指紋匹配算法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及基于細節(jié)點的指紋分析。更具體地，本發(fā)明涉及將第一組細節(jié)點與第 二組細節(jié)點進行比較的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 指紋由手指表面上交錯的脊線和谷線組成。典型的脊線寬度在約100ym和 300ym之間，并且典型的脊線峰間間距為約500ym。指紋圖像表示了這些脊線和谷線，其 中，脊線通常用暗線表示，脊線之間的谷線通常用明線表示。示范性的指紋圖像如圖1所 不〇
[0003] 指紋對于每個人來說都是獨一無二的，使得指紋用作身份識別是很理想的。因此， 指紋驗證系統(tǒng)可以通過將捕獲的指紋圖像與預(yù)存的模板指紋圖像進行比較驗證用戶的身 份。雖然每個指紋對于每個人都是獨一無二的，但是指紋具有共同的特征。這些特征分類 如下。
[0004] 指紋的第一級特征包括由脊線形成的環(huán)、螺紋、拱形和三角形。這些特征描述了按 照脊線的整體形狀。第一級特征可能用于區(qū)分開兩個不匹配的指紋，但是沒有給出足夠的 細節(jié)來確認兩個指紋間的匹配。
[0005] 指紋的第二等級特征，或細節(jié)點，為脊線中的不規(guī)則或不連續(xù)。已經(jīng)確定了十八種 不同類型的細節(jié)點。然而，兩種主要的細節(jié)點類型為脊線終端和脊線分叉點，例如，脊線結(jié) 束或一條脊線分為兩條脊線的位置。通過比較第二等級特征，可以確認兩個指紋之間的匹 配。
[0006] 指紋的第三等級特征描述了脊線內(nèi)在細節(jié)。這些特征包括汗毛孔和局部脊線形 狀，如傷疤、疣、皺紋和其他的脊線局部變形。第三等級特征的提取要求高分辨的指紋傳感 器（通常大于800DPI)。
[0007] 以下公開的內(nèi)容涉及基于第二等級特征分析的指紋驗證。
[0008] 指紋驗證是為了接受或拒絕身份請求的目的，將輸入指紋與參考指紋圖像一對一 地比較。在本領(lǐng)域常見的是只存儲指紋模板，從而只比較指紋模板，而不是全部指紋通圖 像。指紋模板是一組從指紋圖像中提取的描述了該指紋圖像的關(guān)鍵特征，如細節(jié)點。
[0009] 從指紋圖像中提取細節(jié)點來形成模板通常要求對灰階指紋圖像進行增強，接著將 其轉(zhuǎn)換為二進制圖像。指紋增強通常包括Gabor濾波，其提高了脊線和谷線間的區(qū)別。通 過設(shè)置全局閾值t，并且將強度大于t的所有像素設(shè)為1，將全部剩余像素設(shè)為0,生成二 進制指紋圖像，從而將指紋圖像二進制化，并接著細化該二進制指紋圖像，使得所有的脊線 的寬度減小為1個像素（具體例子參見，ZhangT.Y.andSuenC.Y."AFastParallel AlgorithmforThinningDigitalPatterns''，CommunicationsoftheACM，v. 27n. 3,第 236-239頁，1984)以生成細化的脊線圖，也稱為紋線骨架。
[0010]當(dāng)獲得了理想的細化的脊線圖，細節(jié)點檢測是一項簡單的任務(wù)。這可以從圖2中 看出，圖2顯示了圖1的指紋圖像的細化的脊線圖，其中，脊線端點和脊線交叉點的細節(jié)點 被突出顯示。那些方塊表示脊線端點，那些圓圈表示脊線交叉點。
[0011] 圖3顯示了圖1中的指紋的細節(jié)點表示。每個細節(jié)點通常存儲為由指紋中的位置、 細節(jié)點類型（例如，脊線端點、脊線交叉點等）和細節(jié)點角度（例如，細節(jié)點相對于參考方 位的方位）定義的數(shù)據(jù)點。
