一種三維指紋特征提取方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于指紋識(shí)別【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種三維指紋特征提取方法，目的在于不需要將三維指紋轉(zhuǎn)換為二維指紋，避免了復(fù)雜的計(jì)算量和三維轉(zhuǎn)換成二維造成的誤差，能夠快速、準(zhǔn)確的完成對三維指紋的特征提取，所采用的技術(shù)方案為：首先對三維指紋進(jìn)行特征粗提取，提取三維指紋表面的最大高度值，作為三維指紋特征的一個(gè)特征點(diǎn)；其次，提取三維指紋的外輪廓形狀作為三維指紋的第二個(gè)特征點(diǎn)；對三維指紋特征粗提取后，根據(jù)系數(shù)k判斷是否需要進(jìn)一步對三維指紋特征細(xì)提??；對三維指紋特征細(xì)提取是提取三維指紋脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)，把它們的位置作為三維指紋的特征點(diǎn)。
【專利說明】一種三維指紋特征提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于指紋識(shí)別【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種三維指紋特征提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的不斷進(jìn)步，個(gè)人信息安全問題得到人們的重視，因此對這方面也提出了越來越高的要求。身份識(shí)別是個(gè)人信息安全問題的一個(gè)重要部分，許多公共場所需要利用可靠的身份識(shí)別技術(shù)來維持它的穩(wěn)定。傳統(tǒng)的個(gè)人身份認(rèn)證有兩種方式:一種是通過對用戶所擁有的各種物品如鑰匙、證件等進(jìn)行認(rèn)證；另一種是對用戶所擁有的某種知識(shí)如密碼、卡號(hào)等進(jìn)行認(rèn)證。這些身份識(shí)別系統(tǒng)均是對鑰匙、卡、密碼等“身外之物”進(jìn)行認(rèn)證，由于它們存在容易丟失，易被破解等缺點(diǎn)，導(dǎo)致可靠性降低已不能完全滿足現(xiàn)代社會(huì)安全防范的需要，因此人們需要更為可靠的身份識(shí)別方法來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的身份識(shí)別方法。相對于傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法，生物特征識(shí)別技術(shù)更加安全、不容易丟失、不易復(fù)制破解，除此之外生物特征具有普遍性、唯一性、永久性、特征穩(wěn)定等特性，這些使其成為一種更加安全可靠的識(shí)別方式。目前生物特征識(shí)別主要包括:人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、手背靜脈識(shí)別、簽名識(shí)別等。這些生物特征都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，但是指紋是最為應(yīng)用成熟的識(shí)別技術(shù)，也是最早被用來識(shí)別身份的生物特征。
[0003]然而，傳統(tǒng)的指紋識(shí)別技術(shù)是獲取二維指紋圖像并對其進(jìn)行處理和識(shí)別，盡管二維指紋識(shí)別身份被證明是一種高效準(zhǔn)確的識(shí)別方法，但還存在一些固有的缺點(diǎn)。如受光照影響嚴(yán)重；采集時(shí)的人為因素如手指污潰、傷痕、干燥、潮濕等均會(huì)影響識(shí)別精度；存在被復(fù)制的風(fēng)險(xiǎn)。為了解決傳統(tǒng)二維指紋出現(xiàn)的問題，三維指紋識(shí)別得到人們的重視和研究。在 申請人:檢索的范圍內(nèi)，基于三維指紋特征提取相關(guān)的文獻(xiàn)信息如下:
[0004]美國肯塔基大學(xué)的研究人員研制出一種新型的非接觸式三維指紋識(shí)別系統(tǒng)Flashscan3D，不論是在現(xiàn)場還是在警察局內(nèi)，可以更快更容易地發(fā)現(xiàn)犯罪嫌疑人。它的工作過程被稱作結(jié)構(gòu)光條紋照明(SLI)。將一系列光條紋投射在手指上，在這些條紋繞著手指掃描時(shí)，一臺(tái)140萬像素的相機(jī)自動(dòng)拍攝它們的圖像，然后通過分析每個(gè)條紋升降的方式，系統(tǒng)軟件在不到一秒的時(shí)間里構(gòu)造出手指表面的三維模型，然后將三維指紋再轉(zhuǎn)換為二維指紋，再提取二維指紋的特征點(diǎn)，最終達(dá)到識(shí)別的目的。
[0005]Sara Shafaei, Tamer Inane, Laurence G.Hassebrook在“一種三維指紋展開為二維相應(yīng)指紋的新方法”(A New Approach to Unwrap a3_D Fingerprint to a2_D RolledEquivalent Fingerprint) 一文中提出了一種“基于三維表面曲率分析法展開三維指紋”的方法，他們運(yùn)用“彈簧算法”將平滑的三維指紋表面轉(zhuǎn)化成二維指紋，然后再對轉(zhuǎn)換的二維指紋圖像進(jìn)行處理和特征提取。
