（检测技术与自动化装置专业论文）指纹图像预处理的算法研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 指纹的不变性和唯一性使指纹识别技术成为目前应用最广泛的身份验证与识别技术 之一。在犯罪嫌疑人的识别( a f i s ) 系统、门禁系统、计算机安全、网络安全、考勤等 方面有着显著的应用。指纹图像预处理是指纹自动识别过程的第一个处理环节，它的好 坏直接影响着自动识别系统的效果。 本文通过大量的实验，综合运用图像处理和模式识别技术，深入、系统地研究了自 动识别的理论和技术，建立了自动指纹识别预处理系统。针对目前研究现状，对一些关 键技术问题进行了深入探讨，提出了一些新的方法。全文内容包括指纹图像分割、纹线 提取、细化等几个步骤。本研究做的具体工作如下： ( 1 ) 提出了一种基于灰度值频数和十二方向的指纹图像分割算法。该方法的阈值 可以根据图像自然决定，避免了人为选择阈值的困难和不准确性。对脊谷线灰度值相差 较大、不大、较小的指纹图均能容易而准确地分割。实验表明，与常见的分割方法一方 向图、方差法相比，该方法的平均误分概率大大减小，比方差法降低5 7 8 7 5 ，比方向 图法降低5 6 6 2 5 ，且对指纹图像脊谷线的对比度和方向性要求不高鲁棒性更强。 ( 2 ) 有效地实现了指纹纹线的提取。本文对目前指纹纹线提取的算法进行了编程 验证，并做了一些修改。提出了利用周围块的方向信息校正当前块的方向；提出并构建 了八方向平滑和增强滤波器。实验结果表明，方向校正后的滤波图像更清晰，而且少了 毛刺、断线、短线等伪特征点，提取的纹线更接近于实际的指纹纹线。 ( 3 ) 实验并验证了一套可行的查表细化方法。实验结果表明，细化后的指纹图像 能保持原始指纹图像的特征点，并去除多余的像素信息，保证只有单象素宽，节省了后 续算法的处理时间。 关键词：自动指纹识别，指纹图像预处理，分割，方向图，二值化，细化 沈刖工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho f f i n g e r p r i n ti m a g e p r e p r o e e s s i n ga l g o r i t h m a b s t r a c t 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 i q u e sb e c o l i l eo n eo ft h er g o s te x t e n s i v ei d e n t i f i c a t i o na n d r e c o g n i t i o nt e c h n i q u e sc u r r e n t l yb e c a u s ei t si n v a r i a b i l i t y i ti su s e db r o a di na f i ss y s t e m 、t h e c o n t r o lo fg a t es y s t e m 、c o m p u t e rs a f e t ys y s t e m 、n e t w o r ks a f e t ys y s t e ma n dc h e c ko nw o r k a t t e n d a n c es y s t e me t c t h ef 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 gi st h ef i r s ts t e po fa u t o n 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 i t sq u a l i t ya f f e c t sd i r e c t l yt h er e s a d to f a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n s y s t e n m b a s e do nal o to fe x p e r i m e n t s ，u s i l 培t e c h n o l o g yo fi m a g ep r o c e s s i n ga n dp a t t e r n r e c o g n i t i o i l ，t h et h e o r ya n dm e t h o d so fa u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o na l ei n v e s t i g a t e d a n dt h e a u t o m a t i cf a g e r p a n tp i q 舶) c e s s i n gi d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e d a tt h e 姗t i m e ，t h e k e yp r o b l e m sa r ed i s c u s s e da n ds o m e 洲m e t h o d sa r ep r e s e n t e da i m i n ga tt h es t a t u sn o wm t h i sf i e l d 刀酵m