面向低質(zhì)量指紋的圖像增強(qiáng)算法研究.pdf

1、指紋是手指末端正面皮膚上由乳頭凸起的摩擦脊線形成的花紋,具有各人各指不同、終身穩(wěn)定不變的特性。指紋因其蘊(yùn)涵大量的人身個(gè)體信息,而具有很高的人身識(shí)別價(jià)值。近百年來(lái),人們通過(guò)對(duì)指紋不懈的研究和探索,逐步對(duì)指紋的特征體系有了清晰的認(rèn)識(shí),并基于此對(duì)指紋特征進(jìn)行了分類(lèi),提出了指紋鑒定的科學(xué)依據(jù)和程序。目前,指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代生物識(shí)別技術(shù)中占有相當(dāng)重要的位置。從實(shí)用性和可行性角度看,指紋識(shí)別技術(shù)能夠高效、快捷、方便的自動(dòng)完成指紋的紋形分類(lèi)、特征

2、提取、圖像的存儲(chǔ)、檢索以及比對(duì)、細(xì)節(jié)特征匹配等一系列工作,具有方便、高效、客觀、安全等諸多優(yōu)點(diǎn),優(yōu)于其它生物識(shí)別技術(shù),已被認(rèn)為是一種理想的身份認(rèn)證技術(shù)。從20世紀(jì)60年代起,計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入指紋識(shí)別、鑒定領(lǐng)域,英國(guó)、美國(guó)、法國(guó)、日本等計(jì)算機(jī)發(fā)達(dá)的國(guó)家先后研制出各具特色的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng),為指紋鑒定開(kāi)辟了新的途徑。目前,計(jì)算機(jī)指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在司法、金融安全、數(shù)字加密、電子商務(wù)等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,在我們未來(lái)的生活中發(fā)揮越來(lái)越重要的作

3、用。
　　近年來(lái),由于數(shù)字圖象處理學(xué)以及硬件技術(shù)的迅速發(fā)展,指紋識(shí)別技術(shù)獲得相當(dāng)大的進(jìn)展,但仍然不能滿(mǎn)足社會(huì)發(fā)展的需要,以指紋識(shí)別廣泛代替其它識(shí)別技術(shù)(如印鑒,鑰匙,密碼,簽字)是面向二十一世紀(jì)的具有深遠(yuǎn)意義的課題,有關(guān)指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的研究己成為模式識(shí)別、圖象處理以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)等領(lǐng)域中極為關(guān)注的熱點(diǎn)。指紋識(shí)別技術(shù)通常使用指紋的一般特征來(lái)進(jìn)行種類(lèi)識(shí)別,在種類(lèi)識(shí)別的基礎(chǔ)上再對(duì)指紋的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行系統(tǒng)性的比較,然后作出是否同一的判斷。它

4、一般都由以下模塊組成:指紋圖像采集模塊;指紋圖像預(yù)處理模塊;特征提取模塊;特征匹配模塊。其中,指紋圖像預(yù)處理模塊又包括:圖像質(zhì)量評(píng)估,圖像分割、圖像增強(qiáng)、細(xì)化、二值化等步驟。指紋識(shí)別技術(shù)中,圖像增強(qiáng)技術(shù)是其中一個(gè)非常重要的步驟。如果指紋圖像得不到準(zhǔn)確、顯著的增強(qiáng),指紋特征就難以被準(zhǔn)確提取。許多學(xué)者對(duì)指紋圖像增強(qiáng)方法進(jìn)行了探討,其中,Coetzee等使用Marr-Hildreth邊緣算子得到指紋灰度圖的脊邊緣圖,提出了采用卷積模板來(lái)進(jìn)行增