[0006]劉日晨，劉怡光，尹鑫，趙亦明在“基于單幅圖像的三維信息提取”一文中提出了借用標(biāo)定攝像機(jī)得到攝像機(jī)從三維到二維的成像矩陣的方法，并計(jì)算的偽逆矩陣該方法的本質(zhì)是通過最小二乘法求解矛盾方程組，利用提取二維單幅圖像中的三維信息，再把這些三維信息投影到一個(gè)平面上顯示出來。偽逆法計(jì)算得到的共面物體的三維坐標(biāo)只可大致的反應(yīng)三維物體的信息，因?yàn)樵趥文娣ㄇ蠼獾倪^程中引入了誤差，對于不滿足約束條件的物體提取三維信息誤差很大，因此只能進(jìn)行定性的分析。
[0007]通過以上相關(guān)文獻(xiàn)信息可以看出:現(xiàn)有的三維指紋特征提取方法大部分將三維指紋轉(zhuǎn)換成二維指紋，然后對二維指紋圖像處理再提取指紋的特征點(diǎn)。首先，三維轉(zhuǎn)換為二維計(jì)算量大，過程處理時(shí)間較長；其次，將三維轉(zhuǎn)換為二維相應(yīng)的指紋圖像會(huì)存在一定的誤差，影響三維指紋的識(shí)別精度。因此，如何快速、準(zhǔn)確、全面的直接提取三維指紋的特征點(diǎn)是一個(gè)急需研究的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明提出一種無需將三維指紋轉(zhuǎn)換為二維指紋，能夠避免復(fù)雜的計(jì)算量和三維轉(zhuǎn)換成二維造成的誤差，且能夠快速、準(zhǔn)確的完成對三維指紋特征提取的三維指紋特征提取方法。
[0009]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:包括以下步驟:
[0010]1)將二維指紋重建成三維指紋，根據(jù)重建好的三維指紋，對三維指紋進(jìn)行特征粗提取，首先得到一系列的三維指紋表面的高度值，提取三維指紋表面的最大高度值作為待測樣品三維指紋特征的第一個(gè)特征點(diǎn)；利用一系列平行平面去切割重建的三維指紋，得到一系列三維指紋等位面的輪廓線，從最底層等位面的質(zhì)心出發(fā)向四周做若干條射線，這些射線與每一個(gè)等位面均有相交點(diǎn)，提取質(zhì)心到相交點(diǎn)的距離，作為反映待測樣品三維指紋外輪廓形狀特征的特征值，以此作為待測樣品三維指紋的第二個(gè)特征點(diǎn)；
[0011]2)根據(jù)步驟I)得到的待測樣品三維指紋外輪廓形狀特征的特征值，求出與對比模板外輪廓形狀特征的特征距離，然后將待測樣品與對比模板各樣品外輪廓形狀特征的特征距離從大到小排序后，選擇首個(gè)兩兩差值大于I的兩個(gè)特征距離中的其一作為給定閾值，將待測樣品與對比模板各樣品外輪廓形狀特征的特征距離與給定閾值比較，統(tǒng)計(jì)特征距離小于給定閾值的次數(shù)，并用系數(shù)k來記錄，k的初始值等于0，將特征距離與給定閾值比較一次，小于閾值的話，k就自加1，最終系數(shù)k等于1，則說明待測樣品可以被唯一識(shí)別，第一個(gè)特征點(diǎn)和第二個(gè)特征點(diǎn)就作為待測樣品三維指紋特征，完成三維指紋特征的提??；最終系數(shù)k大于1，則說明樣品中有相似的，用粗特征值不能區(qū)分，運(yùn)行步驟3)提取細(xì)節(jié)特征；
[0012]3)首先采集待測樣品的二維指紋圖像并進(jìn)行預(yù)處理，然后提取二維指紋圖像脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)的坐標(biāo)，對應(yīng)到三維指紋中相同橫縱坐標(biāo)的點(diǎn)，作為步驟I)重建的三維指紋脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)的X軸和Y軸坐標(biāo)值，根據(jù)步驟I)得到三維指紋表面的高度值，即為Z軸坐標(biāo)值，因此可以提取三維指紋脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)的位置特征，完成對三維指紋細(xì)節(jié)特征的提取，從而實(shí)現(xiàn)直接提取三維指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。
[0013]所述的步驟I)中對二維指紋重建得到三維指紋采用傅里葉變換輪廓術(shù)法，具體是將光條紋投射在參考平面上得到光柵條紋，再將光條紋投射放在參考平面的手指紋上，受手指紋高度的調(diào)制得到變形光條紋，再將變形光柵與參考平面光柵條紋作比較，求出它們的相位差Δ φ (X，y)。
[0014]所述的步驟1)中傅里葉變換輪廓術(shù)法是根據(jù)公式Kx'y) = AJ^yl^^fd，得到三維指紋表面的高度信息h (X，y)，其中Itl是CCD相機(jī)中心到參考平面的距離，d是CCD相機(jī)到投影儀的距離，f0是參考平面上投影光柵的波長。
[0015]所述的步驟I)中提取三維指紋的外輪廓形狀特征，用一系列平行平面去切割三維指紋，得到一系列三維指紋等位面的輪廓線，計(jì)算出最底層等位面的質(zhì)心，把它記作0，從O點(diǎn)出發(fā)向四周做M條射線，這些射線的角度是均勻分布的，與每一個(gè)等位面相交于// i=I, 2，…N, j = I, 2，…Μ,提取O到p/的距離作為反映三維指紋外輪廓形狀的特征。
