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RM Rodrigues1.2, CFF Costa Filho1.2, MGF Costa1.2 1Centro ... - Fei

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X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente<br />

18 a 21 de setembro de 2011<br />

São João del-Rei - MG - Brasil<br />

VERIFICAÇÃO DE IMPRESSÕES DIGITAIS USANDO MODELO DE VETOR CARACTERÍSTICO BASEADO EM GRA-<br />

FOS PLANARES<br />

R. M. Rodrigues 1.2 , C. F. F. <strong>Costa</strong> Filho 1.2 , M. G. F. <strong>Costa</strong> 1.2<br />

1 Centro de Tecnologia Eletrônica e da Informação/UFAM, Manaus, AM, Brazil.<br />

1. 2 Programa de Pós-graduação em Engenharia Elétrica/UFAM<br />

E-mails: ramyses@globo.com, ccosta@ufam.edu.br, mcosta@ufam.edu.br<br />

Abstract This paper describes a characteristic vector model for fingerprint representation that uses planar graph and triangulation<br />

algorithms. It is shown that this characteristic vector model presents a better performance in a fingerprint verification<br />

system when compared with others vector models already proposed in literature. In this paper is also presented a feature extraction<br />

method that explores the duality ridge ending/ridge bifurcation. It is shown that this new extraction method simplifies the<br />

computational complexity and decreases the error detection of a fingerprint identification system.<br />

Keywords Biometric system, fingerprint, triangulation, minutiae, planar graph.<br />

Resumo Este artigo descreve um modelo de vetor característico para representação de impressões digitais que usa grafos planares<br />

e algoritmos de triangulação. Será demonstrado que este modelo apresenta uma melhor performance em um sistema automático<br />

de verificação quando comparado a outros modelos já propostos na literatura. Também é apresentado neste artigo um método<br />

para extração de características (minúcias) que explora a dualidade “terminação/bifurcação”. É demonstrado que esse novo<br />

método de extração simplifica a complexidade computacional e diminui a quantidade de erros de detecção para um sistema de<br />

verificação automático.<br />

Palavras-chave Sistemas biométricos, impressão digital, triangulação, minúcias, grafos planares.<br />

