СПОСОБ КОДИРОВАНИЯ ОТПЕЧАТКА ПАПИЛЛЯРНОГО УЗОРА
METHOD FOR CODING OF PAPILLARY PATTERN IMPRINT

Изобретение относится к области криминалистики и предназначено для кодирования отпечатков пальцев, ладоней и ступней ног. Его использование позволяет получить технический результат в виде улучшения идентификации за счет повышения устойчивости и точности описания системы признаков отпечатков папиллярных узоров.
Известны аналоги предлагаемого изобретения, например способ кодирования отпечатка папиллярного узора пальца, описанный в международной заявке 87/01224 "Система для распознавания и поиска отпечатков пальцев" по классу G06K 9/00, опубликованный 26.02.1987 г. с приоритетом США от 16.08.1985 г. Способ заключается в том, что на отпечатке папиллярного узора пальца выбирают центр вращения сканирующей линии, который располагают в центре отпечатка, радиально сканируют узор по его особенностям, определяя топологические характеристики узора в окрестностях этих особенностей путем присвоения заранее определенного кода каждой из особенностей узора в зависимости от типа особенности. Затем относительно начальной линии сканирования, проходящей через центр отпечатка, определяют угловые координаты сканирующей линии, проходящей поочередно через каждую особенность узора, радиальные расстояния и гребневый счет между центром вращения сканирующей линии и встреченными в процессе сканирования особенностями. В результате такого кодирования получают числовой код, с некоторой степенью однозначности описывающий папиллярный узор пальца.
Для идентификации личности по неполному отпечатку изучают распределение особенностей на нем, направления и изгибы папиллярных линий. На основании этой информации неполный отпечаток восстанавливают до полного (определяют предполагаемое место центра отпечатка в его дактилоскопическом понимании), после этого узор кодируют согласно вышеописанному способу и сравнивают с учетными отпечатками.
Недостатком данного способа является низкая точность кодирования полных и, конечно, неполных отпечатков папиллярных узоров. Этот недостаток обусловлен тем, что в данном способе центр вращения сканирующей линии располагают в центре отпечатка, через который проходит и начальная линия сканирования. Так как центр отпечатка представляет собой не точку, а некоторую область, то в этом случае невозможно однозначно определить положение точки, выбранной за центр вращения сканирующей линии, что может привести к искажению данных при кодировании отпечатка и повлечь за собой ошибки при идентификации личности. Еще большие искажения возникнут при кодировании и идентификации в случае восстановления центра узора в неполном отпечатке. Следует отметить, что кодирование отпечатка относительно центра узора снижает возможности использования данного способа, а именно не позволяет кодировать и проводить идентификацию личности по отпечаткам ладоней, так как в них невозможно однозначно выделить центр узора, который должен быть принят за центр сканирования.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ кодирования отпечатка папиллярного узора, описанный в патенте РФ №2054197, МПК 7 G06K 9/46, опубликованный 10.02.1996 г. Способ заключается в том, что на папиллярном узоре выделяют папиллярные линии и особенности числом n (особенности есть частные признаки в дактилоскопическом понимании), нумеруют особенности, определяют координаты и тип особенности, направление и величину кривизны в окрестности каждой особенности, проводят из каждой особенности вектор по касательной к образующей эту особенность линии, выбирают одну из особенностей за центр вращения линии сканирования, начальное положение которой совпадает с вектором, проведенным из выбранной особенности, сканируют папиллярный узор путем вращения линии сканирования вокруг выбранного центра вращения, определяют угловые координаты относительно начального положения линии сканирования для каждой встреченной в процессе сканирования особенности, определяют угол от начального положения линии сканирования до положения вектора встреченной особенности, определяют метрическое расстояние и число гребневых линий папиллярного узора между выбранным центром вращения линии сканирования и встреченной особенностью, повторяют все операции по сканированию папиллярного узора n-1 раз при выборе в качестве центра вращения линии сканирования новой особенности, при этом для каждой особенности определяют масштабную характеристику как среднее расстояние между папиллярными линиями вблизи данной особенности, после чего определяют преобразованные с учетом масштабной характеристики метрические расстояния и топологические характеристики папиллярного узора в виде положений векторов особенностей, новых координат особенностей, типов особенностей и величин смещений особенностей. Данный способ выбран в качестве прототипа.
