Bài toán nhận dạng vân tay và ứng dụng trên môi trường Web - Internet

Bµi to¸n nhËn d¹ng v©n tay vµ øng dông trªn m«i tr­êng Web-Internet KS. Lª Xu©n Khoa, KS. TrÇn Cao Tïng Trung t©m C«ng nghÖ th«ng tin Tãm t¾t Bµi b¸o giíi thiÖu c«ng nghÖ nhËn d¹ng v©n tay vµ viÖc ¸p dông trong b¶o mËt c¸c øng dông Web yªu cÇu møc b¶o mËt cao nh­ hÖ thèng tÝnh c­íc, hÖ thèng giao dÞch ng©n hµng..qua ®ã chØ ra yªu cÇu cho phÇn mÒm b¶o mËt ®­îc x©y dùng vµ c¸c khuyÕn nghÞ ¸p dông. 1. §Æt vÊn ®Ò Ngµy nay, cïng víi sù ph¸t triÓn nhanh chãng cña ngµnh th­¬ng m¹i ®iÖn tö, ng©n hµng ®iÖn tö vµ c¸c yªu cÇu ngµy cµng t¨ng cña viÖc b¶o mËt c¸c th«ng tin c¸ nh©n, doanh nghiÖp th× viÖc ®Þnh danh tù ®éng ng­êi sö dông (automatic personal identification) trë thµnh mét vÊn ®Ò quan träng. Mét hÖ thèng ®Þnh danh tù ®éng ngµy nay yªu cÇu ph¶i cã thµnh phÇn sinh tr¾c (biometrics) trong ®ã, tøc lµ hÖ thèng ph¶i sö dông nh÷ng g× lµ ®Æc tr­ng sinh tr¾c cña ng­êi sö dông nh­ v©n tay, giäng nãi, ch÷ ký, nÐt mÆt... HiÖn nay, c«ng nghÖ nhËn d¹ng v©n tay th­êng ®­îc sö dông h¬n so víi c¸c c«ng nghÖ nhËn d¹ng c¸ nh©n kh¸c nh­ ch÷ ký hay giäng nãi bëi nã cã lÞch sö nghiªn cøu ph¸t triÓn h¬n 100 n¨m vµ c¸c hÖ thèng b¶o mËt dùa trªn v©n tay cã thÓ dÔ dµng ®­îc khai triÓn víi chi phÝ thÊp. Trong khi ngµy cµng nhiÒu øng dông doanh nghiÖp ®­îc triÓn khai trªn m«i tr­êng Web nh­ hÖ thèng tÝnh c­íc, hÖ thèng qu¶n lý m¹ng viÔn th«ng vµ thiÕt bÞ trªn m¹ng viÔn th«ng, hÖ thèng giao dÞch ng©n hµng...th× yªu cÇu ®Æt ra lµ nghiªn cøu vµ x©y dùng mét phÇn mÒm b¶o mËt v©n tay nh»m n©ng cao vµ ®¶m b¶o tÝnh b¶o mËt cho c¸c øng dông nµy. ViÖc sö dông v©n tay trong b¶o mËt øng dông Web võa ®¶m b¶o tÝnh tin cËy vÒ c«ng nghÖ võa t¹o sù thuËn tiÖn cho ng­êi dïng v× ®©y lµ gi¶i ph¸p thay thÕ hoµn toµn cho b¶o mËt b»ng password hay token. C¸c phÇn tiÕp theo sÏ tr×nh bµy c«ng nghÖ nhËn d¹ng v©n tay vµ m« h×nh ¸p dông cho b¶o mËt øng dông Web. PhÇn IV sÏ tr×nh bµy kÕt qu¶ x©y dùng phÇn mÒm b¶o mËt c¸c øng dông Web cña Trung t©m C«ng nghÖ th«ng tin CDiT. Mét sè khuyÕn nghÞ vµ h­íng ph¸t triÓn tiÕp theo sÏ ®­îc tr×nh bµy trong phÇn V. 2. V©n tay vµ c«ng nghÖ nhËn d¹ng v©n tay tù ®éng 2.1.V©n tay vµ c¸c ®Æc tr­ng cña ¶nh v©n tay V©n