基于點模式的指紋匹配

徐建國

在采集手指指紋信息時，因為按壓的力度、方向、位置不一樣，都會導致指紋圖像出現非線性形變、平移和旋轉，導致相同指紋的圖像仍然不盡相同。在指紋識別算法中，怎樣準確識別這類圖像，是問題的難點和重點。

以校準點為基準的特征點匹配算法可靠性高，原理簡單，專家學者開展了大量研究。在指紋匹配算法中也可以使用這一算法：

1.校準特征點集：對模板特征點和輸入特征點進行匹配和定位，對二者的平移和旋轉參數進行計算，校準平移和旋轉參數以后，在點集中保存。

2.點匹配：對特征點集進行校準，然后轉化到極坐標系內，通過相應的點匹配算法進行匹配（用于減小誤差或形變帶來的干擾）。

描述指紋特征點的參數

指紋節點的特點主要包括以下三類：1.位置，可以利用（x，y）坐標表示不同節點的位置，能采用絕對坐標或相對坐標。2.方向，節點與某一個方向一致。3.曲率，反映了指紋線路改變程度。在匹配指紋時，方向和位置這兩個特征點使用較為廣泛。計算指紋曲率要跟蹤指紋線路，計算難度相對較大。

坐標系的選取

利用點匹配理論，能夠對兩幅圖像進行匹配。采用伸縮、平移、旋轉等方式，將指紋圖像加入到模板之中。根據圖像校準點進行的匹配散發，要先對待測和實際指紋間的對應關系進行計算，并對比二者的特征。圖像校準就是指確定二者變換關系。出現非線性形變的指紋圖像，圖片的某個區域會出現放射性的擴張。所以，利用極坐標反應非線性形變更為合適。與此同時，極坐標不必對圖像平移進行分析，模板和待測指紋圖像之間的平移參數是相同的。利用極坐標，能夠抵消掉存在平移的兩個對應點。因此，相對于指標坐標系，對圖像旋轉進行處理更適宜采用極坐標系。所以，本文重點介紹基于極坐標系的節點匹配技術。

參考點的定位

要準確定位參考點的位置，以保證特征點的平移和旋轉不變性。在指紋識別中，確定指紋圖像參考點的位置是極為關鍵的技術。分級中心搜索法、點方向一致性度量法、PoinCare索引法等都能用于定位參考點。上述算法以圖像局部特征為基準進行。此外，有學者指出，可以通過細化圖對參考點進行跟蹤。然而，該算法難度較大。如果圖像中存在大量噪聲，會導致頂點確實，就不能準確尋找到中心點，也不能完成匹配。

本文對指紋圖像進行預處理后，提取出脊線信息，定位參考點的位置。通過預處理，能夠有效減小圖像噪聲，提高定位的準確度。通過前期準備，還能減少計算時間，提高效率。等間距采樣脊線，就能夠提取出脊線信息，將脊線平均距離作為抽樣間隔更為適宜。各指紋圖像里都包含大量特征點，離散采樣各特征點所在的脊線，會增加算法的復雜度，增加計算量，對于數據存儲量也有更高的要求。為了便于應用，相較于端點而言，分叉點具有采樣結構可靠性更高。因此，離散采樣采用分叉點所在脊線。

第一級匹配

大部分參考點都在指紋中，圓心就是參考點，半徑是指紋的長度。能夠在模板和輸入圖像里，得到面積一樣的關注區域。通過設置關注區，能夠減小指紋形變帶來的影響，還能為匹配提供方便。具體匹配流程如下：將關注區的半徑設置為96；對關注區內分叉點和端點進行搜索，并統計個數。Pb、Pe、Qb、Qe分別為模板和輸入圖像內分叉點、端點的個數；對進行計算。如滿足且條件，那么開始下一級匹配，如不滿足該條件，表示二者不匹配。

第二級匹配

完成一級匹配后，開始第二級匹配。假設具有絕對精準匹配的兩個點模式集，則所有對應點都是相互重合的。在該條件下，匹配點的過程就轉換換位統計重合點數量。但是，該情況并不會發生。首先，在檢測和定位細節點時，會存在一定的誤差，無法保證校準結果的絕對精確。其次，校準模型無法解決非線性形變的問題。所以，該算法有相應的容忍度，彈性可調節。

針對彈性匹配算法，首先要對界限盒的概念進行介紹：界限盒是指將盒子放到模板細節點上。A和B分別用來表示界限盒的尺寸。該盒子的極半徑差異為A，該盒子極角的差異為B。本文采用的界限盒大小可調節，即隨著極半徑的變化，A和B也會進行相應的調整。非線性形變的變化沒有規律，在特定范圍內擴張性的增長。如果極半徑不大，發生很小的變化就能導致極角出現很大變化，而極半徑只需進行稍微調整。因此，在該條件下，A通常小于B；如果極半徑較大，極角發生很小的變化就能導致極半徑出現很大變化，而極角只需進行稍微調整。因此，在該條件下，A通常大于B。尺寸可調節的界限盒具有更強的適應能力。因此，其匹配精度更好。

設置好界限盒的尺寸后，按照下列步驟匹配特征點：對細節點進行排序。沿著極角遞增的方向，對兩個模板排序；確定模板節點中所有節點的限界盒；對匹配分數進行初始化；匹配輸入圖像點L和模板圖像點K；對進行計算；如果模板內節點的數量為n，則的結果如下：匹配下一個模板圖像和輸入圖像，重復步驟1，直到匹配完所有模板以后終止。把的最大值以及其對應的模板計算出來。如果符合這一條件，表示匹配成功，否則匹配失敗。其中，用來表示預先設置的閾值范圍。

（作者單位：湖北工業大學）endprint