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数字图像处理在指纹识别技术中的应用电信072班镇振0703091066摘要20世纪60年代，人们开始着手研究利用计算机来处理图形和图像信息。在这一阶段，由于图像存储成本高、处理设备昂贵、提取的有效图像信息较少，图像处理在当时应用面很狭窄。如今，随着计算机的普遍使用，人类已经进入了一个高速发展的信息时代，图像处理技术愈来愈成为科学技术各领域中必不可少的手段，在短短50年间就迅速地发展成为一门独立的有强大生命力的学科，并取得了巨大的成就。它的应用领域包括航空航天、生物医学工程、工业检测、公安司法、军事制导和文化艺术等。其中，指纹识别正是随着数字图像处理和模式识别等学科的发展而逐步形成的一门新兴身份认证技术。传统的利用密码、证件作为身份识别的方式具有易遗忘、易破解、易丢失、易伪造等特点，已不再符合现代数字社会的需求。指纹，作为人体独一无二的生理特征，虽然只是人体皮肤的一小部分，但是它的纹理复杂度可以提供用于识别的足够特征，具有极高的安全性，并且指纹还具有易获取、无侵犯性、唯一性和不变性等优点，使其成为生物识别技术中的焦点。关键词：数字图像处理指纹识别一、指纹识别技术概述1.1概述生物识别技术（BiometricIdentificationTechnology）是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。由于每个人的生物特征都有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认定，安全，可靠，准确。常见的生物识别技术主要有指纹、脸形、虹膜、视网膜、手写体、声音、掌纹、手形和脸部热谱图9种，指纹识别是生物识别技术的一种。迄今为止，最为人们所关注、最为成熟的生物识别技术就是指纹识别。1.2指纹识别系统分类自动指纹识别系统的工作模式可以分为2类：验证模式（verification）和辨识模式（identification）。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对（onetoonematching），来确认身份的过程。验证过程如图1所示。辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫做“一对多匹配（onetomanymatching）”。指纹辨识过程如图2所示。图1指纹验证过程图2指纹辨识过程二、指纹识别系统工作原理2.1概述一般来讲，自动指纹识别算法体系大致由指纹图像采集、指纹图像预处理、特征理、特征提取、指纹分类和指纹比对几个部分组成。2.2指纹图像采集较早出现的活体指纹采集设备是光电式的。后来出现的电容式和电感式的采集设备。到目前为止，光学采集头提供了更加可靠的解决方案。通过改进原来的光学取像技术，新一代的光学指纹采集器更是以无可挑剔的性能与非常低的价格使电容方案相形见绌。光学技术需要一个光源从棱镜反射到按在取像采集头上的手指，光线照亮指纹从而采集到指纹。光学取像设备依据的是光的全反射原理(FTIR)。2.3预处理通常，指纹采集器采集到的指纹是低质量的，存在的噪声较多。通过预处理，将采集到的指纹灰度图像通过预滤波、方向图计算、基于方向图的滤波、二值化、细化等操作转化为单像素宽的脊线线条二值图像，基于此二值图像对指纹的中心参考点，以及细节特征点特征等进行提取。指纹预处理的一般过程如图所示。图4预处理的一般过程2.4特征提取指纹的特征点分为全局特征（如奇异点、中心点）和局部特征（指纹细节点）。在考虑局部特征的情况下，英国的E.R.Herry认为，在比对时只要13个特征点重合，就可以确认是同一个指纹。指纹的细节特征可以有150种之多，但这些特征出现的概率并不相等，很多特征是极其罕见的。一般在自动指纹识别技术中只使用两种细节特征：纹线端点与分叉点。纹线端点指的是纹线突然结束的位置，而纹线分叉点则是纹线突然一分为二的位置。