基于可控方向值方圖算法的掌紋圖像特征提取技術(shù)

【摘要】采用多通濾波檢測器實(shí)現(xiàn)對掌紋圖像的特征信息采集，對采集的掌紋圖像進(jìn)行不同層次的特征信息分割，通過深層特征提取方法實(shí)現(xiàn)對掌紋圖像特征融合處理。構(gòu)建掌紋圖像的可控方向值二維融合調(diào)度模型，結(jié)合多維多視角圖像的分割先驗(yàn)知識，建立掌紋圖像特征提取的可控方向值方圖;分析掌紋圖像的淺層特征信息和深層特征信息，對各層特征信息實(shí)現(xiàn)信息融合;利用可控方向值方圖融合算法實(shí)現(xiàn)對掌紋圖像特征提取和識別優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行掌紋圖像特征提取的精度較高、誤分率較小，提高了對掌紋圖像的識別和檢測能力。

【關(guān)鍵詞】可控方向值方圖;掌紋圖像;特征提取;圖像分割

〔中圖分類號〕TP391 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕A 〔文章編號〕1674-3229（202004- 0024一05

0 引言

掌紋同指紋一樣，都是人體的重要生物特征。隨著圖像處理技術(shù)的發(fā)展，利用智能圖像特征分析方法提取人體的生物特征信息，完成圖像特征的提取和有效的數(shù)據(jù)融合，全面地將個體特征提供給識別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了特征提取技術(shù)在身份鑒定和辨識等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[1]。

對掌紋圖像特征提取的傳統(tǒng)方法主要有模糊信息處理法、基于支持向量機(jī)學(xué)習(xí)法以及基于圖像分割的特征提取方法等，構(gòu)建掌紋圖像特征提取的圖模型結(jié)構(gòu)，通過二維和三維空間分布式重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)掌紋圖像特征提取。傳統(tǒng)方法進(jìn)行特征提取的適應(yīng)度不高、精度不好[2-4]。

針對上述問題，本文引入可控方向值方圖算法提取掌紋圖像特征，在掌紋圖像特征（邊緣輪廓等）的分割處理上采用深層特征融合，結(jié)合多維多視角圖像分割構(gòu)建可控方向值二維融合調(diào)度模型，從而實(shí)現(xiàn)掌紋圖像特征的提取。

1 掌紋圖像采集和分割預(yù)處理

1.1 掌紋圖像采集模型

結(jié)合小波多尺度分解[5]方法實(shí)現(xiàn)掌紋圖像中關(guān)鍵特征分解重構(gòu)，并用矢量量化圖像的小波變換系統(tǒng)，采用圖像編碼技術(shù)，構(gòu)建掌紋圖像的特征提取模型，如圖1所示。

圖1 掌紋圖像特征提取模型

根據(jù)圖1所示的掌紋圖像特征提取模型，采用特征圖的細(xì)化操作方法，獲得掌紋的紋理特征信息，根據(jù)掌紋圖像的紋理分布的字典集[6]，采用迭代深層特征信息融合的方法，得到掌紋圖像特征提取的紋理字典集為：

其中，f為掌紋圖像特征參數(shù)，△g為深層提取的特征信息參數(shù)，y（j）為構(gòu)造特征圖信息融合參數(shù)模型，通過學(xué)習(xí)圖像塊的數(shù)據(jù)特征得到掌紋信息增強(qiáng)的尋優(yōu)模型描述為：

其中，pi（t）為掌紋的語義相關(guān)性融合特征函數(shù)，△p（t）為語義分割網(wǎng)絡(luò)分布的結(jié)構(gòu)特性，采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析的方法，得到輸出的zi（t），zj（t）表示掌紋圖像的特征提取視覺分布點(diǎn)，采用空間區(qū)域映射和線性融合的方法，得到掌紋圖像的多層次紋理分布結(jié)果為：

其中，hn為提取掌紋的紋理稀疏特征分量，采集的掌紋圖像進(jìn)行不同層次的特征信息分割，采用深層特征提取方法實(shí)現(xiàn)紋理信息衍射分析，提高掌紋圖像的識別能力[7]。

