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郑州大学硕士学位论文：自动指纹识剐系统的研究 摘要 作为生物特征识别的代表，近年来自动指纹识别引起了学术界和企业界的高 度关注。自动指纹识别系统由指纹采集、指纹增强、特征提取、指纹匹配、指纹 分类等几个主要部分组成。 为了实现可靠的自动指纹识别系统，人们已经对自动指纹识别技术进行了系 统的研究，但是仍然存在很多可以更加深入研究的内容。本文针对自动指纹识别 技术中的一些关键的问题进行了深入的研究，在总结、归纳、试验比较和吸取了 国内外学者关于指纹自动识别领域研究成果的基础上，提出了一整套指纹自动识 别的方法；它涵盖了指纹识别的所有过程，包括指纹采集子系统、指纹预处理、 细节提取、指纹匹配。特别是在细化算法中，针对o p t a 算法的缺点，提出了新 算法，改善了细化质量，取得了良好的效果。根据以上研究成果为基础，本文还 设计实现了基于指纹特征匹配的i c 卡考试身份验证管理系统。同时文章还分析 了目前研究工作中需要进一步完善的地方，指出了今后工作的研究方向。 关键词：指纹；预处理；匹配；考试；身份验证 塑型查竺堡主堂堡丝奎! 皇垫塑塾望型墨竺塑竺壅 a b s t r a c t a so n ek i n do fk e yb i o m e t r i c st e c h n o l o g y ，a c a d e m i aa n dc o r p o r a t i o nh a v e f o c u s e do nt h er e s e a r c ho na u t o m a t e df 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 o l o g yi nr e c e n t y e a r s a f i sc o m p r i s e sf i n g e r p r i n ts c a n n i n g , m i n u t i a ee x t r a c t i o n ，f i n g e r p r i n tm a t c h i n g a n df i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o n i no r d e rt or e a l i z ear e l i a b l ea f i s ，t h et e c h n o l o g yo f 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 e nr e s e a r c h e ds y s t e m i c a l l yi nr e c e n ty e a r s b u tt h e r et i t l es t i l ll o t so fr e s e a r c h c o n t e n t sw h i c hc a nb es t u d i e dd e e p l yi na f i sr e s e a r c ha r e a t h ep a p e rs t u d yd e e p l y s e v e r a lk e yi s s u e si nf 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 o l o g y t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h el a t e s ts t u d yr e s u l ti nf i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o nm e t h o d s a n dt e c h n o l o g i e s ，r e a l i z e sl o t so fa l g o r i t h m s ，a n dc o m p a r e se f f e c t so fd i f f e r e n t a l g o r i t h m s ，a f t e rt h a tp r o p o s e saw h o l es e to ff i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o ns o l u t i o n ， i n c l u d i n gi m a g ec a p t u r e ，f i n g e r p r i n tp r e p r o c e s s i n ga n dm a t c h i n gi nar e g u l a ra f i s e s p e c i a l l yi nt h et h i n n i n ga l g o r i t h m ，o p t a sd i s a d v a n t a g ei sf o u n d a n dt h e n ，an e w a l g o r i t h mi sp u tf o r w a r dt og e tg o o de f f e c t o nt h ef o u n d a t i o no f r e s e a r c hp r