基于方向圖的指紋預(yù)處理方法

　對(duì)很多傳統(tǒng)的灰度圖像濾波算法進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，傅氏變換濾波的效果最好，但遠(yuǎn)不如方向圖濾波器的濾波效果，且傅氏變換濾波算法的運(yùn)行時(shí)間很長(zhǎng)，對(duì)一幅512×512的圖像需要幾分鐘，而方向圖濾波器只需幾秒鐘就可完成。至于其他的濾波算法，如中值濾波、均值濾波等效果都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如方向圖濾波效果。因此，無(wú)論從效果還是從速度上考慮，方向圖濾波都是一個(gè)好的灰度圖像濾波算法。

　　在目前許多基于方向圖的濾波算法中，一種是在計(jì)算出指紋圖像的方向圖后，利用各點(diǎn)的方向使用各種濾波器進(jìn)行濾波[1][2]，另一種方法則是使用指紋紋線分割來(lái)實(shí)現(xiàn)指紋增強(qiáng)，通過(guò)利用局部紋線方向、紋線寬度等結(jié)構(gòu)信息，采用非傳統(tǒng)的二值化方法從原始指紋圖像中分割出脊線區(qū)域和谷線區(qū)域，并用二值圖像表示[3][4]。本文則通過(guò)增加在計(jì)算過(guò)程中對(duì)各點(diǎn)的高斯濾波和不可恢復(fù)區(qū)域的提取2個(gè)過(guò)程，對(duì)第2種方法進(jìn)行了完善和補(bǔ)充。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法所取得的效果要比傳統(tǒng)的第2種方法更為理想、可靠。

　　指紋特征是人終生不變的特征之一，而且不同人的指紋特征相同的概率幾乎為零，所以世界各國(guó)都在爭(zhēng)先研究和開發(fā)實(shí)用指紋識(shí)別系統(tǒng)。指紋識(shí)別系統(tǒng)一般由以下幾個(gè)部分組成：指紋采集、預(yù)處理、特征提取、分類及匹配。而在指紋采集過(guò)程中，不可避免地會(huì)引入各種噪聲，如圖像中的叉連、斷點(diǎn)等。這些噪聲對(duì)指紋特征信息的提取造成一定的影響，甚至?xí)a(chǎn)生許多偽特征點(diǎn)。因此在提取指紋特征之前，需要對(duì)指紋圖像進(jìn)行濾波處理，以去除無(wú)用信息，增強(qiáng)有用信息。在得到增強(qiáng)的灰度圖后，需要將其進(jìn)一步二值化，以便于后續(xù)過(guò)程的處理。

圖像歸一化及指紋有效區(qū)域的提取

1.1 指紋圖像歸一化處理

　　由于采集儀本身和手指結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，以及指紋采集時(shí)用力不均等情況，容易造成圖像部分區(qū)域信號(hào)太弱（顏色太淡）或者太強(qiáng)（顏色太黑），給后續(xù)的指紋處理帶來(lái)很大的困難。所以必須對(duì)指紋進(jìn)行歸一化處理，使圖像中紋線灰度均值和方差接近于給定的期望均值M0和期望方差VAR0。在本文方法中M0和VAR0均為125。灰度圖像歸一化并不改變指紋紋理的清晰度。

　　設(shè)圖像I為N×N大小，令G(i，j)為象素點(diǎn)(i，j)的灰度值，M和VAR分別為圖像灰度均值和方差，G′(i，j)為象素點(diǎn)(i，j)規(guī)格化后的灰度均值，歸一化處理如下公式所示：

1.2 指紋有效區(qū)域的提取

　　由于非指紋區(qū)中沒(méi)有紋線峰和谷的變化，因此它的方差很小，所以將圖像分成W×W的多個(gè)不相重疊的小方塊，利用小方塊的灰度均值K和方差V，將指紋有效區(qū)域提取出來(lái)：

　　其中（i0，j0）為方塊內(nèi)左上角象素點(diǎn)的坐標(biāo)，對(duì)于求出的V，設(shè)定一定的閾值T1，如果V>T1，則該方塊內(nèi)為有效的指紋區(qū)域；否則，該方塊內(nèi)為非有效區(qū)域。

　　經(jīng)過(guò)上面運(yùn)算后，指紋圖像被分為指紋區(qū)和非指紋區(qū)。考慮到指紋圖像中指紋區(qū)和非指紋區(qū)的連通性，還需要進(jìn)行進(jìn)一步處理，即去除大片非指紋區(qū)中孤立的指紋塊和大片指紋區(qū)中孤立的非指紋塊。處理完成后，指紋圖像就被標(biāo)識(shí)成連通的指紋區(qū)和非指紋區(qū)。非指紋區(qū)不在處理范圍內(nèi)，而指紋區(qū)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的分割處理。

指紋圖像的分割

2.1 指紋圖像的濾波及二值化

　　為了消除干擾及增強(qiáng)紋線，針對(duì)指紋紋線有較強(qiáng)方向性的特點(diǎn)，使用了基于方向圖的紋線濾波增強(qiáng)方法。為估計(jì)方向場(chǎng)，把指紋脊線的走向分為8個(gè)方向，1個(gè)象素處的8個(gè)指紋脊線方向如圖1所示，各方向之間的夾角為π/8，以0～7表示。在求取各點(diǎn)方向圖時(shí)，由于圖像在采集過(guò)程中，會(huì)受到各種隨機(jī)噪聲的影響，所以并不直接使用計(jì)算點(diǎn)的灰度值G′(i，j)，而是利用了高斯低通濾波器的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，將該點(diǎn)與其八鄰域中的點(diǎn)(C1～C8)所形成的點(diǎn)集Ω與高斯低通濾波器Gu做卷積運(yùn)算，得到該點(diǎn)的新的灰度值G″(i，j)。