【導(dǎo)讀】本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的研究成果。成果,也不包含本人已用于其他學(xué)位申請(qǐng)的論文或成果。對(duì)本文的研究作出重要貢獻(xiàn)。的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本。向國(guó)家有關(guān)部門(mén)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。權(quán)南昌航空大學(xué)科技學(xué)院可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。會(huì)的需求，因此基于生物特征的身份驗(yàn)證系統(tǒng)得到了發(fā)展和應(yīng)用。一性和永久性，更好的作為身份識(shí)別的依據(jù)。理是前提，只有經(jīng)過(guò)預(yù)處理的指紋圖像才能更方便提取出特征點(diǎn)用于識(shí)別。預(yù)處理的好壞對(duì)識(shí)別系統(tǒng)有決定性的影響。本文基于MATLAB的環(huán)境，對(duì)指紋圖像的預(yù)處理方法進(jìn)行研究對(duì)比。值化處理使用全局閾值法和局部閾值法進(jìn)行處理。細(xì)化處理采用較好的OPTA細(xì)。Keywords：Fingerprintimage，preprocessing，algorithm，MATLAB

　　

【正文】 快速性 :細(xì)化算法的速度應(yīng)盡可能快 。 細(xì)化算法按照迭代方式的不同可分為串行算法和并行算法 。 其中串行細(xì)化算法 ,其當(dāng)前迭代的結(jié)果不僅取決于前一次的迭代圖像 ,而且與當(dāng)前處理情 況有關(guān) ：而并行細(xì)化算法 ,其當(dāng)前迭代則僅僅由前一次的迭代情況決定 。 由于串行細(xì)化算法的處理結(jié)果依賴(lài)于對(duì)像素處理的先后順序 ,因而像素點(diǎn)的消除或保留不可預(yù)測(cè) 。而并行細(xì)化算法在對(duì)圖像進(jìn)行細(xì)化時(shí) ,則由于是利用相同的條件同時(shí)檢測(cè)所有像素點(diǎn) ,其結(jié)果具有各向同性 。 因此從算法原理上看并行方法優(yōu)于串行方法 。 由于并行細(xì)化算法具有快速和準(zhǔn)確的特性 ,因此它一直是人們研究的熱點(diǎn) ,并且提出了許多并行細(xì)化算法 。 如 OPTA細(xì)化算法 ,Hall細(xì)化算法 ,zhang和 suen細(xì)化算法以及 ZR細(xì)化算法等等 。 本文選擇 OPTA細(xì)化算法 對(duì)二值化后的指紋圖 像進(jìn)行細(xì)化處理。 OPTA細(xì)化算法模板 指紋細(xì)化的一般方法是構(gòu)造一組模板，對(duì)于脊線(xiàn)上的每個(gè)像素點(diǎn)取其一個(gè)范圍的鄰域，如果該鄰域與模板符合或不符合就保留或刪除該當(dāng)前點(diǎn)。通常，為了得到更加準(zhǔn)確的骨架，往往采用兩組模板，一組被稱(chēng)為刪除模板，用于決定當(dāng)前點(diǎn)是否刪除，若不符合模板，則保留；若符合刪除模板，則還要與另一組被稱(chēng)為保留模板的模板比較，若符合保留模板，則保留；若不符合保留模板，則最終刪除單連通細(xì)化算法（ OnePassThinning Algorithm， OPTA）方法也是基于這個(gè)原理而 提出的。 OPTA算法是一種典型的模板細(xì)化方法 。 對(duì)于一幅二值化的指紋圖像 ,設(shè)其背景點(diǎn)的像素值為 0,前景點(diǎn)的像素值為 1。 OPTA算法是從圖像的左上角開(kāi)始 ,對(duì)每一個(gè)前景點(diǎn)元素 (模板中的 5P )抽取出如圖 351所示的模板鄰域 , 并將該鄰域與給定的刪除模板 (圖 352) 相比較。 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P14 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 21 圖 351 OPTA方法抽取的 5P 領(lǐng)域 圖 352 OPTA刪除模板 如果該鄰域的像素值與八個(gè)刪除模板中的任一個(gè)相匹配則準(zhǔn)備刪除該點(diǎn) , 否則保留該點(diǎn)。為了保持連通性 ,抽取元素的鄰域再與圖 352的兩個(gè)保留模板進(jìn)行比較。如果抽取鄰域的第二行與模板圖 353(a) 的第二行匹配 , 或抽取鄰域的第二列與模板圖 353(b) 中的第二列匹配 , 則 5P 點(diǎn)保留 ,否則 5P 才真正 刪去(對(duì)該點(diǎn)的像素值置 0)。其中模板中的“ 1”代表該點(diǎn)的像素值為 1,“ 0”代表該點(diǎn)的像素值為 0,“”代表該點(diǎn)的像素值既可以為 1也可以為 0。 該算法是從圖像的左上角開(kāi)始到右下角結(jié)束作為一次循環(huán) ,反復(fù)進(jìn)行迭代 ,直到?jīng)]有像素值改變?yōu)橹埂? P7 P8 P9 P11 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 22 （ a） （ b） 圖 353 OPTA保留模板 用 OPTA 算法對(duì)指紋圖像進(jìn)行細(xì)化可以達(dá)到較好的細(xì)化效果 ,但是細(xì)化后的圖像細(xì)化不完全 ,存在細(xì)化后的指紋脊線(xiàn)不光滑 、 有毛刺、紋線(xiàn)扭曲等問(wèn)題。 