基于Matlab实现的指纹图像预处理算法

基于Matlab实现的指纹图像预处理算法第24卷第3期计算机仿真 2007年3月文章编号：1006—9348(2007)03—0215—04 基于 Matlab实现的指纹图像预处理算法商庆瑞，吴睛，郭晶莹 (北京工业大学，北京 100022) 摘要：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，在前人的基础上提出了一套基于 Matlab实现的指纹图像预处理算法。文中给出了用 Matlab对每个指纹图像处理功能模块的算法实现、改进方法及处理结果，主要包括去边缘背景，块方向图求取，增强和二值化的...

第24卷第3期计算机仿真 2007年3月文章编号：1006—9348(2007)03—0215—04 基于 Matlab实现的指纹图像预处理算法商庆瑞，吴睛，郭晶莹 (北京工业大学，北京 100022) 摘要：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，在前人的基础上提出了一套基于 Matlab实现的指纹图像预处理算法。文中给出了用 Matlab对每个指纹图像处理功能模块的算法实现、改进方法及处理结果，主要包括去边缘背景，块方向图求取，增强和二值化的合并，细化。用 Matlab实现的这种方法，既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处理算法的效果，有效配合了算法的研究。实验证明，用 Matlab实现的算法的处理结果比较理想，满足识别的应用性。关键词：指纹识别；预处理；方向图；增强；细化中图分类号：TP391．4 文献标识码：A Preprocessing Algorithm of Fingerprint Image Based on M atlab SHANG Qing—rui，WU Qing，GU0 Jing—ying (Beijing University of Technology，Beijing 100022，China) ABSTRACT：Preprocessin~algorithm is essential in fingerprint recognition，it is the key in the fingerprint identifica— tion．This paper introduces a set of algorithms for preprocessing based on Matlab， ves the improved methods and the processing results of each functional module，mainly including background deletion ，block direction computation， enhancing and binary incorporation，thinning．Every part of fingerprint images preprocessing algorithms can be simu— lated and testd by matlab，and the effect of images processing algorithms can be observed intuitively．The experimen— tal results show that this algorithm by Matlab has ideal processing result，and can meet the requirement of recogni— tion． KEYW ORDS：Fingerprint recognition；Preprocessing；Directional image；Enhancing；Thinning 1 引言由于指纹的不变性，唯一性和实用性，指纹识别技术相对于其它生物特征识别有许多独到之处，是目前应用最广的身份验证与识别技术，应用于各个领域，具有广泛的应用前景。自动指纹识别系统在过去的30年里虽然已取得了很大发展，但由于采集的指纹或现场指纹受印压的轻重，扭曲，偏转及环境因素的影响，含有大量噪声，直接影响指纹识别效果，因而指纹图像的预处理算法仍是国内外模式识别研究中的热点。 Matkab既是一种直观、高效的计算机语言，同时又是一个科学计算平台。它为数据分析和数据可视化、算法和应用程序开发提供了核心的数学和高级图形工具。作为图像处理的仿真工具，Matlab提供了功能强大的图像处理函数，给仿真者提供了很大的便利性，缩短了开发周期；Matlab能够直观、清楚的显示图像，并可以不用修改程序而实现对图像收稿日期：2005—12—28 修回日期：2006—02～16 的缩小、放大等功能，能方便的观察图像。在指纹的预处理算法仿真中，就充分地利用了 Matlab的强大的数学函数和方便的图像显示功能。本文在前人的基础上提出了一套基于 Matlab实现的指纹图像预处理算法，并给出了改进的几个模块算法。本文的算法都是通过 MATLAB仿真而验证的，以 Matlab作为指纹图像指纹识别算法仿真的平台。 2 指纹识别系统的工作原理指纹识别流程如图 1所示。采集到的指纹图像受各种原因的影响，是一幅含较多噪声的灰度图像。预处理的目的就是去除图像中的噪声，把它变成一幅清晰的点线图，这样才能提取正确的指纹特征，从而达到后边的正确匹配。预处理过程主要包括指纹规格化，平滑滤波处理，方向增强处理，二值化，细化等，它是指纹自动识别系统中极为关键的一步，它的好坏将直接影响着指纹识别的效果。在此基础上，提取指纹特征信息，得到输入指纹特征模板，然后用输入指纹特征模板与已登记的指纹特一 21 5 — 维普资讯 http://www.cqvip.com i指-．．纹图1 ．I指纹规I l平滑滤J ．1方向增I I自适应l l细化 I 术v - 采．／r_-1格化 H波处理r_1强处理r_1二值化r_．-1后处图1 指纹识别流程征模板进行匹配，最后显示识别结果。 3 指纹规格化 3．