o d u c t i o n ， t h ep a p e rg i v e sad e s i g na n di m p l e m e n to fa ne x a m i n e ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e mb y i n t e l l i g e n tc a r d sb a s e do nf i n g e r p r i n tc h a r a c t e rv e r i f i c a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e r a n a l y z e st h ei m p r o v e m e n t sn e e d e dt ob ed o n ei nt h i ss t u d ya n dg i v et h ed i r e c t i o n so f 向t u r ew o r d k e yw o r d ：f i n g e r p r i n t ；p r e p m c e s s i n g ；m a t c h ；e x a m i n a t i o n ；i d e n t i t yr e c o g n i t i o n i i ! 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签名) 在 己象 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 1 1 研究背景 第一章绪论 随着经济的发展，世界一体化的加深，各国人员交流的频繁，政府、公司等 部门出于安全或者管理的目的，如何及时、准确和有效地验证每个社会成员的身 份，以保障人们的合法权益和各种社会活动的合法性和有效性，及时打击与遏制 各种违法犯罪活动，维护国家安全和社会稳定，成为亟待解决的问题。 同时，以信息化、数字化、网络化为特点的社会发展对国家以及社会生活的 安全性提出了全新的要求，在这种环境下，传统的安全技术呈现出无法解决的重 大缺陷。传统的自动身份识别方式主要有基于密码的方式和基于令牌的方式。如 现行的许多计算机系统中包括许多非常机密的系统，都是使用“用户i d + 密 码”的方法来进行用户的身份认证和访问控制的。这些方式具有容易遗忘、窑易 丢失、容易破译或仿制等缺点。如考勤机，它的使用方便了企业进行职工的考勤 管理，但使领导头疼的是经常有人弄虚作假，代别人打卡。 特别是9 1 1 以后，全球性的反恐活动对如何保证区域安全方面提出了严重挑 战，传统物理安防技术无法满足提高安全性的等级要求。网络技术的发展，对涉 及国家安全的信息安全领域提出了严重挑战，传统以密码学为基础的保护体系无 法防范各种层出不穷的信息窃取技术。网络经济带来的电子商务中，也使国家的 经济安全面临严重挑战。传统密码技术无法保证电子商务安全。个人移动终端的 发展，使未来社会的各种经济、政治、商务活动必然以个人移动通信终端为核心， 如何对个人身份进行精确认证成为必须要解决的国家重大基础技术问题。为克服 传统身份识别方法的缺点，人们提出了生物识别方式。全球各国纷纷将生物特征 认证技术作为关系国家安全的重大基础技术加以扶持、推广。 生物识别是指根据人所拥有的生理或行为特征来进行身份识别。生理特征是 人身体上某一部分的属性，而行为特征是指人器官的习惯运动所产生的结果。生 物识别依赖于人体的固有属性，不存在遗忘、丢失问题，且生物特征具有难一性， 因此生物识别理论在理论上可以实现很高的安全性。主要的生物识别技术有人脸 识别、指纹识别、手型识别、虹膜识别、视网膜识别、声音识别、签名识别等等。 相比较而言，指纹识别具有准确性高、速度快、采集指纹方便、对指纹特性的认 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 识较充分、获得法律认可、容易被人们接收、市场分额大等优点，因此，指纹识 别的研究和应用是当前生物识别领域的热点问题。 尽管指纹识别的研究和开发已经取得重要进展，也获得了不少的应用，但是 指纹识别的应用在目前并没有获得普及，这主要是因为指纹识别在识别准确性和 识别速度方面还远远不能满足很多实际应用的要求。造成指纹识别性能很难提高 的主要原因是：( 1 ) 缺少高性能的指纹采集设备。( 2 ) 缺少有效的指纹图像增强 方法。( 3 ) 缺少可靠的指纹特征提取方法。( 4 ) 缺少高效、准确的指纹细节匹配 方法。( 5 ) 缺少合理的指纹分类策略和准确的分类方法。 鉴于指纹识别的广阔应用前景和目前所面临的问题，本文对指纹识别算法进 行深入研究，具体包括指纹增强算法、指纹细节点提取与验证算法、指纹细节点 匹配算法。同时在自动指纹识别的应用系统上也进行了探索。 1 。2 生物识别系统的要求 所谓生物识别，就是利用人体的生理特征或行为动作来认证人的身份【”。但 并不是所有人体特征或动作都能用于身份识别，而是只有满足了下列条件1 2 】的， 才能用于验证人的身份。 ( 1 ) 普遍性，即是否人入都具有该特征； ( 2 ) 唯一性，即每个人都应与其他人不一样； ( 3 ) 稳定性，即特征或行为应在一个相当长的时间内保持不变，经常变化 的特征是无法保证识别系统的鲁棒性的； ( 4 ) 可采集性，即是否可以方便地获取并量化这些特征或行为。 