5、強(qiáng)的方法, Randolph等提出了一種使用方向?yàn)V波器組來(lái)對(duì)二值圖像來(lái)進(jìn)行增強(qiáng)的方法,Sherlock等提出了采用傅立葉濾波器來(lái)增強(qiáng)指紋圖像的方法,Hang提出了使用Gabor濾波器的方法來(lái)增強(qiáng)指紋圖像的方法。事實(shí)證明,這些方法用于金融安全、數(shù)字加密、電子商務(wù)等安保領(lǐng)域都取得了較好的效果。但是,這些方法均為通過(guò)對(duì)指紋圖像進(jìn)行局域分析來(lái)估計(jì)指紋方向圖,而后對(duì)圖像進(jìn)行濾波增強(qiáng)。當(dāng)系統(tǒng)中輸入的指紋源圖像質(zhì)量較低時(shí),其分辨率會(huì)大大降低,這些方法

6、難以準(zhǔn)確得到局域的方向圖估計(jì)值,將無(wú)法進(jìn)行有效的濾波增強(qiáng)。實(shí)質(zhì)上，司法領(lǐng)域中所需識(shí)別的指紋圖像大多遭到嚴(yán)重污染,分辨率較低,因此,現(xiàn)有的圖像增強(qiáng)算法大多難以在該領(lǐng)域發(fā)揮大的作用。
　　本文針對(duì)此情況,為增強(qiáng)指紋識(shí)別系統(tǒng)處理低質(zhì)量指紋的能力,在總結(jié)相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，提出了一套新的指紋圖像增強(qiáng)算法。該套算法分為三部分:一是紋理信息放大算法。此算法通過(guò)改進(jìn)局部直方圖均衡化算法的累積分布函數(shù)而得,其中包含一個(gè)非線性的指紋紋理信息放大器

7、,用于放大分辨率低的指紋紋理信息,增強(qiáng)紋線對(duì)比度,有助于提高鑒定人員對(duì)模糊指紋判別的準(zhǔn)確性;二是指紋方向圖二步算法。此算法通過(guò)改進(jìn)經(jīng)典方向圖算法而得,可基于指紋紋理放大圖獲取方向圖。此算法在計(jì)算脊點(diǎn)方向后再計(jì)算谷點(diǎn)方向,因此具備一定的抗噪性能。而且,此算法引入直方圖法計(jì)算谷點(diǎn)方向,對(duì)方向圖的平滑濾波進(jìn)一步提高了方向圖的準(zhǔn)確性;三是方向圖修正算法,此算法結(jié)合指紋紋線特征,通改進(jìn)經(jīng)典的塊方向圖算法而得,可在更大的鄰域窗口中計(jì)算塊方向圖。與傳

8、統(tǒng)塊方向圖算法相比,此算法的處理窗口可比其大3至5倍。當(dāng)指紋圖像出現(xiàn)大面積污染時(shí),由于大鄰域窗口中信息量大,采用此算法仍有較大可能得出準(zhǔn)確的方向圖,據(jù)此進(jìn)行濾波,就能得到更加清晰、準(zhǔn)確的指紋圖像。這些算法修正方向圖的能力有了較大的提高。大量實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于指紋圖像中塊面積大于7×7個(gè)象素的低質(zhì)量區(qū)域,現(xiàn)有的經(jīng)典指紋圖像增強(qiáng)算法是難以進(jìn)行理想的增強(qiáng)和修復(fù)的。本文所述紋理放大算法可修復(fù)7×7個(gè)象素以下大小的低質(zhì)量塊,二步方向算法可修復(fù)9×9個(gè)

9、象素以下大小的低質(zhì)量塊,方向修正算法則可修復(fù)13×13個(gè)象素以下大小的低質(zhì)量塊,相對(duì)傳統(tǒng)算法而言,其圖像增強(qiáng)效能明顯提高。由此可見(jiàn),本文提出的方法具有更好的增強(qiáng)效果,在處理低質(zhì)量指紋圖像時(shí),顯示出明顯的優(yōu)越性。本文所述算法雖能夠在較大局部窗口內(nèi)修正方向圖,但依然不具備從指紋宏觀整體入手修正方向圖的能力。因此,對(duì)于更大面積的低質(zhì)量塊,本文所述算法仍不能給予理想的修復(fù)和增強(qiáng),需要進(jìn)一步結(jié)合指紋自身的特點(diǎn),不斷擴(kuò)展算法的處理窗口,使之具備從宏