1 整体灰度归～化为使输入的指纹图像具有相同的均值和方差，需要对指纹进行规格化处理，规格化并不改变指纹的脊谷的清晰程度，其目的是为了减小不同指纹图像之间灰度值的差异，为后续处理做准备。方法是寻找一幅质量很好的图像，然后以此图像作为标准的图像，求解其平均值和方差，那么以后的图像都以此图像为标准进行规格化，求解可得图像的平均值和方差分别为：Mo=141，or =16053(经验值)。令 G (i， )代表原始图像在点(i√)的灰度值，G(i√)代表规格化后的图像在点(i√)的灰度值，和分别代表原始图像的均值和方差，眠和。分别代表期望得到的均值和方差，则规格化之后的图像在象素点(i√)的值由(1)式确定： G(i√)= 一压五匦 G (i，J)>=M G (iX>Y，2z=2y+2x+Uo 通过在增强时直接设定阈值而进行二值化的方法十分有效，并且去除了传统指纹图像预处理算法中的二值化部分，大大提高了预处理的速度。固圈圈圉目目圈圈圈圈图5 改进后的细化模板图6 指纹图像的预处理结果 6 细化指纹图像二值化后，纹线仍具有一定的宽度，指纹识别只对纹线的走向感兴趣，而不关心其粗细，所以指纹识别的细化处理就是要删除指纹纹线的边缘像素，使之只有一个像素宽度。细化图像的过程中应满足收敛性、连接性、拓扑性、保持性、中轴性和快速性的要求。细化算法中的OPTA算法能达到较好的效果，但该算法细化后图像是4一邻接与8一邻接意义下的细化骨架，在三叉点处往往细化不全；细化后的指纹脊线不光滑，有许多毛刺，且纹线扭曲，不在纹线中心，因此，它不满足细化性和中轴性。这就会给以后的指纹特征提取带来困难。另外，它采用两个大小不同模板分两次进行运算，其快速性也受到影响。本文提出了几个模板(图5)，进行再次细化，达到很理想的效果。 7 结语一 217 — 维普资讯 http://www.cqvip.com 为了缩短算法的开发周期，运用MATLAB语言描述简单和图形显示功能比较强大的特点，以它作为指纹图像识别算法仿真的平台，对 FVC2000第二指纹库 10枚指纹的 100幅图像进行了预处理，图6为一幅图像的预处理过程。本文主要分析了指纹识别的预处理技术，重点研究了灰度归一化、去边缘背景、块方向图求、增强和二值化的合并、细化等初级处理方法。观测100幅指纹图像的预处理，90％都能达到较好的处理结果。此套算法的预处理部分结果比较理想，程序的移植性较好，可搭配其他的特征提取算法和匹配算法。实验证明，该算法取得了良好的效果，保留了指纹纹线的关键信息，为下一步的特征提取工作打下了良好的基础。参考文献： [1] 林喜荣，于政涛，苏晓生，夏雄武．一种利用动态滤波模板进行指纹图像增强的算法[J]．清华大学学报(自然科学版)2001， 41(8)． [2] 乔雨峰．指纹预处理算法研究[D]．北京：北京工业大学，2004 — 5． [3] Sun Microsystems Java(TM)Servlet Specification 2．4 Final Re— lease[DB]．http：／／jcp．org／aboutJava／community process／final／ jsr154／index．html，2003—11． [4] A Rao．A Taxonomy for Texture Description and Identification [M]_New York：Springer—Verlag，1990． [5] 翟波，纪玉波，聂琰．基于方向信息的指纹图像预处理[J]．计算机工程与科学，2005，27(7)． [6] J SERRA．Image Analysis and Mathematical Morphology[M]． London：Academic press，1982． [作者简介】商庆瑞(1978．1一)，男(汉族)，山东人，北京工业大学硕士生，研究方向：数字图像处理；吴晴(1947一)，女(汉族)，北京人，北京工业大学副教授，硕士生导师，研究方向：检测技术与自动化装置等；郭晶莹(1981．5一)，女(蒙古族)，内蒙人，北京工业大学硕士生，研究方向：嵌入式指纹识别技术。 (上接第 148页) ；∞ 0 乞4o。0 3o 0 ～{=-== 量 _1端茹釜 ? ：：～：，0 ：：0Ⅲ_ ／：／| j 。图 ll 伸缩杆6的位移速度加速度曲线证明了方案的可行性。 2)该康复机器人具有结构简单，工作空间大等优点，克服了传统康复仪器笨重、结构复杂的缺点。模块化设计使机器人能够适应不同体型的人群使用，各结构参数可方便的进行调整，在下肢康复领域有广阔的前景。参考文献： [1] 吕广明，孙立宁，彭龙刚．康复机器人技术发展现状及关键技术分析[J]．哈尔滨工业大学学报，2004，36(9)． [2] Michael Hillman．Rehabilitation robotics from past to present—a historical perspective[J]．Proceedings of the ICORR 2003(The Eig}lth Intemational Conference on Rehabilitation Robotics)．23— 25 April 2003． [3] 王耀兵，季林红．脑神经康复机器人研究的进展与前景[J]．中国康复医学杂志，2003，18(4)．一 218 一 [4] [5] [6] [7] [8] 童蚤张立勋，赵凌燕，胡明茂．下肢康复训练机器人的重心轨迹控制研究[J]_应用科技，2005，32(4)．付京逊．机器人学[M]．北京：中国科技出版社，1998—10．黄真．空间机构学[M]．北京：机械工业出版社，1991—5．于晖，等．新型6一HTRT型并联机器人工作空间和参数研究 [J]．机器人，2002—7．杨宏兵．6一SPS并联机器人运动学及工作空间的仿真研究 [D]．合肥工业大学硕士论文，2004—5． [作者简介] 朱建瓴(1982．11一)，男(汉族)，山东省潍坊人，上海交通大学硕士研究生，研究方向：康复机器人；刘成良(1964．6一)男(汉族)，山东省费县人，上海交通大学教授，博导，研究方向：智能机器人技术。一童一／Ⅱ0ljg Ia8《维普资讯 http://www.cqvip.com

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