Nghiên cứu và phát triển kỹ thuật nhận diện dấu vân tay cho hệ thống điểm danh sinh viên/ nhân viên trên thiết bị di động kết hợp GPS

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

THAM GIA XÉT GIẢI THƯỞNG "TÀI NĂNG KHOA HỌC TRẺ VIỆT NAM"

NĂM 2014 DÀNH CHO SINH VIÊN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN KỸ THUẬT NHẬN

DIỆN DẤU VÂN TAY CHO HỆ THỐNG ĐIỂM DANH

SINH VIÊN / NHÂN VIÊN TRÊN THIẾT BỊ DI ĐỘNG

KẾT HỢP GPS

Thuộc nhóm ngành khoa học: Khoa học Tự nhiên

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU......................................................................................................1

1.1. TỔNG QUAN............................................................................................................1

1.2. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .............................................................................................3

1.3. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ......................................................................................3

1.4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................................4

1.5. PHẠM VI NGHIÊN CỨU.........................................................................................4

1.6. ĐÓNG GÓP CỦA ĐỀ TÀI........................................................................................5

2.1.1. Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội......................................................................5

2.1.2. Đóng góp về mặt khoa học................................................................................5

1.7. BỐ CỤC CỦA BÁO CÁO.........................................................................................6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT..................................................................................8

2.1. TỔNG QUAN VỀ VÂN TAY...................................................................................8

2.4.1. Vân tay là gì? ....................................................................................................8

2.4.2. Các phương pháp phân loại vân tay..................................................................8

2.4.2.1. Các điểm đặc trưng trên ảnh vân tay ...........................................................8

a. Singularity ...............................................................................................8

b. Minutiae...................................................................................................8

2.4.2.2. Trích xuất các điểm đặc trưng .....................................................................9

a. Trích xuất các điểm Singularity ..............................................................9

b. Trích xuất các điểm Minutiae................................................................10

2.2. MÔ HÌNH CLIENT – SERVER..............................................................................10

2.3. WINDOWS COMMUNICATION FOUNDATION (WCF) ..................................11

2.4. NGÔN NGỮ TRUY VẤN DỮ LIỆU LINQ. ..........................................................12

2.4.1. Giới thiệu chung..............................................................................................12

2.4.2. Vai trò..............................................................................................................12

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG PHẦN MỀM ................................................13

3.1. THIẾT KẾ HOẠT ĐỘNG ......................................................................................13

3.2. PHÂN TÍCH THIẾT KẾ CƠ SỞ DỮ LIỆU QUẢN LÝ THÔNG TIN....................14

3.2.1. Mô hình ý niệm truyền thông..........................................................................14

3.2.1.1. Quy trình tra cứu thông tin: .......................................................................14

3.2.1.2. Quy trình cập nhật thông tin :....................................................................15

3.2.1.3. Quy trình thêm mới sinh viên:...................................................................15

3.2.1.4. Quy trình điểm danh sinh viên ..................................................................15

3.2.2. Mô hình vật lý dữ liệu.....................................................................................16

3.3. XÂY DỰNG CHỨC NĂNG QUẢN TRỊ TRÊN WEBSITE ..................................19

3.3.1. Chức năng đăng nhập và đăng kí ....................................................................19

3.3.2. Chức năng tra cứu thông tin sinh viên ............................................................19

3.3.3. Chức năng cập nhật thông tin sinh viên ..........................................................20

3.3.4. Chức năng thêm mới sinh viên .......................................................................20

3.3.5. Chức năng tra cứu thời khóa biểu sinh viên: ..................................................20

3.3.6. Chức năng tra cứu thông tin điểm danh theo môn học ...................................21

3.3.7. Chức năng tra cứu thông tin điểm danh theo sinh viên ..................................21

3.3.8. Chức năng xem thông tin tài khoản ................................................................22

3.3.9. Chức năng cập nhật quyền truy cập tài khoản ................................................22

3.4. XÂY DỰNG VÀ PHÁT TRIỂN CÁC THUẬT TOÁN XỬ LÝ, ĐỐI SÁNH ẢNH

VÂN TAY ...............................................................................................................22

3.4.1. XỬ LÝ ẢNH ĐẦU VÀO ...............................................................................22

3.4.1.1. Chuyển ảnh màu sang ảnh mức xám.........................................................22

3.4.1.2. Cân bằng lược đồ xám...............................................................................23

3.4.1.3. Phân ngưỡng Threshold.............................................................................24

3.4.1.4. Phát hiện biên ............................................................................................25

a. Phát hiện biên trực tiếp..........................................................................25

b. Phát hiện biên gián tiếp .........................................................................26

c. Phát hiện biên của ảnh vân tay ..............................................................27