1 Introdução<br />

De acordo com Maltoni et al (2005), um sistema de<br />

verificação biométrico é composto por estágios que<br />

realizam tarefas sequenciais e interdependentes,<br />

como mostra o diagrama da Figura 1. O resultado<br />

desse processo é baseado em um grau de similaridade,<br />

usualmente um número contido no intervalo<br />

[0,1], que relaciona a probabilidade de duas características<br />

biométricas serem provenientes de uma<br />

mesma fonte. No caso de duas impressões digitais, se<br />

elas são provenientes de um mesmo dedo.<br />

Para essa característica, de acordo com Stoney<br />

(1985), é de até 1.2 x 10 -80 a probabilidade de um par<br />

de impressões digitais, ser considerado genuíno, isto<br />

é, proveniente de um mesmo dedo. Em sentido inverso,<br />

é denominado par impostor duas impressões<br />

digitais provenientes de dedos diferentes.<br />

2 Sistemas de Verificação de Impressões Digitais<br />

O sistema de verificação exibido na Figura 1 pode<br />

ser descrito da seguinte maneira: uma imagem de<br />

impressão digital (como a da Figura 2(a)) é adquirida<br />

através de sensores ópticos e realçada por filtros<br />

contextuais (Castro, 2008, Chen e Chiu, 2006). O<br />

resultado é uma imagem semelhante àquela exibida<br />

na Figura 2(b). Em seguida, o estágio de extração<br />

localiza os elementos individualizadores da impressão<br />

digital, geralmente minúcias e pontos singulares,<br />

os quais serão representados por um vetor característico.<br />

Nesse momento, outro vetor, representando uma<br />

impressão digital anteriormente cadastrada pelo usuário,<br />

será recuperado da base de dados para a comparação.<br />

(Aquisição)<br />

Imagem de<br />

entrada<br />

Identidade<br />

reclamada<br />

Base de dados<br />

Préprocessamento<br />

Vetor<br />

característico 2<br />

Extração das<br />

características<br />

Comparação<br />

Grau de<br />

similaridade<br />

Geração do Vetor<br />

característico 1<br />

Figura 1 – Estágios de um sistema de verificação.<br />

50 100 150 200 250 300 350<br />

(a)<br />

(b)<br />

Figura 2 – Resultado do realce por filtragem contextual.<br />

(a) Imagem de entrada. (b) Imagem realçada com<br />

indicação do valor final de três pixels.<br />

Em sistemas centrados em minúcias, os mais conhecidos<br />

modelos de vetor característico se utilizam de<br />

dois conceitos principais: estruturas globais (Castro,<br />

2008, Jain, Hong e Bolle, 1997, Chan, Moon e<br />

Cheng, 2004, <strong>Costa</strong>, 2001, Huvanandana, Kin e<br />

Hwang, 2000, Luo, Tian e Wu, 2000, Ravi, Raja e<br />

Venugopal, 2009, Moura, 2006), e estruturas locais.<br />

O primeiro relaciona todas as minúcias detectadas na<br />

impressão digital com uma referência, geralmente<br />

um ponto singular: o núcleo ou o delta. O segundo<br />

não utiliza referências globais e pode, ainda, ser<br />

agrupado em duas grandes classes: vizinhança local<br />

(Zang et. al, 2008, Jea e Govindaraju, 2005, Jiang e<br />

ISSN: 2175-8905 - Vol. X 989<br />

50<br />

100<br />

150<br />

200<br />

250<br />

300<br />

350<br />

50<br />

100<br />

150<br />

200<br />

250<br />

300<br />

350<br />

X: 8 Y: 306<br />

Index: 0<br />

RGB: 0.502, 0.502, 0.502<br />

X: 236 Y: 21<br />

Index: -49.67<br />

RGB: 0.235, 0.235, 0.235<br />

X: 241 Y: 280<br />

Index: 41.73<br />

RGB: 0.725, 0.725, 0.725<br />

50 100 150 200 250 300 350


X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente<br />

18 a 21 de setembro de 2011<br />

São João del-Rei - MG - Brasil<br />

Yau, 2000, Mital e Teoh, 1997, Ratha et. al., 2000) e<br />

triangulação (Bebis, Deaconu e Georgiopoulos,<br />

1999, Liang, Bishnu e Asano, 2007, Liu, Yin e<br />

Zhang, 2005). Ambos apresentam propriedades vantajosas<br />

para sistemas computacionais.<br />

A escolha do modelo a ser utilizado depende da aplicação.<br />

Em sistemas comerciais de controle de acesso,<br />

por exemplo, onde existem dispositivos ópticos especializados<br />

para coleta de impressões digitais, os modelos<br />

globais são mais utilizados, pois nesses sistemas<br />

sempre estarão disponíveis impressões digitais<br />

completas, com imagens de boa qualidade e pontos<br />

singulares bem definidos. Por outro lado, em sistemas<br />

de bases de dados criminais, como os presentes<br />

nas polícias, são necessários modelos que permitam a<br />

comparação de imagens de impressões digitais de<br />

baixa ou média qualidade e parciais, geralmente sem<br />

núcleos ou deltas, sendo as estruturas locais a melhor<br />