在实际的生物识别系统中，还应考虑以下问题：( 1 ) 可行性，指的是可以达到 的准确率、速度、鲁棒性、达到期望的速度和准确率对资源的要求以及操作、环 境等因素对速度和准确率的影响等。( 2 ) 可接受性，即人们是否愿意接收这一方 式。( 3 ) 防伪性能。一个实用的生物识别系统应当能够：( 1 ) 在对资源要求并不 苛刻的情况下可以满足速度和准确率的要求。( 2 ) 对人没有危害而且容易为入们 所接受。( 3 ) 良好的防伪性能。 从本质上而言，生物识别系统就是一个通过验证人的生理特征或行为动作来 识别人的身份的模式识别系统。一般生物识别系统的结构如图1 所示。 - 2 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 从逻辑上讲，这种系统可以分为两个模块【3 】：( 1 ) 登记( 或称登录) 模块； ( 2 ) 辨识模块。登记模块将生物特征信息登录到生物识别系统样本数据库种。 在登记模块中，个体的生物特征样本首先经相应设备录入、数字化，进而经提取 特征信息，这种特征信息被称为特征模板。根据需要，特征模板被保存在数据库 或磁卡，智能卡中。辨识模块负责解决待识特征信息和特征模板信息是否匹配的 问题。在辨识模块中，相应设备录入待识生物特征、进行数字化，经提取待识生 物特征中的有用信息，由模式匹配将这一信息与预先存储的特征模板进行比对， 做出是否匹配的判断。 圈1 生物识别系统的结构如图 1 3 主要生物识别技术介绍及比较 目前，广泛使用或研究较深的生物识别技术有：人脸识别、指纹识别、掌形 识别、手部血管识别、虹膜识别、视网膜图形识别、面部热象图识别、人耳识别、 签名识别和声纹识别。其中人脸、指纹、掌形、手部血管、虹膜、面部热象图、 人耳和视网膜图形属于生理特征，而签名和声纹属于行为动作。这些生物识别技 术都有其自己的优点和缺点。我们在表l 中对这些技术做了一个简单的对比。 需要指出的是，目前被世界各国司法机关认可的只有指纹和签名识别，这两 种技术经过多年的研究与应用，已经日趋成熟，并被广泛接受。 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 表1 主要生物识别技术对比表 1 4 指纹识别的科学性 现代指纹科学起源于十七世纪后期一l 。18 9 2 年f r a n c i sg a l t o n 在对指纹进行 了更深入的研究之后，著书立说，首创指纹科学。从此，指纹的管理和应用正式 走向科学化的道路，并被越来越多的国家和政府所重视并采纳。 指纹识别科学性的两个基石是【5 】：稳定性和唯一性。其中稳定性已经得到了 现代医学和解剖学的证明，而对于指纹的唯一性，因目前还得不到严谨有效的证 明，已成为指纹识别的科学性被攻击的核心。但从实践来看，目前世界各国警方 已经搜集了数以千万计的指纹样本，从中我们还没有发现两枚完全一样的指纹。 并且从1 9 世纪末以来，很多科学家用统计数学的方法研究出现两枚一样指纹的 概率，尽管模型不同，但其结果都表明，两枚不同手指的指纹完全匹配的可能性 非常之小。 综上所述，我们认为：尽管指纹鉴定存在一定的误差，但作为一门经长期实 践验证的科学技术，其可靠性是无法否认的。 1 5 国内外的研究概况 国外很多国家都有公司或专门机构在从事自动指纹识剐技术的研究，美国在 这一领域的研究水平居于世界前沿。美国的i n d e n t i x 、e a s ts h o r e 、d i g i t a l p e r s o n a 等公司都有自动指纹识别产品面市。i b m 公司已经把生物识别技术作为了该公 郑州大学硕士学位论文；自动指纹识别系统的研究 司的一个重要发展领域，并有产品推出。亚洲在这一领域研究水平最高的国家是 朝鲜，其鸭绿江公司的指纹产品在国际上享有一定的声誉。 国内从事自动指纹识别技术研究和产品销售的公司很多。但大部分是从事国 外产品代理业务的公司，而主要从事自主研究开发的公司，数目较少。而在国内 研究机构中科院、南京大学、重庆大学的技术发展代表了我国在这领域的水平， 且都有相应的指纹识别系统产品推出。 与国外相比，我国在自动指纹识别技术上的研究水平还存在一定的差距。主 要表现在：( 1 ) 指纹录入设备的质量还不太过关：( 2 ) 自动指纹识别的算法研究 水平还有待提高。 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 第二章自动指纹识别系统 2 1 自动指纹识别的研究内容 自指纹识别开始正式成为身份识别的方法并被法律部门用作身份鉴定的依 据后，世界各国纷纷建立指纹识别机构和罪犯指纹档案。但随着指纹识别技术在 法律部门的广泛应用和指纹数据库的逐步膨胀，用指纹专家人工进行指纹识别的 方式越来越行不通了。为解决该矛盾，在信息技术的飞速发展的时代背景下，国 外发达国家相继投巨资开展自动指纹识别系统研究，并获得了成功应用。 从总体上来看，自动指纹识别的研究内容可以分为，识别算法的研究和应用 系统的研究两大类。识别算法的研究主要围绕两个目的：如何提高识别的准确性 和识别的速度，主要研究内容包括指纹图像增强、指纹特征提取、指纹特征匹配 以及指纹分类。应用系统研究的目的是构建经济实用、抗攻击性强、与各种应用 无缝集成的指纹识别系统，如基于指纹的计算机登录系统、基于指纹的文件加密 系统等等。应用系统研究需要解决指纹图像压缩、指纹特征加密存储及传输等问 题。 