（控制科学与工程专业论文）指纹识别系统图像质量评估及预处理研究.pdf

广 m s 咖s i s ： r e s e a r c ho ni m a g eq u a l i t ya s s e s s m e n ta n dp r e p r o c e s s i n go f f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s p e c i a l t y ：c o n t r o ls c i e n c ea n de n g i n e e r i n g m a s t e rd e g r e es t u d e n t ：l uj i a n h u a s u p e r v i s o r ：p r o f p e n gh u i s c h o o lo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & e n g i n e e r i n g c e n t r a ls o u t hu n i v e r s i t y c h a n g s h a ，h u n a n ，c h i n a m a y 2 0 1 0 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者躲础嗍旦年月幽 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 摘要 随着信息化、数字化和网络化的深入发展，网络安全和信息系统 安全备受关注。身份认证作为网络安全和信息系统安全的第一道大 门，其安全强度直接影响着整个安全体系的安全级别。传统的基于标 志或标识的身份认证方式因其固有的缺陷无法满足当今对安全性的 要求。生物识别技术具有唯一性、稳定性、易用性和可靠性，被认为 是网络安全和身份识别的未来方向。在所有的生物识别技术中，指纹 识别技术因其独特的优势而成为最理想的身份认证技术。 目前，很多学者、研究机构和公司对指纹识别技术进行了深入的 研究，但是由于缺乏系统性和整体性，很难提高指纹自动识别系统的 性能，限制了指纹识别系统的推广应用。指纹图像质量评估和预处理 在指纹识别技术中占有重要的地位。本文对这两项技术进行深入分 析，从以下两个方面开展研究：一方面如何选择评价参数来对输入的 指纹原图像进行质量评价从而对系统的输入进行严格质量把关，另一 方面如何整理、优化和创新出一套有效的、标准的指纹预处理算法， 从而提高指纹预处理的快速性和准确性。 因此，论文围绕着指纹图像质量评估和预处理这一论题，通过分 析和整理前人提出的算法，对图像质量评价参数和流程、指纹图像预 处理进行了深入的研究。本文主要研究内容和创新如下： ( 1 ) 目前图像质量评价体系缺乏一套公认的标准，此阶段尚处于 探索阶段，因此本文提出了一套指纹图像质量评价指标，包括面积质 量分数、位置偏移质量分数、干燥度质量分数、潮湿度质量分数和方 向模糊质量分数。在此基础上设计了一个分步排除和综合质量评价相 结合的指纹图像质量评价流程。 ( 2 ) 针对指纹图像预处理缺乏系统性和整体性的问题，本文设计 了一套有效的、标准的指纹图像预处理算法流程，包括基于自适应阈 值分割的多级分割体系、单向多级中值滤波、图像均衡化、采用查询 表的合成模板方向滤波增强、基于块的结合方向信息的平滑动态局部 阈值二值化和基于改进的o p t a ( i m p r o v e do n e p a s st h i n n i n g a l g o r i t h m ) 的并串混合细化算法。其中很多算法都是国际研究的前沿， 并且在很多算法中融入了自己的观点。 ( 3 ) 在将算法模块化时，为了提高算法的实效性，对很多算法流 程进行了优化设计。 关键词：身份认证，指纹图像质量评估，预处理 a bs t r a c t w i t ht h ei n d e p t hd e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , d i g i t a l a n dn e t w o r k ，n e t w o r ks e c u r i t ya n di n f o r m a t i o ns y s t e m ss e c u r i t ya r ev e r y c o n c e m e da b o u t i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o na st h ef i r s tg a t eo fan e t w o r k s e c u r i t ya n di n f o r m a t i o ns y s t e m ss e c u