escolha.<br />

Foram destacados na Figura 1 os estágios desse sistema<br />

que receberam as contribuições deste artigo. A<br />

primeira delas consiste em um método de detecção<br />

de minúcias de maior confiabilidade e menor complexidade<br />

computacional. A segunda, em um modelo<br />

de vetor característico que explora as vantagens dos<br />

dois modelos de estruturas locais mais conhecidos.<br />

Nas demais seções deste artigo serão descritos o<br />

método de extração de características proposto, os<br />

conceitos de grafos planares e sua geração através da<br />

triangulação para a construção do modelo de vetor<br />

característico proposto e a comparação, finalizando<br />

com o resultado dos testes de desempenho e conclusões.<br />

2 Extração das características<br />

Uma minúcia é um evento anormal presente no fluxo<br />

das linhas dactilares que por padrão correm paralelamente<br />

umas às outras. Elas são fortes elementos<br />

individualizadores de uma impressão digital sendo,<br />

para efeitos práticos em sistemas computacionais,<br />

divididas em dois tipos: terminações e bifurcações<br />

(Figura 3). Cada minúcia é representada por uma<br />

posição, uma direção e um tipo.<br />

Palmer et. al. (2008) localiza essas características<br />

avaliando a vizinhança de um pixel em uma janela<br />

3x3 de uma imagem de impressão digital esqueletonizada<br />

(linhas dactilares com largura de 1 pixel),<br />

computando suas coordenadas espaciais e o tipo. A<br />

determinação da direção envolve a análise da orientação<br />

das linhas na posição da minúcia, sendo a direção<br />

da terminação mostrada na Figura 3(a) e a da<br />

bifurcação na Figura 3(b). Quando o estágio de esqueletonização<br />

produz os artefatos mostrados nas<br />

Figuras 4(a) e 4(b), determinar esse parâmetro se<br />

torna uma tarefa extremamente difícil. No primeiro<br />

caso, o sistema tem dificuldades em decidir se há<br />

duas bifurcações em oposição ou se ocorreu alguma<br />

imperfeição no processo de esqueletonização. No<br />

segundo, como determinar se os cruzamentos produ-<br />

zidos são, de fato, bifurcações bem como o sentido<br />

da direção.<br />

(a)<br />

(b)<br />

Figura 3 – (a) Minúcia tipo terminação e sua direção.<br />

(b) Minúcia tipo bifurcação e sua direção.<br />

(a)<br />

(b)<br />

Figura 4 – Artefatos produzidos pelo processamento<br />

morfológico de esqueletonização que dificultam o cômputo<br />

de bifurcações.<br />

Para contornar esse problema, será explorada uma<br />

interessante propriedade das minúcias conhecida<br />

como dualidade terminação/bifurcação. Como pode<br />

ser visto na Figura 5, as bifurcações em uma imagem<br />

normal (Figura 5(a)) são vistas como terminações na<br />

mesma imagem invertida (Figura 5(b)), sendo a recíproca<br />

verdadeira.<br />

ISSN: 2175-8905 - Vol. X 990<br />

(c)<br />

(d)<br />

Figura 5 – Propriedade da dualidade terminação/bifurcação.<br />

Nossa proposta, que pode ser resumida no diagrama<br />

em blocos da Figura 6(a), utiliza duas imagens complementares,<br />

obtidas após a binarização da imagem<br />

realçada, esqueletonizadas individualmente. As terminações<br />

serão localizadas na imagem esqueleto<br />

original e as bifurcações, na imagem esqueleto invertida.<br />

Dessa forma, a tarefa de extrair todas as minúcias<br />

de uma impressão digital resumir-se-á em localizar<br />

e determinar a direção de terminações, apenas.<br />

Os estágios de limpeza garantirão maior robustez ao<br />

sistema, eliminando linhas de pequeno comprimento,<br />

ruídos do tipo spike e minúcias encontradas nas bordas<br />

da imagem. A Figura 6(b) mostra uma imagem de<br />

impressão digital esqueletonizada e suas minúcias<br />

detectadas pelo método proposto, enquanto as Figuras<br />

6(c) e 6(d) mostram imagens de estágios intermediários<br />

de nosso sistema de teste. As Figuras 6(e) e 6(f)<br />

mostram como os artefatos exibidos na Figura 4(a)<br />

desaparecem no esqueleto da imagem dual.<br />

Na saída desse estágio, o conjunto das N minúcias<br />

válidas detectadas (terminações e bifurcações) serão<br />

representadas pelo vetor [x, y, φ, t]i, 1 < i < N, respectivamente,<br />

coordenadas espaciais (x,y), direção


X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente<br />

18 a 21 de setembro de 2011<br />

São João del-Rei - MG - Brasil<br />

absoluta φ e tipo. Outros parâmetros individualizadores<br />

também podem ser inseridos nesse vetor, como<br />

coordenadas e direção dos pontos singulares e quantidade<br />

