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摘要 基于相位相关的指纹拼接算法研究 摘要 生物识别通过辨识人的生理和行为特征进行身份认证，代替传统 的基于知识和基于标识的方法，成为一个方便可靠的解决方案。由于 指纹所具有的唯一性和不变性，以及指纹识别技术具有很高的可行性 和实用性，指纹识别成为最流行、最方便、最可靠的用于个人身份认 证的生物识别技术之一。 虽然人们对于指纹识别技术长期的研究和发展有很多指纹系统的 商业产品和研究成果问世，但仍不能达到某些特定应用的性能要求。 随着嵌入式的需要，对于采集芯片的体积要求会越来越小：而且，随 着竞争的加剧，商家势必减小采集晶片的面积来降低成本。采集晶片 面积的减小带来的指纹图像中的信息不足，给指纹识别提出了一个严 峻的挑战。本文在分析了自动指纹识别系统现状的基础上，围绕如何 加大指纹图像、增；h n t 旨纹图像有效信息，提出了- l , b 基于相位相关的 指纹拼接算法。它不仅可以快速的实现指纹图像的拼接，而且可以准 确的实现指纹序列图像的拼接。 论文共分七章，具体内容如下： 第一章，介绍了生物识别的现状和一些主要的生物识别技术以及 指纹识别和指纹拼接的研究现状。在此基础上，提出本论文需要解决 的问题，总结了课题研究的意义和主要内容。 第二章，详细阐述了自动指纹识别系统的原理。根据自动指纹识 浙江丁业大学顾i 学位论文 摘美 别的流程，从指纹采集、表示，到特征提取和指纹匹配中采用的关键 技术和原理一一被详细介绍。 第三章，介绍图像配准的定义、原理以及采用的不同方法的优缺 点。根据指纹图像和指纹识别系统的特征和要求，详细介绍了本论文 采用的配准方法相位相关。 第四章，提出并详细介绍了基于相位相关对滑动采集仪采集到的 指纹序列图像的拼接算法。通过对于相位相关峰值的研究，进一步把 拼接的精度提高到亚像素级。 第五章，提出并详细介绍了基于相位相关的指纹图像拼接算法。 首先，一种改进的指纹预处理方法用于改进指纹图像的质量：然后伪 极坐标傅立叶变换被引进，用于降低图像旋转角度求取的复杂度；最 后，利用相位相关得到旋转校正之后图像之间的平移，并完成图像的 平滑拼接。 第六章，给出了基于相位相关的指纹序列图像拼接算法和基于相 位相关的指纹图像拼接算法的实验结果。并且，对这些实验结果进行 了详细的分析。 第七章，总结了本论文的研究开发工作，并且给出了下一步对于 完善算法需要做的工作，最后对于指纹拼接技术的发展进行了展望。 关键字：生物识别，指纹识别，指纹拼接，相位相关，伪极坐标快速 傅立叶变换 f l 浙江工业人学硕上学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c h0 ff i n g e i 冲r i n tm o s a i c k i n ga l g o r i t h m b a s e d0 np h a s ec o r r e l a t i o n a b s t r a c t b i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o n r e f e r st o i d e n t i f y i n g a ni n d i v i d u a lb a s e do nh e r p h y s i o l o g i c a lo rb e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c si n s t e a do f k n o w l e d g e b a s e da n dt o k e n b a s e d t e c h n i q u e s i t i sam o r er e l i a b l ea n dc a p a b l em e t h o db e c a u s et h ep h y s i o l o g i c a l o r b e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c sa r eu n i q u et oe v e r yp e r s o n f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nh a s b e c o m eo r eo ft h em o s tp o p u l a r ，m o r ef e a s i b l ea n dm o r er e l i a b l et e c h n i q u e st or e a l i z e p e r s o n a l i d e n t i f i c a t i o n w i t ht h ee s s e n t i a lc h a r a c t e ro f f i n g e r p r i n t ：u n i q u e n e s s ， p e r m a n e n c e a n dh i g hp e r f o r m a n c e e s p e c i a l l y , t h es