Luận văn Xây dựng thư viện phần mềm trên họ ARM phục vụ bài toán nhận dạng vân tay

Trang 8 Chương 1 Mở đầu " Nội dung của chương 1 trình bày toàn cảnh về công nghệ nhận dạng vân tay, giới thiệu chung về tình hình nghiên cứu hiện nay trên thế giới và trong nước về lĩnh vực này, đồng thời nêu lên mục đích, nội dung và ý nghĩa của đề tài. 1.1 Giới thiệu về công nghệ nhận dạng vân tay Ngày nay, công nghệ sinh trắc học được ứng dụng rộng rãi trong đời sống. Trong đó, công nghệ nhận dạng vân tay là được ứng dụng nhiều nhất [13]. Người ta nhận thấy các đặc trưng vân tay không thể dễ dàng bị thay thế, chia sẽ, hay giả mạo, … Ngoài ra dấu vân tay của con người không ai giống ai, kể cả là sinh đôi cùng trứng xác suất trùng lấp dấu vân tay giữa người này với người kia gần như là 0%, và không đổi trong suốt cuộc đời. Do vậy trong việc nhận dạng một người, công nghệ này được xem là đáng tin cậy hơn so với các phương pháp truyền thống như: dùng mật khẩu, mã thẻ, ... Việc ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay đã có từ rất lâu. Tuy nhiên, trong khoảng một thời gian dài con người chỉ thực hiện việc đối sánh giữa hai dấu vân tay bằng kỹ thuật truyền thống mang nặng tính thủ công1, các kết quả của lĩnh vực này gần như không được ứng dụng trong các lĩnh vực dân sự thông thường của đời sống mà chủ yếu được sử dụng trong lĩnh vực hình sự. Với sự phát triển ngày càng nhanh chóng của ngành công nghệ điện toán thì việc sử dụng dấu vân tay để nhận dạng được áp dụng rộng rãi trong đời sống bằng Hệ thống nhận dạng vân tay tự động (AFIS). Cùng với sự phát triển mạnh các sản phẩm phần mềm nhúng và một thị trường thiết bị nhúng vô cùng to lớn [26], việc đưa công nghệ 1 Theo cách đối sánh vân tay truyền thống, để kiểm chứng hai dấu vân tay có giống nhau hay không thì phải dùng kính lúp để đối chiếu từng đường vân. Trang 9 nhận dạng vân tay lên các thiết bị nhúng đã mang lại nhiều lợi ích và hiệu quả không những cho nhà phát triển công nghệ này lên thiết bị nhúng mà còn cho xã hội. Kể từ đây, công nghệ Nhân dạng vân tay đề cập trong luận văn này chính là Hệ thống nhận dạng vân tay tự động trên hệ thống nhúng. Công nghệ này không những được ứng dụng trong lĩnh vực hình sự mà còn được ứng dụng đa dạng trong lĩnh vực dân sự, thương mại, … cụ thể là: việc xác nhận nhân thân của cá nhân khi truy cập mạng, hồ sơ cá nhân, khóa phòng trộm, thẻ ngân hàng, hệ thống chấm công, hệ thống bảo mật, … Hình 1.1 là cấu trúc cơ bản của hệ thống nhận dạng vân tay. Hệ thống này bao gồm hai chức năng chính: • Chức năng 1: Nhập và lưu trữ các vân tay của các đối tượng vào hệ thống. Trong bước nhập dữ liệu, hệ thống sẽ quét hình ảnh của các vân ngón tay hoặc quét trực tiếp từ các ngón tay người. Tiếp theo, hệ thống sẽ tự động xử lý các ảnh vân tay: xác định các điểm đặc trưng của vân tay và mã hoá thành các thông tin đặc trưng cho mỗi vân tay. Cuối cùng, các đặc trưng vân tay đã được mã hóa này được lưu trữ lại trong cơ sở dữ liệu (CSDL). • Chức năng 2: Tra cứu xác định vân tay của một người xem đã có trong CSDL chưa. Khi đưa dấu vân tay của một người mới vào, hệ thống sẽ thực hiện đối chiếu với tất cả các dấu vân tay đã lưu trữ trong hệ thống nhờ vào thuật toán đối sánh (matching) các điểm đặc trưng vân tay. Sau khi đối sánh, hệ thống sẽ tìm ra xem đó có phải là vân tay của cùng một người hay không. Trang 10 Hình 1.1 Cấu trúc cơ bản của hệ thống nhận dạng vân tay. 1.2 Tình hình nghiên cứu về công nghệ nhận dạng vân tay Con người đã biết sử dụng dấu vân tay từ rất sớm. Vào thời cổ đại, các thương gia ở Babylon đã biết dùng dấu vân tay được in lên viên đất sét trong trao