3.4.1.5. Nhị phân hóa ảnh.......................................................................................27

3.4.1.6. Xác định Trường định hướng ....................................................................27

3.4.1.7. Tăng cường chất lượng ảnh .......................................................................30

3.4.1.8. Tìm xương ảnh ..........................................................................................31

3.4.1.9. Trích xuất các đặc trưng trên ảnh vân tay .................................................35

a. Trích xuất các đặc trưng Minutiae ........................................................35

b. Trích xuất các đặc trưng Pointcare........................................................36

3.4.2. ĐỐI SÁNH VÂN TAY...................................................................................37

3.4.2.1. Đối sánh các đặc trưng Minutiae có độ tương đồng về hướng .................37

3.4.2.2. Vị trí tương đối của các đặc trưng Minutiae..............................................38

3.4.2.3. Tìm các cặp đặc trưng Pointcare có độ tương đồng về hướng và khoảng

cách...........................................................................................................39

3.4.2.4. Khoảng cách từ các Pointcare đến các Minutiae.......................................39

3.4.2.5. Góc hợp bởi đường thẳng đi qua PointCare và Minutiae với trục Ox ......40

3.4.2.6. Rút trích các cặp Minutiae trùng nhau giữa 2 ảnh.....................................41

3.4.2.7. Tổng hợp kết quả .......................................................................................42

3.4.3. XÂY DỰNG CÁC LỚP XỬ LÝ ẢNH ..........................................................42

3.4.3.1. Lớp xử lý trung tâm – MyImage ...............................................................42

3.4.3.2. Lớp hỗ trợ xử lý kỹ thuật phát hiện biên ...................................................43

3.4.3.3. Lớp hỗ trợ xử lý tăng cường chất lượng ảnh.............................................44

3.4.3.4. Lớp hỗ trợ trích xuất đặc trưng Minutiae và PointCare ............................45

3.4.3.5. Lớp đối sánh vân tay..................................................................................45

3.4.3.6. Lớp phương trình đường thẳng hỗ trợ đối sánh vân tay............................46

3.4.3.7. Lớp các giá trị hằng số...............................................................................47

3.5. XÂY DỰNG SERVER - WCF SERVICE ..............................................................48

3.5.1. Ưu điểm của WCF ..........................................................................................49

3.5.2. WCF Service Contract - Interface...................................................................49

3.5.3. Lớp Service .....................................................................................................50

3.5.4. Kết nối cơ sở dữ liệu bằng LinQ.....................................................................51

3.6. XÂY DỰNG ỨNG DỤNG CLIENT CHẠY TRÊN SMARTPHONE ...................52

3.6.1. Xây dựng giao diện màn hình chính ...............................................................52

3.6.2. Xây dựng chức năng điểm danh sinh viên ......................................................53

3.6.3. Xây dựng chức năng định vị vị trí và hiển thị bản đồ.....................................54

3.6.4. Xây dựng chức năng tra cứu thông tin điểm danh:.........................................56

3.6.5. Xây dựng chức năng kiểm nghiệm thuật toán ................................................56

CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỰC HIỆN..........................................................................58

4.1. WEBSITE DÀNH CHO NGƯỜI QUẢN TRỊ ........................................................58

4.2. ỨNG DỤNG DI ĐỘNG DÀNH CHO SINH VIÊN ................................................62

4.3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA HỆ THỐNG ĐỐI SÁNH VÂN TAY...............71

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN................................................................................................71

PHỤ LỤC ..........................................................................................................................77

TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................82

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Core và Delta trên vân tay................................................................................ 8

Hình 2.2: Cấu trúc của Minutiae ...................................................................................... 9

Hình 2.3: Ảnh vân tay (a) và trường định hướng của nó (b)............................................ 9

Hình 2.4: Cách tính chỉ số Pointcare tại điểm (i,j) với n = 8.......................................... 10

Hình 2.5: Sơ đồ thuật toán trích các điểm Minutiae từ ảnh nhị phân............................. 10

Hình 2.6: Phân loại đặc trưng Minutiae ......................................................................... 10

Hình 2.7: Mô hình Client – Server ................................................................................. 11

Hình 2.8: Kiến trúc của WCF......................................................................................... 12

Hình 2.9: Mô hình kiến trúc LINQ................................................................................. 12

Hình 3.1: Mô hình hoạt động hệ thống........................................................................... 14

Hình 3.2: Quy trình tra cứu thông tin ............................................................................. 14

Hình 3.3: Quy trình cập nhật thông tin........................................................................... 15

Hình 3.4: Quy trình thêm mới sinh viên......................................................................... 15

