基于指紋圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)預(yù)處理的算法研究

王小雪

（安徽工程大學(xué) 電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000）

指紋圖像自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中最為重要的是預(yù)處理算法，指紋圖像預(yù)處理中的一些細(xì)節(jié)提取是預(yù)處理算法中最為核心內(nèi)容，提取質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確率和速度有很大的關(guān)系.在進(jìn)行指紋圖像預(yù)處理中對(duì)細(xì)節(jié)的提取尤為關(guān)鍵，為了適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需要再此基礎(chǔ)上提升預(yù)處理算法的改進(jìn)，從多方面對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行不斷的完善，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行來說有非常重大的意義.通過不斷的運(yùn)行實(shí)踐證明改進(jìn)后的預(yù)處理算法有很大的實(shí)際效果，提高了運(yùn)行效率.

1 圖像預(yù)處理過程

指紋圖像預(yù)處理過程是一項(xiàng)較為系統(tǒng)的工程，主要是將圖像和背景兩者通過技術(shù)處理進(jìn)行分離，提取分離后的信息和紋線，將提取出的信息和紋線再次細(xì)化和二值分割，細(xì)化之后進(jìn)行紋線的修復(fù).在進(jìn)行指紋圖像預(yù)處理的過程中需要先將灰度指紋圖像采用一定的方法進(jìn)行背景的分離，再進(jìn)行指紋紋線的提取，最后偶進(jìn)行二值分割圖像和紋線修復(fù)[1].在進(jìn)行細(xì)節(jié)信息的提取模塊中進(jìn)行指紋匹配模塊的加入，以此提高指紋識(shí)別系統(tǒng)中的識(shí)別功能，在提高的過程中采用的計(jì)算方法相對(duì)不同模塊需要進(jìn)行算法的比對(duì).

2 指紋圖像與背景分離

指紋圖像在進(jìn)行收集階段會(huì)有大量的背景區(qū)域出現(xiàn)，背景區(qū)域空間比較大，占整個(gè)區(qū)域的一半以上，因此，在此基礎(chǔ)上需要進(jìn)行指紋背景圖像的分離，這樣做的目的就是對(duì)指紋圖像的有效區(qū)域進(jìn)行明確，然后對(duì)有效區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的圖像預(yù)處理計(jì)算，這在很大程度上能夠縮短處理時(shí)間，提高圖像處理效果.

由于手指指紋是曲線形的，呈現(xiàn)出曲面結(jié)構(gòu)，一般情況下指紋錄入儀窗口都是平面的，指紋的收集是靠手指和平面的接觸來完成，因此，手指在窗口位置不同或者對(duì)窗口的壓力不同都會(huì)導(dǎo)致指紋圖像出現(xiàn)深淺不一的情況，比如，窗口中心處指紋較深，邊緣處指紋較淺，這就需要指紋圖像分離算法能夠適應(yīng)該情況，不管是指紋的深淺都能夠進(jìn)行背景圖像區(qū)域的分離，并且能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算.所以，進(jìn)行自動(dòng)局部閾值圖像分離方法尤為重要，這能夠有效對(duì)該問題進(jìn)行解決.此方法的計(jì)算方法主要是通過垂直指紋紋線流中的灰度級(jí)方差大小，該計(jì)算方法的計(jì)算原理的采納有多種，一般情況下是采用方差來進(jìn)行紋線距離的計(jì)算[2-4].由于計(jì)算區(qū)域不同，在對(duì)比過程中的環(huán)境也有較大差異，導(dǎo)致灰度值方差計(jì)算出現(xiàn)一定的差異性，灰度值方差之間的變化也比較大，為了保證選擇的閾值能夠?qū)植糠讲钭兓M(jìn)行更好的滿足，需要對(duì)不同模塊的灰度值進(jìn)行灰度方差閾值進(jìn)行合理的選取.整幅指紋圖像的分塊中將320*320像素圖像分成20*20塊，在對(duì)每塊指紋圖像的灰度方差進(jìn)行計(jì)算.

