【正文】 hrough the particular endpoint and intersection on the characteristics of the Fingerprint paper using Matlab programs all algorithm. Key words Fingerprint identification Image processing Feature extraction Feature matching 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) III 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期： 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) IV 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó) 家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。門禁系統(tǒng)是新型現(xiàn)代化公共安全管理系統(tǒng)，它集微機(jī)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)和現(xiàn)代安全管理措施為一體，涉及電子、機(jī)械、光學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和生物技術(shù)等諸多新技術(shù)，是重要部門出入口實(shí)現(xiàn)安全防范管理的有效保障 [1]。 指紋門禁系統(tǒng)通過(guò)將用戶的指紋特征與指紋特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比實(shí)現(xiàn)用戶身份的鑒別，并不直接保存和使用用戶的指紋圖像信息，不會(huì)侵犯到用戶的隱私信息，是當(dāng)前技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛的門禁系統(tǒng)。指紋所具有的唯一性、不變性、易于獲取、分類存儲(chǔ)有規(guī)律等特性使其成為生物鑒定學(xué)中最為成熟的方式[2]。 目前指紋識(shí)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(shí)，會(huì)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(huì)導(dǎo)致指紋圖像的變化，這給可靠的特征提取帶來(lái)了相當(dāng)?shù)乩щy；例如傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的識(shí)別方法，是依靠提取指紋脊線上的細(xì)節(jié)點(diǎn)，然后對(duì)其位置和類型進(jìn)行匹配，來(lái)識(shí)別指紋的，而噪聲會(huì)影響特征提取準(zhǔn)確度，增加錯(cuò)誤的特征點(diǎn)或丟失真正的特征點(diǎn)。 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 ⑴、熟練掌握?qǐng)D像處理原理與模式識(shí)別原理；熟練掌握 MATLAB 軟件及該軟件中的ImageProcessingToolbox 及其編程技巧； ⑵、掌握指紋識(shí)別的概念與實(shí)現(xiàn)過(guò)程框圖；熟練掌握指紋圖像的特征、特征提取、指紋 識(shí)別方法； ⑶、構(gòu)建指紋識(shí)別完整模型，包括圖像獲取、圖形預(yù)處理、特征提取、圖像識(shí)別各環(huán)節(jié)的軟件算法；在圖像預(yù)處理過(guò)程中，充分考慮圖像去噪、圖像增強(qiáng)等有關(guān)算法；同時(shí)，設(shè)計(jì)基于指紋識(shí)別的用戶管理界面； ⑷、在消化吸收國(guó)內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，探討指紋識(shí)別模型與算法的快速性、魯棒性。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需求的不同，可以將人體的指紋特征分為：永久性特征、非永久性特征和生命特征。紋理特征則是由平均紋密度、紋密度分布、平均紋曲率、紋曲率分布等紋理參數(shù)構(gòu)成。