По сравнению с аналогом способ-прототип позволяет повысить достоверность идентификации личности по отпечатку папиллярного узора за счет повышения точности и информативности его кодирования. Однако способу-прототипу присущ недостаток, который заключается в следующем. При излишне сильном прижатии пальца (ладони) к поверхности объекта, либо при попадании микрочастиц грязи между гребнями папиллярных линий, либо при сухости кожи тип особенности может мутировать, например окончание линии может залипнуть в разветвление, а разветвление разорваться в окончание. В прототипе же результат измерения гребневого счета сильно зависит от типа особенностей - разветвления или окончания, для которых определяется гребневый счет. Например, если величина измеренного гребневого счета между двумя окончаниями равна r и величина измеренного гребневого счета между двумя разветвлениями тоже равна r, то участвующая в идентификации узора величина гребневого счета между двумя разветвлениями принимается равной r+1. Величина r для двух разветвлений принудительно переписывается в величину r+1. Это необходимо для того, чтобы компенсировать возможный разрыв двух разветвлений в два окончания в направлении, удаленном друг от друга, при котором измеряемый гребневый счет величиной г при двух таких мутациях становится равным величине r+2. Поэтому для гребневого счета обычно устанавливается допуск, например величиной 2, компенсирующий всевозможные мутации особенностей (величина 1) и минимально необходимый запас для ошибки измерения (величина 1). При идентификации все величины гребневого счета, различающиеся в пределах допуска, считаются одинаковыми. Как следствие, увеличивается погрешность определения числа папиллярных линий между центром вращения сканирующей линии и встреченной при ее вращении особенностью. В результате заметно снижается точность идентификации папиллярного узора, избирательность идентификации и увеличивается рекомендательный список в системах криминального назначения.
Задачей, решаемой настоящим изобретением, является повышение устойчивости и точности кодирования отпечатков папиллярных узоров.
Достигается это тем, что в известном способе, заключающемся в том, что на папиллярном узоре выделяют папиллярные линии и особенности, образованные данными папиллярными линиями, нумеруют особенности, определяют для каждой особенности вектор направления, координаты и тип особенности, вектор и величину кривизны папиллярных линий в окрестности особенности, масштабную характеристику как среднее расстояние между папиллярными линиями в окрестности особенности, выбирают одну из особенностей за центр вращения линии сканирования, задают начальное положение линии сканирования, сканируют папиллярный узор путем вращения линии сканирования вокруг центра вращения, определяют число гребневых линий между центром вращения и встреченной в процессе сканирования особенностью, повторяют все операции по сканированию папиллярного узора при выборе другой особенности в качестве центра вращения линии сканирования, согласно изобретению, за центр вращения линии сканирования последовательно выбирают каждую точку каждой папиллярной линии, за исключением самих особенностей, и для каждого центра вращения строят гнездо в виде упорядоченного набора пар, где каждая пара представлена номером встреченной в процессе сканирования особенности и числом гребневых линий между центром вращения и встреченной особенностью, а одинаковые гнезда объединяют.
Кроме того, на отпечатке папиллярного узора выделяют области информативные и неинформативные, а линии и особенности располагают в информативной области.
Суть изобретения поясняется на чертеже, где показаны папиллярные линии с образованными на них особенностями 1-6; точки А и В, расположенные на папиллярной линии; пути от точек А и В до особенностей 1-6, по которым измеряется гребневый счет и которые показаны короткими и длинными пунктирными линиями соответственно; линия сканирования ВС с центром вращения в точке В, поворачивающаяся по часовой стрелке, и линия сканирования AD с центром вращения в точке А, поворачивающаяся по часовой стрелке.
