（信号与信息处理专业论文）指纹自动识别系统中细节点提取算法的研究与实现.pdf

摘要 在目前通讯发达的社会中，人们在许多方面都面临着个人身份识别的问题。 基于个人的生理或者行为特征的生物识别技术，作为一种可靠的身份识别方法， 应用在社会生活的各个领域。由于人们的生物特征很难被遗忘、分享或者替代， 生物识别技术在鉴定身份以及检测基于身份的犯罪或失误方面得到了越来越广 泛的应用。在所有的生物识别技术中，指纹识别技术受到了最多的关注。不仅 由于指纹识别技术的历史悠久，更主要的原因是人们可以把指纹识别技术应用 在司法审讯以及普通的生活中，例如罪犯识别、门禁和a t m 识别卡方面。大 致来说，所有的指纹自动识别系统都可以分为两个部分：指纹细节点的提取和 指纹细节点的匹配。 本文提出了一种指纹细节点的直接检测算法。算法主要利用了指纹图像中 脊线和谷线的次度变化。首先对指纹图像进行预处理，消除噪声区域和指纹背 景区域对算法的影响，然后计算了指纹图像中各块的方向，并根据指纹图像的 方向信息对指纹图像进行分类。同时，结合指纹图像的灰度变化和各块的方向， 提出了指纹脊线的追踪算法，可以直接从灰度图像中获得指纹的脊线信息。最 后，为了防止出现虚假的指纹细节点，使用了一系列的指纹后期处理方法。实 验证明，本文的算法是有效的而且具有很好的鲁棒性。 关键词：指纹识别，细节点提取，指纹分割，指纹分类 a b s t r a c t t h ep r o b l e mo fr e s o l v i n gt h ei d e n t i t yo fap e r s o ni sc r i t i c a li nav a r i e t yo f a p p l i c a t i o n si no u re l e c t r o n i c a l l yi n t e r c o n n e c t e ds o c i e t y b i o m e t r i c s ，a sar e l i a b l e a p p r o a c ht op o s i t i v ei d e n t i f i c a t i o n ，i sb a s e do ni d e n t i l y i n gt h ep e r s o n sp h y s i c a lo r b e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c s s i n c et h eb i o g r a p h i c a lc h a r a c t e r i s t i c sc a n n o tb ee a s i l y f o r g o t t e n ，s h a r e do rm i s p l a c e d ，b i o m e t r i c si si n c r e a s i n gd e p l o y e di na u t h e n t i c a t i n g t h ei d e n t i f i c a t i o na n dd e t e c t i n gt h ei d e n t i t yc r i m eo rf r a u d a m o n ga l lt h eb i o m e t r i c t e c h n i q u e s ，f i n g e r p r i n t b a s e d a u t h e n t i c a t i o n s y s t e m s h a v er e c e i v e dt h em o s t a t t e n t i o nb e c a u s eo ft h el o n gh i s t o r yo ff i n g e r p r i n t sa n dt h e i re x t e n s i v eu s ei n f o r e n s i c sa n dc i v i la p p l i c a t i o n s ，s u c ha sc r i m i n a li d e n t i f i c a t i o n ，a c c e s sc o n t r o la n d a t mc a r dv e r i f i c a t i o n t h o u g hr a t h e rd i f f e r e n tf r o me a c ho t h e r ，a l m o s ta l l 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 s ( a f i s ) o p e r a t ei nt w os t a g e s ：m i n u t i a e e x t r a c t i o na n dm i n u t i a em a t c h i n g i nt h i st h e s i s ，an o v e lf i n g e r p r i n tm i n u t i a e e x t r a c t i o na l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oe x t r a c tt h em i n u t i a ef r o mg r a y s c a l ef i n g e r p r i n t i m a g e sd i r e c t l y f i r s t l y ，ab r i e fo v e r v i e wi sp r e s e n t e dt ob i o m e t r i c sa n db i o m e t r i c t e c h n o l o g i e s w em a i n l yf o c u so nt h ei n t r o d u c t i o no ff i n g e r p r i n t st e c h n i q u e s ， i n c l u d i n gt h eh i s t o r yo ff i n g e r p r i n t sa n d i t sa p p l i c a t i o ni nt h ea u t h e n t i c a t i o ns y s t e m s t h e n ，t h ef i n g e r p r i n tm i n u t i a ea l g o r i t h mi sd e s c r i b e di nd e t a i l an e wf m g e r p r i n t s e g m e n t a t i o nm e t h o di s u s e di nt h ef i n g e r p r i n t p r e - p r o c e s s i n g ，w h i l e an e w f