tay lµ nh÷ng ®­êng cã d¹ng dßng ch¶y cã trªn ngãn tay ng­êi. Nã lµ mét tham sè sinh häc bÊt biÕn theo tuæi t¸c ®Æc tr­ng cho mçi ng­êi. Ngoµi ®Æc tr­ng vÒ lo¹i cña v©n tay (v©n tay th­êng ®­îc chia thµnh 5 lo¹i chÝnh: Whorl, Left Loop, Right Loop, Arch, Tented Arch), c¸c v©n tay ®­îc ph©n biÖt chñ yÕu nhê c¸c ®iÓm ®Æc biÖt trªn ¶nh v©n tay. C¸c ®iÓm nµy gäi lµ c¸c chi tiÕt ®iÓm cña ¶nh v©n tay. Cã hai lo¹i chi tiÕt ®iÓm th­êng ®­îc sö dông lµ kÕt thóc ®iÓm (ending) vµ ®iÓm rÏ nh¸nh (bifucation) KÕt thóc ®iÓm vµ ®iÓm rÏ nh¸nh 2.2. KiÕn tróc cña hÖ nhËn d¹ng v©n tay tù ®éng (AFIS) Thu nhËn v©n tay T¨ng c­êng ¶nh TrÝch ®Æc ®iÓm §èi s¸nh Ph©n lo¹i S¬ ®å chøc n¨ng cña hÖ nhËn d¹ng v©n tay tù ®éng T¨ng c­êng ¶nh v©n tay §©y lµ giai ®o¹n quan träng quyÕt ®Þnh ®Õn ®é chÝnh x¸c nhËn d¹ng sau nµy cña hÖ thèng. §èi víi nh÷ng hÖ thèng mµ ¶nh thu nhËn tõ scanner cã chÊt l­îng kh«ng tèt, giai ®o¹n nµy lµ cÇn thiÕt, ¶nh v©n tay khi ®ã ®­îc n©ng cÊp, kh«i phôc do mét sè nguyªn nh©n nh­ bÞ mê, ®­êng v©n bÞ ®øt, dÝnh chËp... TrÝch ®Æc ®iÓm v©n tay Giai ®o¹n nµy sÏ ph¸t hiÖn c¸c ®Æc ®iÓm cña ¶nh v©n tay ®Ó phôc vô cho c¸c b­íc xö lý sau. ¶nh v©n tay cã c¸c ®Æc ®iÓm tæng thÓ vµ ®Æc ®iÓm côc bé. §Æc ®iÓm tæng thÓ nh­ h­íng cña c¸c ®­êng v©n t¹i c¸c vïng, ®­îc sö dông cho b­íc ph©n lo¹i v©n tay. §Æc ®iÓm côc bé lµ ®Æc tÝnh cña ®­êng v©n t¹i c¸c ®iÓm côc bé cña nã. §ã lµ kÕt thóc ®iÓm (ending) vµ ®iÓm rÏ nh¸nh (bifucation). C¸c ®iÓm nµy th­êng ®­îc sö dông cho qu¸ tr×nh ®èi s¸nh v©n tay. Gi¶i thuËt trÝch chi tiÕt ®iÓm cã 3 b­íc chÝnh: + ­íc l­îng h­íng cña c¸c vïng. + TrÝch ra c¸c ®­êng v©n. + TrÝch ra c¸c chi tiÕt ®iÓm vµ b­íc xö lý sau. §Çu tiªn, ¶nh vµo ®­îc sö dông ®Ó ­íc l­îng h­íng côc bé t¹i c¸c vïng. Sau ®ã, c¸c ®­êng v©n ®­îc trÝch ra sau khi thùc hiÖn mét sè thao t¸c ®Ó lo¹i bá c¸c ®iÓm ®èm trong ¶nh v©n tay vµ tiÕp ®ã ®­îc lµm máng (thinned) ®Ó nhËn ®­îc c¸c ®­êng v©n cã ®é réng mét ®iÓm ¶nh. Cuèi cïng, c¸c chi tiÕt ®iÓm ®­îc trÝch ra tõ nh÷ng ®­êng v©n ®­îc lµm máng vµ c¸c chi tiÕt ®iÓm sau ®ã cÇn ®­îc hiÖu chØnh qua b­íc sau xö lý. NÕu c¸c ®­êng v©n ®­îc x¸c ®Þnh chÝnh x¸c th× qu¸ tr×nh trÝch ra c¸c chi tiÕt ®iÓm chØ ®¬n gi¶n lµ ph¸t hiÖn ra nh÷ng ®iÓm ®¬n (singular) trong ¶nh