de linhas entre minúcias.<br />

Imagem Inicial<br />

(normal/Invertida)<br />

Localização das<br />

minúcias<br />

(Terminações)<br />

Eliminação de<br />

falsas minúcias<br />

(a)<br />

(c)<br />

Limpeza do<br />

esqueleto<br />

(normal/invertida)<br />

Determinação da<br />

direção<br />

N minúcias<br />

(terminação/<br />

bifurcação)<br />

[x,y,φ, t]<br />

(b)<br />

(d)<br />

(e)<br />

(f)<br />

Figura 6 – (a) Diagrama em blocos do estágio de extração<br />

proposto. (b) Minúcias detectadas pelo método<br />

proposto (Vermelho: terminações. Azul: bifurcações).<br />

(c), (d), (e) e (f) imagens intermediárias do sistema de<br />

teste mostrando a efetividade da propriedade da dualidade<br />

– coluna esquerda: imagem normal; coluna direita:<br />

imagem invertida.<br />

3 Grafos planares e triangulação<br />

Um grafo G é formado por um conjunto de vértices,<br />

denotado por V(G), e um conjunto de arestas, denotado<br />

por A(G) (Paulo, Yoshiharu e Yoshiko, 2004).<br />

No contexto desse trabalho, os vértices são as minúcias<br />

da impressão digital e as arestas, segmentos de<br />

reta que as interligam. Segundo Berg, Cheong e<br />

Kreveld (2008), a triangulação de um conjunto de<br />

pontos P = {p1, p2, ..., pn} é um grafo planar G onde<br />

a quantidade de arestas conectando dois vértices é tal<br />

que não é mais possível acrescentar uma nova aresta<br />

sem destruir a sua planaridade. Ou seja, não será<br />

mais possível conectar dois vértices sem cruzar as<br />

arestas já existentes.<br />

Há várias maneiras de se triangular o conjunto P,<br />

mas apenas uma é ótima (Berg, Cheong e Kreveld,<br />

2008). Uma triangulação é ótima quando ela maximiza<br />

o ângulo mínimo dos triângulos gerados, ou<br />

seja, gera o máximo de triângulos eqüiláteros (ângulo<br />

mínimo = 60 graus). A triangulação de Delaunay<br />

possui essa característica, além da sua unicidade de<br />

malha e imunidade a ruídos. (Moura, 2006). De fato,<br />

como pode ser observado na Figura 7, a ausência/presença<br />

do ponto destacado (que pode ser um<br />

ruído) afetou apenas localmente as duas triangulações.<br />

(a)<br />

(b)<br />

Figura 7 – A presença/ausência de um ponto no grafo<br />

afetou apenas localmente as triangulações.<br />

4 Geração do vetor característico<br />

A unicidade de malha e a imunidade à ruídos do<br />

grafo de Delaunay serão exploradas para a construção<br />

do vetor característico proposto. O diagrama em<br />

blocos da Figura 8 mostra como ele é gerado a partir<br />

dessa triangulação.<br />

Conjunto de N<br />

minúcias (x,y,φ)<br />

Montagem do<br />

vetor (minúcias +<br />

triplas)<br />

Geração do grafo<br />

(triangulação)<br />

Computação dos<br />

vértices<br />

adjacentes (triplas<br />

{d,θ,dφ})<br />

Codificação do sub-grafo<br />

Sub-grafos em<br />

sistema de<br />

coordenadas<br />

polares<br />

Identificação dos<br />

N sub-grafos<br />

Figura 8 – (a) Modelagem proposta para o vetor característico,<br />

utilizando apenas os elementos [x, y, φ].<br />

As coordenadas espaciais das N minúcias detectadas<br />

no estágio de extração serão os parâmetros de entrada<br />

da função que gera o grafo de Delaunay (Figuras<br />

9(a) e 9(b)). Após, cada elemento de N (representado<br />

pela tripla [x, y, φ]) será visto como o centro de um<br />

sub-grafo, formado pelo ponto Ni e todos os vértices<br />

a ele conectados pela malha da triangulação, conforme<br />

pode ser visualizado nas Figuras 9(c) e 9(d).<br />

Dado que cada minúcia formará um sub-grafo distinto,<br />

existirão, no total, N sub-grafos possíveis, cada<br />

um associado a uma minúcia Ni. A próxima etapa do<br />

algoritmo codifica cada sub-grafo em coordenadas<br />

polares, através das Equações (1), (2) e (3), sendo [xc,<br />

yc, φc] e [xn, yn, φn] as coordenadas dos pontos central<br />

e vizinho, d o tamanho do vértice, θ a direção e dφ a<br />

diferença direcional entre central e vizinho, tornando,<br />

desse modo, o vetor característico imune a rotações e<br />

pequenas distorções (Jain, Hong e Bolle (1997),<br />

Chan, Moon e Cheng (2004), Jiang e Yau (2000),<br />

Luo, tian e Wu (2000), Ravi, Raja e Venugopal<br />

(2009) e Moura (2006)).<br />

√( ) ( ) (1)<br />

Cada sub-grafo será representado pelo vetor (4),<br />

sendo n o número de vértices vizinhos conectados<br />

pela triangulação. O vetor característico da impressão<br />

digital é obtido agrupando-se os sub-grafos de acordo<br />

com (5).<br />

ISSN: 2175-8905 - Vol. X 991<br />

(2)<br />

(3)