但它與人體生命現(xiàn)象的關(guān)系和規(guī)律仍有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點(diǎn)”（ minutiae）的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點(diǎn)同時(shí)具有七種以上的唯一性特征。采集設(shè)備（即取像設(shè)備）分成幾類：光學(xué)、半導(dǎo)體傳感器和其他。 誤識(shí)率（ false accept rate， FAR）：是指將不同的指紋誤認(rèn)為是相同的指紋，而加以接收的出錯(cuò)概率。 誤識(shí)率和拒識(shí)率的測(cè)試方法 測(cè)試這兩個(gè)指標(biāo)，通常采用循環(huán)測(cè)試方法。作為測(cè)試樣本的指紋圖像應(yīng)滿足可登記的條件。 工作溫度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的溫度變化范圍，一般是 0～ 40 ℃ 。在入口將個(gè)人的手指按在指紋采集器上，系統(tǒng)將已登錄在指紋庫(kù)中的指紋（稱為已經(jīng)注冊(cè)）進(jìn)行對(duì)比，如果兩者相符（即匹配），則顯示比對(duì)成功，門就自動(dòng)打開(kāi)。在這些應(yīng)用中，指紋識(shí)別系統(tǒng)將取代或者補(bǔ)充許多大量使用照片和 ID 系統(tǒng)。 ATM卡持卡人可不用密碼，避免老人和孩子記憶密碼的困難。 指紋社會(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用為養(yǎng)老金的準(zhǔn)確發(fā)放起了非常有效的作用。通過(guò)他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。利用現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)生產(chǎn)的小型指紋圖像讀取設(shè)備和速度更快的計(jì)五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 算機(jī)，提供了在微機(jī)上進(jìn)行指紋比對(duì)運(yùn)算的可能。 指紋識(shí)別系統(tǒng)的特定應(yīng)用的重要衡量標(biāo)志是識(shí)別率。拒識(shí)率實(shí)際上也是系統(tǒng)易用性的重要指標(biāo)。 指紋識(shí)別系統(tǒng)性能指標(biāo)在很大程度上取決于所采用算法性能。它的目的是減少低質(zhì)量的圖像對(duì)分類識(shí)別結(jié)果的影響，預(yù)處理中一般包括圖像增強(qiáng)、濾波、二值化、細(xì)化等步驟。這 種方法對(duì)于從不同渠道獲得的圖像均有不錯(cuò)的效果。方向圖分為兩種：一種是點(diǎn)方向圖，表示源指紋圖像中每一點(diǎn)脊線的方向：另一種是塊方向圖，表示源指紋圖像中每一塊脊線的大致方向。 點(diǎn) ? ?yx, 的方向?yàn)?dS 取值最小的方向。（ 4/? 與 4/5? 認(rèn)為是不同方向） 由點(diǎn)方向圖求塊方向圖的算法 把點(diǎn)方向圖分成 ww? 大小的塊，對(duì)每一塊計(jì)算方向直方圖（橫坐標(biāo)的方向取到的 N個(gè)值，縱坐標(biāo)為取這些方向的象素個(gè)數(shù)），方向直方圖中的峰值所對(duì)應(yīng)的方向，即該塊的方向。 （ A）原始圖像 （ B）改進(jìn)前的結(jié)果 （ C）改進(jìn)后的結(jié)果 圖 33 指紋圖像的方向圖 4．在計(jì)算指紋圖像方向圖多采用塊與塊直接不重疊的方式，但這樣求出的塊方向僅由該塊所包含的像素點(diǎn)所決定，沒(méi)有考慮其周圍像素 點(diǎn)的影響，很容易造成方向的不連續(xù)性。 計(jì)算步驟： 將方向圖轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的向量場(chǎng)： ? ? ? ?? ?jiOjix ,2c o s, ?? （ ） ? ? ? ?? ?jiOjiy ,2s in, ?? （ ） 這里 x? ， y? 分別是向量場(chǎng) x， y 方向上的分量。這種算法難點(diǎn)在 于需要計(jì)算圖像的頻率圖 —— 將指紋圖像看成由脊和谷組成的周期圖像，在每一個(gè)局部領(lǐng)域內(nèi)都會(huì)有一個(gè)相對(duì)固定準(zhǔn)確的頻率。 一個(gè)基本的濾波器由兩部分組成：平均濾波器和分離濾波器。水平方向的平均濾波器的權(quán)值如右圖 35 所示，其中系數(shù)滿足： 0??? ZYX 。