víi c¸c ®­êng v©n ®­îc lµm máng. Tuy nhiªn, trªn thùc tÕ ta kh«ng thÓ cã ®­îc c¸c ®­êng v©n mét c¸ch hoµn h¶o vµ nh­ vËy hiÖu n¨ng cña c¸c gi¶i thuËt trÝch chi tiÕt ®iÓm phô thuéc chñ yÕu vµo chÊt l­îng cña ¶nh v©n tay thu ®­îc. S¬ ®å khèi cña gi¶i thuËt trÝch c¸c chi tiÕt ®iÓm. Ph©n lo¹i v©n tay HÖ thèng x¸c thùc ng­êi dïng v©n tay yªu cÇu ph¶i so s¸nh mÉu v©n tay cÇn nhËn d¹ng víi mét sè l­îng rÊt lín c¸c mÉu v©n tay ®­îc l­u trong c¬ së d÷ liÖu. §Ó t¨ng tèc ®é t×m kiÕm vµ gi¶m ®é phøc t¹p tÝnh to¸n, cÇn ph¶i ph©n lo¹i v©n tay. ViÖc ®èi s¸nh, kiÓm tra sau ®ã chØ cÇn ®­îc thùc hiÖn trªn mét tËp con c¸c v©n tay trong c¬ së d÷ liÖu. Ph©n lo¹i v©n tay chÝnh lµ ph©n c¸c mÉu v©n tay vµo trong mét sè kiÓu ®· ®­îc x¸c ®Þnh tr­íc. HiÖn nay, c¸c hÖ thèng ph©n lo¹i th­êng sö dông 5 kiÓu v©n tay lµ Whorl, Left Loop, Right Loop, Arch, Tented Arch. §èi s¸nh v©n tay §©y lµ giai ®o¹n quyÕt ®Þnh xem hai mÉu v©n tay cã hoµn toµn gièng nhau hay kh«ng vµ ®­a ra kÕt qu¶ nhËn d¹ng. Qu¸ tr×nh nµy yªu cÇu mét gi¶i thuËt cho phÐp x¸c ®Þnh ®é gièng nhau gi÷a hai mÉu v©n tay (cßn gäi lµ ‘score’). NÕu score v­ît qua mét ng­ìng nµo ®ã (ng­ìng nµy ®­îc x¸c ®Þnh ®ång thêi víi qu¸ tr×nh x©y dùng c¬ së d÷ liÖu), th× ®· cã mét ‘match’ x¶y ra gi÷a hai mÉu. T­¬ng øng víi gi¶i thuËt trÝch chi tiÕt ®iÓm lµ gi¶i thuËt ®èi s¸nh x©u cho hai mÉu v©n tay. Gi¶i thuËt ®èi s¸nh x©u lµ gi¶i thuËt dùa trªn viÖc dãng cña hai tËp chi tiÕt ®iÓm cña hai ¶nh v©n tay cÇn ®èi s¸nh. Gi¶i thuËt nµy gåm cã hai b­íc chÝnh: (i) b­íc dãng (alignment) vµ (ii) b­íc ®èi s¸nh. Trong b­íc dãng, mét gi¶ thuyÕt dãng ®­îc t¹o ra vµ tËp chi tiÕt ®iÓm vµo (input) vµ tËp chi tiÕt ®iÓm mÉu (template) sÏ ®­îc dãng theo gi¶ thuyÕt ®ã. B¶n chÊt cña b­íc dãng chÝnh lµ ­íc l­îng sù dÞch, sù quay, tû lÖ vµ biÕn d¹ng phi tuyÕn cña c¸c ¶nh v©n tay vµ do ®ã cßn ®­îc gäi lµ b­íc ­íc l­îng sù chuyÓn ®æi (transformation). Trong b­íc ®èi s¸nh, c¸c chi tiÕt ®iÓm vµo vµ c¸c chi tiÕt ®iÓm mÉu ®Çu tiªn sÏ ®­îc chuyÓn ®æi sang mét d¹ng biÓu diÔn x©u (string) trong hÖ to¹ ®é cùc (polar coordinate system) vµ sau ®ã mét gi¶i thuËt ®èi s¸nh x©u mÒm dÎo sÏ ®­îc sö dông ®Ó x¸c ®Þnh ®é t­¬ng tù (similarity) gi÷a hai biÓu diÔn x©u ®ã. Gi¶ thuyÕt dãng t­¬ng