【文章內(nèi)容簡介】 適的 系統(tǒng) 編程語言 Visual C++，方便進行圖象圖形處理。 系統(tǒng)設(shè)計原則 計算機應(yīng)用系統(tǒng)的用戶界面設(shè)計的好壞，直接影響到系統(tǒng)用戶對其接受和掌握的程度。本系統(tǒng)的用戶水平不一，計算機背景知識參差不齊，故系統(tǒng)界面風(fēng)格應(yīng)盡量友好，易學(xué)易用。系統(tǒng)界面應(yīng)遵循以下要求 :本系統(tǒng)界面簡潔、明快、緊湊、布局合理、使用方便，菜單、工具條、快捷鍵、控件和對話框的風(fēng)格與標(biāo)準(zhǔn)的Windows2020/XPINT風(fēng)格相吻合。系統(tǒng)支持 1024X768顯示器分辨率，在這種分辨率下系統(tǒng)能提供美觀的界面和良好的布局。 設(shè)計原則 系統(tǒng)設(shè)計 原則為便于本系統(tǒng)的開發(fā)、使用。系統(tǒng)在技術(shù)特性方面應(yīng)做到以下四個原則。 (1)先進性原則在指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程中采用科學(xué)的軟件項目管理機制，追蹤先進設(shè)計思想，應(yīng)用成熟采用先進的技術(shù)，使系統(tǒng)的功能設(shè)計能處在同類科技的前列。 (2)適應(yīng)性原則軟件系統(tǒng)的性能指標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)，系統(tǒng)性能可靠，易于維護并且系統(tǒng)各方面指標(biāo)切合實際需要。 (3)安全性與可靠性原則，堅持安全可靠的設(shè)計原則是工作的基本要求。 (4)可擴充原則該系統(tǒng)必須具有良好的擴充能力。 中原工學(xué)院計算機學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 7 第 3章 指紋識別 系統(tǒng)總體設(shè)計 系統(tǒng)總體設(shè)計 指紋預(yù)處理與識別系 統(tǒng)主要包括四個部分，分別為：指紋圖像的獲取、圖像預(yù)處理、特征的提取與模板匹配。 如圖 21 是從指紋圖像采集到特征提取的全部流程，其中圖像處理部分為主要研究范圍。 圖 31 特征提取及模板匹配系統(tǒng)流程 指紋圖像的獲取 傳統(tǒng)的指紋采集方法是用手指蘸上墨水或印油在紙上按壓，然后用掃描儀攝取。由于其嚴(yán)重的不可靠性，該方法己經(jīng)被淘汰。隨著光學(xué)儀器、傳感器及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，各種快速、精確、方便、小巧的采集設(shè)備得到應(yīng)用。目前，主要是使用光學(xué)掃描儀和固態(tài)陣列傳感器進行采集。前者用激光照在手指上，然后用 CCD 陣列攝取其 反射光，由于反射光強隨著指紋的脊和谷的深度不同而不同，因此可以得到指紋圖像。后者是用大量敏感元件組成的固態(tài)陣列芯片，它們采用電容傳感、熱敏傳感或其他傳感技術(shù)，通過感受按壓指紋的壓力、熱度等特征來攝取指紋。近年來，又出現(xiàn)了其他一些新型的指紋采集設(shè)備，如超聲波指紋采集器，它是基于指紋的脊和谷的深度對超聲波的不同反射原理而工作的。這些設(shè)備中，光學(xué)掃描儀因其技術(shù)比較成熟、性價比比較高而得到廣泛應(yīng)用。以下是指紋采集儀的分類： 1．光學(xué)的。在早期一般都采用光學(xué)的指紋采集儀。 2．硅晶體電容式的。半導(dǎo)體電容式指紋采集芯片 。 3．超聲波的。 它是基于指紋的脊和谷的深度對超聲波的不同反射原理而工作的。李旭：指紋識別 技術(shù) 的 研究與設(shè)計 8 它們的對比 情況如表 31 所示。 表 31 采集儀對照表 比較項目 光學(xué)全反射技術(shù) 硅晶體電容傳感技術(shù) 超聲波掃描 體積 大 小 中 耐用性 非常耐用 容易損壞 一般 成像能力 干手指差 ， 但汗多的和稍臟的手指成像模糊 干手指好 ， 但汗多的和稍臟的手指不能成像 非常好 耗電 較多 較少 較多 成本 低 低 很高 指紋 圖像預(yù)處理 指紋圖像預(yù)處理的目的在于使指紋圖像畫面 清晰，邊緣明顯，以便提取特征進行識別。預(yù)處理技術(shù)的主要目的是對一個給定的指紋，突出指紋圖像中的某些信息，消弱或除去某些不需要的信息，使它的結(jié)果對后面的識別來說比原始圖像更合適。