2 。2 系统工作模式 识别系统可以有两种工作模式：验证和辨识。验证的目的是确认用户声称的 身份与其真实身份一致。它通过把现场采集到的特征与一个已经登记的模板进行 “一对一的比对( o n e - t o - o n em a t c h i n g ) ”，来确定身份的过程。作为验证的前提 条件，他或她的特征必须在模板数据库中已经注册，以一定的压缩格式存储，并 与其姓名或其标识( i d ，p i n ) 联系起来。随后在比对现场，先验证其标识，然 后，利用系统的模板与现场采集的特征比对来证明其标识是合法的。验证其实是 回答了这样一个问题：“他是这个人吗? ”。这是应用系统中使用得较多的方法。 辨识则是一个识别出用户的真实身份问题。通过把现场采集到的特征同数据 库中的模板逐一对比，从中找出与现场采集到的特征相匹配的模板。这也叫“一 对多 配( o n e - t o - m a n ym a t c h i n g ) ”。辨识其实是回答了这样一个问题：“他是 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 谁? ”。辨识主要应用于刑事侦察等传统领域。例如可以通过将一个不明身份的 人的指纹与数据库中有犯罪记录的人的指纹进行比对，来确定此人是否曾经有过 犯罪记录。 验证和辨识在比对算法和系统设计上各具技术特点。例如：验证系统对结果 的准确性和系统的易用性比较看重；而在辨识系统中，焘询速度相对比较重要， 一般要使用到分类技术。 如图2 为基于指纹的生物识别系统的两种工作模式。 ( a ) 身份验证过程示意图 ( b ) 身份识别过程示意图 图2 身份验证和身份识别过程的示意图 2 3 系统性能的评价方法 在衡量识别系统的性能的时候，通。4 。 il 常有两个指标：拒真率( frr ) 和误真 |l 率( far ) 。拒真率是指把正确的匹配嗍 i r 。c 曲缓 当成错误的而拒绝；误真率是指把原5 | 本不匹配的当成正确的而接纳。如果 | 、， 系统的f r r 较大，就会造成用户多次。中 7 ， t 薯 输入而无法确认其身份，使用户感到 翻3 拒真率( frr ) 和误真率( far ) 关系曲线 不便，进而对该系统产生不信任和厌 恶感。而若系统的f a r 较大，就会使不法之徒趁虚而入，对合法的用户造成损 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 失。造成拒真和误真的原因是，系统的输出不可能象基于信物或口令的系统那样， 给出一个绝对正确与否的答案，而是一个有一定置信度的结果，是一个模式识别 系统。模式识别系统的特性决定了，拒真率和误真率是互成反比的，一个参数的 减少必然会导致另外一个参数的增加。我们只能根据用途的不同，调整系统的参 数，使其满足于不同目的的需求。 对于一个识别系统，我们可以用r o c ( r e c e i v e ro p e r a t i n gc u r v e ) 曲线来描述 系统的精度属性。曲线上的每一点，都对应了一定安全阈值下系统的f r r 和 f a r 。图3 给出了r o c 曲线的一个实例。另外，系统的匹配速度也是系统性能 的一个重要指标。特别是对于工作于辨识模式下的系统，由于做“一对多”的匹 配，速度就显得格外重要。 2 4 系统的处理流程 自动指纹识别要解决的问题就是由计算机决定两幅指纹图像是否是来自于 同一个手指。在自动指纹识别系统中，是利用脊线末梢与脊线分叉点这两种关键 点作为特征来进行指纹识别的。 一个典型的自动指纹识别系统的处理流程如图4 所示。 图4a f i s 系统处理流程 a f i s 其中各部分功能如下：( 1 ) 图像预处理：这部分的主要作用就是在保证 指纹图像拓扑结构和细节点位置不变的情况下对指纹图像进行一系列滤波操作， 使特征点明显表现出来，便于后面的细节点提取。( 2 ) 细节点提取：在上一步的 基础上找出指纹图像中的脊线末( 梢点) 和脊线分叉点作为特征点记录下来，作为 下一步的匹配特征，这里需要对图像做二值化、细化等操作。( 3 ) 指纹匹配：用 上面的方法分别从两幅图像中得到两组指纹细节点，对这两组细节点进行匹配， 返回一个匹配分数，从这个分数就可以判断这两幅指纹是否来自同一个手指。一 个典型的指纹识别系统构成如图5 所示。 8 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 圈5 自动指纹识别系统框图 2 5 设计的原则及需要注意的问题 结果 我们在进行一个具体的指纹识别应用系统的设计时可以从两个级别上来考 虑：系统级设计和算法级设计。下面我们就从这两方面展开有关设计的原则及需 要注意的问题进行讨论。 2 5 1 系统设计的原则 系统级设计是用来确定我们整个自动识别系统的一个设计原则闯题。它更侧 重于工作模式、组成模块、结构原型和算法流程等问题。 随着在经济生活中身份验证需求的增加，自动指纹识别系统的应用范围也越 来越广泛。然而一个具体的自动指纹识别应用系统是同具体的业务应用紧密相联 的，在进行系统设计前，我们必须对要对具体的应用环境进行细致调查，从而确 定应用系统的设计目标和功能，这是自动指纹识别系统能够得以广泛利用的灵魂 所在。 