a i nc o n t e n t sa r ef i n g e r p r i n ti m a g es e g m e n t a t i o n 、m i n u t i a ee x t r a c t i o n ， t h i n n i n ge t c t h em a r e j o b sa r e 越f o l l o w s ： ( 1 ) a 岛鲷乒i i 吐i m a g es c g i l e n t l 如na l g o r i t h mb a s e do nt h ef r e q u e n c yo f g r a yl e v e l sa n d 1 2 - d i r e c t i o n a li m a g ei sp r e s e n t e d t h et h r e s h o l dc a l lb es e l e c t e dm t u r a l l yw r ：【, r d i n gt ot h e i m a g ei nt h i sm e t h o da n d t h ed i f f i c u l t i e si ns e l e c t i n gt h e 曲f e s h d l d 黜a v o i d e d t h ef i n g e r p r i n t i m a g e sw i t ha n yd i f f e r e n c ei nr i d g ea n dv a l eg r a yl e v e l sc a na l lb es e g m e n t e da c c u r a t e l y e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h em e t h o di s5 7 8 7 5 b w e ri nf fe r r o rt h a ns q u a r e sd i f f e r e o c ea n d 5 6 6 2 5 l o w e ri ne r r o r d i r e c t i o n a li m a g em e t h o d m o r e o v e r , t h em e t h o di si t i o i r o b u s t b e c a u s et h ed i f f e r e n c eo f r i d g ea n dv a l eg r a yl e v e l s 、o r i e n t a t i o ni n f o m m t i o ni s n tr i g o r o u s 佗) t h en 僦h o do fr i d g e se x t r a c t i o ni ss t u d i e db ye x - p e r i m e n t sa n da m e l i o r a t i o n t h e d i r e c t i o no f c u r r e n tb l o c ki sc h a n g e da c r o r d m gt ot h ed k e c t i o na r o u n dt h eb l o c k ，b e c a u s et h e v a r i e t yo f f m g m h - i n ti m 垮d i r e c t i o ni ss m o o t h t h ee 培h t - d k e c t i o ns m o o t h i n ga n de n h a n c i n g f i l t e ra r ea l s op r o p o s e d a sar e s u l t ，t h er i d g e sc a nb ee x t r a c t e dc o r r o c t l y 沈阳工业大学硕十学位论文 ( 3 ) t h er r 矗h o do f 缸1 l g e r p r i n ti m a g et h i n n i n gi sr _ e s e a r c h e d e r a 画n gt h ec u r r e i 哇p o i mi s d e c i d e da c c o r d i n gt ot h ee i g h tp o i n t sa r o u n dt h ee u r r e n lp 0 m t t h i s 珈e m o di ss i m p l ea n dt h e r e s u l t so f t h i n n i n ga l ev e r yi d e a l k e yw o r d s ：a u t o m a t i cf i u 嚣r p r m ti d e n t i f i c a t i o n , t h ef 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 , s e g m e n t a t i o n ，d i r e c t i o n a li m a g e , b i n a r i z e , t h m n m g 3 一 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研究成果。