đổi hàng hóa. Ở Trung Quốc, người ta cũng đã tìm thấy các ngón tay cái được in lên các con dấu đất sét. Nhưng bắt đầu từ thế kỷ 19, dấu vân tay mới được đưa vào nghiên cứu chính thức. • Năm 1823, nhà phẫu thuật Jan Evangelista Purkyne thuộc trường đại học Breslau đã trình bày trong luận án của mình về 9 mẫu vân tay. • Năm 1858, William Herschel đã dựa vào vết vân tay để nhận dạng tù nhân [31]. • Năm 1880, bác sĩ Người Anh Henry Faulds đưa ra kiến nghị lấy dấu vân tay của tội phạm tại hiện trường xảy ra vụ án và đưa ra lý luận gien vân tay. Năm 1882, theo sáng kiến của A. Bertion, lần đầu tiên cảnh sát Paris đã áp dụng lăn ngón tay trên các hồ sơ căn cước [31]. Trang 11 • Năm 1892, Francis Galton là người đầu chia vân tay thành 3 nhóm: xoáy, móc, sóng [31]. Việc sử dụng các nghiên cứu khoa học của dấu vân tay ở thế kỷ 19 đã làm tiền đề sau này cho việc ứng dụng rộng rãi công nghệ nhận dạng vân tay trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. • Năm 1924, FBI (Federal Bureau of Investigation) đã thu thập và lưu trữ hơn 250 triệu dấu vân tay của người dân để cho việc điều tra tội phạm và nhận dạng những người bị giết. • Nước Anh cũng sớm sử dụng biện pháp này và đến năm 1944, họ đã lưu trữ tới hơn 90 triệu dấu vân tay của tất cả binh lính và những người dân. Với việc sử dụng dấu vân tay để nhận dạng, cảnh sát có thể truy tìm tung tích tội phạm, người chết, mất thẻ căn cước hoặc mắc bệnh tâm thần lú lẫn, … • Năm 1977, chương trình IAI's Certified Latent Print Examiner ra đời được áp dụng để xác nhận phạm nhân trong tòa án. Với sự phát triển ngày càng nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, cho tới nay các ứng dụng công nghệ này được áp dụng rộng rãi khá thành công trên thế giới. Trên máy tính cá nhân, dựa vào kích thước của CSDL vân tay người ta chia sản phẩm ứng dụng vân tay thành hai loại chính: • Hệ thống vân tay loại nhỏ Đặc điểm chung của những hệ thống này là chỉ hỗ trợ số vân tay dưới 1000 vân tay. Chương trình nhận dạng vân tay trên máy IBM Think Pad T43 cho phép người dùng đăng nhập vào windows XP bằng cách đặt ngón tay của mình vào vùng quét của máy thay vì phải đánh mật khẩu. • Hệ thống vân tay loại lớn Trang 12 o Những hệ thống nhận dạng vân tay loại lớn này thường có điểm chung là có kích thước CSDL vân tay rất lớn, từ vài chục nghìn đến hàng triệu vân tay. Đối tượng sử dụng là những tập đoàn đa quốc gia có chi nhánh trên toàn cầu, những chính phủ điện tử cao cấp. Điều này đòi hỏi hệ thống phải có năng lực xử lý rất mạnh, có thể đáp ứng hàng chục ngàn yêu cầu nhận dạng trong một giây. o Những hệ thống này thường hoạt động trên môi trường mạng internet và có kiến trúc client – server, bao gồm một trung tâm xử lý nhận dạng và lưu trữ vân tay và nhiều client nằm khắp nơi trên mạng internet toàn cầu làm nhiệm vụ thu nhận dấu vân tay. Không dừng lại ở đó, cùng với sự phát triển mạnh các sản phẩm nhúng và một thị trường thiết bị nhúng tiềm năng vô cùng to lớn [26]; việc đưa các kết quả nghiên cứu của công nghệ Nhân dạng vân tay lên các thiết bị nhúng là điều tất yếu nhằm phục vụ cho mục đích tiện dụng, chuyên dụng, và phổ biến hơn trong thực tế. Các thiết bị nhúng tiêu biểu ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay: • Lenovo ra mắt máy tính xách tay dòng ThinkPad đầu tiên sử dụng công nghệ bảo mật của Utimaco của Đức, có thể mã hoá trọn vẹn nội dung trong ổ cứng chỉ với thao tác duy nhất của một ngón tay. • Đầu đọc chấm công bằng vân tay BioPointe KFR 72 - thiết bị chuyên nghiệp để quản lý nhân sự, chấm công thích hợp cho tất cả các yêu cầu quản lý hiện đại ở các nhà máy, trường học, khu công