基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法研究

基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法研究基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法研究

摘要：手指靜脈識(shí)別技術(shù)是近年來快速發(fā)展的一種生物特征識(shí)別技術(shù)。然而，手指靜脈圖像存在較多的噪聲和缺失，這嚴(yán)重影響了識(shí)別的精度和可靠性。本文提出了一種基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法。首先，本文對(duì)手指靜脈圖像進(jìn)行預(yù)處理和分割，提取手指靜脈區(qū)域；然后，通過高斯噪聲模型對(duì)噪聲進(jìn)行建模，并提出了一種基于二階統(tǒng)計(jì)學(xué)的噪聲估計(jì)方法；接著，結(jié)合本文提出的紋理約束方法，對(duì)手指靜脈圖像進(jìn)行去噪和修復(fù)處理；最后，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文算法的有效性。

關(guān)鍵詞：手指靜脈圖像、去噪、修復(fù)、紋理約束、二階統(tǒng)計(jì)學(xué)

1.引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，安全性能的要求越來越高。生物特征識(shí)別技術(shù)因其高可靠性、易操作等特點(diǎn)逐漸成為認(rèn)證技術(shù)的重要方向之一[1][2]。其中，手指靜脈識(shí)別技術(shù)因其不可偽造性和不可-copy性而成為生物特征識(shí)別技術(shù)研究的熱點(diǎn)[3][4]。然而，手指靜脈圖像存在較多的噪聲和缺失，這使得手指靜脈識(shí)別技術(shù)的精度和可靠性受到了巨大的影響。因此，如何有效地降低手指靜脈圖像的噪聲和修復(fù)缺失部分，成為了手指靜脈識(shí)別技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。

當(dāng)前，手指靜脈圖像去噪和修復(fù)技術(shù)主要分為兩類：基于像素的方法和基于紋理的方法?；谙袼氐姆椒ㄖ饕峭ㄟ^對(duì)圖像像素進(jìn)行加權(quán)處理等方式來去噪和修復(fù)[5][6]。這種方法適合于對(duì)噪聲和缺失比較小的手指靜脈圖像進(jìn)行處理。但當(dāng)噪聲比較大或者缺失比較嚴(yán)重時(shí)，效果不盡如人意?；诩y理的方法則通過提取圖像的紋理信息，以紋理信息為約束條件，對(duì)噪聲和缺失進(jìn)行修復(fù)和去噪[7][8]。這種方法能夠充分利用圖像的紋理信息，提高修復(fù)和去噪的精度和魯棒性。本文針對(duì)手指靜脈圖像去噪和修復(fù)問題，提出了一種基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法。

2.算法設(shè)計(jì)

2.1手指靜脈圖像預(yù)處理與分割

對(duì)于手指靜脈圖像，首先需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理和分割，以提取手指靜脈區(qū)域。

預(yù)處理：由于手指靜脈圖像存在較多的噪聲和明暗度不均等問題，因此需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理，以提高后續(xù)分割的準(zhǔn)確性。本文采用基于小波變換的圖像預(yù)處理方法。具體步驟如下：

（1）將原始手指靜脈圖像進(jìn)行小波變換，得到近似系數(shù)$A$和細(xì)節(jié)系數(shù)$D$。

（2）對(duì)系數(shù)$A$進(jìn)行逆小波變化，得到處理后的手指靜脈圖像。

（3）對(duì)處理后的圖像進(jìn)行灰度拉伸，以增強(qiáng)圖像的對(duì)比度。

分割：利用Canny算法對(duì)處理后的圖像進(jìn)行邊緣檢測(cè)，并采用形態(tài)學(xué)操作進(jìn)一步消除噪聲和毛刺，得到手指靜脈的二值化圖像。最后，將手指靜脈圖像進(jìn)行填充處理，得到手指靜脈區(qū)域。

2.2噪聲建模與估計(jì)

對(duì)于手指靜脈圖像中的噪聲，本文采用高斯噪聲模型進(jìn)行建模。設(shè)手指靜脈圖像$f(x,y)$中的噪聲為$\varepsilon(x,y)$，則有：

$$f'(x,y)=f(x,y)+\varepsilon(x,y)$$

其中，$f'(x,y)$為添加噪聲后的手指靜脈圖像。設(shè)噪聲滿足高斯分布，則有：

$$\varepsilon(x,y)\sim\mathcal{N}(0,\sigma^2)$$

其中，$\sigma^2$為噪聲方差。

針對(duì)手指靜脈圖像中噪聲方差具有非線性和非常數(shù)的特點(diǎn)，本文提出了一種基于二階統(tǒng)計(jì)學(xué)的噪聲估計(jì)方法。具體步驟如下：

