基于Matlab的指纹图像特征提取

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2 指纹图像识别的基本原理和方法

指纹特征是人终身不变的特征之一，而且不同人的指纹特征相同的可能性几乎为零，因此，指纹识别技术从19世纪80年代开始就成为最早投入应用于实践的生物识别技术。到20世纪60年代，计算机辅助的指纹自动识别系统开始得到应用，并逐渐成为应用最为广泛的生物识别技术。

长期以来，指纹识别技术仅仅在刑事侦缉领域受到重视，并且它的发展受到庞大、缓慢的指纹采集设备和昂贵的数字图像处理设备的限制。近年来，一方面随着信息技术的飞速发展，高速廉价的计算机设备的出现使得指纹识别技术应用在更加广阔的领域成为可能；另一方面，随着网络的飞速发展特别是大量Internet事务、交易的出现，急需一种可以决速、低花费并且效果好的认证技术来保证事务的安全性，因此，指纹识别技术在20世纪末得到了迅猛的发展，在银行、股市和电子商务等行业作为身份鉴别得到更广泛的应用。

2.1 指纹的类型

历史事实表明，我国是世界上应用指纹最早的国家。据记载，我国早在唐代的时候已有箕、斗之说，但尚无具体的考证。早在宋元时代官府就依据指印审理案件，这表明在当时已经能够识别出个人的指印。这时，在我国出现了对指纹的初步分类

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，如首相术中的“螺”的概念，以及后来的“箕”、和“斗”的分类，这可能是指

纹分类最早的记载。

目前我国指纹的分类主要有以下几种：一是基于指纹管理需要的十指指纹管理分类法[8]；二是刑事技术理论层面的分类[9]；三是计算机指纹管理[10]的分类。 （1）十指指纹分类法

公安部于1956年统一规定了十指指纹二步分析法。该分类方法将指纹分为弓、箕、斗三种类型，并将箕型纹分为反箕和正箕以及中心点、外角点和追迹线的计线法。

弓型纹：弓型纹由弓形线组成，弓型纹可分为弧形和帐形纹。弧形纹是有许多弓形线所组成的指纹类型。帐形纹是由弓形线和比较突出的弓形线所组成的。在指纹的中心有一个以上的垂直或者稍微倾斜的纹线构成好像三角形的形状，像是支撑

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着外围线系统。在弓型纹中，有些能看到两种系统的纹线，即外围线和根基线；有些很难区分两种纹线系统；有些好像具有第三种系统的开端，但是因为纹线的结构比较单一，不能真正成为第三种系统的纹线。

箕型纹：箕型纹分为反箕和正箕，反箕的箕枝两端对着拇指，正箕的箕枝两端对着小指。箕型纹的内部花纹由一条以上的箕形线组成，具备纹线三种系统，一般有三个三角位置在箕枝两端的相对侧，三角的上下两条支流，永远包括着内部花纹。依据箕的两枝的流向的不同又有不同的定义，流向拇指方向的为反箕形纹，流向小指的为正箕形纹。

斗型纹：斗型纹由一条以上的环形线、螺形线或者曲形线等组成，至少有两个三角，否者不能归为斗型纹。三角的上部支流或者下部支流可能参与到内部花纹的系统中去。斗型纹包括螺形、囊形、双箕形和杂形等类指纹。

过渡型指纹：过度型指纹指的是纹线所组成的纹线系统只具有某种类型的形态，而不具备这种指纹类型的必要特征的指纹。例如：箕型纹的内部花纹，如果至少必须具备一条完全的、不折不断的箕形线，这条箕形线的箕头部分或者靠近三角的箕枝部分如果与其他纹线结合，而将纹线引向或者引入外围的系统中去，则应该列为弓型纹。

（2）刑事技术理论层面的分类

箕型纹指的是由箕形线构成的，花纹中心必须有一个三角。包括三角在左侧和右侧的指纹类型。箕形线必须有三条以上。由拳形、叶形、花形等不规则的环螺形线组成的纹型均归为箕型。

斗型纹指的是由环、螺、曲形线组成的纹线系统。花纹中至少有两个三角。包括斗、曲、杂型纹。

曲型纹指的是由两条箕形线或者正反双箕线构成。纹线系统中至少有一条完整的正反双箕线。

杂型纹指的是只要是不符合前面五种指纹分类的纹线系统，都归入杂型纹。 （3）计算机指纹管理的分类简介

对于指纹自动识别系统来说，计算机必须对所输入的指纹图像进行处理，以实现指纹的分类、定位、提取形态和细节特征，然后再根据所提取的特征进行指纹的比对和识别，而对指纹图像的分类则是指纹自动识别技术中比较基础而又十分重要的环节。

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指纹自动识别系统一般把指纹纹型分为弓、左箕、右箕、斗和杂型五大类，其分类的规则与十指指纹分析法基本一致,其代号为：A、弓型纹；B、左箕型纹；C、右箕型纹；D、斗型纹；E、杂型纹。

