指紋識(shí)別中的圖像處理研究------指紋圖像的預(yù)處理

3 指紋圖像的預(yù)處理

無(wú)論是指紋匹配還是指紋分類，都需要提取指紋的有效特征，為了保證特征提取的可靠性，必須對(duì)獲取的指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，以減少噪聲或其他干擾。本章主要講述用于指紋匹配的圖像預(yù)處理。一般說(shuō)來(lái)，指紋匹配過(guò)程如圖3.1所示。圖像預(yù)處理的質(zhì)量決定了后續(xù)處理魯棒性。

3.1概述

對(duì)于指紋圖像的預(yù)處理，到目前為止已有很多學(xué)者做了大量的研究，并且對(duì)指紋圖像的有效區(qū)域的提取和指紋圖像分割和細(xì)化等提出了各種不同的方法。本論文在綜合了前人的研究成果的同時(shí)，根據(jù)活體指紋傳感器的特性以及自動(dòng)指紋識(shí)別的系統(tǒng)要求，加入了一個(gè)圖像質(zhì)量評(píng)估模塊。整個(gè)指紋圖像預(yù)處理的流程如圖3.2所示。

指紋圖像經(jīng)傳感器獲取后，首先要對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)檢查其有效面積的大小來(lái)判斷指紋圖像是否合格，如果質(zhì)量合格，則進(jìn)行下一步處理；否則，要求重新采集圖像，并給出圖像質(zhì)量不合格的原因，例如：手指過(guò)干、過(guò)濕，或者是手指放置得太偏。圖像分割是把要處理的有效圖像區(qū)域部分進(jìn)行二值化處理，使圖像僅包含兩種象素值，以便于對(duì)圖像特征的提取。去孔類噪聲，主要是因?yàn)樵趫D像二值化的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些孔類噪聲，這些孔類噪聲在圖像細(xì)化后，就會(huì)產(chǎn)生2個(gè)偽特征點(diǎn)，給圖像的識(shí)別造成困難，因此要在圖像細(xì)化之前去除這些噪聲。圖像細(xì)化是進(jìn)一步把二值指紋脊線細(xì)化為單象素寬度的骨架線，這是為了方便后續(xù)的特征提取。圖像濾波，主要是針對(duì)細(xì)化后的指紋圖像，因?yàn)樵谇懊娴奶幚磉^(guò)程中，有些噪聲沒(méi)有去除干凈，在圖像細(xì)化的時(shí)候就產(chǎn)生了短枝噪聲，這些噪聲也會(huì)造成偽特征點(diǎn)，因此要在提取特征點(diǎn)之前去掉這些短枝噪聲，以便能夠提取更加可靠的指紋圖像的特征點(diǎn)。

3.2對(duì)指紋圖像的假設(shè)

為了給圖像預(yù)處理的效果一個(gè)客觀的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，作者在本論文中對(duì)于一副指紋圖像和指紋圖像處理的效果提出了以下假設(shè)：

（1）、指紋圖像應(yīng)當(dāng)滿足一定的對(duì)比度，當(dāng)對(duì)比度太差，或圖像太模糊時(shí)則認(rèn)為圖像不合格而不予處理。

（2）、對(duì)于指紋圖像內(nèi)的任意一點(diǎn)，如果它在有效的指紋區(qū)域[所謂有效的指紋區(qū)域就是指含有明顯的指紋脊線和谷線的區(qū)域]，則其n×n鄰域（n為一合適的數(shù)值，本人在編程序時(shí)取n=14）內(nèi)的所有象素的灰度值的變化量應(yīng)該較大。

（3）、把一幅指紋圖像分割成多個(gè)n×n的小方塊，統(tǒng)計(jì)每個(gè)小方塊內(nèi)的象素灰度值的變化量，根據(jù)假設(shè)（2）可以知道，如果灰度值的變化量f（見下文中定義）小于一定的閾值，則認(rèn)為該塊區(qū)域是指紋圖像的背景區(qū)域，或者是指紋紋理特別模糊的區(qū)域，在這種區(qū)域不含有效的指紋特征，因此處理時(shí)可以把這種n×n的方塊內(nèi)的所有像素都當(dāng)作是非有效指紋區(qū)域部分。

