指紋識(shí)別系統(tǒng).doc

沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文11緒論1.1、指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和未來(lái)自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)是一種有著廣泛應(yīng)用背景的身份鑒定技術(shù)。本論文主要介紹了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋圖像處理和指紋匹配兩部分。指紋識(shí)別的基本原理為：采用細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來(lái)做細(xì)節(jié)匹配，即對(duì)指紋的脊線末梢和指紋的脊線分支點(diǎn)提取特征點(diǎn)來(lái)鑒定指紋。具體的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖見圖1-1。圖1-1自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖考古證實(shí)，公元前7000年到6000年以前，古敘利亞和中國(guó)，指紋作為身份鑒別己經(jīng)開始應(yīng)用?？脊虐l(fā)現(xiàn)，在這個(gè)時(shí)代，一些粘土陶器上留有陶藝匠人的指紋，中國(guó)的一些文件上印有起草者的大拇指指紋，在Jercho的古城市的房屋留有磚匠一對(duì)大拇指指紋的印記等。雖然指紋的一些特征己經(jīng)被人們認(rèn)識(shí)和接受而不能證明，但指紋己廣泛應(yīng)用社會(huì)的各個(gè)方面。19世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了至今仍然承認(rèn)的指紋的兩個(gè)重要特征：一是兩個(gè)不同手指的指紋脊線的式樣(ridgepattern)不同，另外一個(gè)是指紋脊線的式樣終生不改變。這個(gè)研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用。(主要代表性的事件有：1896年阿根廷首次應(yīng)用，然后是1901年的蘇格蘭，20世紀(jì)初其他國(guó)家也相繼應(yīng)用到犯罪鑒別中)20世紀(jì)60年代，由于計(jì)算機(jī)可以有效的處理圖形，人們開始著手研究利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理指紋。從那時(shí)起，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)AFIS在法律實(shí)施方而的研究和應(yīng)用在世界許多國(guó)家展開。20世紀(jì)80年代，個(gè)人電腦、光學(xué)掃描這兩項(xiàng)技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實(shí)，從而使指紋識(shí)別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，比如代替IC卡。現(xiàn)在(90年代后期)，低價(jià)位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對(duì)算法的發(fā)現(xiàn)為個(gè)人身沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文2份識(shí)別應(yīng)用的增長(zhǎng)提供了舞臺(tái)。對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)來(lái)說(shuō)，被廣泛接受意味著在影響千萬(wàn)人的日常生活的各個(gè)地方使用。通過(guò)取代個(gè)人識(shí)別碼和口令，指紋識(shí)別技術(shù)可以阻止非授權(quán)的訪問(wèn)，可以防止盜用ATM、蜂窩電話、智能卡、桌面PC、工作站及其計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；在通過(guò)電話、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的金融交易時(shí)進(jìn)行身份認(rèn)證；在建筑物或工作場(chǎng)所，指紋識(shí)別技術(shù)可以取代鑰匙、證件、圖章和卡閱讀器。然而，必須指出的是，指紋識(shí)別技術(shù)到目前在國(guó)內(nèi)乃至世界上仍未普及，其主要原因是：(1)速度慢，目前一般系統(tǒng)辨別時(shí)需要數(shù)秒鐘甚至更長(zhǎng)；(2)價(jià)格高，系統(tǒng)過(guò)于昂貴；(3)性能差，錯(cuò)誤拒識(shí)率（FalseRejectRate：FRR）和錯(cuò)誤接受率（FalseAcceptedRate：FAR）過(guò)高。因此，對(duì)快速而精確的指紋識(shí)別方法的研究有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AutomatedFingerprintIdentificationSystem：AFIS)主要包括指紋圖像提取子系統(tǒng)、指紋識(shí)別子系統(tǒng)和指紋壓縮存儲(chǔ)子系統(tǒng)幾個(gè)部分組成。其中，指紋識(shí)別子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括指紋圖象處理、特征提取、指紋分類及匹配等四部分。本文將主要對(duì)指紋圖象處理和特征提取的部分算法加以討論和研究。1.2、本文的主要研究工作本文主要的研究?jī)?nèi)容是在VC+環(huán)境下實(shí)現(xiàn)指紋圖像的小波變換和預(yù)處理，同時(shí)還研究指紋特征提取及匹配算法問(wèn)題。