（模式识别与智能系统专业论文）自动指纹识别算法研究.pdf

曲北i 业人学硕十宁付论文摘要 摘要 指纹识别技术作为最传统、最成熟的生物识别方式之一，已经在许多领域得 以应用，仙足指纹识别的核心技术仍存在许多尚未解决的问题。自动指纹识别技 术现在足、未来几年仍将是一个重要且极具挑战性的数字图像处理、模式识别研 究课题。本文对指纹图像增强、指纹图像二值化及二值图像增强等指纹预处理算 法进行了大量的研究，主要研究与结果如下： ( 1 ) 研究了现有的主要滤波方式并根据指纹图像脊谷相问的特性提出了一 种基于傅立叶变换的带阻滤波增强算法，很好的保留了图像中高频部分的有用信 息，又能滤除图像中的噪声，同时使整个图像变得平滑，大大提高了指纹预处理 的速度和效果。研究了基于指纹方向信息的指纹滤波方式，为下一步对指纹图像 二值及二值图像增强做好了准备。 ( 2 ) 研究了目前常用二值化算法的优缺点，提出了基于带阻滤波的指纹图 像二值化处理方法和指纹图像相位差分二值化处理方法，大大的提高了二值化对 指纹特缸的保舶度，以及二值后处理方法二值指纹图像方向图增强算法。针 对现存指纹库的钓点，存在着大量的带有边框线的指纹图像提出了一种对二值指 纹图像边水滤除算法很好的改善了这一问题。 最后总结了全文，分析了目前研究工作中需要进一步完善的地方，指出今后 丁作的研究方向。 关键词：指纹识别，傅立叶变换，带阻滤波，方向图，二值化，边框滤除 曲北l 业人学硕十学付论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a so n eo tm o s tt r a d i t i o n a la n dr e l i a b l eb i o m e t r i ct c c h n o l o g y ，a u t o m a t i c f i n g e r p r i n t i d e n t 讯c a t i o nh a sb e e n a p p l i e d t o m a n y f i e l d s b u t f i n g e r p r i n t i d e n t m c a t i o nt e c h n o i o g ys t i i lh a ss o m eu n f a t h o m e dp m b l e m s a u t o m a t i cf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o i o g yi sv e r yi m p o n a mf o rd 酒t a li m a g ep r o c e s sa n dp a t t e m i d e n t m c a t i o nr e s e a f c hn o to n l ya tp r e s e n tb u ta l s oi nt h ef u t u r e s o m eo fk e y a l g b r i t h m sa b o u tf i n g e r p “n ti m a g eb u i l d u pa n db i n a r i z a t i o na r ep r o v i d e d t h ed e t a i l i s 懿f o n o w ， ( 1 ) a & rs t u d y i n gm o s to ff i l t e r s ，a na l g o l h mb a s e do nf o u r i e rt f a n s f o n n b a n d e l j m i n a t i o nf i l t e r i n gi sp r e s e n t e da c c o r d i n gt of i n g e r p r i n ti m a g e sc h a r 舵t e r i s t i c t h i sf i l t e rc a ns a v eh i g hf k q u e n c yi ni m a g ea n de i i m i n a t cy a w pi ni m a g e ，、h i c h g r e a t l yp r o m o t e df i n g e r p r i n tp r e t r e a t m e n te f f i c i e n c y w er e s e a r c h e df i n g e r p r i n tn l t e r b a s eo n6 n g e r p r i n td i r e c t i o n ( 2 ) c o m p a r i n gs o m ea l g o r i t h m sa b o u tb i n a r i z a t i o ni nc o m m o nu s e ，b i n a r i z a t i o n b a s e do nb a n d - e “m i n a t i o nf i l t e ra 1 1 dp o t e n t i a ld i f f c r e n c eb i n a r i z a t i o na r ep r o v i d e d ， w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h er e t e n t i v i t yo fn n g e r p r i n tc h a r a c t e r i s t i ca i l df i n g e r p