陳　婧，張　蘇

（大理大學(xué)工程學(xué)院，云南大理　671003）

基于方向場(chǎng)信息和灰度特征的指紋分割算法研究

陳婧，張?zhí)K

（大理大學(xué)工程學(xué)院，云南大理671003）

指紋圖像分割是指紋圖像預(yù)處理過程中的關(guān)鍵步驟，目的是便于指紋圖像特征點(diǎn)的有效提取。根據(jù)常見的指紋分割處理的基本原理，歸納總結(jié)了兩種常用的分割算法：基于統(tǒng)計(jì)特性的方法和基于方向信息的方法。在此基礎(chǔ)上，提出基于方向場(chǎng)信息和灰度特征的分割算法，結(jié)果表明：此法可以有效、可靠地進(jìn)行指紋圖像分割，分割效果達(dá)到指紋圖像預(yù)處理的目的。

圖像處理；方向場(chǎng)算法；灰度特征；指紋分割

［DOI］10. 3969 / j. issn. 2096-2266. 2016. 06. 008

在自動(dòng)指紋識(shí)別過程中，首先利用指紋圖像采集儀對(duì)指紋圖像進(jìn)行采集，采集后的指紋圖像主要有前景區(qū)和背景區(qū)兩大部分構(gòu)成。指紋圖像分割就是要去除背景區(qū)，保留包含指紋圖像信息的前景區(qū)。

指紋分割屬于指紋圖像預(yù)處理中非常重要的步驟之一，是根據(jù)數(shù)字圖像處理技術(shù)來完成的。從數(shù)字圖像處理技術(shù)來看，在空間域和頻域圖像增強(qiáng)技術(shù)方面主要有直方圖處理（如直方圖均衡化、歸一化等）、各種濾波器設(shè)計(jì)（如平滑濾波器、銳化濾波器等）；在圖像復(fù)原方面主要通過設(shè)計(jì)各種去除噪聲的濾波器（如均值濾波器、自適應(yīng)濾波器等）來實(shí)現(xiàn)圖像復(fù)原。但應(yīng)用于自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋圖像和一般的圖像不同，它具有特別的圖像結(jié)構(gòu)：

（1）對(duì)采集到的指紋圖像，與理想的指紋圖像不一樣，谷線和脊線的線條粗細(xì)不一致，所以在噪聲去除的技術(shù)上不能簡(jiǎn)單的使用均值濾波器來處理；

（2）指紋圖像上的谷線和脊線在局部區(qū)域內(nèi)線條連續(xù)、方向平穩(wěn)且線條間相互平行，即具有很好的方向性和穩(wěn)定的空間分布性；但在小部分區(qū)域上會(huì)出現(xiàn)細(xì)節(jié)點(diǎn)、奇異點(diǎn)等；

（3）影響指紋圖像的噪聲主要是結(jié)構(gòu)性的噪聲而非隨機(jī)噪聲，主要是由模糊指紋圖像上的脊線缺陷造成的。

指紋分割是對(duì)采集到的指紋圖像把包含指紋有用信息的部分提取出來，去除無用的背景區(qū)。目前指紋分割的研究熱點(diǎn)主要有基于統(tǒng)計(jì)特性的方法和基于方向信息的方法。這兩種方法都存在一定的優(yōu)勢(shì)及不足?；诮y(tǒng)計(jì)特性的方法運(yùn)算速度快，但分割效果有限；基于方向信息的方法原理是根據(jù)前景區(qū)圖像子塊的能量大于背景區(qū)，即指紋圖像子塊頻譜能量來分割指紋圖像，但其缺點(diǎn)是對(duì)指紋彈性形變導(dǎo)致脊線間隔不均勻的區(qū)域，此算法不能發(fā)揮作用?；谝陨显?，本文提出了基于指紋圖像上方向場(chǎng)信息結(jié)合灰度特征來進(jìn)行的分割算法。該算法既從指紋圖像的方向信息出發(fā)，又結(jié)合指紋圖像的灰度特性，能準(zhǔn)確的去除指紋圖像的背景區(qū)，達(dá)到指紋分割的目的。

1　算法原理及過程

1.1算法原理指紋圖像的預(yù)處理就是根據(jù)指紋圖像的特點(diǎn)來進(jìn)行算法的研究與設(shè)計(jì)。根據(jù)指紋圖像上谷線與脊線的紋理具有一定的方向性，因此可采用指紋紋理的方向信息進(jìn)行分割?；诜较驁?chǎng)信息的指紋分割法的基本原理〔1〕是，在前景區(qū)的方向直方圖中存在峰值，因?yàn)榍熬皡^(qū)中脊線和谷線有著相同的方向，使得方向直方圖在這一方向上會(huì)產(chǎn)生明顯峰值；而背景區(qū)域中各個(gè)方向出現(xiàn)的概率幾乎相等，因而其方向直方圖中無明顯峰值出現(xiàn)。

