♦ Класс отпечатка пальца
Класс отпечатка пальца – это один из многих признаков, по которым отпечатки пальцев можно разделять
на группы. Существуют различные системы классификации (группирования) отпечатков пальцев. Традиционной,
стала так называемая система классификации Генри [16], согласно которой все отпечатки пальцев можно
разделить на 5 классов (см. рис. 7.1): завитушка (Whorl – W), правая петля (Right Loop – R), левая петля
(Left Loop – L), дуга (Arch – A), полусфера (Tented Arch – T).
Рисунок 7.1 – Классы отпечатков пальцев: a) – левая петля,
b) – правая петля, c) – завитушка, d) – дуга, e) – полусфера
♦ Особые точки
Особые точки – это уникальные для каждого отпечатка признаки, определяющие пункты изменения структуры
папиллярных линий (окончание, раздвоение, разрыв и т.д.), ориентацию папиллярных линий и координаты в
этих пунктах. Каждый отпечаток содержит до 70 деталей [17].
Особые точки бывают следующих видов:
– конечная точка (Ending point) – точка, где заканчивается линия гребня;
– точка ветвления (Bifurcation) – точка расхождения линий гребня;
– центр (Core) – точка наибольшей кривизны гребня;
– дельта (Delta) – зона, где гребень разветвляется на три линии, а затем они сходятся в одной точке.
Здесь и далее гребень (Ridge) – возвышающаяся линия отпечатка пальца, а бороздка (Valley) – желобок
между гребнями.
На рис. 7.2 представлен отпечаток пальца и его особые точки.
Рисунок 7.2 – Особые точки, найденные на отпечатке пальца
♦ Вектор характеристик особых точек
Вектор характеристик особых точек имеет следующий вид:
T = {m1, m2, ..., mm}
, где mi тройственный вектор вида:
m = {x, y, θ}
, который указывает координаты х и у расположения детали и угол детали θ [18].
Эти вектора были получены ранее (в работах [19] и [20] с помощью многоканального подхода к классификации
отпечатков пальцев [21], комбинированного классификатора [22], алгоритма улучшения изображения
отпечатка [23] и фильтров Габора [24]) и занесены в БД.
♦ Сравнение контуров образованных особыми точками
Как говорилось ранее, отпечаток пальца содержит особые точки. Причем крайние из них образуют замкнутый
многоугольник (или полигон). Полигоны каждого отпечатка пальца уникальны, но в целом их можно разделять
на группы. Это группирование в дальнейшем примет участие в построении индекса, который поможет
осуществлять более быстрый поиск, за счет уменьшения размеров выборки для окончательного анализа.
Для того чтобы построить многоугольник, содержащий в себе все особые точки, можно воспользоваться
алгоритмом QuickHull [25]. Этот алгоритм начинает работу с создания четырехугольника, соединяющего крайние точки.
Только точки, лежащие вне этого четырехугольника, могут лежать на разыскиваемом многоугольнике и будут
рассматриваться в дальнейшем. Каждый участок, лежащий вне четырехугольника, будет рекурсивно обработан
алгоритмом. На рис. 7.3. изображена обработка верхнего правого угла.
Рисунок 7.3 – Графическая схема работы алгоритма QuickHull
(анимация: объем – 27 184 байт; размер – 400х400; состоит из 28 кадров;
задержка между последним и первым кадрами – 2 000 мс;
задержка между кадрами – 1 000 мс; цикл повторения – непрерывный)
На шаге А также находится точка с, наиболее удаленная от линии (a;b).
Следующим шагом Б мы определяем два множества точек: справа или на линии (a;c)
и справа или на (c;b). Для них шаг А повторяется.
Если на каком-то подуровне рекурсии множество состоит только из двух точек, рекурсия останавливается,
возвращая эти две точки как сторону искомого многоугольника. Так продолжается, пока не обработан весь
верхний правый угол. Аналогичным способом обрабатываются верхний левый, нижний левый и нижний правый
углы, пока не получим полную выпуклую оболочку.
Теперь, когда для каждого отпечатка пальца мы построили многоугольник, ограничивающий особые точки,
можно попытаться найти признаки, по которым эти многоугольники можно группировать.
В рамках первого метода сравнения двух многоугольников (построенных из двух отпечатков пальцев) можно
найти их пересечение и объединение. Отношение площади пересечения к площади объединения даст некоторый
коэффициент отличия площадей многоугольников. И чем сильнее этот коэффициент стремится к нулю, тем
больше эти многоугольники похожи друг на друга. Если коэффициент не превышает некоторый заданный порог,
то можно считать что эти многоугольники относятся к одной группе, и соответственно отобрать отпечаток
пальца для более подробного анализа.
Другим методом может быть метод сравнения формы объектов с использованием морфинга
контуров границы [26].
