hướng dẫn của cô giáo PGS.TS Nguyễn Thị Hoàng Lan. Những kết quả tìm hiểu và
nghiên cứu trình bày trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công
bố trong bất cứ công trình nào.
Nếu xảy ra bất cứ điều không đúng như những lời cam đoan trên, tôi xin chịu
hoàn toàn trách nhiệm trước Viện và Nhà trường.
Hà Nội, ngày 25 tháng 3 năm 2014
Tác giả
Bùi Thanh Bình
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 3
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn trường đại học Bách Khoa Hà Nội,
viện Công nghệ Thông tin – Truyền thông, chuyên ngành Kỹ thuật Máy tính và
Truyền thông và toàn thể các thầy cô đã ân cần dạy dỗ, chỉ bảo, định hướng nghiên
cứu cho em trong suốt một năm học vừa qua, truyền đạt cho chúng em những kiến
thức quý báu.
Em xin chân thành cảm ơn Phó giáo sư tiến sỹ Nguyễn Thị Hoàng Lan đã
giành nhiều tâm huyết, kinh nghiệm của cô để chỉ dẫn, định hướng nghiên cứu cũng
như luôn luôn góp ý cho em để hoàn thành đề tài luận văn này.
Cuối cùng em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, những người đã luôn
động viên và tạo mọi điều kiện tốt cho em học tập và nghiên cứu thật tốt. Và gửi lời
cảm ơn tới những người bạn đã giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như hoàn
thành đề tài luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn !
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 4
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
MỤC LỤC
Danh mục hình ảnh ...................................................................................................7
Danh mục bảng ..........................................................................................................8
Chương 1: Giới thiệu vấn đề và xác định nhiệm vụ ..............................................9
1.1. Đặt vấn đề ................................................................................................................... 9
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................ 10
1.3. Mục tiêu của đề tài .................................................................................................... 10
Chương 2: Tổng quan về sinh trắc học và sinh trắc học mống mắt ...................11
2.1. Sinh trắc học .............................................................................................................. 11
2.2. Sinh trắc mống mắt ................................................................................................... 13
2.3. Giới thiệu chung hệ thống sinh trắc học và sinh trắc học mống mắt ........................ 14
2.3.1. Hệ thống sinh trắc học ........................................................................................ 14
2.3.2. Hệ thống sinh trắc mống mắt.............................................................................. 17
2.4. Các thông số đánh giá chất lượng hệ thống xác thực sinh trắc ................................. 18
2.4.1. Vấn đề lỗi trong hoạt động của hệ sinh trắc ....................................................... 18
2.4.2. Các thông số đánh giá chất lượng ...................................................................... 18
Chương 3: Tìm hiểu các phương pháp trong hệ thống sinh trắc mống mắt .....20
3.1. Sơ đồ khối và chức năng hệ thống nhận dạng mống mắt ......................................... 20
3.1. Phân tách ảnh mống mắt ........................................................................................... 22
3.1.1. Vấn đề ảnh mống mắt ......................................................................................... 22
3.1.2. Các phương pháp phân tách ảnh mống mắt........................................................ 23
3.1.2.1. Phương pháp dùng phép biến đổi Hough ........................................................ 23
3.1.2.2. Phương pháp vi-tích phân của Daugman......................................................... 25
3.2. Chuẩn hóa ảnh mống mắt .......................................................................................... 26
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 5
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
3.2.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................... 26
3.2 .2. Phương pháp chuẩn hóa vùng ảnh mống mắt.................................................... 27
3.2.2.1. Mô hình Rubber Sheet của Daugman .............................................................. 27
3.3. Mã hóa đặc trưng và đối sánh ................................................................................. 29
3.3.1. Đặc trưng ảnh mống mắt .................................................................................... 29
3.3.2. Các phương pháp mã hóa đặc trưng ................................................................... 30
3.3.2.1. Phương pháp bộ lọc Gabor .............................................................................. 30
3.3.2.3. Phương pháp bộ lọc Log-Gabor ...................................................................... 32
3.3.3. Các phương pháp đối sánh ................................................................................. 32
3.3.3.1. Đối sánh dựa trên khoảng cách Hamming....................................................... 32
3.3.3.2. Đối sánh dựa trên khoảng cách Weighted Euclidean ...................................... 34
Chương 4: Xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt và kết quả thực