r i n t b i n a r i z a t i o nb u i l d u pa l g o r i t h m t om e c tt h er e a ln e e d so ft h ed a t a b a s e ，t l l i se s s a y a d v o c a t e sad e l e t i n ga r i t h m e t i ct oe l i m i n a t et h ef r i n g el i n ei nf i n g e r p r i n ti m a g e ，w h i c h e f f e c t i v e i ys o l v e dt h ep r o b l e m 锄d h 船b e e np r o v e nr e l i a b l ei nt h e t e s t f i n a l ly a c c o r d i n gt os u m m a r yo ft h i st h e s i s ，t h ei m p r o v e m e m sn e e dt ob e f i n i s h e da r ea n a l y z e d ，a n dt h ed i r e c t i o no ff u t u r ew o r ki sg i v e n k e y w o r d ：f i n g e r p r i n tl d e n t i f i c a t i o n ；f o u r i e rt 舢s f o r m ；b a f l d e l i m i n a t i o nf i l t e r ； d i r e c t i o n a l i m a g e ；b i n a r i z a t i o n ；f r i n g ed e i e t i n ga l g o r i t h m 西北工业大学业 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知 识产权单位属于西北工业大学。学校有权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。本人允许论文被查阅和借阅。学校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。同时本人保 证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名 如1 年 指导教师签名： 2 舻厂本 西北工业大学 学位论文原创性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本 人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果， 不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均已在文中以明确方式表明。 本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 学位论文作者签名 m 年 i i t | 北i 业人学硕十学付论文 绪论 1 1 指纹识别技术简介“1 第章绪论 指纹识别技术是生物识别技术的一种。生物识别技术是利用人的生物特征进 行身份验证的技术。人的生物特征包括声音、手型、面孔、虹膜、指纹等。出于 这些特征无法复制、失窃或被遗忘，而常见的口令、智能卡、钥匙等则存在着丢 失、遗忘、复制及被盗用等。生物识别技术被认为是信息安全和身份识别的未来 方向之一。人的生物特征一般需要首先用采集设备转化为数字图像，然后进行识 别，因此又可称为生物图像识别技术。 要把人体的特证用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。研究和 经验表明，入的指纹、掌纹、面孑l 、声音、虹膜、视网膜、骨架等都具有唯一性 和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就可以 抓此谚 别h ：人的身份。基于这些特征，人们发展了指纹识别、面部识别、语音识 则等多剃- l 物以别技术，日曲许多技术都己成熟并得以应用，在所有生物识别技 术中。指纹 = 别是目前对人体最不构成侵犯，而又方便、实用、可靠、价格适中、 最具有代表性和应用前景的一种技术。科学研究发现：两个指纹完全相同的概率 极小，可以认为世界上没有两个人会有相同的指纹( 同一人的任意两个指纹也如 此) 。其次一个人的指纹保持终身不变。因此指纹识别在社会安全、信息安全、 令融安全、家庭安全等领域有很广泛的应用前景。近几年，指纹识别在民用领域 的应用发展迅速，成为一门新兴技术，正在发展成为一个产业。指纹识别技术己 成为生物识别技术的热点， 我们手指表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路 的存在增加了皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手来抓起重物。人们也注意到， 这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说，是唯一的。依靠 这种唯一性。我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过对他的指纹和预先 保存的指纹的比较，就可以验证他的真实身份。这种依靠人体的指纹特征来进行 身份验证的技术称为指纹识别技术。 