是由指紋圖像中的指紋脊線的端點(diǎn)(ending)和分叉

1、電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文35電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文第二早指紋特征點(diǎn)的提取#電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文#電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文通過(guò)第二章的指紋增強(qiáng)方法，可以得到一幅清晰的二值化指紋圖像，其脊 線和谷線黑白相間且緊致地排列在一起。接下來(lái)的任務(wù)就是從二值指紋圖像中 提取出所需要的指紋特征信息，即提取出指紋特征點(diǎn)。指紋圖像的特征點(diǎn)主要 是由指紋圖像中的指紋脊線的端點(diǎn)(ending)和分叉點(diǎn)(biftircation)構(gòu)成，端點(diǎn) 是指脊線的末梢，而分叉點(diǎn)則是指三條脊線的交叉點(diǎn)。指紋特征點(diǎn)信息是指這 些端點(diǎn)和分叉點(diǎn)的位置(圖像坐標(biāo))、類型和方向等信息。通?？梢詫?duì)二值化指 紋圖像的脊線進(jìn)行細(xì)化，再在細(xì)化了

2、的單像素寬脊線上方便地提取出特征點(diǎn)的 信息，細(xì)化方法對(duì)于尋找指紋特征點(diǎn)有獨(dú)特的好處，它可以去除不必要的紋線 粗細(xì)信息，進(jìn)一步壓縮指紋圖像的數(shù)據(jù)，再根據(jù)指紋特征點(diǎn)的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè) 細(xì)化了的脊線很方便地定位出特征點(diǎn)，另外細(xì)化圖在去除偽特征點(diǎn)上也起到了 重要作用43 51但是通過(guò)對(duì)各種細(xì)化方法的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)細(xì)化首先是一種全局的 方法，即對(duì)每條指紋脊線上的每個(gè)像素都進(jìn)行同樣的判斷，這樣必然會(huì)耗時(shí)在 細(xì)化一些不必要的部位。那么，能否在二值化圖上直接提取特征點(diǎn)的信息，從 而節(jié)省處理時(shí)間。下面介紹一種常規(guī)的細(xì)化方法，再來(lái)給出一種直接提取與細(xì) 化方法相結(jié)合的特征點(diǎn)提取方法。3. 1指紋圖像的細(xì)化#電子科技大學(xué)碩

3、士學(xué)位論文#電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文illII經(jīng)過(guò)二值化處理后的圖像，由于原始圖像的質(zhì)量受圖像采集時(shí)手指壓力大 小的影響和增強(qiáng)處理的影響，其指紋紋線的寬度會(huì)不均勻，一般在911個(gè)像素 之間(這取決于釆集指紋時(shí)按手指力度的大小和所采用的指紋傳感器的分辨 率)，所要的信息是指紋端點(diǎn)或交叉點(diǎn)本身的信息如其準(zhǔn)確位置、方向和類型等 等，而脊線的不均勻會(huì)影響質(zhì)問(wèn)特征信息的提取，所以傳統(tǒng)上“旳認(rèn)為應(yīng)該對(duì) 指紋二值圖像先進(jìn)行細(xì)化，刪除指紋脊線的邊緣像素，得到只有一個(gè)像素寬的 指紋脊線，也即得到一幅指紋圖像的骨架，從而去除掉脊線的粗細(xì)信息，便于 得到所要的信息。細(xì)化后的骨架應(yīng)該是處于原始脊線的中間位置，并且在細(xì)

4、化 時(shí)應(yīng)保證紋線的連接性、方向性和特征點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不變。雖然對(duì)細(xì)化沒(méi)有統(tǒng) 一的定文，但一種好的細(xì)化算法應(yīng)該滿足下列條件泗：1*迭代細(xì)化必須收斂到指紋的骨架；2. 骨架必須保持原圖像的連通性；3. 不引起紋線的逐步吞食；4. 保持指紋的細(xì)節(jié)特征；5細(xì)化后的脊線應(yīng)是一個(gè)像素點(diǎn)寬度；6骨架應(yīng)盡可能地靠近原脊線的中心線;7.使用迭代次數(shù)少，速度快;37電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文1L1細(xì)化算法有很多基本上可以分為兩類：逐層剝離法和距離變換法 前者的基本思想就是反復(fù)將圖像邊緣層的點(diǎn)剝?nèi)?，直至得到中心骨架，?特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、實(shí)用、容易理解，所以較為常用，但該方法依賴于像素的執(zhí)行順 序，因而容易受毛刺或孔洞噪聲的

