數(shù)字圖像處理在指紋識別中的應(yīng)用畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)字圖像處理在指紋識別中的應(yīng)用</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　指紋具有唯一性和穩(wěn)定性，因此被人們用來當(dāng)作鑒別個人身份的主要依據(jù)。隨著光學(xué)技術(shù)、化工技術(shù)、納米技術(shù)等多種學(xué)科的 快速發(fā)展．指紋顯現(xiàn)和提取技術(shù)取得了較快的控展。但有不少顯現(xiàn)或提取得到的指紋效果較差，不易分辨指紋紋線與客體背景主間的差異或指紋紋線成像

2、模糊等，主要表現(xiàn)為指紋紋統(tǒng)與客體背景的反差較弱。指紋紋線受客體背景的干擾、兩枚或多枚指紋相互重疊干擾、彎曲表面客體上的指數(shù)威像問題等。但由于存在指紋圖像的噪聲和皮膚彈性等因素影響，指紋識別一直存在識別率不高、運(yùn)算速度較慢的問題。這時可利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對不易辨識的指紋進(jìn)行增強(qiáng)處理．便于后續(xù)的指紋識別鑒定。本文總結(jié)了基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像增強(qiáng)、指紋圖像二值化、指紋圖像壓縮編碼、指紋圖像細(xì)化、指紋圖像特征提取等方向的各種算法

3、及技術(shù)。另外本文還給出了基于matlab軟件的指紋自動識別系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。在指紋圖像的預(yù)處理中，首先進(jìn)行分塊歸一化，為后續(xù)處理提供統(tǒng)一的規(guī)格圖像；在求方向圖中，用沿著某個方向的灰度方差代替Metre方法中的灰度變化，相當(dāng)于在求點(diǎn)方向圖之前先進(jìn)行了一次均濾波操作，這樣得到的方向圖更有魯棒性；在二值化中，閥值的選取引入最大</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)字圖像，指紋處理，小波變換，matlab，指紋識別系統(tǒng)研究</p

4、><p>　　注：本設(shè)計(jì)（論文）題目來源于教師的國家級（或部級、省級、廳級、市級、校級、企業(yè)）科研項(xiàng)目，項(xiàng)目編號為： 。</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Fingerprint is unique and stability, and therefore are used as main

5、basis of personal identity. With the rapid development of optical technology, chemical technology, nanotechnology and other disciplines. Fingerprint and extraction technology has made rapid development. But many poor fin

6、gerprint effect appeared or extract, is not easy to distinguish the difference between background and object of the main ridge or fingerprint image blur, mainly for the contrast fingerprint system and object back</p&g

7、t;<p>　　KEY WORDS: digital image, fingerprint processing, wavelet transform, MATLAB, fingerprint recognition system</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1</p><p&g

8、t;<b>　　1 緒論6</b></p><p>　　1．1指紋識別技術(shù)簡介6</p><p>　　1.2 指紋識別技術(shù)原理介紹6</p><p>　　1.2.1 指紋圖像的采集7</p><p>　　1.2.2 指紋圖像的預(yù)處理9</p><p>　　1.2.3 指紋圖像的特征

9、提取和識別10</p><p>　　1．3國內(nèi)外自動指紋識別系統(tǒng)的研究狀況12</p><p>　　1.4 論文的主要研究內(nèi)容13</p><p>　　1.5論文的結(jié)構(gòu)安排14</p><p>　　2 數(shù)字圖像處理在指紋識別中的各種算法及技術(shù)14</p><p>　　2.1 數(shù)字圖像處理對指紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)

10、的算法14</p><p>　　2.2 基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像壓縮編碼中的算法15</p><p>　　2.3基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像二值化中的算法16</p><p>　　2.4基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像細(xì)化中的算法18</p><p>　　2.5基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像特征識別中的算

11、法21</p><p>　　2.5.1 小波理論分析21</p><p>　　2.5.2 二維小波變換在指紋特征提取中的應(yīng)用23</p><p>　　3 基于matlab的指紋識別系統(tǒng)26</p><p>　　3.1指紋識別系統(tǒng)的登錄界面26</p><p>　　3.2 指紋識別系統(tǒng)的主界面28</p

12、><p>　　3.3指紋識別系統(tǒng)的圖像預(yù)處理界面28</p><p>　　3.4指紋識別系統(tǒng)的指紋匹配界面29</p><p><b>　　結(jié)論31</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)31</p><p>　　附見1 指紋圖像預(yù)處理函數(shù)代碼34</p><p

13、>　　附件2 指紋匹配函數(shù)代碼40</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1．1指紋識別技術(shù)簡介</p><p>　　指紋即指尖表面的紋路，其中突起的紋線稱為脊，脊之間的部分稱為谷，他們的形成依賴于胚胎發(fā)育時的環(huán)境。指紋是我們的個體特征，它具有穩(wěn)定性和獨(dú)特性兩大特性。而這兩大特性也使得它能應(yīng)用于生物特征識

14、別技術(shù)中，從而產(chǎn)生了指紋識別技術(shù)。指紋識別技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行的指紋自動識別的技術(shù)，它是一項(xiàng)綜合技術(shù)，其研究發(fā)展涉及到多個前沿及邊緣科學(xué)，如模糊數(shù)學(xué)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模式識別、計(jì)算機(jī)視覺、人工智能、數(shù)據(jù)壓縮、并行處理以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。 指紋識別技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。典型的脫機(jī)應(yīng)用有指紋鎖、指紋保險(xiǎn)柜、指紋考勤系統(tǒng)等。電子銀行，自動取款機(jī)、電子商務(wù)等基于指紋識別的身份認(rèn)證系統(tǒng)都屬于指紋識別技術(shù)的聯(lián)機(jī)應(yīng)用。以指紋為代表的生物特征

15、識別技術(shù)有望在將來的公共領(lǐng)域和民用領(lǐng)域扮演更重要的角色。</p><p>　　1.2 指紋識別技術(shù)原理介紹</p><p>　　原理很簡單，相信大家都玩過連連看，其實(shí)指紋識別和連連看看是類似樣的，都是找出兩幅相同的圖像。而指紋識庫中的每一個指紋圖像都對應(yīng)著一個特定的人，只有用這個人的指紋去對比才能確定他就是他本人；或者拿著一個指紋去指紋庫中進(jìn)行一一對比才能確定這枚指紋誰的。這就是指紋識別

16、技術(shù)的兩類，即驗(yàn)證（Verification）和辨識（Identification）。指紋識別技術(shù)的原理如圖1.1所示[1]。</p><p>　　圖 1.1 指紋識別技術(shù)原理</p><p>　　1.2.1 指紋圖像的采集</p><p>　　指紋圖像的獲取即指紋圖像的采集，取像設(shè)備常用的可分成四類：光學(xué)、硅晶體、傳感器、熱敏傳感器和超聲波傳感器。</p&g

17、t;<p>　　(1)光學(xué)取像設(shè)備有最悠久的歷史，可以追溯到20世紀(jì)70年代。依據(jù)的是光的 全反射原理(FTIR)r71。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由電荷耦合器件(簡稱CCD：Charge Coupled Device)去獲得，反射光的數(shù)量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊和 谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂。光線經(jīng)玻璃射到谷后反射到CCD，而射到脊后則不反射到CCD(確切的是脊上的液體反光的)。 由于最近光學(xué)設(shè)備的革新，極