人类使用指纹技术进行身份识别己有很长一段时间了。现代的指纹匹配技术 主要是1 6 世纪后期产生。h e n r yf a u l d 在1 8 8 0 年首次科学的提出指纹的独立性 和唯一性。这一科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征。一是两个 不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不变。这些发 现奠定了现代指纹鉴定技术的基础。1 9 世纪后期，f r a n c i sg a l t o n 进行了一项广 p q 北i 业人中硕十学何论文 绪论 泛的指纹研究。1 8 8 8 年，他提出了根掘小花纹特征对单个指纹分类。这一指纹 特性的发现立即降低了人们对当时广泛使用的人体测定方法进行身份鉴定方法 的兴趣，纷纷转向于采用指纹技术这一更为有效的身份识别技术。另一个指纹识 别技术上的重大进步是e d 、v a r dh e n r y 于1 8 9 9 年建立了著名的称之为“h e n r y s y s t e m ”的指纹分类系统。这是一种详尽的用来有效的帮助人类专家进行指纹分 类索引的方法。在2 0 世纪早期，指纹鉴定己通过法律的强制效力成为一种胥式 的身份鉴刖技术，并已成为一个法庭庭审的标准过程。指纹鉴别的中介服务机构 也在世界各地应运而生，而且全世界还建立了犯罪指纹数据库。 随着罔像处理、模式识别和计算机科学等学科的发展，大约在2 0 世纪7 0 年 代美1 1 等发达国家先后丌始研究自动指纹识别系统( a u t o m a t c df 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 ) ，简称a f i s 。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像的工具成为现实。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 年代后期，低价位取像设备的引入及 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。 以往在公安系统对犯罪份子在作案现场留下的指纹做技术鉴别时都是用人 工东完成的。做一枚指纹鉴另4 须要3 5 小蚓，而且鉴别的质量也不高，往往会造 成豁别饼瞑。目的利用自动指纹t 别系统柬完成这一艰巨任务，从采集指纹丌始 ；f 卯机接受指令，采集第2 枚指纹，计算机丌始识别纹型、中心、三角、特征点、 鉴别两牧指纹是否相同，所用时f i = i j 只有儿秒钟。 指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研 究。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数掘量相当大，对这些数 掘进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模 糊匹配算法。现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设 备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两 个指纹的比对运算的可能。另外，匹配算法可靠性也不断提高，因此目前指纹识 别技术已经非常实用。 1 2 国内外指纹识别的研究现状 指纹以剐系统每一次的比对都需要三个不可缺少的环节：指纹图像的预处 理、特征提取和特征匹配。目前指纹谚 别的研究u 土大多围绕这三个方面丌展工作。 指纹图像的质量影响着指纹识别的萨确率。一个指纹识别系统如果它的图像预处 剧! 算法小够鞘确，那么它最终都不能在总体上满足一定的识别率。可以说指纹识 别中的图像预处理和增强算法是整个指纹识别系统中很重要的一个环节，因此一 个好的图像预处理算法对于设计一个高识别率的指纹识别系统有着举足轻重的 帕北业人学硕十学伊论文 绪论 作用。指纹的特征提取是指提取出指纹中固有的特征信息，包括指纹的局部特征 和个局特征。特征匹配是把提取臼勺这些全局的、局部的特征进行两个或多个指纹 的校验，从而判定出它们是否是同一个人的指纹。 从2 0 世纪6 0 年代，一些团家如美国，英国、法国等丌始了对指纹自动识别系 统的研制。7 0 年代以后。逐渐出现了一些商业化系统，比较著名的如f b i 系统、 o el ar a ep r i n t r a c 系统、n e c 系统、m o r p h o 系统、l o g i c a 系统、c o g e n t 系统等。 2 0 0 0 年后，世界各国的众多学者仍然致力于数字指纹的研究，每年仅被i e e e 索引 的论文都有上千篇，其中有研究指纹图像增强的、指纹分类方法的、指纹特征提 取和匹配的和研究指纹数掘库的大量文章，数字图像处理的各种方法几乎都应用 于指纹识别。 圈内对指纹自动识别系统的研究较晚，大约丌始于八十年代初但也取得了 令人瞩e i 的成就。如北京大学、清华大学、北京市刑科所、公安部二所等都获得 了不少的研究成果。比较出色的有北京大学的d e n a s 系统，清华大学的c a f i s 系统等。以中科院自动化研究所为代表的课题组得到了国家杰出青年科学基会项 目、国家重大基础研究i i i 期研究专项项目、8 6 3 高科技发展计划项目和国家自然 科学基会项目等众多项目的资助，馒我国的指纹自动识别技术赶上了国际水平。 