一种改进的基于方向场的指纹图像增强算法

２０１１年第２１期　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　ｏ本刊重稿。　科技信息　一种改进的基于方向场的指纹图像增强算法　祁亚萍　（山东科技大学信息学院　山东　青岛　２６６５１０）　【摘要】本文分析了指纹图像方向场估计的方法，针对Ｇａｂｏｒ滤波器在指纹图像增强的应用中对于图像方向变化剧烈的中心区域和三角　区域纹线结构保持性差的缺点．提出利用方向信息进行改进的增强算法，并在Ｍａｄｅ７．０环境下进行算法测试，结果表明本文算法相对于原算　法能够获得良好的纹线结构保持性。　【关键词】指纹；方向场；图像增强　０引言　指纹识别技术是当前生物识别技术中应用最为广泛的一种。自动　（４）由于用Ｓｏｂｅｌ算子求得的方向场角度会偏转１３５￣，计算后的角　度值减去１３５。。　指纹识别技术的研究已经有几十年的历史。但是指纹识别的可靠仍然　３指纹图像增强　是一个非常具有挑战性的课题。由于指纹图像在采集过程中受手指本　３．１　简化的Ｇａｂｏｒ滤波增强原理　身和采集条件的影响，采集到的原始指纹图像中常含较多噪声，例如　个二维ＧａｂＯｒ小波可看做一个在切线方向上的带通滤波器和　由脱皮，裂纹，污物．采集设备的污染等原因会产生脊线粘连或断裂。　个在法线方向上的低通滤波器的组合。文献【２］中给出一种用于指纹　因此在对指纹特征提取前需要对指纹图像作预处理，以减少伪特征　增强的简化的Ｇａｂｏｒ滤波模板，能够降低计算复杂度，提高运算效率。　点．提高细节特征点提取的有效性和可信度。　对于３６０ｘ２５６大小的指纹图像，脊谷线的平均周期约为７，设置切线　一一１　指纹图像增强技术概述　目前用于指纹增强的处理算法根据处理空间的不同可分为两类：　空域增强方法和频域增强方法。前者直接在图像所在的像素空间进行　方向滤波模板为ｆＩ，ｌ，１，１，１，１，１］／７，以实现切线方向的平滑滤波；法线方　向滤波模板为卜３，一１，３，９，３，一１，一３］／７，实现法线方向的收敛。　３．２　ＧａｂＯｒ滤波增强算法的改进　在对Ｇａｂｏｒ滤波进行指纹图像增强算法测试时发现，在方向变化　处理：后者通过对图像进行傅里叶变换后在频域上进行处理。空域法　缓慢的区域指纹图像增强效果良好，可以去除纹线间的粘线，同时对　增强技术包括直接灰度变换、直方图修正、空域滤波增强；频域法增强　纹线裂纹有较好的修复作用。但是．对于方向变化剧烈的中心区域或　包括低通滤波器，带通滤波器等。在指纹图像的增强方法中，基于　三角区域则会改变原纹线结构。考虑到中心区域和三角区域～般都能　Ｇａｂｏｒ滤波的方法较为成功。该方法充分利用了指纹纹线的方向性纹　获得较好的原始图像，极少出现裂纹的现象，为削弱切线方向平滑滤　理特征。　波对纹线结构的影响，本文提出根据子图块的邻域块方向变化程度决　指纹纹线在一个小的局部区域内可近似认为是一组平行的具有　定对该予图块进行切线方向平滑滤波的模板长度。对于方向变化较大　定频率的直线，具有较强的方向性。从垂直于指纹脊线的方向看，指　的区域平滑滤波模板相应缩短，对于方向变化平缓的区域选用相当于　纹脊线和谷线像素灰度的分布近似形成一个二维的正弦波，除了少数　个脊线周期的模板长度。改进的图像增强算法具体实现步骤如下：　模式区域（如指纹中心区域和三角区域等）外，在指纹纹线区域的一个　（１）对指纹图像采用３ｘ３的窗口进行中值滤波，以削弱指纹图像　小范围内指纹纹线的分布具有较好的频率特性和方向特性。因此可以　一一充分利用局部区域内指纹纹线的频率和方向特性，对每个指纹局部区　域建立相应的模板进行增强处理。　中的椒盐噪声。　（２）法向收敛：获取像素点方向信息，利用法线方向滤波模板卜３，一　２指纹图像方向场估计　指纹图像的方向场估计一般采用基于梯度的方法．该方法能较好　的兼顾方向估计的可靠性、精度和效率。方向场的计算又分为点方向　场和块方向场，点方向场即利用该点像素的周边像素信息计算其方　向；而块方向则是将原图像分成ｍ×ｍ的图像子块。