大量统计结果和实际应用证明，这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，而且比较容易获取。2.5指纹分类指纹分类的主要目的是方便大容量指纹库的管理，减小搜索空间，加速指纹匹配过程。指纹分类技术越完善，能够划分的类型越细，样本数据库每个类别中所包含的样本数量就会越少，对一次识别任务来讲，需要比对的次数和时间开销就会越少。在大部分研究中，指纹一般分为漩涡型（whorl）、左环型（leftloop）、右环型（rightloop）、拱型（arch）、尖拱型（tentedarch)5类。对于要求严格的指纹识别系统，仅按此分类是不够的，还需要进一步更加细致地分类。2.6指纹比对指纹比对是通过对2枚指纹的比较确定它们是否同源的过程，即2枚指纹是否来源于同一手指。指纹比对主要是依靠比较2枚指纹的局部纹线特征和相互关系决定指纹的唯一性。细节特征的集合形成一个拓扑结构，指纹比对的过程实际就是2个拓扑结构的匹配问题。由于采集过程中的变形、特征点定位的偏差、真正特征点的缺失和伪特征点的存在等问题，即使是2枚同源的指纹，所获得的特征信息也不可能完全一样，指纹比对的过程必然是一个模糊匹配问题。2.7可靠性问题计算机处理指纹图像时，只是涉及了指纹有限的信息，而且比对算法不是精确的匹配，因此其结果不能保证100%准确。指纹识别系统的重要衡量标志是识别率，它主要由2部分组成：拒判率（FRR，falserejectrate）和误判率（FAR，falseacceptrate)。右图的ROC(ReceiverOperatingCurve）曲线给出FAR和FRR之间的关系图5FAR和FRR之间的关系三、指纹识别模块算法3.1预处理指纹的特征是指指纹脊线的某种构型，如端点、分叉等。为了提取这些特征，必须先把灰度的指纹图处理为二值线型图，此过程即指纹图像预处理。图像预处理是指纹自动识别过程的第一步,它的好坏直接影响指纹识别的效果。图像预处理通常包括增强、分割、细化等几个步骤。增强是通过平滑、锐化、灰度修正等手段，改善图像的视觉效果；分割则是把图像划分为若干个区域，分别对应不同的物理实体；细化则是把分割后的图像转为只有一个像素点宽度的线型图，以便提取特征。3.2方向滤波算法指纹图像获取时，由于噪音及压力等的不同影响，将会导致2种破坏纹线的情况：断裂及叉连。这2种干扰必须清除，否则会造成假的特征点，影响指纹的识别。为了消除干扰及增强纹线，针对指纹纹线具有较强方向性的特点，可以采用方向滤波算法对其进行增强，为此必须利用指纹图上各个像素点上的局部方向性3.2.1方向图的获取方向图是用每个像素点的方向来表示指纹图像。像素点的方向是指其灰度值保持连续性的方向，可以根据像素点邻域中的灰度分布判断，反映了指纹图上纹线的方向。各方向之间夹角为π/8，以1～8表示。每个像素点上方向值的判定是在其N×N邻域窗口中得到的。邻域窗口的尺寸并无严格限定，但其取值与图像的分辨率直接有关。如果邻域取得过小，则难以从其中的灰度分布得出正确的方向性；若取得过大，则在纹线曲率较大的区域窗口内纹线方向不一致，会对以后的滤波操作造成不良影响。一般可取N为1～2个纹线周期。实验中取N=9，该9×9邻域窗口如图所示。分别求出沿各个方向的灰度变化：8,...,3,2,1|),(),(|41djifjifSkkkdkd41|),(),(|''kkkkddjifjifS式中,d代表与d垂直的方向，即d=(d+4)mod8;f(i,j)是点p(i,j)的灰度值；ik是d方向上的第k点；fdk(ik,jk)，fdk(ik,jk)分别是点pdk与Pdk的灰度值。点P(i,j)的方向应该是Sd取值最小、S取值最大的方向。4.2.2方向图的平滑算法方向图求出后,由于纹线中的毛刺、背景中的细小污点等影响,会存在一定的噪音,需要对其进行平滑。方向图平滑的基本思想是，指纹纹线的走向是连续变化的,邻近像点上的方向不应该有突然的大角度转折。平滑也是在窗口中进行的,窗口中心像点上的平滑结果由窗口中各像素点方向值及其分布确定。