Biometria 2013/14. Laboratorium 8 EKSTRAKCJA CECH W OBRAZIE (TĘCZÓWKA)

Transkrypt

1 Biometria 2013/14 Laboratorium 8 EKSTRAKCJA CECH W OBRAZIE (TĘCZÓWKA) Tęczówka to barwny obszar (mięsień) oka ograniczony przez twardówkę i źrenicę. Jest ona unikalnym identyfikatorem biometrycznym o dobrych cechach wyróżniających. Jej wygląd jest wynikiem rozwoju osobniczego, nie zaś genetyki. Najbardziej znany system rozpoznawania tęczówki został opisany przez Daugmana (Recognising person by its iris pattern) Zalety stosowania tęczówki jako metody biometrycznej pomiędzy próbkami brak deformacji elastycznych (przewaga nad odciskami palców) poza rozszerzaniem się źrenicy unikalność rozpoznawanej cechy, naturalne odseparowanie od środowiska zewnętrznego i zabezpieczenie przed jego wpływami, rejestrowanie obrazu jest łatwe w realizacji i nieinwazyjne, matematyczno-naukowe podstawy procesu rozpoznawania tęczówki w jasny sposób dowodzą, że jest to najskuteczniejsza technika biometryczna, niezmienność w czasie. Wady stosowanie tęczówki jako metody biometrycznej mała akceptowalność społeczna, konieczność przybrania określonej pozy w czasie akwizycji zdjęć, łatwość podrobienia

2 Rysunek 1 Afgańska "Mona Lisa" na przestrzeni lat. Problemy i wyzwania związane z pobieraniem obrazu tęczówki: przyjazność dla użytkownika (bezinwazyjność) minimalizacja zniekształceń w różnych warunkach oświetleniowych brak (lub co najmniej ograniczenie) odbić sferycznych wewnątrz oka umiejętność ominięcia trudności związanych z obecnością okularów i soczewek kontaktowych (w szczególności twardych) Minimalna rozdzielczość zalecana w literaturze celem uchwycenia wzorca tęczówki wynosi 70 pikseli/promień tęczówki (który w większości stosowanych systemów wynosi pikseli). Obecnie w pobieraniu obrazu stosuje się kamery CCD, pozwalające uzyskać obraz monochromatyczny (kolor tęczówki nie jest brany pod uwagę jako cecha biometryczna). Etapy ekstrakcji cech z tęczówki:

3 Ekstrakcja cech tęczówki I. Zlokalizowanie tęczówki ( środek źrenicy jest również środkiem tęczówki) II. Normalizacja Wzorzec tęczówki zostaje zdemodulowany celem uzyskania informacji o fazie (całki kwadraturowe Gabora) Faza (w przeciwieństwie do amplitudy sygnału) jest niezależna od warunków oświetlenia i kontrastu obrazu (lepiej nadaje się do odróżniania). Kąty fazowe są niezależne od kontrastu III. Zmiana układu współrzędnych IV. Kodowanie i ekstrakcja cech V. Rozpoznanie (decyzja) I. Lokalizacja tęczówki Obszar aproksymowany jest do okręgu. Granicami są: granica tęczówki oraz siatkówki. W pierwszym kroku należy wykryć te krawędzie, na przykład posługując się całkoworóżnicowym operatorem, żeby odizolować granice (Daugman 1993). Inną metodą jest podzielenie tego etapu na dwa kroki - konwersja zdjęcia na binarną mapę w oparciu gradient. Następnie stosuje się transformatę Hough'a żeby wykryć granice. W praktyce najskuteczniejsze jest połączenie obu metod.

4 Rysunek 2 Wynik transformaty Hougha. Środek źrenicy nie pokrywa się ze środkiem tęczówki II. Normalizacja Znormalizować obraz tęczówki to przetransformować region tęczówki w taki sposób, żeby mieć określone wymiary i usunięte niechciane szumy. Po tej operacji, dwie fotografie tej samej tęczówki oka pod różnymi kątami czy oświetleniu, będa mieć te same charakterystyczne cechy. Tak czy inaczej ważne jest zadbanie, żeby normalizujące koła nie miały ustalonych promieni na sztywno. Rubber Sheet Model Model ten odwzorowuje każdy punkt, który znajduje się w obszarze tęczówki, na współrzędne biegunowe. Wtedy znormalizowany region jest pakowany do regionu prostokątnego. Jest to więc odwzorowanie z kartezjańskiego układu współrzędnych, do niekoncentrycznej biegunowej reprezentacji.