每一子块采用同一　１，３，９，３，一１，一３１／７对中值滤波后的图像沿脊线的法线方向进行锐化滤　波．以实现纹线的法向收敛。　（３）切向平滑：获取像素点及其上下左右４邻域像素的方向信息　并计算方向偏差，如果方向偏差值有１个或１个以上在［Ｔｍｉｎ．Ｔｍａｘ］范　围内，则切向平滑模板缩短改为『１　１　１］／３，本文给出的方向估计中方向　角度范围为ＩＯ。，１８０。］，根据实际测试Ｔｒａｉｎ＝３０。，Ｔｍａｘ＝１５０￣能够获得较　好的效果；如果方向偏差值不在其内，采用『１，１，１，１，１，１，１］／７平滑滤波模　方向。针对指纹图像方向变化缓慢，在局部区域内几乎所有像素点的　板进行平滑处理。　方向一致的特点，本文采用基于梯度方法的块方向来估计指纹图像的　４算法测试与结论　方向场。　对于块方向场又可以分为非重叠区域法和重叠区域法计算。非重　叠区域法是将图像分为互不重叠的子图，只利用子图内的像素灰度信　息估计该块的方向。而重叠区域法则是将图像在较小的子图ｍｘｍ大　本文在Ｍａｔｌａｂ７．０环境下对改进的指纹图像增强算法测试结果见　小区域内采用同一方向，方向值由稍大的以ｍＸｍ子图为中心的ｎＸｎ　（Ｆｔ＞ｍ）大小的子图区域内的灰度信息来估计。后者考虑了子图的周边　信息，能够在获得较准确的图像信息的同时保证运算效率，相对于前　图１，其中（ａ）为原始指纹图像，（ｂ）为简化的Ｇａｂｏｒ滤波增强，（ｃ）为本文　改进的简化Ｇａｂｏｒ滤波增强。　者的抗噪性能又有所提高。故本文采用重叠区域法计算方向场。计算　方向场时子图大小的设定以包含一脊一谷为宜。基于梯度的方向场计　算步骤为：　（１）利用Ｓｏｂｅｌ算子分别计算图像各像素点沿Ｘ方向和Ｙ方向的　偏导数Ｇ　（ｘ，Ｙ），Ｇ　（ｘ，ｙ）。Ｘ方向和Ｙ方向的Ｓｏｂｅｌ算子分别为Ｓｏｂｅｌ，＝［一　（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）　１　０　１；一２　０　２；一１　０　１】，Ｓｏｂｅｌ　＝［１　２　１；０　０　Ｏ；一ｌ一２—１］。　（ａ）原始指纹图像；（ｂ）简化的Ｇａｂｏｒ滤波增强效果；　（ｃ）本文改进的简化Ｇａｂｏｒ滤波增强效果　（２）将指纹图像分为ｍ￣ｍ的子图，在子图内计算各像素点的Ｖ　（ｘ，　图１　ｙ）＝２Ｇ　（ｘ，ｙ）Ｇ　（ｘ，ｙ），并求和得Ｖ　ｃｘ。，ｙＪ；计算Ｖ　（ｘ＇ｙ）＝【Ｇ　【ｘ　）一Ｇ　（ｘｊｙ）】，并　求和得Ｖ　ｙＪ。测试中对于３６０ｘ２５６大小的指纹图像ｍ值取７，ｎ值　对图ｌ比较可知．本文对简化Ｇａｂｏｒ滤波增强算法的改进有效削　取１１可获得较好效果。　弱了切线方向平滑滤波对纹线结构的影响，获得良好的纹线结构保持　（３）计算Ｏ．ｘ，，ｙｉ）＝０．５ａｒｃｔａｎ（Ｖ　（ｘ　，ｙｉ）／Ｖ　（ｘ。，ｙＪ）得各子块的方向角度　性。指纹图像经过Ｇａｂｏｒ滤波增强处理后获得清晰的（下转第３９页）　值　圈　科技信息　０科教前沿ｏ　ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ　２０１１年第２ｌ期　表１　各采样点位ＣＯＤ、ＮＨ３一Ｎ浓度均值及同期主要水污染源排污情况表　１＃　２＃　３＃　４＃　５舟　６＃　７＃　８＃　９＃　自净减少对云蒙湖的影响，但他们向云蒙湖输入的　ＣＯＤ、ＮＨ，一Ｎ对云蒙湖还是有影响的，他们也是向云蒙湖　输入ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ的主要污染来源。　８－２治理措施探讨　针对以上原因，本文提出如下治理措施：　Ｃ０Ｄ　４　１５＿８　２３．４　１４．５　２７．３　２１．４　１９，５　２６．４　ｌ＿９３　１９．８　１．３５　１８１５　ｌ９．８　１．４５　１７．５　０．９７７　１７＿３　１５．６　０．８０６　ｌ５．２　Ｏ．５１４　１５．１　ＮＨ　一Ｎ　０．３２３　Ｃ０Ｄ　８　ＮＨ　一Ｎ　０．３４６　Ｃ０Ｄ　１２　０．７４６　０．２９２　０．６３３　０．５５７　Ｏ．４４６　２１．２　１．１５　ｌ７．３　１２．１　２５．２　１９．２　１７．