Математичне та програмне забезпечення біометричної ідентифікації на основі локально-текстурних дескрипторів

Жабська Є. О. Математичне та програмне забезпечення біометричної ідентифікації на основі локально-текстурних дескрипторів : дис. ... доктора філософії : 121 Інженерія програмного забезпечення. Київ, 2025. 205 с.

Жабська Є.О. Математичне та програмне забезпечення біометричної ідентифікації на основі локально-текстурних дескрипторів. – Кваліфікаційна наукова праця на правах рукопису.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 121 «Інженерія програмного забезпечення» (12 – Інформаційні технології). – Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2025.
Більшість сучасних досліджень щодо розробки програмних рішень біометричної ідентифікації за зображенням обличчя ґрунтується на використанні алгоритмів штучного інтелекту. Проте ці підходи мають певні обмеження, зокрема низьку адаптивність до змінних умов реального середовища через потребу у великій кількості якісних навчальних даних і значних ресурсів для підтримки їхньої роботи. Альтернативою методам штучного інтелекту є локально-текстурні дескриптори, які, попри неоціненність у сучасних дослідженнях, демонструють низку переваг при використанні у програмному забезпеченні, а саме не потребують значних обсягів даних, потужних апаратних можливостей чи тривалого навчання, і за певних обставин можуть перевершувати методи на основі штучного інтелекту за ефективністю.
Дане дисертаційне дослідження присвячено вирішенню актуального наукового завдання підвищення ефективності програмного забезпечення біометричної ідентифікації за зображенням обличчя на основі локально-текстурних дескрипторів.
У першому розділі представлено огляд програмних рішень задачі біометричної ідентифікації за зображенням обличчя, у межах якого встановлено переваги використання обличчя як біометричної ознаки, зокрема її неінвазивність і високу прийнятність користувачами; здійснено огляд сучасних досліджень і виявлено, що основною причиною помилок при ідентифікації є різниця в якості еталонних і тестових зображень; проаналізовано проблеми розпізнавання обличчя, зокрема оклюзію, неоднорідність, старіння, розпізнавання за одним зразком та у відеопотоці; досліджено процес біометричної ідентифікації та визначено потребу у ретельному підборі методів, покладених в його основі; сформульовано завдання дисертаційного дослідження, яке полягає у створенні комплексного методу біометричної ідентифікації на основі локально-текстурних дескрипторів з метою підвищення ефективності програмного забезпечення біометричної ідентифікації.
Другий розділ присвячено дослідженню та розробці математичного забезпечення для програмного рішення біометричної ідентифікації за зображенням обличчя. У межах цього розділу здійснено вибір методів для розв'язання задачі біометричної ідентифікації. Описано математичне забезпечення, що включає методи Віола-Джонса на основі каскадів Гаара, анізотропну дифузію, вейвлет-перетворення Ґабора, комбінацію дескрипторів 1DLBP (локальні бінарні шаблони в одновимірному просторі) і HOG (гістограм орієнтованих градієнтів) та квадратну евклідову відстань для обробки та класифікації зображень. На основі визначеного математичного підґрунтя розроблено комплексний метод біометричної ідентифікації та здійснено підбір його параметрів.
У третьому розділі описано процес створення програмної компоненти рішення задачі біометричної ідентифікації за зображенням обличчя, у межах якого визначено функціональні можливості програмного забезпечення, проаналізовано сценарії його використання, спроєктовано архітектуру та компоненти програмного рішення, розроблено структуру бази даних з урахуванням вимог до інтеграції в існуючі інформаційні системи, а також реалізовано вебзастосунок із клієнт-серверною архітектурою, що втілює розроблений комплексний метод біометричної ідентифікації.
У четвертому розділі дисертації описано проведення експериментального дослідження ефективності розробленого комплексного методу біометричної ідентифікації за зображенням обличчя на основі локально-текстурних дескрипторів. У результаті експериментів встановлено, що найвищої точності у 95% комплексний метод досягає при одночасному застосуванні дескрипторів 1DLBP та HOG на зображеннях низької якості. Виявлено низку чинників, які впливають на ефективність методу. Експериментально доведено можливість підвищення точності на 5–30% завдяки перетворенням властивостей вхідних зображень. Порівняльний аналіз показав перевагу запропонованого комплексного методу над традиційними підходами та сучасними алгоритмами на основі штучного інтелекту.
Наукова новизна отриманих результатів:
1. Вперше запропоновано комбіноване використання методів вилучення ознак із зображень на основі локально-текстурних дескрипторів 1DLBP (локальні бінарні шаблони в одновимірному просторі) та HOG (гістограми орієнтованих градієнтів), що дозволило підвищити точність програмного забезпечення біометричної ідентифікації порівняно з окремим застосуванням дескрипторів.
2. Вперше розроблено комплексний метод біометричної ідентифікації за зображенням обличчя, який поєднує метод Віола-Джонса на основі каскадів Гаара для виявлення обличчя на зображенні, анізотропну дифузію для попередньої обробки зображення, вейвлет-перетворення Ґабора для обробки зображення, комбінацію локально-текстурних дескрипторів 1DLBP (локальні бінарні шаблони в одновимірному просторі) та HOG (гістограми орієнтованих градієнтів) для вилучення векторів ознак із зображення та метрику квадратної евклідової відстані для класифікації вектору ознак, що підвищило ефективність біометричної ідентифікації при варіативності якості зображень та умов їх фіксації.
3. Удосконалено розроблений комплексний метод біометричної ідентифікації шляхом визначення оптимальних параметрів методу вейвлет-перетворення Ґабора, таких як розмір фільтрів, орієнтації нормалі до паралельних смуг функції Ґабора, довжина хвилі синусоїдальної складової, зсув фази синусоїдальної функції, стандартне відхилення огинаючої Ґауса та просторове співвідношення сторін, що підвищило ефективність комплексного методу в програмному забезпеченні біометричної ідентифікації за зображенням обличчя.
Практичне значення отриманих результатів:
1. Розроблено математичне забезпечення біометричної ідентифікації для програмних систем, на основі якого створено комплексний метод біометричної ідентифікації особи за зображенням обличчя, що забезпечує здійснення процесу ідентифікації шляхом отримання зображення, локалізації обличчя на зображенні, попередньої обробки зображення обличчя, обробки зображення обличчя, формування вектору ознак із зображення та подальшої його класифікації.
2. Створено програмне забезпечення біометричної ідентифікації за зображенням обличчя, в якому реалізовано такі функціональні можливості, як здійснення ідентифікації суб’єкта, перегляд попередніх результатів ідентифікації, перегляд записів бази даних, здійснення експериментального дослідження комплексного методу біометричної ідентифікації та підбір його параметрів.