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利用中心點(diǎn)信息的活體指紋分類算法
摘要：一種針對(duì)活體指紋采集樣本的分類算法。將指紋分為四類：弓形、左箕形、右箕形和箕形（Right loop）和斗形（Whorl）。根據(jù)公安部的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)人指紋類型的分布，弓形和帳弓形分別為1.1%、1.4%。對(duì)于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，把兩者分離的必要性不大。而且，弓形和帳弓形在結(jié)構(gòu)上很相似，沒(méi)有明顯的特征可以把兩者很好地分開。文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)表明：不把這兩類分開，可以在不影響分類器效率的情況下，提高正確率。本文采用指紋結(jié)構(gòu)特片分析方法，基于實(shí)用性的考慮，把采集的指紋分為四類：弓形（Arch）、左箕形（Left Loop）、右箕形（Right loop）和斗形（Whorl）。如圖1所示。目前指紋分類在的研究對(duì)象主要是油墨指令等滾動(dòng)按捺得到的指紋圖像，一般采用美國(guó)中央情報(bào)局的SINT4、NIST9、NIST14、NIST24等批文數(shù)據(jù)庫(kù)，這些據(jù)指紋圖像通常保留了三角點(diǎn)和中心點(diǎn)等特征點(diǎn)。但活體采集通常不能完整采集三角點(diǎn)�；铙w采集的樣本與傳統(tǒng)油墨按捺采集的樣本有很大不同。從目前所能查閱的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，針對(duì)活體采集樣本的分類算法研究并不多見(jiàn)，而且效果并不是很理想。本文所研究的指紋庫(kù)是用主流芯片級(jí)指紋采集器——富士通公司的BMF200電容式的指紋傳感器采集得到的。這款采集器在自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。因此，針對(duì)這種樣本數(shù)據(jù)庫(kù)的分類算法的研究具有現(xiàn)實(shí)意義和理論意義。
傳統(tǒng)的分類算法沿用指紋學(xué)上的分類法，把指紋分為五類：弓形（Arch）、帳弓形（Tent Arch）、左箕形（Left loop)、右箕形（Right loop)和斗形（Whorl）。
根據(jù)公安部的統(tǒng)計(jì)，中國(guó)人指紋類型的分布，弓形和帳弓形分別為1.1%、1.4%。對(duì)于實(shí)際系統(tǒng)，把兩者分離的必要性不大。而且，弓形和帳弓形在結(jié)構(gòu)上很相似，沒(méi)有明顯的特征可以把兩者很好地分開。文獻(xiàn)的實(shí)驗(yàn)證表明：不把這兩作業(yè)成績(jī)分開，可以在不影響分類器效率的情況下，提高正確率。本文采用指紋的結(jié)構(gòu)特征分析方法，基本實(shí)用性的考慮，把采集的指紋分為四類：弓形（Arch）、左箕形（Letf loop）、右箕形（Right loop）和斗形（Whorl）。如圖1所示。
1 指紋分類算法
分類算法的基本步驟是：
（1）圖像預(yù)處理：為使指紋圖像有要同的均值和方差，對(duì)原始圖像進(jìn)行歸一化處理，然后根據(jù)圖像灰度信息對(duì)圖像分割，把背景區(qū)分割出來(lái)；
（2）計(jì)算方向圖：計(jì)算指紋圖像每一點(diǎn)的方法；
（3）提取特征：根據(jù)方向圖，找出指紋的奇異點(diǎn)；
（4）分類：根據(jù)中心點(diǎn)數(shù)目和指紋特定區(qū)域的流向把指紋分為四類。
程序流程圖如圖2。
1.1 圖像預(yù)處理
預(yù)處理包括歸一化、背景分割。歸一化就是把原始圖像的灰度均值和方差變換為期望得到的均值和方差。
歸一化后，對(duì)圖像進(jìn)行分割，利用灰度信息把指紋區(qū)和背景區(qū)分開。
圖3是一幅指紋圖像的分割結(jié)果。
1.2 方向圖的計(jì)算與平滑
輸入的指紋圖像大小為240×264，分成8×8的小塊。首先計(jì)算每一點(diǎn)的方向，把平面空間量化成8個(gè)方向碼，通過(guò)式（1）計(jì)算每一點(diǎn)的方向。
其中：D（i,j）表示點(diǎn)（i,j）的方向碼；N這里取值為8。G（i,j）表示點(diǎn)（i,j）的灰度值；w表示以點(diǎn)（i,j）中心，在方向?yàn)閐的直線上，每一邊的點(diǎn)數(shù)。G（ik,jk）d表示d方向的直線上所取像素點(diǎn)的灰度值。點(diǎn)的方向碼的計(jì)算解釋如下：在某一個(gè)點(diǎn)較小的范圍內(nèi)，紋線上的點(diǎn)的灰度值相關(guān)不大，而紋線上與非紋線的點(diǎn)的灰度值相差較大。因此沿著紋線計(jì)算的差的絕對(duì)值之和較小，而沿著其他方向計(jì)算出的差的絕對(duì)值之和則較大。
為了保證方向的抗干擾能力，可在塊劃分不變的情況下，適當(dāng)擴(kuò)展方向碼的統(tǒng)計(jì)區(qū)域。塊的劃分尺寸為8×8，而統(tǒng)計(jì)該區(qū)域的方向碼時(shí)，則按照12×12的擴(kuò)展區(qū)域。統(tǒng)計(jì)每一小塊對(duì)應(yīng)區(qū)域中每一個(gè)方向碼的像素點(diǎn)數(shù)，像素點(diǎn)數(shù)最多的方向碼就是該小塊的主方向。
為了消除局部的方向圖計(jì)算誤差，對(duì)方向圖進(jìn)行平滑。平滑方式采用3×3均值濾波器實(shí)現(xiàn)平滑濾波。圖4給出濾波前后的方向圖。
1.3 奇異點(diǎn)尋找與修正
進(jìn)行指紋分類前，先將指紋的特片點(diǎn)找出來(lái)。對(duì)指紋分類有用的是指紋的奇異點(diǎn)：中心點(diǎn)（core）和三角點(diǎn)（delta）。文獻(xiàn)中介紹了判
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