改最新科技創(chuàng)新指紋識別算法實現(xiàn)

1東華理工大學(xué)第十屆大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項目

項目名稱：指紋識別算法研究

成員：溫志平洪運柏植張皓王青卿學(xué)院：核工程與地球物理學(xué)院

2指紋識別的應(yīng)用背景當(dāng)今社會，電子設(shè)備和保密機構(gòu)對更安全、更方便的身份認證和訪問控制的需求變得越來越緊迫。傳統(tǒng)的機械鑰匙、“口令＋密碼”以及智能卡等的保護措施存在著丟失、遺忘、復(fù)制及被盜用的隱患。以電子商務(wù)、電子銀行的安全認證為例，他人假冒當(dāng)事人上網(wǎng)采購所造成的欺詐案越來越多，并有孩子冒充家長上網(wǎng)采購的案例。3指紋識別的應(yīng)用背景網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫和關(guān)鍵文件等的安全控制機密計算機的登錄認證銀行ATM,POS終端等的安全認證蜂窩電話、PDA的使用認證等其它指紋等生物識別技術(shù)可突破傳統(tǒng)的安全認證方法，提供了一個很好的解決方案?？捎弥讣y等生物特征提高安全性的領(lǐng)域舉例：4指紋特征的優(yōu)點廣泛性，指每一個正常人都有指紋。唯一性，指每一個人的指紋都不同。終生不變性，指非意外事故指紋終身不變。因此，指紋識別技術(shù)，作為一種可靠的生物識別技術(shù)，受到了人們的重視。盡管人們已經(jīng)對自動指紋識別技術(shù)作了深入廣泛的研究，指紋識別技術(shù)也獲得了不少應(yīng)用。但是指紋識別的應(yīng)用在目前并沒有獲得普及，這主要是因為指紋識別在識別準確性和識別速度方面還遠遠不能滿足很多實際應(yīng)用的要求。5指紋識別的應(yīng)用歷史公元前7000年6000年，指紋作為身份鑒別的工具己經(jīng)在古敘利亞和中國開始應(yīng)用。在那個時代，一些粘土陶器上留有陶藝匠人的指紋，中國的一些文件上印有起草者的大拇指指紋，在Jercho的古城市的房屋上留有磚匠的指紋等。1896年阿根廷首先在犯罪事件的鑒別中正式應(yīng)用指紋。20世紀60年代，隨數(shù)字圖像處理技術(shù)的出現(xiàn)，人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。20世紀80年代，個人計算機、光學(xué)掃描這兩項技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實，從而使指紋識別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用。6指紋識別研究的現(xiàn)狀指紋識別是生物識別技術(shù)中最早應(yīng)用、技術(shù)最為成熟、價格最低廉的分枝。盡管各個指紋識別系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家都報出極高的識別率，但是他們都是在自己的實驗室的指紋庫上做測試，而不是在一個統(tǒng)一的標準指紋庫上測試，結(jié)果的可比性不大。在指紋識別的算法研究上，還存在著許多需要改進的地方，這使得指紋識別算法的研究還在繼續(xù)。7影響指紋識別的因素噪聲、變形等，例如臟手指、干手指、疤痕導(dǎo)致的不同時期、不同季節(jié)間的指紋差異；芯片表面殘留物帶來的噪聲；手指按壓過程中的扭轉(zhuǎn)、拉伸和按壓位置不同，導(dǎo)致同一指紋的重疊區(qū)域有時會很小。