r i t y ，t h es e c u r i t ys t r e n g t ho f i td i r e c t i m p a c to nt h el e v e l o fs e c u r i t yo ft h ee n t i r es e c u r i t ys y s t e m t h e t r a d i t i o n a la u t h e n t i c a t i o nm e t h o d st h a tb a s e do ns y m b o lo rl o g oc a nn o t m e e tt o d a y sd e m a n d so ns e c u r i t yb e c a u s eo fi t s i n h e r e n td e f e c t s b i o m e t r i ct e c h n o l o g yw h i c hh a su n i q u e ，s t a b i l i t y , e a s eo fu s ea n d r e l i a b i l i t y , i s c o n s i d e r e df u t u r ed i r e c t i o no fn e t w o r ks e c u r i t ya n d i d e n t i f i c a t i o n i na l lb i o m e t r i ct e c h n o l o g i e s ，f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yb e c o m e st h eb e s ta u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g yb e c a u s eo fi t s u n i q u ea d v a n t a g e s a tp r e s e n t ，m a n ys c h o l a r s ，r e s e a r c hi n s t i t u t i o n sa n dc o m p a n i e sh a v e i n d e p t hr e s e a r c ho n t h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y h o w e v e ld u e t ot h el a c ko fs y s t e m a t i ca n dh o l i s t i c ，i ti s d i f f i c u l tt o i m p r o v et h e p e r f o r m a n c eo ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m ，w h i c hl i m i t i n gt h ew i d e a p p l i c a t i o no ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m f i n g e r p r i n ti m a g eq u a l i t y a s s e s s m e n ta n dp r e p r o c e s s i n gp l a ya ni m p o r t a n tr o l ei nf i n g e r p r i n t r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y t h ep a p e rh a si n d e p t ha n a l y s i so nt h e s et w o f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n dr e s e a r c h e sf r o mt h ef o l l o w i n g t w oa s p e c t s ：o no n eh a n dh o wt os e l e c te v a l u a t i o np a r a m e t e r st oe v a l u a t e t h ei n p u tf i n g e r p r i n ti m a g eq u a l i t ya n dt h u ss t r i c t l yc o n t r o lt h eq u a l i t yo f t h eo r i g i n a ls y s t e mi n p u t ；o nt h eo t h e rh a n dh o wt oo r g a n