摘 要： 提出一種新的指紋圖像細(xì)節(jié)特征提取方法" title="特征提取方法" target="_blank">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" 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title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法" title="特征提取方法">特征提取方法。我們將指紋的脊和谷看成是屋脊邊緣，利用屋脊邊緣的凹凸性分別得到脊和谷的骨架，然后基于指紋圖像和知識(shí)，綜合脊和谷兩方面的信息得到指紋圖像的細(xì)節(jié)特征。
關(guān)鍵詞： 屋脊邊緣 指紋圖像 脊和谷骨架 細(xì)節(jié)特征
由于指紋具有普遍性、唯一性和不變性等一系列良好的特性，已經(jīng)被廣泛的用于司法部門(mén)和其他需要辨明個(gè)人身份的場(chǎng)合[1]。在自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中，指紋特征提取的重要性是不言而喻的。指紋圖像的特征有很多種，如紋線(xiàn)、奇異點(diǎn)和細(xì)節(jié)特征等，但最常用的是細(xì)節(jié)特征。指紋細(xì)節(jié)特征有多種類(lèi)型，通常的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)判別脊的分支點(diǎn)和未梢點(diǎn)來(lái)鑒定指紋，這是因?yàn)槠渌?lèi)型的細(xì)節(jié)特征可以用這兩種細(xì)節(jié)特征或其組合來(lái)表示。
細(xì)節(jié)特征提取要求得到真正的細(xì)節(jié)特征而去除由噪聲或污染等因素造成的偽細(xì)節(jié)特征。指紋圖像的細(xì)節(jié)特征提取方法很多，通常都要先經(jīng)過(guò)二值化和細(xì)化，而采用不同的平滑、修補(bǔ)方法[2][3][4]。然而經(jīng)過(guò)二值化和細(xì)化后的某些部位很難辨認(rèn)細(xì)節(jié)特征或細(xì)節(jié)特征的類(lèi)型，不同的平滑、修補(bǔ)方法也帶有很大的主觀性，而且這些方法僅僅從指紋圖像的脊特征出發(fā)，沒(méi)有充分利用指紋圖像本身所包含的豐富信息。
本文提出一種新的指紋細(xì)節(jié)特征提取方法，充分利用指紋圖像本身所包含的豐富信息，不僅考慮到脊的信息，還要考慮谷的信息。從指紋的骨架圖像中直接得到細(xì)節(jié)特征，而不需要平滑和修補(bǔ)過(guò)程，因此具有較好的去除偽細(xì)節(jié)特征而保留真正的細(xì)節(jié)特征的能力。實(shí)驗(yàn)證明本文方法對(duì)于不同質(zhì)量的指紋圖像都取得了令人滿(mǎn)意的效果。
1 屋脊邊緣的凹凸性
屋脊邊緣的凹凸性是指將屋脊邊緣分成上凸型和下凹型兩種類(lèi)型，在沿垂直于屋脊邊緣的走向的方向上，上凸型屋脊邊緣的灰度在鄰域內(nèi)從弱到強(qiáng)再到弱，而下凹型屋脊邊緣相反。在指紋圖像中，脊是下凹型屋脊邊緣而谷是上凸型屋脊邊緣。傳統(tǒng)的基于一階導(dǎo)數(shù)過(guò)零的屋脊邊緣檢測(cè)方法在考慮二階導(dǎo)數(shù)的正負(fù)號(hào)情況下，就可以區(qū)分這兩種類(lèi)型的屋脊邊緣。但是這種方法受噪聲的影響比較大，本文將簡(jiǎn)要介紹一種基于曲面曲率的屋脊邊緣檢測(cè)方法。
我們將指紋圖像中的脊和谷看成是方波型屋脊邊緣。在一維情況下，可以證明方波型屋脊邊緣和平滑函數(shù)的卷積在屋脊邊緣處的曲率可得到局部極值；在二維情況下，方波型屋脊邊緣被平滑后，沿其走向的彎曲程度最小，而沿垂直于走向的方向的彎曲程度最大。根據(jù)微分幾何的知識(shí)，曲面的彎曲程序和彎曲方向可以用曲面的法曲率來(lái)衡量。主曲率是曲面法曲率的最大值和最小值，分別表示了不同方向上曲面最大和最小的彎曲程度。在最大主曲率方向上得到最大主曲率，表明沿該方向，曲面的彎曲程度最大。因此沿最大主曲率方向上，最大主曲率的局部極值點(diǎn)就是屋脊邊緣的邊緣點(diǎn)。
將屋脊邊緣看成一灰度曲面，r＝{x,y,f(x,y)}，其中x,y分別是橫、縱坐標(biāo)，f(x,y)是圖像的灰度值，并且具有連續(xù)的二階導(dǎo)數(shù)，則該曲面的主曲率可由下式確定[5]：
