指紋識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。一般說來，指紋匹配過程如圖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指紋識別的系統(tǒng)要求，加入了一個圖像質(zhì)量評估模塊。整個指紋圖像預(yù)處理的流程如圖3.2所示。

指紋圖像經(jīng)傳感器獲取后，首先要對其質(zhì)量進(jìn)行評估，通過檢查其有效面積的大小來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：手指過干、過濕，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像二值化的過程中會產(chǎn)生一些孔類噪聲，這些孔類噪聲在圖像細(xì)化后，就會產(chǎn)生2個偽特征點(diǎn)，給圖像的識別造成困難，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，主要是針對細(xì)化后的指紋圖像，因?yàn)樵谇懊娴奶幚磉^程中，有些噪聲沒有去除干凈，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對指紋圖像的假設(shè)

為了給圖像預(yù)處理的效果一個客觀的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，作者在本論文中對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)滿足一定的對比度，當(dāng)對比度太差，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n×n的小方塊，統(tǒng)計(jì)每個小方塊內(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)量評估

為了對指紋圖像的好壞進(jìn)行評估，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，有了一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)之后才能夠進(jìn)行圖像的評估。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)該成為評價(jià)一幅指紋圖像的標(biāo)準(zhǔn)，但是在沒有進(jìn)行后續(xù)的處理之前，我們又沒有辦法來獲取具體的特征點(diǎn)以及特征點(diǎn)的數(shù)量、可靠性等信息，因此應(yīng)該尋求一個與有效特征點(diǎn)的數(shù)量密切相關(guān)的量來衡量指紋圖像的質(zhì)量。而且這個量可以不必經(jīng)過后續(xù)的處理和復(fù)雜的計(jì)算就可以得到，并且對大多數(shù)的情況下都能夠有準(zhǔn)確性。

在經(jīng)過大量的試驗(yàn)之后，作者提出了一個假設(shè)：對一個特定的手指，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，對一個特定的手指，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，可以作為評價(jià)指紋圖像質(zhì)量的一個客觀的標(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，為了保證整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，我們需要用質(zhì)量評估模塊把質(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。

下面對圖像質(zhì)量評估的詳細(xì)的過程介紹如下：

根據(jù)假設(shè)（2）對有效指紋區(qū)域的定義和限制，以及假設(shè)（3）對有效指紋區(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大約為指紋兩個脊線（或谷線）之間的寬度，對于分辨率為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，對于非有效指紋區(qū)域還要對其性質(zhì)進(jìn)行進(jìn)一步的判斷，設(shè)定另一個一定的閾值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為一個閥值)，則說明該小方塊內(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。

為了對整幅指紋圖像的性質(zhì)作出判斷，需要對所有已經(jīng)分出性質(zhì)的小方塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且對統(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n×n的小方塊，經(jīng)過統(tǒng)計(jì)后，△f >T的所有小方塊的個數(shù)為N1個，△f ＜T時(shí)，M_i0,j0＜T1 的所有小方塊的個數(shù)為N2個，T2△fT 時(shí)，M_i0,j0>T1 的所有小方塊的個數(shù)為N3個，其他性質(zhì)的小方塊的個數(shù)為4 N個。

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，由此來確定一幅指紋圖像的質(zhì)量

如果P1>TH1（TH1為一個閾值），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是一個閾值），則認(rèn)為指紋圖像中背景圖像過多，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，如果，x取值過大，說明位置偏上，x取值過小，說明位置偏下。左右的情況可以由y來確定。

通過上面對指紋圖像質(zhì)量評估的算法的介紹，可以得出指紋圖像質(zhì)量評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指紋圖像進(jìn)行評估時(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，對其它的部分可以不予處理。