18、大地降低了設(shè)備的體積。近年來，傳感器可以裝在 6x3x6英寸的盒子里，在不久的將來更小的設(shè)備是3xlxl英寸。這些進(jìn)展取決于多種光</p><p>　　學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不是FTIR的發(fā)展。例如：纖維光被用來捕捉指紋圖像。纖維光束垂直射到指紋的表面，它照亮指紋并探測反射光。另一個方案是把含有一微型三棱鏡矩陣的表面安裝在彈性的平面上，當(dāng)手指壓在此表面上時，由于脊和谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面，這些變化通過三棱鏡

19、光的反射而反映出來[2]。</p><p>　　(2)應(yīng)用硅晶體傳感器是最近在市場上才出現(xiàn)的，盡管它在傳奇文學(xué)作品中已經(jīng) 出現(xiàn)近20年。這些含有微型晶體的平面通過多種技術(shù)來繪制指紋圖像。電容傳感器通過電子度量被設(shè)計(jì)來捕捉指紋。電容設(shè)備能結(jié)合大約100，000導(dǎo)體金屬陣列的傳感器，其外面是絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列的另一面。電容器的電容值由于金屬間的距離而變化，這里指的是脊(近的)和谷(

20、遠(yuǎn)的)之間的距離。壓感式表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，他們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號。溫度感應(yīng)傳感器的設(shè)計(jì)是依據(jù)感應(yīng)在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同[3]。</p><p>　　(3)熱敏感應(yīng)傳感器的原理是根據(jù)皮膚紋理與傳感器部分的溫度差異來檢測指紋。具體來說，指紋的脊線能與傳感器相接觸，因而能影響到傳感器的溫度；指紋的谷線與傳感器不是直接接觸的，中間隔著空氣或者水分等，因此傳感器受

21、到的溫度影響較小。在與傳感器表面耦合的過程中，濕潤的手指總比干燥的好，得到的影像也更清晰。</p><p>　　由于這種感應(yīng)系統(tǒng)檢測的是采集儀晶片上溫度的變化，所以傳感器要與手指存在溫差才能發(fā)揮作用。如果手指比晶片更熱，當(dāng)手指在傳感器陣上做直掃動作時，熱電傳感器即接收到與指紋接觸部分的形狀成正比的額外熱量。傳感器被加熱，并在一個積累的時間之后(取決于時鐘速率)，開始與結(jié)束時間的溫差便被取樣，并將該現(xiàn)時的溫 度作為

22、新的參數(shù)，跟著讀取下一個溫度變化。如果手指與傳感器溫度相同，即沒有溫度變化，則測量不到任何數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免出現(xiàn)這種情況，在陣列里包含發(fā)熱元件，在炎熱的地區(qū)，當(dāng)手指在傳感器上直掃時，手指表面使傳感器降溫，不是受熱，所以影像是反向的，這可以由檢驗(yàn)軟件作自動修正，但在寒冷的地區(qū)，則不需要。這種概念對信噪比是很有幫助的。綜上所述，熱敏傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能防止偽造的指紋(如用橡膠膜做成的)或者任何類型的替代指紋。</p>&

23、lt;p>　　(4)超聲波傳感器被認(rèn)為是指紋取像技術(shù)中非常好的一類。很像光學(xué)掃描的激光，超聲波掃描指紋的表面。緊接著，接收設(shè)備獲取了其反射信號，測量它的范圍，得到脊的深度。不象光學(xué)掃描，積累在皮膚上的臟物和油脂對超音速獲得的圖像影響不大，所以這樣的圖像是實(shí)際脊地形(凹凸)的真實(shí)反映。</p><p>　　影響指紋指紋識別在商業(yè)上取得成功有三個因素，它們是低價格、緊湊的體積、識別率。取像設(shè)備的價格已經(jīng)大幅下降

24、。至于體積，上面已經(jīng)提到光學(xué)傳感器的體積從6x3x3英寸降到3xlxl英寸。應(yīng)用晶體的傳感器的體積差不多是這樣或者更小。在晶片上，集成電路的技術(shù)越來越高r如：數(shù)字化電路把指紋信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號強(qiáng)度)，系統(tǒng)體積將越來越小，晶體傳感器的體積接近于手指大小的體積，其長寬大約是lxl英寸，高不到1英寸。在晶體傳感器之前，對于大多數(shù)光學(xué)設(shè)備，只能通過人工調(diào)整來改變圖像的質(zhì)量。然而，晶體傳感器提供自動調(diào)節(jié)像素，行以及局部范圍的敏感程度，從而提高圖像

25、的質(zhì)量。自動增益控制技術(shù)(AGC)在不同的環(huán)境下結(jié)合反饋信息可以產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。例如，一個不清晰(對比度差)的圖像，如干燥的指紋，能夠被感覺并增強(qiáng)靈敏 度，在捕捉的瞬間產(chǎn)生清晰的圖像；由于提供了局部調(diào)整的能力，圖像不清晰(對比度差)的區(qū)域也能夠被檢測到(如：手指壓得較輕的地方)并在捕捉的瞬間為這些象素提高 靈敏度[4]。</p><p>　　光學(xué)掃描也有自己的優(yōu)勢。其中之一是，在較大的模型上可以做較大指紋取像區(qū)

26、域。而制造較大的應(yīng)用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域是非常昂貴的，所以應(yīng)用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域小于1平方英寸，而光學(xué)掃描的指紋取像區(qū)域等于或大于l平方英寸。然而這個對于較小的光學(xué)掃描設(shè)備并不是優(yōu)勢。較小的光學(xué)掃描也是較小指紋取像區(qū)域，這是因?yàn)檩^大的指紋取像區(qū)域需要較長的焦點(diǎn)長度，所以要有較大包裝，否則如果較大的取像區(qū)域使用較小的包裝，則光學(xué)掃描設(shè)備會受到圖像邊緣線形扭曲的 影響。</p><p>　　晶體傳感器技術(shù)最

27、重要的弱點(diǎn)在于，它們?nèi)菀资艿届o電的影響，這使得晶體傳感器有時會取不到圖像，甚至?xí)粨p壞，另外，它們并不像玻璃一樣耐磨損，從而影響了使用壽命。</p><p>　　總之，各種技術(shù)都具有它們各自的優(yōu)勢，也有各自的缺點(diǎn)。我們在下面的表1．1中給出四種主要技術(shù)的比較。</p><p>　　表1．1四種主要圖像采集技術(shù)的比較</p><p>　　1.2.2 指紋圖像的預(yù)處理

28、</p><p>　　通過指紋采集儀器采集到的指紋，由于采集指紋圖像時圖像質(zhì)量不高或者在提取指紋過程中因用力不均造成指紋畸變，又或者在圖像的形成、傳輸或變換的過程中，受多種因素的影響， 如光學(xué)系統(tǒng)失真、系統(tǒng)噪聲、曝光不足或過量、相對運(yùn)動等，往往使圖像與原始景物之間或圖像與原始圖像之間產(chǎn)生某種差異。因此首先要對采集到的指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括對指紋圖像的增強(qiáng)、二值化和細(xì)化等[5]。</p><p