（4）、一幅分割較好的指紋圖像應(yīng)該滿足以下條件

①。在一個(gè)小的區(qū)域內(nèi)指紋的紋線走向應(yīng)該大致相同

②。指紋的紋線流暢，不應(yīng)有太多的中斷，相鄰紋線無(wú)太多粘連

③。指紋紋線間的距離應(yīng)當(dāng)大致相同以上假設(shè)是在對(duì)指紋圖像的特性進(jìn)行充分考慮的情況下提出的，符合絕大多數(shù)人手指指紋的情況，手指上有傷疤或者指紋被磨光的情況除外，因此在后續(xù)的算法設(shè)計(jì)中可以認(rèn)為以上的假設(shè)是成立的。

3.3指紋圖像質(zhì)量評(píng)估

為了對(duì)指紋圖像的好壞進(jìn)行評(píng)估，首先要定義什么樣的圖像是好的圖像，什么樣的圖像是不合格的圖像，有了一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)之后才能夠進(jìn)行圖像的評(píng)估。在參考了很多文獻(xiàn)資料的情況下，我們確定了采用特征點(diǎn)對(duì)指紋進(jìn)行匹配，因此，有效特征點(diǎn)的數(shù)量和可靠性就應(yīng)該成為評(píng)價(jià)一幅指紋圖像的標(biāo)準(zhǔn)，但是在沒(méi)有進(jìn)行后續(xù)的處理之前，我們又沒(méi)有辦法來(lái)獲取具體的特征點(diǎn)以及特征點(diǎn)的數(shù)量、可靠性等信息，因此應(yīng)該尋求一個(gè)與有效特征點(diǎn)的數(shù)量密切相關(guān)的量來(lái)衡量指紋圖像的質(zhì)量。而且這個(gè)量可以不必經(jīng)過(guò)后續(xù)的處理和復(fù)雜的計(jì)算就可以得到，并且對(duì)大多數(shù)的情況下都能夠有準(zhǔn)確性。

在經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)之后，作者提出了一個(gè)假設(shè)：對(duì)一個(gè)特定的手指，有效指紋圖像的面積越大，指紋圖像中所包含的特征點(diǎn)就會(huì)越多，因此指紋圖像的可靠性就越高，指紋圖像的質(zhì)量就越好；反之，如果有效指紋圖像的面積越小，指紋圖像中所包含的信息也就越少，該指紋圖像也就越不可靠。

由此可以看出，對(duì)一個(gè)特定的手指，指紋圖像中有效區(qū)域的面積的大小可以正確的反映出指紋圖像的質(zhì)量，因此，指紋圖像的有效區(qū)域的信息，可以作為評(píng)價(jià)指紋圖像質(zhì)量的一個(gè)客觀的標(biāo)準(zhǔn)。

因?yàn)樽髡咴谡n題中用的是晶體電容式傳感器，圖像質(zhì)量易受外界環(huán)境影響，為了保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，我們需要用質(zhì)量評(píng)估模塊把質(zhì)量不能滿足要求的指紋拒之于外，特別是在指紋登記過(guò)程中，一定要保證指紋模板的可靠性。圖3.3為幾種質(zhì)量較差的指紋圖像的示例。

下面對(duì)圖像質(zhì)量評(píng)估的詳細(xì)的過(guò)程介紹如下：

根據(jù)假設(shè)（2）對(duì)有效指紋區(qū)域的定義和限制，以及假設(shè)（3）對(duì)有效指紋區(qū)域的性質(zhì)的描述，作者設(shè)計(jì)了用灰度值的變化量來(lái)判斷有效指紋區(qū)域和非有效指紋區(qū)域的算法，如下：

首先把一幅指紋圖像分成n×n的小方塊，n大約為指紋兩個(gè)脊線（或谷線）之間的寬度，對(duì)于分辨率為500dpi的指紋圖像其大小可取n=10～18.定義n×n小方塊的灰度值的變化量其中

（i₀，j₀）為小方塊的左上角點(diǎn)的坐標(biāo)，

f_i,j，為原始圖像第i行j列點(diǎn)的象素灰度值（為了和第二章的二值圖像相區(qū)別，這里用f_i,j，來(lái)表示指紋圖像，而不用B[i，j]）