全文對(duì)小波的基本理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)指紋圖像小波變換的實(shí)現(xiàn)、基于小波變換頻率特性的應(yīng)用指紋圖像濾波處理、指紋圖像增強(qiáng)處理的理論以及VC+編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了比較深入地研究，并列出了實(shí)現(xiàn)程序。此外，本文還在對(duì)指紋圖像的預(yù)處理方法進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了一套指紋預(yù)處理算法，采用該算法可以得到清晰的指紋點(diǎn)線圖，效果較為突出。沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文3第2章VC+環(huán)境下小波變換及指紋圖像處理2.1小波的基本理論2.1.1小波分析圖像處理小波變換是最近20多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的用于信號(hào)分析和信號(hào)處理的一種新的域變換技術(shù)。由于小波變換是把信號(hào)在不同尺度上進(jìn)行小波展開，它更適合于處理突變信號(hào)和非平穩(wěn)信號(hào)。小波變換技術(shù)已受到人們極大的重視。Fourier變換是數(shù)學(xué)分析中最古老的學(xué)科之一，即一個(gè)信號(hào)可表示成一系列正弦和余弦函數(shù)之和。但Fourier變換只有頻率分辨率而沒(méi)有時(shí)間分辨率，這就意味我們可以確定信號(hào)中包含的所有頻率，但不能確定具有這些頻率的信號(hào)出現(xiàn)在什么時(shí)候，只適宜處理平穩(wěn)信號(hào)。在非平穩(wěn)信號(hào)的分析中，人們希望存在一種變換函數(shù)，能夠滿足在高頻信號(hào)中，有相對(duì)小的時(shí)間間隔以便給出較高的精度，而在低頻信號(hào)中能夠以相對(duì)較寬的時(shí)間間隔給出完全的信息。小波是有限寬度的基函數(shù)，這些基函數(shù)不僅在頻率上而且在位置上是變換的，它們是有限寬度的波?；谒鼈兊淖儞Q稱為小波變換。小波變換具有時(shí)間一頻率自動(dòng)伸縮能力，這種能力可以在任何希望的頻率范圍上產(chǎn)生頻譜信息。小波理論的提出可追溯到1910年Haar提出的規(guī)范正交基。1975年Caldern發(fā)表了接近小波級(jí)數(shù)展開的再生公式，1981年Stromberg對(duì)Harr系進(jìn)行了改進(jìn)，證明了小波函數(shù)的存在性。1984年法國(guó)地理學(xué)家Morlet在分析地震波的局部性質(zhì)時(shí)引入了小波的概念，繼而Y.Meyer于1986年創(chuàng)造性地構(gòu)造出了具有一定衰減性的二進(jìn)小波函數(shù)，掃除了人們對(duì)于小波函數(shù)是否存在的疑慮，從而真正掀起了小波研究的熱潮。同年，S.Mallat將多分辨率分析的概念引入了小波分析及小波函數(shù)的構(gòu)造中，并將小波函數(shù)的構(gòu)造統(tǒng)一于多分辨率分析的框架之下，同時(shí)，Mallat提出的快速算法使小波變換從理論研究進(jìn)一步走向各種應(yīng)用領(lǐng)域。1988年Daubechies構(gòu)造出了具有緊支集的正交小波集。1989年，Goifman,Meyer和Quake等引入了小波包。1990年，崔錦泰和王建忠構(gòu)造了基于樣條函數(shù)的單正交小波函數(shù)。1992年，Coher,Daubechies,Feauveau提出了具有緊支撐的雙正交小波基。至此，小波理論系統(tǒng)的構(gòu)架得以建立，它為原來(lái)信號(hào)處理領(lǐng)域里各自獨(dú)立的方法，如多尺度分析、拉普拉斯金字塔、精確重建濾波器組等提供了一個(gè)統(tǒng)一的理論框架。隨著理論研究的不斷深入和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，小波分析越來(lái)越顯示出它的獨(dú)特魅力。沈陽(yáng)理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文41、小波概念小波變換的定義是把某一被稱為基本小波(也叫母小波motherwavelet)的函數(shù)t做位移后，再在不同尺度下與待分析的信號(hào)xt做內(nèi)積:1,0ztWTxtdt(2.2)等效的頻域表示是:*,2jZWTXed(2.3)式中X和分別是xt和t的傅里葉變換。小波變換有以下特點(diǎn):1)有多分辨率(multi-resolution)，也叫多尺度(multi-scale)的特點(diǎn)，可以由粗及細(xì)地逐步觀察信號(hào)。2)可以看成用基本頻率特性為的帶通濾波器在不同尺度下對(duì)信號(hào)做濾波。由于傅里葉變換的尺度特性可知，這組濾波器具有品質(zhì)因數(shù)恒定，即相對(duì)帶寬(帶寬與中心頻率之比)恒定的特點(diǎn)。注意，越大相對(duì)頻率越低。3)適當(dāng)?shù)剡x擇基小波，使t在時(shí)域上為有限支撐，在頻域上也比較集中，就可以使在時(shí)、頻域都具有表征信號(hào)局部特征的能力，因此有利于檢測(cè)信號(hào)的瞬態(tài)或奇異點(diǎn)。正如上所述，小波分析的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)就是能夠分析信號(hào)的局部特征。比如說(shuō)，采用小波分析可以發(fā)現(xiàn)疊加在一個(gè)非常規(guī)范的正弦信號(hào)上的一個(gè)非常小的畸變信號(hào)的出現(xiàn)時(shí)間。傳統(tǒng)的傅里葉變換只能得到平坦的頻譜上的兩個(gè)尖峰。利用小波分析可以非常準(zhǔn)確地分析出信號(hào)在什么時(shí)刻發(fā)生畸變。小波分析可以檢測(cè)出許多其他分析方法忽略的信號(hào)特性，例如，信號(hào)的趨勢(shì)、信號(hào)的高階不連續(xù)點(diǎn)、自相似特性。小波分析還能以非常小的失真度實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的壓縮與消噪，它在圖像數(shù)據(jù)壓縮方面的潛力已經(jīng)得到確認(rèn)。在二維情況下，