5 Rysunek 3 Rubber Sheet Model III. Kodowanie i ekstrakcja cech Konstruowanie kodu tęczówki jest ostatnim etapem. Przed lokalizacją tęczówki konieczne jest wyciągnięcie najbardziej znaczących cech do odpowiednich wzorów, by umożliwić porównanie różnych tęczówek. Wzór tęczówki daje nam dwa typy informacji. Amplitudę oraz fazę. Tylko informacja z fazy jest wykorzystywana. Transformata falkowa jest stosowana do dekompozycji informacji z regionów tęczówki w komponenty, które pojawią się w różnych rozdzielczościach, pozwalających na zaznaczenie tych samych pozycji w różnych rozdzielczościach.

6 Rysunek 4 Kodowanie cech z zastosowaniem falek Gabora Kąt użyty w fazie jest poddawany kwantyzacji, żeby zbudować kod tęczówki. Kwantyzację przedstawia poniższy rysunek. Poddany kwantyzacji sygnał, jest opisany za pomocą wymienionych tutaj całek, w pseudo biegunowym systemie.

7 IV. Rozpoznawanie Odległość Hamminga (Hamming distane, HD) Propozycja Hamming dystansu jest wzorcem do dopasowań zaproponowanym przez Daugmana. Kiedy porównujemy dwa wzorce bitowe, HD reprezentuje ilość bitów, które są inne w obu wzorcach. Jest to liczba bitów, które nie są identyczne, kiedy porównujemy uporządkowane pozycje. Używając tego sposobu dopasowań, możemy jednoznacznie stwierdzić, czy dany szereg naszych bitów pasuje do innego. We wzorze na Hamming Dystans, X oraz Y, są dwoma bitami we wzorcach. Więc generalnie, jeżeli bit we wzorcu X jest inny niż we wzorcu Y, wtedy operacja XOR da nam rezultat 1. Następnie wynik jest dzielony przez N elementów, czyli ilość bitów opisujących naszą tęczówke. Idealnie jest kiedy HD jest równy 0. Używając środowiska Matlab, można w prosty sposób śledzić HB. Sprawozdanie 1. Proszę zaimplementować poniższy algorytm Etapy wyodrębniania tęczówki z obrazu 1. Pobranie obrazu: 2. Binaryzacja A) Przeprowadzenie binaryzacji korzystając ze wzoru: gdzie:

8 P - próg binaryzacji A(i,j) - wartość szarości w miejscu i,j obrazka w - wysokość obrazka h- szerokość obrazka s - szerokość obrazka B) Następnie przeprowadza się niezależnie normalizację progu osobno dla źrenicy i tęczówki Próg dla źrenicy = P/4,5 Próg dla tęczówki = P/1,5 Rysunek 5 Wynik binaryzacji tęczówki z osobnym progiem binaryzacji dla źrenicy (po lewej) i tęczówki (po prawej) 3. Dowolnie wybraną metodą oczyścić zbinaryzowanym obraz źrenicy z części sygnału reprezentującej rzęsy i brwi: 4. Powtórzyć krok 3-ci dla zbinaryzowanego obrazu tęczówki

9 5. Wyznaczenie środka źrenicy (wybór 1 z 2 metod) a. wpisać plamę źrenicy w okrąg b. wyznaczyć najdłuższe linie proste łączące piksele krawędziowe plamy źrenicy i jako środek wziąć ich punkt przecięcia. 6. W oparciu o wyznaczony środek źrenicy można wyznaczyć promień tęczówki poprzez analizę krawędzi pozostałej plamy tęczówki i opisuje się tęczówkę za pomocą równania okręgu.

10 2. Proszę powtórzyć te operacje wykonując najpierw rozmycie Gaussa z maską: 3. Proszę rozciąć otrzymany pierścień i wyświetlić go w formie paska