5、影響，且一般需要多次迭代，速度較慢。后 者利用中心骨架到脊線邊緣距離相等，所以如果把到脊線兩邊邊緣距離相等的 點(diǎn)連接起來(lái)，也可以得到中心骨架，這種方法更符合人類提取骨架的認(rèn)知過(guò)程, 受局部噪聲干擾小，但其算法設(shè)計(jì)不直觀，且對(duì)許多應(yīng)用并不具有魯棒性 (robust),尤其是應(yīng)用于處理那些粗細(xì)不均勻的紋理，逐層剝離法按照細(xì)化順 序分又主要分為兩類：串行細(xì)化和并行細(xì)化。串行細(xì)化算法一次只能對(duì)一個(gè)像 素進(jìn)行處理，每次處理不僅與上一次處理的結(jié)果有關(guān)，而且還和本次已處理過(guò) 的像素有關(guān)；并行細(xì)化算法則每次同時(shí)對(duì)所有的像素或它的一個(gè)子集進(jìn)行處理?，F(xiàn)有的有關(guān)細(xì)化的文獻(xiàn)中，大都是采用模板匹配的方法，這種方法是根據(jù)

6、 某個(gè)像素的局部鄰域(如3x3或4x4大小)的特征圖像與模板進(jìn)行比較，以決 定當(dāng)前處理像素的保留或刪除。Virginia1提出了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的細(xì)化就是構(gòu)造兩組結(jié)構(gòu)模板A和B, 如果當(dāng)前像素滿足結(jié)構(gòu)模板A和B,就刪除改當(dāng)前點(diǎn)，迭代此過(guò)程直至紋線收 斂到骨架。Lei Huang等3提出了對(duì)于當(dāng)前點(diǎn)，先根據(jù)它的一個(gè)3x3鄰域內(nèi)的各像素 取值情況，決定該像素是否保留或刪除，再對(duì)預(yù)保留的當(dāng)前點(diǎn)，分別取其3x4和 4x3鄰域，根據(jù)當(dāng)前點(diǎn)諸鄰域內(nèi)像素值的分布，決定該當(dāng)前點(diǎn)最終是保留還是 刪除，重復(fù)此過(guò)程直至沒(méi)有點(diǎn)可以刪除為止。盧旳等醐采用一種稱為掃描的方法，分四個(gè)方向掃描指紋的脊線，求得指 紋脊線的中心點(diǎn)

7、，這些中心點(diǎn)的位置就是指紋脊線骨架所在。在下一分節(jié)介紹一種在實(shí)際中使用較多的方法，在此之前先介紹幾個(gè)相關(guān) 的概念和約定：目標(biāo)點(diǎn)和背景點(diǎn)：為使二值化了的指紋圖像便于細(xì)化處理，對(duì)于值為 255的點(diǎn)賦值為0,稱為背景點(diǎn)；對(duì)于值為0的點(diǎn)賦值為1,稱為前景點(diǎn)。四鄰點(diǎn)和八鄰點(diǎn)：設(shè)當(dāng)前點(diǎn)是尸，則其3x3的鄰域如圖3-la所示，其中圖3-la左圖Pg, 2,3, 4）就是點(diǎn)P的四鄰點(diǎn),，8)39電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文#電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文就是點(diǎn)P的八鄰點(diǎn)。四連通性和八連通性：一點(diǎn)具有四連通性是指該點(diǎn)的四鄰點(diǎn)中至少有一個(gè)是目標(biāo)點(diǎn)；八連通性是指該點(diǎn)的4鄰點(diǎn)中至少有一個(gè)是目標(biāo)點(diǎn)。端點(diǎn)和分叉點(diǎn)：對(duì)于一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，

