面向低質量指紋的圖像增強算法研究.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。指紋因其蘊涵大量的人身個體信息,而具有很高的人身識別價值。近百年來,人們通過對指紋不懈的研究和探索,逐步對指紋的特征體系有了清晰的認識,并基于此對指紋特征進行了分類,提出了指紋鑒定的科學依據和程序。目前,指紋識別技術已經在現(xiàn)代生物識別技術中占有相當重要的位置。從實用性和可行性角度看,指紋識別技術能夠高效、快捷、方便的自動完成指紋的紋形分類、特征

2、提取、圖像的存儲、檢索以及比對、細節(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,優(yōu)于其它生物識別技術,已被認為是一種理想的身份認證技術。從20世紀60年代起,計算機技術進入指紋識別、鑒定領域,英國、美國、法國、日本等計算機發(fā)達的國家先后研制出各具特色的指紋自動識別系統(tǒng),為指紋鑒定開辟了新的途徑。目前,計算機指紋識別技術已經在司法、金融安全、數(shù)字加密、電子商務等各個領域得到了廣泛的應用,在我們未來的生活中發(fā)揮越來越重要的作

3、用。
　　近年來,由于數(shù)字圖象處理學以及硬件技術的迅速發(fā)展,指紋識別技術獲得相當大的進展,但仍然不能滿足社會發(fā)展的需要,以指紋識別廣泛代替其它識別技術(如印鑒,鑰匙,密碼,簽字)是面向二十一世紀的具有深遠意義的課題,有關指紋自動識別技術的研究己成為模式識別、圖象處理以及計算機視覺等領域中極為關注的熱點。指紋識別技術通常使用指紋的一般特征來進行種類識別,在種類識別的基礎上再對指紋的細節(jié)特征進行系統(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;指紋圖像預處理模塊;特征提取模塊;特征匹配模塊。其中,指紋圖像預處理模塊又包括:圖像質量評估,圖像分割、圖像增強、細化、二值化等步驟。指紋識別技術中,圖像增強技術是其中一個非常重要的步驟。如果指紋圖像得不到準確、顯著的增強,指紋特征就難以被準確提取。許多學者對指紋圖像增強方法進行了探討,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進行增

5、強的方法, Randolph等提出了一種使用方向濾波器組來對二值圖像來進行增強的方法,Sherlock等提出了采用傅立葉濾波器來增強指紋圖像的方法,Hang提出了使用Gabor濾波器的方法來增強指紋圖像的方法。事實證明,這些方法用于金融安全、數(shù)字加密、電子商務等安保領域都取得了較好的效果。但是,這些方法均為通過對指紋圖像進行局域分析來估計指紋方向圖,而后對圖像進行濾波增強。當系統(tǒng)中輸入的指紋源圖像質量較低時,其分辨率會大大降低,這些方法

6、難以準確得到局域的方向圖估計值,將無法進行有效的濾波增強。實質上，司法領域中所需識別的指紋圖像大多遭到嚴重污染,分辨率較低,因此,現(xiàn)有的圖像增強算法大多難以在該領域發(fā)揮大的作用。
　　本文針對此情況,為增強指紋識別系統(tǒng)處理低質量指紋的能力,在總結相關研究成果的基礎上，提出了一套新的指紋圖像增強算法。該套算法分為三部分:一是紋理信息放大算法。此算法通過改進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,增強紋線對比度,有助于提高鑒定人員對模糊指紋判別的準確性;二是指紋方向圖二步算法。此算法通過改進經典方向圖算法而得,可基于指紋紋理放大圖獲取方向圖。此算法在計算脊點方向后再計算谷點方向,因此具備一定的抗噪性能。而且,此算法引入直方圖法計算谷點方向,對方向圖的平滑濾波進一步提高了方向圖的準確性;三是方向圖修正算法,此算法結合指紋紋線特征,通改進經典的塊方向圖算法而得,可在更大的鄰域窗口中計算塊方向圖。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。當指紋圖像出現(xiàn)大面積污染時,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確的方向圖,據此進行濾波,就能得到更加清晰、準確的指紋圖像。這些算法修正方向圖的能力有了較大的提高。大量實驗表明,對于指紋圖像中塊面積大于7×7個象素的低質量區(qū)域,現(xiàn)有的經典指紋圖像增強算法是難以進行理想的增強和修復的。本文所述紋理放大算法可修復7×7個象素以下大小的低質量塊,二步方向算法可修復9×9個

9、象素以下大小的低質量塊,方向修正算法則可修復13×13個象素以下大小的低質量塊,相對傳統(tǒng)算法而言,其圖像增強效能明顯提高。由此可見,本文提出的方法具有更好的增強效果,在處理低質量指紋圖像時,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,對于更大面積的低質量塊,本文所述算法仍不能給予理想的修復和增強,需要進一步結合指紋自身的特點,不斷擴展算法的處理窗口,使之具備從宏