【正文】 指紋識(shí)別系統(tǒng) 摘 要 由于指紋所具有的唯一性和不變性，以及指紋識(shí)別技術(shù)具有很高的可行性和實(shí)用性，指紋識(shí)別成為目前最流行、最可靠的個(gè)人身份認(rèn)證技術(shù)之一。 本論文對(duì)指紋 圖像基于小波變換的各種處理 進(jìn)行了分析、總結(jié)。 圖像處理包括基于小波變換的指紋圖像 濾波處理和基于小波的指紋圖像增強(qiáng)處理。 同時(shí)介紹指紋圖像的預(yù)處理：目的是去除指紋圖像中的噪音，將其轉(zhuǎn)化為一幅清晰的點(diǎn)線圖，便于提取正確的指紋特征。它分四步進(jìn)行，即灰度濾波、二值化、二值去噪、細(xì)化。 本文 針對(duì)基于點(diǎn)模式匹配的指紋匹配算法速度較慢的現(xiàn)狀 ,設(shè)計(jì)了一種新的指紋匹 配方法 ,即利用紋線匹配技術(shù)來(lái)尋找基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)的指紋匹配算法 .實(shí)驗(yàn)證明 ,該算法匹配速度很快 ,誤識(shí)率低 ,準(zhǔn)確性高 ,并具有圖象旋轉(zhuǎn)平移不變性 .對(duì)面積適中的指紋圖象 ,匹配結(jié)果可以滿足在線應(yīng)用的需要 .該算法有望發(fā)展成為一種實(shí)用、有效的指紋匹配技術(shù) . 關(guān)鍵詞 :指紋圖像增強(qiáng)，細(xì)化，特征提取，特征匹配， 二值化，指紋圖像濾波 Abstract Due to the uniqueness and invariability of fingerprints, and better feasibility and utility of fingerprint verification technology, the automated identification based on fingerprints is being an attractive alternative to the traditional methods of identification. In this paper, we have analyzed the image processing of fingerprint images which are based on wavelets transforms. The image process is mainly posed of two sections, which are fingerprint filtering process and fingerprint the enhancement which are based on wavelets transform. At the same time, there to be introduce the fingerprint preprocess. The fingerprint preprocess is to remove noise and it will translate into a plain pointline image, which is convenient for extracting the perfect fingerprint character. Because the fingerprint matching algorithm based on point pattern matching is not quick enough, a new fingerprint matching algorithm is presented here. Lines matching technique is used in the algorithm for seeking pairs of reference minutiae. Through experiments, the algorithm is proved accurate, quick, and invariable to translation and rotation of images. According to fingerprint images of moderate sizes, the needs of online application can be met. The algorithm is expected to be a convenient and effective fingerprint matching technique. Key words： fingerprint image enhancement ， feature extraction, feature fingerprint image pression thinning, matching, 目 錄 1 緒論 指 紋 自 動(dòng) 識(shí) 別 技 術(shù) 的 歷 史 、 現(xiàn) 狀 和 未來(lái) ???????????????? 1 本文的主要研究工作 ???????????????????????? 2 2 Visual C++環(huán)境下圖像的小波變換及指紋圖像處理 小波的基本理論 ???????????????????????? 3 小波分析圖像處理???????????????????? 3 連續(xù)小波變換 ?????????????????????? 5 離散小波變換 ?????????????????????? 6 指 紋 圖 像 二 維 小 波 變 換 概 念 及 算法 ????????????? 7 二 維 小 波 變 換 編 程 實(shí) 現(xiàn) 及 運(yùn) 行 結(jié)果 ????????????? 