其中，(i,j)的灰度值是 G(i,j)；LMax(k,l)和 LMin(k,l)是第(k,l)塊的最大灰度值和最小灰度值,Aver(k,l)是灰度均值.

若Var(k,l)>Td(k,l)，那么第(k,l)塊是指紋圖像區(qū)域或是背景區(qū)域，這在一定程度上是對(duì)灰度對(duì)比度的不同變化進(jìn)行全面的顯示，并對(duì)閾值產(chǎn)生不同的影響.平方函數(shù)有較大的計(jì)算功能，以此作為懲罰函數(shù)，這對(duì)背景區(qū)域的精確成像有很大的幫助作用，這在很大程度上能夠適應(yīng)不同塊的灰度方差閾值的變化，以此進(jìn)行合理的對(duì)有效區(qū)域指紋進(jìn)行必要的提取，這對(duì)指紋圖像區(qū)域的精確度有非常重要的作用.另外，指紋圖像具有較強(qiáng)的方向流模式，方向流模式最為重要的部分就是局部平行的脊線與谷線.其中脊線方向灰度變化不大，這有效的凸顯出了紋路走向，局部平行方向的灰度變化非常大；背景區(qū)域和噪聲區(qū)域中沒有明確的方向性，因此，該計(jì)算方法采用該特點(diǎn)將指紋圖像塊中的任何一點(diǎn)進(jìn)行平行于垂直方向的灰度變化求值，比如，對(duì)于一點(diǎn)沿著不同方向取不同的四個(gè)點(diǎn)，另其中的灰度值進(jìn)行相減，計(jì)算出不同區(qū)域中點(diǎn)在不同方向上的平均灰度變化值，再進(jìn)行灰度變化值的分割，對(duì)不同區(qū)域值進(jìn)行確定.

3 方向信息提取

方向信息提取在指紋圖像中非常重要，它是指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行各項(xiàng)功能實(shí)施的基礎(chǔ)，指紋的紋線是增強(qiáng)與提取都需要進(jìn)行方向信息的計(jì)算和確認(rèn)，該計(jì)算以固定的分塊尺寸作為計(jì)算紋線方向，相較于紋線較為清晰的指紋圖像可以進(jìn)行較為清晰的指紋圖像信息的提取，如果指紋圖像相對(duì)較差，方向信息提取就會(huì)出現(xiàn)明顯的不足，對(duì)大塊的圖像尺寸得到的方向信息提取較為完善和可靠，與此同時(shí)指紋圖像中出現(xiàn)的噪聲對(duì)信息提取影響較小，會(huì)降低塊方向和實(shí)際走向的擬合度，小塊圖像尺寸得到的方向信息和實(shí)際紋線擬和度比較好，但是唯一的缺點(diǎn)就是沒有較好的抗噪性.因此，對(duì)該區(qū)域的計(jì)算需要進(jìn)行合理的改進(jìn)，進(jìn)行多級(jí)分割的指紋方向信息提取算法.第一步將指紋圖像進(jìn)行不同程度的分割，將分割后的區(qū)域進(jìn)行精確的計(jì)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)不同塊方向進(jìn)行計(jì)算[5-8]，并采用濾波器對(duì)不同級(jí)別的分塊指紋圖像進(jìn)行平滑，主要是對(duì)不正確的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正，低通濾波器描述如下：

h作為二維低通濾波器元件；wΦ*wΦ作為濾波器尺寸；w作為分塊尺寸.運(yùn)用多級(jí)分割，利用多級(jí)分割技術(shù)中的抗干擾性，利用方向信息對(duì)大尺寸信息進(jìn)行調(diào)整，使大尺寸方向信息分割成小尺寸方向信息，以此來對(duì)不同方向中圖像的準(zhǔn)確性進(jìn)行定位，但是在很大程度上會(huì)出現(xiàn)方向信息紊亂，出現(xiàn)此種情況的主要原因是在尺寸分割中對(duì)反應(yīng)模式區(qū)沒有較為客觀的的突變.因此，需要對(duì)模式區(qū)采取不同的建模形式，根據(jù)模式區(qū)的規(guī)律性來客觀處理，達(dá)到模式區(qū)中方向信息的穩(wěn)定性.

