張 锏，房愛(ài)東

(宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽宿州 234000)

基于相位的指紋圖像預(yù)處理與匹配算法＊

張 锏，房愛(ài)東

(宿州學(xué)院信息工程學(xué)院，安徽宿州 234000)

自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的研究和應(yīng)用是目前生物特征識(shí)別研究的熱點(diǎn)課題，近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于各種個(gè)人身份識(shí)別和驗(yàn)證系統(tǒng)中.自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)大致可以分為指紋圖像預(yù)處理和指紋匹配兩個(gè)主要過(guò)程.本文并針對(duì)指紋圖像的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于相位指紋圖像預(yù)處理與匹配算法，解決了圖像歸一化、圖像分割和方向場(chǎng)平滑和圖像二值化中出現(xiàn)的問(wèn)題.

圖像分割;指紋匹配;指紋識(shí)別

指紋特征是人終生不變的生物特征之一，指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)也是最早和最廣泛被應(yīng)用于實(shí)踐的生物特征識(shí)別技術(shù)［1］.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(automated fingerprint identification system，簡(jiǎn)稱AFIS)由于其安全可靠及實(shí)用性，在需要個(gè)人身份識(shí)別、驗(yàn)證、授權(quán)的場(chǎng)合得到了廣泛的應(yīng)用［2，3］.然而，低質(zhì)量的指紋圖像識(shí)別問(wèn)題，以及基于指紋細(xì)節(jié)特征匹配中的點(diǎn)模式匹配的核心問(wèn)題，至今仍然沒(méi)有被很好地解決［4，5］.

經(jīng)典的指紋識(shí)別算法大多使用基于細(xì)節(jié)特征點(diǎn)比較的圖像比較方法，通過(guò)提取細(xì)節(jié)特征(例如紋線端點(diǎn)和紋線分叉點(diǎn))，進(jìn)而研究?jī)煞鶊D像中細(xì)節(jié)特征之間的相互關(guān)系來(lái)判斷兩幅圖像是否為同一個(gè)指紋產(chǎn)生的圖像［6］.基于細(xì)節(jié)特征的匹配方法為大多數(shù)人的指紋圖像提供了一個(gè)高效的指紋圖像辨識(shí)方法［7］.但根據(jù)目前已有的研究成果，由于一些人特殊的皮膚因素，其指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)難以被提取，使得他們的指紋并不能被基于細(xì)節(jié)特征匹配的方法所辨識(shí).研究表明大概1%到5%的人群的指紋屬于這種類型［8，9］.所以，為了解決這個(gè)問(wèn)題，一種新的基于相位的指紋圖像匹配方法應(yīng)運(yùn)而生.本文針對(duì)指紋圖像的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于相位的指紋圖像預(yù)處理與匹配算法，解決了圖像歸一化、圖像分割和方向場(chǎng)平滑和圖像二值化中出現(xiàn)的問(wèn)題.

1 關(guān)鍵概念簡(jiǎn)介

一般來(lái)說(shuō)，指紋識(shí)別技術(shù)可以分為指紋驗(yàn)證和指紋辨識(shí)兩類.驗(yàn)證(verification)是指把一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋與一個(gè)已經(jīng)登記在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行一對(duì)一(one－one match)的比較，根據(jù)比較結(jié)果來(lái)確認(rèn)身份的過(guò)程.驗(yàn)證的前提條件是有關(guān)指紋必須已經(jīng)在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)，指紋以一定的數(shù)據(jù)形式存儲(chǔ)，并與其姓名和標(biāo)識(shí)有對(duì)應(yīng)的聯(lián)系［10］.簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)驗(yàn)證就是比較判斷兩個(gè)指紋是否相同，一般只考慮對(duì)完整指紋進(jìn)行對(duì)比，主要用于需要身份驗(yàn)證的場(chǎng)合.

辨識(shí)(identification)是指把現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋進(jìn)行逐一比對(duì)(one－to－many match)，從中找出與現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋相匹配的指紋的過(guò)程.辨識(shí)并不需要有關(guān)指紋在數(shù)據(jù)庫(kù)中注冊(cè)(如果沒(méi)有找到對(duì)應(yīng)指紋即表明數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有該指紋的記錄).辨識(shí)系統(tǒng)要考慮對(duì)殘缺指紋的識(shí)別，主要用于犯罪指紋匹配等傳統(tǒng)領(lǐng)域［11，12］.

圖1 1對(duì)1指紋驗(yàn)證流程圖

圖2 1對(duì)多指紋辨析流程圖

除了這兩種對(duì)比方法，實(shí)際應(yīng)用中還有一對(duì)幾匹配(one－to－few match)，主要應(yīng)用于只有幾個(gè)指紋數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，采用的是相同的驗(yàn)證方法.由于驗(yàn)證和辨識(shí)需要處理的數(shù)據(jù)量差異巨大，因此在算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上具有各自的特點(diǎn).驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)對(duì)比算法的速度要求不如辨識(shí)系統(tǒng)高，強(qiáng)調(diào)的是易用性.而辨識(shí)系統(tǒng)由于要進(jìn)行大量的對(duì)比，一般要使用指紋分類技術(shù)等來(lái)加快查詢的速度.