8、其鄰域內(nèi)像素只有一個(gè)值為1,其余 都是0,則稱該目標(biāo)點(diǎn)為端點(diǎn)；若對(duì)一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)其鄰域內(nèi)像素有三個(gè)值為1,其 余都為0,則稱該目標(biāo)點(diǎn)為分叉點(diǎn)。端點(diǎn)和分叉點(diǎn)的鄰域像素值分布示意如圖 3-lb和圖3-lc或其旋轉(zhuǎn)90°、180。和270。所示，空格處值為0。單像素寬：在指紋脊線細(xì)化圖上，脊線上每一個(gè)點(diǎn)的八鄰域內(nèi)，脊線端點(diǎn)的八鄰域中只有一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，連續(xù)點(diǎn)的八鄰域有兩個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，分叉點(diǎn)有三個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，且每點(diǎn)的八鄰域最多只有三個(gè)目標(biāo)點(diǎn)。如果符合上述情況，那個(gè)就稱這條脊線是單像素的。P£Pa.四鄰域和八鄰域1p111P111P11c.分叉點(diǎn)的鄰域圖3-1指紋細(xì)化的一般方法是構(gòu)造一組模板，對(duì)于脊

9、線上的每個(gè)像素點(diǎn)取其一個(gè) 范圍的鄰域，如果該鄰域與模板符合或不符合就保留或刪除該當(dāng)前點(diǎn)。通常， 為了得到更加準(zhǔn)確的骨架，往往采用兩組模板，一組被稱為刪除模板，用于決 定當(dāng)前點(diǎn)是否刪除，若不符合模板，則保留,若符合刪除模板，則還要與另一組被稱為保留模板的模板比較，若符合保留模板，則保留；若不符合保留模板, 則最終刪除。在文獻(xiàn)53中提岀的一種改進(jìn)了的單連通細(xì)化算法(OnePass Thinning Algorithm, OPTA)方法也是基于這個(gè)原理而提出的。為了改進(jìn)單連通細(xì)化算法，在構(gòu)造模板時(shí)采用一個(gè)4x4的統(tǒng)一模板，如圖 3-2所示，其中x表示并不關(guān)心的點(diǎn)，點(diǎn)尸的3x3鄰域(Pi(i=l, 2

10、,，8)就 是消除模板區(qū)域，取該鄰域和圖3-2的消除模板進(jìn)行比較以決定點(diǎn)尸的保留或 進(jìn)一步操作。P呂盡X圖3-2統(tǒng)一模板首先構(gòu)造八個(gè)消除模板，具體如圖3-3所示。nmade圖3-3消除模板g圖3-3ah中各色值如圖33i所說(shuō)明，其中x表示該像素點(diǎn)的值可以取為0 或1。圖33中ad4個(gè)模板能有效地去除指紋脊線邊緣上的突岀點(diǎn)，保證細(xì)化 后的骨架處于指紋脊線的中心，避免在細(xì)化后的指紋骨架上出現(xiàn)毛刺，從而避 免產(chǎn)生過(guò)多的分叉點(diǎn)端點(diǎn)型偽特征點(diǎn)。為了保證指紋脊線的連通性，3x3鄰域符合刪除模板中任一個(gè)模板的當(dāng)前 點(diǎn)，還需要與圖34af所示的保留模板進(jìn)行比較，以決定當(dāng)前點(diǎn)的最終去留。 保留模板如圖34af所