4.2.3方向滤波器的设计在得到指纹的方向图后,可以根据每个像素点的方向值利用方向滤波器对指纹进行滤波,以消除噪音,增强纹线,提高脊和谷之间的反差。滤波器设计原则如下所述。①滤波器模板的尺寸要合适。模板过小难以达到良好的去噪音、清晰化效果;模板过大则可能在纹线曲率较大处破坏纹线构型。一般取模板边长为1～1.5个纹线周期。②模板边长为奇数,模板关于其朝向轴及朝向垂直方向轴均为对称③为提高脊、谷之间的灰度反差,达到边缘锐化的效果,模板应设计为在垂直于朝向方向上,中央部分系数为正,两边系数为负。④滤波结果应与原图的平均灰度无关,因此模板中所有系数的代数和应为0五、指纹特征提取和比对5.1指纹的特征提取和剪枝由细化所得的指纹点线图,很容易找到指纹的细节特征:端点和分叉点,记录这些特征的位置、类型和方向。因为指纹预处理的不完善性,在细化后的纹线图中总存在或多或少的伪特征点。因此有必要对这些粗筛选出的特征进行剪枝,以达到去伪存真的目的。细节特征剪枝的标准主要依赖于以下3个条件。①特征点到边缘的距离;②细节特征间的距离和角度关系;③指纹脊线和细节特征的空间分布。根据以上3个条件组合各种特征剪枝的标准,凡符合标准的特征点删除,其余的给予保留。5.2指纹的比对在进行指纹比对之前,一定要存在指纹数据库。建立指纹数据库,一般要采集同一枚指纹的3～5个样本。对于待匹配的指纹图像,经预处理和特征提取后,形成一个坐标链码记录,根据这些特征的相互位置关系与指纹数据库中的样本做图形匹配,得到最终的识别结果。右图展示了指纹原始图像经增强、分割和细化后的效果。六、指纹增强6.1图像增强的背景很多历史资料由于材质和时间的原因，整幅图片色泽偏暗，亮度范围不足或非线性等因素造成对比度不足，影响观看效果，结合人眼对灰度的感觉，如果相邻两个物体目标灰度相差比较小，超过人眼对灰度差的感知能力，人眼就无法区分这不同的两个物体，从而导致无法看清楚图片，这就需要对图片做出一些处理，使图片的灰度差和整体色泽有所改善，以达到人眼观看的效果。图象处理的原始目的就是改善，使看不清的目标能够看得清楚，因此，对数字图象识别分析的全过程，都要求图像得到改善以适应人的肉眼，为了达到这个目的，除了首先需要去除噪声之外，还需要分辨灰度细节，解决灰度的扩展和图像鲜明化问题。6.2指纹图像增强算法分类介绍指纹图像增强算法，大体上可以分为空域增强算法和频域增强算法。空域增强算法是利用一定的规则直接作用于指纹图像的像素值，达到增强的目的。频域增强则是先进行一个变换域操作，然后利用图像的相位、频率及能量等信息进行图像增强。6.3指纹图像的规格化（频域增强）图像规格化的目的是把图像的平均灰度和对比度调整到一个固定的级别上，以减少不同指纹图像之间的差异。令I代表原始图像在点(I，j)的灰度值，I＇代表规格化后的图像在点的灰度值，M和VAR分别代表原始指纹图像的均值和方差，和分别代表期望得到的均值和方差。则规格化之后的指纹图像在象素点的值I＇由下式确定：按上式对输入图像进行点运算即可实现图像的规格化处理，运算结果使得图像的灰度均值和方差与预定值一致。（Ⅰ）分割后的指纹图像（Ⅱ）规格化后的指纹图像6.4图像规格化后的再处理通过规格化处理后的图片需要进行再次的处理，主要是图像方向图的计算与平滑。首先对规格化后的图像方向图计算，因为指纹方向图抽象了指纹脊线与纹谷交错平行分布的特点，反映了指纹图像纹理结构的本质而方向场是指纹图像中蕴含的最重要的信息。然后对指纹图像做方向场的平滑计算，求得的平滑方向场。由于脊方向在噪声影响下会产生畸变，需要对所求方向场进行平滑去噪。为了实现平滑，可以使用一个低通滤波器，让方向场需转换成连续向量场，以便再做处理。最后求指纹纹线平均频率，设频谱峰距频谱中心点的距离为k(单位为象素)，则根据离散傅立叶变换性质有：f=(2πk/N)*1/2π，式中，f为纹线平均频率，N为图像大小。6.5指纹图像的Gabor滤波增强对于指纹图像，局部区域的纹线分布具有较稳定的方向和频率，根据这些方向和频率数值，设计出相应的带通滤波器就能有效地在局部区域对指纹进行