尽我所知，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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：蛆日期：竺望婴量且 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：弛导师签名：_ 越日期：兰竺坠! 旦! 1 9 沈阳工业人学硕十学位论文 1 绪论 1 1 生物识别技术与指纹识别技术 随着网络与通信技术的飞速发展，现代社会对于人类自身身份识别的准确性、安全 性与实用性提出了更高的要求。传统的身份识别方法已经远远不能满足这种要求，人类 必须寻求更为安全可靠、使用方便的身份识别新途径。于是，生物识别悄然兴起，并应 运而生为一种新的身份识别技术。生物识别技术( 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 o l o g y ) 是利用入体生物特征进行身份认证的一种技术l 卜孙。生物特征是唯一的，可以测量或可 自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物识别系统对生 物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并迸一步将这些代码组成特 征模板，人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中的特 征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。一般生物识别系统的结 构如图1 1 所示。常见的生物识别技术主要有9 种：指纹、脸形、虹膜、视网膜、手写 体、声音、掌纹、手形和脸部热谱图掣4 “4 1 ，指纹识别是生物识别技术的一种i ”“”，是 迄今为止最为人们所关注、最为成熟的生物识别技术。 指纹识别系统是基于生物特征的身份识别系统的重要组成部分瑚 2 n ，相对于其它 生物特征，指纹具有以下优点： 第一、唯一性。每个人的指纹独一无二，人与人之间不存在相同的手指指纹，据指 纹学理论，两枚指纹匹配上1 2 个特征的机率为1 0 - 5 0 ，至今尚找不出两个指纹完全相同 的人，即使是相貌酷似的孪生兄弟姐妹他们的指纹也各不相同，不仅人与人之间如此， 就是同一个人的十个手指之间指纹也不尽相同。因此，指纹的这一特点为指纹用于身份 的认证与识别奠定了基础。 第二、不变性。指纹具有很强的相对稳定性，尽管随着年龄的增大，指纹在外型大 小纹线粗细上会有变化，局部纹线之间也可能出现新的细线特征，但从总体上看，同一 手指的指纹纹线类型、细节特征的总体布局等始终无明显变化。 第三、实用性。指纹样本便于获取易于开发，识别系统实用性强，目前已有标准的 指纹样本库，方便了识别系统的软件开发，另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件 沈阳工业大学硕+ 学位论文 部分指纹采集仪也较容易实现，而对于视网膜来说既难于采样也无标准的视网膜样本 库，这就导致视网膜识别系统难以开发、可行性较差。 第四、安全性。一个人的十指指纹皆不相同，因此，可以方便利用多个指纹构成多 重口令，这样既能提高系统的安全性，也不增加系统的设计负担。下表1 1 是各生物特 征识别技术的比对表。 表1 1 各生物特征识别技术比对表 类型鉴舸靠度 ，需蕊只毳勰价篱畿， 尺寸 指纹很好是是l 旷1 0 2非常小 眼睛很好是是1 0 2 1 0 3大 手掌纹好是否1 0 2中等 面部很好是否l 矿小 声音一般是否0-102非常小 签名一般是否l 酽小 输出匹配结果 l r 。 图1 1 一般生物识别系统的结构图 2 沈阳工业人学硕十学位论文 综上所述，指纹识别技术相对于其它生物特征识另有许多独至之处，更重要的是， 有着很高的实用性和可行性，它是目前应用最广的身份验证与识别技术，应用于各个领 域，由此指纹识别是一种最方便、最可靠的个人身份鉴别技术，可以说指纹识别实现了 身份鉴定领域的世纪革命。 从技术角度来看，自动指纹识别技术大致分为以下的流程： ( 1 ) 指纹采集；( 2 ) 指纹分类；( 3 ) 指纹图像与背景的分离；( 4 ) 方向信息提 取；( 5 ) 纹线提取；( 6 ) 图像二值化；( 7 ) 图像细化；( 8 ) 细化图像后处理； ( 9 ) 细节特征提取；( 1 0 ) 指纹匹配 1 2 指纹识别技术简介 1 2 1 指纹采集 从采集方式来看，指纹基本分为三类：捺印指纹、活体指纹和模糊指纹。 捺印指纹指的是将沽了印墨的手指按压在某种东西( 通常是纸) 上所留下的指纹痕 迹。一般来讲，捺印指纹多采用滚动采集方式，采集到的指纹又称为捺印指纹。要采集 捺印指纹，首先要将手指在印墨上按一下，则指头上均匀地沾上一层薄薄的印墨。然后 将指头按压在白纸上，从侧向另一侧滚动手指，这样就在白纸上形成了指纹痕迹。再 经过相应的设备转化为数字化的信息，这样就得到了一枚捺印指纹。 很久以来，人们一直在使用这种方式采集指纹。直到今天，这种方式仍然是指纹采 集的主要手段之一。捺印指纹采集到的有效指纹面积比较大，但因采集方式所限，采集 速度较慢，指纹缺陷较多，且采集的质量难以严格控制。对现在的自动指纹识别技术而 言，一般不使用捺印指纹，而是直接使用活体指纹。 根据录入原理的不同，活体指纹录入仪可分为光反射式、超声反射式、热敏式、电 容式等几种。