[0012] 指紋驗證可能被看作包括兩個不同的階段：登記和匹配。登記為注冊新的參考指 紋圖像模板的過程，其大致包括掃描指紋并從該掃描中提取指紋模板；匹配為將進一步輸 入的指紋與指紋模板比較的過程，其通常發(fā)生在以后的時間里，以便驗證用戶的身份。
[0013] 在已知的登記方法中，通過指紋傳感器的掃描輸入指紋圖像。在獲得指紋圖像之 后，進行特征提取，例如，上面討論的細節(jié)點提取。特征提取提供了完整描繪指紋的模板。
[0014]US4, 752, 966描述了一種使用刮擦式指紋傳感器登記指紋的現(xiàn)有技術(shù)方法。
[0015] 指紋的匹配涉及采集輸入指紋圖像，并將該輸入指紋圖像與一個或多個參考指紋 圖像進行比較。當(dāng)輸入指紋圖像和參考指紋圖像匹配，并且該匹配有足夠的可靠性保證錯 誤判對的幾率低于某個預(yù)定閾值時，指紋得到驗證。
[0016]US2008/0273770描述了使用細節(jié)點比較將提供的指紋圖像與參考指紋圖像進行 匹配的現(xiàn)有技術(shù)方法。在US2008/0273770中，對于輸入指紋的每個細節(jié)點，"細節(jié)點鄰域" 被認為圍繞中心細節(jié)點，并且定義了圍繞中心細節(jié)點的有限區(qū)域，該有限區(qū)域包括至少一 個第二細節(jié)點。在每個鄰域，細節(jié)點對定義為每對帶有相鄰細節(jié)點的中心細節(jié)點。由一對 中的兩個細節(jié)點間的距離、兩個細節(jié)點的方位的差異、中心細節(jié)點的方位和兩個細節(jié)點的 連線間的角度等若干特征描述每個細節(jié)點對。根據(jù)這些細節(jié)點對特征，可以構(gòu)建細節(jié)點對 指標(biāo)。參考指紋圖像的細節(jié)點對指標(biāo)與提供的指紋的細節(jié)點對指標(biāo)比較來確定指紋是否匹 配。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，本發(fā)明提供了一種將第一組細節(jié)點與第二組細節(jié)點進 行比較的方法，該方法包括：為所述第一組細節(jié)點和所述第二組細節(jié)點中的每個細節(jié)點確 定第一局部鄰域，其中每個第一局部鄰域包括至少一個與各自的細節(jié)點鄰近的細節(jié)點；將 所述第一組細節(jié)點中的所述細節(jié)點的所述第一局部鄰域與在所述第二組細節(jié)點中的所述 細節(jié)點的所述第一局部鄰域進行比較，從而確定同時出現(xiàn)在所述第一組細節(jié)點和所述第二 組細節(jié)點中的匹配細節(jié)點，其中，不是匹配細節(jié)點的每個細節(jié)點為非匹配細節(jié)點；為所述第 一組細節(jié)點和所述第二組細節(jié)點中的每個非匹配細節(jié)點確定第二局部鄰域，其中，每個第 二局部鄰域包括至少一個與各自的非匹配細節(jié)點鄰近的匹配細節(jié)點；以及將在所述第一組 細節(jié)點中的所述非匹配細節(jié)點的所述第二局部鄰域與在所述第二組細節(jié)點中的所述非匹 配細節(jié)點的所述第二局部鄰域進行比較，從而確定同時出現(xiàn)在所述第一組細節(jié)點和所述第 二組細節(jié)點中的進一步的匹配細節(jié)點。
[0018] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，使用局部鄰域?qū)Φ谝缓偷诙M細節(jié)點進行第一次比較， 該局部鄰域包括至少一個所述第一和第二組細節(jié)點的相鄰細節(jié)點。中心細節(jié)點的所述相鄰 細節(jié)點包括在所述相同的組細節(jié)點中的任意一組細節(jié)點，所述相同的組細節(jié)點可以根據(jù)所 述中心細節(jié)點一致選擇。