Hình 3.5: Quy trình điểm danh sinh viên ....................................................................... 15

Hình 3.6: Mô hình vật lý dữ liệu .................................................................................... 16

Hình 3.7: Lưu đồ tổ chức website .................................................................................. 19

Hình 3.8: Chức năng đăng nhập và đăng kí ................................................................... 19

Hình 3.9: Chức năng tra cứu thông tin sinh viên ........................................................... 19

Hình 3.10: Cập nhật thông tin sinh viên......................................................................... 20

Hình 3.11: Chức năng thêm sinh viên ............................................................................ 20

Hình 3.12: Tìm kiếm sinh viên để tra cứu thời khóa biểu.............................................. 21

Hình 3.13: Thời khóa biểu sinh viên .............................................................................. 21

Hình 3.14: Thông tin điểm danh của các sinh viên theo môn học ................................. 21

Hình 3.15: Điều kiện tìm kiếm sinh viên để tra cứu thông tin điểm danh ..................... 21

Hình 3.16: Kết quả tìm kiếm sinh viên để tra cứu thông tin điểm danh ........................ 22

Hình 3.17: Thông tin tài khoản....................................................................................... 22

Hình 3.18: Cấp quyền truy cập cho tài khoản ................................................................ 22

Hình 3.19: Ảnh vân tay và ảnh mức xám....................................................................... 23

Hình 3.20: Lược đồ xám của một ảnh ............................................................................ 23

Hình 3.21: Lược đồ xám trước và sau khi cân bằng ...................................................... 24

Hình 3.22: Ảnh vân tay trước và sau khi cân bằng lược đồ xám ................................... 24

Hình 3.23: Ảnh vân tay và biên của nó .......................................................................... 27

Hình 3.24: Xác định hướng của điểm ảnh (x, y) ............................................................ 28

Hình 3.25: Xác định Trường định hướng của 2 điểm ảnh kế cận .................................. 29

Hình 3.26: Hình vân tay trước và sau tăng cường.......................................................... 31

Hình 3.27: Xác định điểm biên....................................................................................... 32

Hình 3.28: Lưu đồ quá trình tìm xương ảnh................................................................... 32

Hình 3.29: Ảnh vân tay trước và sau khi tìm xương ...................................................... 32

Hình 3.30: Hình ảnh thể hiện một phần cấu trúc xương của vân tay ............................. 33

Hình 3.31a: Điểm ảnh đang xét và điểm ảnh cận chéo .................................................. 33

Hình 3.31b: Xóa 2 điểm cận chung của điểm ảnh đang xét và điểm cận chéo .............. 33

Hình 3.32: Lưu đồ giải thuật xóa chi tiết thừa của xương.............................................. 33

Hình 3.33: Quá trình xóa xương thừa của ảnh vân tay................................................... 33

Hình 3.34: Ảnh xương vân tay trước và sau khi xóa xương thừa bằng kỹ thuật dò theo

đường vân ..................................................................................................... 35

Hình 3.35: Loại bỏ Minutiae nằm ngoài biên................................................................. 35

Hình 3.36: Loại bỏ Minutie nhầm lẫn là điểm kết thúc ................................................. 36

Hình 3.37: Loại bỏ Minutie nhầm lẫn là điểm rẽ nhánh ................................................ 36

Hình 3.38: Hướng của các đặc trưng Minutiae .............................................................. 38

Hình 3.39a: Vị trí tương đối của các đặc trưng Minutiae............................................... 38

Hình 3.39b: Vị trí tương đối của đặc trưng Pointcare .................................................... 39

Hình 3.40: Khoảng cách từ Pointcare đến các Minutiae ................................................ 40

Hình 3.41: Góc giữa đường thẳng đi qua Pointcare và Minutiae với trục Ox ............... 40

Hình 3.42: Lớp xử lý ảnh trung tâm............................................................................... 42

Hình 3.43: Lớp hỗ trợ xử lý kỹ thuật phát hiện biên...................................................... 43

Hình 3.44: Lớp hỗ trợ xử lý tăng cường chất lượng ảnh................................................ 44

Hình 3.45: Lớp hỗ trợ trích xuất đặc trưng Minutiae và Pointcare ................................ 45

Hình 3.46: Lớp đối sánh vân tay .................................................................................... 45

Hình 3.47: Lớp phương trình đường thẳng hỗ trợ đối sánh vân tay............................... 46

Hình 3.48: Lớp các giá trị hằng số ................................................................................. 47

Hình 3.49: Sơ đồ giao tiếp giữa Client và Server........................................................... 48

Hình 3.50: WCF Service Contract.................................................................................. 49

