（计算机应用技术专业论文）指纹图像预处理与特征提取.pdf

摘要 由于指纹的唯一魅釉不变瞧，以及摆纹识别技术的露行瞧鞠实用性，指纹识 澍避成为警麓摄流行、矮方镬、矮爵靠的个人身份认诞技术之。尽管凌此技术 上跫夜多种成裂产黯，但因为许多核心技术因离业剩蘸蕊未经公拜，以及季主会髂 发展对系统的绦麓提掇了燹藤的簧求，繇敬从事该领域褥究，仍爨有熏要匏理论 意义帮实溺价值。 本文主要辩签予缫节特征点的指纹螽韵谈剃系统豹捂绞黼像预处理、特缀撼 取方法进行研究。在获度指纹圈像增强部分，本文改进了局部脊线距离豹求取棼 法，从谣饺褥篌爝局部脊线距离诗舞求褐的指纹脊线频率更为精确，扶弼也使得 依赖于指纹脊线频率的g a r b o f 滤波器更为有效。程二值指纹图像滤波部分，本文 掇国了一耱新的滤除孔噪声匏种子点选择祭俘，从霜 翩快了对= 德攒纹图像的去 孔嵫声速度。在特征提取与螽处理部分，零文通过分耩攒纹图像中存在的备类噪 声的据於结构，著结合镪豫指纹鬻像中绸节特缎点围裔酌分套援律，提了一种 新豹滤豫指绞缫节伪特铽点豹方法。在识漾特征点信怒部分，本文提感了一种瓣 豹记豢姆缝虑穰悫豹方法。滚方法不依赖于攒纹串心惑的录入并将特征点之间靛 距离溺纹线数表示，扶褥增鸯弱了簿法的簧棒健。 俸赣在p l l l 麓计簿掘上羽v i s 黼lc + + 实现了论文中撬戮的算法，实验缩莱表 骥，本论文提密的耨算法程缀大程度上提离了图像的处理效聚，论文豹研究溉其 有一定的理论馀缓，瞧其蠢较强魏实用价德。 关键溺：掇纹豳像鞭处瑗；灰囊淄豫璞强；二蘧霞豫滤波；特械提取；麟处邂 a b s t r 巍e t b e 锶u s eo fu n i q u e n e s s 箍n d 灏僦a b i l i 壤饿e 娃n g e 翠d 燃t d e n t i 蠡c a t i o ni sb e c o m i n g 蝴eo f 攮em o s lp 雌u l a rp e 黯黼a l8 她e n t i e a t 主黼t e c h 黼l o g i e s ，a n dm 娜蠡n g e 删n 毫 p r o d u e 耄s 量l a v eb e e no 妊醯e d 粼删a y s h o w 霉v e m o s to ft h e 墨( e y 越。牺d sw o u 酗n 鼍b e p u b l i c i 黔d ，w h i l eb e 撞e f 辨娃b 濑a n e e i s r 键u i r 礤s om o 辩耐i 曲l ea n da c c t h 毽l e a t o m a t e d 矗羔l g e 印癫哇i d 觎t i 蠡e a t i o ns y s l e m s a f l s ) h a v e 瓠：e no fg 羚a ti 矬t e r e s t t o f e s e a 馥e r s 弧谗p 姆c rf o c u s e so nt 熟es 锨d yo f 攮e 韪n 姆牺瞅i m a g e l s e p c e s s i 拄ga n 矗 触ee x 抒珏e 矗o n 嘲脚黼hu n d 嚣t 妇鑫u 婚糖a t 酣螽n g 蛾嫩n ti d e 嫩i c a _ t i o ns y s 棚s ， w h i 礴i sb a s e d 傩蟠拄u 酝f e a h 黼s 狲豫ep r o d u f eo f e n h 鞠c i n gg r a y - l o v e lf i n g e q 斌n t i m a 赞岛w oi 艇掣0 _ v e 谯em 嘛d 拇g e tf i d g ed i s t a n 削畦si 技警v e dm 躐孰o dm 旌疑s r 主d g e 蠹c 则e n c yc a l 媳l a t e d 姆薮d g ed i g t a n c er n o r ea c c w 哟s oi t8 l s om 酞e s 也eg a b o l t e fb a s e d 搬r i d g e 知q u e n c ym o 羚e 爨瓠l i v e 。 棘檬e 秘o c e d 瑚潜o f i m i n 采i n gn o i s e si n b i n a r y 矗n g e 翠r i n ti m a g e s ，w ep 哦如删a 黼w 勰i 蠛o no fs e e 由c 王e 鑫芏l i n g 弧i s e o n d i t i o n 戚n c e s 畦l et i 糊eo f 醴i m i n a t i n g 量l o l e so fb i n f 眭y 嚣n g e 印瘢撞i m a g e s i n 壤e a s p e c to ff e a n l r ee x 缸a c t i o na n dp o s t p r o c e s s i n 舀an e w 印p 姻8 c ht o e l i 撙i 掰i t ef 醵s e f e a 抛r e si sp r e s e 嫩e d t h ee l i m i n a 耄i o n 越g o r 主她o ff h l s 嚣f e a l 鼍l r e si sb 氇s e do ns 搬| c n 糟舔 i n 角r r n a t i o no fa i lk i n d so fn 。 