i z e ，o p t i m i z e a n di n n o v a t eo u to fa ne f f e c t i v e ，s t a n d a r df i n g e r p r i n tp r e p r o c e s s i n g a l g o r i t h m t oi m p r o v et h ef i n g e r p r i n tp r e p r o c e s s i n gs p e e da n da c c u r a c y - t h e r e f o r e ，t h ep a p e rr e v o l v e st h et o p i co ft h ef i n g e r p r i n ti m a g e q u a l i t ya s s e s s m e n ta n dp r e p r o c e s s i n g t h r o u g ha n a l y z i n ga n ds o r t i n go u t t h ep r e v i o u sp r o p o s e da l g o r i t h m s ，t h ep a p e rh a si n d e p t hr e s e a r c ho n i m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o no fp a r a m e t e ra n dp r o c e s s ，t h ef i n g e r p r i n ti m a g e p r e p r o c e s s i n g t h i sp a p e r sc o n t e n t sa n di n n o v a t i o n s a r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) a tp r e s e n t ，i m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o ns y s t e ml a c k sag e n e r a l l y a c c e p t e ds t a n d a r d ，i ti ss t i l la tt h ee x p l o r a t o r ys t a g e t h i sp a p e rp r o p o s e s as e to ff i n g e r p r i n ti m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o nq u o t a s ，i n c l u d i n gt h ea r e a i l q u a l i t ys c o r e ， b a s e do nt h e s e r o c e s s ，w h i c hi s t h ec o m b i n a t i o no f s t e p se x c l u d i n ga n dc o m p r e h e n s i v ee v a l u a t i o n ( 2 ) i no r d e rt os o l v et h e1 a c ko fs y s t e m a t i ca n dh o l i s t i cp r o b l e m si n f i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n g ，t h i sp a p e rd e s i g n sa ne f f e c t i v e ，s t a n d a r d f i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h mf l o w i n c l u d i n gm u l t i s t a g e s e g m e n t a t i o ns y s t e mb a s e do ns e g m e n t a t i o no fa d a p t i v et h r e s h o l d ；t h e o n e 。