1.2算法過程步驟一：首先，把指紋圖像I（i，j）分成非重疊的w×w（一般取為16×16）的方形子塊，計(jì)算出每一子塊的灰度平均值和灰度方差：

其中：I（i，j）為第（m，n）個(gè)塊內(nèi)部w×w個(gè)像素點(diǎn)的灰度平均值。

其次，根據(jù)以下判定條件區(qū)分指紋圖像的前景區(qū)和背景區(qū)：

步驟二：計(jì)算指紋圖像的點(diǎn)方向圖。

圖1　每個(gè)像素點(diǎn)的8方向示意圖

其中：i=0，1，2，3為如圖2所示的脊線的方向；

3）根據(jù)以下公式（4）確定可能的脊線方向，如下式：

最后，指紋圖像的點(diǎn)方向圖就是計(jì)算出圖像中每一個(gè)像素點(diǎn)的點(diǎn)方向。

步驟三：劃分指紋點(diǎn)方向圖為非重疊的w×w的子塊，并計(jì)算出每一子塊的方向直方圖來統(tǒng)計(jì)同一方向的上像素點(diǎn)的數(shù)目。

步驟四：若子塊的方向直方圖的峰值高于閾值T，則確定該子塊為前景區(qū)；反之為背景區(qū)。

基于方向場(chǎng)信息的指紋分割法〔4-5〕對(duì)圖像灰度對(duì)比度不敏感、計(jì)算復(fù)雜，在失去方向信息時(shí)，不能精確地提取方向場(chǎng)，將導(dǎo)致該方法失效。所以，本文在方向圖的基礎(chǔ)上結(jié)合指紋圖像的灰度特征來對(duì)圖像進(jìn)行分割。

步驟五：設(shè)圖像F是經(jīng)方向圖法分割后的圖像，圖像H是基于灰度特征法分割后的圖像，A是采用本文方法，即結(jié)合以上兩種分割法得到的指紋圖像，則有：

2　實(shí)驗(yàn)及結(jié)論

下面是本文在FVC2004指紋庫中選擇了兩幅不同質(zhì)量的指紋圖像，在Matlab平臺(tái)上分別用基于指紋圖像上方向場(chǎng)信息結(jié)合灰度特征來進(jìn)行的分割算法（方差閾值Tv取經(jīng)驗(yàn)值為4）。分別對(duì)對(duì)比度較好指紋圖像與低對(duì)比度指紋圖像進(jìn)行處理。其實(shí)驗(yàn)效果見圖2。

圖2　兩種不同質(zhì)量的指紋圖像分割后的圖像

由于到目前為止，還沒有標(biāo)準(zhǔn)、有效的指紋分割評(píng)價(jià)體系，指紋分割的效果只能通過直觀的視覺分辨以及在指紋圖像后面的處理過程中體現(xiàn)出來。由以上對(duì)不同質(zhì)量的指紋圖像分割的方法對(duì)比來看，基于方向場(chǎng)信息結(jié)合灰度特征的指紋分割算法可以有效進(jìn)行指紋分割，分割的結(jié)果是可靠和有效的，達(dá)到指紋圖像預(yù)處理的目標(biāo)。

〔1〕吳健輝，許朝俠，楊坤濤，等.指紋圖像預(yù)處理中的關(guān)鍵技術(shù)研究〔J〕.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008，4（33）：223-225.

〔2〕胡珞華，劉國平，余冰.模糊指紋圖像的特征提取〔J〕.南昌大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2002，24（4）：38-41．

〔3〕YOON S W，F(xiàn)ENG J J，JIAN A K.Latent fingerprint enbancement via robuust field estimation〔C〕//2011 Internnational Joint Conference On Biometrics，Washtington，D.C.，Oct.10-13.2011：1-8.

〔4〕張潔，景曉輝.一種基于模式熵的殘缺指紋識(shí)別算法〔J〕.電子與信息學(xué)報(bào)，2012，34（12）：3041-3042.

〔5〕毛元，馮桂，湯繼生.采用八方向Gabor濾波的指紋識(shí)別算法研究〔J〕.華僑大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013，34（2）：152-153.

〔Abstract〕Fingerprint image segmentation is a key step in the pre-processing，with the purpose of facilitating the effective extraction of fingerprint image feature.According to the basic principles of the common fingerprint segmentation process，this paper summarizes two common segmentation algorithms：methods of information-based approach and the statistical properties of the base direction.On this basis，this paper proposed segmentation algorithm based on orientation field information and gray feature，the results showed that：this method can efficiently and reliably segment fingerprint image，and the segmentation effect can meet the fingerprint image preprocessing purposes.

〔Key words〕image processing；the algorithm of direction；gray feature；fingerprint segmentation

（責(zé)任編輯袁霞）

Fingerprint Image Segmentation Algorithm Based on the Direction of the Field of Information and Gray Feature Fingerprint Segmentation

Chen Jing，Zhang Su
（College of Engineering，Dali University，Dali，Yunnan 671003，China）

TP3

A

2096-2266（2016）06-0030-03

云南省教育廳科學(xué)研究基金資助項(xiàng)目（2015C073Y）

2015-11-02

2015-12-06

陳婧，講師，主要從事數(shù)字圖像處理技術(shù)研究.