s 。s 遮t b j n n e d 蠡秘g e f 澎n ti m 姆e sa n dt 董搪d i g 蛹b u l i n g d i s c i p i i n 撕a no f 差i n g e 臻r j 硪诧撤u r e s 。l n 轴en o l i n gi n f 0 糯a t i o no ff 妇t u s ，w e 髓i s ea n e wm e 重h 融强em e t h o d 翻e 辙td # p e 融。娃攮ee x i 嗽鹅e 龉t 沁c e 瑶e ro f 蠢n g e 氆d 撼i n i m a g e sa n dh s e s 壤ef i d g ec o 强ta s 幽ed i s t a 赶e eb e 批e e nt w of e 舔u r e s a 娃国o rp 粉c t i e e s 斌 a l g o 删瓣sm e n t i o n e di nt h i sp a p e rw i mv i s u a le 十+ o n 醢措 p i l l m 1 ) u t e lt h ee x p 耐m e m 辩烈l t sd e m o n s t r a t em a tn e wm 畦h o d sc a ne 曲猫c e p 辩s s l n ge 强c so f 蠡n g e 翠r i 嫩i m a g e s 。秘1 i sp a p 雠h a sb 鼬氆e o f 。t i c 越a n 畦掣8 c 霸e 越 v a l l l e s 。 k 秽w b 棚s ；p 撺p f o c e s s i n go f 彝n g 哦嫩n 毫魂a g e s ；e 媳a 辩e m e 嫩溉辨l y * l e v e ii m a g e ； 鼓l t 蹦t i o ni nb 量n a 帮l m a g e ；f e a t u r ee x t f a e l i o n ；p o s 毫- p r o c e s s 浊g l l 硕士学位论文 拯圈索弓l 圈2 。l 指纹识溺系统瓣络翰框淄“- 一7 图2 2 脊末捎与分叉点9 图3 18 个方淘示意图 3 辫3 。2 方囱窑疆“i 5 图3 39 9 窝翻”- 1 8 夔3 4 疆噪声及缡他结祭1 8 黼3 54 4 骥板一2 l 潮3 61 6 个消除模板2 阑3 。76 个保留模板”2 2 圈3 8 保罄模扳痰去除的三种情况2 2 鼹3 9 获度描绞强缘增强示铡l 2 3 图3 1 0 灰度捺纹淘像增强示例2 2 3 图3 1 l = 二值滤波示镪2 蹰3 1 2 二憾滤波嵇予点对比示饲”t 2 5 图4 1n 点8 邻域“2 6 图4 2 一条脊线的弱郝2 7 图4 3 纹线方囱及特征蕊方囱”2 9 图4 。4数分叉点受中心的熊登伪黪，镬结构3 l 闰4 5以来梢点为中心的典型伪特征结构3 2 强| 6 特镊箍取与蘧处璎3 4 强5 1 纛线攘钤原邂图”3 7 圈5 2 纲节赢豹对疲脊线4 2 i h 稻纹嗣像臻她璞特征提取 附表索孽| 裘3 1 两种方法选择种子点个数沈较2 5 表4 1 线性圈l 秘公式表2 9 表4 2 伪特征滤除前赢特征煮个数比较3 5 袭5 1 越线插朴公式袭+ “3 8 掰 湖南大学 学位论文膘创性声明 本人郑重声鞠：掰星交的论文是本人在导鄢黝糖导下独立进行石舞究所敬 褥的研究成巢。除了文中特别嬲以标注弓i 蹋憋蠹容外，本论文不包含任何箕 德个人或集体已缀发表或撰写豹成鬃作品。瓣本文懿研究傲浅鬟要贡献的个 人和集体，均已在文中戳翡确方式拣鹈。本人完全意识到本声圈豹法律嚣粱 由本人承接。 馋辫签名：劫曼醚隧期：洳嗲年膨月a ? 嚣 学位论文版权使潲授权书 本学位论文作者完全了解学校有关绦赘、馒髑举使论文的规定，鞠惑学 校保留并国圈家鸯关部门或税构送交论文驰复印件和电子舨，允许论文被凌 阅秘借阂。本人授权潮裔大学可淡将本学位论文豹全部或部分内容编入有关 数据瘁进行检索，可以采用影印、缩印或扫攒等复制手段保存秘汇编本学位 论文。 本学能论文属于 | 、裸寮日，在年解密恁适瘸本授粳书。 2 、不傺密翻。 ( 请在以上稠应方框洳打“”) 疆期：嗒年 羔冀习匿 魏期：毒瑚f 年，k 露细 1 1 研究课题的来源 第l 章绪论 本课题来源于湖南省自然科学基金项目基于点方向的指纹特征提取算法 ( 编号：0 5 j j 4 0 0 0 6 ) 的部分研究内容。 1 2 课题背景分析与研究意义 1 2 1 个人身份鉴别 随黄现代社会的数字化、信息化程网络化进程不断加快，人们之问的信患交 流愈加方便快捷，身份的数字化和隐饿优趋势强益明照。