具体表现在：应用系统的业务分析，确定自动指纹识别系统的工作模式：确 定各个模块的系统的接口，以便于同现有的安全系统的集成；进行安全可靠行分 析，以确定该种工作模式能否满足安全需求；指纹数据库的设计，使之能同具体 的业务领域结合起来；对用户界面进行设计；确定系统的实现方式：嵌入式，远 程。 系统设计的难点在于： ( i ) 性能：是指系统的实时性、精确度、质量要求，以及其他的时间限制， 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 资源利用，特别是硬件配置限制等。 ( 2 ) 可靠性：按照系统实际运行的环境提出要求，确保系统运行后不发生 故障，避免因运行事故带来的损失。 ( 3 ) 安全保密要求：系统工作在不同环境，其对安全保密的要求显然是不 同的。 ( 4 ) 运行限制：是指系统的使用频度，运行期限，控制方式( 本地或远程) 等。 ( 5 ) 物理限制：根据系统工作的具体环境，要合理的设计系统的规模等限 制。 ( 7 ) 指纹的采集是进行指纹自动化识别的第一步，通过该过程实现指纹图 像由模拟到数字的转换。该步骤要求尽可能的获取指纹的全部信息，确保指纹信 息的完整性。采集到的指纹质量对自动化指纹识别系统而言是至关重要的。系统 要求在皮肤干燥、潮湿、爆皮等情况下都能采集到质量良好的图像。 根据以上原则可以设计一个验证模式下的模块时序图： 图6 验证模式下的模块时序图 2 5 2 算法的研究与选择 最好的算法并不一定是最合适的算法。在一个具体应用系统中，我们必须根 据实际情况，选择合适的算法。在算法的选择时，我们主要考虑以下几方面的算 法： j 0 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 指纹预处理为了消除由于皱皮、皮肤干燥、弹性形变、脏迹等多种因素造 成的指纹图像富含的噪音，使图像经过我们处理后，成为一幅清晰的点线图，便 于正确地提取指纹特征，我们需要采取适当步骤方法来解决这个问题，或者说是 选择适当的预处理算法；否则如果我们直接从这些图像中提取细节点会带来很多 问题，如伪细节的产生、真实细节的忽略、脊和谷的位置和方向错误等，这样严 重影响了指纹识别的精度。它的难点在于：由于受皮肤表面的性质、采集条件、 采集设备等各种不同因素的影响，采集所得到的图像是一幅含有较多噪声的灰度 图，必须经过预处理，除去大量的噪声信号，得到一幅纹线清晰的点线图，才能 进行指纹特征的提取和匹配。设计一个能对付各种图像坏损的指纹增强算法是对 整个识别系统很必要的。 指纹细节特征提取指纹识别的基本原理是基于指纹细节特征的，如何准确高 效的提取验证指纹特征是指纹细节特征提取要开展的工作，或者说是采取什么样 的步骤和方法，是后面指纹匹配工作的基础。指纹细节特征提取的难点在于：在 实际应用中，有相当一部分要处理的指纹图像质量是比较差的。要想使设计的细 节特征提取算法能够对低质量指纹图像也能可靠工作的话，目前看来还是一件难 度很大的事情。 指纹匹配指纹匹配算法是指采用什么样的方法步骤，来确定两幅指纹图像 来源自同一手指的工作。这是我们自动指纹识别系统的最终目的。它的难点在于： 指纹匹配算法的性能主要决定于所提取到的特征点的数目、位置和相关系统的可 靠性。要想设计一个对较多真正特征点缺失、较多伪特征点出现和较大形变均不 敏感的指纹匹配算法，也是一件十分困难的事情。现有的指纹匹配方法的实际性 能还无法真正达到实际应用的要求。指纹匹配一直是自动指纹识别技术中的一个 研究热点，但目前的指纹匹配算法仍然无法兼顾匹配速度和准确率两个方面。 指纹分类为了便于对指纹进行快速检索，需要对指纹进行恰当的分类。在 对指纹如何分类，分类时采用什么样的方法原理步骤，是指纹分类算法研究的主 要内容。它的难点在于：尽管现有的文献介绍了一些指纹分类方法，而且部分方 法已经开始尝试应用于实际的自动指纹识别系统，但无论对自动指纹识别系统还 是对指纹专家而言，指纹分类仍然是一个令人头疼的问题。问题的解决，很大程 度有赖于新的指纹分类方法的提出，从而引发自动分类研究的革新。 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 指纹图像的压缩为降低指纹数据的存储量，采取必要的方法步骤，确保指 纹细节信息不遗失，指纹纹理不变形的前提下，减小指纹图像数据量是指纹图像 压缩要从事的工作。它的难点在于：指纹图像的压缩不仅能够降低数据的存储量， 而且要能够最大程度地保留指纹的细节特征信息。 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识系统的研究 第三章指纹图像预处理 3 。1 预处理过程概述 由于受皮肤表面的性质、采集条件、采集设备等各种不同因素的影响，采集 所得到的图像是一幅含有较多噪声的灰度图，必须经过预处理，除去大量的噪声 信号，得到一幅纹线清晰的点线图，才能进行指纹特征的提取和匹配。 为达到上述预处理目的，采取了以下处理过程，如图7 。指纹原图像在经过 了分割、二值化、滤波、细化处理后，得到了一个细化的指纹图像。 图7 指纹预处理流程 分割由于指纹采集方式的多样化，采集的指纹质量有很大差异：同时采集 到的指纹图像通常有很大背景区域，这些背景区域未包含有任何有用的指纹信 息，如果不剔除这些未包含有指纹信息的图像区域，必然在进行预处理的时候造 成不必要的大量数据处理时间，降低处理效率。为解决该问题，在指纹预处理的 过程中，通常有指纹图像分割的处理步骤。