La reconnaissance automatique des empreintes digitales

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La reconnaissance automatique des empreintes digitales

Institut National Polytechnique de Grenoble · Biometric authentication, Digital fingerprints · textbook

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La reconnaissance automatique des empreintes

digitales

Hasnaoui Nassim Aboubakr

R sum :

La reconnaissance dempreintes digitales est une

technique

biom trique mature pour toute application d'authentification ou de

v rification dindividus. Dans ce projet de fin d tudes, nous

d crivons

le d veloppement dun syst me

automatique dauthentification didentit par empreintes digitales qui

consiste impl menter le meilleur algorithme permettant de faire la

comparaison entre plusieurs empreintes.

la conception et

1. Introduction

De nos jours, l'authentification devient un des points

essentiels au niveau de la s curit des contr les

d'acc s dans les soci t s ou syst mes informatiques .

La reconnaissance biom trique est utilis e dans bon

nombre dapplications telles que la protection de

lacc s un ordinateur, un t l phone portable, une

cl USB, un tablissement, des cartes bancaires...

Concernant lempreinte digitale, cest En 1888,

lanthropologue anglais Francis Galton introduit la

notion de minuties4 pour r aliser la comparaison

dempreintes digitales (fingerprints matching en

anglais). Quatre ans plus tard, Galton publie son

ouvrage (voir [3]) o il propose une classification

rigoureuse des empreintes digitales et d montre quil

y a seulement une chance sur 64 milliards que deux

individus aient une m me empreinte [4]. Il existe 13

types de minuties qui nous permettent de classifier

les empreintes digitales.

Le principe de la reconnaissance des empreintes

digitales consiste comparer une empreinte fournie au

syst me, une ou plusieurs autres empreintes (les

minuties) dont le syst me dispose pr alablement dans

sa base de donn es biom trique.

1

FIGURE 1:LES 6 PRICIPAUX TYPES DES MINUTIES[5]

1.1.

L'algorithme de la reconnaissance

d'empreintes digitales :

Le but global est donc davoir un syst me qui fait la

diff rence entre une image en entr e et plusieurs images

situ es dans une base de donn es. Pour cela, il faut

utiliser une approche rapide et pr cise, c'est la raison

pour laquelle on va liminer l'approche par comparaison

des images pixel par pixel parce quelle est assez lente.

La comparaison entre les empreintes est bas e sur la

recherche de la diff rence entre les minuties d'image

dentr e et les autres dans la base de donn es

La m thode g n ralement utilis e pour d tecter les

minuties consiste mettre limage de lempreinte en

noir et blanc, cest la binarisation de limage, et

donner une m me taille aux lignes de lempreinte cest

la squelettisation. Une fois que lon dispose de limage

binaire squellettis e, les minuties (singularit s) sont

mieux visibles, on proc de alors leur d tection.

La 2 me tape consiste la squelettisation, l'objectif est

ici de diminuer l'information redondante contenue dans

une image, donc la quantit de donn es analyser. La

m thode est l'isolement des lignes principales de l'image

avec des amincissements successifs jusqu' ce que

l'image r sultante ne contienne que des

lignes

d' paisseur 1 pixel.

a) Pr traitement des images d'empreinte:

Bas sur la nature des bases de donn es propos es par

[8] qui contient les diff rentes empreintes on observe

que tous les images n cessitent un traitement.

FIGURE 2:ECHANTILLANT DES BASE DE DONNES PROPOSE PAR [8]

Le premier objectif est de binaris

l'image

d'empreinte qui consiste transformer une image

plusieurs niveaux en une image en noir et blanc (deux

niveaux seulement).

La binarisation d'empreintes digitales est une

technique pour produire une image de type 1-bit, avec

0 comme cr tes qui sont teint es de noir et de 1 les

vall es qui sont teint es de blanc [9] (voir Figure 3).

Pour arriver une image binaris e correctement il

faut bien choisie une m thode de binarisation qui

nous donne la forme d'empreinte sans malformation,

dans ce travail on a test plusieurs algorithme de

binarisation.

(ou

algorithme damincissement

Un

shrinking

algorithm) consiste en la suppression jusqu stabilit de

points simples, le r sultat obtenu sappelle un noyau

homotypique. Si la suppression est r alis e de fa on

s quentielle alors la topologie est pr serv e ; cela par la

d finition m me dun point simple. Si le processus est

modifi de fa on ce que certains points simples soient

pr serv s durant le processus de suppression, il est alors

possible de conserver des caract ristiques g om triques.

Un tel processus sappelle algorithme de squelettisation

(ou thinning algorithm), et le r sultat est appel

squelette. Les points pr server sont appel s points

terminaux ou points extr mit s

[11.]