29、>　　（1）指紋圖像增強(qiáng)是指按特定的需要突出一幅圖像中的某些信息，同時削弱或除去某些不需要的信息的處理方法，故改善后的圖像并不一定要去逼近原始圖像。從圖像質(zhì)量評價觀點(diǎn)來看，圖像增強(qiáng)的主要目的是提高圖像的可理解性。所以針對指紋圖像，其目的即突出指紋紋線結(jié)構(gòu)，抑制紋線上及背景中的噪音干擾。指紋圖像增強(qiáng)作為預(yù)處理中的關(guān)鍵步驟，其效果直接影響到后續(xù)指紋特征提取的正確性，進(jìn)而在很大程度上決定了該識別系統(tǒng)的魯棒性。</p>&l

30、t;p>　　(2)指紋圖像的二值化其實(shí)就是把采集到的指紋圖像轉(zhuǎn)化為只有0和255兩種顏色的圖像，即黑白圖。也可以理解為只用0和1兩種變換來表示一幅指紋圖像。二值化是指紋圖像預(yù)處理中必不可少的一步。常用的二值化方法有固定閥值法、自適應(yīng)閥值法、局部自適應(yīng)閥值法等。二值化后的指紋圖像有利于提取圖像中有意義的特征值，提取特征值是進(jìn)一步進(jìn)行指紋圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。</p><p>　　(3)指紋圖像二值化后，

31、紋線仍具有一定的寬度，而指紋識別只對紋線的走向感興趣，不關(guān)心它的粗細(xì)。為了進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，得到更精確的細(xì)節(jié)特征，提高識別的準(zhǔn)確性，對指紋圖像進(jìn)行細(xì)化處理是不可忽略的。所謂細(xì)化，就是從原來的圖中去掉一些點(diǎn)，但仍要保持原有的形狀。實(shí)際上，是保存特征點(diǎn)，把剩余信息刪除。指紋圖像的細(xì)化是指刪除指紋紋線的邊緣像素，使之只有一個像素寬度，細(xì)化時應(yīng)保證紋線的連接性、方向性和特征點(diǎn)不變，還應(yīng)保持紋線的中心基本不變。</p><p&g

32、t;　　1.2.3 指紋圖像的特征提取和識別</p><p>　　指紋其實(shí)是比較復(fù)雜的。與人工處理不同，許多生物識別技術(shù)公司并不直接存儲 指紋的圖像。多年來在各個公司及其研究機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了許多數(shù)字化的算法(美國有關(guān)法律認(rèn)為，指紋圖像屬于個人隱私，因此不能直接存儲指紋圖像)。但指紋識別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。傳統(tǒng)的識別系統(tǒng)算法定義了指紋的兩類特征來進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征。</

33、p><p><b>　　(一)總體特征</b></p><p>　　總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括[6]：</p><p><b>　　A．基本紋路圖案</b></p><p>　　環(huán)型(100p)，弓型(arch)，螺旋型(whorl)。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。僅 僅依

34、靠圖案類型來分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個粗略的分類，但通過分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便。</p><p>　　B．模式區(qū)(PatternArea)</p><p>　　模式區(qū)是指指紋上包括了總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　C．核心點(diǎn)(Core Point)</

35、p><p>　　核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它用于讀取指紋和比對指紋時的參考點(diǎn)。 D．三角點(diǎn)(Delta)</p><p>　　三角點(diǎn)位于從核心點(diǎn)開始的第一個分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)、或者兩條紋路匯聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)和跟蹤的開始之 處。</p><p>　　E．式樣線(TypeLines) 式樣線是在指包圍模式區(qū)的紋路線開始平行

36、的地方所出現(xiàn)的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側(cè)線開始連續(xù)延伸。</p><p>　　F．紋數(shù)(RidgeCount) 指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋數(shù)時，一般先在連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn)，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。</p><p>　　G．節(jié)點(diǎn)(Minutia Points)</p><p>　　指紋紋路并不是連續(xù)的，平滑筆直

37、的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或打折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為“節(jié)點(diǎn)”。就是這些節(jié)點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。</p><p>　　(二)局部特征 局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但是它們的局部特征節(jié)點(diǎn)卻不可能完全相同[7]。</p><p>　　(1)分類 節(jié)點(diǎn)有以下幾種類型，最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)。</p><p>　　A．終結(jié)

38、點(diǎn)(Ending)一一條紋路在此終結(jié)。</p><p>　　B．分叉點(diǎn)(Bifurcation)～一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。</p><p>　　C．分歧點(diǎn)(Ridge Divergence)一兩條平行的紋路在此分開。</p><p>　　D．孤立點(diǎn)(Dot or Island)一一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)。</p><p>

39、;　　E．環(huán)點(diǎn)(Enclosure)一一條紋路分開成為兩條之后，立即又合并成為一條，這樣形成 的一個小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)。</p><p>　　F．短紋(ShortRidge)～一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。如圖1.2.3為各種局部特征的六種分類。</p><p>　　(b) (c)</p><p>　　(d)

40、 (e) (f)</p><p>　　其中，(a)．(f)分別為指紋的終結(jié)點(diǎn)、分叉點(diǎn)、分歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)和短紋。</p><p>　　(2)方(Orientation)一節(jié)點(diǎn)可以朝著一定的方向。</p><p>　　(3)曲率(Curvature)一描述紋路方向改變的速度。</p>

41、<p>　　(4)位置(Position)一節(jié)點(diǎn)的位置通過(X，y)坐標(biāo)來描述，可以是絕對的，也可以是相對于 三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的。 </p><p>　　指紋的局部特征(Minutiae)有150種之多。但是這些特征出現(xiàn)的概率并不相等，很 多特征是極其罕見的。美國FBI指出，指紋紋線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)能唯一地表示一個指紋，紋線端點(diǎn)指的是紋線突然結(jié)束的位置，而紋線分叉點(diǎn)則是紋線突然一分為二的位 置。大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

42、和實(shí)際應(yīng)用證明，這兩類特征點(diǎn)在指紋中出現(xiàn)的機(jī)會最多、最穩(wěn)定，而且比較容易獲取。更重要的是，使用這兩類特征點(diǎn)足以描述指紋的唯一性。它 們被統(tǒng)稱為細(xì)節(jié)點(diǎn)。一般在自動指紋識別技術(shù)中只使用兩種細(xì)節(jié)特征。通過算法檢測指紋中這兩類特征點(diǎn)的數(shù)量以及每個特征點(diǎn)的類型、位置和所在區(qū)域的紋線方向是特征提取算法的任務(wù)，從而達(dá)到識別的目的。</p><p>　　1．3國內(nèi)外自動指紋識別系統(tǒng)的研究狀況</p><p&g

43、t;　　指紋識別技術(shù)從早期的人工比對到現(xiàn)在采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動指紋識別，指紋對比更加準(zhǔn)確，識別效率得到極大提高。自動指紋識別過程通常由指紋圖像濾波增強(qiáng)、二值化、細(xì)化、特征提取以及指紋匹配等幾個環(huán)節(jié)構(gòu)成。指紋圖像濾波增強(qiáng)的目的是將有噪聲干擾的指紋圖像變得更加清晰，使得指紋圖像的脊線更黑，谷線更白，當(dāng)前在實(shí)際指紋圖像增強(qiáng)算法的應(yīng)用中一般是幾種濾波增強(qiáng)方式結(jié)合起來使用，主要的方案是基于傅里葉變換結(jié)合濾波和指紋圖像點(diǎn)方向場的下上下濾波器；指紋