但是，随之两来的利用 身份欺骗_ 弑造成公司、个人的机密数据瀵露和利益受损豹问题也目益严重，这对 个人身份鉴别技术提蹬了重大的挑战。如何自动、快速、准确地鉴剐个人身份， 保护信息安全楚当今信息化时代必须解决的关键性社会闯题”+ 1 。现代身份鉴别技 术不但要求具有极高豹安全性和准确性，鉴别过程自动化、易于管理和以人为本 也是它应该具备的关键性特征。 传统的自动身份鉴别技术可以分为两大类”。1 ：1 ) 慕于知识 k n o w l e d g e - b a s e d ) 的鉴别技术；2 ) 基于令牌( k e n _ b a s e d ) 的鉴别技术，基于知识的方法使用“所知” 鉴别个人身份，郎待鉴别者通过私有的知识和信息来证明鑫己的身份，如密码、 个人识别码( p i n ) 、口令等；基于令牌的方法则通过“所有”鉴别个人身份，待 纂别者使用自己的私有物品如护照、身份证、驾驶证钥匙等来证明个人身份。基 予知识和蒸于令牌钓鉴别技术已经被人们使用了千百年，其主要优点是：1 ) 它们 都很简单；2 ) 它们能够琶上较小的代价相对容易逮集成到不同的系统中去。然而， 这热方法并不是根据待鉴别者的“内在”特征进行身份识别。也就是说，知识或 令牌并不和待鉴别者的自身特点紧密联系，这包括两个方瑶的含义：1 ) 不同的个 人可熊具有相同的知识或令牌；2 ) 知识或令牌可能被窃取并且容易复制。因此， 基于知识和令牌的身份鉴别技术都存在着相当大的缺陷，令牌可能会被窃取、替 换、丢失、或者忘记携鬻，密码p 烈则容易遗忘弗且难以管理。在大型商业应用 中，对密码或p i n 的管理一煮是一个难题，费用离昂却效果不佳。另外，利用离 速针算枫对密码和p i n 进行自动攻击也正变褥越来越容易。总恧言之，传统的自 动身份鉴别技术在当今数字化信息纯社会中已经越来越暴露出其局限性：1 ) 它们 形式简单却容易受到攻击：2 ) 它们容易应用却难于管理；3 ) 现在人们不仅遗求 身份鉴别技术的高安全性，也对它们的可管理性、易用性和以人为本等多个方面 提出了更高的要求，箍这也歪是摹于知识和令鬻的鉴剐技术的致命弱点。不同的 指纹图像预处理与特征提取 对代对囊份鉴别技术提璐了不阉酌要求，在身份数字亿和隐性纯的信息时代，需 要更好的自动身份鉴别技术来满足人们不断增长的需求，支撑社会的离效运转。 i 2 。2 生物特镊识别 生物特摄识别是搔通过计簿机，利愆人体所固有的生瑗特镊域行为特征来进 行个人囊份鉴定的技术”。生理特征与生俱来，多为先天性的，行为特征则是习惯 使然，多为后天形成，生理鄹行为特征统称为生物特征。鲞生物特惩满足下列要 求辩，它们可以嗣来鉴别个人身份：1 ) 统一镘，即每个人都拥有这样的特征；2 ) 唯一憔，不间的人应该有不同的特征；3 ) 持久性，这些特征不会轻易改变；4 ) 可采集拣，即这些特征怒可以获取的。褒实际疲震中，还应考虑到人们对某耱生 物特征的接受程度。常见的生物将征包括指纹、掌纹、蛀膜、脸像、声音、笔迹、 d n a 等5 啦6 “。 生物特征识别技术根据生璎特征或行为特征对个人身份进行箍震，因此它其 有比基于知识和基于令牌的身份鉴别技术更离的安全性和可靠性，同时使用方式 也更富于入性纯。它的蠢安全憋主要来源予：1 ) 每个人的生理特经或行为特征都 是独一无二的；2 ) 生物特征不可熊被偷窃，并强难以复制和伪造；3 ) 进行生物 特缝_ i l ： 羽时，德鼋疑弱驰个入必须镶予物理现场。并显生物特征随赛携带，便于管 理，不会遗失也无需记忆，这些都体现了它的人性化特点。 生物特征识别技术一旦被广泛应用，将会深刻影响人们靼常生活瓣各个方囊。 通道取代个人密鹦和p 黼，垒物特征识剐技术能够阻止没有授投的访闷，防止 a t m 、蜂窝电话、工作站及个入网络帐号被非法盗用，并能为电予交易掇供更安 全的个人身份认证；在公共场合和工作场所，生物特征识别还熊取代钥越、个人 证件、各种l c 卡和读卡器，为人们提供慝加安全、方便、快捷的服务。总丽言之， 生物特镊识别较好她满足了数字纯信息章会对自动身份蒸剃技术在安全健、易用 性、可管理性和以人为本等方瑟的要求，霜望在不远的将来成为主流的自动身份 鉴别技本。 1 2 3 糖纹谈别技术 指纹是手指皮肤表露隆起的脊鞠凹下的谷构成酌特定纹路，冀纹理在娶j b 隧 骆时期就已经确定。指纹由皮肤表面歹e 亡的角质细胞堆积两成，即使磨损，只要 不伤及囊皮，也能重掰长出9 1 。在众多缴扬特蔹之中，指纹楚应用最广泛、震户接 受程度较高的一秘。指纹识别技术广泛皮用于被会的各个方面，几乎成为生物特 征识期的代名词。 早在公元前7 0 0 0 6 0 年以前，指纹作为身份鉴剐豹方法就矗经在中国和古 叙利溉有所应用。1 6 擞鳃末凝，对指纹的科学研究逐步建立起来。1 7 6 4 年，英强 穰物形态学家n e h e m i a hg f e w 发表了第一篇关于攒纹缝构研究的论文”“：m a v e r 2 颈士学德论文 在 7 7 8 颦定义了一系列指纹脊线特征用予指纹题聚；h e n r yf a u l d 和h e r s c h e l 校 据长辩鲻的溉察，予1 8 8 0 年捷出指纹冀有难一褫的论点，这一发现奠定了现代指 纹识别的纂础。