1.2 掌紋圖像分割

采用深層特征融合完成掌紋圖像的分割處理，采用邊緣輪廓提取方法構(gòu)建掌紋圖像的超維信息特征分割模型，通過三維信息空間重構(gòu)，進(jìn)行掌紋圖像的信息增強(qiáng)處理[8]，提取掌紋圖像的稀疏性特征解集，通過模糊度尋優(yōu)，得到掌紋圖像的自相關(guān)特征匹配模型為：

其中，df為掌紋圖像的稀疏度融合特征分量，dfi，j為掌紋圖像的超分辨融合分布系數(shù)，以像素點(diǎn)j為中心進(jìn)行掌紋圖像的小波多尺度融合和線性分割。初始化掌紋圖像的紋理特征點(diǎn)，對于每個掌紋圖像的特征點(diǎn)K的近鄰點(diǎn)[9]，得到掌紋紋理融合解析控制函數(shù)為：

其中，i為掌紋圖像的紋理信息分割的閾值，R為一個規(guī)范常量，sj為掌紋圖像的多維特征空間融合系數(shù)，gi為掌紋圖像邊緣特征子集，通過離散線性序列融合[10]，得到掌紋圖像深度學(xué)習(xí)的紋理映射特征分布函數(shù)為：

其中，k（a）為掌紋圖像特征提取的子空間映射函數(shù)，構(gòu)建掌紋的模板匹配模型，根據(jù)線性分割結(jié)果，得到掌紋圖像的邊緣輪廓子集，得到子集信息分量為：

其中，гv為掌紋匹配模型參數(shù)，lx為紋理分布函數(shù)值，構(gòu)建掌紋圖像的深層次紋理映射模型，提高掌紋圖像的信息融合和特征辨識能力[11]。

2 掌紋圖像特征提取優(yōu)化

2.1 掌紋圖像可控方向值二維融合

構(gòu)建掌紋圖像的可控方向值二維融合調(diào)度模型，結(jié)合多維多視角圖像分割的先驗(yàn)知識，建立掌紋圖像特征提取的可控方向值方圖，采用平衡語義標(biāo)簽分布插值運(yùn)算的方法[12]，得到掌紋圖像的可控方向值分布維數(shù)為m，在掌紋數(shù)據(jù)庫中采用線性匹配濾波檢測的方法，得到掌紋圖像的可控方向下的紋理分布序列為Aj（j=1，2，…，n），d=[d1d2…dn]表示掌紋圖像可控方向值的差異度，dj≥0，∑j=1dj=1，dj表示掌紋圖像可控的相似度分布距離，結(jié)合光流信息檢測的方法，得到掌紋分布序列模板匹配輸出為：

選擇直方圖模板匹配方法，得到掌紋的可控方向值方圖為：

p（v）=Jc+Ω（X）+U（9）

其中，Jc為可控方向值方圖的模糊度函數(shù)，Ω（X）是融合光流場檢測增強(qiáng)系數(shù)，采用空間區(qū)域模型動態(tài)切換的方法，提取掌紋圖像的相似度信息，得到T次迭代后的模糊度系數(shù)，得出掌紋圖像可控模糊參數(shù)為：

其中，J（x）為掌紋圖像的目標(biāo)直方圖重建系數(shù)，I（x）為掌紋分布的光流場幅度圖。根據(jù)上述分析，構(gòu)建掌紋圖像可控方向值二維融合模型[13]。

2.2 掌紋圖像特征提取輸出

采用相似性區(qū)域合并的方法，構(gòu)建掌紋圖像可控方向的Kalman濾波分析模型，結(jié)合區(qū)域等效直方圖分析方法[14]，得到掌紋圖像的稀疏特征點(diǎn)用I（i，j）描述，得到目標(biāo)模板I（k）（i，j）表示如下：