分離濾波器處理圖像過(guò)程與平均濾 波器相同，圖像中的叉連點(diǎn)是把相鄰的兩條脊線連接起來(lái)的點(diǎn)，所以叉連點(diǎn)的上下點(diǎn)灰度值較大，而其同一行上的鄰點(diǎn)的灰度值較小，通過(guò)分離濾波器的處理，叉連點(diǎn)的灰度值會(huì)明顯降低，所以分離濾波器有去除叉連點(diǎn)的作用。 基于方向圖的動(dòng)態(tài)閥值指紋圖像二值化方法 二值化是指紋圖像預(yù)處理中必不可少的一步。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該方法得到的二值化圖像能夠基本保持源圖像上的特征點(diǎn)不丟失，確保了以后的特征提取和比對(duì)的正確性和可靠性。若所考察的當(dāng)前像素點(diǎn)恰好落在波谷上，則該點(diǎn)就是指紋脊線點(diǎn)，若所考察的當(dāng)前像素點(diǎn)恰好落在波峰上，則該點(diǎn)就是指紋谷點(diǎn)，而谷點(diǎn)到脊點(diǎn)間像素灰度的變化幾乎呈線性，正是基于指紋圖像在結(jié)構(gòu)上和像素灰度變化上的這些特點(diǎn)，本文提出了下述指紋圖像二值化方法： 1．將圖像分成大小為 NN 的小塊 ，用上述方向圖改進(jìn)方法計(jì)算各小塊的方向 ? ； 2．對(duì)圖像中的每一點(diǎn) ? ?,ij ，以其所在塊的方向 ? 作為該像素點(diǎn)的方向 ? ?,ij? ，并以該點(diǎn)為中心在其法方向上取 lw? ( ,lw一般為奇數(shù) )的矩形窗，計(jì)算矩形窗內(nèi)指紋方向每一列中像素點(diǎn)在 法方向上的加權(quán)平均 ? ? ? ? ? ?0 , 1 , , 1X X X w??? ?，具體公式為： ? ? ? ? ? ?10 ,l k d k ddX k c o e ffic e n t d f i j????? 0,1 1kw? ??? ? （ ） 其中 coefficent 為加權(quán)平均系數(shù)，滿足 ? ?10 1ld coefficent d?? ?? ， ? ?,kd kdij是 k 列上的第 d個(gè)像素的位置。 本算法在具體實(shí)現(xiàn)中可利用同一塊中所有像素有同樣方向的條件，推導(dǎo)出快速算法，防止一些點(diǎn)的重復(fù)掃描，大大縮短處理時(shí)間。實(shí)際上，是保持原圖的骨架 [7]。 (連接性 ) 3．不引起紋線的逐步吞食。 (中軸性 ) 7. 算法簡(jiǎn)單、速度快。 消除模板具體如下： 圖 310 消除模塊圖 （ A） ~（ D） 4 個(gè)模板能有效去除邊緣上的突出物，保證了細(xì)化后的指紋骨架處于指紋脊線中心，避免了細(xì)化后的指紋骨架出現(xiàn)毛刺。 這種算法的具體實(shí)現(xiàn)可引入查表法，即對(duì)所要處理的像素周圍模板內(nèi)前 15 個(gè)點(diǎn)預(yù)先進(jìn)行編碼 (用雙字節(jié) 15 個(gè)位來(lái)表示，雙字節(jié)的最低位存放 15P 的值，依此類推，次最高位存放15P 的值 )，把編碼值作為存儲(chǔ)地址，按上述細(xì)化法則，預(yù)先在存儲(chǔ)地址上存入相應(yīng)的細(xì)化值 (可用 0、 1 表示， 0 表示保留， 1 表示刪去 )。 特征提取的首要問(wèn)題是確定細(xì)節(jié)點(diǎn)和它的位置，細(xì)節(jié)點(diǎn)的位置和細(xì)節(jié)點(diǎn)間的相對(duì)位置很重要，盡管每個(gè)指紋中包括將近 80 個(gè)細(xì)節(jié)，只要確定十幾個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)就己經(jīng)足夠用來(lái)識(shí)別了。如果 M 是端點(diǎn)，則它的八鄰域滿足： ? ? ? ?8 1 12N kC R k R k?? ? ? ?? ， ? ? ? ?91RR? （ ） 如果 M 是分叉點(diǎn)，則它的八鄰域滿足： ? ? ? ?8 1 16N kC R k R k?? ? ? ?? ， ? ? ? ?91RR? （ ） 這樣我們就可以在細(xì)化后的圖像中找到細(xì)節(jié)點(diǎn) (端點(diǎn)和分叉點(diǎn) )，并記錄它們?cè)趫D中的相對(duì)位置。 這種方法中鄰域的選取很重要，如果取得比較小，則可能起不到去除假特征點(diǎn)的作用；如果取得比較大的話，則可能將真正的特征點(diǎn)也一并刪 去。 3．細(xì)節(jié)點(diǎn)的類型，即脊線端點(diǎn)或脊線分叉點(diǎn)。