對(duì)模式區(qū)進(jìn)行調(diào)整的依據(jù)包括如下：（1）局部方向信息的突變性.實(shí)質(zhì)上是對(duì)不同區(qū)域中的方向信息進(jìn)行計(jì)算，確保一致性，如果不具有一致性就需要采取下一步措施；（2）對(duì)本次分割進(jìn)行計(jì)算并與上一級(jí)分割的計(jì)算結(jié)果的塊方向進(jìn)行角度差的計(jì)算，如果差距較大表明小尺寸方向信息有誤，需要利用大尺寸方向信息對(duì)其更改.

（1）坌D16[m][n]∈D32[r][s]，若 D16[m][n]-D32[r][s]>T1,則令D16[m][n]=D32[r][s],否則保持D16[m][n]值不變.

（2）坌D8[i][j]∈D16[m][n],若 D8[i][j]-D16[m][n]>T2,則令 D8[i][j]=D16[m][n],否則保持 D8[i][j]值不變.

T1T2是兩個(gè)經(jīng)驗(yàn)門檻值，D8[i][j]是8*8分塊尺寸下方向信息.

4 紋線提取

紋線提取模塊在系統(tǒng)中起到了調(diào)節(jié)的作用，對(duì)紋線進(jìn)行增強(qiáng)，于此同時(shí)還起到了平滑作用，指紋紋線有很強(qiáng)的方向性，所帶的方向信息尤為重要，這對(duì)計(jì)算有很大的輔助作用，并且能夠構(gòu)建出模板，再根據(jù)模板信息進(jìn)行方向性的平滑處理，能夠?qū)﹂g斷進(jìn)行不同的連接，根據(jù)紋線方向最大程度上增強(qiáng)紋線，將連接的紋線完全分離開開來，這實(shí)質(zhì)上是單向平滑和增強(qiáng)，這表明了紋線的增強(qiáng)和平滑具有較強(qiáng)的方向性.Gabor函數(shù)計(jì)算有很強(qiáng)的分辨率，并且有最佳時(shí)域，此特點(diǎn)有很好的兼顧效果，能夠?qū)r(shí)域進(jìn)行完善，在一定程度上可以將頻域信息進(jìn)行處理，有利于紋線的計(jì)算和提取.指紋圖像區(qū)域中有異常區(qū)域，排除異常區(qū)域，紋線分布具有較為穩(wěn)定的方向性和頻率性等特點(diǎn)，紋線提取這主要是利用了紋線的方向性和頻率來實(shí)現(xiàn)，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行不同模塊的構(gòu)建，在構(gòu)建過程中對(duì)紋線進(jìn)行增強(qiáng)來降低噪音，能夠?qū)y線進(jìn)行很好的計(jì)算和必要的保存，紋線頻率的計(jì)算是系統(tǒng)維持穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算運(yùn)用紋線區(qū)域距離估計(jì)的方法，這種估計(jì)方法可以對(duì)指紋紋線的頻率進(jìn)行很好的統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，偶對(duì)稱Gabor濾波器具有以下形式：

在指紋增強(qiáng)中，公式調(diào)整為：

m、n作為離散變量，離散變量值始終在標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)；δm,δn作為縱橫軸的高斯包絡(luò)常數(shù)；f作為分塊圖像的紋線頻率，很好的體現(xiàn)出紋線頻率信息；d(m,n)作為增強(qiáng)模板中的元素到模板中心的距離.

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

實(shí)驗(yàn)中對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中的預(yù)處理技術(shù)和計(jì)算方法進(jìn)行細(xì)致的改進(jìn)，采用了比較新穎的思路和計(jì)算方法，通過系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明了該算法有較高的可行性，通過將指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理計(jì)算轉(zhuǎn)變?yōu)辄c(diǎn)線圖，對(duì)該點(diǎn)線圖的清晰度要求比較高，點(diǎn)線圖中有較多的細(xì)節(jié)信息，比如，有較細(xì)微的端點(diǎn)和分叉點(diǎn).為了能夠?qū)ο到y(tǒng)整體性能進(jìn)行更好的描述，實(shí)驗(yàn)采用某大學(xué)活體指紋庫進(jìn)行測(cè)試，對(duì)110個(gè)不同手指指紋進(jìn)行采集，測(cè)試結(jié)果見表1.

