ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-3-2009 Автоматическая идентификация. Идентификация биометрическая. Форматы обмена биометрическими данными. Часть 3. Спектральные данные изображения отпечатка пальца.
ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-3-2009
Группа П85
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Автоматическая идентификация
ИДЕНТИФИКАЦИЯ БИОМЕТРИЧЕСКАЯ
Форматы обмена биометрическими данными
Часть 3
Спектральные данные изображения отпечатка пальца
Automatic identification. Biometric identification. Biometric data interchange formats. Part 3. Finger pattern spectral data
ОКС 35.040
Дата введения 2011-01-01
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Научно-исследовательским и испытательным центром биометрической техники Московского государственного технического университета имени Н.Э.Баумана (НИИЦ БТ МГТУ им.Н.Э.Баумана) на основе собственного перевода на русский язык англоязычной версии стандарта, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Управлением технического регулирования и стандартизации Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 8 декабря 2009 г. N 588-ст
4 Настоящий стандарт идентичен международному стандарту ИСО/МЭК 19794-3:2006* "Информационные технологии. Форматы обмена биометрическими данными. Часть 3. Спектральные данные изображения отпечатка пальца" (ISO/IEC 19794-3:2006 "Information technology - Biometric data interchange Formats - Part 3: Finger pattern spectral data", IDT).
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ 1.5-2012* (пункт 3.5).
При применении настоящего стандарта рекомендуется использовать вместо ссылочных международных стандартов соответствующие им национальные стандарты, сведения о которых приведены в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
6 ПЕРЕИЗДАНИЕ. Январь 2019 г.
Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. N 162-ФЗ "О стандартизации в Российской Федерации". Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок - в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
Введение
Настоящий стандарт входит в комплекс стандартов и технических отчетов, которые были разработаны ИСО/МЭК СТК 1/ПК 37 с целью установления требований к автоматической идентификации на основе биометрических характеристик.
Стандарт устанавливает требования к формату обмена спектральными данными изображения отпечатка пальца, который позволяет использовать более компактное представление данных по сравнению с обменом исходными изображениями.
В качестве способа определения спектральных составляющих настоящий стандарт устанавливает дискретное преобразование Фурье и преобразование с использованием компонентов фильтра Габора. Для получения спектральных данных используется изображение целиком или ячейки изображения (перекрывающиеся или неперекрывающиеся) одинакового размера, не зависящего от конкретного изображения и не изменяющегося в его пределах. Исходное изображение отпечатка пальца должно быть полутоновым. Получение спектральных составляющих путем вейвлет-преобразования настоящим стандартом не устанавливается.
В некоторых алгоритмах распознавания отпечатков пальцев для сопоставления с шаблоном используются спектральные данные изображения отпечатка пальца. В таких алгоритмах используются биометрические свойства, извлекаемые из ячейки изображения путем преобразований, учитывающих каждый элемент ячейки, в отличие от алгоритмов, в которых используются свойства, извлекаемые из ячейки на основании анализа особых точек изображения. В настоящее время не существует формата обмена спектральными данными изображения отпечатка пальца для использования в алгоритмах распознавания.
Настоящий стандарт обеспечивает:
- функциональную совместимость устройств распознавания отпечатков пальцев различных изготовителей, основанную на компактном формате данных;
- распространение недорогих промышленных дактилоскопических сканеров с ограниченными зоной сканирования, динамическим диапазоном или пространственным разрешением;
- установление формата записи данных, который позволяет использовать для хранения биометрической информации различные носители данных (включая портативные устройства и смарт-карты);
- поддержку распространения биометрии в приложениях, требующих функциональной совместимости.
Организации ИСО и МЭК обращают внимание на то, что для соответствия требованиям настоящего стандарта может потребоваться использование патентов на метод квантованных косинусоидальных триплетов, использующихся для представления спектральных данных изображения отпечатка пальца. Организации ИСО и МЭК не несут ответственность за идентификацию определенных или любых подобных патентных прав. Обладатель данного патентного права заверил ИСО и МЭК в своей готовности вести переговоры о выдаче права на лицензию в любой стране на разумных и равноправных условиях. Запись о готовности патентовладельца выдать соответствующую лицензию зарегистрирована в ИСО и МЭК. Информация может быть получена по адресу:
Bioscrypt Inc.
505 Cochrane Drive
Markham, Ontario, Canada
L3R 8E3
1 Область применения
Настоящий стандарт устанавливает требования к формату обмена спектральными данными изображения отпечатка пальца.
