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利用中心點(diǎn)信息的活體指紋分類(lèi)算法
摘要：一種針對活體指紋采集樣本的分類(lèi)算法。將指紋分為四類(lèi)：弓形、左箕形、右箕形和箕形（Right loop）和斗形（Whorl）。根據公安部的統計，中國人指紋類(lèi)型的分布，弓形和帳弓形分別為1.1%、1.4%。對于實(shí)驗系統，把兩者分離的必要性不大。而且，弓形和帳弓形在結構上很相似，沒(méi)有明顯的特征可以把兩者很好地分開(kāi)。文獻的實(shí)驗表明：不把這兩類(lèi)分開(kāi)，可以在不影響分類(lèi)器效率的情況下，提高正確率。本文采用指紋結構特片分析方法，基于實(shí)用性的考慮，把采集的指紋分為四類(lèi)：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(lèi)在的研究對象主要是油墨指令等滾動(dòng)按捺得到的指紋圖像，一般采用美國中央情報局的SINT4、NIST9、NIST14、NIST24等批文數據庫，這些據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采集的樣本與傳統油墨按捺采集的樣本有很大不同。從目前所能查閱的國內外文獻來(lái)看，針對活體采集樣本的分類(lèi)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是用主流芯片級指紋采集器——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)指紋識別系統中得到了廣泛應用。因此，針對這種樣本數據庫的分類(lèi)算法的研究具有現實(shí)意義和理論意義。
傳統的分類(lèi)算法沿用指紋學(xué)上的分類(lèi)法，把指紋分為五類(lèi)：弓形（Arch）、帳弓形（Tent Arch）、左箕形（Left loop)、右箕形（Right loop)和斗形（Whorl）。
根據公安部的統計，中國人指紋類(lèi)型的分布，弓形和帳弓形分別為1.1%、1.4%。對于實(shí)際系統，把兩者分離的必要性不大。而且，弓形和帳弓形在結構上很相似，沒(méi)有明顯的特征可以把兩者很好地分開(kāi)。文獻的實(shí)驗證表明：不把這兩作業(yè)成績(jì)分開(kāi)，可以在不影響分類(lèi)器效率的情況下，提高正確率。本文采用指紋的結構特征分析方法，基本實(shí)用性的考慮，把采集的指紋分為四類(lèi)：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(lèi)算法
分類(lèi)算法的基本步驟是：
（1）圖像預處理：為使指紋圖像有要同的均值和方差，對原始圖像進(jìn)行歸一化處理，然后根據圖像灰度信息對圖像分割，把背景區分割出來(lái)；
（2）計算方向圖：計算指紋圖像每一點(diǎn)的方法；
（3）提取特征：根據方向圖，找出指紋的奇異點(diǎn)；
（4）分類(lèi)：根據中心點(diǎn)數目和指紋特定區域的流向把指紋分為四類(lèi)。
程序流程圖如圖2。
1.1 圖像預處理
預處理包括歸一化、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，對圖像進(jìn)行分割，利用灰度信息把指紋區和背景區分開(kāi)。
圖3是一幅指紋圖像的分割結果。
1.2 方向圖的計算與平滑
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，在方向為d的直線(xiàn)上，每一邊的點(diǎn)數。G（ik,jk）d表示d方向的直線(xiàn)上所取像素點(diǎn)的灰度值。點(diǎn)的方向碼的計算解釋如下：在某一個(gè)點(diǎn)較小的范圍內，紋線(xiàn)上的點(diǎn)的灰度值相關(guān)不大，而紋線(xiàn)上與非紋線(xiàn)的點(diǎn)的灰度值相差較大。因此沿著(zhù)紋線(xiàn)計算的差的絕對值之和較小，而沿著(zhù)其他方向計算出的差的絕對值之和則較大。
為了保證方向的抗干擾能力，可在塊劃分不變的情況下，適當擴展方向碼的統計區域。塊的劃分尺寸為8×8，而統計該區域的方向碼時(shí)，則按照12×12的擴展區域。統計每一小塊對應區域中每一個(gè)方向碼的像素點(diǎn)數，像素點(diǎn)數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算誤差，對方向圖進(jìn)行平滑。平滑方式采用3×3均值濾波器實(shí)現平滑濾波。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(lèi)前，先將指紋的特片點(diǎn)找出來(lái)。對指紋分類(lèi)有用的是指紋的奇異點(diǎn)：中心點(diǎn)（core）和三角點(diǎn)（delta）。文獻中介紹了判
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