i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o nm e t h o di sa p p l i e dt oc l a s s i f yt h ef i n g e r p r i n t s b a s e do nt h e d i r e c t i o n a li n f o r m a t i o n ，t h er i d g e l i n e si nf i n g e r p r i n t sc a l lb e f o l l o w e dt og e ta s k e l e t o nf i n g e r p r i n ti m a g e a f t e rap o s t - p r o c e s s i n gp r o c e d u r er e m o v i n gt h ef a l s e m i n u t i a es t r u c t u r e s ，i tw i l lb ef a c i l et od e t e c tt h et r u em i n u t i a ef r o mt h es k e l e t o n f i n g e r p r i n ti m a g e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t sc a l lp r o v et h ee f f i c i e n c ya n dr o b u s t n e s so f o u ra l g o r i t h m k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n t s i d e n t i f i c a t i o n ， m i n u t i a e e x t r a c t i o n ， f i n g e r p r i n t s e g m e n t a t i o n ，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 l v 独创性声明 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。据我所知，除了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，也不包含为获得电子科技大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 、z， 签名： 亚答毳日期：y 。? 年y 月沪日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位 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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 垫：盏导师签名： 日期： l 护日 c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1f i n g e r p r i n ta sab i o m e t r i c t h ep r o b l e mo fr e s o l v i n gt h ei d e n t i t yo fap e r s o nc a nb ec a t e g o r i z e di n t ot w o f u n d a m e n t a l l yd i s t i n c tt y p e so fp r o b l e m sw i t hd i f f e r e n ti n h e r e n tc o m p l e x i t i e s ：( i ) v e r i f i c a t i o na n d ( i i ) r e c o g n i t i o n v e r i f i c a t i o n ( a u t h e n t i c a t i o n ) r e f e r st ot h ep r o b l e m o fc o n f i r m i n go rd e n y i n gap e r s o n sc l a i m e di d e n t i t y ( a m1w h oic l a i mi 锄? ) r e c o g n i t i o n ( w h oa mi ? ) r e f e r st ot h ep r o b l e mo fe s t a b l i s h i n gas u b j e c t si d e n t i t y l ar e l i a b l ep e r s o n a li d e n t i f i c a t i o ni sc r i t i c a li nm a n yd a i l yt r a n s a c t i o n s f o re x a m p l e ， a c c e s sc o n t r o lt op h y s i c a if a c i l i t i e sa n dc r i m i n a li d e n t i f i c a t i o na r eb e c o m i n g i n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tt op r e v e n tt h e i ra b u s e t h e r ei sa ni n c r e a s i n gi n t e r e s ti n i n e x p e n s i v ea n d r e l i a b l e p e r s o n a l i d e n t i f i c a t i o ni nm a n ye m e r g i n gc i v i l i a n ， c o m m e r c i a i a n df i n a n c i a la p p l i c a t i o n s 1 - 11 1 b i o m e t r i c s ，w h i c hr e f e r s t oi d e n t i f y i n ga ni n d i v i d u a lb a s e do nh i so rh 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 s ，h a st h ec a p a b i l i t yt or e l i a b l yd i s t i n g u i s h b e t w e e na na u t h o r i z e dp e r s o na n da ni m p o s t e r s i n c et h