2 Соответствие
Биометрическую систему и алгоритм считают соответствующими требованиям настоящего стандарта, если они обеспечивают формирование спектральных данных изображения отпечатка пальца в соответствии с разделом 7 и формирование записи спектральных данных изображения отпечатка пальца в соответствии с разделом 8.
3 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие международные стандарты*. Для датированных ссылок необходимо использовать только указанную редакцию. Для недатированных - последнюю редакцию ссылочных стандартов, включая любые поправки и изменения к ним:
________________
_________________
ANSI/NIST-ITL 1:2000, Standard Data Format for the Interchange of Fingerprint, Facial, & Scar Mark & Tattoo (SMT) Information (Стандарт американского национального института стандартов, национального института стандартов и технологий США, лаборатории испытаний промышленной продукции - Стандартный формат данных для обмена информацией об отпечатках пальцев, лице, шрамах и татуировках)
ANSI/IEEE Std 754-1985, IEEE Standard for Binary Floating-Point Arithmetic (Стандарт американского национального института стандартов, института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (ИИЭР) Арифметические операции с плавающей точкой в двоичной системе счисления)
4 Термины и определения
В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:
4.1 биометрические данные (biometric data): Любые данные, характеризующие какую-либо биометрическую характеристику.
Примечание - В настоящем стандарте биометрическими данными являются спектральные данные отпечатка пальца, данные о качестве и другие данные, извлеченные из полученного биометрического образца.
4.2 биометрическое свойство (biometric feature): Представление биометрической характеристики, которое может быть использовано биометрическим алгоритмом при сравнении наборов данных одного и того же биометрического типа.
Примечания
1 Применение данного термина должно совпадать с его применением математическими сообществами и сообществами по распознаванию образов.
2 В настоящем стандарте биометрическими свойствами являются спектральные составляющие образца изображения отпечатка пальца.
4.3 биометрический образец (biometric sample): Информация, полученная непосредственно или после обработки с биометрического устройства.
4.4 исходный биометрический образец (raw biometric sample): Биометрический образец, полученный непосредственно с биометрического устройства.
Примечания
1 В настоящем стандарте предполагается, что для получения исходных биометрических образцов используются дактилоскопические сканеры.
2 Как правило, исходный биометрический образец имеет максимально возможные размеры и пространственное разрешение, обеспечиваемые используемым дактилоскопическим сканером.
4.5 промежуточный биометрический образец (intermediate biometric sample): Биометрический образец, полученный путем обработки исходного биометрического образца и предназначенный для дальнейшей обработки.
Пример - Обрезка изображения, субдискретизация, сжатие, преобразование в стандартные форматы обмена данными и увеличение изображения.
Примечание - В настоящем стандарте понятие промежуточного биометрического образца относится к образцам отпечатков пальцев.
4.6 биометрическая система (biometric system): Автоматизированная система, предназначенная для сбора биометрических данных, извлечения свойств из полученных данных, сравнения обработанных данных с данными биометрических шаблонов и определения вероятности их совпадения, по которой определяется успешность проверки подлинности или идентификации личности.
4.7 глубина цвета (bit-depth): Число битов, используемых для кодирования каждого пикселя.
4.8 ячейка (cell): Прямоугольная однородная неперекрывающаяся область изображения.
Примечание - Многошкальные ячейки не рассматриваются в настоящем стандарте.
Примечание - Понятие применимо только для метода квантованных косинусоидальных триплетов.
4.10 группа ячеек (cell quality group): Квадратный массив ячеек изображения отпечатка пальца, для которого определен показатель качества.
4.11 сопоставление (comparison): Процесс сравнения биометрического образца с ранее полученным шаблоном или шаблонами.
4.12 ядро (core): Самая верхняя точка на внутреннем загнутом гребне отпечатка пальца, в общем случае расположенная в пределах самого внутреннего загиба петли.
Примечание - Для лучшего понимания можно рассматривать ядро как загиб гребня, иногда охватывающий несколько окончаний гребней. Ядро служит для определения примерного положения центра изображения отпечатка пальца.
4.13 обрезка (crop): Удаление края изображения для уменьшения его размера.
4.14 дельта (delta): Точка на гребне, расположенная ближе всех (непосредственно перед) к точке расхождения двух граничных папиллярных гребней.
4.15 размерность (dimension): Число пикселей в полученном образце отпечатка пальца в горизонтальном или вертикальном направлении.
4.16 субдискретизация (down-sample): Уменьшение разрешения изображения путем повторной выборки изображения с помощью уменьшенного количества пикселей.
Примечание - Во избежание эффекта наложения необходимо использовать надлежащую фильтрацию.