t a t e - s o l i d s e n s o rw h i c hc a nb e e m b e d d e di n t oo t h e rd e v i c e se a s i l yl e a d s t ot h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fa u t o m a t i c 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 a l t h o u g han u m b e r o f s y s t e m sa n dp r o d u c t sb a s e df i n g e r p r i n th a sb e e nd e v e l o p e d b yt h el o n g t e r mr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e ，t h e r e i ss t i l ls o m el i m i t st oc a t e rf o rc e r t a i na p p l i c a t i o n e m b e d d i n gi sd e m a n d i n gas m a l l e r s i z eo f f i n g e r p r i n ts e n s o r ；t h ea r e ao f s e n s o rm u s tb es m a l l e ri no r d e rt oc u to f ft h ep r i c e t ow i nt h ed r a m a t i cm a r k e t i n g c o m p e t e n c e f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni sf a c i n gas e r i o u s c h a l l e n g el a c k i n go f e f f e c t i v ei nf i n g e r p r i n ti m a g ed u et ot h es m a l l e ra r e ao f s e n s o ei n t h e p a p e r ，a f a s t f i n g e r p r i n tm o s a i c k i n ga l g o r i t h m b a s e do np h a s ec o r r e l a t i o n i s p r o p o s e df o c u s i n go ne n l a r g i n gt h ea f e ao ff i n g e r p r i n ti m a g ea n di n c r e a s i n ge f f e c t i v e i n f o r m a t i o no ff i n g e r p r i n ti m a g e i tn o to n l yr e a l i z e st h e m o s a i c k i n go ff i n g e r p r i n t i m a g e ，b u ta l s oi m p l e m e n t s t h em o s a i c k i n g o f f i n g e r p r i n ts e q u e n c ei m a g ea c c u r a t e ly t h et h e s i si so r g a n i z e da sf o l l o w s ： c h a p t e r o n ei n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n dc u r r e n ts i t u a t i o no fb i o m e t r i ca n dt h em a i n i l l 浙江1 。业人学顺1 学位论文 a b s 丌 a c t b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e s a n dt h es t a t u so ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na n d f i n g e r p r i n tm o s a i c k i n gi s s u m m a r i z e d t h e nt h eo b j e c ta n dc o n t e n to fo u rr e s e a r c ha r e g e n e r a l i z e d c h a p t e r t w oa n a t o m i e st h e p r i n c i p l e o fa u t o m a t i c f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ( a