8 基于小波變換的 指紋圖像濾波處理 ??????????????? 20 小 波 系 數(shù) 的 頻 域 分布 ?????????????????? 21 基 于 小 波 變 換 的 圖 像 濾 波 處理 ?????????????? 21 指 紋 圖 像 的 低 通 濾 波 的 實(shí) 現(xiàn) 及 運(yùn) 行 結(jié)果 ?????????? 21 指 紋 圖 像 的 高 通 濾 波 及 編 程 實(shí) 現(xiàn) 和 運(yùn) 行 結(jié)果 ???????? 25 指 紋 灰 度 圖 濾波 ???????????????????? 30 方向加權(quán)中值濾波算法 ????????????????? 32 基 于 小 波 變 換 濾 波 處 理 的 結(jié)論?????????????? 36 基于小波變換的 指紋圖像增強(qiáng)處理及實(shí)現(xiàn) ???????????? 37 圖 像 增 強(qiáng) 及 技 術(shù) 的 基 本 思想 ???????????????? 37 基于小波的指紋圖像增強(qiáng)算法 ??????????????? 38 指 紋圖像增強(qiáng)處理的 VC++ 編程實(shí)現(xiàn)及運(yùn)行結(jié)果 ???????? 41 指 紋 圖 像 的 平 滑 及 VC ＋ ＋ 編 程 實(shí)現(xiàn) ????????????? 46 指 紋 圖 像 中 值 濾 波 及 VC ＋ ＋ 編 程 實(shí)現(xiàn) ???????????? 60 指紋圖像梯度銳化和拉普拉斯銳化 ????????????? 70 3 基于 Visual C++指紋圖像的預(yù)處理 預(yù)處理概述 ???????????????????????? 78 指 紋 方 向 圖 及 其 提 取 算法 ??????????????????? 78 指 紋 圖 像 二 值 化 及 圖 像 濾 波 去噪 ???????????????? 82 指紋圖像細(xì)化及算法 編程實(shí)現(xiàn) ????????????????? 84 指 紋 圖 像 細(xì) 化 后 去噪 ????????????????????? 91 本章總結(jié) ??????????????????????????91 4 Visual C++環(huán)境下指紋特征提取及匹配 指 紋 細(xì) 節(jié) 特 征 提取 ?????????????????????? 92 指紋 的 細(xì) 節(jié) 匹配 ??????????????????????? 96 5 全文總結(jié)…………………………………………………………………………… 104 致謝 …………………………………………………………………………………… …… 105 參考文獻(xiàn) …………………………………………………………………………………… 106 附錄 英文原文 ……………………………………………………………………………… 107 漢語(yǔ)翻譯 ……………………………………………………………………………… 112 1 緒 論 、 指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和未來(lái) 自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)是一種有著廣泛應(yīng)用背景的身份鑒定技術(shù)。本論文 主要 介紹了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng) 的 指紋圖像處理和指紋匹配兩部分。 指紋識(shí)別的基本原理為：采用細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來(lái)做細(xì)節(jié)匹配，即對(duì)指紋的脊 線末梢和指紋的脊線分支點(diǎn)提取特征點(diǎn)來(lái)鑒定指紋。具體的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖見 圖 11。 圖 11 自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖 考古證實(shí)，公元前 7000 年到 6000 年以前，古敘利亞和中國(guó)，指紋作為身份鑒別己經(jīng)開始應(yīng)用。考古發(fā)現(xiàn)，在這個(gè)時(shí)代，一些粘土陶器上留有陶藝匠人的指紋，中國(guó)的一些文件上印有起草者的大拇指指紋，在 Jercho 的古城市的房屋留有磚匠一對(duì)大拇指指紋的印記等。雖然指紋的一些特征己經(jīng)被人們認(rèn)識(shí)和接受而不能證明，但指紋己廣泛應(yīng)用社會(huì)的各個(gè)方面。 19 世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了至今仍然承認(rèn)的指紋的兩個(gè)重要特征： 一是兩個(gè)不同手指的指紋脊線的式樣 (ridge pattern)不同，另外一個(gè)是指紋脊線的式樣終生不改變。這個(gè)研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用。 (主要代表性的事件有： 1896 年阿根廷首次應(yīng)用，然后是 1901 年的蘇格蘭， 20 世紀(jì)初其他國(guó)家也相繼應(yīng)用到犯罪鑒別中 ) 20 世紀(jì) 60 年代，由于計(jì)算機(jī)可以有效的處理圖形，人們開始著手研究利用計(jì)算機(jī)來(lái)處理指紋。