8指紋識別的基本過程通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像。對原始圖像進行預(yù)處理，使之更清晰。提取指紋特征，建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)。驗證端采集指紋，提取特征。與數(shù)據(jù)庫指紋匹配，計算相似度，給出匹配結(jié)果。9指紋的采集設(shè)備光學(xué)儀器硅晶體傳感器超聲波其他類型10指紋識別的基本原理指紋是比較復(fù)雜的，指紋識別算法最終歸結(jié)為在指紋圖像上找特征到并進行對比。指紋的特征定義了兩類以進行指紋的驗證：總體特征和局部特征。（1)基本紋路圖案：包括環(huán)型(Loop),弓型(Arch)和螺旋型(Whorl)，其他的指紋圖案都基于這3種基本圖案。11指紋的總體體特征(2）模式式區(qū)（PatternArea)：：是指指紋紋上包括了了總體特征征的區(qū)域，，即從模式式區(qū)就能夠夠分辨出指指紋是屬于于那一種類類型的。有有的指紋識識別算法只只使用模式式區(qū)的數(shù)據(jù)據(jù)。（3）核心心點（CorePoint）：位于于指紋紋路路的漸進中中心，它用用于讀取指指紋和比對對指紋時的的參考點。。12指紋的總體體特征(4)三三角點(Delta):三三角點位于于從核心點點開始的第第一個分叉叉點或者斷斷點、或者者兩條紋路路會聚處、、孤立點、、折轉(zhuǎn)處，，或者指向向這些奇異異點。三角角點提供了了指紋紋路路的計數(shù)和和跟蹤的開開始之處。。（5）式樣樣線（TypeLines）:式式樣線是指指在包圍模模式區(qū)的紋紋路線開始始平行的地地方所出現(xiàn)現(xiàn)的交叉紋紋路，式樣樣線通常很很短就中斷斷了，但它它的外側(cè)線線開始連續(xù)續(xù)延伸。13指紋的總體體特征（6）紋數(shù)數(shù)（RidgeCount）:紋紋數(shù)是指模模式區(qū)內(nèi)指指紋紋路的的數(shù)量。在在計算指紋紋的紋數(shù)時時，一般先先連接核心心點和三角角點，這條條連線與指指紋紋路相相交的數(shù)量量即可認為為是指紋的的紋數(shù)。14指紋的局部部特征局部特征是是指指紋上上的節(jié)點所具有的特特征。兩枚指紋經(jīng)經(jīng)常會具有有相同的總總體特征，，但它們的的局部特征征節(jié)點卻不不可能完全全相同。指紋紋路并并不是連續(xù)續(xù)的、平滑滑筆直的，，而是經(jīng)常常出現(xiàn)中斷斷、分叉或或打折。這些斷點、、分叉點和和轉(zhuǎn)折點就就稱為特征征點。就是這些些節(jié)點提供供了指紋惟惟一性的確確認信息。。15節(jié)點分類A.終結(jié)點點（Ending））：一條紋紋路在此終終結(jié)。B.分叉點點（Bifurcation):一條條紋路在此此分開成為為兩條或更更多的紋路路。C.分歧點點（RidgeDivergence）：兩兩條平行的的紋路在此此分開。16節(jié)點分類D.孤立點點（DotorIsland）：：一條特別別短的紋路路，以至于于成為一點點。E.環(huán)點（（Enclosure):一一條紋路分分開成為兩兩條之后，，立即又合合并成為一一條，這樣樣形成的一一個小環(huán)稱稱為環(huán)點。。17節(jié)點分類F.短紋（（ShortRidge):一端較較短但不至至于成為一一點的紋路路。18指紋圖像預(yù)預(yù)處理流程程指紋采集質(zhì)量評估合格？否圖像切割圖像增強圖像二值化（分割）圖像細化是19評估的過程程圖像重新采采樣圖像方向計計算計算前背景景比例前景過小拒絕圖像是標注各塊方方向連續(xù)區(qū)域分分析計算評估參參數(shù)合格？