基于广义Hough变换的指纹图像边缘提取算法及实验研究

· 114· 《机床与液压》2005．No．12 基于广义 Hough变换的指纹图像边缘提取算法及实验研究 黎 伟，商建东 (河南科技大学机械电子工程学院，河南洛阳471003) 摘要：针对CCD光学指纹取象设备普遍遇到的纹线断裂情况，提出了用广义Hough变换使纹线复原的原理和方法，论 文详细描述了 Hough变换和广义 Hough变换的指纹图像边缘提取算法 ，结合 DSP6000测试板进行了实验研究 ，对 自动指纹 识别技术的研究具有一定的实际意义。 关键词：图像处理；Hough变换；指纹识别 中图分类号：TP751 文献标识码：A 文章编号：1001—3881(2005)12—114—2 Pick up Lines from Fingerprint Image Based on Generalized Hough Transform LI Wei，SHANG Jian—dong (Mech．and Ele．College，Henan Uni．of Scie．and Teeh．，Luoyang 47 1003，China) Abstract：A method was brought forward to recover the lines of the fingerprint image with generalized HOUGH transform，and the arithmetics of picking up lines form fingerprint image with HOUGH transform and generalized HOUGH transform was de‘ scribed．Many experiments were done on DSP6000 testing board．It has practical significance for the research of automated fingerprint i- dentification system． Keywords：Image processing；Hough transform；Fingerprint verification 指纹识别作为一种古老的生物识别技术，随着现 ， 、 f1 grad( ，Y)≥T ，1、 代电子集成制造技术的发展以及快速识别算法的研 g【 ’ J i0 其它 z 究，其自动识别技术已日趋成熟。自动指纹识别系统 梯度算子仅计算相邻象素的灰度差，对噪声敏 (AFIS)的简单流程如图1所示。 感，无法抑制噪声的影响。 图 1 自动指纹识别系统流程图 在指纹图像获取方面，CCD光学取象设备，以 其成本低廉、可靠性好而得到广泛应用，但其受手指 干湿、手指表面脏物和油 脂的影响，成像质量不是 很理想 ，经常出现纹线 断裂的情况。如图2所示。 因此，图像预处理至 关重要，它直接影响特征 提取的难易以及指纹识别 的正误。而指纹图像的边 缘提取又是图像预处理的 关键，也是本文研究的重 点。 图2 使用U．are．U 2000采 集到的指纹原始图像 1 常用边缘检测算法的缺陷 常用边缘检测算法简介如下。 梯度算子，公式如下： r )1 酬 l L a’， J Laplacian算子，公式如下： ，Y)=厂( +1，Y)+厂( 一1，Y)+厂( ，Y+1)+ -厂( ，Y一1)一4f( ，Y) (3) Laplacian算子对细线和孤立点检测效果好，但 边缘方向信息丢失，常产生双象素的边缘，对噪声有 双倍加强的作用。 基于形态学的边缘检测算法：集合A的边界记为 (A)，设曰是一个合适的结构元素，首先令 A被 曰 腐蚀，然后求集合A和它的腐蚀的差，如下式所示： (A)=A一(AOB) (4) 基于形态学的边缘检测算法会使纹线的某些地方 出现假洞，而且会将断点当作边缘 。 其它还有 Roberts算子、Prewitt算子、Canny算 子、马尔算子、沈俊边缘检测法、光栅跟踪扫描法、 全向跟踪法等等 ，它们都无法恢复断裂的纹线，这 势必在后续的特征提取中产生大量的伪特征点，严重 影响识别结果。 2 Hough变换及指纹图像边缘提取算法 如图3(a)，设在直角坐标系中有一条直线 Z， 原点到该直线的垂直距离为P，垂线与x轴的夹角为 0，则可用P、0来表示该直线，且直线方程为： P：xeosO+ysin0 (5) 这条直线用极坐标表示则为一点 (P，0)，如图 3(b)所示。