近年，指纹识别系统的研究与应用成为了一个热点，特别是商业指纹自动识别系 统应用的更广泛，国内出现了众多生物识别科技公司和网站，指纹考勤机、指纹 门禁系统等产品得到了广泛的应用。对于警用大型或者超大型指纹库而言，匹配 的速度和相似性排序是识别技术的关键，但是最后的鉴定结果仍要靠专家认定。 尽管 ；彳纹谚5 别的研究和丌发已取得重要进展，也获得了不少应用，但是指纹 识别的应用日n 0 在指纹识别的准确性和识别速度方面还远远不能满足很多实际 应用的蛋求。造成指纹识别的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。 ( 1 ) 缺少尚效、准确的指纹细节点匹配方法。 通过研究国内外算法的优点和特点，我们从实际应用出发在指纹识别的各 个外节上进行了算法的改进。就本文而言，我们着重于指纹图像的预处理和图像 增强的工作。尽管在此前，人们在这些方面已经提出了很多有实际应用价值的算 法，但是它们的发展还远远的达不到完美。例如有的算法要求对指纹图像先进性 大量的训练在人为的设定参数、图像增强时l 日j 过长、算法复杂度大等，这些问题 都有待于进一步的解决。我们从事的各项算法研究都是在现有算法的基础上进行 有价值的改进性工作，力图提出新颖、高效的预处理算法，改进目前算法的不足。 因此。指纹预处理算法的研究不但有理论上的意义，而且具有实际应用上的 意义。 汕北i 、i p 人。硕十竹论文 绪论 1 3 指纹识别技术的优缺点 因为每个入的包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同， 也就足既，足唯一的，并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性，我们就可以把 一个人同他的指纹对应起来，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就 可以验证他的真实身份。 自动指纹识别是本世纪六十年代兴起的，利用计算机来进行指纹识别的一种 方法。作为生物特征识别的一种，出于它具有其它特征识别所不可比拟的优点， 侵得自动指纹识别有着更为广泛的应用。 指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局部特征，特征点如脊、谷 和终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽驳特征点可以非常的详尽以便可靠地通过 指纹束确认一个人的身份。 a 彳纹钞5 ) j i j 的优点： ( 1 ) 指纹足人体独一无二的特征。并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的 足够特征： ( 2 ) 如果我们想要增加可靠性，我们只需登记更多的指纹，鉴别更多的手 指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的： ( 3 ) 扫描指纹的速度很快，使用非常方便； ( 4 ) 读取指纹时，用户必需将手指与指纹采集头相互接触，与指纹采集头 直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法。这也是指纹识别技术能够占领大部 份市场的一个主要原因。 ( 5 ) 指纹采集头可以更加小型化，并且价格会更加的低廉。 b 指纹u i ) ；i j 的缺点： ( ”某些人或某些群体的指纹因为指纹特征很少，故而很难成像； ( 2 ) 过去田为铂：犯罪纪录中使用指纹，使得某些人害怕“将指纹纪录在案”。 然而，实际上现在的指纹鉴别技术都可以保证不存储任何含有指纹图像的数据， 而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据。 ( 3 ) 每一次的使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这 些指纹痕迹存在被用柬复制指纹的可能性。 指纹识别是成熟的生物识别技术，是目的最方便、可靠、非侵害和价格便宜 的生物识别技术解决方案，有着广大的市场应用潜力。相对于其它身份识别技术， i j 动指纹识别足一利- 更为理想的身份确认技术，用自动指纹识别不仅具有许多独 到的信息安全优点，更重要的是还具有很岛的实用性、可行性，具体体现在以下 几个方面： 仙j 匕i 业人硕十学f j ，论文 绪论 ( 1 ) 每个人的指纹是独一无二的两人之日j 不存在着相同的手指指纹。 ( 2 ) 每个人的指纹是相当固定的，很难发生变化。例如指纹不会随着人的 年龄的增长或身体健康程度的变化而变化，人的声音却有着较大的变化。 ( 3 ) 便于获取指纹样本，易于丌发识别系统，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丌发。另外。识别系统中完成指纹采样功能 的硬件部分也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视网膜样本库供系 统软件丌发使用，这就导致视网膜识别系统难以丌发，可行性较低。 ( 4 ) 一个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，挺商系统的安全性。同时并不增加系统的设计负担。 ( 5 ) 指纹识别中使用的模板并非最仞的指纹图，而是由指纹图中提取的关 键特征，这样使系统对模板库的存储量较小。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。 