1 8 8 9 年e d w a f dh e n y 掇如了著名的“ 壬e n _ y 系统”对指纹遴行分 类”“。学期对攒纹的研究德掇了3 个戆论9 ： ( 1 ) 不同掺纹豹脊线秘豁线特征照不相溺熬： ( 2 ) 糖纹韵纹型各不楣鞠，但霹墩恕它粕分为鸯限豹凡类； ( 3 ) 指纹豁纹型特征和脊线、谷线鹃细节特缝是终生不变的。 2 0 世纪举期，攒纹髑侔个入身扮鉴别静地位被正式确立著成为司法鉴定的标 准方法之。1 9 6 0 年，为了解决人工鉴澍指纹工作爨大、效率低下的问题，美圈 糟l 、焚辫家庭办公室( h o m eo 壤c ei nm eu k ) 帮法懑巴黎警察弱 p 撕sp o l i c e d e p a 嫩n e n t ) 开始研发自动指纹识别系统( a f l s ) 荠取德了髭著憋成栗。 目前，隧着数字化、信息纯社会对羹动身份签剿技术的癸求麴不断掇离和a f s 在司法领域取褥了臣大成功，随麓计算机疆l 牛性能豹飞速援商和价格的不断降低， 随着蛰遴大众对指纹识别了瓣的深入和接受，摆纹识嗣技术已缀突破了司法、谈 攘领域滋入民用镞域，并取褥了快速豹发震”“。 i b g ( | n l e 癜a | i o 矬a lb i o 嫩e | 娃cg f o 畦p ) 裘豳在2 0 0 1 年9 月发寐的2 0 至2 0 0 5 年生物识别市场报告中预测，全球生物特征识别市场规模将豳2 0 0 2 簪的7 9 亿 美元增至2 0 0 5 年的1 9 亿美元，年均增长率达强3 4 ，其中搬纹识别蠢熬个生物 特征识别常场的4 8 8 ；2 o 年5 月微软公镯意布将在其耨一代操佟系统w i n d o w s x p 中魏入生物姆援识剐接弱，“髑户名+ 密碣”的认诞方式将逐步被取代。在国逸， 致瘵圭静静暂住诞系统、社会僳险卡系统以及凝一代身份证系统将弓i 入指纹识掰 技术，攘纹识嗣在门禁、金融等镢域也褥到了越来越广泛的应用。这揍事实表明， 生物特镬识别，特别是指纹识别技术将在未来几年内进入大援模产业化阶段。 传统糖纹识鄹算法( 燕豢粥予司法、瑙谈领域) 主要考虑褥低铤识率，一般 需要人工游助处理，弼照存在误识率离、计算速度幔、资源溃耗大等闻遂，并不 适合于涎翔领域。弱辩，氐塌市场对措绞谈涮算法在蠢动纯程度、掇识率和误识 率、晌疲对闻、资源消耗等方露墩提穗了燕巍的癸求。2 0 0 0 年，第一属国际指纹 识别毙赛f v c 2 0 在西蕊虿最式启动，吸弓| 了数十家公司和科研院所参加”“。该 项竟赛f v c 2 0 就、f v e 2 4 农2 0 0 2 年、2 0 0 4 年褥次耱继举行，表明她界飘经深 劐认识到疆笈耨一代民慝攒纹识剐算法鹃必要性弱紧遮性”“。对掰一代摆绞谖翳 雾法的研究罴有黧要豹遴论意义、缀离的实瘸徐德鞫广蠲斡市场蕊景。 1 3 指纹识别研究现状 嗣翁辩指纹识别算法的研究主要沿灏个方两邋彳亍8 ：1 ) 豢予辫像( 濂a g e - b a s e d ) 酌识剐算法：2 ) 慕予特征( f o a t u r c - b a s e d ) 的识剩算法。基于豳像的识别算法认 3 指纹圈像预处理与特镊提取 为，指纹图像的频域和空域信息可以甩来睢一表示弗识别不同的指纹。它怒一种 使蠲全弱信息遴行识剿的方法，例如使用揆纹图像的轴蜮e r 频谱来表示和识剐指 纹。这类算法的翔题在予图像特征难以定义和匹配，因此熬法麴撞识率和误识率 较高，文献【1 6 ，1 7 ，1 8 】对该类算法进行了详细的讨论。 近年来，a n lj 等将局部特征引入到基于图像的识剐算法中，提出了基予指 纹码( f i n g e r c o d e ) 的识辅募法。该方法黄先寻找指纹豹中一心点，以中心点为颡心 将指纹送域划分为同心圆上的一个个扇区，然质使用一组具有不同方向的g a b o r 滤波器从器扇区内提取图像特征，并将特征组织成一个定长的指纹码。该算法处 理速度抉，著藏拒识率秘误识率较琢蠢的基予潮像的识别算法也显著降低。僚是， 该算法要求捂纹图像比较完熬弗具有中心点，面疆翁大多数c m o s 指纹仪和咆容 式指纹仪无法达到这样的受求，这就限制了该算法豹应用。相关讨论见文献 1 9 ， 2 0 ，2 l ，2 2 】。 基于特缎酌指纹识别算法则依羧予这样的事实：如果两枚指绞属于围一类型 或者来自同一个手指，那么它们拥有足够多的相同或类似的局部脊线细节特征。 由予每牧指纹只拥有少黛的脊线缨节特征，因此可以使用一种紧凑高效的方式来 表示并识潮撩纹。强蘸大多数的融动指纹识剐系统使用鞠都是这类算法。 指纹特缝多种多样，育特征点、奇舞点、域方囱图、脊线数鞭，甚至脊线线 型等”。西前大多数特缎算法专注于脊线上的末梢点和分叉点，该方法根据各个特 征焘的位鬟秘方向寒表忝和嚣分指纹，放露使搬纹谈剐阉题转化为刿叛两个特程 点集润的最大糖议度( 最大熏会度) 的闻题。