断纹拼接方法 【技术领域】
本发明涉及指纹识别领域， 特别是涉及一种断纹拼接方法。背景技术 随着社会的进步， 身份识别的安全性日益得到人们的重视。传统的身份识别往往 采用证件、 密码等方式。 然而， 证件可能会丢失或被复制 ； 而密码又容易被忘掉或产生混淆。 尤其是随着网络时代的来临， 越来越多的密码设置困扰着人们 ： 开机密码、 邮箱密码、 银行 密码、 论坛密码 ...... 对于这些， 如果设置相同的密码， 会增加安全隐患 ； 如果设置不同的 密码， 又为密码管理带来了困扰。为此， 以生物特征 ( 例如， 指纹、 人脸、 虹膜等 ) 为辨别依 据的身份识别技术日益获得人们的重视。其中， 指纹识别的识别率高， 且应用最为普及， 被 公认为 “物证之首” 。
现有的指纹识别技术主要是基于细节特征的， 即提取细节点作为特征来表征指纹 图像， 通过比对这些特征进行识别。 然而， 由于指纹的破损、 蜕皮等原因， 相当大比例的指纹
图像中存在着纹理的断裂现象。 这对于指纹识别处理算法来说， 是一个很大的麻烦， 因为它 带来了很多的伪特征点。
针对这一问题， 现有的处理方法主要包括以下方式 ：
1. 在检测断纹的基础上排除伪特征点， 即首先检测出断纹所在区域， 而后将在此 区域内的伪特征点排除。如公开号为 CN 1588424A 的中国专利 “基于断纹检测的指纹识别 方法” 便公开了这样一种断纹处理方法， 但是这种方法比较复杂， 需通过大量的统计实验确 定最优滤波器。
2. 采用方向滤波的方法对指纹图像进行增强处理， 即利用指纹纹线的方向性， 使 其在切向平滑、 在法向锐化， 这在某种程度上对断纹进行了拼接。但是， 指纹纹线之间的间 距往往比较小， 当断纹比较宽的时候， 常常出现错误拼接的情况。可见， 这种方法存在一定 的局限性， 其只能处理很窄的断纹， 对于较宽的断纹， 这种方法将失去效力。 发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有的指纹识别算法在断纹拼接上的不足， 使 得较宽的断纹也能得到很好的拼接， 进而减少伪特征点的产生。
为解决以上技术问题， 本发明提供一种断纹拼接方法， 用以处理具有断纹的指纹 图像， 其包括 ： (1) 求取所述指纹图像的方向图 ； (2) 根据所述指纹图像及其方向图， 计算所 述断纹脊线周期和断纹曲率 ； (3) 根据所述断纹脊线周期和断纹曲率， 描绘断纹脊线的有 效区域 ； (4) 在所述有效区域内， 拟合出断纹脊线。
进一步的， 所述步骤 (1) 包括 ：
(11) 计算所述指纹图像的各像素点的点方向 ；
(12) 对所述指纹点方向场进行二维低通滤波 ；
(13) 将所述指纹图像分成 f*f 的块， 其中所述 f 不小于 1 倍所述指纹平均脊线周期； (14) 利用中值滤波法统计出每块的块方向 ；
(15) 对于块方向与其邻域之差大于第一预设度数的块， 采用三阶卷积插值的方法 进行插值， 并记录相应的块 ；
(16) 对所述指纹块方向场进行二维低通滤波 ；
(17) 将所述指纹图像分成 2f*2f 的块， 并重复步骤 (14) 至 (16) ；
(18) 对于点方向与其所被记录块方向之差大于第二预设度数的像素点， 用其块方 向代替点方向 ；
(19) 对所述指纹点方向场进行二维低通滤波。
进一步的， 所述步骤 (15) 中的第一预设度数为 20±5 度。
进一步的， 所述步骤 (18) 中的第二预设度数为 30±5 度。