Реализация способа осуществляется следующим образом. Отпечаток пальца (ладони) с дактилокарты вводят в память компьютера и получают изображение папиллярного узора в виде градаций оттенков серого цвета. На изображении выделяют папиллярные линии, которые затем утончают до линий толщиной в один пиксель. Такие линии называют скелетом или остовом (Р.Гонсалес, Р.Вудс. Цифровая обработка изображений. - М.: Техносфера, 2006. - с.780-783). Там, где скелетные линии обрываются не на краю узора, определяют окончания 1-4 (см. чертеж), а где разветвляются - разветвления 5, 6 (см. чертеж). Все особенности нумеруют, определяют их координаты и тип: разветвление или окончание. Затем определяют вектор направления для каждой особенности, показанный стрелочкой (см. чертеж), направленный по касательной к линии в точке расположения особенности, в направлении увеличения числа линий. Вокруг каждой особенности выделяют близкую к особенности окрестность радиусом 1-6 толщин папиллярных линий и вычисляют масштабную характеристику как среднюю величину расстояний между папиллярными линиями в окрестности особенности. Также для каждой особенности выделяют близкую к особенности окрестность радиусом 2-7 толщин папиллярных линий и определяют усредненное направление и усредненную величину кривизны линий в окрестности особенности.
Любую точку папиллярной линии или скелета, например точку В (см. чертеж), выбирают за центр вращения линии сканирования ВС. При вращении линии сканирования ВС по часовой стрелке вокруг точки В с указанным на чертеже начальным положением линии сканирования линия сканирования поочередно встретится с особенностями 3, 4, 6, 5, 1, 2. При встрече с очередной особенностью фиксируется номер особенности и гребневый счет между центром вращения линии сканирования и встреченной особенностью. Если измерять гребневый счет по количеству пересеченных линий вдоль путей, показанных на чертеже длинным пунктиром, то для последовательности особенностей 3, 4, 6, 5, 1, 2 формируется последовательность величин гребневого счета 0, 2, 2, 1, 3, 1. Это можно представить упорядоченным набором пар вида (3, 0), (4, 2), (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1), где каждая пара представлена номером встреченной в процессе сканирования особенности и величиной гребневого счета между центром вращения В и встреченной особенностью. Упорядоченный набор пар для точки В образует гнездо. Начальное положение линии сканирования может совпадать с касательной к папиллярной линии в данной точке. Выбор начального положения линии сканирования не принципиален, так как при другом начальном положении линии сканирования изменяется порядок перечисления пар, но не сами пары. Набор пар замыкается по окружности в кольцо. Например, при начальном положении линии сканирования BE формируется набор пар (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1), (3, 0), (4, 2), который при замыкании в кольцо легко идентифицируется с исходным набором пар (3, 0), (4, 2), (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1). Действительно, смещаясь по кольцу, для исходного набора пар получают 6 вариантов упорядоченных наборов пар:
(3, 0), (4, 2), (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1);
(4, 2), (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1), (3, 0);
(6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1), (3, 0), (4, 2);
(5, 1), (1, 3), (2, 1), (3, 0), (4, 2), (6, 2);
(1, 3), (2, 1), (3, 0), (4, 2), (6, 2), (5, 1);
(2, 1), (3, 0), (4, 2), (6, 2), (5, 1), (1, 3).
С одним из этих вариантов упорядоченных наборов пар совпадает гнездо (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1), (3, 0), (4, 2).
Следует отметить, что величина гребневого счета не зависит от того, где выбирают центр вращения: на скелетной линии или на широкой, например бинарной линии. Действительно, при подсчете числа пересечений папиллярных линий как функции от числа переходов с линий на просветы между линиями количество пересечений не зависит от ширины линий.