44、圖像二值化，是將指紋圖像變成灰度值只有0和255兩種顏色的圖像，當(dāng)前，在自動指紋識別中常采用的是根據(jù)指紋圖像的點(diǎn)方向場在指紋紋線方向和指紋紋線垂直方向上對指紋圖像進(jìn)行二值化處理；指紋圖像細(xì)化是指刪除指紋紋線的邊緣像素，使之只有一個像素寬度，目前在自動指紋識別技術(shù)中常用的是OPTA算法的改進(jìn)的圖像模板細(xì)化算法；指紋特征提取，是將細(xì)化后使用計(jì)算機(jī)數(shù)字圖像處理技術(shù)采集指紋圖像中奇異點(diǎn)、端點(diǎn)、叉點(diǎn)等指紋特征數(shù)據(jù)，目前常用的特征提取算法是先對細(xì)化

45、后的指紋圖像進(jìn)行初步去噪，然后提取特征點(diǎn)，再根據(jù)閾值去除偽特征點(diǎn)；指紋匹配，是指紋預(yù)留模板圖像與輸入樣板圖像中的所有特征點(diǎn)的匹配</p><p>　　目前指紋識別技術(shù)還有很多困難，例如當(dāng)三維的指紋被指紋錄入設(shè)備掃描成二維的數(shù)字圖像時，會丟失一部分信息、，手指劃破、割傷、弄臟、不同干濕程度以及不同的按壓方式，還會導(dǎo)致指紋圖像的變化，這給可靠的特征提取帶來了相當(dāng)?shù)乩щy；例如傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的識別方法，是依靠提取指紋脊

46、線上的細(xì)節(jié)點(diǎn)，然后對其位置和類型進(jìn)行匹配，來識別指紋的，而噪聲會影響特征提取準(zhǔn)確度，增加錯誤的特征點(diǎn)或丟失真正的特征點(diǎn)。當(dāng)噪聲很大時，就要增加圖像增強(qiáng)算法來改善圖像的質(zhì)量，但很難找到一種增強(qiáng)算法能夠適應(yīng)所用的噪聲，多種增強(qiáng)算法又會大幅增加算法運(yùn)行時間，不好的增強(qiáng)算法又會增加人為特征。當(dāng)噪聲增大時，提取了許多虛假細(xì)節(jié)點(diǎn)，還有可能丟失細(xì)節(jié)點(diǎn)，這就是傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)識別算法的不足之處之一，因?yàn)樗焕昧酥讣y圖像中的一小部分信息（細(xì)節(jié)點(diǎn)位置和方

47、向）作為特征進(jìn)行匹配，丟失了蘊(yùn)涵在圖像中的其他豐富的結(jié)構(gòu)信息。不難想象，基于這種方法的識別算法，很難全面適應(yīng)指紋的變化。</p><p>　　1.4 論文的主要研究內(nèi)容</p><p>　　論文在研究指紋識別原理的基礎(chǔ)上，通過討論前人在指紋識別算法的工作基礎(chǔ)上，提出了自己的研究重點(diǎn)，分別簡述如下：</p><p>　　第一，對指紋識別技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。第一章中給

48、出了指紋識別的具體流程圖，并對流程圖中各個步驟進(jìn)行了詳細(xì)的解釋說明。</p><p>　　第二，介紹了數(shù)字圖像處理在指紋識別中的各種算法。其中的算法都是基于小波變換實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)中給出了指紋圖像增強(qiáng)、指紋圖像壓縮編碼、指紋圖像細(xì)化、指紋圖像特征提取的各種算法的公式，并解釋了公式的應(yīng)用方法。</p><p>　　第三，在基于小波變換的算法下，用matlab軟件制作了指紋識別系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)軟件。其

49、中建立了小型指紋圖，軟件具有兩個功能：1.對輸入的指紋將行身份鑒定；2，對確定輸入指紋的主人并輸出其姓名。當(dāng)然輸入的指紋要是指紋庫中已有的指紋。</p><p>　　論文針對不同問題提出的若干算法，在一定程度上優(yōu)化和完善了前人在這些方面做的工作，提高了整個識別系統(tǒng)的識別效果，為自動指紋識別提供了有價值的參考。</p><p>　　1.5論文的結(jié)構(gòu)安排</p><p>

50、;　　論文的結(jié)構(gòu)安排如下： </p><p>　　第一章 主要敘述指紋識別的原理、歷史、國內(nèi)外的發(fā)展概況、論文的研究內(nèi)容及意義。</p><p>　　第二章綜述了前人應(yīng)用數(shù)字圖像處理在指紋識別中取得的各種成就。</p><p>　　第三章指紋識別算法的matlab實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　第四章主要給出了指紋自動識別系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。<

51、;/p><p>　　2 數(shù)字圖像處理在指紋識別中的各種算法及技術(shù)</p><p>　　數(shù)字圖像處理(Digital Image Processing)又稱為 計(jì)算機(jī)圖像處理，指將圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并 利用計(jì)算機(jī)對其進(jìn)行處理，以達(dá)到改善圖像質(zhì)量的過程。在圖像處理中，輸入的是低質(zhì)量的圖像。輸出的是改善質(zhì)量后的圖像。優(yōu)點(diǎn)是處理精度高，處理內(nèi)容豐富，可進(jìn)行復(fù)雜的非線性處理BI，有靈活的變通能力。

52、困難主要在處理速度上，特別是進(jìn)行復(fù) 雜的處理。數(shù)字圖像處理技術(shù)在指紋識別中的應(yīng)用主要包括：圖像增強(qiáng)、圖像壓縮編碼、圖像二值化、圖像細(xì)化、圖像識別。</p><p>　　2.1 數(shù)字圖像處理對指紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)的算法</p><p>　　數(shù)字圖像處理技術(shù)主要是增強(qiáng)指紋圖像中的有用信息，削弱干擾和噪聲，使圖像更加清晰，更適合計(jì)算機(jī)處理的形式。圖像增強(qiáng)不考慮圖像降質(zhì)的原因，突出圖 中所感興趣的部

53、分。如強(qiáng)化圖像高頻分量，可使圖像中物體輪廓清晰，細(xì)節(jié)明顯；如強(qiáng)化低頻分量，可減少圖像中噪聲的影響。</p><p>　　2.2 基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像壓縮編碼中的算法</p><p>　　在滿足一定保真度條件下，對圖像信息進(jìn)行編碼，可以壓縮圖像的信息量，簡化圖像的表樂，從而大大壓縮俐像描述的數(shù)據(jù)量，以便于存儲和傳輸。 圖像壓縮在不同應(yīng)用情況下可以采取有損壓縮和無損壓縮。基于小

54、波變換的數(shù)字圖像處理可以快速準(zhǔn)確的對指紋圖像進(jìn)行壓縮編碼。下面是具體的算法:</p><p>　　(1)小波包概念的提出。小波包變換(wp)是在小波變換(WaveletTransform)與多分辨分析的基礎(chǔ)上提出的，Mallat與Meyer提出的多分辨分析從空間概念上將L2(R)分解為一串具有不同分辨率的頻率子空間，使得信號的塔式分解成為可能。WP分解不同于傳統(tǒng)的塔式分解，它對信號進(jìn)行多級分解時，不單只對低頻子帶