f i s ) a c c o r d i n gt o t h ef l o wo fa f i sp r o c e s s i n g ，t h ep r o p o s e dm e t h o d sa n d t e c h n i q u e si nf i n g e r p r i n tc a p t u r i n g ，r e p r e s e n t a t i o ni nc o m p u t e r ，f e a t u r ee x t r a c t i o na n d f i n g e r p r i n tm a t c h a r ei n t r o d u c e dr e s p e c t i v e l y c h a p t e rt h r e ec l a s s i f i e st h ed e f i n i t i o n ，p r i n c i p l e ，a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo f d i v e r s i f i e da p p r o a c h e so fi m a g er e g i s t r a t i o n ，w h i c hi so n eo ft h em o s tc r i t i c a ls t e p si n i m a g em o s a i c k i n g p h a s e c o r r e l a t i o n d e p l o y e d i nt h et h e s i si sd e s c r i b e di n d e t a i l c o n c e r n i n g t h ec h a r a c t e r i s t i c s a n d r e q u i r e s o f f i n g e r p r i n ti m a g e a n d f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m c h a p t e r f o u rp r e s e n t st h e m o s a i c k i n ga l g o r i t h mo ff i n g e r p r i n ts e q u e n c ei m a g e b a s e do n p h a s ec o r r e l a t i o n t h es e q u e n c ei m a g e c a l lb es u b p i x e lm o s a i c k e du n d e rt h e r e s e a r c ho f p e a kv a l u eo f p h a s ec o r r e l a t i o n c h a p t e r f i v ep r e s e n t st h em o s a i c k i n g a l g o r i t h mo ff i n g e r p r i n ti m a g e t h ei m p r o v e d f i n g e r p r i n tp r o c e s s i n gm e t h o d ，p s e u d o - p o l a rf a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma r ei n t r o d u c e dt o i m p l e m e n t t h em o s a i c k i n go f f i n g e r p r i n ti m a g e w i t hr o t a t i o na n dt r a n s l a t i o n c h a p t e rs i xr e p o r t st h er e s u l t so fe x p e r i m e n t a la n dd i s c u s s e st h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo f o u ra l g o r i t h m c h a p t e rs e v e nc o n t a i n sas u m m a r y o fo u rr e s e a r c h ，d i s c u s s e st h el i m i t a t i o no f o u r c u r r e n t a l g o r i t h m ，g i v e s t h ef u t u r ew o r kt o i m p r o v ei t ，a n de x p e c t st h e t r e n do f f i n g e r p r i n tm o s a i c k i n g b o t hf i n g e r p r i n ti m a g ea n d f i n g e r p r i n ts e q u e n c ei m