基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法。首先采用MRLT方法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的頂帽變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的擊中與擊不中變換，獲取細(xì)化后的手指靜脈紋路；然后定位靜脈紋路斷裂的初始位置，并按照靜脈紋路的走向確定候選的目標(biāo)點(diǎn)集合；接著提出灰度近鄰準(zhǔn)則，從候選目標(biāo)點(diǎn)集合中選擇可疑的目標(biāo)點(diǎn)；最后提出類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則和邊界約束條件，判別可疑目標(biāo)點(diǎn)是否為丟失的目標(biāo)點(diǎn)，并迭代搜索丟失的目標(biāo)點(diǎn)，修復(fù)斷裂的靜脈紋路。本方法可以有效修復(fù)部分?jǐn)嗔训氖种胳o脈紋路，并最終提高手指靜脈識(shí)別性能。
【專利說明】基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明主要涉及一種基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法，屬于安防生物特征識(shí)別【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]手指靜脈識(shí)別技術(shù)是當(dāng)前生物特征識(shí)別領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其主要優(yōu)勢在于靜脈藏匿于手指內(nèi)部，不易被偽造和竊取，安全可靠。點(diǎn)模式匹配方法是手指靜脈識(shí)別領(lǐng)域的常用方法之一，此類方法基于細(xì)化后的手指靜脈紋路圖像提取特征進(jìn)行匹配。
[0003]手指靜脈的成像機(jī)理導(dǎo)致采集到的手指靜脈圖像質(zhì)量較低，這給清晰、完整的靜脈紋路的獲取帶來很大困難。為了獲取清晰完整的靜脈紋路，近些年提出許多有意義的算法。其中，N.Miura等人提出的重復(fù)線跟蹤(RLT, Repeated Line Tracking)算法性能最好，Liu等人又提出了一種改進(jìn)的重復(fù)線跟蹤(MRLT, Modified Repeated Line Tracking)算法，克服RLT算法在魯棒性和效率方面的不足。盡管現(xiàn)有的技術(shù)可以提取清晰的靜脈紋路，然而，靜脈紋路個(gè)別分支斷裂的現(xiàn)象仍然普遍存在，這對(duì)手指靜脈紋路特征的提取和匹配產(chǎn)生不利影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)斷裂紋路的修復(fù)問題，本發(fā)明提出一種基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法。
[0005]該方法首先采用MRLT方法進(jìn)行圖像分割、采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的頂帽變換進(jìn)行圖像濾波、采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的擊中與擊不中變換進(jìn)行圖像細(xì)化，獲取細(xì)化后的手指靜脈紋路；然后定位靜脈紋路斷裂的初始位置，并按照靜脈紋路的走向確定候選的目標(biāo)點(diǎn)集合；接著提出灰度近鄰準(zhǔn)則，從候選目標(biāo)點(diǎn)集合中選擇可疑的目標(biāo)點(diǎn)；最后提出類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則和邊界約束條件，判別可疑目標(biāo)點(diǎn)是否為丟失的目標(biāo)點(diǎn)，并迭代搜索丟失的目標(biāo)點(diǎn)，修復(fù)斷裂的靜脈紋路。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
1、手指靜脈紋路提取
手指靜脈紋路提取包括圖像分割、圖像濾波和圖像細(xì)化三個(gè)步驟，具體描述如下:
1.1圖像分割
本發(fā)明采用LiU等人提出的MRLT方法對(duì)低質(zhì)量手指靜脈圖像進(jìn)行分割，圖2為圖1中手指靜脈圖像的分割效果。
[0007]1.2圖像濾波
分割后的手指靜脈圖像難免存在毛刺和噪聲，這里采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法濾除部分噪聲和毛刺?？紤]到低質(zhì)量手指靜脈圖像分割后噪聲、毛刺較多，這里先采用開運(yùn)算消除噪聲和毛刺，然后再采用閉運(yùn)算修復(fù)斷裂靜脈，并保持靜脈管徑大小基本不變，避免給后續(xù)手指靜脈平均寬度的估計(jì)帶來誤差。為了盡可能保持靜脈管徑大小、靜脈連接關(guān)系等屬性基本不變，濾波器窗口尺寸設(shè)為3X3，避免過度濾波而破壞靜脈結(jié)構(gòu)。這里，先進(jìn)行開運(yùn)算再進(jìn)行閉運(yùn)算的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)方法也稱為頂帽變換。
[0008]濾波后的圖像如圖3所示。
[0009]1.3圖像細(xì)化