采樣點(diǎn)用該點(diǎn)與對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)的距離 jd ，和連接該點(diǎn)與對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)的直線與對(duì)應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)方向的夾角 ja 來(lái)表示， ja 的取值范圍在 180 到 180 度之間。 細(xì)節(jié)點(diǎn)集的校準(zhǔn)： 令 ? ? ? ?? ?1 1 1, , , , , ,TTP P P P P PM M MP x y x y??? ??? （ ） 表示模板圖像中的 M 個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)， ? ? ? ?? ?1 1 1, , , , , ,TTQ Q Q Q Q QN N NQ x y x y??? ??? （ ） 表示輸入圖像中的 N 個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)。如果， iP 和jQ 可以被當(dāng)作一對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)，即它們分別對(duì)應(yīng)的脊線相似性到了一定程度 ，則 ? ?? ?rotate i j 將取 0 度到 360 度間的一個(gè)值，否則，我們定義 ??? ?rotate i j 取值為 400，以表示 iP 和 jQ 不能是一對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 第 4 章 指紋識(shí)別算法的 MATLAB 實(shí)現(xiàn) MATLAB 簡(jiǎn)介 MATLAB 的概況 MATLAB 是 矩陣實(shí)驗(yàn)室（ Matrix Laboratory）之意。工具包又可以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。除內(nèi)部函數(shù)外，所有 MATLAB 主包文件和各種工具包都是可讀可修改的文件，用戶通過(guò)對(duì)源程序的修改或加入自己編寫程序構(gòu)造新的專用工具包。 到 70 年代后期，身為美國(guó) New Mexico 大學(xué)計(jì)算機(jī)系系主任的 Cleve Moler 在給學(xué)生講授線性代數(shù)課程時(shí)，想教學(xué)生使用 EISPACK和 LINPACK程序庫(kù)，但他發(fā)現(xiàn)學(xué)生用 FORTRAN編寫接口程序很費(fèi)時(shí)間，于是他開(kāi)始自己動(dòng)手，利用業(yè)余時(shí)間為學(xué)生編寫 EISPACK 和LINPACK 的接口程序。同年 ,他和 Cleve Moler,Steve Bangert 一起，用C 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了第二代專業(yè)版。一類是數(shù)值計(jì)算型軟件，如 MATLAB,Xmath,Gauss 等，這類軟件長(zhǎng)于數(shù)值計(jì)算，對(duì)處理大批數(shù)據(jù)效率高；另一類是數(shù)學(xué)分析型軟件， Mathematical,Maple 等 ,這類軟件以符號(hào)計(jì)算見(jiàn)長(zhǎng) ,能給出解析解和任意精確解 ,其缺點(diǎn)是處理大量數(shù)據(jù)時(shí)效率較低。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄 ,接口簡(jiǎn)陋 ,程序結(jié)構(gòu)不開(kāi)放以及沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的基庫(kù) ,很難適應(yīng)各學(xué)科的最新發(fā)展 ,因而很難推廣。 MATLAB 較 MATLAB 無(wú)論是界面還是內(nèi)容都有長(zhǎng)足的進(jìn)展 ,其幫助信息采用超文本格式和 PDF格式 ,在 Netscape IE 及以上版本 ,Acrobat Reader 中可以方便地瀏覽。在設(shè)計(jì)研究單位和工業(yè)部門 ,MATLAB 被廣泛用于科學(xué)研究和解決各種具體問(wèn)題。 MATLAB 最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。 MATLAB 程序書寫形式自由， 利用起豐富的庫(kù)函數(shù)避開(kāi)繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工