进一步的， 在所述步骤 (2) 中， 所述断纹脊线周期是通过三阶卷积插值法得到， 其 包括如下步骤 ： 计算所述断纹上下左右四个方向上的近邻块的脊线周期， 且所述四个近邻 块的大小为 k*k， 其中 k 不小于 3 倍所述指纹平均脊线周期 ； 判断所述四个近邻块的质量， 其中脊线周期大于 1.4 倍平均脊线周期或小于 0.7 倍平均脊线周期的块为质量差的块 ； 当 所述四个近邻块中， 存在少于 2 个质量差的块时， 利用所述四个近邻块的脊线周期进行三 阶卷积插值。
进一步的， 在所述步骤 (2) 中， 所述断纹脊线周期是通过三阶卷积插值法得到， 其 还包括如下步骤 ： 当所述四个近邻块中， 存在 2 个或多于 2 个质量差的块时 ： 按照所述质 量差的近邻块的方向， 向外搜寻次近邻块 ； 计算所述次近邻块的脊线周期并判断其质量 ； 如果所述次近邻块非质量差的块， 则以该次近邻块的脊线周期代替同方向近邻块的脊线周 期， 进行三阶卷积插值 ； 如果所述次近邻块为质量差的块， 则以指纹平均脊线周期代替同方 向近邻块的脊线周期， 进行三阶卷积插值。
进一步的， 在所述步骤 (2) 中， 所述断纹曲率是通过三阶卷积插值法得到， 包括如 下步骤 ： 在所述断纹两个断点的垂直方向上搜寻最近的两条近邻脊线 ； 保留所述两个断点 间的两条近邻脊线， 得到两条脊线段 ； 采用抽样取点的方法计算所述两条脊线段的曲率 ； 计算所述两个断点所在脊线的曲率 ； 对以上所得到的四个曲率进行三阶卷积插值， 得到所 述断纹曲率。
进一步的， 在所述步骤 (2) 中， 所述断纹曲率是通过三阶卷积插值法得到， 其还包 括如下步骤 ： 当所述脊线段上有断纹时， 取该脊线段所在脊线的曲率， 为该脊线段的曲率。
进一步的， 在所述步骤 (3) 中， 所述断纹脊线的有效区域由两条粗略断纹脊线段 构成， 其中所述粗略断纹脊线段通过以下方法获得 ：
(31) 在所述断纹两断点与其所在块方向成 90 度与 270 度两垂直方向上， 按所述断 纹脊线周期的一定比例进行延伸， 得到四个初始点 ；
(32) 由所述断纹曲率计算得到同一垂直方向上两初始点之间的中点， 作为初始 点；
(33) 在同一垂直方向上， 由所述断纹曲率计算得到两个相邻初始点之间的中点， 作为初始点 ；
(34) 重复步骤 (33)， 直到得到由初始点连接成的所述两条粗略断纹脊线段。
进一步的， 在所述步骤 (4) 中， 根据所述指纹图像及其方向图， 从所述断纹两断点 分别向中间拟合出所述断纹脊线。
本发明的有益效果是 ： 采用以上断纹拼接方法， 可以有效拼接断纹， 大大减少了由 于断纹引起的伪特征点， 进一步提高了指纹特征点匹配的有效性， 同时由于对断纹进行了 有效拼接， 提高脊线比对的通过率。 附图说明
图 1 为本发明一实施例所提供的断纹拼接方法的流程示意图 ；
图 2 为本发明一实施例所提供的多尺度原理图 ；
图 3 为本发明一实施例所提供的多尺度方向纠正图 ；
图 4 为本发明一实施例所提供的利用该多尺度方法来纠正错误的方向的流程示 意图 ；
图 5 为本发明一实施例所提供的断纹脊线周期的获取流程示意图 ；
图 6 至图 10 为本发明一断纹示例的拼接过程示意图 ；
图 11 至图 13 为利用本发明一实施例所提供的方法进行断纹拼接的效果图。 具体实施方式
为使本发明的技术特征更明显易懂， 下面结合具体实施例， 对本发明做进一步的描述。 请参考图 1， 其为本发明一实施例所提供的断纹拼接方法的流程示意图。 该方法用 以处理具有断纹的指纹图像， 如图所示， 包括以下步骤 ：
S1 ： 求取指纹图像的方向图 ；
S2 ： 根据指纹图像及其方向图， 计算断纹脊线周期和断纹曲率 ；