a g e k e y w o r d s ：b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n ，f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，p h 觞ec o r r e l a t i o n ，p s e u d o - p o l a rf a s t f o u r i e rt r a n s f o f m 浙江工业大学 学位论文原创性声明 y 7 4 9 6 9 0 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业 大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者繇研 砂 嘞腓细沙日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密吖 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名： 导师签名： 驴 日甄驴文卑( 日书e 1 日期沙势歹月形日 浙江1 = 业人学硕士学位论文笫一章绪论 第一章绪论 摘要 本章首先介绍了生物特征识别的概念和不同技术，指纹识别的现状和发展趋势， 指纹图像拼接的概念和现状，奠：指出目前存在的问题。在此基础上，提出了本论文的研究忍 路、研究的主要内容以及创新点。最后，给出了论文的主要章恬结构，总结了本课题研究的 意义。 芙键词：生物识别指纹识别，指纹拼接，研究现状 1 1 引言 个人身份识别指的是将特定的个人与其身份联系在一起。它在社会生活中扮演 着越来越重要的角色。它主要解决下面之类的问题：“这人就是他所申明的那个 吗? ”，“这个申请者以前是否已经有记录? ”，“是否应该让他进入我们的系统? ”，“是 甭这个员工有这个权性处理这件事情? ”等等。这些问题每天都会在成千上万的金 融服务、电子贸易、通信、政府部门被不断的提出。随着经济和社会的发展以及 信息技术的迅速推广，整个社会门益电子化、信息化。结果就是高准确率的自动 个人身份识别系统在人们的生活中显得越来越重要【l 】f 2 】【3 1 1 4 1 5 】【6 】【7 1 。 传统地，被广泛使用的自动个人身份识别的方法有两种主要的类型【4 】【5 】【6 】：( 1 ) 基于标记的识别方法；( 2 ) 基于知识的识别方法。基于标记的方法是指拥有特定的 标志来获得个人身份。例如护照，驾驶执照，身份证，信用卡。钥匙等。而基于 知识的方法是指通过密码或个人认证数字( p i n ) 。这些传统的个人识别方法主要有 以下优点：( 1 ) 简单，( 2 ) 成本较低，( 3 ) 易将他们融合到不同的系统。然而这些传统 的个人识别方法因为没有基于任何个人特征来确定个人身份，所以在采用这些方 法时会遇到许多不利因索：如护照、身份证等容易丢失、被盗、误放；p i n 可能被 忘记或者被猜中。而且，所有这些方法不能区分授权人和冒名顶替者。因此，传 统的个人识别方法不能满足社会日益高度信息化的需要。 1 2 生物特征识别 生物特征识别本质上就是模式识别，它通过特定个人的生理或行为特征来获得 认证手段【i 】【2 j 【3 j 卯。生物识别是指通过人的生理特征或行为特征来作为认证手段。 因为它本质上内在的，所以比基于知识和基于标志的方法更可靠、更有效，并且 浙江t 业人学硕士学位论文笫一章绪论 容易区分授权者和冒名顶替者。因为，个人的生理或者行为特征对于每个人来说 都是唯一的。生物识别为未来电子相连的信息社会安全提供了可靠的解决方案， 将成为未来主要的自动个人身份识别方法。 任何个人的生理或者行为特征能够作为生物识别技术应当具备以下几点要求： ( 1 ) 普遍性，指的是每个人应当具有该特征；( 2 ) 永久性，指的是该特征不可改变； f 3 ) 采集性，指的是该特征能够定量的获取。在实际中，满足上述三个条件的生物 特征或许不适合应用的安全系统要求。在实际基于生物识别技术的安全系统中 应当考虑些其他因素：( 1 ) 可操作性，指的是获得识别的准确性、速度、抗干扰 性；( 2 ) 接受性，指的是人们在f 1 常生活中愿意接受某一特征识别的程度。 目前被广泛使用或者正在研究的生物识别技术主要有九种，包括：指纹、人 脸、手形、手静脉、虹膜、视网膜、笔迹、声音以及脸部热成像。指纹、人脸、 手形、手静脉、虹膜、视网膜，属于生理上的生物特征。笔迹和声音则属于行为 生物特征。它们各自的优缺点的比较见表1 。下面对常见的指纹、人脸、手形、虹 膜、笔迹和声音做一个简单的介绍。 ( 1 ) 指纹 指纹是手指头表露的纹线样式。它是由于新陈代谢引起的蜕皮造成的死细胞累 积形成的1 8 1 。指纹的样式早在幼儿阶段定形【5 】【9 】【1 2 】 1 3 】。人们通过对于指纹和指 纹识别大量的研究，它的生物属性已经很好的被了解。人们早在几个世纪以前就 把指纹用于个人身份的识别而且可靠的指纹识别系统也已经被建立。事实上，由 于指纹在个人身份识别中的普遍应用以至于它几乎都成了生物识别的代名词【3 1 。指 纹技术的一个主要问题就是普通用户对于它的接受性，因为它直就是在犯罪调 查和警察部门应用。