根据采集时指头是否与指纹录入仪接触，又可分为接触式和非接触式。根 据是否可以滚动，又可分为滚动指纹录入仪和非滚动指纹录入仪。 由于成本和技术成熟度等原因，当前最常见的是利用光学设备接触式地提取指纹。 下面简单介绍一下光学设备取像1 2 2 l 。 光学取像设备依据的是光的全反射原理( f i i r ) 。光线照到压有指纹的玻璃表 面，反射光线由c c d 去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和 皮肤与玻璃之间的油脂和水分。光线经过玻璃射到谷的地方后，在玻璃与空气的界面发 3 沈阳工业大学硕上学位论文 生全反射，光线被反射到c c d ，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接 触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在c c d 上形成了指纹图像。 另有一类指纹叫做模糊指纹，一般是在犯罪现场采集到的指纹。 1 2 2 指纹分类 指纹的分类是根据纹线的全局结构模式来进行的。人们经过大量统计发现，虽然纹 线的全局结构模式因人而异，但是变化的种类却是很有限的。这表明把所有指纹分别1 月 属于有限的几个不同类别是可能的，从而奠定了指纹分类的理论基础。 就指纹分类而言，人们感兴趣的只是指纹的一部分区域，叫做模式区口3 1 。模式区是 典型线围绕而成的指纹区域。典型线指的是指纹中形成圆形或环绕趋势的最内层纹线。 在模式区中，有两类特殊的点可以用于指纹分类。一类叫做d e 妇点，另一类叫做c o r e 点。d e i t a 点又叫做外终点，被定义为模式区内离典型线分叉处最近的位置。d e h a 点的 位置很难精确定义，这个位置可能是一个孤立点、一段短线、纹线分叉点、纹线端点或 模式区内纹线上距离典型线分叉位置最近的点。c o l e 点又叫做内终点，被定义为纹线上 曲率最大的点，周围纹线大致呈现半圆趋向。 由于纹线上各点曲率的多样性，确定0 0 , 1 e 点的方法比较复杂。在指纹分类和指纹 匹配中用到的另一个重要概念是纹线数。纹线数一般定义为从c o l e 点到d e i 协点所穿过 的纹线条数。但是，由于指纹纹线结构模式的高度复杂性，精确定义纹线数是一件很困 难的事情。 根据指纹脊或谷的整体流向模式，指纹大致可以分为以下五类：左环、右环、拱 形、尖拱形和漩涡形。有了上面的定义，指纹分类的规则可粗略描述如下：若指纹中既 不存在d e l t a 点也不存在f e 点，则为拱形；若指纹中存在一个d e l t a 点和一个c o r e 点，则根据d e l l a 点和c o r c 点的位置分别归属于尖拱型、左环和右环：若指纹中存在两 个c o r e 点不存在d e l t a 点，或者存在两个d e l t a 点和两个c o l e 点，则属于漩涡形。 指纹分类的主要目的是方便大容量指纹库的管理，加速指纹的搜索匹配。尽管许多 研究者对指纹分类问题己做了大量的工作，但在自动指纹识别系统的研究中，如何减小 分类的误识率至今仍是一个难点。 图1 2 是分别属于不同类别的典型指纹图像。 4 一 沈阳工业大学硕士学位论文 a l 拱类 b ) 左旋类 c 1 右旋类 d ) 尖拱类e ) 旋涡类 图1 2 指纹的五种分类 1 3 课题提出的背景及意义 我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样 的图案。人手指的图案、断点和交叉点上各不相同的纹路就是指纹。指纹识别是指尖表 面纹路的脊谷分布模式识别。这种脊谷分布模式是出皮肤表碱细胞死亡、角化，在皮肤 表面积累形成的。人的指纹特征是与生俱来的，在胎儿时期就已经决定了。人类使用指 纹作为身份识别的手段已经有很长的历史了，使用指纹识别身份的合法性也得到广泛的 认可。在二十世纪早期，指纹的概念已为人们所熟知i 肄硐，逐步归纳、建立了关于指纹 的三个基本原则： ( 1 ) 不同人的指纹具有不同的脊、谷纹线结构。 ( 2 ) 指纹全局结构模式是因人而异的，但种类是有限的，对指纹进行分类是可行 的。 ( 3 ) 对每个人来讲，指纹的全局结构模式昶细节特征是与生俱来和终生不交的。因 此，指纹一直被当作人的身份鉴定的可靠手段，指纹识别技术面临的最大困难是它需要 大量计算。为满足速度要求，对资源要求很高，另外，指纹识别的准确率尚需进一步提 高。指纹识别是一种先进可靠的生物铡定技术，利用指纹识别或认证一个人身份的优点 是可接受、方便、可靠的。辩学研究表明：任何两个不l 两手指的指纹纹脊的模式是不同 的，而且一个人的指纹纹脊的模式是终生不变的，利用指纹的这种特性可以可靠方便圭电 识别或认证一个人的身份，使用指纹识剐身份的合法性也得到广泛的认可。事实上，指 纹识别技术己经差不多成了生物识别技术的代名词阶蠲了。指纹产品的安全性比w 用户 i d + 密码。方案的安全性高褥多。倒如采甩四位数字密码的系统，不安全概率为0 0 t ， 如果同采用误判率为0 0 1 指纹识剐系统相比。由于不诚实的人可以在一段时间内试用 5 沈阳上业大学硕士学位论文 所有可能的密码，因此四位密码并不安全，但是他绝对不可能找到一千个人去为他把所 有的手指( 十个手指) 都试一遍。正因为如此，权威机构认为，在应用中1 的误判率 就可以接受。