從那時(shí)起，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng) AFIS在法律實(shí)施方而的研究和應(yīng)用在世界許多國(guó)家展開。 20 世紀(jì) 80 年代 ，個(gè)人電腦、 光學(xué)掃描這兩項(xiàng)技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實(shí)，從而使指紋識(shí)別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，比如代替IC 卡?，F(xiàn)在 (90 年代后期 )，低價(jià)位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對(duì)算法的發(fā)現(xiàn)為個(gè)人身份識(shí)別應(yīng)用的增長(zhǎng)提供了舞臺(tái)。 對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)來(lái)說(shuō)，被廣泛接受意味著在影響千萬(wàn)人的日常生活的各個(gè)地方使用。通過(guò)取代個(gè)人識(shí)別碼和口令，指紋識(shí)別技術(shù)可以阻止非授權(quán)的訪問(wèn)，可以防止盜用 ATM、蜂窩電話、智能卡、桌面 PC、工作站及其計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；在通過(guò)電話、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的金融交易時(shí)進(jìn)行身份認(rèn)證；在建筑物或工 作場(chǎng)所，指紋識(shí)別技術(shù)可以取代鑰匙、證件、圖章和卡閱讀器。 然而，必須指出的是，指紋識(shí)別技術(shù)到目前在國(guó)內(nèi)乃至世界上仍未普及，其主要原因是： (1)速度慢，目前一般系統(tǒng)辨別時(shí)需要數(shù)秒鐘甚至更長(zhǎng)； (2)價(jià)格高，系統(tǒng)過(guò)于昂貴； (3)性能差，錯(cuò)誤拒識(shí)率（ False Reject Rate： FRR）和錯(cuò)誤接受率（ FalseAccepted Rate： FAR）過(guò)高。因此，對(duì)快速而精確的指紋識(shí)別方法的研究有著重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。 一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) (Automated Fingerprint Identification System： AFIS)主要包括指紋圖像提取子系統(tǒng)、指紋識(shí)別子系統(tǒng)和指紋壓縮存儲(chǔ)子系統(tǒng)幾個(gè)部分組成。其中，指紋識(shí)別子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，包括指紋圖象處理、特征提取、指紋分類及匹配等四部分。本文將主要對(duì)指紋圖象處理和特征提取的部分算法加以討論和研究。 、 本文的主要研究工作 本文主要的研究?jī)?nèi)容是在 VC++環(huán)境下實(shí)現(xiàn)指紋圖像的小波變換和預(yù)處理，同時(shí)還研究指紋特征提取及匹配算法問(wèn)題。 全文對(duì)小波的基本理論進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并對(duì)指紋圖像小波變換的實(shí)現(xiàn)、基于小波變換頻率特性的應(yīng)用 —— 指 紋圖像濾波處理、指紋圖像增強(qiáng)處理的理論以及 VC++編程實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了比較深入地研究，并列出了實(shí)現(xiàn)程序。 此外，本文還在對(duì)指紋圖像的預(yù)處理方法進(jìn)行分析和研究的基礎(chǔ)上，提出了一套指紋預(yù)處理算法，采用該算法可以得到清晰的指紋點(diǎn)線圖，效果較為突出。 第 2 章 VC++環(huán)境下小波變換及指紋圖像處理 小波的基本理論 小波分析圖像處理 小波變換是最近 20多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的用于信號(hào)分析和信號(hào)處理的一種新的域變換技術(shù)。由于小波變換是把信號(hào)在不同尺度上進(jìn)行小波展開，它更適合于處理突變信號(hào)和非 平穩(wěn)信號(hào)。小波變換技術(shù)已受到人們極大的重視。 Fourier變換是數(shù)學(xué)分析中最古老的學(xué)科之一，即一個(gè)信號(hào)可表示成一系列正弦和余弦函數(shù)之和。但 Fourier變換只有頻率分辨率而沒(méi)有時(shí)間分辨率，這就意味我們可以確定信號(hào)中包含的所有頻率，但不能確定具有這些頻率的信號(hào)出現(xiàn)在什么時(shí)候，只適宜處理平穩(wěn)信號(hào)。在非平穩(wěn)信號(hào)的分析中，人們希望存在一種變換函數(shù)，能夠滿足在高頻信號(hào)中，有相對(duì)小的時(shí)間間隔以便給出較高的精度，而在低頻信號(hào)中能夠以相對(duì)較寬的時(shí)間間隔給出完全的信息。 小波是有限寬度的基函數(shù)，這些基函數(shù)不僅在頻率上而且在 位置上是變換的，它們是有限寬度的波?；谒鼈兊淖儞Q稱為