数字图像处理技术在指纹识别中的应用研究本科生毕业设计.docx
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数字图像处理技术在指纹识别中的应用研究本科生毕业设计
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论文题目：
数字图像处理技术在指纹识别中的应用研
究
摘要I
AbstractII
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2研究现状1
1.3目的和意义2
第2章指纹图像预处理4
2.1指纹的概述4
2.1.1.指纹初步认识4
2.1.2.指纹识别5
2.1.3.指纹采集6
2.2图像平滑8
2.2.1.图像平滑简介8
2.2.2.中值滤波器8
2.2.3.中值滤波Matlab仿真10
2.3图像腐蚀11
2.3.1.形态学简介11
2.3.2.形态学基本运算11
2.3.3.腐蚀的定义11
2.3.4.图像腐蚀Matlab仿真12
2.4图像锐化13
2.4.1.图像锐化13
2.4.2.空域锐化14
2.4.3.Sobel算子15
2.4.4.指纹图像锐化的Matlab仿真15
2.5灰度图像二值化20
2.5.1.灰度图像二值化原理20
2.5.2.二值化处理的Matlab仿真20
2.6指纹图像骨架的细化21
2.6.1指纹图像细化简介21
2.6.2.细化算法的Matlab仿真22
第3章指纹特征的提取24
3.1指纹图像特征值的提取24
3.2指纹图像伪特征值的剔除24
第4章总结与展望26
4.1总结26
4.2展望26
致谢28
参考文献29
附录1配准函数Matlab程序30
附录2main.mMatlab仿真程序33
摘要
在信息化时代，身份鉴别将越来越重要，应用也变得日益广泛。
而指纹作为一种人所固有的生理特征，拥有其唯一性和终生不变性的特点以及指纹识别技术的可行性与实用性，指纹识别已成为当前最方便、最流行、最可靠的身份认证技术之一。
基于指纹识别技术的身份识别系统以其独特的成本低廉性及技术优越性正被广泛被应用在各个场合。
而指纹图像预处理是指纹识别的前提,它的好坏直接影响到指纹识别的成败。
本文将就指纹识别系统的图像预处理进行研究。
在指纹图像预处理的过程中由于指纹图像质量问题,本文将根据指纹图像的特征提出假设，再根据假设提出了增强指纹图像的算法，这些算法简单且能有效地解决指纹图像预处理问题。
用Matlab实现这种方法，不仅能分步对指纹图像预处理算法进行仿真测试，又可以很直观地看到图像预处理算法的效果。
本文介绍用matlab实现对指纹图像的平滑处理、腐蚀处理、sobel算子锐化处理、图像旋转、旋转后配准相加、指纹图像的二值化细化等。
关键词：
图像预处理；图像增强；平滑；配准；二值化；细化
Abstract
Intheinformationage,theauthenticationwillbemoreandmoreimportant,theapplicationhasbecomeincreasinglywidespread.Fingerprintinherentphysiologicalcharacteristicsasaperson,withthefeasibilityandpracticalityofitsuniquenessandlifetimeinvariantcharacteristicsoffingerprintrecognitiontechnology,fingerprintidentificationhasbecomethemostconvenientandthemostpopular,themostreliableauthenticationtechnologyworld.Basedontheidentificationsystemoffingerprintrecognitiontechnologywithitsuniquelowcostandtechnicalsuperiorityiswidelyusedinvariousoccasions.
Fingerprintimagepreprocessingthefingerprintidentificationpremise,it'sadirectimpactonthesuccessorfailureofthefingerprintidentification.Willfingerprintidentificationsystemimagepreprocessing.Fingerprintimagepreprocessingprocessduetothefingerprintimagequalityproblems,wewillbeaccordingtothecharacteristicsofthefingerprintimageassumptionsbasedontheassumptionthatthealgorithmtoenhancethefingerprintimage,thealgorithmissimpleandcaneffectivelysolvetheproblemofthefingerprintimagepreprocessing.