由于计算机处理指纹时，只是涉及了指纹的一些有限信息，而且比对算法 并不是精确匹配，其结果也不能保证1 0 0 准确。指纹识别系统的特定应用的重要衡量 标志是识别率。主要由两部分组成，拒判率( f r r ) 和误判率( f a r ) 。我们可以根据 不同的用途来调整这两个值。f r r 和f a r 是成反比的。由于f r r 和f a r 是相互矛盾 的，这就使得在应用系统的设计中，要权衡易用性和安全性。一个有效的办法是比对两 个或更多的指纹，从雨在不损失易用性的同时，极大地提高了系统的安全性。一般而 言，生物识别系统都使用误识率作为第性能指标，误识率为0 意味着不具有合法身份 的人根本无法通过系统检查1 2 9 1 。 迄今为止，尽管自动指纹识别技术研究取得了很大进展，但仍有很多问题需要去进 一步研究和提高。例如：( 1 ) 活体指纹录入设备的质量还有待提高。( 2 ) 对低质量的 指纹图像的细节特征提取有待提高。( 3 ) 对坏损指纹图像增强，使其恢复固有的脊谷 纹线结构是一件很困难的事情。( 4 ) 目前，指纹分类的理论体系还不能应用于自动指 纹分类。( 5 ) 没有很好的指纹图像压缩方法来存储数以亿计的指纹图像等。 指纹识别的应用中最著名的就是犯罪嫌疑入的识别( a h s ) 系统，但是随着算法的 发展，门禁系统，计算机安全，网络安全，考勤，p d a 的应用等诸多方向都开始使用 指纹识别技术。另外，它可作为嵌入式系统用于银行a t m 卡和信用卡的确认以及各类 智能i c 卡的双重确认，还可用于雇员证明、海关身份鉴定、家用电子门锁等许多方 面。 1 4 该课题研究的历史和国内外研究现状 早在公元前6 0 0 0 年，在古叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别已经开始应用。考古 发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草 者的大拇指指纹的印记等。 1 9 世纪初，科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特性，一是两个不同 手指的指纹纹脊的式样( r i d g ep a t t e r n ) 不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不改变。 这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用。主要代表性的事件有：t 8 9 6 年阿 根廷首次应用，然后是1 9 0 1 年的苏格兰，2 0 世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别 一6 沈阳t 业大学硕士学位论文 中。2 0 世纪6 0 年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利t j 计算机 来处理指纹。从那时起，自动指纹识别系统a f l s ( a 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 n s y s t e m ) 在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家开始展开了。 2 0 世纪8 0 年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取象 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l c 卡。现在 ( 9 0 年代后期) ，低价位取象设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个 人身份识别应用的增长提供了舞台。 相对于其它身份鉴定技术，例如语音识别及视网膜识别等，自动指纹识别是一种更 为理想的身份确认技术，原因如下： ( 1 ) 个人的指纹是独一无二的，两个人之闻不存在相同的手指指纹； ( 2 ) 个人的指纹是相当固定的，很难发生变化，如不会随年龄、身体健康改变而改 变； ( 3 ) 便于获取指纹样本，易于开发识别系统，实用性强； ( 4 ) g - + 人的十指指纹皆不相同，这样，可以方便地利用多个指纹构成多重口令， 提高系统的安全性； ( 5 ) 指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征， 这样使所需存储的信息量减小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大减少 网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。 可以看出，指纹识别技术相对于其他方法有许多独到之处，更重要的是有着很高的 实用性和可行性，由此，指纹识别成为最流行、最方便、最可靠的个人身份认证之一。 随着图像处理，模式识别和计算机科学等学科的发展，指纹自动识别系统在过去的3 0 年已经取得了很大的发展，但是目前a f i s 仍是国内外模式识别研究中的热点。 鉴于自动指纹识别技术带有强烈的商业气息，一般情况下，技术内核都是各公司或 研究机构的高度机密，所以，想了解各公司的自动指纹识别产品的技术实现，几乎是不 可能的，只能通过其产品的性熊从外部进行了解。 