其中，k表示出區(qū)域等效直方圖的等效區(qū)域控制系數(shù)，采用鄰域加權(quán)控制的方法，得到掌紋圖像可控方向的分層特征提取輸出為：

M=I（K）（i，j）+d（z）+he（12）

其中，d（z）為掌紋圖像的灰度特征分布參數(shù)，he為當(dāng)前處理區(qū)域函數(shù)，對每個窗口的直方圖實(shí)現(xiàn)加權(quán)控制，結(jié)合紋理穩(wěn)態(tài)識別的方法，得到模板匹配的差異度函數(shù)為：

其中，hk、gk代表圖像融合和濾波系數(shù)，若Xi為原始掌紋紋理線性分布序列，yi、zi分別為掌紋特征融合系數(shù)，其面積為Ai。根據(jù)匹配模板直方圖分析和線性跟蹤識別，得到掌紋圖像的特征提取輸出的迭代函數(shù)為：

zd=rw+（gy+ge）（14）

其中，rw為掌紋圖像特征提取的可控方向值方圖參數(shù)，gy，ge為掌紋圖像的淺層特征信息和深層特征信息，采用線性特征序列加權(quán)控制的方法[15]，實(shí)現(xiàn)掌紋圖像加權(quán)穩(wěn)定性控制，在最佳特征匹配下，得到掌紋圖像的邊緣特征提取輸出為：

Φ=zd+（λ+v）+cn（15）

其中，掌紋圖像的邊緣信息加權(quán)系數(shù)λ，v均為常數(shù)，且λ>0，cn為輸出的控制權(quán)系數(shù)，掌紋圖像的特征提取的分布面積為：

其中，I（s）為掌紋圖像的灰度直方圖，vr是符號函數(shù)，Gσ是誤差系數(shù)，綜上分析，采用可控方向值方圖融合算法，實(shí)現(xiàn)對掌紋圖像特征提取和識別優(yōu)化[16]。實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

3 仿真測試

為了驗(yàn)證本文方法提取掌紋特征的應(yīng)用性能，采用Matlab進(jìn)行掌紋特征提取算法的仿真測試分析，掌紋的采集樣本數(shù)為1200，掌紋紋理特征分布的訓(xùn)練集規(guī)模為500，模板匹配系數(shù)為0.38，掌紋紋理的相似度系數(shù)為0.014，得到待識別的掌紋圖像如圖3所示。

圖3為待識別的掌紋圖像，得到的掌紋圖像紋理特征提取結(jié)果輸出如圖4所示。

圖2 掌紋圖像特征提取實(shí)現(xiàn)流程

圖3 待識別的掌紋圖像

圖4 紋理特征提取輸出結(jié)果

分析圖4可知，本文方法能有效實(shí)現(xiàn)掌紋圖像的紋理特征提取，特征聚類性較好。為進(jìn)一步驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用性能，對比本文方法和文獻(xiàn)[10]中改進(jìn)的掌紋特征提取方法、文獻(xiàn)[11]中基于形態(tài)學(xué)濾波和鄰域搜索的掌紋提取方法，測試掌紋特征提取紋理分布誤差，結(jié)果如圖5所示。

圖5 誤差對比測試

分析上述仿真結(jié)果可知，用本文方法進(jìn)行掌紋圖像特征提取和識別，誤差較小，且波動振蕩性低于傳統(tǒng)方法。

4 結(jié)語

為了利用特征分布的差異性實(shí)現(xiàn)人體生物特征編碼識別，有效提取方向特征的穩(wěn)定性信息，本文提出基于可控方向值方圖算法的掌紋圖像特征提取技術(shù)?；谛〔ㄗ儞Q的矢量量化方法，使其在圖像分析和處理等方面的優(yōu)異性得到體現(xiàn)。仿真測試結(jié)果表明，本文方法對掌紋圖像特征提取的聚類性較好，識別誤差較低。

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[收稿日期]2021-07-09

[基金項(xiàng)目]福建省教育廳中青年科技項(xiàng)目（JAT191931）

[作者簡介]胡海鋒（1972-），男，碩士，閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與制造學(xué)院副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)科學(xué)。