11、示。圖34af中各色值如圖34g所說(shuō)明，其中x同樣表 示該像素點(diǎn)的值可以取為0或1。cde圖3=4保留模板對(duì)于一幅二值化了的指紋圖，可以按如下方法進(jìn)行細(xì)化處理：從指紋圖像的左上角（第一行第一列）元素開(kāi)始，對(duì)于值為0的像素不需要處理；對(duì)于每 個(gè)值為1的點(diǎn)（即脊線上的點(diǎn)）抽取出如圖32所示的15個(gè)相鄰像素，此時(shí)當(dāng) 前點(diǎn)為點(diǎn)P,取出它的鄰域（Pl , P2，卩3，P3，P4，P5，P6，P7和PQ 與圖33ah所示的八個(gè)模板進(jìn)行比較，如果點(diǎn)F的3沢3鄰域不與八個(gè)模板中的 任何一個(gè)匹配，那么點(diǎn)P就保留；否則，取出的點(diǎn)再和圖Haf所示的六個(gè)模 板進(jìn)行比較，如果與其中的任何一個(gè)模板向匹配，那么點(diǎn)P就保留，

12、否則就刪 除點(diǎn)P.從左上角一直處理到右下角，處理完一次就完成一次迭代，對(duì)于最終 判斷要?jiǎng)h除的點(diǎn)，并不在本次迭代中刪除，而是在本次迭代結(jié)束肘，才予以真 正刪除。這種迭代需要反復(fù)進(jìn)行，直到?jīng)]有一個(gè)像素的值被改變?yōu)橹?，迭代?次數(shù)依賴于指紋脊線的粗細(xì)。對(duì)于在二值化了的指紋圖像，如圖35a所示，其細(xì)化圖如圖35b所示,該處理結(jié)果很好地滿足了之前所提到的對(duì)細(xì)化方法的各項(xiàng)要求，既沒(méi)有破壞脊 線的連接性，沒(méi)有使脊線逐步吞食，細(xì)化結(jié)果接近于指紋脊線的骨架，且指紋 的特征點(diǎn)基本上很好地準(zhǔn)確保留下來(lái)。但在該算法的試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了 一個(gè)問(wèn) 題，就是需要經(jīng)過(guò)較多的迭代次數(shù)才可使細(xì)化結(jié)果穩(wěn)定到單像素寬度，如細(xì)化 圖35

13、a至圖35b需要22次迭代！這無(wú)疑大大增加了處理的時(shí)間，而且對(duì)于指 紋脊線上由于噪聲引起的突出（即毛刺），細(xì)化結(jié)果將脊線中間的毛刺細(xì)化成一 些突出的脊線（像主干樹(shù)枝上生出了小的旁支），而這無(wú)疑增加了偽特征點(diǎn)數(shù), 影響最后的匹配準(zhǔn)確性。針對(duì)這一問(wèn)題將在3.2小節(jié)中嘗試解決的方法。a.原圖圖3-5指紋圖的細(xì)化b.細(xì)化3. 2指紋圖像的二步細(xì)化方法如上所述的指紋細(xì)化方法，其每一次迭代是同時(shí)判斷脊線上點(diǎn)的情況，然后做出該當(dāng)前點(diǎn)是留還是除的判決，在較好的情況下，每次迭代剝除指紋脊線 的一層外層，如果脊線是均勻的，那么通過(guò)逐步剝除脊線兩外側(cè)的點(diǎn)，大概僅 需要迭代四五次就可以得到想要得骨架（指紋脊線一般的寬度為911）,但是 并非每條脊線是嚴(yán)格等寬的，所以盡管有些脊線已經(jīng)細(xì)化至單像素寬，但由于 其他脊線的非單像素寬，所以細(xì)化還要繼續(xù)，即使只有一處脊線沒(méi)有單像素寬, 細(xì)化都將繼續(xù)，這就是細(xì)化迭代次數(shù)較多的原因。但對(duì)于提取特征點(diǎn)這一指紋 識(shí)別中的重要步驟，細(xì)化只是手段，提取出指紋的特征點(diǎn)（端點(diǎn)和分叉點(diǎn)） 是這個(gè)步驟的目的，而細(xì)化的必要性在于通過(guò)細(xì)化圖可以精確地定位特征點(diǎn)的 位置，但同時(shí)可以看到，對(duì)于脊線中間段的細(xì)化是沒(méi)有必要的，因?yàn)榧咕€中間 段并不提供