使用局部參考系（使用它們的相鄰細節(jié)點）匹配所述細節(jié)點意味 著所述匹配獨立于在所述第一或第二組中的細節(jié)點的方位和位置。因此，所述第一和第二 組數(shù)據(jù)間的所述比較可以采用簡單的數(shù)學(xué)函數(shù)實現(xiàn)，無需更復(fù)雜的處理，如可能要求直接 比較兩組數(shù)據(jù)點。復(fù)雜處理將要求直接比較兩組數(shù)據(jù)點，因為這些數(shù)據(jù)點將不得不在三維 (x，y，0)中對齊，然而，局部比較允許所述細節(jié)點間的直接比較，無需所述組在整體上對 齊。
[0019] 在匹配的第一步之后，可能會有若干不匹配的點。這是因為所述第一組細節(jié)點和 所述第二組細節(jié)點通常不會完全對應(yīng)，諸如以下原因：當(dāng)輸入指紋或提取細節(jié)點時的錯誤， 意味著沒有提取所有的細節(jié)點，或者不經(jīng)意地掃描到錯誤細節(jié)點；所述組細節(jié)點中的一個 或同時兩個表示部分指紋，意味著完整的指紋的若干細節(jié)點在部分指紋的外部，因此不能 夠被提取。
[0020] 當(dāng)在所述第一組細節(jié)點和所述第二組細節(jié)點中的細節(jié)點不完全對應(yīng)，如果同時出 現(xiàn)在所述第一組細節(jié)點和所述第二組細節(jié)點中的特定的細節(jié)點的相鄰的細節(jié)點沒有同時 出現(xiàn)在所述第一組細節(jié)點和所述第二組細節(jié)點中，那么所述特定的細節(jié)點可能不匹配。
[0021] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，接著使用基于匹配的相鄰特征點的第二局部參考系統(tǒng)對 所述第一組細節(jié)點和第二組細節(jié)點進行后續(xù)比較。細節(jié)點的匹配的相鄰的細節(jié)點同樣包括 任意一組可以根據(jù)所述中心細節(jié)點一致選擇的細節(jié)點，但是，這組細節(jié)點根據(jù)所述第一局 部鄰域在所述匹配的第一步驟中也是匹配的。
[0022] 使用匹配的相鄰的細節(jié)點匹配所述細節(jié)點意味著將只參照同時出現(xiàn)在所述第一 和第二組細節(jié)點中的細節(jié)點定義所述局部參考系。缺失的細節(jié)點或錯誤細節(jié)點不會同時出 現(xiàn)在這兩個組中，因此，它們在所述匹配的第一步驟中不會匹配。因此，即使缺失一些細節(jié) 點，或者出現(xiàn)錯誤細節(jié)點，然而，基于匹配的相鄰的細節(jié)點的局部參考系統(tǒng)的使用不會受到 它們的影響。因此，同時出現(xiàn)在所述第一和第二組細節(jié)點中的最大數(shù)量的細節(jié)點將會匹配。
[0023] 通常，所述第一組細節(jié)點和所述第二組細節(jié)點中的其中一個將與預(yù)先登記用于授 權(quán)的參考模板有關(guān)，而另一個將是根據(jù)指紋傳感器等產(chǎn)生的模板。所述參考模塊可能存儲 在存儲器等中，在某些情況下，也許或可選地存儲預(yù)先確定的所述參考模板的細節(jié)點的第 一局部鄰域。在后一種情況下，根據(jù)參考細節(jié)點確定組細節(jié)點的第一局部鄰域的步驟可能 包括取得存儲的關(guān)于所述第一局部鄰域的信息，而不是在生成在其他組細節(jié)點的第一局部 鄰域的同時生成那些第一局部鄰域。
[0024] 同時，第一方面的方法可以應(yīng)用到由組細節(jié)點表示的任何印記中，本發(fā)明特別應(yīng) 用于指紋。因此，優(yōu)選地，第一組細節(jié)點表示參考指紋圖像，而第二組細節(jié)點表示輸入指紋 圖像。
