The purpose of this work has been the computation of three-dimensional models of the finger and the fingerprint by using techniques based on multiple views of the finger, acquired without contact to the sensor. Three-dimensional models have then been processed in order to produce images comparable with those taken by traditional contact-based sensors. The contents of this work can be divided in the following steps. After calibrating the cameras, the obtained images were processed to extract some features from them (e.g., the finger boundary, the region of interest, the frequency and orientation of the ridges, and the location of some particular points). The images were processed by using a sequence of algorithms in order to make them similar to traditional contact-based fingerprint acquisitions. From the resulting images typical fingerprint features, such as minutiae position and ridge pattern, were then extracted. The information obtained in this process was used to build three-dimensional models. Two approaches are described in this thesis. The former is based on minutiae triangulation and consists of a discrete reconstruction of the fingerprint features. The latter uses a few loci (such as the point of maximum ridge curvature) extracted from multiple images and approximates a three-dimensional volume eventually completed with the superimposition of the original images. The resulting three-dimensional models are then transformed into planar images, so that state-of-the-art algorithms can extract the fingerprint features and compare them with the features extracted from traditional images.

1. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Elaborazione tridimensionale di impronte
digitali acquisite senza contatto
Angelo Genovese
Matr. 737558
Relatore: prof. Fabio Scotti
Correlatore: dott. Ruggero Donida Labati
Università degli Studi di Milano
Corso di Laurea Specialistica in Scienze e Tecnologie
dell’Informazione
11 giugno 2010
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese

2. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Impronte digitali a contatto
Tutta la moderna tecnologia di acquisizione delle impronte
digitali è basata sul contatto del dito con il sensore:
Questo tipo di scansione produce un’immagine ad elevato
contrasto, però comporta numerosi problemi:
deformazione del dito
secchezza o umidità della pelle
sporcizia che si accumula sul sensore
possibilità di lasciare impronte latenti
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 1/15

3. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Impronte digitali senza contatto
Una soluzione a questi problemi è rappresentata dall’uso di
fotocamere:
Le immagini prodotte hanno però due difetti:
hanno un contrasto molto inferiore
la curvatura del dito impedisce di rilevare tutti i dettagli
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 2/15

4. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Nuovi sviluppi
Il problema del contrasto può essere risolto tramite tecniche di
miglioramento dell’immagine:
Il problema della curvatura del dito può essere risolto scattando
più viste del dito ed integrandole in un modello tridimensionale:
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 3/15

5. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Scopo della tesi
Lo scopo della tesi è stato quello di ricostruire un modello
tridimensionale a partire da due immagini stereoscopiche
acquisite da una coppia di fotocamere:
I metodi proposti sono due:
1 Ricostruzione tridimensionale basata sulle minuzie
2 Ricostruzione tridimensionale basata su modello cilindrico
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 4/15

6. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Corrispondenza tra le minuzie
La posizione di un punto in uno spazio tridimensionale può
essere calcolata conoscendo la posizione del punto nelle due
immagini (triangolazione)
La ricerca delle minuzie nelle impronte digitali è un metodo
robusto per determinare la corrispondenza tra i punti delle due
immagini
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7. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
L’algoritmo
Segmentazione delle
immagini
Miglioramento delle
immagini
Calcolo della ROI
Matching tra le
minuzie
Triangolazione delle
minuzie
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 6/15

8. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Il risultato
Il risultato è stata una rappresentazione tridimensionale della
posizione delle minuzie:
La precisione richiesta nel calcolo delle corrispondenze è però
molto elevata
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 7/15

9. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Punti notevoli
Il secondo metodo proposto sfrutta la costruzione di un cilindro
per appossimare la forma del dito
Per descriverlo sono sufficienti tre punti che ne rappresentino la
larghezza e l’altezza:
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 8/15

10. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
L’algoritmo
Calcolo della
larghezza del dito
Estrazione del punto
di curvatura massima
Triangolazione dei tre
punti
Creazione del
modello cilindrico
Aggiunta dei dettagli
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 9/15

11. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Wrapping delle immagini
Applicare le immagini sul modello cilindrico ripristina la
curvatura del dito e permette di ricostruire la distanza originale
tra i punti:
In questo modo si compensa la perdità di qualità causata
dall’effetto prospettico dovuto alla curvatura del dito
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12. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Coordinate polari
Per rendere confrontabile il modello così ottenuto con delle
immagini bidimensionali si sostituiscono le coordinate
cartesiane con le coordinate polari:
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 11/15

13. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Confronti effettuati
Sono stati effettuati alcuni test biometrici per valutare
l’accuratezza del riconoscimento:
confronto tra le immagini stereoscopiche acquisite senza
contatto
confronto tra le immagini unwrapped
confronto tra le immagini tradizionali
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 12/15

14. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Risultati
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 13/15

15. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Problemi
I metodi proposti di ricostruzione tridimensionale presentano
ancora alcuni problemi:
i metodi di miglioramento dell’immagine devono essere
ottimizzati
la corrispodenza stereoscopica deve essere resa più
precisa
l’acquisizione delle immagini deve avvenire compensando
lo spostamento del dito
Elaborazione tridimensionale delle impronte digitali Angelo Genovese 14/15

16. Introduzione Minuzie Modello cilindrico Unwrapping Accuratezza Conclusioni
Sviluppi futuri
Esistono inoltre prospettive per miglioramenti futuri:
bisogna rendere l’andamento tridimensionale delle creste
e delle valli
è necessario integrare più viste del dito da diverse
angolazioni
è possibile sviluppare algoritmi di matching che operino su
modelli tridimensionali
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