从以匕的分析可以看到，用自动指纹识别相对于其它方法不仅具有许多独到 的信息安全角度的优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性。 1 4 课题研究理论价值与应用价值 山丁二j 旨纹识别技术尚无成熟的理沦框架，各类研究方法及算法尚处于摸索阶 段。指纹鉴定技术涉及到公安机关的保密工作，在计算机模仿指纹专家实现指纹 识别方面存在着脱节现象，更存在许多技术上的难点。因此，数字指纹图像识别 的珊论必须建立在指纹学的基础上，把图像识别技术有机结合起来，实现两大科 技理论统一，j 能达到人机合一的效果。 指纹自动识别技术的应用是极为广泛的，国内各地公安机关都成了相应的部 门并组织专业人员从事指纹自动识别工作；今年各类指纹自动识别产品成为了会 融行业关注的焦点；指纹笔记本电脑、指纹手机、甚至指纹洗衣机等产品都相继 出现，更多的指纹产品有待进一步丌发。随着网络技术的不断发展，在线指纹自 动识别技术成为了新的热点，指纹以其独有的同一认定的安全特性，在数字化方 而币在迅猛的发展中。 b i l lg a t e s 曾做过这样的断言，生物识别技术，利用人的生理特征，例如像 指纹等来钐l 别个人的身份，将成为今后几年i t 产业的重要革新。g a t e s 的这段言 论是因为有越柬越多的个人、消费者、公司和政府机关都承认现有的基于智能卡、 身份号年密码n 勺身份识别系统是远远的不够的，生物识别技术为此提供了一个解 决方案。生物识别技术是目前最为方便与安全的识别系统，它不需要你记住像身 份号和密码，也不须随身携带像智能卡之类的东西。 i ，q 北i 业人中硕十宁何论文绪论 1 5 自动指纹识别系统中的关键技术 指纹自动识别算法研究的基础是指纹学和数字图像处理技术。指纹学的核心 是指纹棼定，其巾包含着更多的经验理沦。数字图像处理技术应用于指纹研究的 主要内容包括：数字指纹图像的增强技术、数字指纹的特征提取、数字指纹的分 类方法、数字指纹哟匹配。 数字于；彳纹图像的增强技术是指纹自动识别技术中的难点，受采集方法和采集 中指纹汗淑和压力的影l 卿，无论空域滤波还是频域滤波始终难以得到理想的数字 指纹。列此研究的主要内容是观察目蓟的增强方法中哪一种鲁棒性最好，适用范 围最广，在此基础上进一步改进。如果改进后的滤波方法仍然不能避免特征的损 失或附带虚假特征的出现，就必须从厌度图像上入手研究新的特征识别方法。 数字指纹的特征提取是指纹识别技术中不可缺少的环节。通常的特征提取是 建立在滤波后的指纹图像经过二值化和细化的基础上，使得提取的相对简单易 行。但是二值化会造成指纹特征的明显损失，即使识别了指纹特征点。但是没有 刘 纹牦缸进行分类。因此我们将在改进滤波方法基础上，提取分类的指纹特征， 或杆l ! 接从灰发图像j j 搬绘单像索的j 旨纹图像，提取定位坐标的指纹分类特征。 数字指纹的分类方法的研究目对较少，其原因是指纹中心的形念变化较大。 卜l 前再类文献巾仅仅能够完成5 种分类，与人工分类的血步分类法相差甚远。在 当前的指纹自动识别中指纹中心和指纹三角多被剔除，其原因是这两个区域的 指纹特征密集度太高。我们提出的研究方法是要确定指纹的中心和三角的相对关 系，并加入指纹的倾斜线，在此基础上实现指纹的2 3 步分类，为指纹数掘库研 究打好基础。 数字指纹的匹配是建立在特征提取的基础上，指纹特征不是个点，而是一 种形态，指纹形态日j 的关系决定了鉴定结果的可靠性。通常的匹配算法是给每一 个指纹粕。自r 点附加一个方向信息，从而匹配相应各个点的位胃、方向的相似度。 我们挺出的方法足绘刁；同f i q 指纹分类特 l c j j f i 入不同( i q 权重，匹配时在分类数据库 巾首尢是高质量可靠的特征定位匹配然后在全局特征中寻找差异点，并研究差 异点的解释算法，从而提高比对的准确性。 上述自动j i 纹识别过程中的关键点在于如何得到单像素指纹描绘图像，如果 改进后的滤波方法稳定可靠，我们将采取二值化和细化的方法得到单像素的指纹 图像。如果直接从灰度指纹上定位描绘，需要研究新的算法。 1 6 本课题主要完成的工作 本人主要负责自动指纹识别系统中的指纹预处理关键算法的研究与实现工 6 曲北l 业人中硕十宁付论文 绪论 作。针对指纹扶度图像的特点，设计并实现了一套完整的去除原始指纹图像中的 噪声，突出原有指纹纹理特征的预处理方案。全过程可分为带阻滤波器滤波去噪、 二值化、二值增强、细化等四个主要环节，并提供了相应的算法和实验结果，成 功地将理论转化为实际应用，为特征提取和指纹分类打下了良好的基础。具体工 作如下： ( 1 ) 研究了多平叶- 图像滤波增强的方法，并根掘指纹图像的纹理特征提出了 一种基于傅立叶变换的带阻滤波方式。这种滤波方式既能保留图像中高频部分的 有用信息，又能滤除图像中的噪声，同时使整个图像变得平滑，大大提高了指纹 预处理的速度和效果。为后期的研究工作奠定了基础。 ( 2 ) 研究了厌度图像传统的二值化方法，并根掘指纹图像的特殊纹理特性 提出了基于带阻滤波的二值化处理方法和指纹图像相位差分二值化处理方法，大 大提高了指纹图像二值化后指纹特征的保持度。 ( 3 ) 针对二值后图像的增强提出了二值指纹图像方向图增强算法。可以得 到较精确的指纹方向图，这些方向图没有背景区域的干扰，并且不破坏指纹原有 的特征点。对于指纹图像的进一步细化、分类、特征提取和压缩等环节，都能起 到重要作用。 ( 4 ) 通过我们的观察发现现存的指纹库大量存在着有边框线的指纹图像， 这些边框线对指纹中心点定位等有很大的影响，因此我们提出了二值指纹图像边 框滤除算法去除了边框线。 1 7 本文的组织结构 本文的后续部分分为七章进行论述： 第二章介绍自动指纹识别的基本原理，包括指纹结构特征、分类方式、自 动指纹识) j u 系统原理等基础知识。 