nghiệm ......................................................................................................................35
4.1. Phân tích ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt .................................... 35
4.2. Xây dựng các khối chức năng của ứng dụng ............................................................ 37
4.3. Triển khai cài đặt thử nghiệm ................................................................................... 42
4.4. Kịch bản, kết quả và đánh giá thử nghiệm nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt 45
Kết luận ....................................................................................................................52
Tài liệu tham khảo ..................................................................................................54
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 6
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Danh mục hình ảnh
Hình 1 Cấu tạo về mắt và mống mắt ................................................................................... 13
Hình 3 Sơ đồ khối quá trình xác thực .................................................................................. 16
Hình 4 Sơ đồ khối quá trình nhận dạng ............................................................................... 16
Hình 2 Sơ đồ khối đăng ký sinh trắc.................................................................................... 16
Hình 5 Sơ đồ khối hệ thống sinh trắc mống mắt ................................................................. 20
Hình 6 Phân tách và chuẩn hóa ảnh mống mắt .................................................................... 21
Hình 7 Quá trình trích chọn đặc trưng sử dụng bộ lọc Gabor ............................................. 21
Hình 8 Tính khoảng cách dựa trên phương pháp khoảng cách Hamming .......................... 22
Hình 9 Biến đổi Hough ........................................................................................................ 25
Hình 10 Chuẩn hóa dựa trên mô hình Rubber Sheet của Daugman .................................... 27
Hình 11 Mô hình Rubber Sheet ........................................................................................... 27
Hình 12 Phần thực và phần ảo của bộ lọc Gabor 2D ........................................................... 31
Hình 13 Cách tính khoảng cách Hamming .......................................................................... 33
Hình 14 Sơ đồ khối chức năng ứng dụng xác thực sinh trắc mống mắt .............................. 36
Hình 15 Cấu trúc của các khối và các hàm sử dụng trong ứng dụng thử nghiệm ............... 37
Hình 16 Ảnh trong bộ CSDL Casia ..................................................................................... 38
Hình 17 Ảnh sau khi được phân tách vùng ảnh mống mắt .................................................. 39
Hình 18 Ảnh sau khi được chuẩn hóa .................................................................................. 40
Hình 19 Đầu ra quá trình mã hóa của mống mắt ................................................................. 41
Hình 20 Kết quả đối sánh 2 mẫu mống mắt ........................................................................ 41
Hình 21 Giao diện hệ thống sinh trắc mống mắt ................................................................. 43
Hình 22 Cơ sở dữ liệu của ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt ................... 44
Hình 23 Kết quả quá trình nhận dạng/xác thực ................................................................... 45
Hình 24 Ảnh của người cần nhận dạng................................................................................ 47
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 7
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Hình 25 Quá trình nhận dạng trong ứng dụng ..................................................................... 47
Hình 26 Kết quả quá trình nhận dạng .................................................................................. 48
Hình 27 Ảnh của mẫu mống mắt cần xác thực .................................................................... 49
Hình 28 Quá trình xác thực trong ứng dụng ........................................................................ 49
Hình 29 Kết quả quá trình xác thực ..................................................................................... 50
Danh mục bảng
Bảng 1 So sánh các công nghệ nhận dạng sinh trắc học...................................................... 13
Bảng 2 Kết quả thử nghiệm ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt ................................ 48
Bảng 3 Kết quả thử nghiệm ứng dụng xác thực sinh trắc mống mắt ................................... 51
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 8
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Chương 1: Giới thiệu vấn đề và xác định nhiệm vụ
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, sinh trắc học (biometric) gồm có vân tay, khuôn mặt, mống mắt … được
nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực của đời sống. Ví dụ như trong
hộ chiếu điện tử được xác thực ở các sân bay, trong hệ thống xác thực của các cơ sở
cần bảo mật cao như cơ quan an ninh, phòng thí nghiệm, cơ sở sản xuất, hệ thống
rút tiền tự động ATM ...