X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente<br />

18 a 21 de setembro de 2011<br />

São João del-Rei - MG - Brasil<br />

Comparando a estrutura básica proposta (sub-grafo),<br />

com as estruturas locais construídas através da vizinhança<br />

simples, pode-se observar que, segundo este<br />

último modelo, para se decidir quais minúcias seriam<br />

consideradas como vizinhas haveria a necessidade de<br />

calcular as distâncias euclidianas entre todas as minúcias<br />

da impressão digital. No modelo proposto, a<br />

vizinhança é estabelecida exclusivamente pela triangulação.<br />

Ainda, comparando esses dois modelos, é<br />

possível, no caso da vizinhança local, não haver<br />

minúcia próxima o suficiente para que seja considerada<br />

vizinha, gerando um ponto isolado que não<br />

forma nenhuma estrutura. No modelo proposto, dada<br />

a característica da triangulação, não haverá minúcias<br />

com menos de duas vizinhas conectadas, afinal, todo<br />

vértice de um triângulo está conectado a outros dois.<br />

Comparando nosso modelo àqueles que utilizam<br />

estruturas globais, observa-se que no modelo proposto<br />

não é necessário encontrar o ponto de referência<br />

(geralmente o núcleo da impressão digital) que o<br />

modelo global exige.<br />

(a)<br />

(c)<br />

(b)<br />

(d)<br />

Figura 9 – (a) impressão digital com minúcias trianguladas<br />

(b) Grafo obtido com a triangulação. (c) e (d) subgrafos<br />

formados respectivamente pelos pontos 1 e 2<br />

destacados com círculo amarelo em (b).<br />

5 Comparando duas impressões digitais através<br />

de seus vetores característicos<br />

O grau de similaridade entre duas impressões digitais,<br />

para sistemas baseados em minúcias, é determinado<br />

pela quantidade de coincidências entre esses<br />

pontos. Em nossa proposta, a quantidade de pontos<br />

coincidentes será determinada pela quantidade de<br />

pares de sub-grafos corretamente associados. Seguindo<br />

a mesma linha de ação proposta em Jea e<br />

Govindaraju (2005), Jiang e Yau (2000), Mital e<br />

Teoh (1997) e Ratha et. al. (2000) nossa metodologia<br />

realiza o processo de comparação em duas etapas.<br />

Inicialmente, pares de sub-grafos são formados através<br />

de uma probabilidade de associação. Essa probabilidade<br />

é baseada na quantidade de vértices vizinhos,<br />

ou triplas [x, y, φ], correspondentes e o total de<br />

vértices do par de sub-grafos. No segundo estágio,<br />

são verificados se essas associações representam<br />

pontos realmente coincidentes através de simples<br />

sobreposição.<br />

ISSN: 2175-8905 - Vol. X 992<br />

[<br />

[<br />

φ<br />

φ<br />

φ<br />

φ ]<br />

(4)<br />

] (5)<br />

Formalmente, dois vértices, representados por duas<br />

triplas m e n, pertencentes a sub-grafos distintos, são<br />

considerados correspondentes se satisfizerem a equação<br />

6:<br />

[<br />

] [<br />

] [<br />

(<br />

(<br />

)<br />

) ] (6)<br />

( )<br />

Onde Δd, Δ e Δφ são tolerâncias, funções do comprimento<br />

da aresta que liga a minúcia central e o<br />

vértice sob avaliação. A probabilidade de associação,<br />

ou grau de similaridade local S, entre dois subgrafos,<br />

pertencentes a impressões digitais distintas, é<br />

dada pela Equação 7.<br />

√<br />

(7)<br />

Onde #triplas_OK indica a quantidade de triplas que<br />

satisfizeram a Equação 6, e #triplas_sub_i a quantidade<br />

total de triplas dos dois sub-grafos sob teste.<br />

Todo sub-grafo da primeira impressão digital do par<br />

sob teste é associado a um sub-grafo da segunda<br />

impressão com melhor probabilidade de associação<br />

S, S > th, sendo th um limiar. Depois de formados os<br />

pares, o segundo estágio verifica se há correspondência<br />

espacial entre suas minúcias centrais, através de<br />

sobreposição de pontos. Se a distância entre os pares<br />

sobrepostos for menor que uma tolerância Δd2, a<br />

correspondência é confirmada. O grau de similaridade<br />

final (Sf) entre dois vetores característicos, o que<br />

equivale à similaridade final entre duas impressões<br />

digitais, é dada pela equação 8.<br />

√<br />

(8)<br />

Sendo #sub-grafos_OK o número de sub-grafos com<br />

correspondência confirmada, N1 e N2 o número total<br />

de minúcias detectadas nas duas impressões digitais<br />

sob avaliação.<br />

6 Validando as metodologias propostas<br />

Para validar o método de extração e o modelo de<br />

vetor característico propostos foram utilizadas as<br />