当它被用于民用系统中的时候，人们可能会感觉到不舒服。 另外一个问题就是自动指纹识别系统需要占用相当数量的计算资源。 ( 2 ) 人脸 人脸可能是人们在个人身份识别中用到最多的生物特征之一。人脸识剐是个 非常活跃的研究领域，包括了从静态、背景的识别，到在一个杂乱的动态、无控 制的背景下的识别【l4 1 。对于自动身份识别系统中，人脸识别主要是指静念的、有 控制的全脸识别i l ”。所谓静态是指人脸识别系统中用的人脸图像是静态的灰度图 像；所谓有控制的识别是指背景的类型，光照，获取设备的分辨率以及人脸和获 取设备之l l i j 的距离在图像采集的过程中间是不变的。很明显，在这样系统中，分 浙江t 业人学坝。【学位论文 第一章绪论 割相对来说会比较简单。理论上，它可以成为最友好，最容易被接受的用于身份 识别的生物识别特征【5 】【15 】【1 6 】。在过去的2 5 年，人们对于人脸识别做了大量的研究 1 4 1 1 7 1 s j 。7 0 年代早期人脸识别主要是基于它的可以测量的属性：比如，眼睛， 眉毛鼻子，嘴唇等。由于它缺少计算资源和可靠的特征提取算法，人们在8 0 年代提出了大量的新的人脸识别技术，包括主要部件分析 1 6 】，线性特点分析， 奇异值解析【2 0 】。局部特征点分析1 5 1 ，以及不同的基于神经网络的技术。 ( 3 ) 手形 手形的不同主要包括手掌的形状，手指的长度和宽度等，而这些不同则可以作 为生物特征。在全球，已经有超过4 0 0 0 0 多个地方安装了基于手形的生物识别系 统，包括哥伦比亚司法部，洛杉矾国际机场叫鄂。基于手形的生物识别系统通常不 会受操作环境因素的限制。而且，对于它人们也显得容易接受。但是这个技术有 一个主要的缺点，它在一个较大的数据库中很难取得高的识别准确率。而且，手 形并不是一个永久的生物特征。 ( 4 ) 虹膜 人类虹膜的纹理形状决定于早期的胚胎发育的环境5 】【2 ”。每个人的虹膜都是不 同的，而且它在人的生命周期内绝对不会发生变化。虹膜和外面的环境是隔离的 而且不能通过外科手术进行修改【2 “。所有的这些特征使得虹膜是最为安全的生物 特征之一，它可以很好的拒绝冒名顶替者。这个技术相对比较简单但在自动身份 识别中非常有效。目前，在市场上只有少数的几个基于虹膜扫描的生物识别系统。 虹膜识别的主要问题是它还仍然没有作为一种证明了的技术被人们接受。虹膜采 集的时候需要投射一束光线到虹膜。这会使人们显得很不舒服，因为人们都会很 小心的保护自己的眼睛。另外一个限制就是采集仪需要放在离眼睛一定距离的地 方来获取视觉纹理信息进行虹膜匹配。最后，虹膜扫描仪的价格相当的昂贵。 ( 5 ) 笔迹 每个人都有独特的笔迹【5 i 2 2 1 。基于笔迹的识别方法主要有两种：静态和动念。 静态的笔迹认证系统仅仅只考虑了笔迹的几何特征。动态的笔迹认证系统考虑的 除了几何特征之后还有动态的特征( 加速度，速度，笔迹的切线轮廓) 。笔迹的一个 优点就是冒名顶替者不可能从一个笔迹中获得这个笔迹的动态信息。但是，因为 大量的无机可循的笔迹变化使得静态和动态的基于笔迹的识别系统都很难达到 一个很高的识别准确率。 浙江t 业人学删l 。学位论文第一章绪论 f 6 1 声音 人类声音的特征是由声带，嘴巴，鼻腔和其他人体内的声音处理机制决定的， 对于每个人它是唯一的1 5 】【2 3 1 。声音识别可能是一个依靠内容的识别或者是一个独立 于内容的识别。依靠内容的识别是通过首先定义说话的内容来认证个人身份。独 ：立于内容的声音识别则根据个人声音的特点来识别身份，它比前者会困难很多。 目i j ，市场上已经有很多基于声音的生物识别系统，包括t - n e t i x 公司的s p e a k e z ， d o m a i n d y n a m i c 公司的t e s p a r ，i n t e r n a t i o n a le l e c r o n i c 的v o i c e k e y 。它的主要问题 是声音的唯一陆不能保证在大人群的库中正确的识别。声音对于大量的因素很敏 感，比如背景噪声、感情、说话者的生理状态。 识别类型普遍性唯一性永久性采集性操作性接受性抗干扰性 指纹 由 高高 由 高中高 人脸高低中高低高低 手形 由 中中高 由 中中 手静脉 由 中中 由由由 高 虹膜高高高 d 高低高 视网膜高 高 由 低高低高 笔迹低低低高低高低 声音 中 低低 中低高低 脸部热成像高高低高 由 高高 表1 1 生物识别技术的比较m 1 1 。3 指纹识别的现状和发展趋势 考古证实，公元前7 0 0 0 年到6 0 0 0 年以前，古叙利亚和中国，指纹作为身份 识别已经丌始使用。那时候，有些陶器印上指纹用来标识陶器是出谁制造的。中 国古时的有些文献也使用印有大拇指指纹的粘土来标识文献的作者。在杰瑞克( 远 古时巴勒斯坦的个偏僻都市) 有些房子的砖头上就印有砖匠的拇指指纹。然而， 尽管有些地方使用了指纹，但并没有证据表明指纹在这些社会中得到了广泛的、 浙江丁业人学坝l 学位论文第一章绪论 基础性的应用。 现代的指纹识别技术始于1 9 世纪末期。1 8 8 0 ，h e n r yf a u l d 首先发现了至今仍 然沿用的指纹的两个重要特征：任何两个不同手指的指纹纹脊的样式不同；指纹 纹脊的式样在人的一生中不会改变。