S3 ： 根据断纹脊线周期和断纹曲率， 描绘断纹脊线的有效区域 ；
S4 ： 在所述有效区域内， 拟合出断纹脊线。
以上方法不同于现有技术， 其利用指纹图像的方向图、 断纹脊线周期和断纹曲率， 获得一个断纹脊线的有效区域， 并在此有效区域内拟合出断纹脊线， 而达到断纹拼接的目 的。 其相对于检测断纹进而排除伪特征点的方法， 不是通过检测来排除伪特征点， 而是通过 拼接断纹， 来减少伪特征点的产生， 进而无需设计最优滤波器， 有效的降低了伪特征点去除 的复杂性。 另外， 相对于方向滤波进行图像增强的方法而言， 本发明充分考虑到指纹纹线多 是平滑、 有一定曲率的、 渐进变化的连续纹线这一特点， 通过拟合的方式进行拼接， 使其不 受限于断纹的宽窄， 具有更好拼接效力， 且应用更为广泛。
下面结合图 6 至图 10 详细描述以上各个步骤的实现过程 ： 其中图 6 为断纹示例 图； 图 7 为断纹曲率插值原理图 ： 即通过邻域曲率信息进行断纹曲率的插值， 如图， 由邻域 的曲率 r1、 r2、 r3、 r4 依据三阶卷积插值公式 (4) 得到断纹曲率 r， 同理得到断纹脊线周期 ； 图 8 为通过断纹曲率和断纹脊线周期， 得到断纹脊线的有效区域图。图 9 为指通过近邻方 向信息插值得到断纹方向， 在有效区域内拟合出的断纹脊线图。图 10 为最终的断纹拼接效 果图。
一、 指纹图像的方向图的求取 ( 步骤 S1) ：
在步骤 S1 中， 为了保证指纹方向的准确性， 本发明一较佳实施例中引入了多尺度 以及三阶卷积插值的方法， 来纠正错误的方向。具体请参考图 2 与图 3， 其分别为本发明一 实施例所提供的多尺度原理图以及多尺度方向纠正图。图中 1， 2， 3， 4 表示观察尺度的高 低， 且数字越大， 代表观察尺度越高。例如， 观察尺度 1 为 2*2 的观察窗， 观察尺度 2 为 4*4 的观察窗， 观察尺度 3 为 8*8 的观察窗， 观察尺度 4 为 16*16 的观察窗。本发明采用从观察 尺度 1 开始逐级向上进行方向纠正。从图 3 可以看出， 观察尺度越高， 方向变化越平缓， 更 加有利于指纹方向。下面结合图 4， 来具体描述如何利用该多尺度方法来纠正错误的方向。 其包括如下步骤 ：
S11 ： 计算指纹图像的各像素点的点方向 ；
S12 ： 对指纹点方向场进行二维低通滤波 ；
S13 ： 将指纹图像分成 f*f 的块， 其中 f 不小于 1 倍指纹平均脊线周期 ；
S14 ： 利用中值滤波法统计出每块的块方向 ；
S15 ： 对于块方向与其邻域之差大于第一预设度数的块， 采用三阶卷积插值的方法 进行插值， 并记录相应的块 ；
S16 ： 对指纹块方向场进行二维低通滤波 ； S17 ： 将指纹图像分成 2f*2f 的块， 并重复步骤 S14 至 S16 ；
S18 ： 对于点方向与其所被记录块方向之差大于第二预设度数的像素点， 用其块方 向代替点方向 ；
S19 ： 对指纹点方向场进行二维低通滤波。
通常， 在获得指纹图像之后， 需对指纹图像进行预处理， 例如滤波去噪、 图像规格 化等， 得到二值化图像 ( 或细化图像 )。其为本领域技术人员所熟知， 在此不再赘述。
对于得到的指纹图像， 首先用通用的 Sobel 算子梯度公式来计算各像素点的点方 向 ( 步骤 S11) ； 而进行二维低通滤波， 该滤波过程等效于以下公式 (1) ：
其中， 其中， f(x， y) 为指纹图像点方向场， H(x， y) 为滤波器的冲击响应函数， g(u， v) 为低通滤波结果。