2 基于相位的圖像預(yù)處理與匹配

基于相位的指紋圖像識(shí)別方法用的是基于相位的圖像匹配方法:使用給定圖片的二維傅立葉變換中相組成來(lái)進(jìn)行圖像匹配的技術(shù).這個(gè)圖像匹配方法主要考慮的是子圖像塊在變換中的估量方法，已被成功應(yīng)用到計(jì)算機(jī)視覺(jué)應(yīng)用中的高精度圖像的識(shí)別.這種方法對(duì)于指紋圖像的匹配也是非常高效的.傅立葉相位信息的使用為難以提取特征點(diǎn)的低質(zhì)量指紋圖像提供一種高度可靠的匹配方法.基于相位的圖像匹配技術(shù)主要原理是通過(guò)使用僅相位相關(guān)函數(shù)POC(Phase－Only Correlation Function，有時(shí)也被稱為相位相關(guān)函數(shù)，Phase－Correlation Function)來(lái)衡量?jī)煞鶊D像的相似度.考慮兩幅大小為N1×N2的圖像，為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，假設(shè)N1=2×M1+1，N2=2 ×M2+1，那么對(duì)于 n1= －M1…M1，n2= －M2…M2，兩幅圖像可以分別表示為兩個(gè)函數(shù) f(n1，n2)，g(n1，n2)，函數(shù)值為對(duì)應(yīng)點(diǎn)的灰度值.對(duì)于這兩幅圖像，分別求出其二維離散傅立葉變換F(k1，k2)和G(k1，k2):

G(k1，k2)的計(jì)算方法和F(k1，k2)相同.F(k1，k2) 可以表示成如下的形式:

R(k1，k2)，I(k1，k2) 分別為 F(k1，k2) 的實(shí)部和虛部我們稱AF(k1，k2)為傅立葉譜，而θF(k1，k2)為傅立葉相.我們定義F(k1，k2)和G(k1，k2)的交相頻譜函數(shù)RFG(k1，k2)為:

其中為的共軛復(fù)函數(shù)，θ(k1，k2)= θF(k1，k2) － θG(k1，k2).于是，僅相位相關(guān)函數(shù) POC可以表示為 RFG(k1，k2)函數(shù)的二維傅立葉反變換(2DIDFT)，公式如下:

當(dāng)兩幅圖像相似的時(shí)候，它們的POC函數(shù)存在一個(gè)很明顯的尖峰.當(dāng)兩幅圖像并不相似的時(shí)候，它們的POC函數(shù)不存在明顯的尖峰.POC函數(shù)的尖峰的高度是圖像匹配度一個(gè)很好的衡量指標(biāo)，而且POC函數(shù)尖峰的位置也顯示了兩幅圖像位移的信息.POC函數(shù)的一個(gè)改進(jìn)方法是去除在計(jì)算交相頻譜函數(shù)中無(wú)意義的高頻相位信息，使得函數(shù)的尖峰更明顯，具有更好的可分辨性.針對(duì)指紋圖像的特點(diǎn)，在計(jì)算兩幅指紋圖像的POC函數(shù)之前，需要進(jìn)行指紋圖像的核心點(diǎn)檢測(cè)、平移和旋轉(zhuǎn)對(duì)齊、提取公共區(qū)域等操作，然后計(jì)算兩幅指紋圖像公共區(qū)域的POC函數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析，可以得到一個(gè)關(guān)于這兩幅圖像相似度的比較準(zhǔn)確的估算結(jié)果.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

我們選取了4對(duì)質(zhì)量較為一般(其中包括平移、小角度旋轉(zhuǎn)、紋線斷裂等噪聲)的指紋圖像進(jìn)行兩兩匹配實(shí)驗(yàn)，一共28次匹配，匹配分?jǐn)?shù)如下表所示(其中A2與A1匹配分?jǐn)?shù)同A1與A2匹配分?jǐn)?shù)，其它以此類推):

表1 指紋圖像匹配實(shí)驗(yàn)對(duì)比

由表1可以看出，對(duì)于相同手指獲取的指紋圖像，其相似度比較大(實(shí)驗(yàn)中都大于0.5)，而不同手指獲取的指紋，相似度比較低(實(shí)驗(yàn)中多數(shù)為0，小部分相似度＞0，但均＜0.5).同時(shí)隨機(jī)抽取同一采集設(shè)備得到的指紋圖像，相同指紋圖像的匹配分?jǐn)?shù)比不同指紋圖像的匹配分?jǐn)?shù)明顯要高，實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)具有較好的區(qū)分度.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)指紋圖像的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于相位的指紋圖像預(yù)處理與匹配算法，解決了圖像歸一化、圖像分割和方向場(chǎng)平滑和圖像二值化中出現(xiàn)的問(wèn)題.

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TP393

A

1008－4681(2012)02－0038－02

2012－02－10

安徽省教育廳產(chǎn)學(xué)研項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):KJ2011B183).

張锏(1970－)，男，安徽蕭縣人，宿州學(xué)院信息工程學(xué)院講師，碩士.研究方向:計(jì)算機(jī)人工智能、圖像處理.

(責(zé)任編校:晴川)