指纹图像处理中方向滤波器的研究与实现

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检 测 与 仪 表
化 自 化 仪 ，０ ，５ ）８４ 工 动 及 表 ２８ ３ ５： ～１ ０ （ ３
Ｃ ｎｒ ｌａ ｄ Ｉ ｓｒ ｍｅ ｔ ｎ Ｃ ｅ ｃ ｌＩ ｄ ｓ ｙ ｏ ｔ ｎ ｎ ｔ ｏ ｕ ｎ ｓｉ ｈ ｍｉａ ｎ ｕ ｔ ｒ
点， 首先把图像视为是有确定纹理 的流状模 型 ， 利用 图像的灰度矩阵 Ｆ（， ， 算每一个 像素 点在各个 ｉ ）计 Ｊ
方 向上的某 种统计 量 （ 如灰度 差或灰度平 均等 ） 然 ， 后依据统计 量在各个 方 向上 的差异 ， 来确定 某一邻
域 内纹线 的方 向， 即确定指 纹方 向图 ， 最后 以方 向图 为基础 ， 用方 向滤波器对其进行处理 ， 以消 除噪声进 而提高脊与谷之间的对 比度。 脊线的方 向， 以在 ０ ～３０ 或 ０ ～１０ 之 间 可 。 ６ 。 。 ８。 预先划分为 Ⅳ个基本方 向， 理论上 Ⅳ越 大对脊线方 向的描述越好 ， 但实验证 明 ： Ⅳ太大 ， 费计算 时 若 耗
板参数 的设计方法 ， 最后通 过 Ｖ ６ ０的编程在计算 Ｃ．
机上实现 了该方法对指纹图像 的处理 。
２ 方 向滤 波 法
在 自动指纹识别 系统 的核心算 法 中 ， 图像 预处 理是指纹处理 的第 一步 ， 它的好 坏将直 接影 响后续
环节乃至 整个 系 统 的精 确性 。常见 的预处 理算 法
指纹本身 的纹理 特征 出发 ，上对方 向图滤波算法 进行 了分析 和研究 ， 给出 了方 向滤波 器窗 口大小 的确定 以及模
收稿 日期 ：０ ８０ －２ 修改稿） ２ ０ －９２ （ 基金项 目： 国家“ ６ ” ８ ３ 计划项 目（ １ １ １０ ７０ ３ ０ ００ ２ ０ ０ １ ）
指 纹 图像 处 理 中方 向滤 波 器 的研 究 与 实现
杨 小青 杨 ， 浩 何 ， 为
（． １ 重庆科技学 院， 重庆 ４ ０５ ；． ００ ０ ２ 重庆大学 电气工程学院 ， 重庆 ４ ０ ４ ） ０ ０４
摘要 ： 首先在对现有指纹 图像预 处理 算法进行分析 比较 的基 础上 ， 系统介绍 了方 向滤波法对 图像 的处理过 程， 同时给 出了指纹的数学模 型。在此基础 上 ， 详细分析 了方向滤波 器的组成 、 模板 的选取及 其参数计 算。最后
图像进行滤波 。为了简化 问题 和提高 速度 ， ８个 把
求较低 ， 它适宜于实时指纹处理。正因为如此 ， 近年 来方 向图滤波法一直是国内外从 事指纹识 别学者研
究 的热点之一 。从 目前公 开发 表 的、 关指纹 识别 有
的文章数量上看 ， 向图滤波法使用较多 ， 方 但文献报
道中往往仅给 出方 向滤波器 的权值模 板 ， 而并 没有 介绍其模板参数 及窗 口大小是 如何整 定 的， 些对 这
与坐标原点对称而得到 ， 该方法被 称为相位分组法 。 我们采取 的具体 策 略是 ： 先设计 水平 方 向滤波
器 即方 向 １ 然后 通过 对水平 滤波 器 进行旋 转 及对 ，
致处理效果 的好 坏 ， 时对指 纹识别 系统 的误 识率 同 和识别率都有 很大 的影 响。基 于上述 因素 ， 们从 我
其基本思想是依据指纹本身纹理性和方向性都很强的特点首先把图像视为是有确定纹理的流状模型利用图像的灰度矩阵fi计算每一个像素点在各个方向上的某种统计量如灰度差或灰度平均等然后依据统计量在各个方向上的差异来确定某一邻域内纹线的方向即确定指纹方向图最后以方向图为基础用方向滤波器对其进行处理以消除噪声进而提高脊与谷之间的对比度
的滤波法 、 基于频 率域 的 自适 应 图像 增强法 及
Ｇ ｂｒ 波 器 滤 波 等 方 法 。基 于 数 学 形 态 学 的 图 ａｏ 滤
像滤波方法 ， 在滤 出噪声 的 同时也很容 易将 图像 的 细节特征除去 ， 所以它不太适用于指纹 图像 预处理 ；
Ｇ ｂｒ ａｏ 滤波虽 然能实 现对 图像在 空间域 和频域 的调
整， 同时较好 地保 留图像 的细节 特 征 ， 因算 法 复 但
杂、 运算量大并且对系统的硬件条 件要求 高 ， 不宜于
在线处理指纹 图像 ； 于频 率域 的 自适 应 图像 增强 基
法， 在去除噪声 的同时也 常使部 分 图像 细节特 征消
失 ， 同样也存在算法复杂 、 它 运算 量大并且对 系统硬
件要求高 的缺陷 ， 因此也不便 用于图像 的实时处理 ； 基于方 向的图像滤波方法是一种在空间域 内对 图像
进行处理 的方法 ， 它能较好地保留指纹细节特征 ， 而
且算法 比较简单 ， 运算量 较小并 对系统 硬件条 件要
间多 ， 而且对脊线方 向质量的改善也并不 大 ， 因此处
理 中最好选取一个恰 当的值 ， 能满足脊 线方 向要 既 求也能减少算法 的空间及时间复杂度。我们通过实验 比较 ， ８ Ⅳ取 时就满足实际要求。取 ８ 个方向按理论要 求就应该需要 ８个 不 同的滤波器 ， ８个 方 向上对 在
利 用计 算机 实现 了方 向滤 波 器 对指 纹 图像 的 处理 ， 得 了较好 的 效 果 。 取
关 键 词 ： 图像 处 理 ； 向滤 波 ； 波 器 ； 纹 识 别 方 滤 指
中图分类号 ： Ｐ ０ 文献标识码 ： 文章编号 ： ００３ ３ （０ ８ ０ －０８０ Ｔ３ｌ Ａ １０ － ２ ２０ ）５０ ３ －４ ９ １ 引 言
有 ： 于 方 向 的方 向 图滤 波 法 、 于 数 学 形 态 学 基 基
指纹脊线被破坏 的 因素 有多种 ， 有两 种情况 但 会经常出现 ， 即断裂 和叉连 ， 然而在现有 的众多 滤波
器 中， 向滤波器 能有效抑 制这 两种噪 声。其基 本 方 思想是依据 指纹 本身 纹 理性 和方 向性都 很强 的特
于方 向滤 波 器 来 说 很 重 要 ， 其取 值 不 同 ， 直 接 导 因 将
方 向按与坐标原 点对称 分 为 ４组 即 （ ， ） （ ， ） １５ 、 ２ ６ 、
（ ， ） （ ，） 这样处理 的好处 是 ： ３７ 、４ ８ ， 只需设 计 ４个滤 波器 （ 即方 向 １２ ３ ４ ， 、 、 、 ） 其余 ４个 滤波 器可 以通过