第三章介绍了数字图像滤波算法，根掘指纹图像特性提出了基于傅立叶变 换的带阻滤波方式，大大提高了指纹图像预处理的速度和效果。 第四章介绍了指纹方向图算法，为指纹图像增强、二值及分类等打下基础。 第血章介绍了传统的图像二值化方法，根掘指纹图像特性提出了基于带阻 滤波的指纹图像二值化处理方法和指纹图像相位差分二值化处理方法。 第六章提出了二值指纹图像方向图增强算法以及二值后处理方法一二值 指纹图像边框滤除算法。 第七章介绍了指纹图像特征提取方法。 第八章对全文进行了总结并对今后的研究工作指明了方向。 阳j el 业人。学硕十学仲论文 白动指纹识别的基本原理 第二章自动指纹识别的基本原理 2 1 生物识别技术和生物识别系统 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 0 1 0 9 y ) 是利用人体生物 特征进行身份认证的一种技术【2 1 1 3 1 。生物特征身份鉴别方法是根据人体各器官或 个人行为之日j 的差异来鉴别个人身份。这种身份鉴别方法具有可靠性、防伪性、 方便性和安全性等特点。随着计算机技术的迅速发展，生物特征鉴别技术将在军 事和人们的同常生活等各方面得到广泛的应用。 生物识别系统对生物特征进行采集，提取其唯一的特征并且转化成数字编 码，并进一步拘这些编码组成特征模板人们同识别系统交互进行身份认证时， _ 5 别系统获取其特征并与数掘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。 2 1 1 生物识别技术的发展 人类利用生物特征识别的历史可追溯到古代埃及入通过测量人体各部位的 尺寸来进行身份鉴别。现代生物识别技术始于7 0 年代中期，由于早期的识别设备 比较昂贵，因而仅限于安全级别要求较高的原子能实验、生产基地等。现在出于 微处理器及各种电子元器件成本不断下降，精度逐渐提高，生物识别系统逐渐应 用于商业上的授权控制如门禁、企业考勤管理系统安全认证等领域。 用于生物以别的生物特征有手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓 等，行为特钔：有签字、声音、按键力度等1 4 “。基于这些特征人们已经发展了手 形识别、指纹以别、面部= 【= 别、发音识别、虹膜识别、签名识别等多种尘物识别 技术。目前人体特征识别技术市场上占有率最高的是指纹机和手形机，这两种识 别方式山是目前技术发展中最成熟的。各种生物识别技术产品利涧的市场占有率 及利润如图2 一l 所示。 图2 一l 各种生物识别技术产品利涧的市场占有率及利润 9 曲北i 业人。学硕十学付论文白动指纹识别的基本原理 人类在追寻文档、交易及物品的安全保护的有效性与方便性经历了三个阶段 的发展。第一阶段也就是最初始的方法是采用大家早已熟悉的各种机械钥匙；第 二阶段是由机械钥匙发展到数字密钥如密码或条形码等；第三阶段是利用人体所 田订的! i ：物特征束辨识与验证身份。生物识别是当今数字化生活中最高级别的安 全密钥系统。 生物识别技术极为方便和安全，它不需要记住复杂的密码，也不需随身携带 钥匙、智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，没有什么能比这种认 词! 方式更安全、更方便了。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性和 在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份 认定，安全、可靠、准确。此外，生物识别技术产品均借助于现代计算机技术实 现，很容易配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。指纹机和 手形机的市场占有率为3 4 和2 6 。 由于人体特征具有人体所固有的不可复制的唯一性，这一生物密钥无法复 制，失窃或被遗忘。而常见的口令、i c 卡、条纹码、磁卡或钥匙则存在着丢失、 遗忘、复制及被盗， j i 彳f 多不利因素。因此采用生物“钥匙”您可以不必携带大 i 的们匙也不用费心去记或更换密码。而系统管理员更不必因忘记密码而束手 无策。但是多种生物谚 别技术如何选择使用，各种生物识别技术的比较可以由表 2 一l 看出【7 l 通j 】唯一件打久竹口j 采棠件件能可接受度 人j f 金低中等凡低而 指纹中等品而中等晶中等 掌纹 中等中等中等i 几j中等中等 虹脱 而高中等册低 税州膜以t ：i中等低函低 签名 低 低低而低晶 语高中等低 低 中等低而 表2 1 几种尘物识别技术的比较 l | 表- i - 我们可以看f 5 综合各项指杯指纹识别技术是比较成熟、可靠的生物识 刖技术。 2 2 指纹识别的基本原理 指纹识别作为识别技术已经有很长的历史了，有着峰实的市场后盾。按照一 般人的看法，指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和局部特征，特征点如脊、 谷、终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽取的特征值可以非常的详尽以便可靠地 通过指纹来确认一个人的身份。平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征 点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少4 9 0 0 个独立可测 0 曲北iq p 人等硕十宁仲论文 白动指纹识别的基本原理 量的特征，这足够来确认指纹识别是否是一个更加可靠的鉴别方式。 