[0016]所述的三維指紋外輪廓形狀的特征是一個(gè)長度為N*M的一組向量R:
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種三維指紋特征提取方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)將待測樣品的二維指紋重建得到三維指紋，根據(jù)重建好的三維指紋，對三維指紋進(jìn)行特征粗提取，首先得到一系列三維指紋表面的高度值，提取三維指紋表面的最大高度值作為待測樣品三維指紋特征的第一個(gè)特征點(diǎn)；利用一系列平行平面去切割重建的三維指紋，得到一系列三維指紋等位面的輪廓線，從最底層等位面的質(zhì)心出發(fā)向四周做若干條射線，這些射線與每一個(gè)等位面均有相交點(diǎn)，提取質(zhì)心到相交點(diǎn)的距離，作為反映待測樣品三維指紋外輪廓形狀特征的特征值，作為待測樣品三維指紋的第二個(gè)特征點(diǎn)； 2)根據(jù)步驟I)得到的待測樣品三維指紋外輪廓形狀特征的特征值，求出與對比模板外輪廓形狀特征的特征距離，然后將待測樣品與對比模板各樣品外輪廓形狀特征的特征距離從大到小排序后，選擇首個(gè)兩兩差值大于I的兩個(gè)特征距離中的其一作為給定閾值，將待測樣品與對比模板各樣品外輪廓形狀特征的特征距離與給定閾值比較，統(tǒng)計(jì)特征距離小于給定閾值的次數(shù)，并用系數(shù)k來記錄，k的初始值等于O，將特征距離與給定閾值比較一次，小于閾值的話，k就自加1，最終系數(shù)k等于1，則說明待測樣品可以被唯一識(shí)別，第一個(gè)特征點(diǎn)和第二個(gè)特征點(diǎn)就作為待測樣品三維指紋特征，完成三維指紋特征的提??；最終系數(shù)k大于1，則說明樣品中有相似的，用粗特征值不能區(qū)分，運(yùn)行步驟3)提取細(xì)節(jié)特征； 3)首先采集待測樣品對應(yīng)的二維指紋圖像并進(jìn)行預(yù)處理，然后提取二維指紋圖像脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)的坐標(biāo)，對應(yīng)到三維指紋中相同橫縱坐標(biāo)的點(diǎn)，作為步驟I)重建的三維指紋脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)的X軸和Y軸坐標(biāo)值，根據(jù)步驟I)得到三維指紋表面的高度值，即為Z軸坐標(biāo)值，因此可以提取三維指紋脊線的終點(diǎn)和分叉點(diǎn)的位置特征，完成對三維指紋細(xì)節(jié)特征的提取，從而實(shí)現(xiàn)直接提取三維指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的步驟I)中將二維指紋重建成三維指紋采用傅里葉變換輪廓術(shù)法，具體是將光條紋投射在參考平面上得到光柵條紋，再將光條紋投射放在參考平面的手指紋上，受手指紋高度的調(diào)制得到變形光條紋，再將變形光柵與參考平面光柵條紋作比較，求出它們的相位差△ Φ (x，y)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的步驟I)中，傅里葉變換輪廓術(shù)法是根據(jù)公式h(x,y)=l0Δφ(x,y)/Δφ(x,y)-2πf0d ，得到三維指紋表面的高度信息h(x, y)，其中Itl是CCD相機(jī)中心到參考平面的距離，d是CCD相機(jī)到投影儀的距離，f0是參考平面上投影光柵的波長。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的步驟I)中提取三維指紋的外輪廓形狀特征，用一系列平行平面去切割三維指紋，得到一系列三維指紋等位面的輪廓線，計(jì)算出最底層等位面的質(zhì)心，把它記作O，從O點(diǎn)出發(fā)向四周做M條射線，這些射線的角度是均勻分布的，與每一個(gè)等位面相交于pji，i = 1，2，…N，j = 1, 2，…M，提取O到P的距離作為反映三維指紋外輪廓形狀特征的特征值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的三維指紋外輪廓形狀的特征是一個(gè)長度為N*M的一組向量R:
R= { |OP11|,...,|OP1M|,|OP12|,...,|OP2M|,...,|OPMN|}。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的步驟2)中求待測樣品與對比模板外輪廓形狀特征的特征距離，即計(jì)算待測樣品與建立的指紋樣品庫中各樣品外輪廓形狀特征的特征距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的步驟2)中外輪廓形狀特征的特征值是用射線長度表征的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維指紋特征提取方法，其特征在于:所述的步驟3)中對待測樣品的二維指紋圖像的預(yù)處理包括二維指紋圖像的分割、濾波、圖像二值化和細(xì)化。
【文檔編號(hào)】G06K9/36GK103927542SQ201410171965
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月25日
【發(fā)明者】呂岑, 朱歡敏 申請人:陜西科技大學(xué)