UsingMatlabachievethismethod,notonlycansub-stepfingerprintimagepreprocessingalgorithmsimulationtestcanbeveryintuitivetoseetheeffectofimagepre-processingalgorithm.Thisarticledescribesusingmatlabfingerprintimagesmoothing,corrosiontreatment,theSobeloperatorsub-sharpening,imagerotation,rotationafteraddingtheregistration,fingerprintimagebinarizationrefinement.
Keywords:
imagepreprocessing;imageenhancement;corrosion;registration;binarization;thinning
第1章绪论
1.1课题背景
指纹识别技术是一项快速发展生命力旺盛的新兴技术，经过若干年的发展，目前已被广泛应用在证据的提取和监狱安全等方面，而且它在极其广泛的日常生活领域也具有巨大的潜力，主要体现在如下几个方面：
1．社保服务管理。
用于社会保障资金的收支及其管理如现金提取、电子货币传输、ATM安全、信用卡验证等。
2．人员出入控制，如重要机关、单位、场所的人员出入控制。
3．海关出入境管理。
4．电子银行账户管理。
用于电子支付、电子取款的指纹认证。
5．私有设备的使用控制，如移动电话、个人计算机以及汽车等需要钥匙的设备。
6．其它可以取代钥匙的场合。
在人体生物特征鉴别技术的迅速发展中，产生了指纹自动识别技术，其实人类应用指纹的历史开始于远古。
指纹是最古老的身份证，早在6000年前人类就会利用指纹来代替签名。
据考古学家证实，早在原始社会晚期，指纹作为什么鉴别的工具已经在我国开始应用。
现在出土的那个时期的陶器上还留有陶具匠人的指纹痕迹。
唐代作家贾公秀在其作品中就着重提到了指纹是确认个人身份的方法。
我国将指纹应用于断案及民间契约有悠久的历史，但是由于缺乏专门性研究，未能将指纹识别技术上升为一门学科。
现代指纹识别起源于公元1684~公元1915。
苏格兰医生HenryFauld于1880年10月28日首次在英国《Nature》上发表论文，指出人的指纹各不相同，恒久不变。
推荐使用指纹鉴定法作为人类独特判别的方式。
接着，WilliamHersche在《Nature》上发表了他本人20多年来关于指纹的的研究成果。
1892年，弗朗西斯·高尔顿爵士对指纹识别系统进行研究并提出指纹特征的分类，把指纹分为，箕，斗，弧三类，每个指纹分支节点的起始点都不尽相同。
至此指纹识别应用进入了一个新的时期。
1899年Edward.Henry建立了著名的亨利指纹分类系统，两年后英国政府正式通过采用该指纹分类识别系统的决案，随后西方其他国家相继采用该指纹识别的应用，从此指纹识别的应用走上了科学发展的道路。
电子计算机的出现促进了采集技术的发展以及对指纹识别的研究，人们逐渐用指纹自动识别代替人工的指纹识别。
在这个电子互联程度越来越高的信息化社会里，能够对人体进行精确的鉴别变得越来越重要。
在此之前传统的人体鉴别方法或是利用人们只有自己知道的东西，例如个人的密码，id标识等或是利用用户自己拥有的物品，如身份证、钥匙、解码口令等。
尽管如此这些方法都不能满足电子事务中对高安全运行的需求。
其共同的弱点是，不能有效及时的区分合法用户，和通过非正常手段已经获得了这些东西的非法使用者。