通过指纹图像分割后，不仅能提高特 征提取的精确度，而且还能大大减少指纹预处理的时间，因此是指纹图像处理中 的重要组成部分。 所以，我们又可以这样说，指纹图像的分割是指：在一副指纹图像中，将指 纹区域与背景区域分离开来达到以下目的：( 1 ) 节约图像预处理、特征提取等后 继的处理时间，提高效率；( 2 ) 可以减少在背景区提取到虚假的特征信息，提高 识别率。 滤波在指纹采集过程中，不可避免的会引入各种噪声，这些噪声的存在会 对指纹特征信息的提取造成一定的影响，严重时甚至可能造成提取出错误的信 息。因此在提取指纹特征之前，需要对指纹图像进行滤波处理，以尽量去除无用 信息，强化有用信息。 滤波的方式总体上可以分为空域滤波与频域滤波两种。它们各有自己的特 点。在空域中的算法代表为基于方向场估计的图像滤波算法。对于一般的指纹图 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 像，该方法都能很好的发挥作用。在现有的自动指纹识别系统中采用该方法的最 多。然而有些指纹图像并不适合于在空域里进行增强，例如背景噪声为规则线条 的指纹图像，这种图像若在空域里进行增强就很难把这些规则线条去掉，但若把 图像转换到频域上，规则线条噪声表现为幅值谱上的几个亮点，进而采用频域滤 波的方法，则可以有效的达到去除噪声的目的。 二值化二值化的目的是把灰度指纹图像变成o 一1 取值的二值图。 图像的二值化是应用最广泛的图像处理技术，在自动目标识别、图像分析、 文本增强以及o c r 等图像处理中得到广泛的应用。在识别中为了减少信息量， 通常要对目标图像，进行二值化处理。指纹识别也一样，虽然指纹原始图像是灰 度的，但是指纹识别只对前景波峰和背景感兴趣，所以通常将指纹图像进行二值 化。无论质量好的还是质量差的图像，二值化后都会产生信息丢失。如采用一般 的二值化方法，对于质量好的图像可能会发生特征点退化并出现一些伪特征，给 识别带来很大的困难，而对于质量差的图像则可能会产生太面积的纹线丢失，从 而无法识别。所以，二值化的结果直接影响着图像识别的效果。 对指纹图像进行二值化处理，一方面对图像信息进行了压缩，保留了纹线的 主要信息，节约了存储空间，便于计算机存储和处理；另一方面还可以去除大量 的粘连，为指纹特征的提取和匹配做准备。 细化在指纹图像二值化后，纹线仍然具有一定的宽度，而指纹识别只对纹 线的走向感兴趣，不关心它的粗细。在以后提取指纹特征点时，需要对纹线端点 和分叉点进行模板匹配，如果没有经过细化的匹配还是有一定的困难。而细化后 可以得到一个象素宽度的纹线，这样可以简化并改善后续的指纹特征提取工作。 为了进一步压缩数据，提高指纹识别准确性，也需要对指纹进行细化处理。 细化的目的是将二值图像变化为单象索的骨架图像。一种好的细化算法应该 满足下列条件【6 】： ( 1 ) 收敛性：迭代必须是收敛的； ( 2 ) 连接性：不破坏纹线的连接性； ( 3 ) 拓扑性：不引起纹线的逐步吞食，保持原图像的基本结构特性； ( 4 ) 保持性：保护指纹的细节特征； ( 5 ) 细化性：骨架纹线的宽度为1 个像素，即单像素宽： 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 ( 6 ) 中轴性：骨架尽可能接近条纹中心线； ( 7 ) 快速性：算法简单，速度快。 3 2 基于方向图的分割箅法描述 3 2 1 算法思想 现有的指纹图像分割方法可以分成两类 7 】：( 1 ) 块水平的分割。采用基于块 水平的分割方法，算法简单，分割速度快；但获得的边界为折线形装，分割不精 确；分割后的图形，边缘处伪特征点多。( 2 ) 象素级的分割。采用象素水平的分 割方法，可获得精确到像素的精确边界；分割后，图像边缘处伪特征点少；但目 前已有的算法很少。 总体上讲，现有指纹图像分割方法性能不够理想，需进一步研究。解决问题 的关键在于，首先应该搞清楚指纹图像中的前景和背景点在空间中的分布，才有 可能建立合适的分割模型，达到良好的分割效果。 一个针对指纹图像特点的良好的图像分割算法，在对指纹图像进行分割后， 结果应当满足以下几条口】： 应能够检测到指纹图像中的污迹和噪声污染区域； 对图像的灰度和对比度变化应具有鲁棒性： 分割结果应对增强后的指纹图像同样适用； 对不同质景的指纹图像，分割的效果应具有连续性。 考虑到算法的成熟度，我们采用了块水平级的分割方法。在块水平级的分割 方法上，已有学者进行了研究，但方法多集中在方差法f 9 上。方差法的依据是： 在指纹图像的背景区域方差值较小，而在前景区域方差值较大；所以该方法用了 一个全局性的适合整个图像的阈值来分割图像，当某块的方差值大于该闷值时， 表明该块为前景区域。然而，这种方法对那些对比度强的图像非常有效，但对那 些对比度较低的图像则效果较差。因此，该方法用于指纹图像分割时，在非指纹 区域效果较好，但对指纹区域内的前景( 脊线) 背景( 谷线) 无法识别，不能体 现出指纹脊线及其方向。而且该方法对噪声比较敏感，抗干扰力差。针对方差法 在指纹区域内分割效果差，本文我们采用了基于方向图的指纹图像分割算法口。 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 该方法充分利用了指纹的方向信息进行分割，如果这一区域的方向直方图中存在 峰值，则表明该区域为前景区域。