2 2 1 指纹的结构特征和细节点特征 指纹图像中有两类重要的特征i7 】一类是指纹纹线的结构特征，或称为全局 特征：另一类是由纹线上的细节点位置及其相互关系组成的细节特征。结构特征 一般用于指纹数掘分类；而细节特征可以用于对指纹进行唯一识别。 一、全局结构特征 1 9 0 0 年，e h e n r y 对指纹的全局特征进行了深入广泛的研究，形成了著名 的“h e n r y 分类系统”，它将指纹分为五种主要的类型：拱类、左旋类、右旋类、 尖拱类、旋涡类( 也就是“斗”) 。如图2 2 为这血种类型的指纹示例。指纹分类不 能壹接作为指纹识别的依掘。指纹分类的依掘主要是指纹中若干个局部纹线变化 特性，即所谓的“奇异点”( s i n g u l a r i t y ) 所组成全局纹线模式。其中最典型的 奇异点是中心点( c o r e ) 和三角点( d e l t a ) 。 拱类左旋类也旋类尖拱类旋涡类 图2 2 指纹的血类分类法 其他的指纹图案都基于这几种基本图案。仅仅依靠纹形来分辨指纹是远远不 够的，这只是_ 个粗略的分类，通过更详细的分类使得在大数掘库中搜寻指纹更 为方便快捷。 模式区( p a t t e r na r e a ) 模式区是指指纹上包括了总体特征的区 域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的。有的指 纹识别算法只使用模式区的数据。s e c u r e t o u c h 的指纹识别算 法使用了所取得的完整指纹而不仅仅是模式区进行分析和识别。 核心点( c o r ep o i n t ) 核心点位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时作 为参考点。许多算法是基于核心点的，只能处理和识别具有核心 点的指纹。核心点对于s e c u r et o u c h 的指纹识别算法很重要， 但没有核心点的指纹它仍然能够处理。 曲j 匕i 业人学硕十。学竹论文白动指纹识别的基本原理 三角点( d e l t a ) 三角点位于从核心点丌始的第一个分叉点或者 断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇 异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的丌始之处。 纹数( r i d g ec o u n t ) 指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连 接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是 指纹的纹数。 作为纹线特征的中心点是指指纹中心部位脊线上曲率最大的点。严格的定义 为：从桀j _ 的一侧的领近点沿脊线向该点移动，若越过陔点后，其的进方向发生 18 0 0 或近似于1 8 0 0 的改变，则该点为中心点( 如图2 3a ) 。中心点附近的纹线都 急剧地向同一方向突起。拱形指纹中，由于没有明显的纹线突起，因此无中心点； 帐形、左箕和右箕指纹中分别有一个中心点；而斗形指纹中有两个中心点。 指纹中的三角点是指三个方向脊线的交汇处。以三角点为中心的局部区域 内，存在有较为明显的三个不同方向的脊线( 如图2 3b ) 。在各种类型的指纹中三 角点出现的次数和中心点出现的次数是一致的。即对应于拱形、帐形，左箕、右 箕和斗形分别具有o 个、1 个和2 个三角点。因此，我们有时也把中心点和三角 点合起来，称为中心三角对。 利川1 1 i 心三角对的对数可以直接区分出拱形和斗形( 分别是o 对和2 对) 。而余f 的三种类别的区分应该根掘中心点和三角点的相对位胃柬判断。一 般的，帐形指纹中中心点和三们点的连线与局部的纹线方向相一致，而在箕形 指纹中这一连线与局部纹线方向成一定的角度。 a 中心声 中心点 b 三角点 图2 3 结构特征示意图 纹型是指纹的基本分类，是按中心花纹和三角的基本形态划分的。纹形从属 于型，以中心线的形状定名。按我田指纹分析法指纹分三大类型。九利t 形态。可 见型与形是类与利一的关系。如图2 4 所示： 曲北i 业人学硕十学付论文 白动指纹识别的基本原理 图2 4 纹形分类 二、细节特征 指纹分类对于确定两个指纹是否匹配是很有帮助的，可以大大减少指纹的匹 配搜索时问，通过指纹的分类，可以立即排除不同类别的指纹。在具有大量指纹 数掘的大型指纹数掘库中进行指纹查找识别时，指纹的类别信息可以大大缩小查 我的范围，从而提高查找效率。但是指纹分类并不能唯一地识别一个指纹。一个 指纹的l f 作一性是由其局部脊线特征( 细节特征) 及其相互关系决定的。f g a l t o n 最早在指纹的分析中引入的细节特征的概念，他定义了四种细节特征：端点、分 义点、短线和眼形线。后来的研究者对其进行了扩展，到目前为止有大约1 5 0 种 1 i h 的局部特征，其中较常见的几种特征如下所示。但这些特征的出现概率不是 均等的，在很大程度上受输入条件和指纹本身的影响，其中的大多数特征在一般 情况下并不出现。 疗 终结点( e n d i n g ) 一条纹路在此终结。 黔 分叉点( b i f u r c a t i o n ) 条纹路在此分丌成为两条或更多的 纹路。 分歧点( r i d g ed i v e r g e n c e ) 一两条平行的纹路在此分丌。 孤立点( d o to ri s l a n d ) 一条特别短的纹路，以至于成为一 点。 