w a ym u l t i s t a g em e d i a nf i l t e r ；i m a g ee q u a l i z a t i o n ；t h eo r i e n t e d f i l t e r i n ge n h a n c e m e n tb a s e do nq u e r yt a b l e ；as m o o t hd y n a m i cl o c a l t h r e s h o l db i n a r i z a t i o nu s i n gt h eo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o nb a s e do nb l o c k ：a m i x e d p a r a l l e l s e r i a l t h i n n i n ga l g o r i t h m b a s e do n i m p r o v e d o p t a ( o n e p a s st h i n n i n ga l g o r i t h m ) m a n yo ft h e s ea l g o r i t h m sa r et h e f o r e f r o n to fi n t e r n a t i o n a lr e s e a r c h ，a n dm a n ya l g o r i t h m sa r e i n t e g r a t e d i n t om yo w np o i n to fv i e w ( 3 ) t h e s ea l g o r i t h m sa r em o d u l a r l yd e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v e t h ee f f e c t i v e n e s so ft h o s ea l g o r i t h m s ，t h ef l o w so ft h ea l g o r i t h m sh a v e b e e no p t i m i z e dd e s i g n k e yw o r d s ：i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ，f i n g e r p r i n t i m a g eq u a l i t y a s s e s s m e n t ，p r e p r o c e s s i n g l i l 目录 摘j 1 2 兽i a b s t r a c t i i 第章绪论。1 1 1 选题的背景和意义1 1 2 指纹识别技术概述1 1 2 1 指纹识别技术的发展历史l 1 2 2 指纹识别技术的国内外研究现状2 1 2 3 指纹识别技术的优势3 1 2 4 指纹识别技术的应用4 1 3a f i s 概述4 1 3 1a f i s 构成6 1 3 2a f i s 分类8 1 4 本课题研究内容及章节安排。8 1 4 1 课题的研究内容8 1 4 2 本文的章节安排9 第二章图像质量评估1 1 2 1 方向图1 l 2 1 1 点方向图12 2 1 2 块方向图1 3 2 2 图像质量评估1 4 2 2 1 前景面积质量分数。1 5 2 2 2 位置偏移质量分数18 2 2 3 干湿度质量分数18 2 2 4 方向模糊质量分数1 9 2 2 5 总体质量分数和评估流程2 0 2 3 本章小结2 2 第三章图像分割与方向图增强2 3 3 1 图像去噪2 3 3 1 1 邻域平均法2 3 3 1 2 高斯滤波法2 3 3 1 3 改进的中值滤波一2 4 3 2 图像分害0 2 5 3 2 1 多级分割体系2 6 3 2 2 图像均衡2 7 i v 3 3 采用查询表的合成模板方向图滤波增强2 8 3 4 本章小结一3 2 第四章图像二值化和细化3 5 4 1 二值化3 5 4 1 1o s t u 算法3 6 4 1 2 平滑阈值自适应算法3 7 4 1 3 八方向二值化算法3 9 4 1 4 基于块的结合方向信息的平滑动态局部阈值算法4 0 4 2 细化4 3 4 2 1o p t a 细化算法4 3 4 2 2 改进的o p t a 算法4 4 4 2 3 基于改进的o p t a 的并串混合细化算法4 6 4 3 本章小结4 9 第五章系统的算法测试与实现5 l 5 1 系统算法测试平台5l 5 2 图像算法全局变量设计实现5 2 5 2 1 前景背景表求取5 3 5 2 2 点方向图表求取5 4 5 2 3 块方向图表求取5 6 5 2 4 八方向滤波模板求取5 7 5 3 图像预评估算法测试5 7 5 3 1 多级分割第二层次分割5 8 5 3 2 图像预评估算法性m , - n 试5 8 5 4 图像预处理算法测试5 9 5 4 1 多级分割第三层次分割6 0 5 4 2 预处理算法性能测试6 0 5 5 本章小结61 第六章总结与展望6 3 6 1 研究内容与过程总结6 3 6 2 进一步研究方向6 3 参考文献6 5 致谢7 1 攻读硕士期间发表的论文7 2 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 第一章绪论 随着信息化、数字化、网络化的深入发展，网络安全和信息系统安全备受关 注。