【正文】 1RR? （ ） 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。 3．細(xì)節(jié)點(diǎn)的類型，即脊線端點(diǎn)或脊線分叉點(diǎn)。 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)。 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。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。同年 ,他和 Cleve Moler,Steve Bangert 一起，用C 語言開發(fā)了第二代專業(yè)版。這種軟件的缺點(diǎn)是使用面窄 ,接口簡(jiǎn)陋 ,程序結(jié)構(gòu)不開放以及沒有標(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。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題。 MATLAB 程序書寫形式自由， 利用起豐富的庫(kù)函數(shù)避開繁雜的子程序編程任務(wù)，壓縮了一切不必要的編程工作。 MATLAB 最突出的特點(diǎn)就是簡(jiǎn)潔。 MATLAB 較 MATLAB 無論是界面還是內(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。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。 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。工具包又可 以分為功能性工具包和學(xué)科工具包。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)。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 來表示， ja 的取值范圍在 180 到 180 度之間。 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。 特征提取的首要問題是確定細(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)足夠用來識(shí)別了。 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。 (連接性 ) 3．不引起紋線的逐步吞食。 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)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。分離濾 波器處理圖像過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。 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。 計(jì)算步驟： 將方向圖轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的向量場(chǎng)： 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 ? ? ? ?? ?jiOjix ,2co s, ?? （ ） ? ? ? ?? ?jiOjiy ,2sin, ?? （ ） 這里 x? ， y? 分別是向量場(chǎng) x， y 方向上的分量。（ 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。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。 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。 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。通過他的指紋和預(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。 ATM卡持卡人可不用密碼，避免老人和孩子記憶密碼的困難。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。作為測(cè)試樣本的指紋圖像應(yīng)滿足可登記的條件。 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。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。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。 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。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]。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]。 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。在圖像預(yù)處理中，依次介紹了規(guī)格化處理、圖像增強(qiáng)、二值化處理和細(xì)化處理的方法。預(yù)處理后將得到一幅寬度為一個(gè)像素的細(xì)化二值圖像，然后通過特定的端點(diǎn)和交叉點(diǎn)的特征進(jìn)行指紋匹配。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。 目前有很多的生物測(cè)定技術(shù)可用于身份認(rèn)證，包括虹膜識(shí)別技術(shù)、視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)、面部識(shí)別、簽名識(shí)別、聲音識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別等，具有安全、可靠的特點(diǎn)，其中自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)是目前研究最多、最有應(yīng)用前景的生物識(shí)別系統(tǒng)。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析 指紋識(shí)別技術(shù)從早期的人工比對(duì)到現(xiàn)在采用計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)指紋識(shí)別，指紋對(duì)比更加準(zhǔn)確，識(shí)別 效率得到極大提高。同時(shí)，針對(duì)構(gòu)建的簡(jiǎn)單指紋圖像數(shù)據(jù)庫(kù)具有較好的識(shí)別效果，并考慮指紋門禁控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性； ⑸、參照國(guó)內(nèi)外同行取得的研究成果，不斷改進(jìn)算法模型。