生物特征識別:小面積指紋識別算法(一)


指紋識別算法是個相對來說比較成熟的方案,從光學的指紋打卡機,到新一代身份證指紋錄入,都可以看到指紋識別的身影,指紋識別(Fingerprint Recognition)也有兩個比較重要的標准,即:ISO-19794,ANSI-374,對這部分有一個詳盡的標准。其中,引入一個重要的概念:Minutiae(指紋特征點) ,就是這部分主要介紹的,本部分主要針對5mm x 5mm ~ 10mm x10mm的采集器。

指紋的Minutiae有很多種,按照標准通常定義在level 2。

 

而通常使用的只有兩種:端點(ending point)與叉點(bifurcation point)。如下圖所示:

 

通常來說,對於特征的進一步處理主要分為兩步:特征點描述和特征點建模。指紋的minutiae在數量在很小的范圍內,所以相似度在很大成都上還是依賴於minutiae自身的結構。例如,可以這樣去構建:

 

當然可以構建更簡化的結構,這並不影響最終結果的判別。因為我們即將使用一種貪心策略構建更大的結構,像這樣:

 

從而將指紋相似變成兩個結構的相似性,從而得到相似系數。雖然圖像處理,貪心策略,或者相似公式不同,但是最終結果相差不會太大。

對於不同情況的圖像,也要考慮不同的構建方式,例如,還可以這樣構建:

 

利用minutiae周圍的方向場與頻率場構建更為精細的指紋描述, 方向場和頻率長的計算可以查看相關文獻。

上面主要介紹了一些指紋識別算法的方法,而本部分算法設計主要針對圖像大小的圖像庫進行測試,可以對照一下在手指上占面積的大小。

 

192x192(9.6mm x 9.6mm)

 

160x160(8mm x 8mm)

 

128x128(6.4mm x 6.4mm)

 

128x112(6.4mm x 5.6mm)

 

128x60(6.4mm x 3mm)

以下是算法在部分圖像庫測試成績:

 

由於小面積指紋識別錄入均采取多次錄入的方式,以上圖像庫錄入圖像模板分別為4,6,8,8,12。

測試圖像的注冊模板所占的空間大小,采用不同的特征描述占有空間大小有差別,但是總模板空間遠小於1kb,可見僅占用308Bytes。

 

采用帶方向場與頻率場的描述,針對更小面積的指紋會更有效,但是模板空間會增大,但是遠遠小於5kb。

 

隨着指紋圖像面積的進一步縮小(一般來說低於128x128),指紋Minutiae信息也會進一步的減小,從而無法得到更為精確的描述,這部分算法的穩定性將會收到很大挑戰,尤其是圖像質量不能滿足要求的時候,對於更小面積的方案下面一部分會有更詳細的綜述。

 

參考文獻:

Patent:2495687A1

Minutia Cylinder-Code: a new representation and matching technique for fingerprint recognition. IEEE Transactions on Pattern Analysis Machine Intelligence 32, 2128–2141 (2010)

Latent Fingerprint Matching. IEEE Transactions on Pattern Analysis Machine Intelligence 33(1), 88-100 (2010)


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