nghiệp, văn phòng, … nhằm mục đích quản lý nhân viên chặt chẽ, chính xác và hiệu quả. Đầu đọc chấm công bằng vân tay BioPointe KFR 72 sử dụng công nghệ sinh trắc học với các bộ vi xử lý tốc độ cao đảm bảo nhận dạng đường vân, hình ảnh chính xác kể cả trong trường hợp đường vân tay bị mờ, bẩn hay mất nét. Thiết bị nhận dạng vân tay được lắp đặt tại cửa cổng công ty, nhà máy, văn phòng… Nhân viên được lần lượt đặt ngón tay đã được đăng nhập vào đầu đọc để ghi lại chính xác thời gian và địa điểm làm việc. Từ đó, nhà quản lý dễ dàng có được thông tin Trang 13 chính xác về thời gian làm việc, đi muộn, vắng mặt của bất kỳ nhân viên nào trong công ty, có chức năng lưu trữ 720 vân tay, có thể mở rộng tới 4400 vân tay, bộ nhớ lưu trữ được 20.000 sự kiện. • Hãng A-DATA đã ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay vào sản phẩm USB Flashdrive của mình, giúp cho dữ liệu lưu trên đó được bảo vệ an toàn hơn bao giờ hết. Khi lần đầu tiên USB được cắm vào máy tính, máy tính sẽ yêu cầu người sử dụng đăng ký vân tay của mình. Những lần sau, khi người sử dụng cắm USB Flashdrive vào máy tính, người sử dụng sẽ được yêu cầu nhập vào mật khẩu hay quét dấu vân tay. Nếu chưa được chứng thực bằng mật khẩu hay bằng vân tay thì nội dung ổ USB Flashdrive hoàn toàn vô hình trước mọi người. • Nhà sản xuất Bird của Trung Quốc đã được IC Insights liệt kê trong danh sách 10 nhà sản xuất ĐTDĐ hàng đầu thế giới năm 2004. Bird đã mua công nghệ xác thực dấu vân tay từ một nhóm nghiên cứu tại viện hàn lâm khoa học và tự động hoá Trung Quốc (CAS). • Công ty FSLocks tung ra loại khoá cửa tích hợp thiết bị nhận dạng vân tay, được cho là một trong những loại khóa dành cho gia đình an toàn nhất thế giới hiện nay. • ADEL là tập đoàn phát triển công nghệ nhận dạng vân tay lớn nhất thế giới. ADEL cũng là nhà sản xuất tiên phong và hàng đầu trong việc sản xuất khóa cửa ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay lớn nhất thế giới. Những sản phẩm ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay gồm: khoá cửa khách sạn, két sắt vân tay, tủ sắt vân tay. • Công ty SID Protect của Mỹ sản xuất loại thiết bị chống trộm với tên gọi SID dùng để bảo vệ các loại xe hơi. Thiết bị này dùng dấu vân tay của chủ xe để chống trộm. Thiết bị SID ứng dụng công nghệ vân tay sinh trắc học nhằm đảm bảo rằng chỉ những người đã được sự cho phép của chủ xe mới có thể khởi động xe. Thiết bị có thể lưu khoảng 20 dấu vân tay khác nhau. Chủ xe là Trang 14 người duy nhất có quyền quyết định thêm hay bớt người dùng chung xe, cài đặt hoặc thay đổi mã số của thiết bị. 1.3 Nhu cầu thực tế Hiện nay công nghệ sinh trắc học, cụ thể là công nghệ nhận dạng vân tay, đã và đang được ứng dụng nhiều nhất vào trong đời sống, mang lại nhiều lợi ích cho xã hội. Theo phân tích ở hình 1.2, tổng số ứng dụng công nghệ nhận dạng vân tay chiếm tới 66.7% trên tổng số ứng dụng của công nghệ sinh trắc học. Như vậy nhu cầu thực tế từ công nghệ này là vô cùng lớn. Hình 1.2 Tỷ lệ phần trăm ứng dụng công nghệ sinh trắc học [13]. Với những đặc trưng nổi trội của công nghệ này mang lại. Theo dự báo của các chuyên gia, trong nhiều năm tới, công nghệ này vẫn tiếp tục được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực (hình 1.3). Cùng với doanh thu khổng lồ mà công nghệ này mang lại cho những ai tham gia trong lĩnh vực này (hình 1.4). Trang 15 Hình 1.3 Các ứng dụng của hệ thống nhận dạng vân tay. Hình 1.4 Dự đoán doanh thu công nghệ sinh trắc học [13]. Nhiều công ty ở nước ngoài đã tiến hành thương mại hóa công nghệ này, trong khi đó ở Việt Nam gần như là chưa có. Người Việt Nam cần công nghệ sinh trắc học nói chung và nhận dạng vân tay nói riêng trên các thiết bị nhúng để tự làm chủ công nghệ cho chính mình. Ngoài ra ngành phần mềm nhúng hiện đang phát triển rất mạnh trên toàn thế giới, doanh thu từ phần mềm nhúng ngày càng tăng (hình 1.5). Việt Nam hiện đang bắt đầu tiến vào lĩnh vực này; tập trung nghiên cứu ứng dụng công nghệ Trang 16 này trên Hệ thống nhúng để phục vụ nhu cầu thiết thực trong các lĩnh vực dân sự, thương mại và hình sự. Hình 1.5 Biểu đồ tăng trưởng của hệ thống nhúng. 