55、作進(jìn)一步分解，對上一層分解的高 頻部分也同時進(jìn)行細(xì)分，并自適應(yīng)地選擇相應(yīng)的頻帶與信號頻譜相匹配，提高時頻分辨率[9]。 </p><p>　　(2)WP的基本定義及最佳基選擇。進(jìn)一步對小波子空間按二進(jìn)制方式進(jìn)行頻率細(xì)分，并令：、 (是WT中的尺度空間)，則 Hilbert 空間的正交分解+1=可用的分解統(tǒng)一為：。若令： 。①由∞式構(gòu)造的序列稱為由基函數(shù)確定的正交小波包。也可等價表示為：。②其中與分別是函數(shù)與的閉包

56、空間。若將WP簡記為：，k,n(t)=2-j/。③其中，由此可見WP除了具有小波函數(shù) ，k(t)的離散尺度j，、平移尺度k外，還有一個倍頻程細(xì)化參數(shù)n=2l+m，正是這個參數(shù)使WP克服了 WT 時間分辨率高時頻率分辨率低的缺陷。進(jìn)行圖像壓縮后的前后對比如圖2.21和圖2.2.2[10]。

57、 </p><p>　　圖2.2.1 指紋圖像 圖2.2.2 壓縮后的重構(gòu)圖</p><p>　　2.3基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像二值化中的算法</p><p>　　對圖像進(jìn)行二值化是指紋圖像處理中的關(guān)鍵 技術(shù)之一，日的是為了將圖像中有意義的特征值提取出來，即圖像的邊緣、區(qū)域等信息特征，這是進(jìn) 一

58、步進(jìn)行指紋圖像識別、分析和理解的基礎(chǔ)。</p><p>　　小波分解的重要作用就是可以將原始信號中的高頻部分和低頻部分分離開。信號在從波峰到波谷或波谷到波峰的變化部分，是因?yàn)橛懈哳l信號的存在才產(chǎn)生如此大的變化。通過小波分解，就可以得到高頻信號，同時可以知道高頻信號發(fā)生的具體位置和能量大小。通過設(shè)置一定的閾值，可以將原始信號中的噪聲濾除，從低頻信號中得到平滑的波形。</p><p>　　基于

59、小波的指紋圖像二值化的具體方法如下：</p><p>　　首先，計(jì)算原始指紋圖像的方向場:</p><p>　　像素點(diǎn)(x，y)是否應(yīng)該被置黑，由下面步驟決定： </p><p>　　按照前面章節(jié)方法構(gòu)造 [11]</p><p><b>　　（2.3.1） </b></p><p>　　其中,

60、…,,…，分別是，的一列，這里n=l,…W，采用Haar小波對數(shù)列進(jìn)行小波分解：</p><p><b>　　(2.3.2)</b></p><p>　　在這里，式(2．3.2)中，i為分解的層數(shù)，為低頻段信息，為高頻段信息。</p><p>　　經(jīng)過上面的小波分解后，只保留其低頻部分，得到：</p><p><b

61、>　　而后計(jì)算</b></p><p><b>　　(2.3.3)</b></p><p><b>　　這里</b></p><p><b>　　(2.3.4)</b></p><p>　　選取兩個W值，和，構(gòu)造和。大小包括一個脊線寬度，</p>

62、<p>　　大小包括二脊二谷。分別計(jì)算得到和。 </p><p>　　該像素(x，y)二值化的規(guī)則如下：</p><p><b>　　if 置白；</b></p><p>　　else if 置白；</p><p>　　else (x,y) 置黑[12]。</p><p>　　上面規(guī)則

63、的第一個條件的目的是對圖像的無指紋信息部分和有指紋信息部分進(jìn)行分割，使包含指紋信息的區(qū)域外部變成白色。這里，取閾值Threshold[13]為整個圖像的灰度均值。在對圖像二值化的過程中同時完成對圖像的分割，達(dá)到去除無用信息的目的。</p><p>　　采用上述的二值化算法對指紋圖像進(jìn)行二值化后的結(jié)果如圖2.3.1所示：</p><p>　　圖2.3.1 (a)

64、 (b)</p><p>　　2.4基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像細(xì)化中的算法</p><p>　　細(xì)化的主要作用是去除指紋圖像中不必要的信息，節(jié)省內(nèi)存，便于從圖像中提取細(xì)常特征，從而 提高對指紋圖像的匹配速度。</p><p>　　用上述小波二值化后的圖像進(jìn)行細(xì)化。在研究過程中，發(fā)現(xiàn)并不是所有脊線都是一個像

65、素的寬度，尤其是在分歧點(diǎn)周圍。這樣就造成信息的冗余，也要進(jìn)行必要的刪除。</p><p>　　細(xì)化改進(jìn)的具體步驟如下[14]：</p><p>　　(1)依次在未改進(jìn)細(xì)化圖像中，取脊線上某一點(diǎn)(x，y)，并取其3*3鄰域，如 </p><p><b>　　圖2.4.1</b></p><p><b>　　(2

66、)計(jì)算</b></p><p><b>　　(2.4.1)</b></p><p>　　其中，表示以8為循環(huán)周期，當(dāng)i=8時，i+l=9,就取 = p(1)；(二值化后黑點(diǎn)用“1”表示，白點(diǎn)用“0"表示)；</p><p>　　(3)統(tǒng)計(jì)該鄰域內(nèi)黑點(diǎn)的數(shù)目，如果Delta=2且 ≥4則該點(diǎn)去掉，</p>&l

67、t;p><b>　　即置白，否則保留；</b></p><p>　　(4)一幅圖像未完，則跳到第(1)步，否則到第(5)步；</p><p>　　(5)如果整個圖像沒有一個點(diǎn)被去掉，則結(jié)束；否則對新圖像從第(1)步再開</p><p><b>　　始處理[8]。</b></p><p>　　圖

68、2.4.2是兩幅對比圖像，(a)為改進(jìn)前的結(jié)果，(b)為改進(jìn)后的結(jié)果。</p><p>　　圖2.4.2 (a)未加細(xì)化改進(jìn) (b)細(xì)化后改進(jìn)</p><p>　　指紋圖像的細(xì)化后處理:</p><p>　　對二值化圖像進(jìn)行改進(jìn)細(xì)化處理后，使細(xì)化后的脊線寬度真正成為了1。由于原始圖像質(zhì)量較差，往往會有一些假特征點(diǎn)

69、在細(xì)化后出現(xiàn)。如圖2．4.3所示，</p><p>　　圖2.4.3 (a) 原始指紋圖像 (b) 細(xì)化后的指紋圖像</p><p>　　這些假細(xì)節(jié)點(diǎn)多為極短的脊線、脊線上短短的突起(外形上像短刺)和小圈(外形上像氣泡)，它們分別可能被誤作為端點(diǎn)和分叉點(diǎn)。后處理就是要盡量除這些假細(xì)節(jié)點(diǎn)，使指紋脊線光滑，并且不失真。后處理就主要分為三部