国外很多国家都有公司或专门机构在从事自动指纹识别技术的研究，美国在这一领 域的研究水平居于世界最前沿。在美国的i 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 、 v e r i d i c o m 、n c u r o t c c h n o l o g i j a 等公司都有自动指纹识别产品面世，而且很多大型的i t 沈阳工业大学硕士学位论文 公司，如：i b m 、c o m p a q 等也推出了自己指纹产品。美国d i g i t a l p e r s o n a 公司的指纹 录入产品u a r c u4 0 0 0 ，其技术指标如表1 2 所示。 表1 2u a r e u4 0 0 0 的技术参数 m a n u f a c t u r e r c o n n e c t i o n r e s o l u t i o n s i z e u s b 5 1 2d p i 7 9x4 9x1 9i i l m ( 3 1 1x1 9 3x 0 7 5i n ) 1 4 6x1 8 1f i l m ( o 5 7x0 7 l i n ) + 5 。c + 3 5 。c ( + 4 0 。f + 9 5 。f ) s u p p o r t e do s m sw i r t d o w s - _ _ - _ i 置；叠_ _ _ _ - _ l _ _ _ _ - 一l 一一_ _ _ _ _ i - 一 当前，国内从事自动指纹识别技术研究和产品销售的公司也有很多。基本上可以分 成两类：一类是主要从事国外产品代理业务的公司。这类公司的数目较多，如：湖南金 信、济南同飞、哈尔滨赛恿斯等公司。另一类是主要从事自主研究开发的公司，数目相 对较少，以北大高科、北京四方远大公司和长春鸿达集团等为代表。这几家公司都自己 拥有专门的研究开发队伍，并有自己的专利产品推出。以北大高科为例，该公司主要面 对公安方面的指纹识别，推出公安指纹自动识别系统( p u - a f i s ) ，该软件采用三级并 行比对技术，根本性解决了大容量库指纹查询的速度问题，比对速度可以达到1 0 万枚 秒，已经具备5 0 0 万人以上的指纹库建库能力p “。 8 沈阳1 = 业大学硕：l ：学位论文 1 5 本论文研究的主要内容及章节安排 本论文研究了指纹图像的预处理系统，实验并验证了目前常用的方差法、方向图法 分割指纹图像。在此基础上提出了几种指纹图像分割方法：( 1 ) 灰度值频数法；( 2 ) 八方向图法；( 3 ) 十二方向图法；( 4 ) 综合法。 全文共由6 章组成。 第一章，绪论。 第二章，给出了本论文的系统设计。 第三章，实验并提出了几种指纹图像分割方法。编程实验了基于方差法的指纹图像 分割方法。根据采集到的指纹图像灰度深浅不一致，中心区域深一些，越向外越浅等特 点，采用方差法自适应阈值分割指纹图像，使得无论在深一些的区域和浅一些的区域等 都能准确、有效地将指纹区域同背景分离开来；编程实验了方向图法分割指纹图像。方 差法利用脊线和谷线的对比度进行分割，所以对于脊谷线灰度值相差不大的图像分割效 果不理想，而方向图法仅适合于方向性较强的指纹图像，在非指纹区域，由于没有指纹 方向信息作指导。该方法效果很差，大量的背景点均被误认作前景点。鉴于上述方法的 不足。提出采用图像灰度值频数法分割指纹图像；提出利用指纹图像的方向信息，采用 八方向图法、十二方向图法分割指纹图像；提出将灰度值频数、十二方向图结合的方法 分害4 指纹图像，如果指纹图像的脊、谷线灰度值相差较大，用灰度值频数法可以实现很 好的分割，如果指纹图像的方向性较强，则用十二方向法实现良好的分割，有效地利用 了脊、谷灰度值的差值和纹线的方向性，分割的阈值可以根据图像自然决定，避免了方 差法人为选择阏值的困难和不准确性；对于- - + 部分脊、谷线灰度值相差不大且纹线方 向性也不强的指纹图像用方差法分割，所以该方法至少要好于单一的方差法和方向图 法。 第四章，有效地实现了指纹图像的纹线提取。编程实验了指纹图像方向信息的提 取，在此基础上，利用分块图像的方向信息对指纹纹线进行方向平滑和方向增强，提出 了校正当前块方向的理论和方法；提出为各分块图像构建对应方向的平滑模板和增强模 板，编程实现了沿纹线方向对指纹纹线进行平滑处理，沿垂直于纹线方向对指纹纹线进 行增强的处理，实现了对指纹纹线的有效提取。 9 一 沈阳上业大学硕士学位论文 第五章，编程实现了指纹图像的细化。乖j 用当前点周围八个相邻点的情况对指纹进 行细化，删除多余的一些点，并且保持原来指纹的形状，即保持原图的骨架。 最后给出本文的结论。 1 0 一 沈阳工业大学硕士学位论文 2 系统设计 2 1 系统级设计 一个生物识别系统的工作模式可以有两种：验证模式和辨识模式。 辨识模式生物识别系统的设计要比验证模式生物识别系统的设计难度大o ”。 对验证模式生物识别系统的设计而言，面临的主要任务是提高系统的准确率问题。 因为验证模式是一种1 ：1 比对模式，系统响应时间一般能满足应用需要。丽对于 辨识模式生物识别系统的设计，准确率和响应时闻是很关键的问题。 要完成一次辨识，辨识模式生物识别系统要遍历整个样本数据库，逐一进行比对， 因此对特征提取算法和特征匹配算法的速度要求都要高。 有些应用适合于工作在验证模式丽另一些则更适合工作在辨识模式。 例如，用指纹代替密码的地方、最近得到应用的准考证的身份验证等都是只需要把 采集的指纹与指纹库中的某一个指纹做比较来判断，所以，只要工作在验证模式就可以 了；辨识模式则是主要应用在身份识别上。 