Teljes 3D érintés nélküli ujjlenyomat-felismerés

A 3D ujjlenyomat-felismerés a biometrikus azonosítás még többnyire kiaknázatlan területe. Ez a hiányosság elsősorban azzal magyarázható, hogy nem állnak még rendelkezésre azok az eszközök, amelyek érintés nélküli, gyors, megbízható és pontos 3D térbeli ujjlenyomat ábrázolására lennének képesek. A témába az olasz European Commission, DG Joint Research Center kutatóinak cikkét kivonatolta Bartha László az Óbudai Egyetem Bánki Donát Karának Mechatronika hallgatója az első ígéretes 3D-s érintésmentes ujjlenyomat-leolvasó prototípus működéséről.

A fő nehézség, hogy ellentmondás van az ujjlenyomatok fizikai szerkezete és azok 3D-s felismerése között. Az emberi ujjlenyomatok anatómiájukat tekintve olyan felépítésűek, amelyek természetes állapotukban nem deformálódnak a tárgyak érintésével. Jelenleg, az ujjlenyomat-felismerő rendszerek döntő többsége 2D-s képeken alapulnak, melyek az ujjlenyomat felületével való érintkezéséből származnak, így számolni kell némi torzulással is. Mindezek ellenére a 2D érintéses ujjlenyomat azonosítás megbízhatóan működik. A technikai fejlődése azonban eljutott egy olyan szakaszba, amelyben a hagyományos 2D-s képalapú ujjlenyomat-felismerés elérte a pontosságra vonatkozó potenciális határait.

A 2Ds ujjlenyomat-felismerő rendszer problematikájával elsősorban az okostelefonok kapcsán kezdtek el foglalkozni, illetve elindult egy, az orvostudományban használatos, új képalkotási technológia is, amely képes volt nem csak az ujjlenyomat felületének az azonosítására, hanem a belső bőrrétegekből származó tulajdonságok megismerésére is. Lényege, hogy a leolvasó érintés nélkül 2D képeket készít a bőr keresztirányú szakaszáról.

A hosszútávú cél, hogy a fizikailag deformált 2D pixel alapú képek helyett az érintés nélküli módon rögzített 3D modellek kerüljenek használatba. A 3D modellek rögzítése azonban kihívást jelent az ujjlenyomat fizikai felépítése miatt, így jelenleg még nem létezik olyan megoldás, amely megfelelő minőséget és pontosságot adna.

3D-s ujjlenyomat-leolvasó prototípus

A cikk az első olyan ígéretes 3D-s ujjlenyomat-leolvasó prototípus működését ismerteti, amely egy lézeres technológián alapuló érzékelő, érintés nélkül képes 3D-s ujjlenyomat leolvasására, a hozzá tartozó több száz mintát tartalmazó adatbázist felhasználva. Továbbá, nagy pontossággal lehet ujjlenyomat-szegmentálást is végezni, kihasználva a 3D-s modellek által biztosított térinformációt.

Sokféle 3D szkennelési technika létezik, ezek közül az érintés nélküli technológia mutatja a legnagyobb pontosságot. Hátránya azonban, hogy korlátozott a működési tartománya, a távolság csupán néhány cm az érzékelő és az ujj között.

A cikkben bemutatott 3D ujjlenyomat-leolvasó eszköz egy érintés nélküli aktív szkenner, amely lézerdiódát használ az ujj megvilágítására. A felvételt egy kamera készíti, ily módon az érzékelőn a leképzett vonal alakja közvetlenül összekapcsolható a cél alakjával, a lézervonal mentén, a háromszögelésen keresztül. Ezt a technikát ennek megfelelően háromszögelésnek nevezik, mivel a lézervonal, a kamera és a lézerdióda egy háromszöget alkot.

Felépítés

Az ehhez a kutatáshoz összeállított 3D ujjlenyomat-olvasó prototípus részei a következők: lézerdióda, ipari 3D-s fényképezőgép, optika, rögzítő kar, fordító és motorvezérlő, védődoboz és a rendszert működtető szoftver.