圖像細(xì)化采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的擊中與擊不中變換進(jìn)行，并保證細(xì)化圖像中各目標(biāo)像素是?鄰接的，以便在保證目標(biāo)連通性的同時(shí)去除冗余的目標(biāo)點(diǎn)。假設(shè)P為目標(biāo)像素點(diǎn)，與之《相鄰的目標(biāo)像素點(diǎn)7必須滿足如下條件之一:
1、^在/7的4鄰域內(nèi)；
I1、7在/7的對(duì)角鄰域內(nèi)，且^與/7的4鄰域點(diǎn)的交集中不存在目標(biāo)像素點(diǎn)。
[0010]細(xì)化后的圖像如圖4所示。
[0011]2、手指靜脈紋路修復(fù)
2.1初始條件
MRLT方法提取的靜脈紋路細(xì)節(jié)豐富，基本不會(huì)出現(xiàn)某條靜脈紋路上所有目標(biāo)點(diǎn)都未被提取出來的現(xiàn)象。此時(shí)，靜脈紋路斷裂一般出現(xiàn)在靜脈紋路的各個(gè)端點(diǎn)處。
[0012]端點(diǎn):靜脈紋路上的目標(biāo)點(diǎn)，且其八鄰域中有且僅有I個(gè)目標(biāo)點(diǎn)與其相鄰。
[0013]因此，本發(fā)明只針對(duì)端點(diǎn)處發(fā)生的紋路斷裂現(xiàn)象進(jìn)行修復(fù)。初始條件為:斷裂紋路修復(fù)的起點(diǎn)為靜脈紋路上 的端點(diǎn)。
[0014]2.2紋路修復(fù)
紋路修復(fù)的過程實(shí)質(zhì)上是搜尋丟失的靜脈目標(biāo)點(diǎn)的過程。為了描述方便，記原始靜脈圖像為OIMG (Original Image),細(xì)化后的靜脈圖像為TIMG (Thinning Image)。這里，以靜脈紋路上某一端點(diǎn)弋為例，介紹以弋為起點(diǎn)的那條斷裂紋路的修復(fù)過程，其他端點(diǎn)的斷裂紋路修復(fù)過程與之相似，不再贅述。
[0015](I)候選點(diǎn)集合
在HMG上，由于目標(biāo)點(diǎn)之間滿足?鄰接性質(zhì)，這樣與端點(diǎn)Λ相鄰的目標(biāo)點(diǎn)只有一個(gè)，記為Λ。
[0016]為修復(fù)以Λ為起點(diǎn)的那條斷裂紋路，首先定位與Λ相鄰的可疑目標(biāo)點(diǎn)集合。由于被選中的目標(biāo)點(diǎn)仍需滿足?鄰接性質(zhì)，因此，與弋相鄰的候選目標(biāo)點(diǎn)集合只有8種空間分布，如圖6所示。其中，候選點(diǎn)集合記為爐見，Q2, %}，該集合由Λ與Λ的方向唯一確定。
[0017](2)灰度近鄰準(zhǔn)則
按照靜脈細(xì)化的思路，候選點(diǎn)集合中最多只有一個(gè)可能是目標(biāo)點(diǎn)。這里依據(jù)丟失的目標(biāo)點(diǎn)與當(dāng)前已知目標(biāo)點(diǎn)最相似的原則，制定灰度近鄰準(zhǔn)則，具體上，在3個(gè)候選目標(biāo)點(diǎn)中，按照0、％、％的順序，選取一個(gè)與當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)灰度最接近的點(diǎn)作為可疑目標(biāo)點(diǎn)，記為仏。
[0018](3)類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則
手指靜脈圖像采集過程中，手指局部受壓或者靜脈藏匿深度太深都可能導(dǎo)致采集圖像中靜脈紋路存在實(shí)質(zhì)性的斷裂，而這種斷裂是無法修復(fù)的。因此，可疑目標(biāo)點(diǎn)Qm并不一定是真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)。這里，設(shè)計(jì)類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則，用于判斷仏是否為真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)。
[0019]由于手指靜脈低質(zhì)量圖像亮度不均勻，不同位置的各條靜脈分支之間的類內(nèi)方差還存在一定差異。因此，只在弋所在的靜脈分支上計(jì)算類內(nèi)方差上限。記Λ所在靜脈分支上目標(biāo)點(diǎn)集合為Z7=IZii U=l，2,...，/?} ,η為靜脈分支上目標(biāo)點(diǎn)總數(shù)。P1所在靜脈分支未修復(fù)之前的類內(nèi)方差為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法，其特征在于，首先采用MRLT方法、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的頂帽變換、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的擊中與擊不中變換，獲取細(xì)化后的手指靜脈紋路；然后定位靜脈紋路斷裂的初始位置，并按照靜脈紋路的走向確定候選的目標(biāo)點(diǎn)集合；接著提出灰度近鄰準(zhǔn)則，從候選目標(biāo)點(diǎn)集合中選擇可疑的目標(biāo)點(diǎn)；最后提出類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則和邊界約束條件，判別可疑目標(biāo)點(diǎn)是否為丟失的目標(biāo)點(diǎn)，并迭代搜索丟失的目標(biāo)點(diǎn)，修復(fù)斷裂的靜脈紋路； 