[0025] 輸入指紋圖像通常為部分指紋圖像，并且因此特別容易缺失在掃描區(qū)域的外圍的 細節(jié)點。本發(fā)明在其中一個組細節(jié)點表示輸入指紋的情況下特別有用，因為它允許靠近掃 描的區(qū)域的外圍的細節(jié)點能夠用局部坐標(biāo)參考系統(tǒng)進行匹配，其有著很高的計算效率。然 而，當(dāng)組細節(jié)點表示完整的印記，該方法還可以應(yīng)用在傳統(tǒng)的細節(jié)點比較中，因為在任意的 印記表示中不可避免地存在錯誤的或缺失的細節(jié)點。
[0026] 所述方法優(yōu)選地包括：從指紋傳感器接收表示所述輸入指紋的所述第一組細節(jié) 點；以及從存儲器接收表示所述第二指紋的所述第二組細節(jié)點。例如，在一種情況下，所述 第二組細節(jié)點表示參考指紋。
[0027] 同時，所述第一方面的方法可能用于提供某種形式的比較指標(biāo)，例如，匹配或匹配 細節(jié)點的數(shù)量或百分比的信賴得分，該方法優(yōu)選地還包括，在確定進一步的匹配細節(jié)點之 后，確定所述第一指紋和所述第二指紋是否是相同的。所求確定可能包括當(dāng)匹配細節(jié)點數(shù) 量超過預(yù)定的細節(jié)點的數(shù)量確定這些印記是匹配的。所述預(yù)定的細節(jié)點數(shù)量可能是在所述 第一和/或第二組細節(jié)點中的細節(jié)點的總數(shù)的預(yù)定百分比。
[0028] 可能利用任何合適的比較算法來確定同時出現(xiàn)在第一和第二細節(jié)組中的匹配細 節(jié)點。優(yōu)選地，所述比較為旋轉(zhuǎn)和平移不變的，以便提高計算效率。這可能通過使用僅關(guān)于 主要的細節(jié)點的位置和方位的相關(guān)距離和角度實現(xiàn)。因此，第一局部鄰域的比較可能基于 以下至少一個的形式的相對關(guān)系：至少一個相鄰的細節(jié)點中的每一個關(guān)于各自的第一局部 鄰域的中心細節(jié)點的相對位置、相對方位和相對細節(jié)點角度。
[0029] 同時，第一局部鄰域間的直接比較是可能的，在任何一個第一局部鄰域中的任何 錯誤的或缺失的細節(jié)點都可以防止第一局部鄰域進行匹配。匹配的更有效的方法包括比較 每個中心細節(jié)點與每個它的相鄰的細節(jié)點之間的關(guān)系，并且當(dāng)在一個第一局部鄰域中的任 何一個關(guān)系與在另一個第一局部鄰域中的任何一個關(guān)系匹配時確定匹配。
[0030] 因此，所述方法優(yōu)選地還包括：對于每個第一局部鄰域，確定所述第一局部鄰域的 中心細節(jié)點與每個所述至少一個相鄰的細節(jié)點之間的相對關(guān)系，其中，比較所述第一局部 鄰域包括將在所述第一組細節(jié)點中的細節(jié)點的第一局部鄰域的每個相對關(guān)系與在所述第 二細節(jié)點中的細節(jié)點的第一局部鄰域的每個相對關(guān)系進行比較，其中，當(dāng)在其中一個組細 節(jié)點中的細節(jié)點的各自的第一局部鄰域的一個相對關(guān)系和在另一個組細節(jié)點中的細節(jié)點 的第一局部鄰域的一個相對關(guān)系的差異低于預(yù)定的閾值，匹配細節(jié)點確定為同時出現(xiàn)在所 述第一和第二組細節(jié)點中。
[0031] 憑借這種方法，第一局部鄰域只需捕獲至少一個同時出現(xiàn)在組細節(jié)點中的細節(jié) 點，就可以進行匹配。
[0032] 匹配細節(jié)點不應(yīng)當(dāng)包括任何錯誤細節(jié)點，或與缺失的細節(jié)點相對應(yīng)的細節(jié)點。因 此，第二局部鄰域的直接比較應(yīng)當(dāng)是有效的。然而，當(dāng)同時匹配第一局部鄰域和第