eb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s c a l ln o tb ef o r g o t t e n ( 1 i k ep a s s w o r d s ) a n dc a nn o tb ee a s i l ys h a r e do rm i s p l a c e d ( 1 i k e k e y s ) ，t h e ya r eg e n e r a l l yc o n s i d e r e dt ob eam o r er e l i a b l ea p p r o a c ht o s o l v et h e p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o np r o b l e m b i o m e t r i c sh a sb e e nw i d e l yu s e di nf o r e n s i c sa p p l i c a t i o n ss u c ha sc r i m i n a l i d e n t i f i c a t i o na n dp r i s o ns e c u r i t y w i t ht h ep r o g r e s si nb i o m e t r i ct e c h n o l o g y ，m o r e a n dm o r ec i v i l i a na p p l i c a t i o n sa r eu s i n gb i o m e t r i c sa st h ea u t h e n t i c a t i o nm e t h o d t f i e s ea p p l i c a t i o n si n c l u d ec r e d i tc a r d ，a c c e s sc o n t r o la n do n l i n et r a n s a c t i o n s ，e t c a sb i o m e t r i c si sb e c o m i n gm a t u r ea n dm o r et r u s tw o r t h y ，i tw i l lb eu s e dw i d e l yi n s o m eo t h e ra p p l i c a t i o n s ，s u c ha si m m i g r a t i o nc h e c k p o i n t ，n a t i o n a li d ，r e m o t el o g i n a n dw e ba c c e s s ，v o t e ra n dd r i v e rr e g i s t r a t i o n ，t i m ea n da t t e n d a n c e b i o m e t r i c si s r e p l a c i n gt h e t r a d i t i o n a lt o k e n - b a s e da u t h e n t i c a t i o n sa so n eo fm o s tr e l i a b l e a p p r o a c h e s 一 旦! 塑! 竺! ：! 型! ! ! ! 璺! ! ! f i n g e r p r i n t sa r eg r a p h i c a lf l o w - l i k ep a t t e r no fr i d g e sa n dv a l l e y sp r e s e n to nt h e s u r f a c eo f f i n g e r p r i n t s f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni sb a s e do nt w om a i nr e a s o n s ：i ) a f i n g e r p r i n ti sb e l i e v e dt ob eu n i q u et oe a c hp e r s o n ( a n de a c hf i n g e r ) f i n g e r p r i n t so f e v e ni d e n t i c a lt w i n sa r ed i f f e r e n t 2 、t h et w of u n d a m e n t a lp r e m i s e so nw h i c h f i n g e r p r i mi d e n t i f i c a t i o ni sb a s e da r e ：( i ) f i n g e r p r i md e t a i l sa r ep e r m a n e n t ，a n d ( i i ) f i n g e r p r i n t so fa l li n d i v i d u a la r eu n i q u e t h en o t i o no ff i n g e r p r i n ti n d i v i d u a l i t yh a s b e e nw i d e l ya c c e p t e db a s e do nam a n u a li n s p e c t i o n ( b ye x p e r t s ) o fm i l l i o n so f f i n g e r p r i n t s i nf a c t ，a m o n ga l lb i o m e t r i c s ( e g ，f a c e ，f i n g e r p r i n t ，h a n dg e o m e t r y ，i r i s ， r e t i n a ，s i g n a t u r e ，v o i c ep r i m ，f a c i a lt h e r m og r a m ，h a n dv e i n ，g a i t ，e a r ，o d o r ， k e y s t r o k ed y n a m i c s ，e t c ) ，f i n g e r p r i n t - b a s e di d e n t i f i c a t i o ni so n eo ft h em o s tm a t u r e a n dp r o v e nt e c h n i q u e ， 1 2h i s t o r yo ff i n g e r p r i n t s p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nw i t hf i n g e r p r i m sh a v e u s e df o rav e r yl o n gt i m e m o d e m f i n g e r p r