В этом методе предлагается сравнивать контуры, используя следующую механическую модель. Считается,
что контуры изготовлены из проволоки. Деформируя проволоку путем растяжения и изгиба, начальный контур
преобразуют в конечный. Это преобразование характеризуется механической работой. Предлагается
использовать минимальную величину такой работы в качестве меры различия между контурами.
Для определения величины работы трансформации предлагается использовать метод, позволяющий определить
значение минимальной работы трансформации для двух замкнутых полигональных контуров [27].
Определим замкнутый полигональный контур как упорядоченную циклическую цепочку вершин
C = {c0, c1, …, cN}.
Рассмотрим два контура
P = {p0, p1, …, pN}
и
Q = {q0, q1, …, qN}.
В каждом из контуров зафиксируем одну из вершин, которую будем называть начальной.
Трансформация задается соответствием вершин исходного контура вершинам конечного контура и моделируется
перемещением вершины исходного контура в соответствующую ей вершину конечного. При этом: одной вершине
исходного контура можно поставить в соответствие несколько вершин конечного контура и наоборот:
нескольким вершинам исходного контура – одну вершину конечного; начальная вершина исходного контура
переводится в начальную вершину конечного. Пример такого соответствия вершин для двух контуров приведен
на рис.7.4.
Рисунок 7.4 – Соответствие вершин для двух полигональных контуров
Работа трансформации определяется двумя типами преобразований – растяжением (сжатием) и изгибом. Работа
растяжения (сжатия) характеризуется изменением расстояния между двумя соседними вершинами контура при
трансформации. Работа изгиба характеризуется изменением угла, который образуют три соседние вершины контура.
Минимальной работой по преобразованию контура P с начальной вершиной p0 в
контур Q с начальной вершиной q0 назовем величину, вычисляемую по формуле (1):
где W(S) – работа, соответствующая трансформации S;
Ω( (P, p0), (Q, q0) ) –
множество допустимых трансформаций контура P с начальной вершиной
p0 в контур Q с начальной q0 вершиной.
Все соответствия между вершинами контуров P и Q можно представить с помощью матрицы
размерности (m+2)*(n+2) (с учетом того, что
pm+1 = p0, qn+1 = q0) или графа (рис. 7.5).
Вертикалям в этом случае соответствуют вершины контура P, а горизонталям – вершины Q.
Точка на пересечении вертикали i и горизонтали j соответствует паре вершин
(pi, qj).
Рисунок 7.5 – Все соответствия между вершинами контуров P и Q
Трансформацию можно представить в виде пути на этом графе, начинающегося в точке (0,0) и
заканчивающегося в точке (m+1, n+1). На рис. 7.6 приведен пример такого представления для
трансформации, изображенной на рис. 7.5.
Рисунок 7.6 – Трансформация контура P в Q в виде пути на графе
Таким образом, задача о нахождении минимальной работы по преобразованию контура P с начальной
вершиной p0 в контур Q с начальной вершиной q0 сводится к
задаче о поиске кратчайшего пути на графе.
Минимальной работой по преобразованию контура P в контур Q назовем величину, вычисляемую
по формуле (2):
Для того чтобы мера различия была нечувствительна к линейным размерам, перед сравнением координаты
вершин контура необходимо нормировать. При этом процедура нормирования не должна зависеть от положения
контура в пространстве. Предлагается использовать нормирование по радиусу минимального круга,
содержащего контур, таким образом, метод становится устойчив к изменению размеров фигур и их
расположения.
♦ Сравнение дисперсий распределения особых точек
Еще одним методом сравнения отпечатков пальцев по особым точкам является сравнение дисперсий
распределения особых точек вокруг их мнимого центра тяжести. Для вычисления координат центра тяжести
воспользуемся следующим методом [28].
Предположим, что масса находится только в вершинах, причем каждая вершина весит одинаково. В этом
случае координаты центра тяжести выражаются по формулам (3) и (4):
где, (Xi, Yi) – координаты i-ой вершины многоугольника;
Mi – масса i-ой вершины;
M – масса всех вершин (M = M1 + ... + MN).
Таким образом, для нашего частного случая координаты центра вычисляются по формулам (5) и (6):
Найдем расстояния от центра масс до каждой точки по формуле (7):
Эти расстояния являются значениями случайной величины S, для которой можно вычислить
математическое ожидание и дисперсию по формулам (8) и (9) соответственно [29]:
Таким образом, для каждого отпечатка пальца по его особым точкам можно вычислить дисперсию и
использовать ее значение при сравнении, группировании и поиске.
Проанализировав приведенные выше методы сравнения отпечатков пальцев, трудно сказать какие у них
преимущества и недостатки, поскольку практической реализации этих методов в данной области не
производилось. Их эффективность будет определена в дальнейшем, а пока можно сказать, что эти методы
отличаются простотой реализации и достаточной точностью.
Предполагается, что в дальнейшем индексирование на основе этих методов или их комбинации даст
эффективный прирост при поиске.