人体生理行为特征身份验证正是基于人体的生理上的特征（如视网膜）或行为习惯的特征（如签名）来验证用户身份的，由于这些都是人体所固有的特征，因此这些方法具有有效区分假冒者的能力。
因此作为人体生理行为特征鉴别技术的分支，指纹鉴别技术越来越受到社会许多领域的欢迎。
1.2研究现状
指纹特征是终生不变的，不同的人有着不相同的指纹特征，就像你完全不可能在世界上找到两片完全相同的树叶。
因此世界各国都在争先研究和开发实用的指纹识别系统。
中国自动化研究所，清华大学，中国科学院，大连理工大学等科的国家研机构，在目前指纹识别研究中处于领先地位。
此外，吉林大学，北邮，重庆大学，上海交通大学等研究机构也从事这方面的研究。
成立于1996年的中国科学院自动化研究所在中国科学院学报Fingerpass生物特征识别上，研究组提出了很多理论研究成果。
该研究组已发表在IEEE国际主流学术刊物和重要的国际会议的SCI，EI检索论文40余篇，并于2004年荣获国家科技进步二等奖，并出版了专着“生物特征识别理论与应用”一书。
他们已经开发出一种指纹安全的电子邮件系统，指纹交叉匹配数据库。
在国外，美国密歇根州立大学，林红等早已从事指纹识别的研究，他们从事指纹识别研究很的早些时候，就已经提出有很多突破性的算法思路，为研究指纹识别提供了很强的理论依据，其对指纹识别所起到的促进作用不容忽视。
此外，新加坡南洋理工大学的旭东江等人已经从事这项工作，并取得了骄人的成绩。
还有其他一些机构和个人也从事这方面的研究。
拉普拉斯算子变换特征提取方面的代表有：
Fu和Moayer将Laplacian变换和动态阐值引入到指纹图像处理中来，成功地提取通过反复迭代脊线。
Verma也提出了类似的算法，他首先对指纹图像图像增强处理，然后使用自适应闭值对增强的图像处理，成功地分离的脊线。
Ratha提出了一种新的特征提取算法。
作为一个方向的纹理图像，以计算的流动方向的脊线，使用的波形投影的方法来提取的指纹图像的脊线的图像，然后使用形态滤波器细化图像的平滑处理，图像滤波，提取的特征点并删除了伪特征点。
该算法的的波形凸起和方向平滑算法能有效地降低噪音的效果。
M.Mehtre提出了一种基于图案细节特征提取算法。
该算法首先计算在邻域内的指纹图像的脊线局部走向，然后构造八个方向模板别与该子块图像进行离散卷积运算，以提高指纹图像的脊线与子块的图像，使用局部自适应阈值提取脊线和细化，最后使用基于“连接数目”的方法提取特征点。
也有不少学者提出了其他的指纹特征提取算法，例如，一些学者提出了，基于神经网络应用程序的特征点提取和匹配算法，以及将多层感知应用到脊线提取上来等等。
然而，尽管已经有许多学者和研究机构已经取得了大量的研究指纹识别领域的研究成果，但也面临一些问题：
识别虚假特征点和扭曲的指纹匹配算法是脆弱的，模糊指纹图像匹配精度不高，匹配效率不高和其他问题
1.3目的和意义
由于指纹具有一个唯一的，终身不变，难以伪造等优良特点，以指纹作为证据在法庭上有一个很长的历史。
自从诞生以来，以计算机系统为基础的自动指纹识别技术，指纹识别技术在过去二，三十年取得了巨大的进步。
作为人类的生物特征识别技术的一个分支，指纹识别技术已经发展得非常成熟，使用非常广泛，具有很大的规模。
指纹识别技术已经应用于访问控制，海关，银行和保险，国防等领域。
然而，指纹识别技术仍是在国内和国外的研究热点之一。
这是因为，一方面，对于在保护知识产权财产权利和商业利益，在核心技术的指纹识别只有一个小数量的企业和技术机构有;另一方面，人民群众日益增长的物质和文化的需要，对指纹识别系统的性能提出了更高的要求。