i n tm a t c h i n gt e c h n i q u e sw e r ei n i t i a t e di nt h el a t e16 t hc e n t u r y h e n r yf a u l d ， i n18 8 0 ，f i r s ts c i e n t i f i c a l l ys u g g e s t e dt h ei n d i v i d u a l i t ya n du n i q u e n e s so ff i n g e r p r i m s i nt h el a t e19 t hc e n t u r y ，s i rf r a n c i sg a l t o nc o n d u c t e da l le x t e n s i v e s t u d yo f f m g e r p r i m s ；h ei n t r o d u c e dt h em i n u t i a ef e a t u r e sf o rs i n g l ef i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o ni n 18 8 8 a ni m p o r t a n ta d v a n c ei nf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nw a sm a d ei n 18 9 9b y e d w a r d h e n r y ，w h o e s t a b l i s h e dt h e f a m o u s h e n r ys y s t e m o ff i n g e r p r i m c l a s s i f i c a t i o n s i n c et h eb e g i n n i n go ft h e2 0 t hc e n t u r y ，f i n g e r p r i n t sh a v e b e e n e x t e n s i v e l yu s e df o ri d e m i f i c a t i o no fc r i m i n a l sb yt h ev a r i o u sf o r e n s i cd e p a r t m e n t s a r o u n dt h ew o r l df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n a g e n c i e sw e r es e t u pw o r l d w i d ea n d c r i m i n a lf i n g e r p r i md a t a b a s e sw e r ee s t a b l i s h e d w i mt h ea d v e mo fl i v e - s c a n f i n g e r p r i n t i n g a n da v a i l a b i l i t yo fc h e a pf i n g e r p r i n t s e n s o r s ，f i n g e r p r i n t sa r e i n c r e a s i n g l yu s e d i nc i v i l i a na n dc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n sf o rp o s i t i v ep e r s o n j d e n t i f i c a t i o n 2 堡! 塑塑! ! ：! 垡竺! 型! ! 1 1 3f i n g e r p r i n ts e n s o r s an u m b e ro fc o m m e r c i a ls y s t e m se x i s tt h a tu s ef i n g e r p r i n t sc a p t u r e db yd i f f e r e n t m e t h o d s i ng e n e r a l ，t h ef i n g e r p r i n ti m a g e sm a yb ea c q u i r e de i t h e rb ya no f f l i n eo ra n o n l i n ep r o c e s s t h ef i n g e r p r i n ti m a g e sa c q u i r e db yt h eo f f l i n ep r o c e s sa r ek n o w na s t h e i n k e d f i n g e r p r i n t sw h i l et h ei m a g e sa c q u i r e db yt h eo n l i n ep r o c e s sa r ek n o w na s “l i v e - s c a n ”f i n g e r p r i n t s i n k e df i n g e r p r i n t sa r eo f t h r e et y p e s ( f i 9 1 1 ) ：( i ) r o i l e d ，( i i ) d a b ，a n d ( i i i ) l a t e n t i nt h e r o l l e dm e t h o do f f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o n ，i n ki sa p p l i e dt ot h ef i n g e ra n dt h e nr o l l e do n ap a p e rf r o mo n es i d eo ft h en a i lt ot h eo t h e rt of o r ma r li m p r e s s i o n t h ei n k e d m e t h o dc a r lc a p t u r et h el a r g e s tf i n g e r p r i n ta r e a f i 9 1 1 ，f r o ml e f tt or i g h t ，w eh a v ed a b ，r o l l e da n dl a t e n ti n k e df i n g e r p r i n t s al i v e - s c a nf i n g e r p r i n ti so b t a i n e dd i r e c t l yf r o mt h ef i n g e rw i t h o u tt h ei n t e r m e d i a t e u s eo fp a p e r ( a tar e s o l u t i o no f5 0 