Hình 3.51: Lớp Service................................................................................................... 50

Hình 3.52: Các lớp xử lý được hình thành từ LinQ ....................................................... 51

Hình 3.53: Lưu đồ tổ chức ứng dụng Client trên smartphone........................................ 52

Hình 3.54: Giao diện chính của chương trình Client ..................................................... 52

Hình 3.55: ListBox chứa danh sách lớp học .................................................................. 53

Hình 3.56: ListPicker lọc danh sách môn học theo khoa. .............................................. 53

Hình 3.57: Lưu đồ quá trình điểm danh sinh viên.......................................................... 54

Hình 3.58: Bản đồ Google map...................................................................................... 55

Hình 3.59: Hiển thị địa chỉ ở vị trí hiện tại..................................................................... 55

Hình 3.60: Lưu đồ tra cứu điểm danh theo môn học...................................................... 56

Hình 3.61: Lưu đồ tra cứu điểm danh theo sinh viên..................................................... 56

Hình 3.62: Quá trình xử lý ảnh vân tay .......................................................................... 56

Hình 3.63: Lưu đồ thuật toán đối sánh 2 ảnh vân tay..................................................... 57

Hình 4.1: Trang đăng nhập và đăng kí ........................................................................... 58

Hình 4.2: Trang thông tin sinh viên................................................................................ 58

Hình 4.3: Trang cập nhật thông tin và thêm mới sinh viên............................................ 59

Hình 4.4: Tra cứu thời khóa biểu sinh viên.................................................................... 59

Hình 4.5: Tra cứu thông tin điểm danh theo môn học.................................................... 60

Hình 4.6: Tra cứu thông tin điểm danh theo sinh viên................................................... 60

Hình 4.7: Thông tin thời gian các lần điểm danh môn học của sinh viên...................... 61

Hình 4.8: Trang thông tin và cấp quyền cho các tài khoản ............................................ 61

Hình 4.9: Xuất danh sách ra file Excel........................................................................... 61

Hình 4.10: Giao diện chính của chương trình. ............................................................... 62

Hình 4.11: Thông báo vị trí sinh viên không ở cơ sở học .............................................. 62

Hình 4.12: Vị trí sinh viên đang ở cơ sở học, hiển thị danh sách các lớp học ............... 63

Hình 4.13: Lọc các môn học theo khoa.......................................................................... 63

Hình 4.14: Bản đồ hiển thị vị trí hiện tại của sinh viên.................................................. 63

Hình 4.15: Giao diện điểm danh..................................................................................... 64

Hình 4.16: Thông báo điểm danh thất bại ...................................................................... 65

Hình 4.17: Đối sánh vân tay trùng khớp. Điểm danh sinh viên thành công .................. 65

Hình 4.18: Giao diện trang Thông tin điểm danh........................................................... 65

Hình 4.19: Chọn lớp học xem thông tin điểm danh. ...................................................... 66

Hình 4.20: Thông tin điểm danh của lớp học ................................................................. 66

Hình 4.21: Thông tin chi tiết thời gian điểm danh môn học của sinh viên đã chọn....... 66

Hình 4.22: Nhập mã sinh viên cần xem thông tin điểm danh ........................................ 67

Hình 4.23: Thông tin điểm danh các môn học của sinh viên ......................................... 67

Hình 4.24: Thông tin chi tiết thời gian điểm danh sinh viên của môn học đã chọn....... 67

Hình 4.25: Giao diện trang kiểm nghiệm thuật toán ...................................................... 68

Hình 4.26: Kiểm nghiệm các thuật toán xử lý ảnh......................................................... 68

Hình 4.27: Chuẩn hóa mức xám..................................................................................... 68

Hình 4.28: Tăng cường ảnh bằng bộ lọc Gabor ............................................................. 69

Hình 4.29: Nhị phân hóa ảnh.......................................................................................... 69

Hình 4.30: Tìm xương ảnh ............................................................................................. 69

Hình 4.31: Xác định đặc trưng Pointcare và Minutiae................................................... 69

Hinh 4.32: Kiểm nghiệm thuật toán đối sánh vân tay .................................................... 70

Hình 4.33: Kết quả đối sánh vân tay .............................................................................. 70

Hình 4.34: Các điểm đặc trưng vân tay. ......................................................................... 70

Hình 4.35: Các điểm đặc trưng trùng nhau của 2 ảnh vân tay ....................................... 71

Hình 4.36: Biểu đồ mối quan hệ giữa FAR, FRR, SUM theo ngưỡng T thông qua kết

quả chạy thực nghiệm ................................................................................... 72