这一发现奠定了现代指纹识别技术的理论基 础。这一研究使得指纹在罪犯鉴定中得到应用，如阿根廷( 1 8 9 6 年) ，苏格兰( 1 9 0 1 年) ，其他国家在2 0 世纪初也有类似案例发现。1 8 8 8 年，f r a n c i sg a l t o n 在对指纹 作了大量研究以后，提出了利用指纹中的细节点进行分类的方法。1 8 8 9 年，e d w a r d h e n r y 建立了著名的“h e n r y 系统”用于指纹分类 3 3 】。其后，指纹识别被接受为法 律上有效的身份认证方法，一些指纹识别机构建立了世界范围的犯罪指纹档案。 2 0 世界6 0 年代f b i 开始使用指纹自动识别系统：7 0 年代，美国政府委派 s c a n d i al a b s 调查各种生物识别技术，结论是指纹识别技术是最具有潜力和准确率 最高的识别技术，这项调查使得大批研究和开发工作集中到指纹识别算法和系统 集成上来：8 0 年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹 采集的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替i c 卡；9 0 年代后前，电容传感器等低价位取像设备的引入和飞速发展，更使指纹识 别系统得体积和价格得到大幅度减低，但同时对可靠的比对算法提出了新的挑战 和要求。例如固态传感器的低成本要求，使得传感器的晶片面积下降( 因为它的面 积与成本成正比) 。如果能够保证小面积的指纹识别，那么就意味着降低了成本。 本论文就是基于这样的考虑展开的。 对于指纹识别人们通常有一个普遍的误解，因为虽然指纹早在个世纪以前 就被用作身份识别，而且，指纹识别技术也不断的被研究，但是它还是一个没有 被完全解决的难题。指纹识别竞赛f v c 2 0 0 4 。”的结果表明：当指纹库中含有低质量 的指纹图像时，即使是最新的识别技术也没有取得很高的准确率，它的据真率还 高达2 。主要有以下几个问题。”。： ( 1 ) 指纹模式的表示 指纹的唯一性表现为脊线结构和脊线上特殊的地方，也就是特征点。如上文 所述，现在的多数指纹识别技术都是仅仅基于特征点而忽略了脊线的结构，指纹 特征点的表述就是：坐标，类型，方向以及所在的脊线。虽然不同的指纹模式， 比如对指纹图像进行编码”，考虑了特征点和局部的脊线结构，但它忽略了脊线 结构的整体特征。 浙江t 业大学硕卜学位论文 第一章绪论 如何准确有效的表示和认识指纹模式，如何在指纹模式中包含所有指纹图像 唯一性的信息，是指纹识别技术发展所必须解决的一个问题 ( 2 ) 高质量指纹图像的获取 如何有效获取高质量的指纹图像是将来指纹识别技术发展所要面对的一个挑 战。从捺印指纹图像，到温度，压力采集仪，到高精度的光学指纹采集仪采集到 的指纹图像，指纹图像的质量己经取得了很大的进步。但是污损，油腻采集仪 一t 的残余指纹，不正确的采集所带来的指纹图像质量下降还没有得到解决。 指纹图像增强，指纹质量判断虽然可以提高图像的质量，但是牺牲了识别的 时间以及增加了指纹录入时不成功的可能性。 ( 3 ) 重复指纹模式的获取 如果能够保证匹配指纹图像有一个和模板指纹图像完全一样的指纹模式的 话，指纹识别的据真率和误认率都不会是问题。但是，因为匹配图像是随机采集 的，采集时不同的环境，不同的压力，手指不同的湿度，相对于采集仪不同的位 置，使得和模板图像之间存在着平移、旋转、以及一定的非线性形变。为了增强 匹配图像和模板图像之间的重复性，指纹拼接。”、模板图像库的更新“、非线性 形变的校正3 都用来提高匹配指纹模式和模板指纹模式的重复性，但是它们都只 能在一定程度上增加匹配图像和模板图像的重叠区域、相似性。 重复指纹模式的获取，将成为指纹识别技术研究和发展的另外一个主要课 题。 1 4 指纹拼接的概念和现状 随着固态指纹采集芯片的日益成熟，基于指纹的识别系统已经在入们生活的不 同领域中被广泛的应用。同时，人们也发现，由于嵌入式的需要，越来越小的固 态采集芯片使得能够从采集到的部分指纹图像中提取到的信息也就越来越少，这 直接影响到最后识别的效果。而且，模板图像和匹配图像之间相对较小的重叠区 域意味着对应特征点数量的下降，导致更高的误认率和拒真率。于是拼接这个概 念就被引入到指纹图像中来，像全景拼图、医学图像的配准一样通过对同一个 指纹的多个样本图像进行配准、拼接生成组合图像来提高模板图像的信息来弥补 采集芯片面积的不足。 6 浙江t 业人学硕l 学位论文 第一章绪论 a k j a i 等人在2 0 0 2 年提出了通过从指纹中提取到的特征点进行初步匹配， 然后采用改进的i c p ( i t e r a t i v ec l o s e s tp o i n t ) 算法”3 来计算定义了两幅图像 之间的空问位置关系的变换矩阵。