此外，指纹认证算法也还存在一些问题，例如：
不良的指纹识别结果中的非理想的采集条件，特定的处理步骤的指纹识别的复杂性高等缺点。
因此，这将是一个非理想的采集条件，时间复杂度低的情况下，指纹识别的一些关键问题的研究和学习。
将有助于加强和改善现有的指纹识别技术，使其应用必将涉及到更广泛的领域。
自动指纹识别技术具有很强的理论价值，而且还具有较高的实用价值和现实意义。
不同人的指纹，即使同一个人的指纹脊线方向和脊断点和交叉点相同，即每个指纹是独一无二的。
此外，指纹与年龄和变化，生活的变化也不会增加。
依靠这种唯一性和稳定性与他的指纹对应一个人，就能通过他的指纹和预先存储的指纹进行对比，以验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。
从生物识别这个角度来看，指纹识别是一种理想的工具，用于定位一个人的基本的社会坐标原点。
作为一个人，有一个非常复杂的社会角色。
在公司里，你可能是董事，员工和工作角色;血液作用的家，你的丈夫，孩子，父亲，叔叔，哥哥，你有一个长跑运动员，在参加本公司的年度游戏。
所有这些角色都是根据您的生物识别的基础上。
公共管理，必须有一个基本的变量来确认一个人的身份。
在过去的很长一段时间，我们都是通过户籍制度来管理和界定一个人，是基于其出生地来定义和跟踪其身份从出生到死亡。
这样随心所欲，防伪，容易导致管理漏洞。
在现实生活中，一些内地考生实现优势偏远省份重新申请了一套身份识别系统，包括帐户，身份证，文件，等等。
在许多情况下，一个人的真实身份却是难以分辨。
点的指纹识别作为一种基本的社会角色，其方便性和精度已得到世界公认。
指纹识别系统，通过各种公共管理职能得到加强，效率得到了提高。
原有的养老保险制度，冒领保险保费收入是相当严重的。
随着越来越多的地方的指纹养老金制度，在各方的指纹，这种现象已经彻底改善，相应的养老金不能接收。
深圳罗湖口岸，指纹移民系统的实施大大提高了通关效率，不再需要过境乘客拿着身份证排长队等待检查。
指纹识别承载了太多的社会意义，能从最根本的条件，良好的判断力和定义一个人的真正的生物身份。
从而降低了成本，在社会活动中受到广泛的信任，并能从根本上改变经济和社会互动的模式，提高工作效率。
指纹识别作为一种生物识别技术，成为人类个体的定义迄今为止最有效和最可靠的方式。
第2章指纹图像预处理
2.1指纹的概述
2.1.1.指纹初步认识
1）.指纹
人的皮肤由表皮、真皮和皮下组织三部分组成。
指纹就是表皮上突起的纹线。
由于人的遗传特性。
虽然指纹人人皆有，但各不相同。
伸出手，仔细观察，就可以发现小小的指纹也分好几种类型：
有同心圆或螺旋纹线，看上去像水中漩涡的，叫斗形纹；有的纹线是一边开口的，就像簸箕似的，叫箕形纹；有的纹形像弓一样，叫弓线纹。
各人的指纹除形状不同之外，纹形的多少、长短也不同。
指纹在胎儿第三四个月便开始产生，到六个月左右就形成了。
当婴儿长大成人，指纹也只不过放大增粗，它的纹样不变。
2）.指纹特性与分类
传统上，依据指纹的全局模式信息，可将指纹分为5类：
旋，左箕，右箕，弓，尖弓。
指纹分类方法必须具备旋转平移不变性并对指纹变形等不敏感。
人们通过观察已知，指纹主要包含两种类型的特征：
①构成指纹中心区模式的全局脊线和沟线特征；②局部细节特征。
指纹分类仅依赖于第一种全局特征。
分类算法一般都是基于奇异点的分布形态，这种算法容易用计算机程序描述，比较容易实现。
奇异点有两种：
中心点和三角区，用来标识指纹的宏特征。
基于奇异点的分类算法本质是把指纹的宏特征用寻找指纹的奇异点的方法找出来，并用奇异点表示。