70、分：消除短脊、消除短刺和消除氣泡。</p><p>　　要消除這兩種干擾信息，先要弄清如何判斷特征點(diǎn)。這里將端點(diǎn)和分叉點(diǎn)作為主要的便于識別的特征點(diǎn)。將上面的式(2．1)</p><p><b>　??；</b></p><p>　　重寫在這里，3*3鄰域取法也如上面所述。當(dāng)Delta=2時，點(diǎn)(x，y)為端點(diǎn)；當(dāng)Delta=6時，點(diǎn)(x，y)為分

71、叉點(diǎn)。 </p><p>　　短脊的特點(diǎn)是，它的兩端都可以被判別為端點(diǎn)，且距離十分短。短刺有這樣一些特點(diǎn)，它的一端可以被判別為端點(diǎn)，另一端可以被判別為分叉點(diǎn)，同時，這兩個點(diǎn)的距離十分短。氣泡的特點(diǎn)，它的兩端都可以被判為分叉點(diǎn)，距離也很短。有了這樣的特點(diǎn)就可以對他們分別進(jìn)行消除。短脊和短刺可以在同一過程中消除。</p><p>　　消除短脊和短刺方法[15]：</p><

72、p>　　(1)依次選取細(xì)化圖像脊線上的點(diǎn)(x，y)；</p><p>　　(2)計(jì)算Delta。如果Delta=2，則選取點(diǎn)(x，y)的一定鄰域，在該鄰域中尋找端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)，也就是尋找Delta=2或Delta=6的點(diǎn)。如果該鄰域中除了點(diǎn)(x，y)外沒有其它端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)，則(x，”保留(繼續(xù)為黑)，否則去掉(置白)。</p><p>　　(3)重復(fù)第(1)，(2)步直到完成對一幅

73、圖像的處理；</p><p>　　(4)如果在上面幾步中有像素點(diǎn)被消除，則對新圖像重復(fù)上面步驟，否則結(jié)束處理。</p><p>　　以上方法可以很好的消除短脊和短刺(它們也可以分開進(jìn)行)。</p><p>　　消除氣泡的方法和上面的方法，有所不同，它要對檢查出的氣泡進(jìn)行填充，對填充后的圖像再進(jìn)行細(xì)化操作，這樣就消除了氣泡。該過程要對不同大小的鄰域重復(fù)進(jìn)行，直到?jīng)]有氣

74、泡被檢出。</p><p><b>　　具體步驟如下：</b></p><p>　　(1)依次選取細(xì)化圖像脊線上的點(diǎn)(x，y)；</p><p>　　(2)計(jì)算Delta。如果Delta=6，則選取點(diǎn)(x，y)的一定鄰域，在該鄰域中尋找分叉點(diǎn)，也就是尋找Delta=6的點(diǎn)。如果該鄰域中除了點(diǎn)(x，y)外沒有其它分叉點(diǎn)，則跳到第(1)步，否則進(jìn)行

75、下一步；</p><p>　　(3)如果在上一步中找到了另一個分叉點(diǎn)，則將兩個分叉點(diǎn)之間的一定區(qū)域全部置黑；</p><p>　　(4)重復(fù)第(1)，(2)，(3)步直到完成對一幅圖像的處理； </p><p>　　(5)對局部置黑后的新圖像再進(jìn)行細(xì)化；</p><p>　　(6)如果在上面幾步中有區(qū)域被置黑，則對新圖像重復(fù)上面步驟，否則進(jìn)

76、行</p><p><b>　　下一步；</b></p><p>　　(7)擴(kuò)大鄰域范圍，重復(fù)上面步驟，直到鄰域范圍達(dá)到設(shè)定的最大值。</p><p>　　以上方法對消除氣泡效果很好。</p><p>　　2.5基于小波變換的數(shù)字圖像處理在指紋圖像特征識別中的算法</p><p>　　圖像識別屬于

77、模式識別的范疇，其主要內(nèi)容是在圖像經(jīng)過某些預(yù)處理(增強(qiáng)、二值化、細(xì)化)后，進(jìn)行圖像特征值提取，從而進(jìn)行判別分類。</p><p>　　首先對小波理論和具體公式進(jìn)行介紹：</p><p>　　2.5.1 小波理論分析</p><p>　　小波實(shí)際上是那些滿足一定數(shù)學(xué)要求并能用之描述(或逼近)其他函數(shù)或信號的一些函數(shù)。小波分析過程就是采用小波原形函數(shù),或稱為母波。分析小

78、波對信號進(jìn)行分析,它是一種信號的時間一尺度(時間一頻率)分析方法,具有多分辨率分析(MultiresolutionAnalysis)的特點(diǎn),即在低頻部分具有較高的頻率分辨率和較低的時間分辨率,在高頻部分具有較高的時間分辨率和較低的頻率分辨率。</p><p>　　1 . 1 連續(xù)小波變換[16]</p><p>　　所有小波是通過對基本小波進(jìn)行尺度伸縮和位移得到的,基本小波是一個具有特殊性

79、質(zhì)的實(shí)值函數(shù),它是振蕩衰減的, 而且通常衰減得很快,在數(shù)學(xué)上滿足積分為零的條件,二維連續(xù)小波基函數(shù)定義如式(2.5.1)所示,其變換和逆變換如式(2.5.2)和式(2.5.3)所示。</p><p>　　???(2.5.1)</p><p><b>　　(2.5.2)</b></p><p><b>　　?????</b>

80、</p><p><b>　　(2.5.3)</b></p><p>　　1.2 離散小波變換[17]</p><p>　　在數(shù)值計(jì)算中,尤其是在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)時,連續(xù)小波必須加以離散化。因此,有必要討論連續(xù)小波和連續(xù)小波變換的離散化。整個小波級數(shù)展開公式如式(2.5.4)所示。</p><p>　　???????(2.5

81、.4) </p><p>　　二維離散小波變換是橫向、縱向兩個一維小波變換合成的結(jié)果, 它需要一個二維 尺 度 函 數(shù)和 三 個 二 維 小 波,, 。每一個都是一維尺度函數(shù)j 和y 相應(yīng)的小波函數(shù)的乘積。排除產(chǎn)生一維結(jié)果的乘積, 如 ,4個留下的乘積產(chǎn)生可分離尺度函數(shù)。如式(2.5.5)所示。</p><p><b>　　(2.5.5)</b></p>

82、<p><b>　　(2.5.6)</b></p><p>　　另外也可產(chǎn)生分離的“方向敏感的”小波,如式(2.5.6),式(2.5.7),式(2.5.8)所示。</p><p><b>　　(2.5.7)</b></p><p><b>　　(2.5.8)</b></p>

83、<p>　　從一幅 的圖像 f ( x, y) 開始,其中上標(biāo)指示尺度并且N 是2 的冪。對于m =0 ,尺度 ,也就是原圖像的尺度。m 的值每一次增大都使尺度加倍,而使分辨率減半。在變換的每一層次,圖像都被分解為4個四分之一大小的圖像(尺度 的低頻部分和三個方向:水平、垂直、對角的高頻部分) ,它們都是由原圖與一個小波基圖像的內(nèi)積后,再經(jīng)過在行和列方向進(jìn)行2倍的間隔抽樣而生成。4個圖像分別反映了低頻,垂直,水平和對角線