改進(jìn) OPTA細(xì)化算法對(duì)原 OPTA細(xì)化算法的消除模板和保留模板進(jìn)行改造 ,改善了 OPTA細(xì)化算法消除模板和保留模板不一致的情況 ,采用統(tǒng)一的 4x4模板 (如圖354所示 ),構(gòu)建了 8個(gè)統(tǒng)一的消除模板和 6個(gè)保留模板 ,實(shí)現(xiàn)圖像的細(xì)化處理 。 圖 354 改進(jìn)的 OPTA細(xì)化算法統(tǒng)一模板結(jié)構(gòu) 圖 54中左上角的 33區(qū)域?yàn)橄０宓谋容^區(qū)域 ,構(gòu)建的 8個(gè)消除模板結(jié)構(gòu) ,其中 l代表目標(biāo)點(diǎn) ,O代表背景點(diǎn) , 代表目標(biāo)點(diǎn)或者背景點(diǎn) 。 改進(jìn)的 OPTA算法細(xì)化相對(duì)比較徹底 ,但在紋線(xiàn)的水平和垂直方向上會(huì)產(chǎn)生較多的毛刺 ,而且在分叉點(diǎn)處同樣存在不是單像素寬的問(wèn)題 。 MATALAB實(shí)現(xiàn)二值化的指紋圖像細(xì)化處理 Matlab函數(shù) 庫(kù)中 bwmorph函數(shù)對(duì)二指圖像進(jìn)行細(xì)化處理。該函數(shù)的格式如下： BW2 = bwmorph(BW,operation) BW2 = bwmorph(BW,operation,n) BW2 = bwmorph(BW,operation)函數(shù)適用于 一個(gè)特定的形態(tài)學(xué)操作的二值圖像 。 BW2 = bwmorph(BW,operation,n) 該函數(shù)應(yīng)用于 n次運(yùn)算 。 n可以是 inf，在這種情況下，重復(fù)操作直至圖像不再變化 。式中的 operation是字符串。它可以是以 0 P1 P2 P3 P12 P8 P P4 P13 P7 P6 P5 P14 P9 P10 P11 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 23 下的值： bothat， bridge， clean， close， diag， dilate， erode， fill， hbreak，skel， thin等等。本文介紹兩個(gè)參數(shù)值： skel參數(shù)描述： 當(dāng) N = Inf，消除像素的對(duì)象的邊界，但不允許對(duì)象分開(kāi)。剩余的像素組成的圖像骨架。此選項(xiàng)保留了歐拉數(shù)。 thin參數(shù)描述： 當(dāng) N = Inf， 使 物體線(xiàn)變薄。它消除了像素，使無(wú)孔 對(duì)象 縮小到最小連接 桿 ，和帶孔的對(duì)象縮小到一個(gè)連接 環(huán)在每個(gè)孔和外邊界。此選項(xiàng)保留了歐拉數(shù)。 對(duì)二值化后的指紋圖像進(jìn)行細(xì)化處理的代碼如下： I2=bwmorph(I,39。thin39。,Inf)。 figure,imshow(I2)。 I3=bwmorph(I,39。skel39。,Inf)。 figure,imshow(I3)。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下： 圖 355 原始指紋二值化圖像 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 356 thin參數(shù)下的細(xì)化圖像 圖 357 skel參數(shù)下的細(xì)化圖像 實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，兩個(gè)參數(shù)下的細(xì)化效果相似，但是 skel參數(shù)下的細(xì)化圖像對(duì)線(xiàn)條彎曲點(diǎn)的處理比 thin參數(shù)的細(xì)化處理更加細(xì)致，更加適合后期的特征點(diǎn)的提取。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 25 通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)和比對(duì)，基本可以實(shí)現(xiàn)確定較好的指紋圖像預(yù)處理，確定了較好的算法。指紋圖像預(yù)處理的完整實(shí)驗(yàn)代碼如附錄 D。 采集的原始圖像為： 圖 361 原始指紋圖像 經(jīng)過(guò)一系列預(yù)處理后的指紋圖像為： 圖 362 預(yù)處理后的圖像 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 26 4 總結(jié)與展望 總結(jié) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們逐漸邁入數(shù)字時(shí)代，尤其是隨著電子商務(wù)的發(fā) 展，基于生物特征的身份識(shí)別技術(shù)在社會(huì)和經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域起著非常重要的作用，研 究安全可靠的生物識(shí)別技術(shù)具有非常大的科研價(jià)值和社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。在眾多的生物識(shí)別技術(shù)中，指紋識(shí)別是研究時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟的，已經(jīng)應(yīng)用到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。