环点( 髓c l o s u r e ) 一条纹路分开成为两条之后，立即有合并 成为一条，这样形成的一个小环称为环点。 之 壹二 曲北i 业人学硕十中忙论文白动指纹识别的基本原理 9 短纹( s h o r tr i d g e ) 一端较短但不至于成为一点的纹路。 方向( o r i e n t a t i o n ) 节点可以j 着一定的方向。 曲率( c u r v a t u r e )一描述纹路方向改变的速度。 位置( p o s i t i o n )节点的位眢通过( x ，y ) 坐标来描述，可以是绝对的， 也可以是相对于三角点或特征点的。 在美囤联邦凋查局( f b i ) 的指纹表示法中，将指纹中最常见的两种细节特 征：脊端点和脊分叉点作为指纹的区分标志，用这些特征点的位置和方向角柬表 证指纹。一条脊线的突然终止点定义为脊端点，一条脊线分叉为两条分支脊线时 的点定义为分叉点。在一幅清晰完整的指纹图像中可以检测出大约7 0 _ 8 0 个这样 的细节点。而在质量较差的指纹图像中可能只有2 0 3 0 个细节点。更复杂的细节 箱征可以用这两个基本特征的组合束表示。例如：对于眼线，可以认为是两个分 叉点的组合：对于短线可以看作是一对相距很近的端点的组合。在实际应用中。 脊端点和脊分叉点并无，格区分，这是山于采集条件( 如光照、压力等) 的差异所 造成的，使两种特征很容易相互转化。目前自动指纹识别系统中最常用的是f b i 纳匹配校型。即用脊端点和脊分义点作为细节特征匹配，实现唯一性识别，绝大 多数商用系统中也是采用咳模型。这主要是因为这两种特征是对噪声最不敏感 的，而其他特征则易受干扰。 指纹的细节点一般用作对指纹一对一地唯一性识别。一个指纹中的每个细节 点特征有两个属性组成：细节点的位置和在该位置上的指纹方向。所有这些细节 点特征构成指纹识别模板。当进行一对一指纹识别时，我们将两个指纹的识别模 板对齐和缩放后，再进行两个识别模板中对应细节点特征的逐一比较，汇总这些 【e 较绌果就可以形成这两个指纹的总体相似度。通过设定总体相似度闽值的方法 米最终决定两个指纹是否来自同一手指。 2 3 自动指纹识别系统介绍 自动指纹识别系统( a f i 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 ) 是随 着计算机技术的发展而兴起的。它利用模式识别和图像处理的理论和方法，用计 算机提取出采集到的指纹的特征信息，然后再将这些特征存储在计算机的硬盘上 建立起指纹特征库。这样，通过不是记录整幅指纹图像而是只汜录那些代表整幅 指纹的特征信息大大的节省了存储空m 。识别时再通过计算机提取出刚刚采集到 的指纹的特征，和指纹库中的指纹特征进行比较，从而达到指纹识别 ( i d e n t i f l c a t i o n ) 和指纹辨别( v e r i n c a l i o n ) 的目的。这种特征比对而不是整幅 i 刘像比较的技术既节省了匹配判断的时日j 又不失指纹识别的准确性。由于计算机 i j q 儿i 卅人学硕十何论文 自动指纹识别的基本原理 具有速度快、容量大等诸多优点，这种自动指纹识别系统比传统的手工识别具有 不可比拟的高效率、容易操作簧优点。 如图2 - 5 为一个典型的指纹自动识别系统的结构框图，它主要有四部分组成： 用户界面，系统数掘库，注册模块和校验模块。 注册模块 图2 5 自动指纹 = 别系统结构框图 应用系统利用指纹识别技术可以分为两类1 8 l ，即验证( v e r i f i c a t i o n ) 和辨识 ( i d e n t i 6 c a t i o n ) 。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已登记的指纹进 行一对一的比对( o n e t o o n em a t c h i n g ) ，来确认身份的过程。作为验证的前提 条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。指纹以一定的压缩格式存贮，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，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。验证其实是 网答了这样一个问题：“他是他自称的这个人吗? ”这是应用系统中使用得较多 的方法。指纹验证系统如图2 6 所示： 圈例 髓记 岭验证 漕输 l n o 出示扭缎 j 计孽特盐值 傅疗l d 与挣抒壤 簟凳墨辩整 蒜0 铲 。一刍一一。 一对一揩蛙登记与辕证聚雏示孽圈 图2 6 指纹验证系统示意图 辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与 现场指纹相匹配的指纹。这也叫“一对多匹配( o n c - t o m a n ym a 【c 1 1 i i n g ) ”。验证 其实是回答了这样一个问题：“他是谁? ”辨识主要应用于犯罪指纹匹配的传 统领域中。一个不明身份的人的指纹与指纹库中有犯罪记录的人指纹进行比对， ，_ 1塞u 坐麓- 型 。一j 茴 曲，i li 业人中硕十学何论文自动指纹识别的基本原理 柬确定此人是否曾经有过犯罪记录。指纹辨识系统如图2 7 所示： 簟 阿倒 _ 髓记 验证 髫# m 出奇抽， 计k 幢 和m 疗蛐0 征 曹j t 一心# 凸二扩培出仲 一弗户豢 旦皇! !l 一对多指纹登记与辨识蘑统示誊围 图2 7 指纹辨识系统示意图 验证和辨识在比对算法和系统设计