Trong các sinh trắc học, sinh trắc vân tay đã được cộng đồng khoa học chấp nhận và
đã được sử dụng tương đối hiệu quả trong thực tế. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu
điểm của sinh trắc vân tay, thì vẫn tồn tại những nhược điểm như phải tiếp xúc trực
tiếp vào bề mặt thiết bị để xác thực/nhận dạng, vân tay có thể biến dạng theo điều
kiện bên ngoài như khi tiếp xúc với nước, thời tiết thay đổi, thông tin vân tay không
rõ nét do bị mờ vân tay.
Chính vì vậy, công nghệ sinh trắc học mống mắt với các ưu điểm nổi bật như không
phải tiếp xúc trực tiếp vào thiết bị, không thay đổi theo điều kiện bên ngoài … được
đánh giá là công nghệ tiên tiến nhất và đáng tin cậy nhất hiện nay. Công nghệ này
đang được nghiên cứu, ứng dụng và phát triển rất mạnh trong thời gian gần đây như
hộ chiếu điện tử trong hệ thống an ninh quốc gia, xác thực thẻ tín dụng … Ngoài ra,
công nghệ mống mắt cũng là một công nghệ khó, bao gồm nhiều các thuật toán nhỏ,
phức tạp.
Cùng với thời gian nghiên cứu và sự hướng dẫn của cô giáo, học viên đã hoàn thành
đề tài luận văn với những nội dung đề ra. Tuy nhiên do thời gian hạn chế, vấn đề
nghiên cứu rất mới với lượng kiến thức lớn và khó, do vậy không thể tránh được
những thiếu sót, kính mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 9
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Như chúng ta đã biết, vấn đề bảo mật thông tin cá nhân, xác thực và nhận dạng
thông tin đã, đang và sẽ là những vấn đề quan trọng, cấp thiết đối với mỗi cá nhân,
tổ chức và chính phủ. Vì vậy, công nghệ sinh trắc đã được nghiên cứu và ứng dụng
trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Bên cạnh những công nghệ sinh trắc về vân tay,
khuôn mặt đã được áp dụng với những ưu và nhược điểm cố hữu, công nghệ sinh
trắc mống mắt vẫn là một công nghệ mới ở thế giới nói chung và Việt Nam nói
riêng, hoàn toàn có thể khắc phục được những nhược điểm của những công nghệ
sinh trắc khác.
Cũng vì lí do trên mà học viên quyết định chọn đề tài luận văn của mình là:
“Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt”
1.3. Mục tiêu của đề tài
Từ những vấn đề nêu trên, luận văn của học viên bao gồm những yêu cầu và nhiệm
vụ sau:
• Tìm hiểu về công nghệ sinh trắc, ứng dụng của công nghệ sinh trắc, các hệ
thống xác thực, nhận dạng sinh trắc và các thông số đánh giá chất lượng hệ
thống sinh trắc nói chung.
• Nghiên cứu về công nghệ sinh trắc mống mắt, hệ thống xác thực, nhận dạng
sinh trắc mống mắt và các phương pháp được sử dụng trong hệ thống sinh
trắc mống mắt.
• Xây dựng ứng dụng nhận dạng xác thực sinh trắc mống mắt sử dụng các
phương pháp đã được nghiên cứu ở trên.