R p ter

Pour tout point de limage d termin selon un balayage

s quentiel faire

Si le point est simple alors il est supprim

(Sinon examiner le point suivant, d termin par le

balayage)

Jusqu ce quil ny ait plus de suppression durant un

balayage complet de limage.

a) Image binaire

b) Image squelette

FIGURE 4:EXAMPLE D'OPERATION DE LA SQUELLETISATION

IMAGE ORIGINAL

FIGURE 3:EXAMPLE D'OPERATION DE LA BINARISATION

image Binaris e

2

b) Extraction des minuties

Apr s avoir obtenu limage trait e, on doit trouver

dans cette derni re les minuties les plus int ressantes

de limage.

La signature retenue pour caract riser l'empreinte est

bas e sur un ensemble suffisant et fiable de minuties.

On entend par suffisant, le nombre minimum de

minuties n cessaires pour pouvoir tablir des

comparaisons fiables entre empreintes. Ce minimum

Publicité

se situe 12 minuties vis- -vis de la loi, voire moins

pour beaucoup d'entre eux (jusqu' 8 minimum). Le

nombre 12 provient de la r gle des 12 points selon

laquelle il est statistiquement impossible de trouver 2

individus

points

caract ristiques, m me en consid rant une population

de plusieurs dizaines de millions de personnes.

les m mes

pr sentant

12

On entend par fiable, les minuties qui ne sont pas

influenc es par des d fauts lors de l'acquisition de

l'image ou par l'alt ration temporaire de l'empreinte

digitale (blessure, rosion, etc.). Avec un petit nombre

de minuties (15 ou 20) correctement localis es, il est

possible d'identifier une empreinte parmi plusieurs

millions d'exemplaires.

G n ralement, chaque minutie occupe un espace de 16

octets sans compactage ni compression. Ceci explique

la taille de chaque fichier signature, 240 octets pour 15

minuties et 1600 octets pour 100 minuties Les

bifurcations et les terminaisons sont les deux types de

minuties les plus utilis s car ils sont facilement

d tectables, mais surtout parce quils sont tr s ais ment

repr sentables par le mod le de coordonn es, o chaque

minutie est repr sent e par les coordonn es (x, y).

Les minuties sont g n ralement extraites partir du

squelette de limage, il existe une approche permettant de

d tecter les minuties ainsi que leurs types (Terminaison,

Bifurcation)

l'indicateur Crossing-

Number(CN) en fonction du voisinage de chaque pixel.

Selon la valeur de CN le type du point est d termin :

Continuit ou Discontinuit (minutie)

calculant

[9 .]

en

Cette m thode ne retient que lemplacement des minuties

les plus pertinentes.

En analysant

limage de

le squelette binaire de

lempreinte, on remarque que les pixels correspondant aux

minuties poss dent un crossing-number diff rent de 2. Le

crossing-number dun pixel p se calcule par la formule

suivante :

CN = 0.5*8

5V=1

|Pi - Pi+1|

P9 = P1, Pi est la valeur des pixels dans le voisinage

3*3 de P.

p0, p1, &. P7 sont les 8 pixels au voisinage de p

le coefficient CN pr sente des

En effet

caract ristiques qui permettent didentifier la nature

dune minutie en fonction du r sultat obtenu lors du

calcul de CN.

CN

NATURE DE LA MINUTIE EN P

0

1

2

3

4

Erreur => Point isol

Terminaison

Erreur => Point Sillon

Divergence ou bifurcation

Erreur=>Minutie 4 branches

FIGURE 5:EXAMPLE DES DEUX MINUTIES LES PLUS UTILISE TER ET BIF

TABLE 1:IDENTIFICATION DE LA MINUTIES APARTIR DU CALCUL DE CN

3

2. Etat de l'art:

1.2. Les technique de reconnaissance:

i. EFinger:

Cet algorithme a t programm par [14], pr sente les

m mes phases de pr traitement des images que nous

d j expliqu dans la partie pr c dant.

Dans cet algorithme on s'int resse la partie

comparaison.

Efinger dispose 3 m thodes permettant deffectuer des

comparaisons dimage dempreintes digitales :

  • MIN DISTANCE
  • IMAGE MAPPING
  • QUAD TREE

Lalgorithme de comparaison IMAGE MAPPING,

effectue quant lui une rotation de limage squellettis e

et la compare avec celles de la base de donn es.

La m thode QUAD TREE segmente limage en 4 parties

et compare ces parties celles des empreintes de la base

de donn es.

Dapr s [14], le temps du traitement de chaque

empreinte varie autour de 5 6 secondes.