øng víi gi¸ trÞ ®é t­¬ng tù lín nhÊt chÝnh lµ gi¶ thuyÕt dãng tèi ­u. Nh÷ng cÆp chi tiÕt ®iÓm t­¬ng øng cña hai tËp chi tiÕt ®iÓm ®­îc x¸c ®Þnh tõ sù dãng tèi ­u ®ã.Nh­ vËy, nh÷ng b­íc chÝnh cña gi¶i thuËt nh­ sau: Víi mçi cÆp chi tiÕt ®iÓm trong c¸c tËp chi tiÕt ®iÓm P vµ Q, tÝnh c¸c tham sè cña sù dÞch, sù quay b»ng c¸ch sö dông c¸c ®o¹n ®­êng v©n t­¬ng øng víi chi tiÕt ®iÓm vµo vµ chi tiÕt ®iÓm mÉu. §iÒu ®ã cã nghÜa lµ sù quay, sù dÞch ®­îc ­íc l­îng b»ng viÖc so s¸nh c¸c ®o¹n ®­êng v©n cña cÆp chi tiÕt ®iÓm ®ang xÐt. C¸c tËp chi tiÕt ®iÓm sau ®ã ®­îc dãng víi nhau sö dông c¸c tham sè ®­îc ­íc l­îng ë trªn. ChuyÓn tËp chi tiÕt ®iÓm vµo vµ tËp chi tiÕt ®iÓm mÉu sang hÖ to¹ ®é cùc, khi ®ã cÆp chi tiÕt ®iÓm ®ang xÐt ®­îc xem nh­ cÆp chi tiÕt ®iÓm tham chiÕu cho c¸c hÖ to¹ ®é cùc. C¸c tËp chi tiÕt ®iÓm sau ®ã ®­îc chuyÓn thµnh c¸c x©u chi tiÕt ®iÓm dùa vµo thiÕt lËp mét thø tù t¨ng tuyÕn tÝnh cña c¸c gãc b¸n kÝnh. Gãc b¸n kÝnh lµ gãc gi÷a ®­êng nèi mét chi tiÕt ®iÓm víi chi tiÕt ®iÓm tham chiÕu vµ mét trôc to¹ ®é (vÝ dô nh­ trôc x): trong ®ã ri, ei, qi lµ b¸n kÝnh, gãc b¸n kÝnh vµ h­íng ®­îc chuÈn ho¸ cña chi tiÕt ®iÓm trong hÖ to¹ ®é cùc víi gèc lµ chi tiÕt ®iÓm tham chiÕu. So s¸nh nh÷ng x©u kÕt qu¶ Pp vµ Qp víi mét gi¶i thuËt quy ho¹ch ®éng (sÏ ®­îc m« t¶ trong c¸c phÇn sau) ®Ó x¸c ®Þnh ®iÓm ®èi s¸nh (edit distance) gi÷a Pp vµ Qp . T×m ra ®iÓm ®èi s¸nh cùc tiÓu gi÷a Pp vµ Qp . Tõ ®iÓm ®èi s¸nh cùc tiÓu ®ã, x¸c ®Þnh sù t­¬ng øng cña c¸c chi tiÕt ®iÓm trong Pp vµ Qp vµ tÝnh sè c¸c chi tiÕt ®iÓm t­¬ng øng ®ã, MPQ. §iÓm ®èi s¸nh S cuèi cïng gi÷a hai v©n tay ®­îc x¸c ®Þnh nh­ sau: §èi s¸nh x©u cña hai tËp chi tiÕt ®iÓm 3. C«ng nghÖ nhËn d¹ng v©n tay vµ vÊn ®Ò b¶o mËt c¸c øng dông Web HÇu hÕt c¸c hÖ thèng b¶o mËt v©n tay ngµy nay ®Òu sö dông kü thuËt chi tiÕt ®iÓm cho trÝch ®Æc ®iÓm vµ ®èi s¸nh v©n tay. M« h×nh th«ng tin cña hÖ thèng b¶o mËt c¸c øng dông Web (c¸c Website) øng dông c«ng nghÖ ®Þnh danh v©n tay ®­îc tr×nh bµy sau ®©y hoµn toµn cã thÓ ¸p dông cho c¸c bµi to¸n yªu cÇu møc b¶o mËt cao trªn m¹ng nh­ c¸c giao dÞch ng©n hµng, thÞ tr­êng chøng kho¸n ¶o... §Þnh danh v©n tay trong b¶o mËt c¸c øng dông Web. HÖ thèng gåm 3 thµnh phÇn chÝnh: Web browser trªn m¸y