84、信息。對于第一個層次( m =1 ) ,可寫成式(2.5. 9 ) ,式( 2.5.10 ) ,式(2.5.11),式(2.5.12)。</p><p><b>　　(2.5.9)</b></p><p><b>　　(2.5.10)</b></p><p><b>　　(2.5.11)</b><

85、;/p><p><b>　　(2.5.12)</b></p><p>　　接下來介紹了小波公式在指紋識別中的具體應(yīng)用：</p><p>　　2.5.2 二維小波變換在指紋特征提取中的應(yīng)用</p><p>　　小波變換是一種常用的圖像分析手段,并且在紋理識別中有較多的應(yīng)用。由于指紋紋理結(jié)構(gòu)是二維的,所以使用二維小波變換做紋理分

86、析非常適合。二維小波變換實(shí)質(zhì)上是分別進(jìn)行橫向,縱向,以及對角的一維小波變換。對一幅圖像進(jìn)行完全的小波分解得到一系列的小波系數(shù),小波系數(shù)的形狀和尺寸與原始圖像相同。例如一幅16×16的圖像經(jīng)過三層小波分解,可以得到10塊小波分解結(jié)果,一共256個系數(shù)。我們把這些小波分解系數(shù)構(gòu)成的子圖像稱為小波分解通道。一共有四種通道,LL,LH,HL,HH。每個通道表征了原始圖像不同空間頻率和方向下的信息。LL通道代表圖像在水平低頻和垂直低頻下

87、的信息,LH通道代表了圖像在水平低頻和垂直高頻下的信息,HL通道代表了圖像在水平高頻和垂直低頻下的信息,HH通道代表了圖像在水平高頻和垂直高頻下的信息, 對指紋圖像進(jìn)行3 次二維小波變換分解示意圖如圖2.5.1所示。</p><p>　　圖2.5.1 二維小波對指紋圖像的三次分解</p><p>　　在用二維小波變換提取指紋特征時,其提取特征的效果與選用的小波基有關(guān)。而小波基是濾波器的類

88、型決定的。在考慮系統(tǒng)實(shí)時性的同時選用合適的小波基進(jìn)行二維小波變換,可以較好的提高指紋識別的速度和準(zhǔn)確率。（如圖2.5.1圖2.5.2）</p><p>　　圖2.5.2 指紋圖像的中心區(qū)域</p><p>　　作為一類特殊的圖像,指紋圖像具有 一些區(qū)別于其他圖像的特點(diǎn)。</p><p>　　(1)指紋圖像由交替出現(xiàn)的脊線(ridge)和 谷線(valley)組成。

89、通常情況下，我們認(rèn)為脊線 和谷線具有相同的象素(piexl)寬度，因此，從 頻域的角度來看，指紋圖像中的有用信息 (如紋線結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)特征等)包含在一定的通 帶內(nèi)，而低頻成分則相對圖像的背景亮度。 </p><p>　　(2)指紋圖像紋線的方向性對指紋的識別提供了重要的信息，同時它又能為指紋圖像的處理和壓縮提供極大的方便。對于指紋圖像的每一點(diǎn)，都可以定義它的局部 紋線走向，所有點(diǎn)的方向信息組成了該指 紋圖像的方向圖

90、。</p><p>　　(3)在實(shí)際應(yīng)用中,衡量指紋圖像質(zhì)量好壞的一個重要標(biāo)準(zhǔn)就是能否方便、準(zhǔn)確地提取出指紋圖像中用于識別的特征。從上我們可以看出,小波變換有許多適合指紋圖像的特點(diǎn),如對局部細(xì)節(jié)特征的表達(dá)能力,二維小波變換所具有的方向選擇性等。很多研究者率先將小波變換用于指紋 圖像處理中,并取得了較好的效果。</p><p>　　下面我們介紹一下基于小波變換的指紋特征提取算法的具體步驟[1

91、8]:</p><p>　　(1)中心區(qū)域的分割。這里的中心區(qū)域指的是指紋圖像的待識別區(qū)域,不同于很多使用全局指紋圖片的指紋匹配方法,我們只采用指紋圖像的一塊作為匹配區(qū)域。本文將中心區(qū)域定義 為:以參考點(diǎn)為中心的大小為64×64的正 方形區(qū)域,與圓形區(qū)域相比,這種區(qū)域更適合簡化計(jì)算,提高速度。要實(shí)現(xiàn)中心區(qū)域的分割,首先要準(zhǔn)確的檢測參考點(diǎn),本文對參考點(diǎn)的定義為指紋的中心點(diǎn)。為了防止中心點(diǎn)的定位所帶來的誤差

92、對我們考察這種基于小波分解的識別方法的影響,在我們 的實(shí)驗(yàn)中采用人為的方法提取中心點(diǎn)。對實(shí)驗(yàn)圖像進(jìn)行分割,得到的中心區(qū)域如圖2 所示。當(dāng)中心區(qū)域提取出來之后,我們就可以根據(jù)參考點(diǎn)的對齊來對齊指紋圖像的中 心區(qū)域,這在一定程度上解決了在指紋采集過程中產(chǎn)生的指紋圖像間的位移誤差。 </p><p>　　(2)中心區(qū)域的二維小波分解[19]。根據(jù)前面對小波和指紋圖像性質(zhì)的介紹,我們知道利用小波變換能夠提取指紋圖像的特征

93、信息,利用提取出來的信息可以對 圖像進(jìn)行分類識別。我們對指紋圖像的中心區(qū)域d[m,n]進(jìn)行J=4層小波變換,得到3J+1=13幅子圖 [。其中是一個低分辨率的近似圖像, 是在不同尺度不同方向 k 上的細(xì)節(jié)子圖。的小波系數(shù)分別對應(yīng)于垂直高頻, 水平高頻和對角高頻分量。由于子圖僅含有圖像的低頻信息,而我們需要的是圖像的細(xì)節(jié)信息即高頻信息,因此我們丟棄子圖,而對具有高頻信息的細(xì)節(jié)子圖的 小波系數(shù)進(jìn)行提取處理,得到特征向量。</p>

94、;<p>　　表 2.5.1 相同類和不同類指紋圖像的特征向量比較 </p><p>　　圖2.5.3 相同類和不同類的指紋圖像及它們的特征向量</p><p>　　(3)特征碼的計(jì)算[20]。 當(dāng)圖像在某一頻率和方向下具有較明顯的紋理特征時,與之對應(yīng)的小波通道輸 出就具有較大的能量。不同子帶的能量提 供了有關(guān)脊頻率和脊方向的信息,因此不 同尺度和方向上的能量分布具有豐富

95、的指 紋分類信息。我們用這一系列小波通道的 標(biāo)準(zhǔn)差來表示圖像中的紋理特征。通道的標(biāo)準(zhǔn)差由下式給出式(13): </p><p><b>　　(2.5.13)</b></p><p><b>　　(2.5.14)</b></p><p>　　我們把4層小波變換總共12個細(xì)節(jié)子圖的小波系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差組成一個表征這幅指紋圖像的特征