（1）計(jì)算圖像的梯度幅度$G(x,y)$

（2）對(duì)梯度幅度進(jìn)行平滑，得到平滑后的梯度幅度$\hat{G}(x,y)$

（3）計(jì)算$\hat{G}(x,y)$的二階矩

（4）將二階矩與噪聲方差進(jìn)行比較，得到噪聲方差的估計(jì)值$\hat{\sigma}^2$

2.3基于紋理約束的去噪與修復(fù)

在手指靜脈圖像分割和噪聲估計(jì)后，本文采用基于紋理約束的去噪和修復(fù)方法對(duì)手指靜脈圖像進(jìn)行處理。基于紋理約束的方法主要是利用圖像的紋理信息進(jìn)行去噪和修復(fù)，具體過程如下：

（1）提取手指靜脈圖像的小區(qū)域，并計(jì)算小區(qū)域中的梯度幅度和紋理特征；

（2）對(duì)小區(qū)域內(nèi)的梯度幅度和紋理特征進(jìn)行像素級(jí)別的對(duì)比，并對(duì)其進(jìn)行排序；

（3）根據(jù)像素的對(duì)比度和排序結(jié)果，對(duì)圖像進(jìn)行去噪和修復(fù)。

3.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文采用16個(gè)不同的手指靜脈圖像進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法能夠有效地去除手指靜脈圖像中的噪聲和修復(fù)缺失部分。與傳統(tǒng)算法相比，本文算法能夠提高手指靜脈識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。

4.結(jié)論

本文提出了一種基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法。該算法綜合利用了圖像的預(yù)處理、分割、噪聲建模和估計(jì)、紋理約束等方法，有效地降低了手指靜脈圖像的噪聲和修復(fù)缺失部分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文算法能夠提高手指靜脈識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性，具有一定的應(yīng)用價(jià)值5.展望

盡管本文提出的基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中取得了較好的效果，但仍存在一些問題需要進(jìn)一步改進(jìn)和探索。

首先，本文算法中的紋理約束方法還可以進(jìn)一步改進(jìn)，例如可以引入更加先進(jìn)的紋理特征提取方法，以提高算法的準(zhǔn)確性和魯棒性。

其次，本文中的手指靜脈圖像分割算法需要進(jìn)一步完善。目前手指靜脈分割仍然是一個(gè)有挑戰(zhàn)性的問題，需要不斷探索更好的分割方法，以提升整個(gè)算法的性能。

最后，本文算法僅在有限的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，未來還需要對(duì)更大規(guī)模、更豐富的數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試和評(píng)估，以驗(yàn)證算法的有效性和通用性。

綜上所述，基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法在手指靜脈識(shí)別領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景，未來還需要進(jìn)一步完善和拓展該算法同時(shí)，手指靜脈圖像的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷拓展，例如金融、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域。因此，在未來的研究中，需要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景的需求，進(jìn)一步探索基于紋理約束的手指靜脈圖像處理算法，以提高手指靜脈識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。

另外，目前手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)存在著一些安全性問題，如數(shù)據(jù)泄露、攻擊等，這對(duì)于手指靜脈識(shí)別的真正應(yīng)用帶來了極大的挑戰(zhàn)。因此，未來的研究還需要重點(diǎn)關(guān)注手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的安全性問題，以保障用戶的隱私和安全。

總之，基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法是一個(gè)具有潛力的研究方向，未來的研究將會(huì)更加注重算法的可用性和可靠性，以應(yīng)對(duì)不斷挑戰(zhàn)和變化的應(yīng)用場(chǎng)景在未來的手指靜脈識(shí)別研究中，還應(yīng)該關(guān)注新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，例如深度學(xué)習(xí)、人工智能等領(lǐng)域的技術(shù)。目前，深度學(xué)習(xí)已經(jīng)在圖像識(shí)別、語音識(shí)別等方面取得了很大的成功，因此，探索如何將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于手指靜脈識(shí)別領(lǐng)域，可以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和魯棒性。

此外，手指靜脈圖像的采集過程中可能存在誤差和干擾，這也影響了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。因此，未來的研究還需要關(guān)注手指靜脈圖像采集的過程和技術(shù)，以提高數(shù)據(jù)的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，進(jìn)一步提高手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的可用性。

綜上所述，基于紋理約束的手指靜脈圖像去噪與修復(fù)算法作為手指靜脈識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)之一，具有非常重要的研究?jī)r(jià)值。未來的研究應(yīng)關(guān)注算法的可用性和可靠性，探索新技術(shù)的應(yīng)用，提高手指靜脈識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和魯棒性，保障用戶的隱私和安全綜上所述，手指靜脈識(shí)別作為一種生物特征識(shí)別技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，基于紋理