bases de dados da FVC2002 (FVC, 2002), em um<br />

total de quatro e disponibilizadas em Maltoni et. al.<br />

(2005). Essas bases são denominadas de DB1, DB2,<br />

DB3 e DB4.<br />

Para validar o método de extração, foram utilizadas


X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente<br />

18 a 21 de setembro de 2011<br />

São João del-Rei - MG - Brasil<br />

doze amostras de impressões digitais de boa qualidade<br />

da base de dados DB1. As minúcias extraídas por<br />

esse método e por Palmer et. al. (2008) foram comparadas<br />

em termos de quantidade, detecção de falsas<br />

minúcias, erros na determinação da direção e tempo<br />

de processamento. A contagem de falsas minúcias foi<br />

realizada através da inspeção visual dos pontos detectados.<br />

Foram também utilizados os mesmos estágios<br />

de pré-processamento e limpeza para as duas<br />

metodologias, sendo a direção das bifurcações detectadas<br />

através do método de Palmer et. al. (2008)<br />

determinada de acordo com a Figura 3(b), ou seja, a<br />

bissetriz do menor ângulo formado pelas linhas incidentes<br />

no ponto. O resultado geral pode ser visto na<br />

Tabela 1.<br />

O desempenho do vetor característico proposto foi<br />

comparado com os modelos de Mital e Teoh (1997),<br />

baseado em estruturas locais, e em Bebis, Deaconu e<br />

Georgiopoulos (1999), baseado em triangulação.<br />

Foram construídos três sistemas de verificação independentes,<br />

com arquitetura similar, utilizando os<br />

mesmos conjuntos de minúcias obtidos nos estágios<br />

de extração proposto e as mesmas técnicas de comparação<br />

e consolidação (dois estágios). Não foram<br />

utilizados os pontos singulares nem contagem de<br />

linhas entre minúcias.<br />

O resultado geral dos testes é relacionado na Tabela<br />

2, onde os valores de EER e AUC obtidos pelos três<br />

sistemas podem ser comparados para as quatro bases<br />

de dados que compõem a FVC2002. Durante os<br />

testes, foi computado também o tamanho médio do<br />

vetor característico, outro parâmetro que tem relação<br />

direta com a quantidade de memória necessária para<br />

armazenar o vetor e que afeta diretamente a complexidade<br />

computacional dos sistemas. As Figuras 10 e<br />

11 mostram os resultados dos testes para a base de<br />

dados DB1, através das curvas de erro FAR(t) e<br />

FRR(t), valores de EER (Equal Error Rate) e curvas<br />

ROC, de onde são extraídos os parâmetros AUC<br />

(Area Under Curve) dos três modelos de vetor característico.<br />

7 Discussões e conclusões<br />

O método de extração de características proposto<br />

apresentou melhor desempenho quando comparados<br />

o tempo de processamento e as taxas de erro de direções<br />

de bifurcações, com uma performance semelhante<br />

nos demais quesitos da Tabela 1. O melhor<br />

desempenho no tempo de processamento se deve,<br />

principalmente, pela não necessidade de se calcular<br />

ângulos, e escolher o menor deles, entre os cruzamentos<br />

de linhas na imagem esqueleto, os quais<br />

indicam a presença de bifurcações. A possibilidade<br />

do sistema não conseguir definir qual o menor ângulo<br />

nesses cruzamentos também aumenta a incidência<br />

de erros de detecção das direções. No método proposto<br />

essa verificação não é necessária, já que o<br />

sistema procura apenas por terminações e os cruzamentos<br />

de linhas são ignorados.<br />

Erro %<br />

Já o modelo de vetor característico apresentado representa<br />

com eficiência uma impressão digital, apresentando<br />

uma probabilidade de até 99,77 % (parâmetro<br />

AUC extraído da curva ROC para a base DB1) de<br />

classificar corretamente duas impressões digitais<br />

como genuínas ou como impostoras, contra 96,67 %<br />

e 98,94 % das outras metodologias, havendo em<br />

contrapartida um pequeno aumento dos custos relativos<br />

aos requisitos de memória (tamanho médio do<br />

vetor característico). Tal desempenho do classificador<br />

foi obtido graças à exploração da unicidade de<br />

malha e imunidade à ruídos do grafo gerado pela<br />

triangulação de Delaunay e às propriedades individualizadoras<br />

da estrutura local. A inserção de outros<br />

elementos no vetor característico, tais como pontos<br />

singulares e quantidade de linhas entre minúcias<br />

tornaria o desempenho dos três sistemas ainda melhor.<br />

Tabela 1 – Resultado geral dos testes de extração de<br />

características.<br />

ISSN: 2175-8905 - Vol. X 993<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