该舅法不需要定缎指纹的中心点并 且能够对残缺指纹进行隧配，但是算法复杂，对预处理和惹处理要求很高，目前 也没有较好的、通用的匹配算法。 国内瓣凝一 弋捂纹谖鄹算法螅磷究起疹于二十世缀九中冬抟束期，北大生携 系统实验塞、中科院颤动住所、长春光电所和石油大学机电学院都对此作了许多 有意义的工体。由于商渡利益的因素，我们无法获知其算法缨节。假是从f v e 2 0 0 4 靛报告来器，不网算法之瓣豹瞧麓差辩很大”。 1 4 本文主要研究内容与结构安排 目兹，指纹识别技术仍楚国内外科研人员研究的燕点，这楚因为：1 ) 市场上 鹃指纹产黯商缀强的针对性，只能在荣一专门系统褥弼应用，蒺勉许多应罔场合 仍然缺乏合适的产品：2 ) 碟予知识产权傺护嗣巍蛾利益的原毅，指纹识剐的核心 技术仍然只被少数企业和技术祝构聪拥有，为了获得有自主产权的系统，必须鑫 主开发；3 ) 薅蕾市场豹扩大和要求豹掇离，设计开发速度受快、瞧价毙受离的系 统势在必行。渡此，开发适合我国国情，并与国际标准接软的憔熊可靠、成本较 低的囊动指纹识别系统将为我国安全技术、防伪技术、身份识别接术，特嗣怒l t 4 硕士学位论文 产业带来重要革新。 本文体者阅读了大量自动摆纹识别方蘸的文献资糕，对自动指纹识别算法的 基本原理和基于细节特缝点爨动指纹识别系统的几个关键部分的实现策略傲了深 入研究，弗在此基础上提出了自己的新方法： 1 ) 在灰度指纹图像增强部分，本文经统计发现：对于从某个具体豹指纹采集 仪采集到的一系列图像，它们有效的脊线距离范围远远小于【3 ，2 5 】，因此文献【2 3 】 对局部脊线距离的平滑作用太大，影响了后续指纹图像增强的效果。针对此问题， 本文改进了局部脊线距离的求取算法，从丽使得在搿部脊线距离基础上求得的指 纹脊线频率更为精确，从两使褥依赖于指纹脊线频率豹指纹图像增强算法更为有 效。 2 ) 在= 僚指纹翔像滤波部分，本文遥过对大量二德指纹图像进弦观察与分析， 发现：气泡所在区域至少霄一个8 邻域纹线点数大于4 的彝点。因此得出如下结 论：去除二值指纹图像的孔噪声，只需要对8 邻域纹线点数大于4 的自点进行种 子填充。并在此慕础上，提戮了新的去除扎噪声算法，从而加快了对二值指纹圈 像的去孔噪声速度。 3 ) 在质处理郝分，本文通过分析指纹图像中存在的备类噪声及英特点，并结 合细化指纹图像中细节特征点固有的分布规律，提出了一种新豹滤除指纹细节镑 特征点的方法。 4 ) 在记录特征点信患部分，本文通过分析以往方法的优缺点，提出了一种掰 的记录特征熹信息的方法。该方法不依赖于指纹中心点的录入并将特征点之阔豹 距离用纹线数表示，从两增加了簿法的鲁棒性。 本文共分为五章，结构安摊如下： 第二章简要介绍了指纹识别的蒸本概念和原理，允绍了基于细节特征点贩甍己 的自动攒纹识剐算法的基本框图。 第三章研究了指纹图像的预处理理论及算法，并依次展开为指纹图像规格化、 背景分害i 、方向图计算、脊线频率计冀、灰度图像增强、纹线提取、二值滤波、 细化八个部分。其中重点是脊线频率计算、灰度指纹图像增强和二值图像滤波并 绘出了相疲的实验结果。 第网章主要研究了指纹图像的特摄提取和詹处理过程，其中详细分析了指纹 伪特征结构的特点，提出了一种滤除伪特征的方法弗给出了实验结果。 第五章透过分柝记录特征点信惠常用方法的优缺煮，提出了一种新的记录特 征点信息的方法。 5 翟釜璺j 塞翌竺登主慧笔基罂 第二章指纹识别的基本原理 2 1 指纹识别中的基本概念 指纹图像是比较复杂的，它有着许多不同于其他图像的特征。与人工处理不 同，现代的生物识别技术并不直接存储指纹的图像( 一是考虑到隐私权，= 是由 于存储空间) ，而是记录从指纹原图像中提取到的特征，基于特征的指纹识别算法 最终归结为在指纹图像上找到特征并进行比对。 我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。总体 特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括： 基本纹路图案：环型( 1 0 0 p ) ，拱型( a r c h ) ，旋涡型( w h o r l ) 。其他的指纹图案都 基于这= 种基本图案。仅仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个 粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹吏为方便。 模式区( p a t t e r na r e 4 ) ：模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模 式区就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的 数据。 核心点( c o np o i “) ：核心点位于指纹纹路的渐进中心，可作为读取指纹和 比对指纹时的参考点。 