雖然如此，但指紋識(shí)別技術(shù)的研究并沒(méi)有停步，而是愈演愈烈，成為了一個(gè)非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域。導(dǎo)致這種情況的主要原因有兩個(gè)：第一，由于各個(gè)國(guó)家和地區(qū)科技發(fā)展水 平的不同，很多地方的指紋識(shí)別技術(shù)還不成熟，只有少數(shù)企業(yè)和機(jī)構(gòu)擁有較成熟的實(shí)際，但這些技術(shù)都處于知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)下；第二，隨著各種入侵技術(shù)的發(fā)展和日益增長(zhǎng)的信息量，人們對(duì)電子信息安全提出了更高的要求，需要不斷地研究新算法，從可靠性和效率上對(duì)現(xiàn)有算法加以改進(jìn)。 從大方向上來(lái)看，指紋模式識(shí)別系統(tǒng)主要由兩部分組成：圖像預(yù)處理和特征的提取比對(duì)。預(yù)處理效果對(duì)后續(xù)步驟有很大的影響，也在很大程度上影響了整個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的效果。 通過(guò)參考大量指紋識(shí)別技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，本文主要介紹了指紋 圖像預(yù)處理的平滑、銳化、二值化、細(xì) 化四個(gè)過(guò)程的算法比較選擇和性能分析?？偨Y(jié)出較適合指紋圖像的預(yù)處理算法。并通過(guò) matlab實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。 展望 指紋識(shí)別技術(shù)設(shè)計(jì)的領(lǐng)域比較廣，設(shè)計(jì)到硬件和軟件兩個(gè)大的方向，同時(shí)也是一個(gè)多學(xué)科交差研究開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，需要多方面的協(xié)作。新算法除了要求在試驗(yàn)環(huán)境下效果很好以外，還需要通過(guò)實(shí)際應(yīng)用來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，在使用中不斷加以完善。 在實(shí)際應(yīng)用中，指紋識(shí)別技術(shù)需要建立大規(guī)模的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，本 文研究的指紋圖像數(shù)據(jù)單一 ，使得算法測(cè)試和效果比對(duì)等方面都存在一些實(shí)際困難，在一定程度上影響了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，在今后的研究需要 加以改進(jìn)。 本文雖然重點(diǎn)研究的是指紋圖像的預(yù)處理，但在整個(gè)指紋識(shí)別領(lǐng)域，還有其他一些很重要又比較復(fù)雜的問(wèn)題需要解決： 殘缺指紋。很多情況，特別是在刑偵等領(lǐng)域，很難采集到完整的指紋圖像。對(duì)于采集到的不完全的指紋圖像，如何進(jìn)行不全以及如何提取出特征信息等都是今后要研究的一個(gè)重要方向。 指紋偽造。目前指紋識(shí)別的研究還不能區(qū)別活體指紋和非活體指紋，這使得南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 27 人的指紋能夠通過(guò)陶瓷、硅膠等進(jìn)行偽造，從而使通過(guò)指紋來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別失去了意義，并有可能帶來(lái)其他的壞處。如何防止偽造是目前指紋研究領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)，目前主要的解決方法 使從溫度、彈性、血流、心跳、汗液分泌以及生物電等方向入手，但取得的效果還不顯著。 攝像頭采集指紋。目前，采集指紋的設(shè)備一般都是專(zhuān)門(mén)的指紋采集儀，這樣采集下來(lái)的指紋圖像清晰，效果較好。但用指紋儀采集指紋不太靈活，因?yàn)樵诂F(xiàn)實(shí)生活中，并不是很多地方都有指紋采集儀。通過(guò)攝像頭獲取指紋設(shè)備相對(duì)來(lái)說(shuō)比較方便，也比較廉價(jià)，但這樣獲取的指紋圖像對(duì)比度較小，指紋紋線(xiàn)不太突出，處理起來(lái)比較復(fù)雜。目前很多大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)行這方面的研究，但商業(yè)應(yīng)用還沒(méi)有。 綜上所述，指紋識(shí)別的研究雖然取得了很大的成就，但隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)指紋 識(shí)別技術(shù)的要求越來(lái)越高，涉及到的問(wèn)題也越來(lái)越復(fù)雜，牽涉的領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，因此，對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的研究任重而道遠(yuǎn)。 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 28 參考文獻(xiàn) 1 [美 ]恩格爾 W K. 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