M為該小方塊內(nèi)所有點(diǎn)的均值。

對(duì)于求出的△f，設(shè)定一定的閾值T，如果△f >T，則該方塊內(nèi)所有點(diǎn)都是有效指紋區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)。否則，如果△f＜ T，則該方塊內(nèi)所有點(diǎn)都是非有效的指紋區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)。為了進(jìn)一步判斷指紋圖像的質(zhì)量，對(duì)于非有效指紋區(qū)域還要對(duì)其性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，設(shè)定另一個(gè)一定的閾值T1，如果該小方塊內(nèi)所有點(diǎn)的均值M_i0,j0＜T1，則可以判定該小方塊內(nèi)的圖像是由于圖像粘連所引起的，是手指太濕的原因造成的；否則，如果該小方塊內(nèi)所有點(diǎn)的均值M_i0,j0＞T1,且T2＜△f＜T(T2為一個(gè)閥值)，則說(shuō)明該小方塊內(nèi)的指紋圖像是比較淡，這是由于采集指紋圖像的時(shí)候，手指過(guò)于干燥引起的；如果小方塊內(nèi)的非有效指紋區(qū)域不屬于以上兩種情況，則小方塊內(nèi)的指紋圖像屬于指紋圖像的背景。

為了對(duì)整幅指紋圖像的性質(zhì)作出判斷，需要對(duì)所有已經(jīng)分出性質(zhì)的小方塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且對(duì)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行概率分析，分析出指紋圖像的質(zhì)量是否合格，如果質(zhì)量不合格，則要判斷出不合格的原因，給出下次采集指紋圖像的指導(dǎo)性意見。

設(shè)整幅指紋圖像是由N個(gè)n×n的小方塊，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)后，△f >T的所有小方塊的個(gè)數(shù)為N1個(gè)，△f ＜T時(shí)，M_i0,j0＜T1 的所有小方塊的個(gè)數(shù)為N2個(gè)，T2△fT 時(shí)，M_i0,j0>T1 的所有小方塊的個(gè)數(shù)為N3個(gè)，其他性質(zhì)的小方塊的個(gè)數(shù)為4 N個(gè)。

在統(tǒng)計(jì)了上述信息后，計(jì)算每種性質(zhì)小方塊的數(shù)量與整幅指紋圖像的小方塊的數(shù)量N的關(guān)系，由此來(lái)確定一幅指紋圖像的質(zhì)量

如果P1>TH1（TH1為一個(gè)閾值），則認(rèn)為圖像質(zhì)量合格，P1的值越大，指紋圖像的質(zhì)量就越好，否則，指紋圖像的質(zhì)量不合格。

如果P1≤TH1，P2＞TH2（TH2為一個(gè)閾值），則認(rèn)為圖像的粘連太多，主要是由于采集指紋圖像時(shí)，手指太濕引起的。

如果P1≤TH1，P2≤TH2，P3＞TH3（TH3為一個(gè)閾值），則認(rèn)為指紋圖像紋理太淡，不清晰，是由于采集指紋圖像時(shí)，手指太干燥引起的。

如果P1≤TH1，P4＞TH4（TH4是一個(gè)閾值），則認(rèn)為指紋圖像中背景圖像過(guò)多，這是由于采集指紋圖像時(shí)，手指放置的太位置偏引起，如果要判斷到底是手指偏向左邊、偏向右邊、偏向上邊還是偏向下邊，則還要統(tǒng)計(jì)一個(gè)信息，就是所有△f >T的所有小方塊的所包含的圖像區(qū)域（即有效指紋圖像區(qū)域）的中心點(diǎn)的位置（ x ，y），這個(gè)位置的具體的求法，參見第二章的公式2.1、公式2.2、公式2.3這三個(gè)公式，由（ x ，y）的信息即可判斷出指紋圖像偏離的具體的性質(zhì)，比如說(shuō)，如果，x取值過(guò)大，說(shuō)明位置偏上，x取值過(guò)小，說(shuō)明位置偏下。左右的情況可以由y來(lái)確定。

通過(guò)上面對(duì)指紋圖像質(zhì)量評(píng)估的算法的介紹，可以得出指紋圖像質(zhì)量評(píng)估模塊的算法流程圖，如圖3.4所示。圖3.5是用上面介紹的方法對(duì)指紋圖像進(jìn)行評(píng)估時(shí)，產(chǎn)生的指紋圖像的有效區(qū)域。因?yàn)?，指紋圖像的特征信息都包含在指紋圖像的有效區(qū)域，所以在后續(xù)的處理中，就可以只處理指紋圖像的有效區(qū)域部分，對(duì)其它的部分可以不予處理。