因为前景中脊线和谷线有着相同的方向，使得 方向直方图在这一方向上会产生峰值；而背景区域中各个方向出现的概率几乎相 等，因而其方向图中无峰值出现，由此可判断该块是前景还是背景。 3 2 2 算法描述 详细过程如下： ( 1 ) 计算指纹图像的每个象素点的点方向，得到指纹图像的方向图； ( 2 ) 将方向圈划分为w w 的子块，计算每一块的方向直方图； ( 3 ) 按下列标准对指纹图像进行分割： a 如果方向直方图峰值超过某一阀值t 2 ，则该域被定为前景： b 如果方向直方图中峰值差值( 最大值与最小值之差) 小于某一阀值 t 3 ，则该域被定为背景，相应的块域被分离，并在以后的处理中不再考 虑： c 如果方向方差( 对所有方向的直方图值的平方和) 大于某一阀值t 4 则该域被定为前景。 其中步骤1 计算每个象素点的点方向，具体操作过程如下： ( 1 ) 将0 0 一1 8 0 0 之间划分八个基本方 向，如图8 所示。 ( 2 ) 按照八个方向分别求出象素点的灰 7 度变化值。我们采取这种方法： s 。= 帅，_ ，) 一f c ( i , ，j t ) i 4 ) jl j 赳匕 其中d 表示某一个方向，d 的值在0 ，l 7 之 间。6 ( i k ，j k ) 表示方向d 上的第k 个点的灰度值。比如：对于0 方向，在点( i ， j ) 的左右各取两个邻点( i - - 2 ，j ) ，( i - - 1 ，j ) ，( i + 1 ，j ) ，( i + 2 ，j ) ，则这时的 灰度变化值为这四个点与点( i ，j ) 的灰度差值的绝对值之和，即： s 。= i f ( i ，) 一f ( i - 2 ，x + i ，( f ，) 一，o 一1 ，_ ，) i + i ，( f ，j ) 一f ( i + l ，h + | ，( f ，j ) 一厂a + 2 ，j 计算时，我们对点( i ，j ) 分别取的d = o ，l ，7 ，共八个方向，计算每个方 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 向的s d 。 ( 3 ) 点方向为灰度变化最小的方向。也即s d 最小的方向d 。 3 2 3 试验结果与讨论 指纹图像的分割试验结果如图9 ，其中( a ) 为指纹原图像，( b ) 为采用方差法 的试验结果，( c ) 为方向图法的试验结果。从试验结果可以看出，方差法对非指 纹区域的分割效果较好，但对指纹区域内的前景，分割效果较差。方向图法在非 指纹区也能取得满意的效果，对指纹区域也能取得不错的效果。 ( c ) 图9 指纹图像分割试验结果图 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 3 3 基于指纹脊方向的滤波 3 3 1 算法思想 当前的指纹滤波方法主要利用指纹纹线的纹理特性，包括方向连续性、间距 相等性等等。局部指纹纹线具有近似固定的方向和频率，其傅立叶频谱图中指纹 纹线信号和噪声信号所对应的频谱具有很好的可分性，且纹线信号对应的频谱的 位置和方向与指纹纹线的频率和方向有关，因此利用具有方向和频率选择特性的 带通滤波器可以实现很好的指纹增强效果。在这一原理基础上提出了很多方法， 这些方法的区别主要在于：( i ) 所使用的带通滤波器不同，有的用g a u s s 滤波器， 有的用g a b o r 滤波器【1 l 】【1 2 1 等等。( 2 ) 滤波处理的实现方法不同，有的在空间 域通过卷积实现，有的在傅立叶频谱空间进行。( 3 ) 采用不同的求方向图方法【1 4 】， 以及使用不同分辨率的方向图。有的求出每个象素点处的方向，有的求局部区域 内的主导方向；有的将方向量化为少数几个均匀分布的方向，有的采用连续方向 值。( 4 ) 采用不同的增强策略。有的对每个象素点使用不同参数的滤波器进行逐 点滤波，有的先用若干固定特性的滤波器对整幅图像进行滤波，然后根据象索点 的特性从不同滤波后图像中选择该象素点增强后的值。这类方法的主要缺点在于 如果指纹方向和频率估计错误，那么根据错误的方向和频率所调节的带通滤波器 将改变纹线的结构，产生错误的增强效果。对于质量较差的指纹图像，很难可靠 的计算出纹线方向图和频率，为此，这类方法在计算方向图和频率上投入很大精 力。 3 3 2 算法描述 本文我们采用了基于指纹脊方向的滤波“”“”，该方法详细过程如下： ( 1 ) 计算点方向 该步骤同指纹图像分割步骤中的点方向计算。 ( 2 ) 计算块方向 对于某一个点来讲，由于受到各种噪声的影响，可能会产生较大的随机误 差，然而，对于某一个具体的指纹图像来讲。某一个小区域的方向总是近似 一致的，因此，用块方向来代替某一点的方向是一个可行的方法，并且可以 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 l i ( 3 ) 根据块方向设计，每个象素点的滤波模板 z = l1 5 5 8 8 5 5 11 t ，为方向是0 。的滤波器模扳，对于方向角度为巾的象素，需要先将t ， 按下式旋转角度后，再与图像象素进行卷积运算： _ 妥珊瑚 式中的( m ，n ) 是旋转前模板t ，中的元素的坐标，( m ，n ) 是旋转后 模板t ，中的元素的坐标。 用上式对t ，旋转后的坐标进行计算，需要1 0 0 次三角函数运算和i 0 0 次 浮点乘法运算。由于每个象素都需要计算一次，因此总的计算量非常可观。 