workstation: C¸c thiÕt bÞ thu nhËn v©n tay kh¸c nhau (®­îc g¾n trªn m¸y workstation) cho phÐp chuyÓn th«ng tin sinh tr¾c v©n tay sang th«ng tin sè. Th«ng tin nµy sÏ gióp ®Þnh danh ng­êi dïng ®Ó ®iÒu khiÓn truy nhËp vµo c¸c øng dông Web. C«ng nghÖ ActiveX th­êng ®­îc sö dông ®Ó t¹o ra c¸c ®èi t­îng cho phÐp thu nhËn ®Þnh danh cña ng­êi sö dông. §Þnh danh ng­êi dïng cã thÓ lµ username, password hay v©n tay. C¸c ®èi t­îng nµy cã thÓ ®­îc triÖu gäi tõ Browser th«ng qua VBScript hay Javascript. Th«ng tin ®Þnh danh nhËn ®­îc sÏ ®­îc göi tíi Web server ®Ó thùc hiÖn x¸c thùc ng­êi dïng. Web server: Sö dông c«ng nghÖ COM ®Ó nhËn th«ng tin ®Þnh danh tõ browser vµ truyÒn th«ng tin nµy tíi Authenteon server ®Ó thùc hiÖn ®Þnh danh ng­êi dïng. Authenteon server (server ®èi s¸nh v©n tay): Thùc hiÖn c¸c gi¶i thuËt to¸n häc cho ®èi s¸nh v©n tay vµ tr¶ vÒ kÕt qu¶ chøng thùc cho Web server. Qu¸ tr×nh ®iÒu khiÓn truy nhËp c¸c Website cã thÓ tãm t¾t nh­ sau: Khi Login tíi mét WebSite ®­îc b¶o mËt, mét ng­êi sö dông ®· ®¨ng ký sÏ më mét trang Web cã chøa client Script. Script sÏ t¹o ra mét thÓ hiÖn cña ®èi t­îng ActiveX cho phÐp thu nhËn ®Þnh danh ng­êi dïng. §Þnh danh thu ®­îc sÏ ®­îc truyÒn tíi Web Server sö dông mét giao thøc b¶o mËt nh»m t¨ng tÝnh b¶o mËt cho th«ng tin ®Þnh danh. Trªn Web Server, c¸c ch­¬ng tr×nh phÝa server cho phÐp nhËn ®Þnh danh ng­êi dïng tõ phÝa client vµ sau ®ã sö dông ®èi t­îng COM ®Ó truyÒn ®Þnh danh nµy tíi Authenteon Server. NÕu ng­êi dïng ®­îc chøng thùc, c¸c th«ng tin vÒ quyÒn truy nhËp cña ng­êi dïng sÏ ®­îc tr¶ vÒ cho ®èi t­îng COM trªn Web Server. C¸c ch­¬ng tr×nh phÝa server sÏ sö dông c¸c kÕt qu¶ chøa trong ®èi t­¬ng COM ®Ó ®iÒu khiÓn truy nhËp ®Õn c¸c site kh¸c nhau cña øng dông. 4. PhÇn mÒm b¶o mËt v©n tay CDIT WebFp PhÇn mÒm b¶o mËt ®­îc x©y dùng cã c¸c tÝnh n¨ng sau: §iÒu khiÓn truy nhËp c¸c øng dông Web b»ng c«ng nghÖ b¶o mËt v©n tay Qu¶n lý tËp trung hÖ thèng ng­êi dïng v©n tay, hÖ thèng ph©n quyÒn truy nhËp trªn giao diÖn Web, hç trî nhiÒu ng­êi dïng v©n tay Cung cÊp thµnh phÇn ActiveX cho phÐp nhóng vµo IE ®Ó ®iÒu khiÓn truy nhËp c¸c øng dông Web, thµnh phÇn nµy ®­îc thiÕt kÕ theo m« h×nh automation server cho phÐp lÊy mÉu v©n tay tõ thiÕt bÞ thu