Método<br />

Qtd total<br />

de minúciasdetectadas<br />

Qtd total<br />

de terminações<br />

detectadas<br />

Qtd total<br />

de bifurcaçõesdetectadas<br />

Tempo<br />

médio de<br />

extração<br />

por ID<br />

1 408 127 281 12 (ms)<br />

2 423 127 296 71 (ms)<br />

Método<br />

Erro tipo 1<br />

(%)<br />

Erro tipo 2<br />

(%)<br />

Erro tipo 3<br />

(%)<br />

Erro tipo 4<br />

(%)<br />

1 0,00 0,00 0,00 0,70<br />

2 0,00 1,00 0,00 4,39<br />

Método 1: Método proposto. Método 2: Palmer et. al (2008).<br />

Erro tipo 1: Razão de falsas terminações. Erro tipo 2: Razão de<br />

falsas bifurcações. Erro tipo 3: Razão de erros de direção para<br />

terminações. Erro tipo 4: Razão de erros de direção para bifurcações.<br />

Tabela 2 – Resultado geral para os modelos de vetor.<br />

Base<br />

de dados<br />

Sistema<br />

EER AUC<br />

Tam.<br />

médio<br />

Unidade<br />

1 6,286 0,96677 4,9 100<br />

FRR e FAR para Estrutura Local<br />

DB1 2 0,892 FAR 0,99778 5,2 100<br />

3 FAR FRR<br />

90 2,893 0,98943 57,6<br />

FRR<br />

1 5,036 0,97209 4,8 90<br />

Triplas/estrutura local<br />

100<br />

Triplas/sub-grafo<br />

Triângulos FAR<br />

90<br />

FRR<br />

Triplas/estrutura local<br />

DB2 80 2 1,143 0,99742 5,3 Triplas/sub-grafo<br />

80<br />

3 2,231 0,99251 71,7 80 Triângulos<br />

70 1 15,89 0,90901 4,8 Triplas/estrutura 70 local<br />

DB3 2 7,786 0,96909 70 4,9 Triplas/sub-grafo<br />

60 3 9,571 0,9608 36,2 triângulos<br />

60<br />

1 15,79 0,90774<br />

60<br />

4,9 Triplas/estrutura local<br />

DB4 50 2<br />

3<br />

4,607 0,97712 5,2<br />

50<br />

5,821 0,97089 58,9<br />

Triplas/sub-grafo<br />

50<br />

triângulos<br />

Sistema 40 1: baseado em vizinhança local. Sistema 40 2: baseado no<br />

40<br />

modelo de vetor proposto. Sistema 3: baseado em triangulação.<br />

EER: 30 Equal Error Rate; AUC: Area Under Curve. 30<br />

Erro %<br />

%Erro<br />

20<br />

X: 0.05<br />

Y: 6.286 10<br />

FRR e FAR para Estrutura Local<br />

X: 0.05<br />

Y: 6.286<br />

%Erro<br />

10<br />

X: 0.12<br />

Y: 0.8929<br />

0<br />

0<br />

0<br />

0.2 0 0.4 0.2 0.6 0.4 0.80.6 1 0.8<br />

0<br />

1 0 0.2<br />

0<br />

0 0.4 0.2 0.6 0.40.8 0.61 0.8<br />

0<br />

0 1<br />

Limiar Limiar<br />

Limiar<br />

t Limiar<br />

Limiar t<br />

(a) (b)<br />

Erro %<br />

30<br />

20<br />

10<br />

Erro %<br />

20<br />

FRR e FAR para o Método Proposto<br />

FRR e FAR para o Método Proposto<br />

FAR<br />

FRR<br />

X: 0.12<br />

Y: 0.8929<br />

Erro %<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

F<br />

X<br />

Y


0.6 0.8 1<br />

miar<br />

Erro %<br />

%Erro<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

X SBAI – Simpósio Brasileiro de Automação Inteligente<br />

18 a 21 de setembro de 2011<br />

São João del-Rei - MG - Brasil<br />

0<br />

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1<br />

Limiar t<br />

(c)<br />

Figura 10 – Detalhes das curvas de erro e o valor de<br />

EER (FAR(t) = FRR(t)). (a) Estrutura Local. (b) Método<br />

proposto. (c) Triangulação.<br />

CAR = 1 - FRR = sensibilidade<br />

1<br />

0.98<br />

0.96<br />

0.94<br />

0.92<br />

0.9<br />

0.88<br />

X: 0.11<br />

Y: 2.893<br />

Limiar<br />

Curvas ROC<br />

AUC 1 = 0.96677<br />

AUC 2 = 0.99778<br />

AUC 3 = 0.98943<br />

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1<br />

FAR = 1 - especificidade<br />

Figura 11 – Curvas ROC e o valor de AUC.<br />

Referências Bibliográficas<br />

1 - Estrutura Local<br />

2 - Método Proposto<br />

3 - Triangulação<br />

Bebis, Deaconu e Georgiopoulos (1999). Bebis,<br />

George, Deaconu, Taisa. e Georgiopoulos, Michael.,<br />

“Fingerprint Identification Using Delaunay<br />

Triangulation”, IEEE Internation Conference on Information<br />

Intelligence and Systems, pp 452-459,<br />

1999.<br />

Berg, Cheong e Kreveld (2008). Berg, Mark de;<br />

Cheong, Otfried; Kreveld, Marc van; “Computational<br />

Geometry: Algorithms and Applications”,<br />

Third Edition (March 2008), Springer-Verlag,<br />

2008. 386 pages, ISBN: 978-3-540-77973-5<br />

Castro (2008). Castro, Tiago da Silva. “Identificação<br />

de Impressões Digitais Baseada na Extração de<br />

Minúcias”; [Juiz de Fora] 2008-08-25, XIX, 99 p.<br />

29,7cm (UFJF, Mestrado em Engenharia Elétrica)<br />

Dissertação - Universidade Federal de Juiz de Fora,<br />

2008.<br />

Chan, Moon e Cheng (2004). K. C. Chan, Y. S. Moon,<br />

P.S. Cheng, "Fast Fingerprint Verification using<br />

Sub-regions of Fingerprint Images", IEEE Transactions<br />

on Circuits and Systems for Video Technology,<br />

Vol. 14, Issue 1, pp. 95-101, Jan. 2004.<br />

Chen e Chiu (2006). Ching-Han Chen; Kuo-En Chiu; ,<br />

"1-D Gabor Directional Filtering for Low-Quality<br />

Fingerprint Image Enhancement," IEEE Industrial<br />

Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference<br />

on , vol., no., pp.3466-3470, 6-10 Nov. 2006.<br />

<strong>Costa</strong> (2001). COSTA, S. M. F., "Classificação e Verificação<br />