例如使用灰度濾波處理，目的是為了： 1．去除噪聲、均衡圖像 指紋圖像是通過掃描儀獲得模擬信號，并經(jīng)采樣、量化后，以矩陣的形式存入計算機。由于圖像的采集為縱列式方式，量化后的指紋圖像有許多噪聲。它們因其時間的不相干性，含有較高的空間頻譜，且多呈點結(jié)構(gòu)。平滑處理的任務(wù)就是去除這些干擾噪聲，而又不使圖像 失真 ， 圖像平滑包括空域法和頻域法兩大類 。 2．銳化脊線 為強化指紋紋線間的界線，突出邊緣信息，以利于二值化，銳化處理是必要的。銳化處理對于增強反差和檢測邊緣是很有用的。圖像銳化的作用就是的補償圖像的輪廓，使圖像較清晰。圖像銳化可分為空間域圖像銳化法和空間頻率域圖像銳化法兩大類型。 本文中指紋圖像預(yù)處理的主要步驟 1．歸一化： 歸一化處理將使所有的指紋圖像的灰度分布在一個合理的、統(tǒng)一的灰度區(qū)域上，從而有利于簡化模糊域中的操作過程。 2．圖像分割： 所謂圖像分割是指根據(jù)灰度、彩色、空間紋理、幾何形狀等特征把圖像劃分成若干個互不相交的區(qū)域，使得這些特征 在同一區(qū)域內(nèi)，表現(xiàn)出一致性或相似性，而在不同區(qū)域間表現(xiàn)出明顯的不同 。 簡單的講，就是在一幅圖像中，把目標(biāo)從背景中分離出來，以便于進一步處理。 3．計算方向圖：由于在局部區(qū)域內(nèi)指紋是亮暗相間的近似平行的結(jié)構(gòu)，因此，中原工學(xué)院計算機學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 9 在指紋的每個局部區(qū)域有確定的方向。全體局部方向就構(gòu)成了指紋的方向圖。產(chǎn)生方向圖是指紋識別系統(tǒng)的一個重要的步驟 ， 方向圖質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到圖像增強的效果并最終影響到準(zhǔn)確提取特征點 。 4．二值化： 0 代表黑色， 1 代表白色。 二值化是把灰度指紋圖像變成 01 取值的二值圖像，因為指紋圖像只需把紋線和背景區(qū)分開 就可以了。 特征的提取 是用從指紋圖像中提取特征點來表示指紋的方法。雖然不能從特征點組成的模板重建指紋圖像，但它描述了指紋局部結(jié)構(gòu)特征的空間分布。通常的指紋識別系統(tǒng)主要利用兩種最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)特征，脊線端點和脊線分岔點。這兩種結(jié)構(gòu)在圖像前景和背景上正好是互逆的，因此不論是針對脊線還是針對犁溝的處理算法都是相同的。由于手指壓力的作用的變化經(jīng)常使這兩者互相轉(zhuǎn)化，所以有些系統(tǒng)對它們不做區(qū)分。有些國家例如美國國家標(biāo)準(zhǔn)局規(guī)定的指紋標(biāo)準(zhǔn)表示方法就是基于特征點的，包括特征點的位置和方向信息?；谔卣鼽c的表示方法同時 還要紀(jì)錄一些全局信息，如指紋的方向、中心位置、三角位置、指紋的類別等。 模板匹配 認證和識別是一對一的匹配，把某人的指紋特征及個人信息以某種形式存儲起來，隨后根據(jù)提供的指紋是否與之匹配而決定是否授權(quán)。識別是一對多的匹配，把許多人的指紋特征及個人信息存入數(shù)據(jù)庫，隨后根據(jù)不同指紋提供不同授權(quán)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了指紋預(yù)處理與識別系統(tǒng)的主要模塊，以及各模塊所要完成的基本功能，各部分的詳細功能及實現(xiàn)算法，將在以后的各章節(jié)中逐一介紹。 李旭：指紋識別 技術(shù) 的 研究與設(shè)計 10 第 4章 指紋圖像 預(yù)處理 之一 引言 經(jīng)指紋掃描器采集的原始指紋圖像不可避免地具有對比度不統(tǒng)一、含有大量噪聲等缺點，為了降低后續(xù)特征提取的算法的復(fù)雜度、提高特征提取的效率，因此預(yù)處理過程必不可少并且顯得十分的重要。前文提到，根據(jù)特征提取方法的不同，系統(tǒng)對預(yù)處理的步驟和要求也不一樣。目前，從大的方面分，主要有兩類特征提取方法：一類直接從原始圖像中提取統(tǒng)計性特征；一類從預(yù)處理得到的指紋骨架提取細節(jié)點特征。前一類方法對預(yù)處理要求比較少，只要將圖像增強以下就可以。后一類方法要求預(yù)處理部分做大量的工作，一般包括圖像增強、濾 波、二值化、細化等步驟，最后得到一幅紋線寬度為單像素的二值圖像。