可见，直角坐标系中的一条直线对应 基金项目：教育部科学研究重点项 目 (200202)；河南省 自然科学基金项 目 (0211051000) 维普资讯 http://www.cqvip.com 《机床与液压》2005．No．12 ·115· 极坐标系中的一点，这种线到点的变换就是Hough变 换 。 图 3 Hough变换 Hough变换指纹图像边缘提取算法步骤如下： (1)在p、0的极值范围内对其分别进行 m、n 等分，设一个二维数组下标与p 、 ，的取值对应； (2)对图像上的所有边缘点作 Hough变换，求 每个点在 (_『=0，1，⋯，n)Hough变换后的p ，判断 ( ， ，)与哪个数组元素对应，则让该数组元素加 1； (3)比较数组元素值的大小，最大值所对应的 (p ， )就是这些共线点对应的直线方程的参数。 共线方程为 ： p =．~C0S0j+ysin0j (6) 由上可知，对p、0量化过粗，直线参数就不精 确，过细则增加计算量。因此，对p、0量化要兼顾 参数量化精度和计算量。 Hough变换检测直线的抗噪性能强，它对曲率较 小处的指纹裂痕能有效复原，而对曲率较大处指纹裂 痕效果不是很理想，广义Hough变换则能很好地解决 这一问题。 3 广义 Hough变换指纹图像边缘提取算法 广义 Hough变换：任取一点 ( ，Y )为参考 点，从边界上任一点 ( ，Y)到参考点 ( 。，Y )的 长度为r，它是咖的函数r(咖)，咖是 ( ，Y)边界点 上的梯度方向。( ，Y )到边界连线的角度为a(咖)， 则 ( ，Y )应满足下式 ： = +r(咖)cosa( ) (7) Y =Y+r(咖)sina(咖) (8) 广义Hough变换指纹图像边缘提取具体算法如 下 ： (1)对二值化和细化后的指纹图像的边界建立 一 个 R表，R表是一个按 西的大小列成的二维 表格 关于规范使用各类表格的通知入职表格免费下载关于主播时间做一个表格详细英语字母大小写表格下载简历表格模板下载 ， 即咖 ～(a，r)，以咖 的步进值求r和a。 (2)对纹线端点，即有可能是需要修复的断裂 点，建立一存储区，存储内容是累加的。把 、Y 从 最小到最大用步进表示，并作为地址，计作 ( 一， Ycmin~一)，存储阵列内容初始化为零。 (3)对指纹边界上的每一点 ( ，Y )，计算咖， 查R表计算 ( ，Y )： = +r(咖)cosa(咖) (9) Y =Y+r(咖)sinot( ) (10) (4)使相应的存储阵列A( Y )加 1，即 A( ，Y )= ( 。，Y )+1 (1 1) (5)在阵列中找一最大值，就找出了图像中符 合要求的指纹纹线。 4 实验结果及结论 经过反复调试，基于广义 Hough变换的指纹边缘 提取算法已能稳定运行于 DSP6000测试板，结果如 图4所示。 (a)二值化、细化后图像 (b)Hough变换后图像 (c)广义Hough变换后图像 图4 Hough变换对 比结果 结果表明：Hough变换很好地解决了指纹纹线断 裂的情况，而广义Hough变换使得纹线更加流畅、清 晰，适应能力比Hough变换更强，效果更好。于工作 频率为200MHz的TMS320C6201的DSP上，Hough变 换平均运行 31654625个指令周期 ，耗时约0．15s，广 义 Hough变换平均运行 52163458个指令周期 ，耗时 约0．25s，能够满足指纹识别对时间的要求，目前该 技术已成功应用于河南科技大学一卡通指纹识别学籍 注册系统，效果良好。 参考文献 【1】王波涛 ．指纹取像技术 [J]．北方工业大学学报， 2003．3． 【2】阮秋琦．数字图像处理学 [M]．北京：电子工业出 版社 ，2001．1． 【3】何 斌 ．Visual C++数字图像处理 [M]．北京：人 民邮电出版社 ，2001．8． 【4】贾永红．数字图像处理 [M]．武汉：武汉大学出版 社，2003．9． 作者简介：黎 伟 (1979～)，男，湖北荆门人，硕 士生，主要研究方向为数字信号处理。E—mail：liweistorm @ 126．como 收稿时间：2004—07一l6 订杂志 免费刊登广告 订阅全年 《机床与液压》杂志可获赠介绍 单位基本信息广告一次；若另加54元 (即 150 元)可获赠 60ram×70mm单色广告一次；另加 600元可获赠全年l2期60mm x70mm单色广告。 维普资讯 http://www.cqvip.com