4.17 регистрация (enrolment): Процесс сбора биометрических образцов человека, их последующая обработка и хранение биометрических контрольных шаблонов и моделей.
4.18 отпечаток пальца (fingerprint pattern): Изображение отпечатка пальца.
Примечание - В настоящем стандарте понятие отпечатка пальца относится к промежуточному биометрическому образцу.
4.19 спектральные данные изображения отпечатка пальца (finger pattern spectral data): Ряд спектральных составляющих, извлеченных из изображения отпечатка пальца.
4.20 минимальная пространственная длина волны (minimal spatial wavelength): Пространственная длина волны (измеряемая в пикселях), в которой ровно два образца изображения охватывают полный период косинусоидального шаблона.
Примечание - Существует также максимальная пространственная частота, которая передается без искажений при дискретизации. Эта частота называется частотой Найквиста. Минимальная пространственная длина волны - величина, обратная частоте Найквиста. Частота Найквиста определяет требования к разрешению изображения отпечатка пальца после субдискретизации.
4.21 заполнение (pad): Вставка изображения в большой массив (обычно заполненный нулями) для получения изображения большего размера.
4.22 повторная выборка (re-sampling): Регистрация изображения с частотой дискретизации, которая отличается от частоты дискретизации, использованной при первоначальной регистрации.
4.23 разрешение изображения (image resolution): Число точек на единицу длины изображения.
Примечание - В настоящем стандарте в качестве единицы измерения разрешения изображения использованы пиксели на сантиметр (ррсm); 1 пиксель на сантиметр равен 2,54 пикселя на дюйм (ppi).
4.24 граничные гребни (typeline): Два крайних гребня, начинающихся параллельно, расходящихся и окружающих или стремящихся окружить пальцевый узор.
5 Обозначения и сокращения
В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения:
|
|
2М (2D) | - двумерный (two dimensional); |
ЕСФОБД (CBEFF) | - единая структура форматов обмена биометрическими данными (Common Biometric Exchange Formats Framework); |
ДПФ (DFT) | - дискретное преобразование Фурье (Discrete Fourier Transform); |
ppcm | - пиксели на сантиметр (pixels per centimeter); |
ppi | - пиксели на дюйм (pixels per inch); |
a, b, c, ..., S, T | - строчные и прописные латинские буквы; |
 , , , ...,  | - строчные и прописные греческие буквы; |
[a; b) | - ряд значений от a до b, включая a, но не включая b; |
[a; b] | - ряд значений от a до b, включая a и b; |
 | - наибольшее целое число, меньшее или равное a; |
 | - наименьшее целое число, большее или равное a; |
 | - ближайшее целое число к a. Если дробная часть Числа a равна 0,5, то должно быть заменено на ближайшее целое число, большее a ; |
 | - функция a с аргументами b и c; |
 | - амплитуда ДПФ или функции Габора при заданных аргументах b и c; |
 | - фаза ДПФ или функции Габора при заданных аргументах b и c. |
6 Представление данных
6.1 Последовательность байтов и битов
Информационные элементы, поля и записи должны состоять из одного или нескольких байтов данных. Все многобайтовые последовательности должны быть представлены в формате обратного порядка байтов (Big-Endian), то есть запись любого многобайтового значения начинают со старших байтов. Порядок передачи данных должен быть следующим: сначала передаются старшие байты, затем - младшие. В пределах каждого байта порядок передачи должен быть следующим: сначала передаются старшие биты, затем - младшие. Все численные значения должны быть целыми и беззнаковыми величинами фиксированной длины. Значения с плавающей точкой должны быть записаны как четырехбайтовые (32-битовые) значения одинарной точности в соответствии с ANSI/IEEE Std 754-1985.
6.2 Система координат
|
 |
Рисунок 1 - Система координат
В формате записи спектральных данных изображения отпечатка пальца разрешение системы координат устанавливается в заголовке записи в соответствие с 8.1.5 (горизонтальное разрешение) и 8.1.6 (вертикальное разрешение).
Началом координат ячейки должен быть левый верхний пиксель ячейки, ось абсцисс должна быть направлена вправо, а ось ординат - вниз.
6.3 Разрядность шкалы градаций серого
6.4 Полярность изображения
На изображении отпечатка пальца гребни должны быть черного цвета, а впадины - белого, в противном случае необходимо провести преобразование изображения для его соответствия данному требованию. Серые линии на изображении отпечатка пальца соответствует гребням.