Следующим действием выбирают любую другую точку этой же или другой папиллярной линии, например точку А. Каждую точку выбирают ровно один раз. Для выбранной точки А строят гнездо с помощью линии сканирования AD (на чертеже показано ее начальное положение), которая поворачивается по часовой стрелке вокруг точки А как центра вращения. Ясно, что направление вращения линий сканирования несущественно, необходимо лишь, чтобы все линии сканирования вращались в одинаковом направлении. Всевозможных гнезд на папиллярном узоре может быть построено много, например десятки тысяч на одном среднестатистическом отпечатке пальца. Однако большинство из построенных гнезд с учетом замыкания по кольцу совпадает друг с другом. Все совпадающие гнезда объединяют в одно гнездо, которое оформляют одним из вариантов замыкания по кольцу. На чертеже точка А описывается упорядоченным набором пар (3, 0), (4, 2), (6, 2), (5, 1), (1, 3), (2, 1), который совпадает с гнездом для точки В. Даже при изменении начального положения линии сканирования AD гнезда точек А и В совпадут (работает замыкание по кольцу). Объединенные гнезда описывают топологию не отдельной точки, а протяженного участка линии. Обычно количество объединенных гнезд в 2-4 раза превышает количество особенностей узора и зависит от распределения особенностей на линиях узора. Иногда одна линия описывается несколькими объединенными гнездами, иногда одним. Гнезда точек А и В могут различаться в двух случаях: если точку А сместить по папиллярной линии достаточно далеко от точки В так, чтобы при вращении линии сканирования изменилась очередность встречаемых особенностей; если точку А перенести на другую папиллярную линию, при этом немедленно изменяется гребневый счет. Ясно, что количество объединенных гнезд сильно ограничено количеством особенностей.
Последовательность действий способа завершена.
Дополнительно отметим, что папиллярные линии и особенности располагают в информативных областях, которые заметно отличаются от неинформативных областей (области чистой бумаги, области залитые чернильной краской), в которых выделить папиллярные линии и особенности невозможно. В неинформативных областях особенности и линии не выделяются. Поэтому разделение площади узора на информативные и неинформативные области существенно.
Отметим преимущества предлагаемого способа кодирования. Все достоинства способа-прототипа в предлагаемом решении поддерживаются. Так определяется гребневый счет, на основе координат и векторов направлений особенностей рассчитываются метрические расстояния и угловые координаты, измеряется масштабная характеристика, позволяющая идентифицировать разномасштабные изображения, определяется величина и направление кривизны в окрестности особенности. Однако центры вращения сканирующей линии последовательно выбираются в точках линий, а не особенностей. Поэтому и гнезда, получаемые в результате операции объединения, описывают топологию линии, а не особенности. Так как мутируют особенности, а не линии, то грязь и другие дефекты узора, меняющие тип особенностей, не влияют (или влияют в гораздо меньшей степени) на гребневый счет, измеряемый между точкой линии и особенностью. Например, при разрыве разветвления в окончание в направлении, удаленном от точки линии, величина гребневого счета изменяется с величины г на величину г+1. Поэтому для идентификации отпечатков по величине гребневого счета достаточно установить допуск величиной 1, учитывающий только ошибки измерения. Уменьшение величины допуска возможно благодаря тому, что линии устойчивы к мутациям. Как следствие, уменьшается погрешность определения числа папиллярных линий между центром вращения сканирующей линии и встреченной при ее вращении особенностью.
Таким образом, предложенный способ кодирования отпечатка папиллярного узора позволяет существенно повысить устойчивость и точность кодирования, что упрощает процесс идентификации личности по отпечаткам пальцев (ладоней). В настоящее время предложенный способ кодирования отпечатков папиллярных узоров проходит апробацию.
Данный способ кодирования отпечатка папиллярного узора реализуется в виде последовательности действий, выполняемых на компьютере, и может быть применен в криминалистике, в системах предотвращения несанкционированного доступа в охраняемые помещения, при идентификации личности человека, пользующегося кредитной картой.
Учитывая новизну и наличие существенных отличительных признаков по сравнению с прототипом, заявитель считает, что предложенный способ может быть защищен патентом на изобретение.