弓型纹：主要由弓形线和横直线层叠而成，纹线由一方流向另一方，中部向上弯曲呈弓状或者帐篷状，无三角。弓型纹又分为弧形、帐形、左倾弓形和右倾弓形。

弧形弓：主要由弓形线组成，纹线曲率较小，中心部位无明显花纹。 帐形弓：主要由弓形线组成，纹线曲率比较大，中心部分有“人”形线或者“人”形线支撑，形似帐篷。

箕型纹：中心花纹由一条或者一条以上的箕形线组成，存在有一个三角（而且只有一个三角）。箕型纹根据中心花纹的不同形态分为左箕和右箕，箕口朝向左方的叫左箕，箕口朝向右方的叫做右箕。

斗型纹：指纹中心部位有一条以上的螺形线、环形线或者曲形线组成绕旋的内部花纹，并受到外围线和根基线包围，并且至少有两个三角。 杂型纹：有严重伤疤或者指纹模糊的无法确定类型的。

2.2 指纹图像的采集

指纹采集是指从手指上获取计算机能够处理的数字指纹图像。它是自动指纹识别系统的第一个环节，所获取的数字指纹图像是自动指纹识别[11]所依赖的原始数据，图像质量的好坏直接影响到自动指纹识别算法的设计难度和自动指纹识别系统的精度，因此，指纹采集在自动指纹识别系统中具有非常重要的地位。

传统的指纹采集方法为油墨转印法。其做法是先将指纹按在纸上，然后用扫描仪转化为数字图像。这种方法的优点是所获得的指纹图像具有较好的清晰度，指纹的有效区域较大，包含的信息完整，有利于进行指纹识别；缺点是过程非常麻烦，速度很慢，无法满足实时、方便的要求，因此通常只用于司法领域。

活体指纹采集法直接从手指上获取数字指纹图像[12]，这种方法既方便又快捷，且对手指没有任何伤害，因此适用于对自动化程度和响应速度要求高的自动指纹识别系统。根据所依据的原理，目前的活体指纹采集设备主要有如下几种：

（1）光电式的指纹采集设备。目前最成熟且应用最广泛的是光电式指纹采集器，它的基本原理如下：将手指按压在玻璃平面的一侧，在玻璃的另一侧安装有LED光源和CCD摄像头，LED发出的光束以一定的角度照射向玻璃，摄像头用于接收从

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玻璃表面反射回的光线。手指上的脊线与玻璃表面接触，谷线不与玻璃表面接触，因此照射在指纹脊线所接触部分的玻璃表面的光线被漫反射，而照射在指纹谷线所对应的玻璃表面的光线被全反射，从而在由CCD摄像头捕获的图像中，对应指纹脊线的部分颜色较深，对应指纹谷线的部分颜色较浅。光电指纹采集器的优点是技术成熟、工作温度范围较大、分辨率可高到500dPi、价格较便宜，它的缺点是体积较大。

（2）电容式指纹采集器。电容式指纹采集器的基本原理是：传感器由一个电极阵列构成，当手指皮肤与其表面接触时，构成了一个微型电容器阵列，由于接触紧密程度不同，指纹脊线对应部分的电容和谷线对应部分的电容大小不同，将电容大小进行量化，就可以获得指纹图像。电容式指纹采集器的优点是体积很小，便于集成在笔记本电脑上、手机上等。其缺点是耐用性差，易受手指上静电的伤害。 （3）超声波指纹采集器。超声波指纹采集器根据超声波测距的原理获得指纹图像。其优点是超声波能穿透手指或设备表面的油污，因此即使手指较脏，也能得到较为清晰、细致的指纹图像。其缺点是价格较高，因此目前获得的应用不多。 以上的活体指纹采集设备大多存在以下共同缺点： （1）手指的干湿度、清洁度对图像质量影响较大；

（2）由于设备表面面积较小，采集的指纹图像不完整，其中可能只包含很少的特征信息，不足以为识别提供足够的依据。为了获得丰富的、有代表性的信息，对手指按压的位置有一定的要求，一般要求将指纹特征信息丰富的中心部分对准设备表面，这给使用者带来一定的不便。

2.3 指纹图像的预处理

对于一幅指纹采集头采集的原始图像，为了使后续特征提取的操作能够正常有效的进行，必须对原始指纹图像进行一定的处理[13]。通常这样的处理过程包括归一化、图像增强、二值化和细化等过程。

由于实际采集的过程中，因为具体的拍摄环境和成像方法等原因，指纹图像不可避免的有噪声，这使得待识别的指纹图像通常是不规范的，直接对这些图像进行特征提取会导致大量伪特征的产生从而大大影响到指纹识别的准确率，因此，实际过程中对指纹图像进行特征提取之前，通常要对指纹图像进行增强、二值化等一系列的处理，这称之为对指纹图像的预处理。预处理的目的就是去除图像中的噪音，

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