在完成二维低通滤波后， 已经能得到较为精确的点方向场。 但由于观察窗太小， 很 多局部区域的方向无法得到纠正， 需要在更大观察窗下纠正。为此， 将图像分成 f*f(f 不小 于 1 倍该指纹平均脊线周期 ) 大小的块 ( 步骤 S13) ； 并利用中值滤波法统计出每块的方向 ( 步骤 S14) ； 对于块方向与其邻域之差大于第一预设度数的块， 采用三阶卷积插值的方法 进行插值， 并记录相应的块 ( 步骤 S15) ； 经过统计研究发现， 当块方向与其邻域之差大于 20 度时， 出现方向场错误的可能性比较大， 故将此第一预设度数设定在 20 度左右， 例如 20±5 度； 而三阶卷积插值公式如公式 (2)、 (3) 和 (4) ：
其中， Cbs(x) 为 Sinc(x) 的近似拟合， f(x0， y0) 是从周边邻域 f(xk， yl) 得到的插值。 按以上方法纠正完所有的块后， 做一次二维低通滤波 ( 步骤 S16)。再将图像分成 2f*2f 的块， 再次纠正和滤波， 并记录相应的块 ( 步骤 S17)。通常， 两级观察尺度可以较好 的纠正方向场。但是对于某些图像质量较差的区域， 指纹方向需要在较高尺度下才可以判 断， 故可以继续增加观察尺度进行方向纠正， 必要时可以增加到 4 级或 4 级以上。
最后， 对于点方向与其所在被记录纠正后块方向相差较大的像素点， 用其块方向 替代点方向 ( 步骤 S18)， 再次二维低通滤波， 以平滑方向场 ( 步骤 S19)。
经过以上方向的纠正， 指纹方向的求取的准确性更高， 更加有利于后续断纹脊线 的拟合。
二、 计算断纹脊线周期和断纹曲率 ；
在本实施例中， 引入三阶卷积插值的方法来计算断纹脊线周期和断纹曲率， 具体 方法是 ： 首先找到断纹的两个断点， 再在其周边较高尺度范围内采用三阶卷积插值方法计 算断纹脊线周期和断纹曲率。
( 一 )、 首先， 描述断纹脊线周期的获取过程 ：
同样， 采用如公式 (2)、 (3) 和 (4) 所示的三阶卷积插值方法， 通过断纹处的邻域插 值得到断纹脊线周期。所述邻域为断纹上下左右四个方向上 k*k 大小的近邻块 ( 其中 k 不 小于 3 倍所述指纹平均脊线周期 )。具体过程如图 5， 包括以下步骤 ：
S21 ： 计算四个近邻块的脊线周期 ；
S22 ： 判断四个近邻块的质量， 具体而言， 判断依据为 ： 脊线周期大于 1.4 倍平均脊 线周期或小于 0.7 倍平均脊线周期的块为质量差的块 ；
当四个近邻块中， 存在少于 2 个质量差的块时， 进行步骤 S23 ：
S23 ： 利用四个近邻块的脊线周期进行三阶卷积插值。
当四个近邻块中， 存在 2 个或多于 2 个质量差的块时， 进行以下步骤 ；
S24 ： 按照质量差的近邻块的方向， 向外搜寻次近邻块 ；
S25 ： 计算次近邻块的脊线周期并判断其质量 ；
如果该次近邻块非质量差的块， 则进行步骤 S26，
S26 ： 以该次近邻块的脊线周期代替同方向近邻块的脊线周期， 进行三阶卷积插 值；
如果该次近邻块为质量差的块， 则进行步骤 S27 ：
S27 ： 以指纹平均脊线周期代替同方向近邻块的脊线周期， 进行三阶卷积插值。
以上涉及到块的脊线周期的计算， 下面给出其计算方法和公式 (5) 和 (6) ：
对每个以 (i， j) 为中心的块， 计算以 (i， j) 为中心的大小为 L*W 的矩形窗口 (L 平 行于指纹的梯度方向， W 平行于指纹脊线方向， W 一般为 1 倍脊线周期， L 为 4 倍脊线周期 ) ； 对每一个 L*W 的小窗口， 计算 L 上各点在沿 W 方向的投影均值。其中 G 是指纹图像， θ为 指纹图像的方向图 ； X[k] 形成一个类似的正弦曲线， 计算该正弦曲线多个相邻的峰顶的平 均距离 T(i， j)， 此即为该块的脊线周期。