身份认证作为安全体系的第一道大门，是网络安全和信息系统安全的基石。 身份认证安全强度的高低，直接影响着整个安全体系的安全级别。传统的身份认 证方式有两类：( 1 ) 基于知识；( 2 ) 基于标志。基于知识方式主要采取1 ：3 令或者密 码体制，但是由于短密码的安全性差，长密码的可操作性差，导致认证方式的安 全性在实际使用中得不到保证。基于标志方式主要采用智能卡等固件存储知识， 弥补了基于知识方式的缺点，但是因为这种方式只认物而不管其具体持有人，在 使用过程如果被盗用、被伪造或者遗失，将会导致很大的安全隐患。寻找易用性 强、安全性高的身份认证方式成为许多专家学者、科技机构、公司研究的热点问 题。随着数字图像处理技术、模式识别技术、计算机技术的飞速发展，生物识别 的广泛应用为上述问题提供了可行性。 生物识别技术1 1 】是利用人体的生理特征和行为特征进行身份认证的一种技 术。人体的生理特征是先天形成的，包括指纹、声音和d n a 等；人体的行为特 征是后天形成的，包括签名习惯、走路姿态等。由于人体的这些特征具有唯一性 和稳定性，不可复制、不会失窃或被遗忘的特点，生物识别技术被认为是网络安 全和身份识别的未来方向。目前，人们已经研制出了各种各样的生物识别技术， 其中指纹识别技术因其固有的优势，成为最理想的身份认证技术之一。 本课题主要针对指纹识别系统中的指纹图像质量评估和预处理两个重要步 骤进行研究，目的就是为了能够设计出一套行之有效的指纹图像评估流程和预处 理算法，并且将之模块化，能够简单的集成到别的系统中去，不仅具有很高的学 术价值，还会带来一定的社会效益和经济效益。 1 2 指纹识别技术概述 1 2 1 指纹识别技术的发展历史 指纹识别技术被人类使用已有很长历史【2 】。在周代，一些印章便印有其主人 的大拇指指纹，例如美国芝加哥菲尔特博物馆便珍藏着这样一枚印章；在秦汉时 期，一些公私简牍封泥上甚至也盖有指纹。这一切都表明该技术在我国古代已得 到广泛应用，但这种应用是一种感性应用，而没有在感性的基础上进行分析综合 和归纳推理，更没有把认识提升为科学且理性的进行应用。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 人类对指纹在科学意义上的研究要追溯到1 9 世纪中叶。1 8 8 0 年，h e n r yf a u l d 发表了指纹认证的论文，第一次科学地提出了指纹的个体性和唯一性并产生了两 个重要的结论：( 1 ) 没有任何两个手指指纹的纹线形态一致；( 2 ) 指纹纹线的形态 终生不变。这成为现代指纹识别研究的基石。1 8 9 2 年，英国的s i rf r a n c i sg a l t o n 的( f i n g e r p r i n t ) ) 一书可谓是指纹学史上的经典之作，该书非常完善地阐述了指 纹识别相关方法。1 8 9 9 年，著名的h e n r y 指纹分类系统由e d w a r dh e n r y 建立， 所提出的精细指纹索引方法使指纹认证的执行有了飞速的发展【3 , 4 1 。 上个世纪六十年代由于出现了能够处理指纹图像的计算机硬件，人们开始用 计算机对指纹进行自动识别，从此世界上很多国家展开了对自动指纹识别系统 ( a a q s ，a u t o m a t i cf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 的研究和应用。在此时期内也相 继出现了实用的a f i s ，如美国1 9 7 5 年推出了p r i n t r a k 2 5 0 【5 】；日本1 9 8 2 年推 出了n e c a f i s 6 1 。由于系统非常昂贵，所以此时期的a f i s 仅限于公安、银行、 政府、商业等部门应用。从上个世纪八十年代开始，由于指纹识别相关硬件技术 和软件技术得到进一步发展，其实用性和可行性得到更大提高，a f i s 开始走向 民用，并且在许多领域成功应用，已经成为最流行、最可靠、最易用的个人身份 认证方法之一。 1 2 2 指纹识别技术的国内外研究现状 目前国外有很多家公司、科研机构、大学从事这一领域的研究，代表性的有 美国a u t h e n t e c 、s y m w a v e 、a t m e l 、i n t e l 、瑞典f i n g e r p r i n t c a r d 公司、m i c r o s o t t 、韩国现代、法国t h o m s o n c s f 、b a c 、美国密歇根州立大 学、意大利博洛尼亚大学等。