具體步驟包括: A、手指靜脈紋路提取 A.1圖像分割 采用MRLT方法對(duì)低質(zhì)量手指靜脈圖像進(jìn)行分割； A.2圖像濾波 數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的頂帽變換濾除部分噪聲和毛刺，具體是首先采用開運(yùn)算消除噪聲和毛刺，然后再采用閉運(yùn)算修復(fù)斷裂靜脈，并保持靜脈管徑大小基本不變，避免給后續(xù)手指靜脈平均寬度的估計(jì)帶來誤差； A.3圖像細(xì)化 采用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的擊中與擊不中變換進(jìn)行，并保證細(xì)化圖像中各目標(biāo)像素是《鄰接的； B、手指靜脈紋路修復(fù)` B.1初始條件 斷裂紋路修復(fù)的起點(diǎn)為靜脈紋路上的`端點(diǎn)； B.2紋路修復(fù) 記原始靜脈圖像為OMG，細(xì)化后的靜脈圖像為HMG，以靜脈紋路上某一端點(diǎn)Λ為例，以弋為起點(diǎn)的那條斷裂紋路的修復(fù)過程，其他端點(diǎn)的斷裂紋路修復(fù)過程與之相似； (1)候選點(diǎn)集合 在TIMG上，與端點(diǎn)P1相鄰的目標(biāo)點(diǎn)只有一個(gè)，記為P2 ； 由Λ與Λ的方向唯一確定候選點(diǎn)集合記為爐泌，^2, Q,)； (2)灰度近鄰準(zhǔn)則 在3個(gè)候選目標(biāo)點(diǎn)中，按照仏為為的順序，選取一個(gè)與當(dāng)前目標(biāo)點(diǎn)灰度最接近的點(diǎn)作為可疑目標(biāo)點(diǎn)，記為仏； (3)類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則 采用類內(nèi)方差上限一致準(zhǔn)則，用于判斷仏是否為真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)； 在Λ所在的靜脈分支上計(jì)算類內(nèi)方差上限，記Λ所在靜脈分支上目標(biāo)點(diǎn)集合為P={Pj\i=l, 2，...，/?}, η為靜脈分支上目標(biāo)點(diǎn)總數(shù)，P1所在靜脈分支未修復(fù)之前的類內(nèi)方差為:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法，其特征在于，所述圖像濾波中，為了保持靜脈管徑大小、靜脈連接關(guān)系屬性不變，濾波器窗口尺寸設(shè)為3X3。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法，其特征在于，所述圖像細(xì)化步驟，假設(shè)/7為目標(biāo)像素點(diǎn)，與之相鄰的目標(biāo)像素點(diǎn)q滿足如下條件之一: 1、^在/7的4鄰域內(nèi)； I1、7在/7的對(duì)角鄰域內(nèi)，且^與/7的4鄰域點(diǎn)的交集中不存在目標(biāo)像素點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法，其特征在于，所述獲取候選點(diǎn)集合時(shí)，被選中的目標(biāo)點(diǎn)需滿足《鄰接性質(zhì)，因此，與Λ相鄰的候選目標(biāo)點(diǎn)集合只有8種空間分布，由Λ與Z72的方向唯一確定。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于灰度近鄰和方差約束的手指靜脈紋路修復(fù)方法，其特征在于，以Λ為起點(diǎn)的那條斷裂紋路的修復(fù)流程具體為: Stepl:在HMG上，定位一個(gè)端點(diǎn)P1 ； St印2:在OMG上，計(jì)算Λ所在靜脈分支未修復(fù)之前的類內(nèi)方差」； St印3:在HMG上，定位與端點(diǎn)P1相鄰的唯一目標(biāo)點(diǎn)P2 ； St印4:由Λ、Λ唯一確定候選點(diǎn)集合爐見，Q2, Q,)； Step5:在OMG上，按照仏、込、％的順序，選取與Λ灰度最接近的可疑目標(biāo)點(diǎn)仏； St印6:在OMG上，計(jì)算Qm所在靜脈分支的類內(nèi)方差」m ； Step7:如果,而且仏不是TIMG的邊界點(diǎn)或者目標(biāo)點(diǎn)，則將仏判定為真實(shí)目標(biāo)點(diǎn)，并令Λ=Λ、Λ=仏，轉(zhuǎn)至St印4，繼續(xù)修復(fù)Λ所在靜脈分支的斷裂紋路；否則，判定Λ所在靜脈分支的斷裂紋路修復(fù)完畢；重新定位下一個(gè)端點(diǎn)Λ，繼續(xù)修復(fù)斷裂的靜脈紋路，直至所有端點(diǎn)所在靜脈紋路都已被修復(fù)。
【文檔編號(hào)】G06K9/20GK103778423SQ201310599385
【公開日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2013年11月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月25日
【發(fā)明者】謝劍斌, 劉通, 閆瑋, 李沛秦, 王浩宇, 陸海, 周鵬宇 申請(qǐng)人:中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 北京國創(chuàng)科視科技有限公司