( 二 )、 下面来描述断纹曲率的获取过程 ( 如图 6 和 7) ：
以上已经提到， 指纹纹线多是平滑、 有一定曲率的、 渐进变化的连续纹线。在断纹 处， 依据邻域纹线的变化信息， 尤其是断纹垂直方向近邻的纹线的变化信息， 便可以粗略估 算待拼接断纹的曲率。具体如下 ：
首先在断纹 10 的两个断点 11 和 12 的垂直方向上搜寻最近的两条近邻脊线 20、 30， 截断这两条近邻脊线 20、 30， 保留两个断点间的部分， 得到两条脊线段 ； 采用抽样取点 的方法计算这两条脊线段的曲率 r1 和 r4( 如果得到的脊线段上有断纹， 则取该脊线段所 在脊线的曲率 )， 再以断纹 10 为中心， 分别计算断纹所在脊线上左右两条脊线的曲率 r2 和 r3( 即两个断点所在脊线的曲率 )， 取 k ＝ 2， l ＝ 2 对这四个曲率 r1 至 r4 按公式 (4) 进行 三阶卷积插值得到待拼接断纹曲率 r。
三、 描绘断纹脊线的有效区域 ( 如图 8) ；
在以上步骤中， 已经获得了断纹脊线周期和断纹曲率， 如此， 便可以描绘出由两条 粗略断纹脊线段 40、 50 构成的有效区域 A。具体如下 ：
首先， 在所述断纹两断点 11 和 12 与其所在块方向成 90 度与 270 度两垂直方向上， 按断纹脊线周期的一定比例进行延伸， 得到四个初始点 41、 42、 51 和 52， 这四个初始点 41、 42、 51 和 52 便构成两条粗略断纹脊线段 40、 50 的端点 ； 其中延伸所选取的断纹脊线周期的 比例可以为 15％至 20％。而后， 由断纹曲率计算得到同一垂直方向上两初始点之间的中点 43 和 53， 作为初始点。而后， 在同一垂直方向上， 由断纹曲率计算得到两个相邻初始点之间 的中点 ( 例如， 在 90 度垂直方向上， 计算出初始点 41 和 43 之间的中点， 以及初始点 42 和 43 之间的中点 )， 作为初始点。重复以上步骤， 直到获得足够多的初始点， 以描绘出由初始 点连接成的两条粗略断纹脊线段 40 和 50， 由此， 得到断纹脊线的有效区域 A。
四、 拟合出断纹脊线 ( 如图 9)。
在得到断纹脊线的有效区域 A 后， 便可以依据指纹缓慢变化的方向信息， 从两断 点 11 和 12 分别向中间拟合。首先从两断点 11 和 12 开始， 根据方向信息， 分别计算下一拟 合点的位置， 得到两拟合点 ； 同理， 再以此两点分别计算得到下两个拟合点， 如此反复， 对于 超出两条粗略断纹脊线段 40 和 50 的点， 以最近邻粗略断纹脊线段 40 和 50 上的点作为拟 合点， 以保证所有的拟合点在两条粗略断纹脊线段 40 和 50 以及他们之间。
请参考图 11 至图 13， 其给出了利用本发明所提供的方法进行断纹拼接的具体实 例， 其中， 图 11 为一具有断纹的指纹示例图， 图 12 为该指纹图像的细化图像， 图 13 为经过
断纹拼接的效果图。从图中可以看出， 原始灰度图像有很深的断纹 ； 从细化图像中可以看 出， 在没有断纹拼接的算法中， 存在很多断纹 ； 而利用以上实施例所提供的断纹拼接方法进 行处理后， 断纹现象消失。
采用本发明所提供的断纹拼接方法， 可以有效拼接断纹， 大大减少了由于断纹引 起的伪特征点， 进一步提高了指纹特征点匹配的有效性， 同时由于对断纹进行了有效拼接， 提高脊线比对的通过率。
以上仅为举例， 并非用以限定本发明， 本发明的保护范围应当以权利要求书所涵 盖的范围为准。