根據(jù)微分幾何知識(shí)，法曲率是有正負(fù)的。當(dāng)法截面與曲面的交線(xiàn)向曲面的法線(xiàn)方向彎曲時(shí)為正，反之為負(fù)。因此只要定義了曲面的法線(xiàn)方向，就可以根據(jù)主曲率的正負(fù)，區(qū)分曲面是上凸型的還是下凹型的。圖1(b)、(c)分別是圖1(a)所示指紋圖像中脊和谷的骨架。
2 指紋圖像細(xì)節(jié)特征的提取
圖2是指紋圖像的一個(gè)局部。可以看到，指紋圖像中脊的分支點(diǎn)對(duì)應(yīng)谷的末梢點(diǎn)，反之亦然。因此，我們可以根據(jù)這一點(diǎn)以及指紋圖像谷和脊兩方面的信息來(lái)判定指紋的細(xì)節(jié)特征并且去除偽細(xì)節(jié)特征，下面我們將詳細(xì)討論如何去除偽細(xì)節(jié)特征。
首先，用一個(gè)3×3的模板分別檢測(cè)脊和谷的細(xì)節(jié)特征，如圖3所示。其中C是當(dāng)前待檢測(cè)點(diǎn)，I0，……I7是C的相鄰點(diǎn)，則：
其中I8＝I0。當(dāng)N＝0時(shí)，當(dāng)前點(diǎn)為孤立點(diǎn)；N＝1時(shí)，當(dāng)前點(diǎn)是末梢點(diǎn)；N＝2時(shí)，當(dāng)前點(diǎn)是骨架上的內(nèi)點(diǎn)；N＝3時(shí)，當(dāng)前點(diǎn)是分支點(diǎn)。
這樣得到的細(xì)節(jié)特征含有很多的偽細(xì)節(jié)特征點(diǎn)有待去除。在具體討論去除偽細(xì)節(jié)特征之前，先定義兩類(lèi)對(duì)應(yīng)關(guān)系：
(1)脊的分支點(diǎn)和谷的末梢點(diǎn)，脊的末梢點(diǎn)和谷的分支點(diǎn)：這兩個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系是類(lèi)似的，以前者為例，脊的分支點(diǎn)將脊的骨架分成三部分(I，II，III)，尋找?jiàn)A角最小的兩部分，則在這兩部分中間的谷的末梢點(diǎn)稱(chēng)為對(duì)應(yīng)的谷的末梢點(diǎn)，如圖2所示。
(2)脊的骨架和谷的骨架的對(duì)應(yīng)關(guān)系：我們稱(chēng)兩個(gè)相鄰脊中的谷的骨架為這兩個(gè)脊所得到的骨架的對(duì)應(yīng)骨架。
有了這兩類(lèi)對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以利用脊和谷兩方面的信息來(lái)判斷并去除圖4所示的偽細(xì)節(jié)特征：這樣所保留的就是真實(shí)的細(xì)節(jié)特征。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
圖5和圖6分別是具有中等質(zhì)量和低質(zhì)量的指紋圖像的細(xì)節(jié)特征提取結(jié)果，其中“+”表示末梢點(diǎn)，而“×”表示分支點(diǎn)。從結(jié)果可以看出，本方法具有良好的檢測(cè)結(jié)果，是令人滿(mǎn)意的。
文本提出一種新的指紋圖像細(xì)節(jié)特征提取方法，我們首先將指紋圖像中的脊和谷看成是屋脊邊緣，利用基于曲面主曲率的方法分別得到脊和谷的骨架，這樣就可以結(jié)合脊和谷兩方面的信息以及指紋細(xì)節(jié)特征的先驗(yàn)知識(shí)，綜合判斷來(lái)去除偽細(xì)節(jié)特征，從而保留真正的細(xì)節(jié)特征。由于本文方法不需要對(duì)脊的骨架進(jìn)行修補(bǔ)和平滑，因此可以排除由于修補(bǔ)和平滑而引入的偽細(xì)節(jié)特征。
參考文獻(xiàn)
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3 A.K.Hrechak and J. A. Mchugh. Automated Fingerprint Recognition Using Structural Matching.1990;(23)8:893～904
4 N.K.Ratha,S.Chen and A.K.Jain.Adaptive Flow Orientation－Based Feature Extraction in Fingerprint Images.1995;(28)11:1567～1672
5 梅向明，黃敬之.微分幾何.北京：高等教育出版社