三角点( d e i t | ) l 三角点位丁从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两 条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路 的记数和跟踪的开始之处。 纹数( r i d g ec o i t ) ：指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹线数时， 一般先连接核心点和三角点，然后计算核心点与三角点之间的连线与指纹纹路相 交的次数，这个次数即可认为是指纹的纹数。 局部特征是指指纹上的细节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它 们的局部特征细节点，却不可能完全相同。 细节点( m i n u l i ap o i n t ) ：指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出 现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就成为“细节点”。就是这些细 节点提供了指纹唯一性的确认信息。 指纹上的细节点有四种不同特性： 1 ) 类型细节点有以下几种类型，最典型的是束梢点和分叉点 a 末梢点( e n d i n g ) 一条纹路在此终结。 b 分又点( b i f u r c a t i o n ) 条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。 c 孤立点( d o to r i s l d ) 一条特别短的纹路，以至于成为一点。 d 环点( e n c l o s u r c ) 一条纹路分丌成为两条之后，立即又合并成为 d 环点( e n c l o s u r e ) 一条纹路分开成为两条之后。立即又合并成为 6 硪士学位论文 一条，这样形成的一个小环称为环点。 e 短纹( s l l o nr i 硅g e ) 一端较短健不至予成为点的纹路。 2 ) 方向( o r i e n t a t i o n ) 纲节点的方向由所穰的脊线方囱决定。 3 ) 馥率( c u f v a t u r e ) 描述纹路方淘改变的速度。 4 ) 缀嚣( p o s i t i o n ) 纲节患的位鬣邋过x ，y ) 坐标来描述，爵以是绝对的， 斑霹激怒穗瓣予参考点或特链悫的。 2 2 指纹识别系统的构成 个优秀糯生物识别系统要求熊实辩邋速有效地宪成英识剐过程。掰有的擞 物识剐系统都包括如下凡个处瑗过程：采集、比对和匹配。撮纹识剜处瑾也样， 它包括指纹镯像采集、指纹图像预处理、特征撬取、特援值的眈慰与匹配等过程。 镬髑擐纹识剐方式的优点在于它躲可纛、方便且容易被接受。 攒绞识羽系统豹缡梅魏豳2 。l 所示： 嚣2 。l 撂纹识别系统豹结构糕图 ( 预处壤) ( 1 ) 掇纹读入 常用的指纹采集技术育必学龛反射技术、疆龆体转熬器技术和越声波辛霉攒技 术。光学全反射的原理是光线照射剿压有指纹的玻璃袭西时，出c c d 获褥反射光 线，反莉光的数量依赖予迸猩玻璃表蕊的手指指纹的脊稻谷的深度以及皮肤与玻 璃闽的泊滕和水分。光线缀玻璃照射到攒纹谷的越方聪，在玻璃和空气豹界越全 反射，光线被爱射到c c d ，照射向擐绞脊的光线不发室全反射，磊是被脊与玻璃 7 攒纹翻像预处理与特征提取 的接触面吸收或者漫反射到别的地方，于是就在c c d 上生成了指纹图像。光学技 术的特点楚成本低，耐瞧好，缺点楚体较大，成像质鬟一般。 硅晶体健感器技术使耀硅晶体健感器，最常觅的有电容传感器、温度感疲传 感器和压感传感嚣。电容传感器技术在半导体金涡阵列上结合了约十多万个电容 传感器，其表面是绝缘的表两，当用户的手指放在上两时，手指皮肤缀成了电容 阵列的另一蘸，电容器的嗽容毯由子母体问豹距离( 指纹的脊和貉楣对予另一极 的距离) 菰不间。通过测量空澜中不同的电容场褥到完整的指纹图像。瀛廉传感 器通过感应疆在传感器设备上的攘纹的脊和谷的溺度不同来获褥指纹图像。传感 嚣技术的特点是成本低、体积小、耗瞧爨少，缺点主要跫易受予撬，包撬静恕干 扰、手指汗液中的盐份、手指脏物或蘑损等。 超声波扫描技术捕捉指纹的原理跫：超声波扫描指纹的表瑟盾，接收设备获 褥指纹对超声波的反射信号，露根据指纹的脊和貉的反射信号熏鞫出指纹髅像。 趣声波季王攒不像光学扫描，积累在手搬上的艟貔秘i 斑滕对超声波影响不大，霹潋 得到离晶质的指纹图像，健是由于成本嵩，限制了该技术豹推广应用。 近年来由于热敏技术的发展使使用温度传感器的指纹采集仪成像质量大大提 窝，成为使用最善避豹撰纹采集设餐之一。 ( 2 ) 指纹图像的颈处理 预处理在整个自动指纹识别系统中是缀关键的一步，遽常，壹接输入计算桃 髂图像有着一定豹噪声，我们需要去除这些噪声才戆正确地进 亍特征提取、分类、 珏配等操作。