分析干濕手手指是分析是否部部分手指否否20指紋質(zhì)量評評估排除不能滿滿足要求的的指紋：21指紋圖像處處理22指紋圖像分分割在指紋識別別系統(tǒng)中，，指紋圖像像分割是圖圖像預(yù)處理理的一部分分。指紋分分割的最基基本的依據(jù)據(jù)是圖像某某些特征和和特征集合合。圖像特特征是指紋紋圖像的固固有屬性,如灰度值值,鄰域關(guān)關(guān)系,紋線線的扭曲程程度等。特特征集合則則是幾種的的結(jié)合。通通過提取圖圖像特征,可將原始始圖像映射射到特征空空間,使圖圖像特征在在特征空間間中呈現(xiàn)一一定的分布布。因此根根據(jù)以上的的的灰度值值領(lǐng)域關(guān)系系，紋線的的扭曲程度度，指紋圖圖像分割大大致分為三三類：基于于像素的圖圖像分割，，基于塊特特征的圖像像分割以及及基于全局局的圖像分分割。下面介紹均均值方差法法的計算方方法和在仿仿真中的運運用23均值方差法法該算法基于于背景區(qū)灰灰度方差小小，而指紋紋區(qū)方差大大的思想，，將指紋圖圖像分成塊塊，計算每每一塊的方方差，如果果該塊的方方差小于閾閾值為背景景，否則為為前景。具具體步驟分分以下三步步：(1)將低低頻圖分成成M×M大大小的無重重疊方塊，，方塊的大大小以一谷谷一脊為宜宜。(2)計算算出每一塊塊的均值和和方差。設(shè)指紋圖像像I的大小小為H×L，I(i,j)為為像素點(i,j)的灰度，，AVE和和VAR分分別為原指指紋圖像的的均值和方方差，AVE和VAR可以通通過公式(2.1)和(2.2)計算算得到。（2.1））（2.2））24均值方差法法(3)如果果計算得到到的方差幾幾乎接近于于0就認為為是背景，，對于方差差不為零的的區(qū)域在進進行閾值分分割算法，，這種算法法主要是根根據(jù)計算得得到的方差差來決定其其是否為背背景區(qū)。在使用方差差均值法之之前還要使使用歸一法法將圖變?yōu)闉榈皖l圖。。歸一化的的目的是把把不同原圖圖像的對比比度和灰度度調(diào)整到一一個固定的的級別上，，為后續(xù)處處理提供一一個較為統(tǒng)統(tǒng)一的圖像像規(guī)格。指指紋圖像的的歸一化公公式如式(2.3)所示，當(dāng)當(dāng)大于平均均值時為加加。（2.3））其中和為期期望的灰度度均值和方方差。公式法2526指紋圖像分分割27指紋圖像細細化指紋圖像處處理中物體體的形狀信信息是十分分重要的，，為了提取取指紋圖像像特定區(qū)域域的特征，，對指紋圖圖像通常需需要采用細細化算法處處理，得到到與原來指指紋圖像形形狀近似的的由簡單的的弧或曲線線組成的圖圖形，這些些細線處于于物體的中中軸附近，，這就是所所謂的指紋紋圖像的細細化。28指紋圖像二二值化由于分割后后的圖像質(zhì)質(zhì)量仍然不不是很好，，所以需要要對其進行行濾波、消消除毛刺、、空洞處理理和二值化化處理，以以使指紋圖圖像清晰，，消除不必必要的噪聲聲，以利于于進一步的的辨識。指紋圖像二二值化作為為指紋預(yù)處處理過程的的一部分，，是進行指指紋圖像細細化處理的的基礎(chǔ)。目目前指紋細細化方法都都是基于二二值指紋圖圖像進行的的。對指紋紋圖像二值值化的好處處在于使得得圖像的幾幾何性質(zhì)只只0和1的的位置有關(guān)關(guān)，不再涉涉及像素的的灰度值，，使處理變變得簡單，，這給存儲儲和處理帶帶來了很大大的方便，，同時也提提高了系統(tǒng)統(tǒng)的經(jīng)濟實實用。一個個好的算法法可以得到到一個高質(zhì)質(zhì)量的二值值圖像。反反之，如果果該階段引引入噪聲，，就會直接接降低圖像像質(zhì)量，影影響識別精精度。29指紋圖像二二值化論文中采用用了一種動動態(tài)局部閾閾值，滿足足這種條件件下的灰度度值為128，不滿滿足則灰度度值為255。