所谓“宏特征”，是指脊线的一种特定结构，如图2-1所示。
参考文献[1]
中心点三角区
图2-1
奇异点的位置分部信息为分类提供了依据，图2-2就是基于奇异点的分类算法的模型，理想情况下，只要能找准奇异点，就能准确分类。
图2-2奇异点的分布与指纹类别的关系
2.1.2.指纹识别
虽然一定程度上，指纹类别信息以及其他的全局模式结构如中心点和三角区的数目、位置等都能够揭示指纹的特性，但指纹的唯一性是由局部脊线特征以及他们之间的相互关系所决定的。
指纹匹配通过对比局部的脊线特征和他们之间的关系来判断两个指纹是否来自同一个手指。
到目前为止，人们共发现了150多种不同的局部脊线特征。
这些局部脊线特征并非均匀分布，由于采集时手指的压力条件以及指纹图像的质量，有些特征很少出现。
人们最常注意到的是两种被称为细节的局部脊线特征：
①脊末梢；②脊分叉，如图2-3所示。
通常这两种特征非常稳定，并对指纹采集时的压力不敏感。
细节点的特征包括类型、位置坐标和方向，此外还有一些辅助特征，如该点处的细节点密度，与该点相连的脊线曲率等。
a.细节举例b.细节特征
图2-3指纹图像的细节
一般来说，要判断两个指纹图像是否来自同一个手指，必须经过下面三个阶段：
1）首先进行全局模式对比，即判断两枚指纹是否属于同一类别。
2）接着做模式校准，通过定义参考点找出两枚指纹的平移和旋转关系。
3）最后进行细节匹配，在两枚指纹的有效区域内，根据细节点的特征和相互关系找出细节点的数目，计算匹配分数做出判决。
其细节点特征提取一般采用基于二值细化图像的方法，先将增强后指纹图像二值化提取出脊线轮廓，然后再用形态学方法将其细化，得到脊骨架，最后在细化后的图像上寻找脊末梢和脊分叉点。
算法步骤如下：
（1）方向场估计：
将指纹纹理看做是一种有向的流场，即指纹的方向场，可以很容易的确定出有明确脊线结构的指纹图像区域。
（2）脊线提取：
指纹灰度图像中，在沿着垂直于局部方向场的方向，脊结构结构有局部极值，以此特性，相应的像素就可以标定为脊线或者沟线，进行二值化处理。
（3）细节提取：
二值指纹图像经细化后，得到单像素的脊线骨架。
考察每个图像的8邻域，如果满足一定的条件就可以判断是细节点。
（4）伪特征点的去除：
从上面步骤提取出的指纹细节特征往往含有很多伪特征点，还需要一定的后处理，对特征进行过滤和筛选。
事实上，指纹细节的出现往往遵循一定的规则，人们可以应用这些启发性的规则来纠正错误的细节。
得到指纹细节后，要进行特征匹配。
指纹特征匹配的目的是为了判断输入的指纹是否与数据库中指纹模板来自同一手指，从而识别查询者的身份。
基于细节点的匹配是指纹专家对比指纹时通常采用的方法。
参考文献[2]
2.1.3.指纹采集
手指末端的表面积比较小，在日常生活中指纹常常会受到不同程度不同类型的磨损，所以想要取得优质的指纹特征图像是一项复杂的工作。
当今所使用的指纹采集技术主要半导体指纹采集技术，有光学指纹采集技术和超声波指纹采集技术。
传统的指纹采集方法是将手指蘸上印油或墨水把指纹按压在纸上，而后用扫描仪摄取图像。
由于该方法存在严重的不可靠性，这种方法己不在被使用。
随着传感器，光学仪器和数字化技术的发展，各种准确，快速，紧凑，便捷的采集设备已被广泛使用。
目前，主要使用光学扫描仪和固态阵列传感器进行指纹采集。
前者先用激光扫描在手指上，然后在CCD阵列上提取其反射光，因为反射光的强度是指纹的脊线和谷的深度的体现，因此可得到指纹图像。
后者则是由大量的敏感元件组成的固态阵列芯片，它主要采用电容触摸传感，热传感及其他传感技术，通过感受手指接触面的压力、热度等特征来提取指纹。