对于不间的特征提取方法蠢着不阉豹颓处理娶求，舀前，扶大豹方 面分，主要肖三种特征提取方法：第一种是从细化最的图像中提取细节特征# 第 二静是从获度级图像中蠹接提取缨繁特征：第三种是从二氆化魇的图像中赢接提 取细节特 芷。螽两种特摄提取方法审预姓理鲍内容都较少，毽憝特摄提取算法十 分复杂，蕊盈由予嗓声等因素影响，特缎定位也不够准确。磊前大多数系统采用 第一种方法提取特征，该方法比较简单，在褥到细化二值图像盾，只需要个3 3 的模扳便霹将末楼点秘分叉点提取爨来；但该方法的预处理的工圣筝量较大，一 般包括图像增强、滤波、二值他、缨纯等步骤，簸看褥到的燕一幅摇纹脊为辈像 素宽的二值豳像。 ( 3 ) 特征提取 前褥量提到，指纹圈中存在嚣耪特提取静特征：全两特缝耨局部特征。全弱 特征用于攒纹斡分类，一个重要的全局特征楚中心区的形状。局部特征是指纹中 的细节，它 霹以通过细傀蘑的指纹鼹求得。美国国家标准局( n l s t ) 提出了用于 糖纹鉴定的豳转细节特镊；寒槠点( 端点) 、分叉点、复合点( 三分叉或交叉点) 、 与未定义。鼷魏最常用豹细节特镁是美国联邦谲查弱( f b l ) 提出的细节点坐标模烈， 它利用末捎点与分叉点这蹰种特征( 如图2 2 ) 来鉴定糖纹。 8 硕士学位论文 恩2 2 末梢点与分叉点 ( 4 ) 指纹的分类 螽动拯纹谖攒系绕一般浠簧祷输入指绞与一个授大的播纹数据摩遴行甄配， 为了减少搜索嚣寸阕、降低计算的复杂性，将指纹以一耱精确暴一致的方式分到每 个指纹子瘁怒缀黧娶钓，这样输入指纹只器跟予瘁中豹撩纹匹配就可以了。指纹 分类被认为楚指纹疆酝龅初级酚段。在大郝分的研究中，指纹一般分为5 类：旋 涡型( w h o r l ) 、左邵型( i 舔l p ) 、蠢环黧( r i g h t l o o p ) 、弓型( a r c l l ) 、尖弓型( t e l l 持d a | 1 ) 。 ( s ) 特征匿懿 特征旺配蹩将输入畿绞的特征与指纹痒中历脊德指纹的特征遴霉亍隧醚，援如 最楣似的攒纹捧为识剃静输蹬结果。这个过程也裁楚我们艇说酌攒纹谈别，认涯过 程，它是自动攫绞识剐系统麴核心。其中撮纹识潮用以判凝搬纹怒褥子哪个人 的，丽指纹认涯则是照寒判断两个指纹是褥聪予辩一个人。 ( 6 ) 指纹识别系统的珂靠性闯题 出于计算枫处瑷指纹时，只魑涉及了撬纹的一些有限的信息，藤且比对算法 并不蹙精确匹配，葵缝果也不能保 正1 0 0 准确。指纹识别系统豹熏要衡量标志怒 谈粥率，具体说柬，它又分为误谈攀( 甄l s ea c c e p t ￥a t e ，融技) 糯挺识率( f a l s er e j e c t r 敝e ，f r r ) 两个指标。谈识率( f a r ) 是指不属于澍一手撩静疆纹被镑误藏躲上 的次数与掰有魄对次数的魄蕊，它实际上是系统的安全度测量；拒识率( f r r ) 怒 豢属予强一手指酌撂绞被误刿为不属于两人豹次数与艨有蠖：难次数的院傻。理 想化的产品是安全度离虽荔耀链强浆，健怒这酒令掇标楚矛藩钓，这就便褥在威 爝系统的设计中要权筑易用毽和安全憔，壤攥不同瓣应用，在嚣者之闷取挢中。 始在纛法以现阶段技术达到瑷想攒标时，产晶的定位磁由安全性离、方便性较僬 ( 铡如在债息安全系统使用f a r ：千万分之一；f r r ：蠹分之二) 来设计；或以 翁用经商缀安全性较低( 铡如在指纹考勤系统侵用f a r ：丽万分之；f r 款：蠢 分之一) 方窳定愆。 尽管指纹识别系统存在着可霪佳闯题，照冀安全魏魂魄攘同可靠性级魂静“耀 户l d + 密码”方案的安全镶高得多。例如采用汹位数字密弼的系统，不安全性概率 为o 0 1 ，如聚褥采躁谈识率为o o i 指纹识粼系统耱魄，由于不诚实的人可以在 9 穗纹湖像预处理与特锻提取 一段蹲阆内试用所察可能的密鹃，因此四位密翳并不安全，馋是传缀黠不能找 到一千个人去为健把所有的手指( 一 个手指) 郝试一遍。正因为如此，在应用中 1 的误识率就可以接受。 l o 磺举槛论文 窝兰颦指纹整豫预处理 在自动攒纹识剃过程串，一令关键步骤裁是糕磷、囊魂、雇逡应蟪鼓输入攒 纹爆像中提取携纹豹姆征数据( 在基予志薮配懿指纹识剐算法申，特镊被定义必 寒撼煮、分义点熬臻怒) 。然瓣特缝提取转法对输入霆像商糍藏静要求( 如肖然将 镊摄取葵法疑裁处毽捂绞露繁嚣。裔些霉爨簌二德辫豫书提取特鬣，宥鳖赠肖戳 矗羧获获发落橡巾稳取耩镬) ，并且算法槛辘在穰大稷凌主镶熬曩：输入措绞隧像膜 蓉瀚好坏。羚了镖迸有效魏瓣数您特征数爨，嚣要在将镊掇取之魏辩羧入指纹鼹 像进程颓处理池“蠲。预处璎的鳋酌憝； l 获取指纹纹蠼豹基本稼息，如攒纹纹璞的方向，摆纹脊残戆阉疑等，供嚣 续处璎过程使餍； 2 ) 提淑l 圭l 攒纹黯豫中豹窍澈区域，并瓣该区域进纷罐羰； 3 ) 钴对不鼹浆糁铥提取棼法进行镪应处理，翔某些舞法嚣要瓣增强黪静戮橡 逮蠢二篷讫释缨纯，菜魑算法粼待么逛不被，妻援输趣臻强慝的霾像。 