Hình 4.37: Biểu đồ xác định ngưỡng Hamming distance từ kết quả thực nghiệm ........ 73

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1: Bảng Khoa....................................................................................................... 16

Bảng 3.2: Bảng Nhóm ..................................................................................................... 16

Bảng 3.3: Bảng Lớp......................................................................................................... 16

Bảng 3.4: Bảng Giới Tính ............................................................................................... 16

Bảng 3.5: Bảng Phòng Học ............................................................................................. 17

Bảng 3.6: Bảng Sinh Viên ............................................................................................... 17

Bảng 3.7: Bảng Cơ Sở ..................................................................................................... 17

Bảng 3.8: Bảng Môn Học ................................................................................................ 17

Bảng 3.9: Bảng Tiết Học ................................................................................................. 17

Bảng 3.10: Bảng Đăng Kí Môn Học ................................................................................. 18

Bảng 3.11: Bảng Thời Khóa Biểu Học Kì......................................................................... 18

Bảng 3.12: Bảng Điểm Danh............................................................................................. 18

Bảng 3.13: Ý nghĩa các thuộc tính của lớp xử lý trung tâm.............................................. 43

Bảng 3.14: Ý nghĩa các phương thức (public) của lớp xử lý trung tâm............................ 43

Bảng 3.15: Ý nghĩa các thuộc tính lớp hỗ trợ xử lý kỹ thuật phát hiện biên .................... 44

Bảng 3.16: Ý nghĩa các phương thức của lớp hỗ trợ xử lý kỹ thuật phát hiện biên.......... 44

Bảng 3.17: Ý nghĩa các thuộc tính lớp hỗ trợ xử lý tăng cường chất lượng ảnh .............. 44

Bảng 3.18: Ý nghĩa các phương thức lớp hỗ trợ xử lý tăng cường chất lượng ảnh .......... 44

Bảng 3.19: Ý nghĩa các thuộc tính của lớp hỗ trợ trích xuất đặc trưng ............................ 45

Bảng 3.20: Ý nghĩa các phương thức của lớp hỗ trợ trích xuất đặc trưng ........................ 45

Bảng 3.21: Ý nghĩa các thuộc tính của lớp đối sánh vân tay ............................................ 46

Bảng 3.22: Ý nghĩa các phương thức (public) của lớp đối sánh vân tay .......................... 46

Bảng 3.23: Ý nghĩa các thuộc tính của lớp phương trình đường thẳng ............................ 47

Bảng 3.24: Ý nghĩa các phương thức của lớp phương trình đường thẳng ........................ 47

Bảng 3.25: Ý nghĩa các thuộc tính của lớp các giá trị hằng số ......................................... 48

Bảng 3.26: Ý nghĩa các thuộc tính của WCF Service Contract ........................................ 50

Bảng 3.27: Ý nghĩa các thuộc tính của lớp Service........................................................... 51

Bảng 4.1: Kết quả chạy thực tế........................................................................................ 73

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

A-GPS Assisted - Global Positioning

System

Hệ thống trợ giúp định vị toàn cầu

ASP.NET ASP.NET Nền tảng ứng dụng web của Microsoft

CLR Common Language Runtime Thành phần kết nối giữa các phần khác

trong .NET Framework

GPRS General Packet Radio Service Dịch vụ vô tuyến gói tổng hợp

GPS Global Positioning System Hệ thống định vị toàn cầu

IIS Internet Information service Dịch vụ dành cho máy chủ chạy trên

nền hệ điều hành Window

LINQ Language Intergrated Query Ngôn ngữ tích hợp truy vấn

SOAP Simple Object Access

Protocol

Đặc tả việc sử dụng các tài liệu XML

theo dạng các thông điệp

TCP/IP Transmission Control

Protocol/Internet Protocol

Giao thức kết nối liên mạng

WAS Windows Activation Services Dịch vụ kích hoạt Windows

WCF Windows Communication

Foundation

Nền tảng giao tiếp chung trên

Windows.

XAML Extensible Application

Markup Language

Ngôn ngữ đánh dấu để định nghĩa giao

diện

XML Extensible Markup Language Ngôn ngữ đánh dấu mở rộng

XNA XNA's Not Acronymed Nền tảng phát triển game của

Microsoft

XSD XML Schema Definition Tài liệu XML được viết dưới dạng

thức thuần văn bản

Link: http://www.ddth.com/showthrea

d.php/320733-xml-Schema-là-gì-để￾làm-gì#ixzz2xnrvuyHN

.NET .NET Framework Nền tảng lập trình tập hợp các thư viện

lập trình có thể được cài thêm hoặc đã

có sẵn trong các hệ điều hành

Windows