Forrás: European Commission, DG Joint Research Center

Forrás: European Commission, DG Joint Research Center

A szkenner működésének a lényege, hogy az érzékelő hosszirányban mozog, a felbontás pedig függ a kamera leolvasás és a mintavétel sebességétől. Az optimális érték tökéletes állókép mellett érhető el, azonban a gyakorlatban az ujjat nem lehet teljesen mozdulatlanul tartani, ezért a szoftver feltételezi, hogy sima, folytonosság nélküli képet vizsgál.

A szkenner megbízhatóságának a tesztelése érdekében egy adatbázis megléte vált szükségessé. Az ujjlenyomat-felismerő adatbázis 50 felhasználó kezének mutató és középső ujját, azaz 200 különböző ujjat tartalmaz. Mindegyik ujjat ötször vizsgáltak meg 50 mm/mp sebességgel, a kamera sebessége 600 kép / mp volt. A beolvasási sorrend, amelyet a felhasználó ötször követett, a következő volt: bal középső ujj, bal mutatóujj, jobb mutatóujj és jobb középső ujj. Ez a folyamat biztosítja az ugyanazon ujjból származó minták megfelelő variálhatóságát, így 2 perc alatt 20 minta (4 ujj x 5 minta) készült el egy felhasználótól.

A következő lépés a 3D ujjlenyomat-szegmentálásának a meghatározása. A módszer a 3D modellekben a 2D képek tekintetében meglévő extra információk előnyeit használja fel az ujjlenyomat megállapításához. A szegmentáció meghatározása az ujj görbületén alapszik, amely tulajdonság nem érhető el a hagyományos 2D rendszerekben használt ujjlenyomat (azaz pixel alapú képek) sík ábrázolásaiból.

Miután az ujjlenyomat kinyerésre került a beolvasott nyers 3D adatokból, összehasonlítják egy úgynevezett Iterative Closest Point (ICP) algoritmus szerint. A folyamat két 3D modell közötti pont – pont megfelelés megállapítására szolgál. Ez egy jól bevált technika, amelyet nagyrészt a robotika és a 3D arcfelismerés során már korábban is alkalmaztak. Lényege, hogy két felhőpont közötti távolság minimalizálása érdekében az ICP iteratív módon kiszámítja és felülvizsgálja a fordítást és a forgást. Az ICP-alapú megközelítésnek is vannak korlátjai, például jó inicializálásra van szükség a két modell közötti pontos összehangoláshoz, illetve nem veszi figyelembe a nem merev (azaz a fordítástól és a forgástól eltérő) transzformációkat, amelyekre a felületi deformációk jelenlétében van szükség, olyanokra például, amelyek az érintésalapú ujjlenyomat-leolvasókban fordulnak elő. Ezért sokkal nagyobb pontosság várható azáltal, hogy: az ICP-t igazítási lépésként használják a szegmentálás után és a 3D-s ujjlenyomatok algoritmusa előtt.

Összefoglalás. A cikk bemutatta, hogy az ujjlenyomat-felismerés paradigmaváltása a 2D síkról a 3D térre megvalósítható. Bebizonyosodott, hogy pontos 3D ujjlenyomatokat lehet gyorsan és megbízhatóan előállítani lézeres érzékelési technológiát alkalmazva; illetve nagy pontossággal lehet ujjlenyomat-szegmentálást végezni, kihasználva a 3D-s modellek által biztosított térinformációt. Számos további kutatási lehetőség is megnyílt a jövőt illetően ezen a területen. Ezek közé tartozik, hogy az ujjlenyomat-felismerés területén már sok olyan adatbázis található, amelyet például a bűnüldözési vizsgálatok keretében használnak, és amelyek 2D-s képeket tartalmaznak. Mint ilyen, az új 3D-s ujjlenyomat-technológiát összeegyeztethetővé kell tenni a már meglévő adatokkal.

A kivonatolt fordítást végezte: Bartha László

Forrás: Full 3D Touchless Fingerprint Recognition: Sensor, Database and Baseline Performance
Javier Galbally, Gunnar Bostrom and Laurent Beslay
European Commission, DG Joint Research Center (DG-JRC), ITALY

Hozzászólások