再根根據(jù)前面判判斷的是否否為背景即即Icc值值的來修正正Icc值值：灰度值值為128且Icc為1時（（非背景指指紋紋線時時），Icc值為0，像素值值置為0。。背景和灰灰度值為255的紋紋線像素置置為1，這這做法的目目的是去除除不確切的的點。此時時背景為白白，紋線為為黑。二值化后的的圖像中的的點還要進進行修改，，修改條件件為：當(dāng)像像素為1時時，它周圍圍點不大于于3個為像像素1點則則修改為0；當(dāng)像素素為0時，，它周圍不不小于7個個點為像素素1的點，，則修改為為1。這種種修改是為為了使圖像像連續(xù)圓滑滑。30指紋圖像處處理圖像31指紋特征提提取目前在細化化二值圖像像中提取細細節(jié)特征多多是用8鄰鄰域法，該該方法比較較簡單，在在得到可靠靠的細化二二值圖像后后，只需要要一個3××3的模板板便可將端端點和分叉叉點提取出出來。32指紋圖像特特征去偽由于手指的的磨損、汗汗?jié)n、傳感感器的噪聲聲等因素的的影響，指指紋細節(jié)點點特征信息息提取過程程可能會產(chǎn)產(chǎn)生以下錯錯誤：1．產(chǎn)生大大量的虛假假細節(jié)點。。即把不是是細節(jié)點的的地方判定定為細節(jié)點點，如將紋紋線斷裂處處判定為兩兩個端點，，將紋線粘粘連處判定定為兩個紋紋線分叉點點等。2．遺漏真真實細節(jié)點點。即忽略略了存在細細節(jié)點的地地方。造成成遺漏真實實細節(jié)點的的主要原因因是指紋圖圖像的對比比度較差，，從而模糊糊了其中的的細節(jié)點信信息。3．細節(jié)點點位置和方方向存在誤誤差。雖然然判斷出某某處存在細細節(jié)點，但但是給出的的細節(jié)點位位置和方向向并不精確確。4．細節(jié)點點類型錯誤誤。即把紋紋線端點判判定為分叉叉點，將分分叉點判定定為端點，，造成這個個問題的主主要原因是是紋線斷裂裂和紋線粘粘連。33指紋圖像特特征去偽指紋偽細節(jié)節(jié)點的處理理一般分為為兩類：一種是在特特征提取之之前，對預(yù)預(yù)處理后的的指紋圖像像進行平滑滑、去除毛毛刺、連接接斷紋等操操作，然后后提取特征征作為真特特征；另一種是在在特征提取取之后，根根據(jù)特征之之間的相互互關(guān)系，盡盡可能準確確地識別偽偽特征點并并濾除它們們。前者直直接對圖像像進行修補補，操作比比較復(fù)雜，，容易引入入新的偽特特征點；后后者對特征征提取后的的數(shù)據(jù)進行行判斷，識識別比較麻麻煩，但是是速度快。。34指紋圖像匹匹配指紋匹配是是指紋識別別系統(tǒng)中的的最后一步步，也是評評價整個指指紋識別系系統(tǒng)性能的的最主要依依據(jù)。指紋紋匹配是根據(jù)提取的的指紋特征征來判斷兩枚枚指紋是否否來自于同同一個手指指。由于每每次采集到到的指紋圖圖像相對于于模板圖像像會發(fā)生平平移、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)和形變，，這給后期期的指紋匹匹配算法帶帶來了很大大的不便。。為了能夠夠準確、快快速地判斷斷兩枚指紋紋是否來自自于同一個個手指，指指紋匹配算算法必須具具有一定的的容錯性，，并且運算算復(fù)雜度不不能太高，，時間代價價小且準確確度高。35指紋圖像匹匹配本文中，首首先采用了了在原圖基基礎(chǔ)上修改改參數(shù)值來來驗證的方方法。這種種方法將原原特征點的的相對距離離進行修改改，使得各各個特征點點之間的相相對距離產(chǎn)產(chǎn)生差異。。在找到核核心點后，，比較它們們相對距離離的差異，，對于滿足足一定值的的點視為可可積點。最最后判斷可可積點的個個數(shù)和相對對值。當(dāng)它它們個數(shù)滿