9 1 1 事件后，指纹识别技术因各国的安全意识的提 高而得到了进一步的发展：指纹辨识系统在某些笔记本电脑上成功应用；具有指 纹识别功能的手机也出现于市场；德国一些汽车生产商在汽车了安装智能指纹辨 识系统来保证汽车安全；美国相继推出了各种安全法案，这些法案都要求加入生 物特征识别作为保证，如2 0 0 5 年6 月宣布了入境需持有含指纹特征资料的新护 照。尽管指纹识别尚存在许多缺点，但是市场的认可度已表明a f i s 将成为未来 主要的身份验证工具之一。 直到上个世纪八十年代初我国才开始进行研制a f i s 。1 9 8 1 年a f i s 由北京 市公安局刑科所和清华大学联合研制，该系统在1 9 9 1 年的技术鉴定会上得到专 家领导的好评。1 9 9 1 年上海市公安局刑科所与北京大学信息科学中心合作研究 a f i s ，并于1 9 9 3 年投入使用。进入上个世纪九十年代中期，我国指纹识别系统 的应用迅速扩大化。上个世纪九十年代末，我国有少数研究机构和公司研制出了 小型的活体指纹光电扫描采集仪。进入2 0 0 0 年以后，我国的指纹识别技术步入 快速成长期。随着高科技的蓬勃发展，指纹识别技术深入生活的各个角落。面对 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 如此大的市场，国内涌现出一批指纹相关产品生产商、经销商和集成商。佛山市 顺德暨德科技有限公司成功研制了具有国际领先水平的“暨德智能系统”。产品 所采用的活体指纹识别和独特指纹算法，能彻底解决如复制指纹、指纹受损等用 户担心的问题，暨德智能系统的开发，标志着暨德公司在指纹高端技术研发方面， 走出了成功而领先的一步。但是像暨德这样真正掌握核心技术、拥有自主知识产 权的公司不多，只有北大高科、中控、北京海鑫、杭州中正、深圳爱迪尔、深圳 亚略特、中自汉王、厦门一指通等几家，绝大多数公司是引进了国外的技术。因 此研究指纹识别技术有着迫切的现实意义，要加紧对指纹识别技术的关键算法进 行研究，并且将之产业化，形成规模效益。 1 2 3 指纹识别技术的优势 要想用生物特征来鉴别身份，该特征必须具备以下几个特点：( 1 ) 广泛性： 该特征人人都有：( 2 ) 惟一性：该特征人人各不相同；( 3 ) 稳定性：该特征能够长 期保持形态不变；( 4 ) 可采集性：该特征应该易采集、易测量。这些特点还不能 满足实际的应用，必须考虑如下实际要求：( 1 ) 性能要求，该特征的识别率多高； ( 2 ) 对于资源的要求，识别的效率怎么样；( 3 ) 可接受性，使用者愿意接受的程度； ( 4 ) 安全性能，系统安全级别高低；( 5 ) 该特征研究的技术支撑力量如何；( 6 ) 特征 模板存储空间占用量是否足够少；( 7 ) 价格应尽可能低，便于使用者接受；( 8 ) 该 系统的运行速度和效率如何；( 9 ) 该特征是否违背非侵犯性原则【_ 刀。 但是至今还没有哪一个能够满足上述全部要求。目前主要的生物识别技术包 括：虹膜识别、视网膜识别、面部识别、签名识别、声音识别和指纹识别捧】等。 表1 - 1各种生物特征性能比较 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 表l 一1 分别从理论要求和实际要求分析上述各种生物识别技术的优点和缺 点，其中将每一种性能符合要求的程度分成三个等级，“高 表示最符合要求， “中 表示基本符合要求，“低表示不是太符合要求。如果要定量的描述上述 各个识别技术满足实际应用的程度，那么必须给三个等级赋予一定的分值，本文 给“高 赋值3 分，给“中 赋值2 分，给“低 赋值1 分。从表1 1 中可以计 算得出，指纹识别得分3 0 分，超过其它几种识别技术，指纹识别技术是目前最 易用、低价格、无伤害、高可靠性的生物识别技术，有着广阔的应用前景。指纹 识别技术已经成为当今生物识别领域的热点研究课题。 1 2 4 指纹识别技术的应用 在过去很长的一段时间里，由于指纹采集的方式落后、易用性差、系统非常 昂贵等因素的影响，指纹识别技术的应用都局限于刑侦领域。但是指纹采集设备 体积越来越小，价格越来越低，硬件运算速度成倍增长，互联网深入发展，人们 对网路安全和信息安全意识的加强，该技术深入了民用领域。从使用功能角度将 a f i s 分为基于数据库的联机识别系统和基于智能终端的嵌入式识别系统【9 】。从 应用领域角度可以将a f i s 分为门禁、网络信息安全、个人信息与财产管制和政 府公共管理项目。门禁是指物理上看得见的，主要包括军事设施、武器库、监狱 系统、核能设施、数据中心、政府办公室、住宅安全等；网络信息安全主要指需 要在i n t e m e t 上确认对方身份的场合，可以应用于如网上认证中心、网上支付交 易、远程登陆等多种互联网应用项目中；个人信息与财产管制主要包括指纹文件 锁、个人电脑、汽车、指纹授权、移动电话、指纹硬盘、俱乐部会员管理系统应 用软件和硬件产品；政府公共管理项目主要包括身份证、驾驶证、边境出入证、 公费医疗确认和一些社保系统等。 