• Thử nghiệm và đánh giá ứng dụng sinh trắc mống mắt với bộ công cụ
Matlab, Digital Image Processing và bộ cơ sở dữ liệu Casia.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 10
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Chương 2: Tổng quan về sinh trắc học và sinh trắc học
mống mắt
2.1. Sinh trắc học
Thuật ngữ sinh trắc học (Biometric) được ghép theo tiếng Hy Lạp từ hai từ: Bio
(thuộc về thực thể sinh vật sống) mà metriko (kỹ thuật độ đo, đo lường), thuật ngữ
này đã được hình thành trong quá trình phát triển loài người và được biết đến từ lâu
để thể hiện các đặc trưng về thể chất hay về hành vi của từng cá thể con người. Có
nhiều loại đặc trưng sinh trắc học: vân tay (Fingerprint), lòng bàn tay (Palm print),
dạng hình học bàn tay (Hand geometry), chữ ký viết tay (Hand written Signature),
khuôn mặt (Face), tiếng nói (Voice), mống mắt (Iris), võng mạc (Retina), ADN
…Những đặc trưng này đã được phát hiện từ rất sớm để nhận dạng, xác thực chủ
thể con người và hiện nay đang được quan tâm nghiên cứu phát triển ứng dụng
trong các lĩnh vực an ninh quốc phòng, thương mại điện tử. Như vậy, sinh trắc học
được coi là độ đo các đặc điểm về hành vi (chữ kỹ, dáng đi, thói quen) hoặc các
thuộc tính vật lý mang tính duy nhất của cơ thể con người cho phép nhận diện cá
thể con người. Các đặc trưng sinh trắc học của cơ thể người được sử dụng phải đảm
bảo các tiêu chuẩn sau đây:
• Tính rộng rãi: cho biết mọi người thông thường đều có đặc trưng này, tạo
khả năng sử dụng hệ thống an ninh sinh trắc học cho một số lượng lớn người.
• Tính phân biệt: đặc trưng sinh trắc học giữa hai người bất kỳ phải khác nhau,
đảm bảo sự duy nhất của chủ thể.
• Tính ổn định: đặc trưng phải có tính ổn định trong một thời gian tương đối
dài.
• Tính dễ thu thập: để khả thi trong sử dụng, đặc trưng sinh trắc học phải dễ
dàng thu nhận mẫu khi đăng ký, kiểm tra xác thực.
• Tính hiệu quả: việc xác thực sinh trắc phải chính xác, nhanh chóng và tài
nguyên cần sử dụng chấp nhận được.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 11
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
• Tính chấp nhận được: quá trình thu thập mẫu sinh trắc phải được sự đồng ý
của người dùng.
• Chống giả mạo: khả năng mẫu sinh trắc khó bị giả mạo …
Có nhiều đặc trưng sinh học khác nhau được sử dụng trong thực tế. Mỗi đặc
trưng có ưu và nhược điểm riêng. Tuy nhiên, không có một đặc trưng nào
thỏa mãn tốt, đầy đủ tất cả các yêu cầu của một đặc trưng sinh trắc học nêu
trên, nghĩa là không có một đặc trưng sinh trắc học hoàn toàn tối ưu. Dưới
đây là bảng so sánh khái quát các tiêu chuẩn đánh giá tương ứng với các đặc
trưng sinh trắc học [11]:
Đặc trưng sinh trắc Tính Tính Tính Tính Tính Tính Chống
học rộng phân ổn dễ hiệu chấp giả
rãi biệt định thu quả nhận mạo
thập được
Vân bàn tay M M M M M M L
Dạng hình học bàn M M M H M M M
tay
Vây tay M H H M H M M
Dáng đi M L L H L H M
Khuôn mặt H L M H L H H
Nhiệt khuôn mặt H H L H M H L
Thói quen gõ phím L L L M L M M
Mùi H H H L L M L
Tai M M H M M H M
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 12
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Võng mạc H H M L H L L
Mống mắt H H H M H L L
Chỉ tay M H H M H M M
Giọng nói M L L M L H H
Chữ ký L L L H L H H
ADN H H H L H L L
Bảng 1 So sánh các công nghệ nhận dạng sinh trắc học
Chú ý: Các ký hiệu có nghĩa như sau: H (cao), M (trung bình) và L (thấp) [11]
2.2. Sinh trắc mống mắt
Mống mắt (Iris) chỉ có ở trong cơ thể con người. Nó nằm trong mắt, nằm sau giác
mạc và thủy dịch. Nó phát triển hoàn toàn ở tháng thứ 8 của trẻ em. Nó vô cùng độc
đáo, và không giống nhau cho dù là 2 anh em sinh đôi.