6.5 Направление отсчета угла
Мера углов должна находиться в диапазоне [0°; 360°), если не оговорено иное. Угол, равный 0°, параллелен оси абсцисс (горизонтален). Отсчет углов осуществляют против часовой стрелки.
6.6 Мера угла
Все фазы и углы распространения должны измеряться в градусах.
7 Определение спектральных данных изображения отпечатка пальца
7.1 Общее представление
Определение спектральных данных, использующихся для представления полученного отпечатка пальца в формате обмена, установленном в настоящем стандарте, проводят в следующей последовательности:
1) предварительная обработка изображения отпечатка пальца, например субдискретизация или обрезка изображения; предварительная обработка не является обязательной;
3) выбор спектральных составляющих для представления каждой ячейки отпечатка пальца.
7.2 Предварительная обработка изображения
На данном этапе допускается проводить уменьшение разрешения (субдискретизацию) и обрезку изображения. Допустимое уменьшение разрешения определяют по максимальной пространственной частоте изображений отпечатков пальцев исследуемой группы людей (взрослые, дети и т.д.). Обрезку изображения, являющуюся частью данного этапа, допускается проводить до или после субдискретизации.
В результате происходит преобразование первичного биометрического образца в промежуточный биометрический образец. Если вышеуказанные операции не проводят, фрагментации должен подвергаться исходный биометрический образец (полученное изображение отпечатка пальца).
7.3 Фрагментация
|
 |
Рисунок 2 - Фрагментация изображения отпечатка пальца
Информация об отпечатке пальца в каждой ячейке должна быть представлена спектральными составляющими, полученными с использованием одного из методов, описанных в 7.4.
7.4 Выбор спектральных составляющих
Спектральные данные ячейки изображения отпечатка пальца могут быть получены несколькими способами, в частности: с помощью дискретного преобразования Фурье, фильтрации Габора или выбора спектральных составляющих из дискретного набора косинусоидальных функций, описанных ниже.
7.4.1 Дискретный набор косинусоидальных функций
Информацию о яркости точек в ячейке изображения отпечатка пальца можно представить при помощи следующей двумерной косинусоидальной функции:
|
 |
Рисунок 3 - Представление спектральных составляющих ячейки изображения отпечатка пальца
Диапазоны значений параметров:
|
|
-битовое значение | |
0...000 | 0 |
0...001 |  |
0...010 |  |
… | … |
1...110 |  |
1…111 |  |
|
|
|
-битовое значение | | |
0...000 | 0 | |
0...001 |  |  |
0...010 |  | |
… | … | … |
1...110 |  | |
1…111 |  | |
|
|
-битовое значение | |
0...000 | 0 |
0...001 |  |
0...010 |  |
… | … |
1...110 |  |
1…111 |  |
Конкретный тип квантованного косинусоидального триплета, представляющего информацию в рассматриваемой ячейке изображения отпечатка пальца, определяют с использованием критерия максимального правдоподобия в следующей последовательности:
1) нормируют данные ячейки изображения отпечатка пальца до интервала [-1; 1];
2) вычисляют меру различия яркости пикселей ячейки изображения отпечатка пальца и яркости пикселей каждого из возможных типов ячеек (пример вычисления меры различия приведен ниже);
3) выбирают тип ячейки, которому соответствует минимальная мера различия, вычисленная на предыдущем этапе;
4) выбирают косинусоидальный триплет, соответствующий выбранному типу ячейки, для представления данных ячейки изображения отпечатка пальца.
|
|
 |  |
А - ячейка изображения отпечатка пальца | В - структура ячейки |
Примечание - Могут использоваться другие способы вычисления меры различия, отличные от приведенного выше, в частности, Евклидова мера.
В случае неопределенности, вызванной соответствием минимальной меры различия нескольким типам ячеек, необходимо выбрать тип ячейки, которому соответствует косинусоидальный триплет, выбранный из ряда возможных триплетов следующим образом:
Если после выполнения этапа 1) или 2) остается единственный косинусоидальный триплет, то именно его следует использовать для представления данных ячейки изображения отпечатка пальца. Если после выполнения этапа 2) остается несколько типов возможных косинусоидальных триплетов, конкретный тип триплета выбирают на этапе 3).
При использовании метода квантованных косинусоидальных триплетов размер ячейки должен быть таким, чтобы число гребней было не более двух. На рисунке 3 показана ячейка, содержащая более двух гребней, однако это сделано в иллюстративных целях.