Temps de

comparaison

avec

10 empreintes

Temps de

comparaison

avec

40empreintes

Min distance

Image

Mapping

Quad Tree

Entre 0,7s

et 2,60s

Entre 1,45

min et 1,53

min

Entre 0,65s

et 1,10s

Varie entre

0,9s et

7,20 s

Moyenne

est autour

de 3s

Varie entre

6,38 min et

6,53

Moyenne

est autour

de 6,44 min

Varie entre

6,38 min et

6,53

Moyenne

Publicité

est autour

de 1,8s

TABLE 2:RESULTATS DES 3 METHODE DE COMPARAISON EFINGER

Remarque:

Comparaison avec une base de 10 empreintes :

Dapr s le tableau 2, la m thode min distance sort

des r sultats al atoires pour chaque comparaison

dempreintes.

Pour ce qui concerne la m thode Image Mapping, il

faut savoir qu'ils ont trouvent une tranche de temps

quivalent pour les dix empreintes diff rentes.

Apr s avoir le tableau 2, la m thode Quad Tree, nous

pouvons voir que celle-ci est la plus rapide au niveau

comparaison des empreintes, par contre elle est moins

performante en terme defficacit .

Comparaison avec une base de 40 empreintes :

M thode Quad Tree est la plus rapide, par contre

elle est moins performante en terme defficacit .

  • Laugmentation de la base dempreinte a une grande

influence sur le temps de comparaison sur l Image

Mapping .

FIGURE 6:L'INTERFACE DE EFINGER DANS LA PARTIE COMPARAISON

A laide de l'interface propos par [14] Figure6, ils ont

choisir une empreinte et comparent toute la base de

donn es dempreintes utilisons les trois m thodes de

comparaison propos .

Dapr s [14], la m thode MIN DISTANCE permet de

calculer un pourcentage en comparant les valeurs

similaires de deux tableaux de minuties. En effet,

comme dit pr c demment chaque empreinte dispose

les coordonn es des

dun fichier.TXT contenant

minuties de ces empreintes.

Dapr s [14], la m thode MIN DISTANCE prend en

argument deux tableaux mindata1 et mindata2 deux

dimensions contenant les coordonn es x et y des

minuties. Ces tableaux sont construits partir des

fichiers .TXT.

La m thode Min Distance effectue une comparaison des

distances entre les minuties de lempreinte comparer

et celle des minuties des empreintes de la base. Un score

est donn pour tre compar un seuil pr tabli.

4

La mise en r seau sera entra n e en utilisant l'algorithme

de r tro-propagation (back-propagation).

L' tape suivante consiste saisir les images

d'empreintes digitales prototype pour extraire les

caract ristiques.

  • Phase de test:

Le taux de reconnaissance estim est 100%, ce syst me

a t consid r comme l'un de meilleure pour la

reconnaissance des empreintes digitales, c'est pour cela,

plusieurs algorithmes sont bas s sur ce principe.

-

Type

N . chantillon

Taux de

reconnaissance

Apprentissage

50 images

Test

50 images

100%

Le taux g n ral de la

reconnaissance

100%

TABLE 3:LE TAU DE RECONNAISSANCE

3. Contribution

La m thode la plus r pandue consiste extraire les

minuties partir d'un squelette de l'image. Comme la

montre la Figure 7 l'image est d'abord pr par e l' tape

d'extraction au moyen d'une binarisation et d'une

squelettisation, ensuite un fichier signature est extrait de

l'empreinte apr s la d tection et l'extraction des minuties

Cet algorithme a t impl ment en java l'aide

d'Eclipse.

Sur la question pourquoi utiliser le langage Java plut t

que le langage C (ou C++), le Java poss de des API

bien plus document e que la plupart des langages de

programmation et la majorit des ordinateurs poss dent

la JVM pour ex cuter des programmes Java

ii. Apprentissage artificiel

Un ensemble ding nieurs [15] Ont utilis lapproche

par r seaux de neurones pour la reconnaissance

automatique des empreintes digitales.

Les tapes du pr traitement sont pratiquement similaires

aux autres algorithmes, la seule diff rence est dans la

phase de comparaison.

Les minuties de lempreinte digitale sont extraites partir

de son squelette en calculant la Connectivit CN qu'on

a expliqu pr c demment, le nombre des minuties

extraites dans cet algorithme sont 12 .

La base de donn es utilis e dans ce projet contient 100

images, 50 pour l'apprentissage et 50 pour le test.

