摘 要：腳印識別系統(tǒng)作為偵查破案中的重要組成部分正在得到廣泛應(yīng)用并逐步趨于成熟。本文提出了一種基于OpenCV計算機(jī)視覺庫來對腳印圖像進(jìn)行處理的方法。該方法結(jié)合微軟公司提供的MFC類庫對腳印圖像進(jìn)行預(yù)處理，并提取出腳印的輪廓線，著重描述了采用水平投影和垂直投影來定位出腳印的位置。該方法適用于不同場景下的腳印定位和校正，具有較高的準(zhǔn)確率。

關(guān)鍵詞：OpenCV；腳印識別；預(yù)處理；定位

1 前言

腳印作為每個正常人人體特征的一部分，進(jìn)入現(xiàn)代社會以來人們對腳印的運(yùn)用也與日俱增。隨著高科技國家科學(xué)技術(shù)的急速普及，其中有不少違法犯罪分子作案方式逐漸精明，在案發(fā)現(xiàn)場留下的各種痕跡也難以被發(fā)現(xiàn)。因此，現(xiàn)在除了已經(jīng)建好的國家血型數(shù)據(jù)庫和DNA數(shù)據(jù)庫，我們的相關(guān)部門還要建立起犯罪分子的腳印數(shù)據(jù)庫，滿足破案需要。

2 腳印圖像預(yù)處理

腳印圖像的采集是腳印識別的第一步，只有采集到合適的腳印圖像并進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，才能夠進(jìn)行后續(xù)的識別工作。由于拍攝腳印的環(huán)境及腳印自身的影響使得采集到的原始圖像不能滿足后續(xù)處理的質(zhì)量要求，這是就需要對采集到的圖像進(jìn)行識別前的預(yù)處理。腳印圖像的預(yù)處理如下所述：

2.1 灰度化和灰度拉伸

為了減小計算機(jī)內(nèi)存開銷，加快其處理速度，使用腳印灰度圖代替?zhèn)鹘y(tǒng)的由攝像頭或者數(shù)碼相機(jī)采集得到的腳印彩色圖像。然后采用分段性變化的方法，使腳印圖像中亮的區(qū)域更亮，暗的區(qū)域更暗，提高腳印圖像對比度，從而使邊緣更明顯。

2.2 圖像腐蝕

腳印的邊界點由于腐蝕的影響會逐漸被消除。同時，在這個過程中腳印的邊界會向內(nèi)部收縮。計算機(jī)處理后，圖片顯示腳印邊緣明顯向內(nèi)部收縮。由于腐蝕后的腳印圖像邊緣向內(nèi)收縮，所以用原始圖像減去腐蝕后的圖像可以得到腳印的總體輪廓線。

2.3 二值化

二值圖是指圖像內(nèi)僅有黑和白兩個值。為了加快處理速度并能夠?qū)⒛_印與背景分開，選擇閾值分割法來實現(xiàn)腳印圖像的二值化。閾值的選擇至關(guān)重要，系統(tǒng)采用的是最大方差閾值分割法（即Otsu法）。這是一種使用類間方差最大值的自動確定閾值方法，效果較好。

2.4 中值濾波

中值濾波是一種非線性平滑濾波，因此在一定程度上可以消除某些濾波所帶來的腳印圖像細(xì)節(jié)不清晰的問題，而對濾除噪聲干擾及圖像掃描噪聲非常有效。對于腳印圖像而言，其背景噪聲多數(shù)是不連續(xù)的，故將模板（1，1，1，1）T結(jié)合腳印二值圖像進(jìn)行非線性平滑濾波，以去除孤立噪身。

2.5 開運(yùn)算

對具有相同的結(jié)構(gòu)元素的圖像開始使用腐蝕操作，然后再采取膨脹運(yùn)算，這種方法簡稱開運(yùn)算。濾波后的圖像存在一些較大的區(qū)域噪聲，為了去處這些噪聲，對圖像進(jìn)行開運(yùn)算操作。通過該種方法操作后，腳印圖像能夠存在小的連續(xù)的區(qū)域、毛刺，使腳印的邊界比原始圖像的邊界更平滑，其中噪聲也被大部分去除了。

3 腳印定位

腳印定位是對預(yù)處理后的圖像中的腳印位置進(jìn)行定位。腳印定位在整個腳印識別系統(tǒng)中至關(guān)重要，只有準(zhǔn)確的定位腳印才能為后續(xù)的識別工作提供有力的保障。目前腳印定位有很多方法，本系統(tǒng)采用水平投影和垂直投影來定位出腳印的位置。下面介紹腳印定位的過程。

3.1 垂直投影

通過開運(yùn)算得到的腳印區(qū)域的較亮的像素值比較多而且比較集中，故將圖像做垂直投影，由下向上掃描。對前面處理過的圖像的像素沿著垂直方向累加產(chǎn)生一個腳印圖像的投影分布，腳印位置應(yīng)對應(yīng)投影分布的某段像素累加和大小均勻的波段。為了能夠準(zhǔn)確的定位腳印的高度位置，對投影的累加和進(jìn)行聚類，具體的思想是，按照圖像投影時的掃描順序，如果某一行的像素累加和除以上一行像素的累加和小于一個給定的閾值，則將其像素累加和置零。統(tǒng)計歸類后取連續(xù)不為零的累加和的寬度即可，選擇和腳印高度最為接近的那段連續(xù)區(qū)域的開始和結(jié)束坐標(biāo)，此即為腳印的高度坐標(biāo)，考慮到腳印圖像的尺寸不同，直接選取了最長連續(xù)區(qū)域作為腳印的高度位置，通過該區(qū)域高度值即可得出腳印長度。

3.2 水平投影

同理，通過垂直投影得到的腳印區(qū)域的較亮的像素值比較多而且比較集中，故將圖像做水平投影，由左至右掃描。對前面處理過的圖像的像素沿著水平方向累加產(chǎn)生一個腳印圖像的投影分布，腳印位置應(yīng)對應(yīng)投影分布的某段像素累加和大小均勻的波段。為了能夠準(zhǔn)確的定位腳印的水平位置，對投影的累加和進(jìn)行聚類，具體的思想是，按照圖像投影時的掃描順序，如果某一列的像素累加和除以上一列像素的累加和小于一個給定的閾值，則將其像素累加和置零。統(tǒng)計歸類后取連續(xù)不為零的累加和的寬度即可，選擇和腳印寬度最為接近的那段連續(xù)區(qū)域的開始和結(jié)束坐標(biāo)，此即為腳印的水平坐標(biāo)，考慮到腳印圖像的尺寸不同，直接選取了最長連續(xù)區(qū)域作為腳印的寬度位置，通過該區(qū)域?qū)挾戎导纯傻贸瞿_印寬度。

本文基于OpenCV開源計算機(jī)視覺庫結(jié)合MFC類庫詳細(xì)描述了一種腳印識別系統(tǒng)的構(gòu)建。本系統(tǒng)很好的滿足了刑事偵查的要求，對于公安破案提供了必要的幫助。同時提高了其破案的效率。

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