例如，公安局的对犯罪嫌疑人的指纹搜索系统、一些公司用的指纹考勤机等都是需 要把采集的指纹与指纹库中几乎所有指纹扫描一遍，找出该指纹所有人的身份。 另外，指纹系统的三个重要识别指标分别是正确识别率、拒识率和误识率。 正确识别率a i 正确识别样本数全部样本数* 1 0 0 误识率s = 误识样本豺全部样本数* 1 0 0 拒识率r 钮识样本数，全部样本数* 1 0 0 三者的关系是：a + s + r = 1 0 0 一个理想的系统应是r ，s 尽量小，而a 尽可能大。而在一个实际系统中，s ，r 是相互制约的，拒识率r 的提高总伴随着误识率s 的下降，同时识别率a 提高。 因此，在评价指纹识别系统时，我们必须综合考虑这几个指标。 三者的关系如图2 1 所示。 本文通过对过去国内外指纹研究工作进行比较，提出一套指纹预处理及识别算法 ( 工作在辨识模式) ，能在较短的时间内比较准确地识别指纹。本系统是要完成一个小 指纹库容量、可进行快速比对、有较高识别率的自动指纹识别系统。本系统的拒识率和 沈阳上业大学硕士学位论文 误识率可以根据需要调节，因此，可应用在指纹锁、中小型公司考勤等身份认定系统 中。 误 拒 蜜 误识率 图2 1 不同的应用场合需要不同的误识率和误拒率指标 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 2 2 本研究设计的指纹识别预处理系统 本研究设计和实现的是自动指纹识别的预处理系统。 系统的结构原型如图2 2 所示。 i 求撇的点块方向图 图2 2 指纹识别预处理系统流程图 ， 沈阳工业人学硕士学位论文 3 指纹图像分割 指纹分割是指纹识别系统预处理中的关键一步。指纹图像分为前景和背景两部分， 前景是指图像中清晰的指纹部分，而背景指的是采集区域中无纹线和纹线非常模糊的部 分，采集到的指纹图像总是不可避免地存在着背景区域，而且背景区域的面积往往要占 到整个采集区域面积的1 3 1 2 ，如果不将指纹图像同背景区域有效地分割开来，系统 运行时直接对整个采集区域进行处理会造成大量资源浪费和处理时间的增加，并且会影 响后续算法的精确度，使得提取到的伪特征点增加。 良好的分割处理能够有效地区分指纹的前景区和背景区，保留脊线的主要信息，去 除背景、边界噪声。这样不仅可以大大减少指纹后续处理的时间，加速后续算法的处理 速度，提高后续计算的精确性 s 2 3 引，还可以提高特征提取的精确度，同时，尽可能早地 分割出前景区域( 指纹脊线) 可以使后续的处理能更有效地集中在前景区域，从而能节 省处理时间及达到实时的目的例。 所以，指纹图像与背景分离是指纹图像处理中很重要的一步，而如何既去除无效区 域又尽可能完整地保留有效区域则是研究分割方法的前提。指纹图像分割的方法，一般 都是基于图像灰度级进行的，这类方法能够将指纹脊线和谷线很好地分割开，但是这些 单一的分割方法易受采集指纹时的光照、反射等的影响，对于灰度差不大的指纹图效果 不是很理想，例如简单阈值分割法和方差法嗍。而利用方向图1 3 6 - - 3 7 1 来进行指纹图像分 割，这种方法的分割效果依赖于所求点方向图及块方向图的可靠性，而对图像对比度的 高低并不敏感，不受光照、光源分布及反射等的影响，自适应性能较好，能够较好地将 指纹脊线和谷线分割开。但是对于纹线不连续、单一获度等方向难以正确估计的区域及 中心、三角附近，方向变化剧烈的区域，方向圈分割则往往难以取得令人满意的效果。 一种改进的算法结合了方向图分割与方差分割【3 8 l ，这种方法在一定程度上改进了单一灰 度区域的分割效果，但对于纹线不连续区域和强噪声干扰区域仍然存在一定的局限性。 一种基于遗传算法的指纹图像分割方法口9 j ，该方法不仅运行速度快而且分割的质量 也很好，但是此种方法有时会造成指纹纹线的断裂与粘连，而且对噪声也比较敏感。除 此之外，纹线蜂平均灰度值与谷平均灰度值之差( 对比度) 、纹线频率等特征也常用于 指纹图像的分割【柏l ，这些特征都有各自的优点，但也存在着缺点。例如，对比度小而方 1 4 沈阳- i = 业大学顽士学位论文 向性强的区域是容易恢复的区域，但如果采用对比度进行分割就往往会把这些区域切割 掉；而采用频率特征进行分割，对纹线粗细不均匀的区域或者中心、三角附近的区域， 都难以准确分割。一种指纹图像分级分割算法1 4 “，这种方法使用了“白背景区模糊 区背景区”逐级分割的分割方法，即把分割过程分为3 级，使各级的搜索范围逐级递 减，该方法能够有效地判断出第一类模糊区与背景区，也基本能辨别出模糊区与前景 区。但是这种方法存在着误割及漏割现象，使得有用信息丢失，并且很难准确地确定分 割的判决值。b n z e n 等人 4 2 - 4 3 j 通过定义与分析象素点的特征，提出用线性分割器将所有 象素点分成指纹和背景两类，对于不同的指纹库，该方法需要设计不同的分割平面。由 于受到线性分割器性能的限制，所以该方法难以达到理想的分割效果。王彦荣等人湖在 此基础上研究了一种基于象素水平的指纹图像分割方法，并提出了采用二次曲面实现指 纹图像的分割。该分割模型优于线性分割器的分割效果。但该方法还不能适应部分背景 区点噪声特别强的图像。 总之，目静用于指纹分割的方法各有利弊，很难找到单一的十全十美的方法，要提 高分割的精度，必须多种方法结合，取长补短，方能取得理想的效果。 