0d p i ) t y p i c a l l y ，l i v e - s c a ns e n s o r sc a p t u r eas e r i e s o fd a bf i n g e r p r i n t sw h e naf i n g e ri sp r e s s e do nt h es e n s o rs u r f a c e t h ef i n g e r p r i n ti s t h e ns c a n n e di n t oad i g i t a li m a g e s i n c ef b ip r e s c r i b e das t a n d a r dr e s o l u t i o no f5 0 0 d p i ，al a r g en u m b e ro ff i n g e r p r i n td a t a b a s ei nt h em a r k e to p e r a t ea tt h a tr e s o l u t i o n n a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g yf n i s t ) p r o v i d e san u m b e ro f f i n g e r p r i n td a t a b a s e s ( s u c ha sn i s t 一4a n dn i s t 一9 、t ot h er e s e a r c hc o m m u n i t yf o r b e n c h m a r kp u r p o s e s t h es a m p l e so f l i v e - s e a l l _ f i n g e r p r i n t sa r es h o w ni nf i 9 1 2 3 ! 翌堕! ：! 塑! 型! ! ! f i 9 1 2 l i v e s c a nf i n g e r p r i n t s ：( a ) al i v e - s c a nf i n g e r p r i n tw i t ho p t i c a ls e n s o r s ；( b ) as m a l l f i n g e ra r e as c a n n e dw i t hs o l i d - s t a t es e n s o r s a c q u i s i t i o no fi n k e df i n g e r p r i n t si sc u m b e r s o m e ；i nt h ec o n t e x to fa l li d e n t i t y a u t h e n t i c a t i o ns y s t e m ，i ti sb o t hi n f e a s i b l ea n ds o c i a l l yu n a c c e p t a b l e t h em o s t p o p u l a rt e c h n o l o g yt o o b t a i nal i v e - s c a nf i n g e r p r i n ti m a g ei sb a s e do no p t i c a l f r u s t r a t e dt o t a li n t e r n a lr e f l e c t i o n ( f t i r ) c o n c e p tlz 2 1 w h e naf m g e ri sp l a c e do no n e s i d eo fag l a s sp l a t e n ( p r i s m ) ，r i d g e so ft h ef i n g e ra l ei nc o n t a c tw i t ht h ep l a t e n , w h i l e t h ev a l l e y so ft h ef i n g e ra r en o ti nc o n t a c tw i t ht h ep l a t e n a na s s e m b l yo fa l ll e d l i g h ts o u r c ea n da c c da l ep l a c e do nt h eo t h e rs i d eo f t h eg l a s sp l a t e n t h el a s e rl i g h t s o u r c ei l l u m i n a t e st h eg l a s sa tac e r t a i na i l g l ea n dt h ec a m e r ai sp l a c e ds u c ht h a ti tc a l l c a p t u r et h el a s e rl i g h tr e f l e c t e df r o mt h eg l a s s d u et ot h er e f l e c t e dl i g h t ，p o t i o n so f t h ei m a g ef o r m e do nt h ei m a g i n gp l a n eo ft h ec c dc o r r e s p o n d i n gt or i d g e sa r ed a r k a n dt h o s ec o r r e s p o n d i n gt ov a l l e y sa r cb r i g h t t w om a i nt y p e so ff i n g e r p r i n ts e n s o r s a r es h o w ni nf i 9 1 3 f i 9 1 3 f i n g e r r p i n ts e n s o r s ：( a ) o p t i c a ls e n s o r ；( b ) s o l i d - s t a t es e n s o r d 1 4f i n g e r p r i n tr e p r e s e n t a t i o n t h ep o p u l a rf i n g e r p r i n tr e p r e s e n t a t i o ns c h e m e sh a v ee v o l v e df r o ma ni n t u i t i v e s y s t e md e v e l o p e db yf o r e n s i ce x p e r t sw h ov i s u a l l ym a t c ht h ef m g e r p r i n t st o 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 s ( a f i s ) f i n g e r p r i n tr