1.4 Mục tiêu đề tài Xây dựng và triển khai thử nghiệm một bộ thư viện nhận dạng vân tay hoàn chỉnh có độ chính xác cao, đạt mức chất lượng ở trên hệ thống nhúng. 1.4.1 Độ chính xác cao • Bộ thư viện có khả năng nhận dạng 1:1 và 1:N với tốc độ thời gian thực với N < 500 trên các ứng dụng hệ thống nhúng. • Độ chính xác >= 98% đối với việc nhận dạng 1:1 và >= 97% đối việc nhận dạng 1:N. 1:1 là kiểm tra hai dấu vân tay có trùng khớp với nhau không. 1:N là kiểm tra một dấu vân tay có trùng khớp với dấu vân tay nào trong tập các dấu vân đã được lưu trữ trước đó không. • Độ lỗi thuật toán Trang 17 Độ lỗi của thuật toán Avg EER FMR100 FMR1000 Giá trị 2.345% 3.166% 4.218% Avg EER (Equal Error Rate): Độ lỗi trung bình. FMR100: Lấy FMR <=1% làm chuẩn để tìm ngưỡng và tính ra các FNMR tương ứng. FMR1000: Lấy FMR <=0.1% làm chuẩn để tìm ngưỡng và tính ra các FNMR tương ứng. 1.4.2 Phạm vi ứng dụng Bộ thư viện phần mềm hoạt động trên hệ thống nhúng có hỗ trợ hệ điều hành Embedded Linux. 1.5 Hướng tiếp cận của đề tài Hướng nghiên cứu nhận dạng vân tay là một hướng nghiên cứu đã có từ rất lâu và đã đạt được nhiều thành tựu trên thế giới. Do vậy, cách tiếp cận dưới đây được áp dụng sẽ thừa hưởng một cách hiệu quả và nhanh chóng những thành quả đã đạt được của cộng đồng liên quan đến đề tài này. 1.5.1 Tiếp cận từ trên xuống Tham khảo tất cả các phương pháp hiện có thông qua các bài báo khoa học và các công trình nghiên cứu khoa học để chọn ra phương pháp phù hợp nhất với môi trường hệ thống nhúng. 1.5.2 Tiếp cận đa môi trường và đa thiết bị nhúng Các thuật toán nhận dạng vân tay sẽ được thí nghiệm trên máy tính cá nhân và điều chỉnh các tham số cho phù hợp trước khi được cài đặt xuống hệ thống nhúng để rút ngắn thời gian phát triển. Trang 18 Phương pháp nhận dạng vân tay sẽ được thiết kế sao cho thích hợp với nhiều họ vi xử lý, đặc biệt với vi xử lý ARM9. 1.6 Nội dung luận văn Nội dung của luận văn được trình bày gồm: • Chương 1 trình bày chung về công nghệ nhận dạng vân tay, đồng thời giới thiệu mục tiêu và nội dung của luận văn. • Chương 2 trình bày tổng quan nhận dạng vân tay, giới thiệu mô hình cùng với sơ đồ các bước xử lý tiêu biểu trong nhận dạng vân tay và cách đánh giá một hệ thống Nhận dạng vân tay. • Chương 3 trình bày tổng quan về các thuật toán nhận dạng vân tay đã được nghiên cứu từ trước đến nay cùng với một số nhận xét và so sánh giữa các thuật toán với nhau. • Chương 4 giới thiệu tổng quan về hệ thống nhúng, và các thiết bị nhúng liên quan được dùng cho việc xây dựng và chạy thử nghiệm thư viện nhận dạng vân tay ở trong luận văn này. • Chương 5 giới thiệu đôi nét về hệ điều hành Embedded Linux. • Chương 6 trình bày kiến trúc hệ thống nhận dạng vân tay và mô tả chi tiết các thuật toán nhận dạng vân tay nào đuợc xây dựng trên họ vi xử lý ARM; từ việc chuẩn hóa, tăng cường, rút trích đặc trưng, … đến việc đối sánh vân tay và trình bày một vài cải tiến nhỏ để thuật toán nhận dạng vân tay phù hợp trên họ vi xử lý ARM. • Chương 7 giới thiệu ứng dụng thử nghiệm thư viện nhận dạng vân tay. • Chương 8 trình bày một số kết luận và hướng phát triển của đề tài.