由于人的指纹本身是一个曲面结构，而现有的活体指纹录入仪的采集窗口大都是平 板的，所以在采集指纹图像时，指头的不同位置和采集窗口的接触压力就会不同，必然 造成采集到的指纹图像的颜色深度不一致，中心区域深一些，越向外越浅。这就要求指 纹图像的分离算法必须能适应这一点，不论在深一些的区域还是浅一些的区域都能准确 地将有效的指纹区域同背景区域分离开来f 4 删。 在仔细研读目前指纹图像分割方法的前提下，编程实验了用自适应阈值方差法及方 向图法分割指纹图像，并在此基础上提出了几种指纹图像的分割方法。 3 1 方差法分割指纹图像算法 3 1 1 方差法思想简介 将指纹图像分成小块，求取分块图像内各块的最大、最小灰度值，求取各块的灰度 值方差，经实验选定一阅值，从而判断各块是否为指纹前景块。对方差法f 4 卫分割后的指 纹图像进行基于块水平的平滑，消除孤立的前景块。若一块被标记为前景块，且其四周 相邻的8 块中前景块数目不超过2 ，则将该块区域置为背景块，即f 1 a g g i ) 卸。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 1 2 方差法分割算法描述 具体算法描述如下： ( 1 ) 将采集到的整幅图像分块。对于3 0 0 ) t ，则块( f ，) 标记为指纹图像区域，否 则标记为背景图像块。 ( 6 ) 进行基于块水平的平滑，消除孤立前景块和孤立背景块。规受f j 为： 如果一块被标记为前景块，且其周围四邻域中前景块的数目不超过2 ，则将该块标 记为背景块；如果一块被标记为背景块，且其周围四邻域中前景块的数目超过2 ，则将 该块标记为前景块。 3 1 3 实验结果及结论 实验证明，只要门槛值t 选择的合适，该方法自罄稳定、可靠地从背景区域中分离出 指纹图像，但是阂值很难人为地选择。 实验结果表明，有一定的前景区域被误识为背景区域，也有一定的背景区域被误识 为前景区域。 实验结果如图3 1 所示。 选择一幅脊线和谷线灰度值相差不大，并且方向性不强的指纹图像。 方差法的分割结果如图3 2 所示。 一1 6 一 沈阳工业大学颂上学位论文 圈3 - l 方差法分割指纹圈像 a ) 原始图像f v c 2 6 0 0d b i1 0 l 6b ) 与背景分离后的图像 圈3 2 方差法分割指纹图像 矗) 原始图像i r v c 2 0 0 d d b l1 1 蛙_ 8b ) 与背景分离后的图像 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 方向图法分割指纹图像算法 3 2 1 方向图法的思想简介 指纹纹线排列具有一定的规律性。一般来说，指纹纹线排列是平行的，且方向变化 平缓。因而，指纹数据问存在着大量的冗余，有可能用指纹的方向图来表征指纹纹线的 大致走向和结构，去除周围不用的信息m i 。 把局部的小块指纹看成是由固定方向和固定宽度的黑白条纹按等宽间隔所组成的图 案。这种分割方法的效果依赖于所求点方向的可靠性，而对图像对比度的高低并不敏 感，因此对对比度虽然很低但方向性强的指纹分割效果很好。 3 2 2 方向图算法的描述 具体算法描述如下： ( 1 ) 将采集到的整幅图像分块。对于3 0 0 x 3 0 0 个像素点大小的图像，分成2 0 x 2 0 个块，每块的大小为1 5 1 5 个像素点； ( 2 ) 对分块图像内各点进行是否前景点的计算。 ( 3 ) 选择8 个量化方向，如图3 3 所示，并采用9 x 9 矩阵，如图3 4 所示，进行 掩膜计算。 心侈 】彳l兮 ； ， l 1l ll llll1l1 11 l1ll ll lllll 11 llll1 图3 38 个量化方向 图3 48 个量化方向的掩模矩阵 1 8 沈阳工业大学硕上学位论文 ( 4 ) 当点c 满足下述判断条件时，判断为处于脊线上的前景点，否则判断为背景 点。见式3 2 所示： 4 c + s m i h + s m _ ) 兰ys i 8 8 鲁 ( 32 ) 式中：踮一第i 个矢量方向上灰度的和值： 品* 一最小和值： & ，一最大和值。 ( 5 ) 若块中满足被判为前景点的c 点数量超过一定的数值，则此块置为前景块； 否则置为背景块。 3 2 3 实验结果及结论 在指纹区域，因有指纹的方向信息作指导，所以不管图像对比度高低，噪声干扰与 否，总能取得理想的分害孽效果，但是在非指纹区域，由于没有指纹方向信息作指导，该 方法效果很差，大量的背景点均被误认作前景点。从后面处理的结果图像中能很明显地 看出来。 实验结果如图3 5 所示。 图3 5 方向图法分割指纹图像 曩) 顾始图像i c 2 9 0 0 d i l l 1 0 2 一i b ) 与背景分离后豹图像 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 选择一幅脊线和谷线灰度值相差不大，并且方向性不强的指纹图像。 方向图法的分割结果如图3 6 所示。 图3 6 方向图法分割指纹图像 对原始图像i c 2 0 0 0 d b i1 1 0 - lb 与背景分离后的图像 3 3 灰度值频数法分割指纹图像算法 鉴于上述方法的阈值很难合适地选择，提出了此种方法分割指纹图像。阙值可以根 据图像自然决定，避免了方差法人为选择阈值的麻烦和不准确性。 & 3 1 灰度值频数法思想简介 将指纹图像分成小块，先求取各块的灰度直方圈，在各分块的灰度赢方圈_ 卜，对每 个灰度级上像素出现的频数从多到少排列，出现频