随着指纹识别产品的不断改进和创新，指纹识别技术越来越渗透到各行各业 中，将产生巨大的社会效益和经济效益。 1 3a f i s 概述 指纹识别有三种：基于肉眼辨识的人工识别、基于光学器件的光学识别和基 于计算机的指纹识别。人工识别对技术人员要求很高，并且事先要制定分类和辨 识方法，这种方式不仅效率很低，而且容易受个人情绪、思维定式等主观因素影 响，难以保证鉴定的精确性。光学识别利用光学滤波器等光学器件对输入指纹进 行采集、变换和识别，但是技术尤其复杂、稳定性也不好。a f i s 是计算机指纹 识别，相对于传统的比对方式，其不仅自动化程度高，而且结果更加可靠。它主 要利用了人体的两类指纹特征：总体特征和细节特征【9 l 。 总体特征包括区域特征、形状特征和灰度分布特征，这些特征人眼可以直接 4 中南大学硕士学位论文 第章绪论 看到。区域特征分为三角点( d e l t a ) 、 ( l o o p ) 、弓型( a r c h ) 和螺旋型( w h o r l ) ， 特征、方向场特征和频率场特征等。 中心点( c o r e ) ：形状特征包括基本的环型 如图1 1 所示；灰度分布特征分为梯度场 | 篷 ，稳 弓型( a r c h )螺旋型( w h o r l ) 图1 - 1 形状特征图 细节特征，即单一纹线的特征。两幅不同指纹源图像的总体特征可能相同， 但它们的细节特征相同的概率非常小，几乎不可能。指纹纹线上的断点、分叉点 和转折点称为特征点，它决定了指纹的唯一性，如图1 2 所示。这些特征点包括 终结点( e n d i n g ) 、分叉点( b i f u r c a t i o n ) 、分歧点( r i d g ed i v e r g e n c e ) 、孤立点( d o to r i s l a n d ) 、环点( e n c l o s u r e ) 、短纹( s h o r tr i d g e ) 、某点的梯度( g r a d s ) 、某点的方向 ( o r i e n t a t i o n ) 、某点的频率( f r e q u e n c y ) 、纹线曲率( c u r v a t u r e ) 、纹线的长度( l e n g t h ) 、 某点的位置( p o s i t i o n ) 。 图1 - 2 细节点特征图 根据美国联邦调查局f b i 的建议，a f i s 一般只用e n d i n g 和b i f u r c a t i o n 为指 纹的细节特征，因为其他几种特征都可以看作是这两种特征的合成。 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 1a f i s 构成 a f i s 一般由六个模块构成：指纹采集模块、指纹图像质量评估、指纹图像 预处理模块、特征提取模块、特征匹配模块和指纹数据库模块，如图1 3 所示。 输入 用户 i d 厂霹= i 指纹识别 图1 - 3 自动指纹识别系统结构图 由图1 3 可知，a f i s 有两种工作状态：指纹登记和指纹识别。两者都采用 相同的算法提取特征点，但前者将提取的特征点作为模板储存于数据库中，后者 将提取的特征点作为样本与数据库中的模板特征点进行匹配判定。 指纹采集模块主要任务是获得指纹的数字图像，是整个系统的首要步骤。目 前的指纹采集设备基于三种技术：光学技术、半导体硅技术、超声波技术【1 0 1 。 光学技术需要一个光源从棱镜全反射按在一个取像头的手指，光线照亮指纹从而 采集到指纹。该技术优点在于它已有很长的应用历史，耐用性强、价格低廉，其 缺点体积大，对于干燥的手指或很脏的手指，便不能获得对比度和清晰度都令人 满意的指纹图像。半导体硅技术是基于半导体硅电容效应的技术，按压到采集头 上的手指的脊和谷在手指表皮和芯片之间产生不同的电容，芯片通过测量空间中 的不同的电容场得到完整的指纹。该技术优点是不仅可以将采集设备小型化便于 集成到别的系统中去，而且获得的图像质量还很令人满意。其缺点之一是电容技 术的芯片昂贵，许多公司试图用比指纹更小的芯片来采集部分的指纹，如果使用 这种采集方式，用户必须精确的放上手指以确保能正确的读取，必然降低设备的 易用性、比对的可靠性；其缺点之二是易于受到干扰，无论是静电干扰，还是汗 液中的盐分或者手指表面的脏物以及手指磨损都会使采集头难以正确读取指纹。 超声波指纹采集技术利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，当超声波穿透脊和谷 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 时会产生大小不同的回波，利用这一特点可区分指纹脊与谷所在的位置。在超声 波扫描中，手指上的脏物不会对其获得的图像产生太大的影响，但采集时间稍长。 