nhËn ¶nh v©n tay cña mét sè h·ng kh¸c nhau HÖ thèng cã tÝnh më cao, cho phÐp tÝch hîp víi nhiÒu hÖ thèng kh¸c mµ kh«ng phô thuéc vµo nghiÖp vô cña c¸c hÖ thèng nµy nh­ BCSS, OMC, 119... Mét sè chØ tiªu kü thuËt cña phÇn mÒm: - Thêi gian nhËn d¹ng: 0.2s (< 200 ng­êi dïng) 1s – 2s (< 5000 ng­êi dïng) - §é chÝnh x¸c nhËn d¹ng: FAR:10-7 FRR: 10-2 - C¬ së d÷ liÖu :Oracle 8i: Sè l­îng l­u tr÷ v©n tay ng­êi dïng rÊt lín SDK ThiÕt bÞ nhËn d¹ng 1 ThiÕt bÞ nhËn d¹ng 2 ThiÕt bÞ nhËn d¹ng 3 SDK SDK Automation Server M« h×nh v©n tay S¬ ®å thiÕt kÕ cho thµnh phÇn thu nhËn m« h×nh v©n tay cña hÖ thèng WebFp Giao diÖn automation server cho ®¨ng ký ng­êi dïng v©n tay víi hÖ thèng 5. KÕt luËn XuÊt ph¸t tõ yªu cÇu ngµy cµng t¨ng trong b¶o mËt c¸c øng dông Web, nhãm thùc hiÖn ®Ò tµi nhËn thÊy cÇn ph¶i x©y dùng phÇn mÒm b¶o mËt theo c¸c tiªu chÝ nªu ë trªn. Bµi b¸o ®· tãm t¾t qu¸ tr×nh tõ nghiªn cøu c«ng nghÖ cho ®Õn thiÕt kÕ x©y dùng phÇn mÒm b¶o mËt v©n tay cho c¸c øng dông Web. PhÇn mÒm ®­îc khuyÕn nghÞ ¸p dông cho c¸c øng dông Web yªu cÇu møc b¶o mËt cao nh­ hÖ thèng tÝnh c­íc, hÖ thèng giao dÞch ng©n hµng... PhÇn mÒm cã thÓ ®­îc triÓn khai theo tÊt c¶ c¸c module hay tõng module ®éc lËp (vÝ dô nh­ module Automation Server cho phÐp thu nhËn m« h×nh v©n tay hay module FpM¹tcher cho phÐp thùc hiÖn gi¶i thuËt to¸n häc cho ®èi s¸nh v©n tay). Nhãm thùc hiÖn ®Ò tµi sÏ tiÕp tôc hoµn thiÖn s¶n phÈm ®Ó ¸p dông trªn nhiÒu øng dông thùc tÕ. TµI liÖu tham kh¶o 1. §Ò tµi , '¦ng dông c«ng nghÖ nhËn d¹ng v©n tay trong b¶o mËt m¹ng doanh nghiÖp'', Trung t©m C«ng nghÖ th«ng tin-Häc viÖn c«ng nghÖ b­u chÝnh viÔn th«ng. 2. Biolink Technologies International Inc, 'WebSDK Developer’s Guide 2.0'', 2001-2002. 3. Lin Hong, ''Automatic Personal Indentification Using Fingerprints'', departement of Computer Science, Michigan State University, 1998. 4. Salil Prabhakar, ''Fingerprint Classification and Matching Using A FilterBank'' , departement of Computer Science & Engineering, Michigan State University, 2001. 5. A. K. Jain, A. Ross, and S. Prabhakar, "Fingerprint Matching Using Minutiae and Texture Features", Proc. International Conference on Image Processing (ICIP), pp. 282-285, Greece, October 7-10, 2001.