近年来，已经有其他一些新的指纹采集设备，如超声波指纹扫描仪，它是基于指纹的脊和谷的超声波反射原理而设计的。
在这些设备中，由于光学扫描技术比较成熟，性价比也相对较高，因而被广泛使用。
以下是指纹采集仪的分类：
1．光学的。
在早期一般都采用光学的采集仪。
2．半导体电容式的。
半导体电容式指纹采集芯片。
3．超声波的。
它是基于超声波对脊和谷的深度的不同反射原理而工作的。
1）.光学采集技术
光学采集设备有着许多优势:
它经历了长时间实际应用的考验，能承受一定程度温度变化，稳定性很好，成本相对较低，并能提供分辨率为500DPI的图像。
光学采集设备也存在不足之处，主要表现在指纹图像尺寸和潜在指印两个方面。
要求采集台板要足够大才能获得优质的图像。
潜在指印是手指在台板上按完后留下的，这种潜在的指印降低了后面指纹图像采集时图像的质量。
甚至会导致两个指印的重叠。
此外台板上的涂层和CCD阵列会随着时间的推移而损耗，精确度会有所降低。
参考[16]
如图2-4所示是简易的光学指纹采集仪
图2-4
2）.半导体指纹采集技术
半导体传感器指纹采集仪是1998年才出现的，主要通过如下几种技术来绘制指纹图像。
（1）硅电容指纹图像传感器
个电容式传感器在半导体金属阵列上，其表面是绝缘的。
传感器阵列的每个点的金属电极作为电容器的一个极，作为另一极的则是按在传感面上的手指头的对应点，感测的手指在感测表面上相应点的磁极之间形成的电介质层。
指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离的不同，导致在不同的电容值的电容阵列的硅表面，测量并记录每个点的电容值，可以得到具有灰度级的指纹图像。
（2）半导体压感式传感器
表层是由具有弹性的压感介质元件组成，它们把指纹的外表纹通过压感传感器理转化为对应的电信号，并进一步产生有灰度级的指纹图像。
（3）半导体温度感应传感器
在指纹采集过程中，因为脊和谷与传感器的距离不同，因此温度感应传感器感应到的温度就不相同，半导体温度感应传感器就是根据这个原理来获得指纹图像的。
半导体温度感应传感器采用了自动控制技术，其能够自动调节所采集指纹图像像素行以及指纹部分区域的敏感度，在不同环境下结合反馈到的信息便可产生高质量的指纹图像。
例如，一个对比度差的图像，如干燥的指纹图像，都能够被感应到;由于提供了局部调整的能力，图像对比度差（不清晰）的区域也能够被检测到（如:
手指按压压力不足的地方），并且能够在捕捉的同时为这些像素提高灵敏度，过程只在瞬间。
半导体指纹采集设备，可以得到一个相当精确的指纹图像分辨率高达600dpi，而且在指纹图像采集过程中不需要像光学采集装置那样，需要一个较大面积的采集台板采集指纹。
由于半导体芯片体积小，功耗低，可以集成到许多现有的设备，这是许多指纹识别系统的研究和开发工作的光学采集设备所无法比拟的。
早期的半导体传感器的主要缺点是：
容易受静电影响，从而使传感器有时会无法获取图像，甚至被损坏，手指汗盐或污垢，手指磨损会导致半导体传感器想要采集到优质的指纹图像变得非常像困难。
此外，它们不像玻璃耐磨损，从而影响使用寿命。
随着技术的不断发展，防静电芯片的性能和耐用性有了很大的提高。
3）.超声波指纹图像采集技术
为了克服光学技术和硅技术设备不足，已经出现一种新型超声波指纹采集设备。
它的原理是利用超声波的穿透能力，超声波到达不同的材料的表面时不同的材料产生不同大小的
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