e p r e s e n t a t i o n sa r eo ft w ot y p e s ：l o c a la n dg l o b a l l o c a lr e p r e s e n t a t i o n s p r e d o m i n a n t l yb a s e d o nr i d g ee n d i n g so rb i f u r c a t i o n s ( c o l l e c t i v e l yk n o w na s m i n u t i a e ，s h o w ni nf i 9 1 4 ) a r et h em o s tc o m m o n ，p r i m a r i l yd u et ot h ef o l l o w i n g r e a s o n s ：( i ) m i n u t i a ec a p t u r em u c ho f t h ei n d i v i d u a li n f o r m a t i o n ，( i i ) m i n u t i a e - b a s e d r e p r e s e n t a t i o n sa r es t o r a g ee f f i c i e n t ，a n d ( i i i ) m i n u t i a ed e t e c t i o ni sr e l a t i v e l yr o b u s t t ov a r i o u ss o u r c e so f f i n g e r p r i n td e g r a d a t i o n 影孑形 f i 9 1 4 r i d g ee n d i n ga n dr i d g eb i f u r c a t i o n t h eg l o b a lr e p r e s e n t a t i o no ff i n g e r p r i n t s ( e g ，w h o r l ，l e f tl o o p ，r i g h tl o o p ，a r c h ，a n d t e n t e d a r c h ) i st y p i c a l l y u s e df o r i n d e x i n g t h em o s tc o m m o nf i n g e r p r i n t r e p r e s e n t a t i o nt e c h n i q u eu s e st h el o c a t i o n so fs i n g u l a rp o i n t s ( c o r ea n dd e l t a ) t o c l a s s i f yaf i n g e r p r i n ti n t of i v em a j o rc l a s s e s ( w h o r l ，l e f tl o o p ，r i g h tl o o p ，a r c h ，a n d t e n t e da r c h ) 1 5f i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o n f i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o ni d e n t i f i e st h et y p i c a lg l o b a lr e p r e s e n t a t i o n so ff i n g e r p r i n t s s o m eg l o b a lr e p r e s e n t a t i o n si n c l u d ei n f o r m a t i o na b o u tl o c a t i o n so fc r i t i c a lp o i n t s ( e , g ，c o r ea n dd e l t a ) i naf i n g e r p r i n t l a r g ev o l u m e so ff i n g e r p r i n t sa r ec o l l e c t e da n ds t o r e de v e r y d a yi naw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o n s ，i n c l u d i n gf o r e n s i c s ，a c c e s sc o n t r o l ，a n dd r i v e rl i c e n s er e g i s t r a t i o n t h e 5 旦! ! p 堡! ! ：丛! ! ! ! 璺! 竺 f i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o nc a l lb ev i e w e d a sac o a r s el e v e lm a t c h i n g t or e d u c et h e s e a r c ht i m ea n dc o m p m a t i o n a lc o m p l e x i t y ，i ti sd e s i r a b l et oc l a s s i f yt h e s ef i n g e r p r i n t s i na l la c c u r a t ea n dc o n s i s t e n tm a n n e rs u c ht h a tt h ei n p u tf i n g e r p r i n tn e e d st ob e m m c h e do n l yw i t has u b s e to ft h ef i n g e r p r i n t si nt h ed a t a b a s e af i n g e r p r i n ti s c l a s s i f i e db a s e do no n l yt h ef i r s tt y p eo ff e a t u r e s ( s i n g u l a r i t i e s ) a n di s u n i q u e l y i d e n t i f i e db a s e do nt h es e c o n dt y p eo ff e a t u r e s ( r i d g ee n d i n g sa n db i f u r c a t i o n s ，a l s o k n o w na sm i n u t i a e ) t h ef i v em a j o rc l a s s e sa r es h o w ni nf i 9 1 5 f i 9 1 5 f i n g e r p r i n t sa r ec l a s s