Mống mắt được hình thành bởi các lớp kết hợp của các tế bào biểu mô sắc tố, các
dây cơ cho việc điều khiển đồng tử, lớp mô đệm bao gồm các mô liên kết, các mạch
máu và lớp biên trước.
Hình 1 Cấu tạo về mắt và mống mắt
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 13
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Sự phức tạp sinh lý trong tổ chức cấu trúc của mống mắt là độc đáo, và phù hợp với
các phép đo sinh trắc học, đặc trưng cho từng cá thể con người.
Thêm vào đó, cấu trúc mống mắt là bền vững theo thời gian, và chỉ có thay đổi nhỏ
trong suốt cuộc đời của mỗi con người. Mống mắt là cơ quan nằm sau giác mạc và
thủy dịch, chính vì vậy nó được bảo vệ tốt với điều kiện bên ngoài.
Các đặc tính như được bảo vệ từ môi trường và có sự ổn định đáng tin cậy hơn theo
thời gian so với sinh trắc học phổ biến khác. Chính vì vậy, đã có rất nhiều nghiên
cứu với khoảng thời gian liên tục và được đầu tư về nhận dạng mống mắt của các
nhà nghiên cứu khác nhau và các ngành công nghiệp trên toàn thế giới đã chứng
minh các đặc tính đó.
So với các sinh trắc học khác, sinh trắc mống mắt có những ưu điểm về tính rộng rãi
(có thể sử dụng với một số lượng lớn người), tính phân biệt (đảm bảo sự duy nhất
của chủ thể), tính ổn định trong một thời gian dài, tính hiệu quả (việc xác thực phải
chính xác).
Bên cạnh đó, sinh trắc mống mắt cũng có một số nhược điểm như tính chấp nhận
được (cần phải có sự đồng ý của người dùng) và cần có sensor chuyên biệt để thu
nhận ảnh mống mắt.
2.3. Giới thiệu chung hệ thống sinh trắc học và sinh trắc học mống
mắt
2.3.1. Hệ thống sinh trắc học
Hệ thống sinh trắc học (Biometric System) thực chất là một hệ nhận dạng xác thực
dựa trên các đặc điểm về hành vi hay thuộc tính vật lý của người cần nhận dạng xác
thực. Hệ thống sinh trắc học được phân ra thành hai loại chính [11]:
• Hệ xác thực thẩm định(Verification):
Hệ thống thực hiện đối sánh 1-1 giữa mẫu sinh trắc học thu nhận được
(Biometric sample) với mẫu dạng sinh trắc học (Biometric template) đã được
đăng ký trong hệ thống từ trước. Kết quả trả lời câu hỏi mẫu sinh trắc thu
nhận có liên quan tới mẫu dạng sinh trắc hay không.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 14
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Thông thường trong hệ xác thực, hệ sẽ kết hợp với thông tin định danh chủ
thể để thực hiện chức năng xác thực thẩm định sinh trắc (Authentication).
Trong hệ xác thực thẩm định, hệ đòi hỏi cao về độ chính xác để kết quả trả
lời câu hỏi “sinh trắc học sống thu nhận được (biometric sample) có phải là
sinh trắc học của chủ thể đã lưu trong hệ thống không?”
• Hệ nhận dạng (Identification, Recognition):
Hệ thống thực hiện chức năng tìm kiếm (1-n) từ một cơ sở dữ liệu để tìm một
mẫu sinh trắc cụ thể trong các mẫu khuôn dạng sinh trắc thu thập từ trước.