“： 假设两幅3 d 图像r r o 之间存在着一个刚性的t 变换 c 0 s 口c o s f l s i n a c o s f l s i n 口 o c o s a s i n f l s i n y s i n a c o s 7 s i n a s i n f l s i n y + c o s a c o s ) _ , c o s f l s i n y 0 c o s a s i n f l c o s y + s i n c t s i n y s i n a s i n f l c o s - c d s a s i n y c o s f l c o s r 0 那么配准的目的就是找到目标函数的最小值： d ( r ，) = l k f ( p ) l if ：r p 。i v p g p , 厂( p ) r 0 ( 卜2 ) p e | b 因此，针对指纹图像构建了如下的一个3 d 的模型：通过特征点的匹配”，求 得指纹图像r ，和中的n 对的对应点( p i ，毋) ， p ，= ( & ，p h ，p ，p b ) ( 1 3 ) q ，= ( 吼，钆，戤，q 4 )只6 r p ，q ，i 2 1 n ( 卜4 ) 为了保证目标函数能够收敛于全局的最小值，目标函数也相应得修改( 卜5 ) 。利用 对于每次变换的反馈，通过迭代达到全局的最小值。 ( 饰，) = 印( r + p i ，研) ( 1 5 ) f 。t 以是其中一幅图像的特征点到另外一幅图像特征点切平面s j 的距离。因为一开始 就有一个近似的变换矩阵，所以一般来说都可以保证( 1 - 5 ) 式的收敛。 它的试验数据表明通过对于同一指纹的多个样本的拼接可以有效的增大指纹 面积，提高特征点的数量。生成的组合图像作为模板图像，整个系统匹配的效果 平均大概可以提高4 ( 图卜1 ) 。 最近，滑动采集仪的出现，使得指纹拼按又多了一个意义。就是通过对于指纹 图像序列的拼接生成一个完整的指纹图像，从而有效的降低采集芯片的面积。它 通过手指在采集仪上的滑动，然后以一个高于滑动速度的频率采集图像序列，通 过每个序列图像中的重叠区域生成或者根据滑动的速度和方向把它们拼接成一个 完整的指纹图像( 图卜2 ) 。 7 浙江1 业人学帧i ，学位论文 第一章绪论 ( a ) 图卜1 ( b ) ( c )( d ) a k j a i n 等人提出的指纹拼接的效果图：( a ) 、( b ) 为分割屙的指纹 图；( c ) 为拼接生成的组合图像 ( d ) 为从组合图像中提取到的特征点”7 ( a ) ( b ) 图卜2 ( a ) f p c i 0 3 1 b 滑动指纹采集芯片；( b ) 通过滑动指纹 采集仪采集到的指纹序列 1 5 本论文研究内容及意义 1 51 研究内容 基于上面对指纹识别、图像配准和指纹拼接的论述，本文从指纹图像本身的特 点出发，考虑到指纹特征点对于指纹识别的影响以及指纹识别系统对于时间的要 求，提出了一种基于相位相关的快速指纹拼接算法。它可以以亚像素( s u b p i x e l ) 的精度完成指纹序列的拼接，实现滑动指纹采集；同时基于伪极坐标快速傅立叶 变换( p s e u d op o l a rf a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) ，可以以较低的复杂度( o ( n 2l o g n ) ) 实现由固态采集仪采集的同一手指的多个指纹样本图像的拼接，增加指纹图像区 域、提高有效特征点数量，从而提高识别效果。本课题研究的主要内容如下： ( 1 ) 指纹图像预处理的改进，包括基于局部属性的归一化和基于局部方向场置 信度的指纹分割，使得通过固态采集仪采集的同一手指的多个样本图像的拼接变 浙江工业人学硕”i ：学位论文 第一章绪论 得更加健壮、更加准确。并且通过大量的实验数据来验证指纹图像预处理中用到 的改进算法的鲁棒性。 ( 2 ) 基于相位相关完成指纹序列的拼接，根据相位相关的特点把拼接的精 度提高到亚素级； ( 3 ) 以伪极坐标快速傅立叶变换为基础，讨论并实现了由固态指纹采集仪 采集到的同一手指的两个样本图像( 可能含有旋转和平移) 的拼接。 ( 4 ) 分析了基于相位相关的指纹序列图像拼接的复杂度、精度；同时，也对基 于伪极坐标快速傅立叶变换的，同一个手指的多个样本图像拼接的复杂度、精度 进行了分析，而且通过大量的实验来验证通过拼接生成的组合图像对于指纹识别 系统的影响。 1 5 ，2 研究意义 本文研究了指纹图像预处理中的关键环节，并对它们做了相应的改进；而且， 基于相位相关实现了滑动采集的指纹序列图像拼接和固态采集仪采集的样本图像 的拼接。 ( 1 ) 对于指纹图像预处理的改进不仅可以用于其他的指纹识别系统中，提高特 征提取的准确性：同时，可以为同一手指的多个样本图像的拼接提供高质量的指 纹图像，提高拼接算法的精度、降低复杂度。 ( 2 ) 对于指纹序列图像的拼接，亚像素的精度和较低的时间复杂度，使得滑动 指纹采集仪在实际的嵌入式系统中有一个更好的应用。 ( 3 ) 通过对于同一手指的多个样本图像的拼接生成组合图像。并且把它作为模 板图像，可以增加它与配准指纹图像的对应特征点的数量，提高识别的准确性。 解决由于采集芯片面积的减小而带来的采集到的指纹图像的信息减少，同时增加 了匹配图像之间的重叠区域。而且它不需要任何的先验知识、较低的复杂度，解 决了指纹图像拼接在实际系统应用中的时间问题。 