авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Информационные технологии анализа и синтеза деформаций дактилоскопических изображений

-- [ Страница 1 ] --

YНа правах рукописи

На правах рукописи

Арутюнян Артем Рафаэлевич

Информационные технологии анализа и синтеза деформаций дактилоскопических изображений

Специальность 05.13.17 – Теоретические основы информатики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2010

Диссертация выполнена в Учреждении Российской академии наук Институт проблем информатики РАН.

Научный руководитель

– доктор технических наук Ушмаев Олег Станиславович

Официальные оппоненты:

– доктор физико-математических наук Крылов Андрей Серджевич

– кандидат технических наук Мурашов Дмитрий Михайлович

Ведущая организация – ФГУП «ГосНИИАС»

Защита состоится «29» сентября 2010 г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д002.073.01 при Учреждении Российской академии наук Институт проблем информатики РАН по адресу: 119333, Москва, ул. Вавилова, д.44, к. 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем информатики РАН.

Отзывы в одном экземпляре, с заверенной подписью, просим направлять по адресу: 119333, Москва, ул. Вавилова, 44, к.2, в диссертационный совет.

Автореферат разослан «26» августа 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета,

доктор технических наук,

профессор С.Н. Гринченко

Общая характеристика работы

Актуальность работы.

В настоящее время биометрические (использующие физические и поведенческие характеристики человека) технологии идентификации личности и системы на их основе получили широкое распространение в различных областях: от допуска в помещения до электронной коммерции и государственных систем различного назначения.

Наиболее распространенным методом биометрической идентификации является идентификация по отпечаткам пальцев. Несмотря на многочисленные исследования в области дактилоскопии, проводимыми такими учеными как В.Ю. Гудков, С.О. Новиков, О.В. Черномордик, A. Bazen, R. Cappelli, S. Dass, M. Eleccion, A. Erol, S. Gerez, U. Halici, A.K. Jain, M. Kucken, D. Maio, D. Maltoni, D. Monro, S. Pankanti, S. Prabhakar, N. Ratha, A.Ross, B. Sherlock, M. Trauring, P. Vizcaya, J. Wegstein и др., точность дактилоскопической идентификации не достигла своего потенциала. Основной причиной является сложность моделирования, учета и компенсации многочисленных искажающих факторов, среди которых следует выделить шумы, малые области пересечения предъявляемых к сравнению отпечатков пальцев, эластичные деформации. Деформации являются одним из самых сильных и наименее изученных факторов. В этой связи тематика, связанная с исследованием деформаций отпечатков пальцев является актуальной.

Наиболее важными применениями моделей деформаций отпечатков пальцев являются: (1) синтез искусственных приложений пальца для имитации технологических испытаний в системах гражданской идентификации; (2) априорное устранение деформации за счет вычисления «недеформированного» состояния отпечатка пальца по множеству приложений на этапе регистрации.





Целью исследования является разработка методов моделирования, анализа и синтеза деформаций изображений отпечатков пальцев и их применение в задачах автоматической дактилоскопической идентификации.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

  1. Разработка математической модели процесса деформации отпечатка пальца.
  2. Разработка методов анализа деформаций дактилоскопических изображений.
  3. Статистический анализ характера и структуры деформаций.
  4. Разработка методов синтеза деформаций дактилоскопических изображений.
  5. Разработка алгоритма моделирования деформации отпечатка пальца.
  6. Разработка алгоритма априорного учета деформации отпечатка пальца.

Методы исследования. В работе использованы современные методы обработки изображений и распознавания образов, теории вероятностей и математической статистики, теории упругости, методы программирования и моделирования на ЭВМ.

На защиту выносятся следующие результаты:

  1. Модель деформаций изображений отпечатков пальцев.
  2. Метод вычисления деформаций изображений отпечатков пальцев.
  3. Система количественных признаков структуры деформаций.
  4. Методы анализа и синтеза деформаций на основе разложения по базисным деформациям.
  5. Информационная технология синтеза искусственных деформаций.
  6. Информационная технология априорного учета деформаций отпечатков пальцев.

Научная новизна работы состоит в разработке информационных технологий анализа и синтеза деформаций дактилоскопических изображений.

Практическая ценность работы заключается в применении разработанных методов, алгоритмов и информационных технологий в дактилоскопических идентификационных системах.

Реализация результатов работы. Результаты диссертации реализованы в Программе фундаментальных исследований ОНИТ РАН (проект 1.5), Проектах РФФИ (№07-07-00031), в работах НОЦ ИПИ РАН – ВМК МГУ «Биометрическая информатика», в продуктах компании «Биолинк Солюшенс».

Апробация работы. Материалы диссертации излагались и обсуждались в тематическом «биометрическом» выпуске журнала «Информатика и ее применения» (2010, вып.1), и на следующих научно-технических конференциях: Графикон-2009 (Москва, 2009 г.), «Распознавание-2010» (Курск, 2010 г.), «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2010 г.), Школа молодых ученых ИБРАЭ РАН (г. Москва).

Публикации. Материалы диссертации содержатся в отчетах ИПИ РАН, использованы в работах по грантам РФФИ 07-07-00031, 10-07-00433, отчетах по проектам ОНИТ РАН, в тематических выпусках журнала «Информатика и ее применения» (№1, 2010). В открытой печати по теме диссертации опубликовано 6 работ, из них в изданиях, входящих в Перечень ВАК, 2 работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, дана краткая характеристика тематических публикаций.

В первой главе приведен обзор современных технологий биометрических технологий и методов биометрической идентификации, обзор систем дактилоскопической идентификации, исследованы искажающие факторы. Выделено влияние деформаций, проанализированы причины возникновения деформаций отпечатков пальцев. Дан обзор современных способов учета и моделирования деформаций в задачах автоматической дактилоскопической идентификации.