紋理特征多用于計(jì)算機(jī)指紋識(shí)別算法的多維分類及檢索。通常手指上平均 具有 70 個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以這種方法會(huì)產(chǎn)生大約 490 個(gè)數(shù)據(jù)。 FAR=（錯(cuò)判的指紋數(shù)目／考察的指紋總數(shù)目） 100%。 系統(tǒng)參數(shù) 登率（ error registration rate， ERR）：指的是指紋設(shè)備出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋的概率，ERR 過高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍，通常要求小于 1%。如不匹配，則顯示“不成功”或“沒有這個(gè)指紋”，門就不開。 近年來，互聯(lián)網(wǎng)帶給人們方便與利益已，也存在著安全問題。自動(dòng)指紋識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行指紋識(shí)別的一種方法。主要包括拒識(shí)率和誤識(shí)率，兩者成反比關(guān)系。指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成熟，其應(yīng)用日益普遍，除了刑事偵察用之外，在民用方面已非常廣泛，如指紋門禁系統(tǒng)、指紋考勤系統(tǒng)、銀行指紋儲(chǔ)蓄系統(tǒng)、銀行指 紋保管箱、指紋醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)、計(jì)劃生育指紋管理系統(tǒng)、幼兒接送指紋管理系統(tǒng)、指紋獻(xiàn)血管理系統(tǒng)、證券交易指紋系統(tǒng)、指紋槍械管理系統(tǒng)、智能建筑指紋門禁管理系統(tǒng)、駕駛員指紋管理系統(tǒng)等。 在以上兩種方法都要用到方向圖，方向圖是一種可直接從原灰度圖像中得到的有用信息，在預(yù)處理、特征提取、指紋分類中有著重要意義。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 最小均方估計(jì)塊方向算法 ? ?jif , 代表指紋圖像在 ? ?ji, 處的灰度值步驟： 1．將圖像分成大小為 MM? 的塊。 實(shí)現(xiàn)低通濾波： ? ? ? ? ? ?? ???? ??? ?????? ? 2/ 2/ 2/ 2/ , ????wuwuwvwv xx vwjuwivuWji （ ） ? ? ? ? ? ?? ???? ??? ??????? 2/ 2/ 2/ 2/ , ????wuwuwvwv yy vwjuwivuWji （ ） 這里 W 是一個(gè)大小為 ?? ww? 的二維低通 濾波器 [5]，一般使用 55? 的均值濾波。 平均濾波器的作用主要是連接邊中出現(xiàn)的斷點(diǎn)，而分離濾波器可以去除圖像中的叉連現(xiàn)象。 一個(gè)基本濾波器要求具備上述兩種功能，它的作用相當(dāng)于平均濾波器加分離濾波器，所以它的權(quán)值如右圖 37，其中參數(shù)： K=X 十 P， L=Y+Q， M=Z+R。指紋局部圖如圖 38： （ A） 原始圖像 （ B）谷脊變化波形圖 圖 38 指 紋谷脊變化波形圖 方框 Y 方向是該塊的指紋方向， X 方向是其法線方向。 指紋圖像的細(xì)化算法 指紋圖像二值化后，紋線仍具有一定的寬度，而指紋識(shí)別只對(duì)紋線的走向 感興趣，不關(guān)心它的粗細(xì)。 (拓?fù)湫?) 4．保護(hù)指紋的細(xì)節(jié) 特征。 除消除模板外，還需構(gòu)造保留模板，保持紋線的連通性。 探測(cè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的算法很簡(jiǎn)單，如圖 312 所示的 3x3 模板 就可以用來確定特征的位置。在具體實(shí)現(xiàn)中，我們?nèi)∑浒霃綖榧箤挼囊话?。下圖給出了細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脊線與脊線上的采樣點(diǎn)的例子。如果 iP 和 jQ 是不同類型的細(xì)節(jié)點(diǎn)，也就是說它們一個(gè)是端點(diǎn)，一個(gè)是分叉五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 點(diǎn)，則它們不是對(duì)應(yīng)點(diǎn)對(duì)， ??? ?rotate i j 取值為 400。功能工具包用來擴(kuò)充 MATLAB 的符號(hào)計(jì)算、可視化建模仿真、文字處理及實(shí)時(shí)控制等功能。 Cleve Moler 給這個(gè)接口 程序取名為 MATLAB,該名為矩陣 (matrix)和實(shí)驗(yàn)室 (labotatory)兩個(gè)英文單詞的前三個(gè)字母的組合。 Math Works 公司順應(yīng)多功能需求之潮流 ,在其卓越數(shù)值計(jì)算和圖示能力的基礎(chǔ)上 ,又率先在專業(yè)水平上開拓了其符號(hào)計(jì)算、文字處理、可視化建模和實(shí)時(shí)控制能力 ,開發(fā)了適合多學(xué)科 ,多部門 要求的新一代科技應(yīng)用軟件 MATLAB。時(shí)至今日 ,經(jīng)過 Math Works 公司的不斷完善 ,MATLAB 已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科 ,多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大大大型軟件。 MATLAB 用更直觀的，符合人們思維習(xí)慣的代碼，代替了 C 和 FORTRAN 語言的冗長(zhǎng)代碼。以下簡(jiǎn)單介紹一下 MATLAB 的主要特點(diǎn) : 1）、語言簡(jiǎn)潔緊湊，使用方便靈活，庫(kù)函數(shù)極其豐富 。在歐美等高校 ,MATLAB 已經(jīng)成為線性代數(shù)、自動(dòng)控制理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)間序列分析、動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真等高級(jí)課程的基本教學(xué)工具；成為攻讀學(xué)位的大學(xué)生、碩士生、博士生必須掌握的基本技能。在 MATLAB進(jìn)入市場(chǎng)前 ,國(guó)際上的許多軟件包都是直接以 FORTRAN、C 語言等編程語言開發(fā)的。 1983年春天 ,Cleve Moler 到 Standford 大學(xué)講學(xué) ,MATLAB 深深地吸引了工程師 John Little 敏銳地覺察到 MATLAB 在工程領(lǐng)域的廣闊前景。開放性使 MATLAB 廣受用戶歡迎。 本