每一种采集设备都有各自的优缺点，设计人员必须根据自动指纹识别系统的具体 要求来选择。由于本文主要针对图像预评估算法和预处理算法进行设计，所以只 需要图像来验证算法的有效性即可，为了简单本文选择了一些指纹库中的现成图 像，这些图像都是位深度为8 的灰度图像。 指纹图像质量评估模块主要是对系统的输入严格把关。为了保证a f i s 的可 靠性和高效性，必须做到以下两点：( 1 ) 采集的指纹质量很好，可以保证特征提 取和特征匹配的可靠性；( 2 ) 有一套高效的对指纹图像质量具有很强的鲁棒性的 指纹特征提取方法。但是影响指纹质量的因素很多，例如不同时期指纹由于干、 脏而导致的差异；采集头采集带来的噪声；指纹的变形、脱皮、龟裂等。目前还 没有哪一种采集设备能保证在各种条件下都获得高质量的指纹；此外还没有一套 标准的指纹图像预处理算法能够对各种质量的指纹图像进行有效地提取指纹特 征。指纹图像质量评估模块则是保证整个a f i s 系统性能稳定发挥的关键步骤。 它是从自动指纹识别系统的源头对输入系统的指纹图像的质量进行严格的把关， 只有合格的图像才能作为系统的输入，这样指纹识别系统的后续处理有了可靠的 依据，从而提升了系统的整体性能。 指纹图像预处理模块任务就是解决系统输入带来的噪声、对比度不统一等问 题，将原始指纹图像的谷、脊线变得非常清晰，突出指纹的纹理信息和方向信息， 主要包括图像分割、图像去噪、图像均衡、图像增强、二值化、细化等过程。图 像分割主要是为了保留前景区和可恢复的噪声区，去除剩下的区域，这样不仅可 以提高后续图像处理的速度，而且可以减小模糊部分经二值化和细化后带来的伪 特征点。图像去噪主要是为了去除图像中的高斯噪声和椒盐噪声，这样便于保证 后期处理的准确性。图像均衡主要是为了提高指纹原图像的对比度，将当前灰度 分布均衡分布在整个灰度区间。图像增强是对分割出来的可恢复区图像增强，使 其纹线结构清晰化，尽量突出和保留固有的特征信息，消除断点、叉连以避免产 生伪特征信息，其目的是保证特征信息提取的准确性和可靠性。二值化是提取经 增强处理的指纹图像的脊线，将灰度图像转化为0 1 取值的二值图，这样使后续 处理变得简单，提高了数据的压缩率，提高了系统的经济实用性。细化是指把二 值指纹图像转化为单像素宽的骨架线以利于特征点提取。 特征提取模块的主要任务是完成提取指纹的特征点，形成指纹模板，为了比 对的准确性，特征提取要求尽可能多的有效特征，滤除虚假的特征。 特征匹配模块的主要任务是将待识别的指纹特征与指纹数据库中的模板特 征进行比对，找到最佳匹配，得到匹配结果。 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 指纹数据库模块的主要任务是将提取到的特征信息编码成指纹模板存入指 纹数据库。为了减少存储空间和提高系统的实时性，数据库中存储的不是指纹源 图像，而是指纹模板。 1 3 2a f i s 分类 a f i s 按照工作模式分为验证m r i 矗c a t i o n ) 和辨j , , q ( i d e n t i f i c a t i o n ) t 1 1 1 。 验证是一对一的比对( o n e - t o o n em a t c h i n g ) ：先根据其标识i d 找到指纹库中 对应的指纹，再与现场采集的指纹比对，如图1 4 所示。匹配结果是成功与否的 一个标志，成功则通过验证，否则不通过，该系统一般用于民用。 用户输入的i d 输入用户标识 ( i d ) 指纹图像采集 验证模式 指纹图像处理囟露李豺指纹特征匹配 返回结果为 是否通过 型 根据用户i d 取 出对应的指纹 模板 图l - 4 验证模式图 辨识是一对多匹配( o n e t o m a n ym a t c h i n g ) ：无需输入用户i d ，首先取出指纹 数据库中的所有指纹，然后将现场采集到的指纹与其逐一对比，如果匹配命中， 则返回对应指纹的i d ，如图1 5 所示。该系统主要用于警用。 图1 5 辨识模式图 1 4 本课题研究内容及章节安排 1 4 1 课题的研究内容 本文针对当前指纹识别技术的发展应用状况，为了加强我国指纹识别技术的 产业化，形成一定规模的社会效益和经济效益，参考了大量国内外前沿的资料， 8 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 有针对性的对图像质量评估模块和预处理模块做了整体性的研究，为指纹识别技 术的完善做出了一些探索。在研究的基础上，将研究的算法模块化，通用化。 研究的基本内容包括： ( 1 ) 本文分析和讨论了目前指纹图像质量评估的现状，当前图像质量评价体 系的缺乏一套公认的标准，某些商业系统的此模块涉及到商业秘密又不公开，此 阶段尚处于探索阶段，本文设计了一套自己的指纹图像质量评价指标，