Dans la partie apprentissage l'un des objectifs c'est

l'apprentissage du r seau En utilisant l'algorithme de

back-propagation.

back-propagation est la m thode la plus utilis pour

entrainer le r seau de neurone

Cette m thode fonctionne comme suit:

Le mod le d'entr e sur laquelle le r seau doit tre

entra n est pr sent la couche du r seau d'entr e et le

r seau est ex cut normalement pour voir ce que la sortie

produit effectivement. La sortie r elle est compar e la

sortie d sir e pour ce mod le d'entr e. Les diff rences

entre la forme r elle et d sir e un mod le d'erreur [16].

Cet algorithme utilise 12 param tres d'entr e et

6(les caract ristique ou les minuties) param tres de

sortie. Le chiffre 6 a t extrait partir du nombre

d'apprentissage 50 H (2^6).

Dans cette tude ils ont utilisent MLP (Multilayer

Perceptron) pour la classification des mod les.

Dapr s [15], l'extraction des caract ristiques est l'une

des t ches les plus importantes pour un syst me de

reconnaissance. MLP est con u pour d tecter les

caract ristiques de l'image d'empreinte digitale de la

taille 188x240 pixels. La premi re couche du r seau

comprend 12 neurones associ s aux composantes du

vecteur d'entr e. La couche cach e 25 neurones et la

couche de sortie a 6 neurones. La figure 15 montre la

structure en trois couches MLP.

5

a) Image original

b) Binarisation avec

c) la m thode Otsu

FIGURE 8:BINARISATION AVEC LA METHODE D'OTSU

La solution:

Publicité

FIGURE 7:PROCESSUS SUIVIE DANS UN SYSTEM DE LA

RECONNAISANCE DES EMPREINTES

3.1. Pr traitement d'image d'empreinte

Pour permettre la squelettisation, l'image doit d'abord

tre binaris e, c'est- -dire que l'image en 256 niveaux de

gris dont nous disposons ce stade est transform e en

Image binaire o les pixels noirs correspondent aux

stries et les pixels blancs aux vall es.

A) Binarisation d'images par la m thode d'Otsu

Une des m thodes les plus importants pour d terminer le

seuil global est la s lection de seuil Otsu. Dans un seuil

global, nous choisissons une valeur de seuil unique pour

l'ensemble des images.

Apr s la phase d'impl mentation avec java on remarque

(Figure19) que dans les cas o la qualit d'une image

d'empreinte est tr s faible la m thode de seuil global ne

peut pas garantir des r sultats interpr table est-il est

n cessaire de trouv un seuil sp cial qui a un effet

suffisant pour d duire une image r sultant acceptable est

utilisable dans la prochaine phase de la squelettisation

Nous allons choisir des m thodes de binarisation

local qu'il va appliquer le seuil dans chaque canal

s par ment.

Il existe autre algorithmes similaire sp cialis

r soudre le probl me de la binarisation local

comme:

Bradley Local Threshold

Bernsen Threshold.

Maximum Entropy Threshold.

Ce sont des techniques de seuillage utilis lorsque le fond

est uniforme ou les diff rentes parties d'un document ont

diff rentes origines.

A ce point nous allons choisir une des trois m thodes

pour l'utiliser dans notre syst me.

B) Bernsen local Threshold:

On utilise des m thodes de seuillage local,Par local ,

on entend ici que le seuil est calcul pour chaque pixel en

fonction des caract ristiques de l'image l'int rieur d'une

fen tre de rayon r autour d'elle.

Le proc d de seuillage local du Bernsen calcule le

minimum local et le maximum pour un voisinage autour

de chaque pixel.

6

Acquisition d'empreinte Binarisation Squelettisation Acquisition d'empreinte Binarisation Squelettisation Enregistrement Authentification

Le proc d utilise un seuil de contraste fourni par

l'utilisateur. Si le contraste local (max-min) est sup rieur

ou gale au seuil de contraste, le seuil est fix la valeur

de gris moyenne locale (la moyenne du minimum et le

maximum des valeurs de gris dans la fen tre locale).

-Pour faciliter l'extraction des minuties, l'image doit tre

squelettis e.

Les deux m thodes de squelettisation Zhang et Shapiro

qu'on a cit dans la partie pr c dant nous allons les

exp rimenter sur des images binaire, l'objectif tant

dextraire les minuties.

D'apr s [19] [20], Supposant qu'on a une image

3*3 d montr comme suit :

P9

P2

P3

P8

P1

P4

P7

P6

P5

Il existe deux versions pour l'algorithme de Hilditch, une

en utilisant une fen tre de 4x4 et l'autre l'aide d'une

fen tre de 3x3.