０　８．２．１　扩大蒙阴县污水处理厂处理规模．改进污水处理　１２－３　０．３５７　０．７８４　０．７２３　０．５５２　１２．１　２２．２　ｌ６．６　Ｉ５．１　１１．９　ＮＨ３一Ｎ　０．４２２　０．５８２　０．３４９　０．７３６　０．６２６　０．５０６　１．６８　１．２２　０．６９８　主要水污染源排污情况　啤酒厂　厂家　漂染厂　污水处理厂　ＣＯＤ　ＮＨ　一Ｎ　排水量　Ｃ０Ｄ　４　８　１２　排水量　停产　停产　ＣＯＤ　４４．７　３５－２　４．ｏ５　ＮＨ，一Ｎ　４＿３６　３．９２　４．０５　排水量　２０２２８　２９４７０　２４０ｏ７　７１．１　７３．１　７６．９　６．８４　６．８ｌ　４．１３　５９８０　４６００　２２ｏｏ　５６．９　１４６　工艺，增加浓度处理，尤其是要增加脱氮除磷处理工艺。　可以将啤酒厂、漂染厂等污水排放量较大．ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ　排放浓度较高的工业废水再由污水管道送人污水处理厂　做深度处理，以进一步减少输入东汶河中ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ　的污染物的量，减轻对云蒙湖的影响。　８．２．２进一步完善市政污水管网，将城区生活商业休闲　等污水尽可能纳入管网，送入污水处理厂深度处理。让商　店酒店旅馆及原有配套设施不完善的居民小区等各处产　生的污水都能够纳入市政污水管网，将输入东汶河的　ＣＯＤ、ＮＨ３一Ｎ降到最低。　８．２－３加强环保宣传，进一步提高环境意识，饮用水水源　地保护意识，改变居民生活休闲娱乐中的不良习惯。　８．２．４建议在东汶河适当河段应用人工湿地治理技术．　增加河水自净能力，让东汶河河水中ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ在进　入云蒙湖前得到进一步去除、净化。　市１３０万城市居民饮用水取水口，该点位水中ＣＯＤ浓度基本不受东　８．２．５建议建设中水回用系统。实施以上措施后　蒙阴县　４８—９９）》　汶河河水中ＣＯＤ的影响，能够稳定的达到地表水ＧＢ３８３８—２００２中优　污水处理厂处理后的水能够达到《生活杂用水水质标准（ＣＪ／让蒙阴县城市道路清扫、消防、绿化、建筑施　Ⅲ类水水质中ＣＯＤ标准要求。但ＮＨ，一Ｎ浓度只能达到地表水　要求，建设中水回用系统，ＧＢ３８３８—２００２中劣Ⅲ类水水质中ＮＨ　一Ｎ标准要求，还是受到东汶河　工、车辆冲洗、厕所冲洗用水全部使用中水。这不仅可以大幅减少东汶　河河水中污水的含量，减少东汶河向云蒙湖ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ污染物输入　营养物质输入的影响。　８造成影响原因与治理措施探讨　８．１造成影响原因　量，还可以提高水资源利用率，为缓解水资源短缺尽一份力。　总之，采取以上措施后，可以从根本上解决云蒙湖湖水中营养物　质，尤其是ＮＨ，一Ｎ浓度居高不下的现状，能够让云蒙湖湖水水质稳定　综上所述，云蒙湖湖水中ＣＯＤ、ＮＨ，一Ｎ浓度已受到东汶河来水水　保持优良水平。不给湖泊的富营养化提供任何滋生条件。确保临沂市　中ＣＯＤ、ＮＨ３一Ｎ的影响。尤其是取水口的ＮＨ３一Ｎ浓度，受到东汶河　１３０万居民喝上优质生活饮用水。同时也推荐各城镇饮用水水源保护　工作中使用本文调查思路与方法，以准确找到主要污染源，查明问题　ＮＨ。一Ｎ输入的影响较大。细纠其原因如下：　８．１．１　设计日处理能力２万吨的蒙阴污水处理厂经常处于超负荷运　所在，针对各自不同的问题，制定相应治理措施。愿为我们人人都能喝　转状态中，而且该污水处理厂没有脱氮除磷工艺。经计算，污水处理厂　污染源等标污染负荷比Ｋ污远大于啤酒厂等标污染负荷比Ｋ啤及漂　上优质饮用水，不再受任何污染威胁做出最大贡献。ｌ　【参考文献】　［１］国家环境保护总局．水和废水监测分析方法［Ｍ】．４版．北京：中国环境科学出　版社．１９９７．　［２］苏永慧，刘光明．多条回归曲线合并的简单方法探讨ｆＪ１．