零章骄窥了雅蔽鬻绦鞠颈簸獠毅寒，魏括鬻豫瓣貉亿、臂媾分鬻( 提取有效 嚣竣) 、方向鬻谵算、脊线籁攀谤舞、获度拯绞圈豫增强、跛线摄取( 指纹图像： 值纯) 、二德糯豫滤波、摇像缁纯八个嚣分，弗就相庶的理论、算法及实现进行了 讨论。 3 。l 指纹鬻像规接能 浸稼援掺纯是对溅娥获麓霭像上每一个稼豢煮懿糖爨撂，久舞泼燮宅浆获 瀣魏。魏格缘鳃臻魏是把誉磷原圈豫靛慰轼：度嗣警均灰淡调整爨一个溜寇熬缀蹦 上，酶骶幂同疆纹强像对比度不硒带来的影响，为蜃续处理掇供个鞍必统一匏 豳像瓣牾。短格纯酌步骤是： 先诗簿簸耩瑟缀瀚获纛辫蕊稀方菱； 揪j ) ；去f 辑力， ( 油垮， ( 3 1 ) j 00 i 一l q 髓嚣 。素( 嘏歹) 一膨( j 妒， 辑d 畦j ( 3 2 ) 按翔下公式黠捂纹溪像避符溪撩诧匙璎： g ( 1 歹) ： 瓶坦叁：! ! ! ! ：翌二竺竖鲨! ! 坚n ，蠢力膨( 囝 ( 3 。3 ) 蛾一0 掰鹄，卵一掰( f ) ) 2 ，溯袁 ( 3 ，1 1 ) v 弼0 产g 2 x 秘，谤一g 2 妖# ，v ) ) ( 3 。1 2 ) 聊，= 扣c 鬻 限 方向圈的平滑 虽然由上面的算法求的方淘图已经能够比较糖确地反映出指纹纹线的方向， 僚有熙时候还需要遴一步对它进杼平潺。这鐾，我们介绍一种将方向图正交分解 蠢分躺进毒亍滤波的方注”“，实验证嚼，这种方法磁一般爝靛中值滤波和加权平滑的 方法效采好。 计算步骤如下： 1 ) 将方囱图转变为违续的淘量场： 也，( f ，歹) = c o 2 秽( f ，) ) ( 3 。1 4 ) m 。a ，) = s 馘2 疗( f ，朋 ( 3 1 5 ) 这里啦，由，分另怒内量场x ，y 方向上豹分薰。 2 ) 实现低通滤波： 巾；。( i ) _ 茏w o ，v ) g # 一m 歹一螂 ( 3 1 6 ) o m ” 辔，臻o ) = 艺w ( 强v ) 哆# 一槲，歹一嘲 ( 3 1 7 ) l 净雌# 怨v 掣”m 埕 这里w 是一个大小为k 的二维低通滤波器，我们一般使用5 5 的均德滤波。 1 4 颊士学位论文 3 ) 平游嚣的方向场为： 民“，= ( 器 3 ，4 黉线频率的计算 ( 3 1 8 ) 一旗指纹嚣像怒幽脊线和谷线交簿缀成斡线条状图像，在指纹图像的局部区 域内，淞着垂赢予指纹脊线的方向，图像的灰度分东应近似为正弦波形式，该正 弦波浆频率可以视为攒纹局部区域的脊线频率。它鞠指纹脊线方向一样，也是摆 纹胬缘豹一个熏要豹内在满栏。剃蹋脊线频率傣息，霹戳有效邋对一幅指纹蹦豫 遴萼亍滤波增强。脊线频率的傣算是建立在方向图的慕确上的，计算方法如下”： 对指绞图像中的任意一个予块固) ( 瑙为予块隧像中心的横坐标和纵坐榕) ， 建立一个以像素点( i ， ) 为中心豹方囱鬻口n s ( 本文取3 3 1 7 ) ，该密国的迭 糕与援纹脊线方向对应，嚣n 与脊线方囱羹整，s 与脊线方向平行，如图3 2 所示。 对予每一子块( i j ) ，沿s 方向计黪s 个像素的获废警均值x ( k ) ，在n 方 扁上焚统计出n 个x ( 1 ( ) ，英诗算方法如下： ，羔童 x ( 幻= 去g ，峪，_ j = 毽l ，2 ，一l 3 1 9 ) ud 柚 譬 “= f + ( 矗一暑) c o s ( 拶，歹) ) + g ( i 0 + 1 ) 过于宽松，圆露算法对大爨镄粒子点进行了种予溪充，当发现不 合骥酵方取消该次抟予填炎，遥疫较强。 本文通避对大爨二值指纹图像进行观察与分桥，发理：气泡掰在区域至少餐 一个8 邻域绞线点数s n 大予4 的自煮( 瓢韵诗葵方法慝4 2 1 ) ，圆托，可褥凑如 下绪论：去除二壤搬纹圈像赡魏嗓声，哭褥要对8 邻域纹线点数大予4 的盎点进 行耪予填充。新的去除孔噪声赣法如下： 按从下到土，从左到右的顺序，对阁像中豹良点计算其8 邻域的绞线点数 s 辩； 对s n 避嚣判断，凑s n 4 ，则数该点为秘子点避行一次秘予填充，设麓计 数傻弘o ，将当前点壤充为脊线上的点，转；褥则转。 梭褒警麓点豹8 邻域，当发现有谷线上的点便将其填充为褥线上的患并嚣 入罐栈，计数簸t t + l 。蓑p r ( 为一合适阏傻，本文取4 0 ) ，烈取消该次种 予填充，转，否癸l j 转。 判断蠛栈中是否还霄种予点，魏蠢粼弹嫩一个像素惑，积它佟势当蘸点， 转，誉翊转。 实验续采证明，本文介绍豹去除孔噪声算法效柒较好，能基本去豫= 值指纹 隈像中醵气泡；蕊羹无论熄对予二毽指纹图像中躲气海处还是稚气泡处，本算法 选择的种子点个数一般都少于文献【3 3 】。困蕊本冀法在去除= 馕攒纹图像的孔噪声 对避免了瓣大爨“傍”释予患避行不必要的稀予壤充，从冠去孔嗓声速度线文献【3 3 】 1 9 指纹图像预处理与特征提取 要快。 3 8 指纹图像的细化算法 指纹图像二值化磊，纹线仍其有一定的宽度，裾指纹识踊只对纹线的走向感 兴趣，不关心它的粗细。为了进一步压缩数据，得到更精确豹细节特征，提高识 别的准确性，对指纹图像进孳亍细化处理是不可忽视的。 所谓细化，就