96、向量式 (2.5.14)計(jì)算得到的特征向量對指紋圖像具有 重要的區(qū)分屬性,我們即是采用這些得到的 特征向量對指紋圖像進(jìn)行分類識別的。為了 簡單的證明特征向量的區(qū)分特性,我們對三幅指紋圖像(兩幅同類圖像和一幅不同類圖像)做4層小波分解并提取了長度為12的特征向量。為了便于觀察,我們把這些特征向量用灰度圖表示,同時也強(qiáng)調(diào)了每個特征分量的級數(shù) j 和方向 k ,如圖3所示。可以看出在同類圖像中提取的特征向量具有較高的相似性;而來自不同類指紋的

97、指紋圖像的特征向量具有較大的差異。 表1列舉了圖2.5.3所示的部份指紋圖像經(jīng)過 4層小波變換后提取的特征向量,更加直觀的表現(xiàn)了同類指紋圖片的特征向量的相似性和不同類指紋圖片特征向量的差異性。上面小波特征的提取是對整幅中心子 圖像做小波變換得來的,沒有很好的包含圖像的局部細(xì)節(jié)信息。更好的方法是對指 紋圖像中感興趣的中心區(qū)域分成互不重合 的的分塊,對每塊提取小波特征。在本文的 實(shí)驗(yàn)中,取,即把指紋圖像的中心區(qū)域分為 大小的4塊,如圖2.5

98、.4圖2.5.5。 對指紋圖像中心區(qū)</p><p>　　圖2.5.4 指紋圖像中心區(qū)域的分塊 圖2.5.5 4個分塊的4層小波變換示意圖</p><p>　　3 基于matlab的指紋識別系統(tǒng)</p><p>　　3.1指紋識別系統(tǒng)的登錄界面</p><p>　　指紋識別系統(tǒng)的登錄界面如圖3.1。登錄界面的功能介紹如下：<

99、/p><p>　　1.進(jìn)行身份鑒定：點(diǎn)擊此按鈕會提醒你選擇你要輸入的指紋圖片。只有輸入正確的指紋圖像才能登錄成功，這里成功的應(yīng)用了指紋識別中的指紋鑒別功能。如果輸入的指紋圖像不正確會彈出警告窗口（如圖3.2）。其中最比較困難得是怎樣從特定的文件夾中選取圖片，用到的matlab代碼如下：</p><p>　　[filename,pathname]=uigetfile({'*.jpg

100、9;;'*.bmp';'*.gif'},'讀取圖片');</p><p><b>　　%選擇路徑</b></p><p>　　G=[pathname filename];%合成文件路徑</p><p>　　G1=imread(G);%讀取圖片</p><p>　　2.退出按

101、鈕：點(diǎn)擊此按鈕將會推出指紋識別系統(tǒng)。</p><p>　　其中用到的zhiwenpipei()函數(shù)見附件2。</p><p>　　圖3.1 指紋識別系統(tǒng)登錄界面</p><p>　　圖3.2 指紋鑒定中的警告窗口</p><p>　　3.2 指紋識別系統(tǒng)的主界面</p><p>　　指紋識別系統(tǒng)的主界面如圖3.3。主

102、界面的功能介紹如下：</p><p>　　1.圖像預(yù)處理按鈕：點(diǎn)擊此按鈕你將會進(jìn)入圖像預(yù)處理的界面（如圖3.4）。</p><p>　　2.圖像匹配按鈕：點(diǎn)擊此按鈕你將會進(jìn)入指紋匹配的界面（如圖3.5）。</p><p>　　3.退出按鈕：點(diǎn)擊此按鈕你將會退出指紋識別系統(tǒng)。</p><p>　　其中的難點(diǎn)是進(jìn)行界面間的轉(zhuǎn)換，用到的代碼如下：&

103、lt;/p><p>　　set(gcf,'Visible','off');%關(guān)閉當(dāng)前界面</p><p>　　zhujiemian('Visible','on');%打開圖片預(yù)處理界面，其中zhujiemian為其句柄</p><p>　　pipeituxiangjiemian('Visible&#

104、39;,'on');%打開圖片匹配界面，</p><p>　　圖3.3 指紋識別系統(tǒng)的主界面</p><p>　　3.3指紋識別系統(tǒng)的圖像預(yù)處理界面</p><p>　　圖像預(yù)處理界面如圖3.4。圖像預(yù)處理界面的功能介紹：</p><p>　　1．指紋原始圖像按鈕:點(diǎn)擊此按鈕可以從指定的文件夾中讀取你想要處理的指紋圖片并顯示在

105、界面的左側(cè)，如圖3.4中獲取的圖片位置。其中用到了imshow（）函數(shù)來顯示圖像。</p><p>　　2.預(yù)處理后圖像按鈕：點(diǎn)擊按鈕可以獲得左邊圖像預(yù)處理后的圖像，并將預(yù)處理后的圖像顯示在按鈕的正上方。點(diǎn)擊按鈕右邊的下拉菜單可以隨意查看圖像歸一化、圖像分割、圖像二值化、圖像去空洞和毛刺、圖像細(xì)化后的圖像，其中圖像顯示在按鈕正上方。其中用到的zhiweiyuchuli（）函數(shù)見附件1。</p>&l

106、t;p>　　3.返回按鈕：點(diǎn)擊此按鈕可以回到主界面的畫面。</p><p>　　4.退出按鈕：點(diǎn)擊此按鈕可以退出指紋識別系統(tǒng)。</p><p>　　圖3.4 圖像預(yù)處理界面 </p><p>　　3.4指紋識別系統(tǒng)的指紋匹配界面</p><p>　　指紋匹配界面如圖3.5。指紋匹配界面的功能介紹：</p><p>

107、;　　1.指紋原始圖像：點(diǎn)擊此按鈕可以從指定文件夾中獲取想要進(jìn)行指紋匹配的圖片，并將此圖片顯示在此按鈕的正上方（如圖3.5所示）。</p><p>　　2.匹配圖像：點(diǎn)擊此按鈕可以將左邊的原始指紋圖片與指紋圖片庫中的指紋圖片進(jìn)行一一的對比，并將匹配的圖片顯示在此按鈕的正上方，并且在圖片的正上放的文本框中顯示出匹配指紋圖片的名稱-----原始指紋的主人名稱（如圖3.5所示）。如果指紋庫中沒有與原始指紋匹配的指紋圖片

108、，將彈出警告窗口（如圖3.6所示）。按鈕右邊的下拉菜單可以讓你隨機(jī)查看特征提取后的圖像、找特征點(diǎn)后的圖像、特征點(diǎn)匹配后的圖像。其中的難點(diǎn)是怎樣從指紋庫中一一讀取出其中的指紋圖片進(jìn)行匹配檢驗(yàn)，代碼如下：</p><p>　　cd('D:\matlab2012\matlab2012\bin\指紋識別\圖片\原始指紋圖片庫\');</p><p>　　allnames=struc

109、t2cell(dir('*.jpg')); %處理jpg文件</p><p>　　[k,len]=size(allnames); %獲得jpg文件的個數(shù)</p><p>　　for ii=1:len %逐次讀出文件</p><p>　　name=allnames{1,ii};</p><p>　　M=imread(name

110、);</p><p><b>　　……………</b></p><p><b>　　End</b></p><p>　　3.返回按鈕：點(diǎn)擊此按鈕可以回到主界面的畫面。</p><p>　　4.退出按鈕：點(diǎn)擊此按鈕可以退出指紋識別系統(tǒng)。</p><p>　　其中用到的zhiwen