表1 本系統(tǒng)在NJU-2000數(shù)據(jù)庫上的測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：將FNMR作為FMR的函數(shù)，以FNMR和FMR作為縱橫坐標(biāo)，得到的ROC曲線反應(yīng)出了綜合技術(shù)指標(biāo)中的特異性和敏感性.實(shí)驗(yàn)證明系統(tǒng)中的預(yù)處理計(jì)算達(dá)到了相對(duì)指標(biāo)，計(jì)算指標(biāo)和傳統(tǒng)相比有很大的優(yōu)勢(shì)，并且有一定程度上的降低.

實(shí)驗(yàn)對(duì)不同指紋圖像進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試顯示，誤識(shí)率降低到0.01%以下，拒識(shí)率降低到2%以下，完全符合了指紋圖像識(shí)別系統(tǒng)的綜合技術(shù)指標(biāo)，與此同時(shí)驗(yàn)證時(shí)間在2s以內(nèi)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)對(duì)比，該實(shí)驗(yàn)指標(biāo)都達(dá)到了標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)，說明計(jì)算方法具有較大的優(yōu)勢(shì).

但是在現(xiàn)實(shí)的運(yùn)行中，會(huì)遇到不同的問題和一定的困難；(1)指紋圖像在進(jìn)行信息提取和分割的過程中都采用了先進(jìn)的閾值作為參照，對(duì)這些參照物的準(zhǔn)確估計(jì)和計(jì)算能夠在很大程度上影響到處理結(jié)果，對(duì)處理結(jié)果精確度的提高有非常大的關(guān)聯(lián)；(2)對(duì)預(yù)處理計(jì)算方法進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，能夠有效降低計(jì)算量，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)識(shí)別，特別是準(zhǔn)確率和速度都有很好的識(shí)別；(3）指紋質(zhì)量的評(píng)測(cè)，為不同區(qū)域中指紋圖像進(jìn)行客觀的評(píng)分，有效避免了被破壞的指紋區(qū)域的屏蔽，對(duì)細(xì)節(jié)提取技術(shù)進(jìn)行有效的改進(jìn).

6 結(jié)束語

由上文可以看出，指紋圖像識(shí)別系統(tǒng)在現(xiàn)代社會(huì)中有較為廣泛的應(yīng)用，指紋有較高的穩(wěn)定性和差異性，能夠起到對(duì)人們身份鑒別的功能，比傳統(tǒng)的識(shí)別系統(tǒng)有很大的提高，該系統(tǒng)在我國(guó)有很大的應(yīng)用價(jià)值.很多人稱之為“物證之首”.指紋對(duì)比如果進(jìn)行人工操作較為復(fù)雜，并且對(duì)比速度緩慢，效率低下，很大程度上滿足不了人們快節(jié)奏的生活和需求.

運(yùn)用指紋識(shí)別系統(tǒng)最早的國(guó)家是美國(guó)，采用圖像自動(dòng)鑒別已經(jīng)提到了人工指紋識(shí)別，并且早在80年代就已經(jīng)發(fā)明了指紋識(shí)別設(shè)備.我國(guó)近幾年來也開始采用指紋圖像識(shí)別技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，在不同行業(yè)中進(jìn)行實(shí)踐操作，并且取得了不錯(cuò)的成績(jī)，未來我國(guó)會(huì)將指紋圖像識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)用到各個(gè)行業(yè)當(dāng)中去，不但安全性高，而且在很大程度上保證了人們的各方面利益.我國(guó)下一步會(huì)將這種指紋圖像識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)用到身份證的錄入當(dāng)中，保證人們的身份安全，通過指紋圖像識(shí)別技術(shù)的不斷完善和成熟，進(jìn)一步提高系統(tǒng)運(yùn)行的精確度，最大程度上保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行.

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