 Возникновение деформации-1

Рисунок 1. Возникновение деформации отпечатков пальцев

 Процесс деформации отпечатков-2

Рисунок 2. Процесс деформации отпечатков пальцев (screencast).

Во второй главе рассматривается математическая модель процесса деформации отпечатка пальца.

Деформация изображения отпечатка пальца определяется картой смещений, которую можно интерпретировать, как отображение одного изображения на другое изображение:

, (1)

где , - изображения отпечатков пальцев.

Далее в работе используется представление отображения (1) в виде карты смещений . Действие отображения , ассоциированного с смещениями , можно представить следующим выражением:

. (2). В динамике (рис. 2) можно считать,-9. (2)

.

В динамике (рис. 2) можно считать, что зависит от времени. Предположим, что отпечаток пальца является упругим объектом. Тогда его динамика описывается следующей системой уравнений теории упругости:

; ; (3)

; ; ; (4)

где и - компоненты карты смещений по оси х и y соответственно, - действующие внешние силы, - тензор натяжений, - тензор давлений, - плотность.

Компоненты тензоров и связаны линейным соотношением (закон Гука):

. (5)

Решения уравнений определяется значениями матрицы упругости . Матрица является непостоянной, т.к. поверхность пальца является неоднородной по механическим свойствам. Неоднородность связана с различным механизмом деформаций под действием сил вдоль и поперек направления папиллярного узора (рис. 3).

В координатах, ассоциированных с локальным направлением папиллярного узора матрица имеет четыре степени свободы и равна1:

; =; (6)

где , - модули Юнга вдоль и поперек поля направлений, и - коэффициенты Пуассона, - модуль сдвига.

При переходе к исходным глобальным координатам (6) элементы матрицы упругости вычисляются по следующим формулам:

 (7) Направление потока-36

 (7) Направление потока-37

 (7) Направление потока-38 (7)

 Направление потока-39

 Направление потока-40  Направление потока-41

 Направление потока папиллярных-42

Рисунок 3. Направление потока папиллярных линий

При дактилоскопической идентификации основной интерес представляет момент захвата изображения. Обычно это происходит, когда изображение неподвижно, т.е. действующие силы уже уравновесили напряжение, вызванное смещениями. Такое условие можно записать следующим уравнением

; ; (8)

Система уравнений (8) и (4) определяет деформацию отпечатка. Отмечены следующие трудности ее непосредственного решения. Во-первых, не существует начального состояния отпечатка, с которого начинается деформация. Деформация является следствием процесса двумерного сканирования трехмерного объекта (рис. 1). Во-вторых, действующие силы неизвестны. Не существует инженерно реализуемого способа их измерения.

Из теории упругости известно, что решение уравнений (4) и (8) можно искать как минимум следующей функции энергии

. (9)

В связи с упомянутой проблемой невозможности оценки действующих сил отрицательное слагаемое в (9) также не поддается непосредственной оценке. Для ее устранения предложен метод приближенного вычисления деформаций. Для двух произвольных изображений одного отпечатка пальца, т.е. преобразующихся одно в другое путем деформации, можно найти соответствующие друг другу контрольные точки изображения (рис.4), что дает информацию об общем направлении действующих сил.

 Соответствие контрольных точек-46

Рисунок 4. Соответствие контрольных точек отпечатков пальцев

Наборы соответствующих друг другу пар точек обозначены через и соответственно. В качестве меры близости двух наборов контрольных точек используется среднеквадратическая невязка

. (10)

Качественно функционал (10) соотносится с работой действующих сил функционала энергии (9). Если произошло смещение контрольной точки, то предполагается, что в направлении смещения действуют внешние силы. Помимо смещения предложено также учитывать соответствие направлений потоков папиллярных линий в контрольных точках с помощью следующего функционала:

, (11)

где - функционал взятия нормали к локальному потоку папиллярных линий.

С учетом (10) и (11) предложено искать приближенное решение (9) как минимум следующего функционала, состоящего из внутренней энергии деформации и регуляризирующих поправок на невязку:

, (12)

где , - весовые коэффициенты, внутренняя энергия деформации вычисляется по формуле.

. (13)

Численно минимум функционала (12) ищется методом конечных элементов. Карта смещений задается значениями в прямоугольной сетке. Для точек внутри элемента сетки значения интерполируются билинейными сплайнами. При такой интерполяции (12) является квадратичным функционалом от значений в узлах решетки. Таким образом минимум ищется из условия равенства нулю всех частных производных. Это условие является линейным уравнением на значения в узлах решетки. Разработанный алгоритм решения достаточно быстро сходится. В среднем вычисление относительной деформации занимает менее 0.1 с.

Примеры результатов вычисления деформаций приведены на рис. 5. С точки зрения задач исследования оптимальным результатом является нахождение деформации, которая переводит одно изображение отпечатка в другое изображение того же отпечатка. Поэтому в в качестве одной из оценок точности вычисления деформаций используется прямое наложение изображений:

. (14)

Примеры наложения с учетом оптимальной по (12) деформации в сравнении с оптимальным движением приведены на рис. 5. Контрастная часть результатов наложения указывает на резонанс папиллярных линий. Серая часть соответствует неточному наведению. Из рисунка видно, что предложенная модель позволяет с высокой точностью преобразовывать изображения отпечатков пальцев друг в друга. При этом отсутствуют краевые эффекты, характерные для эмпирических моделей деформаций на основе тонкой металлической пластины2 или модели Cappelli et al3. Также к достоинствам модели относится возможность вычисления относительной деформации для произвольных дактилоскопических изображений, для которых могут быть найдены соответствующие опорные точки, в т.ч. и для предъявлений различных отпечатков пальцев.

(а) (б) (в) (г)


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.