在當(dāng)前的應(yīng)用系統(tǒng)中，后一類方法要比前一類應(yīng)用得多一些，因為后一類方法把工作的難點分散到兩步操作中，簡化了特征提取算法，且處理結(jié)果容易控制。本文將對后一類特征提取方法中的主要部分進行詳細講解。 系統(tǒng)算法描述 基于特征點的指紋識別算法的方法又可以分為兩種方法，第一種方法是在灰度圖像上進行脊線跟蹤直接獲取特征點的方法。第二種方法是經(jīng)過二值化和細化等處理步驟后提取特征點的方法。本文將對第二種方法進行詳細講解與論述，并對其它方法進行簡單介紹，以便有助 于以后的學(xué)習(xí)。 在灰度圖像上進行脊線跟蹤直接獲取特征點的方法 ，是基于如下的考慮： 1．指紋的許多信息在二值化后會損失掉。 2．圖像增強，二值化和細化等過程很耗費時間 3．當(dāng)對質(zhì)量差的圖像進行二值化后往往不能取得令人滿意的結(jié)果。 從數(shù)學(xué)上的觀點來看，脊線可以看作是沿著一個方向上，灰度取得極小值的點的集合。我們沿著脊線方向每次向前移動一小段距離，尋找下一局部最小值，作為脊線跟蹤的下一個點，如圖 41 灰度脊線圖所示。按照此操作不停地進行下去，則我們可以得到指紋的細化圖，而且其中包含了特征點信息。 中原工學(xué)院計算機學(xué)院畢業(yè)（設(shè)計）論文 11 圖 41 灰度脊線圖 該方法的處理過程通常是先在指紋圖像上任取一點，在該點的法線方向附近取一極小值點作為第一個點，然后在切線方向上前進一段距離，作為下一個臨時點，在該臨時點法線方向附近取一極小值點作為第二個點，依此類推，一直到跟蹤完整幅圖像為止。 使跟蹤停止的標(biāo)準(zhǔn)通常有 3 個： 1． 跟蹤到指紋外部的無效區(qū)域時。 2． 繼續(xù)向前跟蹤灰度最小點的灰度值仍大于某一閾值時。 3． 繼續(xù)向前跟蹤遇上另一條已經(jīng)跟蹤過的脊線時。 滿足上面的第二個條件時說明已經(jīng)遇上了端點，滿足第三個條件時說明已經(jīng)遇上了分叉點，經(jīng)過上面的處理后，一般就 可以獲得整個指紋的所有的特征點。 歸一化 大量的實驗證實，指紋圖像的灰度級大致分布在 [20， 180]的范圍內(nèi)，考慮到其它組織以及噪聲等因素，我們在進行歸一化處理時，將指紋圖像的灰度級映射到 [0，255]的灰度區(qū)間上，映射函數(shù)如下： （ 41） 在（ 31）式中， ming 和 maxg 分別是指紋圖像的最小灰度值和最大灰度值， origg和 x 分別是歸一化處理前和處理后的灰度值。 產(chǎn)生方向圖 由于在局部區(qū)域內(nèi)指紋是亮暗相間的近似平行的結(jié)構(gòu)，因此，在指紋的每個局李旭：指紋識別 技術(shù) 的 研究與設(shè)計 12 部區(qū)域有確定的方向。全體局部方向就構(gòu)成了指紋的方向圖。產(chǎn)生方向圖是指紋識別系統(tǒng)的一個重要的步驟 ， 方向圖質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到圖像增強的效果并最終影響到準(zhǔn)確提取特征點 。產(chǎn)生方向圖有兩類方法。 第一類是先定義若干基準(zhǔn)方向， 然后判斷每一個一個小區(qū)域更接近于那一方向 。 第二類是精確計算每一點或小區(qū)域的方向。 本文將對兩種方法進行介紹。在第一類方法中 ， 方向的計算是利用灰度的方差。脊線上的點具有較小的灰度值，而谷線上的點 則 具有相對較大的灰度值，如果作一條垂直于脊線的直線，那么隨著脊線和谷線的交替，直線上也表現(xiàn)出灰度值的波峰和波谷的交替。如果所作的直線方向與脊線方向相同，直線上的點的表現(xiàn)為波動極小的直線。這表明，垂直脊線方向的直線上的點的灰度值方差大，平行脊線方向上的點的灰度值方差小。因此，方差最小的方向就是要求的方向。 但是 這樣算出來的某些點的方向仍不 夠 準(zhǔn)確，尤其是在那些模糊、邊緣有噪 聲 的區(qū)域。錯誤的方向不但不會改 善圖像質(zhì)量，反而會使特征提取的錯誤增多。 因為 指紋圖像的任一小區(qū)域中所有 的 點具有近似相同的方向。因此，任一點的方向可以利用該點所在區(qū)域的其它點的方向來糾 正。 (1) 定義若干基準(zhǔn)方向 的產(chǎn)生方向圖方法 圖 42 方向圖 算法描述： 對于圖像上每一個點 ),( ji ，在八個方向上畫一條直線，直線的長度大概是五個脊線到谷線的寬度。 計算八個直線方向上的灰度方差： ?? ?? nk kkddd jifjifS 1 * |),(),(