1 ，6 本章小结 指纹识别作为最早的生物识别，经过1 0 0 多年的发展已经在日常的生活中广泛 的应用。但是，对于它的研究从来没有停止过。本文首先阐述了指纹拼接的概念、 9 浙江工业大学硕士学位论文第一章绪论 意义，然后介绍了目前提出的指纹拼接算法，同时指出了目前指纹识别和指纹拼 接技术中存在的问题。在此基础上，给出了本论文研究的主要内容和意义。 1 0 浙江丁业大学硕士学位论文 笫二章自动指纹识别系统原理 第二章自动指纹识别系统原理 摘要 本章按照自动指纹识别系统处理的流程，分别对指纹采集，指纹表示，特征提取 指纹匹配中目前已经提出的算法和技术做了一个简单的综述。 关键词：指纹采集指纹表示特征提取指纹匹配 2 1 引言 人们早在几个世纪以前，就开始使用指纹作为个人身份的鉴定o = 1 “3 。虽然指 纹识别具有悠久的历史，但在2 0 世纪6 0 年代以前，指纹识别是由职业专家完成， 由于指纹结构的复杂性及对指纹识别要求的严格性，使得人工指纹识别难度大、 识别准确性受专家经验制约。而且在遇到需要处理大量指纹的工作的时候，这就 变的非常困难和耗时。不过，最近的几十年间，随着计算机技术的飞速发展，低 价位指纹采集仪的出现以及高可靠算法的实现，以及和指纹配套的产品的成熟， 比如常见的：指纹鼠标，指纹锁，指纹考勤仪等等，使得指纹识别技术越来越多 的进入到人们的日常生活当中。而自动指纹识别系统的开发和完善，也很好解决 了那些大型的指纹数据库所带来的费时以及准确率低的问题，进一步推动了指纹 识别的发展。指纹识别系统也逐渐应用到门禁、企业管理、安全认证等许多领域， 它的研究和开发正在成为国内外学术界和商业界的热点。 生物识别是目前最为方便与安全的识别技术，而指纹识别相对于其他生物技 术，比如虹膜人脸，手形等有许多独到之处、具有很高的实用性和可行性。因 此，指纹识别成为最流行、最方便、最可靠的身份认证方式。已经在社会生活的 诸多方面得到广泛应用。而随着“九一”事件后，美国已经开始在各个飞机 场和港口中开始应用指纹识别系统，要求每个外国的旅客留下指纹”“。可以预见 人们对安全措施的普遍重视和更高要求。指纹识别技术的开发与应用将会掀起一 个新的高潮。 本章简单的介绍了自动指纹识别系统的原理( 图2 一1 ) 。2 2 节介绍了指纹采集 的技术和方法；指纹在计算机中表示的不同方法会在2 3 节中说明；对于指纹特 征提取的不同方法和技术会在2 4 节中详细阐述；2 5 节会对指纹匹配的原理和不 同匹配方法对匹配结果的评价进行介绍。 浙江t 业大学硕j ：学位论文笫一：章自动指纹识别系统原理 2 2 指纹采集 圈2 - 1 自动指纹识别系统框架图雠1 指纹采集根据指纹图像获取过程的不同可以分为在线和离线两种方式”。撩 印指纹图像就是离线采集到的指纹图像的一种( 图2 - 2 ( a ) ) ，它首先让手指蘸上墨 水或印油，然后在自纸上按压，于是在纸上可以得到手指的指纹图像，最后纸上 的图像可以通过光学扫描仪或者摄像头来摄取转成数字指纹图像。这种方法作为 传统标准的指纹获取方式存在了l o o 多年。但是，这种方法获取过程的笨拙、缓慢 以及采集到的指纹图像存在着比较严重的形变，都决定了它在实用的识别系统中 不会被采用。在公安部门中经常还会看到一种称作为潜在的指纹图像，它也是 种离线采集到的指纹图像。手指问断性的和身体其他部位或者其他物体接触之后， 由于脊线上的毛孔不停的排汗，会在手指的表面形成一层水或者油的薄层。它在 和其他物体( 比如杯子) 接触之后就会在被接触到的物体上留下指纹图像( 图 2 2 ( b ) ) 。 活体采集指纹图像( 图2 2 ( c ) ) 就是那些没有通过在白纸上获得指纹图像这个 中问步骤，而是直接从手指上获取的指纹图像。现在，已经出现了很多种基于不 同采集原理的指纹采集仪，它们都可以直接从手指上获取指纹图像：基于光的全 放射原理的光学采集仪( 图2 3 ) “”。“”1 ，它是用激光照在手指上，然后用c c d 阵列 浙江t 业大学硕士学位论文 第二章自动指纹识别系统原理 摄取其反射光，由于反射光强度随着指纹的脊和谷的深度不同而不同，从而得到 指纹i 虱像：基于超声波反射原理的超声波采集仪( 图2 4 ) ”“，它像光学扫描的 激光，用超声波扫描指纹的表面，接收设备获取其反射量，测量它的范围，得到 脊线的深度：利用传感技术获取指纹图像的采集仪( 比如温度，压力) ”“”“，它 们用大量敏感元件组成的固态阵列芯片，采用电容传感、热敏传感或其他传感技 术，通过感受按压指纹的压力、温度等特征来摄取指纹。指纹识别系统在商业上 的成功主要归功于便宜的活体采集芯片以及采集芯片紧凑的体积。而且采集芯片 的体积要求会越来越小，因为这样子它可以更加方便的嵌入到其他的设备中去( 比 如手机，手提电脑等) ，最近出现的滑动采集芯片的体积已经可以减小到 9 7 5 m m * o 8 lr n n l 。 ( a )( b )( c ) 图2 - 2 不同指纹图像的比较：( a ) 捺印指纹图像( b ) 潜在指 纹闰像( c ) 活体采集指纹圈像1 3 7 l 图2 - 3 光学全反射原理图 浙江丁业人学颀1 学位论文 i i ；一章自动指纹识别系统原理 2 3 指纹表示 图2 - 4 超声波反射原理图【4 指纹是一个由脊