Sau đó thực hiện đối sánh xấp xỉ để nhận dạng phân lớp (Classification) hoặc
nhận dạng đồng nhất (Identification), ví dụ như việc tìm mẫu vân tay tội
phạm trong hồ sơ các vân tay, từ đó xác định danh tính của chủ sở hữu vân
tay.
Sơ đồ khối chức năng của hai loại hệ thống sinh trắc được minh họa như
hình dưới. Các thành phần chức năng chủ yếu của hệ thống sinh trắc:
o Thu nhận (Sensor, Capture): thu thập mẫu sinh trắc học và biểu diễn
dưới dạng số hóa
o Tiền xử lý (Preprocessing): thực hiện xử lý dữ liệu từ dữ liệu thu nhận
ban đầu để trở thành dữ liệu biểu diễn đặc trưng của đối tượng.
o Trích chọn đặc trưng (Feature Extraction): thực hiện nhằm trích và
chọn các đặc trưng từ mẫu sinh trắc học.
o Đối sánh (Matching): thực hiện so sánh các đặc trưng vừa trích chọn
với khuôn mẫu sinh trắc đã có trước.
o Ra quyết định (Decision): dựa trên kết quả đối sánh, sẽ khẳng định
danh tính người dùng (với hệ nhận dạng) hoặc là câu trả lời đúng hoặc
sai về mẫu sinh trắc học so với khuôn mẫu sinh trắc có từ trước (với
hệ thẩm định)
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 15
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
Hoạt động của hệ thống xác thực sinh trắc với các thành phần chức năng
chủ yếu của hệ thống sinh trắc như đã nói ở trên bao gồm hai giai đoạn cơ
bản [11]:
o Đăng ký (Enrollment): Đăng ký mẫu sinh trắc vào hệ thống
Hình 2 Sơ đồ khối đăng ký sinh trắc
o Xác thực hoặc nhận dạng (Verification/Identification)
Xác thực (Verification)
Hình 3 Sơ đồ khối quá trình xác thực
Nhận dạng (Identification)
Hình 4 Sơ đồ khối quá trình nhận dạng
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 16
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
2.3.2. Hệ thống sinh trắc mống mắt
Cũng tương tự như các hệ thống sinh trắc học khác, hệ thống nhận dạng xác thực
sinh trắc mống mắt bao gồm 2 giai đoạn cơ bản: Đăng ký (Enrollment) và Xác
thực/Nhận dạng (Verification/Identification).
Ở giai đoạn đăng kí, thông tin người sử dụng sẽ được nhập vào và dữ liệu sinh trắc
mống mắt sẽ được đưa vào hệ thống. Hệ thống thực hiện quá trình tiền xử lý và
trích chọn các đặc trưng từ ảnh sinh trắc mống mắt. Cuối cùng, hệ thống lưu những
đặc trưng và thông tin người dùng vào cơ sở dữ liệu.
Giai đoạn xác thực/nhận dạng là quá trình nhập thông tin và dữ liệu sinh trắc mống
mắt của người sử dụng, tiến hành tiền xử lý và trích chọn đặc trưng từ ảnh sinh trắc
mống mắt, rồi được đưa vào đối sánh. Với giai đoạn xác thực/nhận dạng, các đặc
trưng của ảnh thu nhận từ thiết bị thu nhận được đem đối sánh với những đặc trưng
trong cơ sở dữ liệu và đưa ra quyết định xác thực đúng/sai, hoặc nhận dạng
được/không.
Trong hệ thống sinh trắc mống mắt:
• Quá trình thu nhận là việc thu nhận các đặc điểm sinh trắc mống mắt của
người dùng. Trong đó, thiết bị thu nhận (Sensor, Capture) là thiết bị tương
tác với người dùng nhằm thu nhận được các đặc điểm sinh trắc của người đó.
Để thu nhận được đặc điểm sinh trắc mống mắt, thiết bị thu nhận phải là một
camera đặc biệt để quét mống mắt.