为了减少计算量，提高运行速度，考虑到模板t ，自身的特点，这里采用一种 类似查表的方法，可以大大减少计算量，而且无需三角函数运算。根据模板 t ，自身的特点和数字离散化的因素，模板t ，中的任一行向量旋转后只能是 - 1 9 1 5 8 5 1 1 5 8 5 1 l 5 8 5 1 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 以下八个方向中的一种： 1o o lo o lo o lo o l0 0 o0 0 0 0 o lll oo o o o o 0 o o 1 o 0 o10o 0 o1o o ool00 o10 00 o 0 0 o 0 l0o o0 0lll0 o0 0o1 o o o o o 0 o 0 o1 0 0 o1o o 010 o olo 0o 10o0 o l0 o 0 o oloo o o 01o o o 00 10 o o o ol 0 0 001 0 o o1o 01ll0 loo 0 o 00 0 0 0 o10 o o oo 1o o o olo 0 o 0 l o o o o o10 根据象素的方向角中确定应用哪个模板。确定象素方向角巾对应的模板 后，将t ，转到与该模板一致的位置，然后再与对应位置的图像象素作卷积运 算，实现脊向滤波这样只需一次查表。 ( 4 ) 进行卷积运算进行 滤波时，根据每一个像素的方向值，选用相应的滤波器模板进行滤波( 卷 积运算) 22 ，( 墨y ) = f ( x + i ，y + j ) g 。( f ，) 扭一2 j = - 2 其中，g 。( i ，j ) 为相应的滤波器模板的系数 3 3 3 试验结果与讨论 实验结果如图l l ，( a ) 为原图，c o ) y 口采用传统的滤波方法中值法滤波后的结 果，( c ) 为本文采用的基于指纹脊方向的滤波结果。从实验结果我们可以看出， 经过滤波后，( c ) 指纹原图像中的大量噪声已经不存在了，同时保持了指纹原图 像的概貌，而( b ) 图像虽去除了一些噪声，但效果不是十分明显。 - 2 0 o o o o o o o ，o o 0 0 0 o o o o 1 o o 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 图i i 滤波试验结果图 3 4 基于动态阈值的二僵化 3 4 1 算法思想 图像的二值化可以根据下面的阀值来处理：假设一幅灰度图的像素值为 f ( i ，j ) ( r l ，r2 ，r 。) ，设有一阀值为t ， f 。为图像的灰度值， l i m ，则： 邦州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 、 1 f ( i ，- ，) t ，j 2 1 0f ( i ，) r 通常用二值图中的1 来表示目标子图，用0 来表示背景子图。二值化的关键 在于阀值t 的选取。而t 的取值方法又取决于二值化的技术。根据t 的选取角度 不同，阀值可以分为两类【1 7 】：全局阀值和局部阀值。全局阀值是对整个图像采 用一个阀值进行划分，例如非零像素置1 化、固定阀值二值化、判断分析二值化、 基于灰度直方图的阀值法等。局部阀值法是将图像分成一些子块，对于每一块选 定一个阀值，如动态阀值法。现有的自动指纹识别系统中多采取全局阈值和局部 阈值相结合的办法。 全局闽值法是指对整个图像采用一个阈值与每一个点的灰度值进行比较，从 而得到所要的二值化。常见的方法有：非零象素置1 二值化法、固定闽值二值化 法、判断分析法二值化法、基于灰度差直方图的阈值法等。对于图像灰度差异大 的图像该法是可行的。但由于指纹图像是一副带有很强纹理的图像，即使同一副 指纹图像，不同部位其明暗分布可能是不同的。因此，在对指纹图像进行二值化 的过程中，如果仅仅采用全局阈值法是不合适的。 本文采用的动态阈值算法思想为：将图像分为若干个nx1 1 方块，对任 一块计算平均灰度值，将方块中的每个像素的灰度值与平均灰度进行比较；若大 于平均灰度值，则将该像素点的灰度值置为l 反之则置为0 。通过这个过程，我 们就实现了根据局部指纹状况来设定阙值；与固定阈值法相比，动态阈值法通过 图像的局部灰度自动选择合适的阈值，避免了因为阈值的固定造成的对指纹图像 明暗变化的不敏感；只要选择合适的分块大小，能取得最佳的二值化效果。 3 4 2 算法描述 ( 1 ) 将图像分割成n xn 个等大小的子块。子块的大小根据不同试验环境采集 的指纹图像的不同而调整。 ( 2 ) 计算每个子块的灰度平均值，将其存入一个二维阈值数组中。 ( 3 ) 使用3 3 的平均模板对整个阐值数组进行一次滤波。 f 4 1 为了防止背景子区由于阈值过低而引入噪声，设定一全局阈值同二维阈 值数组中的数据进行比较，若低于全局阂值，则数据改为全局闽值。 郑州大学硕士学位论文：自动指纹识别系统的研究 ( 5 ) 将每一个象素点同与其相对应的二维阀值数组中的阈值相比较，当大于 阈值时，象素值置l ，否则为0 。 3 4 3 修饰处理算法描述 在研究二值化后的图像，我们可以发现，在指纹纹线上存在着或多或少、大 小不一的空洞，并且纹线边缘并不光滑，有不少的缺口和突出。如果直接对其进 行细化，则这些缺口和突出会使细化的纹线变得参次不齐，并出现一些短小的分 叉，即毛刺；同时，处于纹线上的空洞，在保持连通性的细化处理过程中将被扩 大，形成一些圆圈和网状线。在特征提取时