L'algorithme de Hilditch consiste effectuer plusieurs

passes sur le mod le et chaque passage, l'algorithme

v rifie tous les pixels et d cident de changer un pixel du

noir au blanc si elle satisfait les quatre conditions

suivantes [20]:

2 <= B (p1) <= 6

A (p1) = 1

p2.p4.p8 = 0 ou A (p2)! = 1

p2.p4.p6 = 0 ou A (p4)! = 1

Stop lorsque rien ne change (pas plus de pixels

peut tre retir )

a) l'algorithme d'amincissement de Zhang-Suen

A(P1)= nombre de pixel 1 ou 0 qui dans l'entourage de

P1, dans notre cas P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8, P9, P8.

B(P1)= nombre des pixels noire ou 1 qui dans l'entourage

de P1.

On ajoute la 1 re condition pour s lectionner les pixels

noire pour supprimer

Condition 1: 2dB(P1) d 6

Condition 2: A(P1)=1.

Condition 3: P2. P4. P6 = 0

Condition 4: P4.P6.P8=0

Cette it ration est r p t e jusqu stabilit , i.e. jusqu

ce quil ny ait plus de point simple.

b) l'algorithme d'amincissement de Hilditch

B (p1) = nombre de voisins non nuls de p1

Et

A (p1) = nombre de motifs 0,1 dans la s quence p2,

p3, p4, p5, p6, p7, p8, p9, p2

7

A) image original

B) Binarisatio

avec

n

Bersen

C) Squelettisation avec

Hilditch

FIGURE 9:OPERATION DU PRETRAITEMENT

3.2. Extraction des minuties:

Les deux tapes de pr paration l'extraction

(binarisation et squelettisation) ont grandement facilit

cette phase. Nous avons utilis la m thode de crossing

number CN qu'on a d j citez dans la partie pr c dant

pour extraire les bifurcations et les terminaisons

8

CN=0.5* |5]5V 5]5V1|

5V=1

avec p8=p0 et pi {0,1}

,

fait

syst me qui

la conception d'un

3.3. Comparaison des minuties:

Dans

la

reconnaissance des empreintes digitale les premiers

objectifs que nous pensons atteindre c'est la pr cision

et la rapidit , donc si on va choisir une m thode bas sur

Publicité

la comparaison des images pixel par pixel il peut s'av rer

assez lent, donc on a utilis une m thode qui prend les

coordonn e des minuties qu'on a stock sous format texte

dans une table de bases de donn es, donc la partie

authentification ou comparaison l'empreinte va se r duire

une simple comparaison de minuties. Il faut souligner

que nous avons cr une table qui contient le nom,

pr nom, id et les coordonn es des minuties d'un

utilisateur. Nous avons aussi saisie une base de donn es

qui contient 82 personnes avec le SGBD SQlite.

Dans la partie d'authentification la recherche d'une

empreinte parmi les empreintes de la base de donn es est

bas e sur le principe d'un moteur de recherche, les

coordonn es des minuties sont stock es dans le champ

ftemplate .

On utiliser l'API r2xml pour faire la recherche.

Donc notre contribution au domaine de la biom trie

manifest la cr ation d'un system qui fait la recherche

d'une empreinte partir des cordonn es des minuties

extraite.

Notre application se compose de trois grandes parties

principales et d'autres fonctionnalit s suppl mentaires

Figure 10:

1- Analyse de l'empreinte: C'est une partie pour

faire le traitement (binarisation squelettisation) et

l'extraction des minuties de fa on manuelle, nous

pouvons examiner troitement

la nature des

bifurcations et terminaison

4

1

2

FIGURE 10:L'INTERFACE PRINCIPALE DE L'APPLICATION.

3

CONCLUSION GENERALE

Au cours de ce travail nous avons tudi les diff rents

algorithmes propos s dans la litt rature et les d f rents

probl mes qui se posent durant la proc dure de

la reconnaissance des empreintes digitales.

Nous avons d velopp une application pour

la reconnaissance des empreintes digitales.

Enfin nous navons trait que quelques points choisis.

En particulier, nous navons pas abord la reconnaissance

des fausses empreintes,

qui pourra faire lobjet dun futur projet.

image d'empreinte,

2- Authentification: Permet de faire le pr traitement

et l'extraction des minuties, quand l'utilisateur met

fen tre

la

une nouvelle

d'application affichera automatiquement

l'image

squelettis e avec les minuties choisie gauche et

droite l'image original de l'empreinte et aux dessous

R f rences

les coordonn es des minuties dans une TextArea

[1] Mal

3- Comparer: Cette partie permet de faire

comparaison entre deux empreintes digitales.

la

4- Cette partie pr sente un mini moteur de recherche qui

permet de rechercher le nom d'un utilisateur dans

notre base de donn es

8

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