内蒙古环境保护，　１９９８【ｏ１）．　染厂Ｋ漂，即污水处理厂所排出的ＣＯＤ、ＮＨ。一Ｎ是东汶河输入云蒙湖　ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ的头号污染源，是７＃断面ＣＯＤ、ＮＨ３一Ｎ浓度明显升高的　最主要原因，是对云蒙湖影响最大的水污染源。　８．１．２　因市政污水管网尚不够完善，环保宣传深度广度还有所欠缺，　居民生活习惯环保意识还有待改善和提高，致使４＃断面所在支流中　ＣＯＤ、ＮＨｒＮ浓度居高不下。　［３］裘松．湖泊富营养化调查和监测的若干问题叨．环境污染治理技术与设备．　１９８１（０５）．　随着经济的快速发展．各类垃圾产生量也迅速增加，特别是生活　［４］程育芝后阳市南湖水环境及其综合治理对策研究【Ｄ］．湖南大学，２００１．　垃圾中的ＣＯＤ、ＮＨ，一Ｎ含量大幅度提高。在这种新形式下，提高环境　［５］李梅．城市污水再生回用系统分析及模拟预测［Ｄ］．西安建筑科技大学，２００３　意识，改变旧有不良生活习惯，也是ＣＯＤ、ＮＨ。一Ｎ产生量的很重要的　个方面。比如向河道倾倒垃圾、废水．向河道中乱扔果皮、奶盒、饮料　瓶等等这些居民生活中看似很平常的日常锁事，却已成为向东汶河、　一（１）．　云蒙湖输入ＣＯＤ、ＮＨ　一Ｎ污染物的重要污染来源之一。　作者简介：苏永慧（１９７Ｏ一），女，高级工程师，毕业于同济大学环境工程专　业。现为中国海洋大学海洋生命学院生物工程专业在职硕士，现工作单位为山　东省临沂市环境保护科学研究所。　８．１．３啤酒厂、漂染厂所排废水中ＣＯＤ、ＮＨ，一Ｎ浓度都很高，尤其是　春夏季。因为啤酒厂冬天为生产淡季，春天开始恢复大规模生产，为即　将到来的夏天做准备。虽然该二厂距云蒙湖相对较远，可以借助河水　［责任编辑：王爽］　鲁周迅，陆建华．基于方向场和频率场的指纹图像增强改进算法册．计算　（上接第２２页）纹理结构，同时基本消除了纹线粘连，裂纹和孔洞。为　［５］黄毅，机工程与设计，２００９。３０（７）：１６９４—１６９６．　后期处理提供了较高质量的指纹图像。　［６］Ｌｉｍｉｎ　Ｌｉｕ，Ｒｉｄｇｅ　Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｅｓｔｉａｔｍｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖｅｒｉｉｆｃａｔｉｏｎ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　【参考文献】　［１］伍银波．指纹图像增强技术综述叨．计算机安全，２００９，１２：２４—２７．　［２］李吴，傅曦．Ｖｉｓｕａｌ　Ｃ＋＋指纹模式识别系统算法及实现［Ｍ］．人民邮电出版社，　２００８，１２（１）：１　１　１－１　１４．　１３ｊＹｕ８Ｉｌ　Ｍｅｉ，Ｈｕ　ｉａｎｇ　Ｓｕｎ，Ｄｅｓｈｅｎ　Ｘｉａ．Ａ　ｇｒａｄｉｅｎｔ－ｂａｓｅｄ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ册．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００６，１２（１　ｏ】：　１４２６—１４３８．　作者简介：祁亚萍，山东科技大学，讲师，硕士学位。　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｆｎｇｅｒｐｒｉｎｔｓ’ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｉｆｅｌｄ［Ｊ】＿Ｉｍａｇｅ　ａｎｄ　Ｖｉｓｉｏｎ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ，　２００９，２７：１１６９—１１７７．　※基金项目：山东科技大学春蕾计划基金项目。编号２Ｏ０８ＢＷＺＯ３１。　［４］王莹，苏成利．指纹图像增强算法研究［Ｊ】．科学技术与工程，２０１０，１０（１）：９４—９７．　［责任编辑：曹明明］