de Impressões Digitais", Dissertação de<br />

Mestrado, Escola Politécnica da Universidade de<br />

São Paulo, 2001.<br />

FVC (2002). Second International Competition for<br />

Fingerprint Verification Algorithms (FVC2002),<br />

disponível no site http://bias.csr.unibo.it/fvc2002/.<br />

Huvanandana, Kin e Hwang (2000). Huvanandana S.;<br />

Kim C.; Hwuang, J. N., “Reliable and Fast Finger-<br />

print Identification for Security Applications”,<br />

ICIP00, Vol II, pp 503-506, 2000.<br />

Jea e Govindaraju (2005). T. Y. JEA, V. GO-<br />

VINDARAJU, "A Minutia-based partial fingerprint<br />

recognition system", Pattern Recognition 38 (2005)<br />

pp. 1672-1684, March 2005, published by Elsevier<br />

Ltd.<br />

Jiang and Yau (2000). Jiang X. e Yau W. Y., “Fingerprint<br />

Minutiae Matching Based on the Local and<br />

Global Structures”, in Proc. Int. Conf. on Pattern<br />

Recognition (15 th ), Vol 2, pp. 1042-1045, 2000.<br />

Liang, Bishnu e Asano (2007). Xuefeng Liang, Arijit<br />

Bishnu e Tetsuo Asano, "A Robust Fingerprint Indexing<br />

Scheme Using Minutia Neighborhood<br />

Structure and Low-Order Delaunay Triangles",<br />

IEEE Trans. on Informatin Forensics and Security,<br />

Vol 2, nº 4, pp 721-733, December 2007.<br />

Liu, Yin e Zhang (2005). Ning Liu, Yilong Yin e<br />

Hongwei Zhang, "A Fingerprint Matching Algorithm<br />

Based On Delaunay Triangulation Net", The<br />

Fifth International Conference on Computer and<br />

Information Technology, (CTI'05), 2005.<br />

Luo, Tian e Wu (2000). Xiping Luo, Jie Tian, Yan Wu,<br />

"A Minutia Matching Algorithm in Fingerprint<br />

Verification", 15th International Conference on<br />

Pattern Recognition (ICPR'00) - Volume 4, 2000,<br />

p. 4833.<br />

Maltoni et al (2005). D. Maltoni, D. Maio, A.K. Jain,<br />

and S. Prabhakar, "Handbook of Fingerprint<br />

Recognition", Springer 2005.<br />

Mital e Teoh (1997). Dinesh P. Mital e Eam Khwang<br />

Teh, “An Automated Matching Technique for Fingerprint<br />

Identification”, 1th International Conference<br />

on Knowledge-Based Inteligent Electronic<br />

Systems, 21-23 May, 1997, Adelaide, Austrália, pp<br />

142-147, 1997.<br />

Moura (2006). Moura, André Luis; “Uma proposta<br />

para triangulação Delaunay 2D e Localização Planar<br />

de Pontos em Ocaml”, Tese de Doutorado,<br />

Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia/MG,<br />

114 p, 2006.<br />

Palmer et al (2008). L. R. Palmer, M. S. Al-Tarawneg,<br />

S. S. Dlay e W. L. Woo, “Efficient Fingerprint<br />

Feature Extraction: Algorithm and Perfomance<br />

Evaluation”, 6th International Symposium on, pp<br />

581-584, Issue Date: 25-25 July 2008.<br />

Ratha et al (2000). Ratha N. K., Pandit, V. D. Bolle, R.<br />

M. e Vaish, V., “Robust Fingerprint Authentication<br />

Using Local Structural Similarity”, in Proc. Workshop<br />

on applications of Computer Vision, pp. 29-<br />

34, 2000.<br />

Ravi, Raja e Venugopal (2009). J. Ravi, K. B. Raja, K.<br />

R. Venugopal, "Fingerprint Recognition Using Minutia<br />

Score Matching", International Journal of<br />

Engineering and Technology, Vol. 1(2), 2009, pp<br />

35-42.<br />

Sipser (2006). Sipser, M., Introduction to the Theory of<br />

Computation, Thomson, NY, 2006.<br />

Stoney (1985). D.A. Stoney, “A Quantitative Assessment<br />

of Fingerprint Individuality”, Ph, D. Thesis,<br />

Univ. California, 1985.<br />

Zang et al (2008). Zang, J., Yuan, J. Shi, F. e Du, S.D,<br />

“A Fingerprint Matching Algorithm of Minutia<br />

Based on Local Characteristic”, Fourth International<br />

Conference on Natural Computation – Vol. 04<br />

pp 13-17, 2008.<br />

ISSN: 2175-8905 - Vol. X 994

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