• Quá trình trích chọn đặc trưng là quá trình nhằm trích và chọn ra đặc trưng
riêng biệt của người sử dụng từ ảnh sinh trắc mống mắt và lưu lại thành các
mẫu. Mỗi người sẽ có mẫu mống mắt riêng biệt, chính sự duy nhất của mỗi
đặc trưng sinh trắc này của mỗi người được thể hiện ở sự duy nhất của mẫu
tạo ra này. Khi người sử dụng lần đầu tiên đăng ký ảnh mống mắt vào hệ
thống, mẫu tạo ra sẽ được cập nhật vào cơ sở dữ liệu mẫu. Ở những lần đăng
nhập sau, mẫu này sẽ được đem đối sánh với mẫu tương ứng ở những lần
đăng nhập đó để đưa ra quyết định.
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 17
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
• Quá trình đối sánh và ra quyết định: từ mẫu mống mắt của người vừa thu
nhận được, mẫu này sẽ được đối sánh với các mẫu có sẵn trong cơ sở dữ liệu
để xác định xem mẫu này trùng với mẫu lưu sẵn nào trong hệ thống. Nếu
việc đối sánh cho thấy có một mẫu trùng hợp, hệ thống sẽ đưa ra quyết định
dựa trên việc xác thực được danh tính của mẫu mới thu nhận.
2.4. Các thông số đánh giá chất lượng hệ thống xác thực sinh trắc
2.4.1. Vấn đề lỗi trong hoạt động của hệ sinh trắc
Khi hoạt động, một hệ thống sinh trắc học thường gặp hai vấn đề lỗi sau đây:
• Lỗi khi đối sánh mẫu sinh trắc của hai người khác nhau nhưng cho kết quả là
của cùng một người. Lỗi này được gọi là loại bỏ sai (false reject hay false
match)
• Lỗi khi đối sánh hai mẫu sinh trắc của cùng một người nhưng cho kết quả
sai, vì cho rằng đó là hai mẫu của hai người khác nhau. Lỗi này được gọi là
chấp nhận sai (false accept hay false nonmatch).
2.4.2. Các thông số đánh giá chất lượng
• FAR (False Accept Ratio) - Tỷ lệ chấp nhận sai
Định nghĩa: FAR được định nghĩa là xác suất người sử dụng đưa ra lời khẳng
định sai sự thật về nhận danh của anh/cô ấy và nó sẽ được kiểm chứng như là tên
giả đó. Ví dụ A gõ ID của B để đăng nhập kiểm tra bằng sinh trắc học trên máy
B, A chỉ cần làm giả rằng anh ta là B. A diễn giải đặc điểm của anh ta để xác
minh. Nếu hệ thống sinh trắc học xác nhận A là B, khi đó có một sự chấp nhận
sai.
Vì vậy, tỷ lệ chấp nhận sai cho biết tỉ lệ trả lời là đúng đối với dữ liệu vào là sai.
Công thức tính FAR:
nFA
Tỷ lệ chấp nhận sai: TFAR = 100%
N
Trong đó, nFA là số lần chấp nhận sai trong N lần thử nghiệm
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 18
Đề tài: Nghiên cứu và xây dựng ứng dụng nhận dạng sinh trắc mống mắt
• FRR (False Rejection Ratio) – Tỷ lệ từ chối sai
Định nghĩa: FRR được định nghĩa là xác suất người sử dụng đưa ra một nhận
dạng đúng nhưng lại bị từ chối. Ví dụ B nhập ID của B vào đăng nhập sinh trắc
học, B cũng đưa ra đặc điểm sinh trắc học của mình, nhưng hệ thống lại đưa ra
kết quả là không khớp, khi đó có một sự từ chối sai.
Vì vậy, tỷ lệ từ chối sai cho biết tỉ lệ trả lời là sai đối với dữ liệu vào là đúng.
Công thức tính FRR:
nFR
Tỷ lệ từ chối sai: TFRR = 100%
N
Trong đó, nFR là số lần từ chối sai trong N lần thử nghiệm
Học viên: Bùi Thanh Bình Lớp: 12BMTTT 19