7.4.2 Дискретное преобразование Фурье
Диапазоны возможных значений модуля и аргумента комплексных чисел:
|
|
|
Диапазон значений | Двоичный -битовый код | Десятичное значение |
 | 0…000 | 0 |
 | 0…001 |  |
 | 0…010 |  |
… | … | … |
 | 1…110 |  |
 | 1…111 |  |
|
|
|
Диапазон значений | Двоичный -битовый код | Десятичное значение |
 | 0...000 | 0 |
 | 0...001 |  |
 | 0...010 |  |
… | … | … |
 | 1...110 |  |
 | 1...111 |  |
При проведении спектрального разложения целого изображения отпечатка пальца следует учитывать необходимость сохранения энергии спектральных компонентов в пределах информативного диапазона пространственных частот. Для большинства людей информативный диапазон пространственных частот соответствует пространственной длине волны от 14 до 18 пикселей при разрешении изображения отпечатка пальца порядка 500 dpi. Другому разрешению изображения соответствует другая пространственная длина волны.
Если размеры ячеек больше длины волны периодически повторяющейся структуры папиллярных гребней по крайней мере в два раза, в спектре изображения отпечатка пальца будет преобладать одна составляющая с большой амплитудой. Данной составляющей соответствует пространственная длина волны одного порядка с длиной волны структуры папиллярных гребней.
Если размеры ячеек сопоставимы с длиной волны структуры папиллярных гребней или меньше ее, а также если в ячейке содержится бифуркация и/или окончание гребня, в спектре изображения отпечатка пальца может не быть преобладающих составляющих.
Для устранения эффекта Гиббса при восстановлении изображения с использованием ограниченного числа спектральных составляющих целесообразно применять оконную фильтрацию перед выполнением двумерного ДПФ. Хороший эффект дает использование для фильтрации изображения двумерного гауссиана. Использованию фильтрации окном Гаусса перед ДПФ аналогично применение фильтров Габора с заранее определенной длиной волны и направлением распространения. Описание фильтров Габора приведено в 7.4.3.
7.4.3 Фильтры Габора
Ячейка изображения отпечатка пальца может быть представлена спектральными данными, полученными с использованием 2М фильтра Габора. 2М фильтр Габора описывается функцией, которая является произведением гауссиана и комплексной экспоненты
Диапазоны возможных значений модуля и аргумента комплексных чисел:
|
|
|
Диапазон значений | Двоичный -битовый код | Десятичное значение |
 | 0...000 | 0 |
 | 0...001 | |
 | 0...010 | |
… | … | … |
 | 1...110 | |
| 1...111 | |
|
|
|
Диапазон значений | Двоичный -битовый код | Десятичное значение |
 * | 0...000 | 0 |
 * | 0...001 | |
 * | 0...010 | |
… | … | … |
 * | 1...110 | |
 * | 1...111 | |
Спектральные составляющие, необходимые для сохранения информации о ячейке изображения, а также способ сохранения этих составляющих в поле спектральных данных изображения отпечатка пальца описаны в 8.2.2.2.
7.5 Качество группы ячеек
8 Запись спектральных данных изображения отпечатка пальца
Формат записи спектральных данных изображения отпечатка пальца применяют для обеспечения взаимодействия между системами распознавания отпечатков пальцев с использованием спектральных данных. Формат записи содержит поля для хранения как стандартизированных, так и дополнительных (нестандартизированных) спектральных данных изображения отпечатка пальца. Список полей, из которых состоит запись, приведен в 8.1. В таблице 20 приведен список полей. Все данные представлены в двоичном формате за исключением идентификатора формата и номера версии стандарта, являющимися строками символов ASCII, заканчивающимися символом конца строки. В формате отсутствуют разделители записи или метки поля; разделение полей осуществляется по числу байтов.
Запись биометрических данных, установленная в настоящем стандарте, должна быть вложена в единую структуру форматов обмена биометрическими данными в качестве блока биометрических данных (ББД). Установлены три различных типа форматов ББД, предназначенных для записи данных изображения отпечатка пальца и кодируемых с помощью 16 битов:
Необходимо отметить, что тип формата ББД указывают в стандартном биометрическом заголовке записи биометрической информации в соответствии с ИСО/МЭК 19785-1. Ни в одном из полей, описанных ниже, тип формата ББД не указывают.
Запись спектральных данных изображения отпечатка пальца имеет следующую структуру (рисунок 5):
а) заголовок записи переменной длины, содержащий информацию обо всей записи в целом, включая число пальцев, с которых были сняты отпечатки, и общую длину записи в байтах;
б) запись для каждого пальца, состоящая:
Для получения доступа к полной версии без ограничений вы можете выбрать подходящий тариф или активировать демо-доступ.