专利名称：触击传感器图像对准的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及图像对准。更具体地，本发明涉及对触击式生物统计 感测设备所产生的部分图像进行对准。
背景技术：
在生物统计(biometric)图像分析领域，传统技术在使图像移动 或触击过感测机构时对图像(如指纹)进行采样。这种感测机构(可 以是指纹传感器)在单次触击期间捕获手指的部分图像。这种单次触 击产生了处于不同时刻、不同坐标系内的数据集合。然后，可以使用 计算机视觉技术，通过对这些数据集合进行采样并将部分图像组合形 成指纹的完整图像，从而重构关于整个指纹的图像。
本领域技术人员知道，将这些不同数据集合变换至一个坐标系的 过程是图像配准。为了能够对从不同测量获得的数据进行比较或结合， 配准是必要的。
传统的图像配准技术落入两个分类方法领域(i)基于区域和(ii) 基于特征。通常将原始图像称为参考图像，将要映射至参考图像的图 像称为目标图像。对于基于区域的图像配准方法，该技术通过相关性 度量、傅立叶特性和其他结构分析手段来查看图像的结构。
然而，大多数基于特征的方法对它们的、至图像特征相关性的映 射进行微调。例如，这些特征包括线、曲线、点、线交叉(line intersection)、边界等等。这些基于特征的方法使图像相关，而不查看 图像的整体结构。
然而，这两种传统的图像配准技术具有缺点。例如，传统技术容 易收到背景噪声、非均匀照明或其他成像伪像(imaging artifact)的影 响。因此，需要一种鲁棒的(robust)图像配准技术，能够用于生物 统计图像分析，减小以上传统方法中所述的背景噪声、非均匀照明或 其他成像伪像的影响。
发明内容
本发明的目的是提供一种分析图像切片(image slice)的方法。 该方法包括将第一切片和第二切片变换至频域；以及仅根据变换后 的第一和第二切片的相位分量来确定第一切片和第二切片之间的移位 数据。
本发明提供了一种独特的手段，以找到两幅部分图像(具体地， 如指纹之类的生物统计图像)之间在x和y方向上在空间域的相对移 位。更具体地，本发明提供了一种装置，该装置以一定水平的抗扰度 (noise immunity)确定精确的x和y坐标，而不需要执行相关。精确 地确定两幅连续部分图像之间的x和y移位的程度是准确无缝的构造 出整个指纹的基础，所述整个指纹使从所有部分图像中重构出的。
本发明的技术实质上忽略了背景照明问题。例如，如果与指纹相 关联的背景图像是灰的或暗的，则可以忽略可能由环绕指纹的隆起物 (ridge)所错误地表示的该灰的或暗的背景图像。这个过程有助于更 精确地确定x和y移位。
以下参照附图，详细描述本发明的另外的实施例、特征和优点， 以及本发明各实施例的结构和操作。
附图示意了本发明，与说明书一起用于解释本发明的原理，并使
相关领域技术人员能够实现和使用本发明。
图1是传统触击式生物统计感测设备的示意图2是指纹图像的一系列重叠图像的示意图3是根据本发明的实施例而应用的Tukey窗的图例；
图4A是根据本发明的实施例而布置的扩展生物统计图像切片的
示意5图4B是如4A的图像切片的相位和幅度分量的示意图； 图5是根据本发明的实施例的生物统计图像对准过程的示意框 图；以及
图6是可以在其上实现本发明的示例计算机系统的示意框图。 现在参照附图来描述本发明。在附图中，相似的参考标号一般表
示相同的、功能相似和/或结构相似的单元。参考标号中最左边的数位
表示单元首次出现的附图。
具体实施例方式
本说明书公开了并入本发明的特征的一个或更多实施例。所描述 的实施例、说明书中对"一个实施例"，"实施例"、"示例实施例"等 的引用表示所描述的实施例可以包括特定特征、结构或特性，但每个 实施例不必须包括该特定特征、结构或特性。此外，这样的短语不必 须是指相同的实施例。此外，当结合实施例来描述特定特征、结构或 特性时，无论是否明确描述，都认为结合其他实施例来实现这样的特 征、结构或特性是在本领域技术人员的知识之内。
图I是根据本发明的实施例的传统触击式生物统计感测设备IOO
的示意图。在图i中，设备ioo包括用于获得生物统计数据(例如指纹
数据)的传感器102。在一些实施例中，传感器102可以是声学超声阻 抗描记术(acoustic impediography)或压电(piezoelectric)设备。传 感器102用于捕获生物统计设备的部分图像，如上述的手指。
图2是可以自图1的触击式传感器102产生的指纹的一系列重叠的 部分图像200的示意图。如上所述，图像配准的目的是能够在x和y方向 上估计来自部分图像200内部的每个连续图像对之间的空间移位 (shift)。
作为背景知识，对两个图像切片之间的空间移位的估计在数学上 等效于对在两个或更多个换能器位置接收到的声学或雷达信号之间的 延时进行估计。对接收信号之间的到达延时(TDOA)的准确估计在 信号处理的许多工程应用中扮演重要角色。多年来，已经提出并实现 了各种TDOA估计过程，包括互相关函数、单位脉冲响应计算、平滑
6的相干变换、最大似然估计以及许多其他过程。
可以按照以下形式来表示用于TDOA估计的一般的离散时间模
型
w = x(w) + s。(w) (1) a(wX"-d) + ^(") (2)
其中"。(")和M乂M)是在观察点(即传感器)处的两个信号，X(")是所关
心的信号，根据第一传感器来参考(零延时)该信号，并且该信号在
到达第二传感器时具有延迟D， (";)和Ww)分别是第一和第二传感器 的噪声分量。
TDOA估计的目的是在给定从每个传感器获得的数据段的情况下 估计D，而不需要关于源信号W")或噪声的任何先验知识。过去已经
广泛地研究了这个问题，并且根据未来的应用，已经提出了不同的方 法。
最常用的TDOA估计技术是互相关。在互相关中，通过以下公式 来获得实际TDOAD的估计D:
6=arg maxS"""W"+d) (3)
可以在频域执行互相关，产生以下公式
力=arg max J""。
)《(,(4)
其中t/。(,)和c/,(,)分别是信号"Q w和W| (")的离散时间傅立叶变换。
1972年，例如，在康涅狄格州新伦敦的海军水下系统中心开发出 了一种用于在声纳系统中进行TDOA估计的专门技术，称为PHAse变 换。关于PHAse变换的更多信息，参见Charles H. Knapp和G. Clifford Carter的"The Generalized Correlation Method for Estimation of Time Delay, ，，, IEEE transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Vol. ASSP-24, No, 4, August 1976，以及Omid S, Jahromi和Parham Aarabi的"Theory and Design of Multirate Sensor Arrays," ， IEEE Transactions On Signal Processing, Vol. 53, No. 5， May 2005 ， 这两篇文献的全文均结合在此。PHAse变换方法完全忽略了傅立叶变换的幅度，
并且使用以下积分来估计延时
力=arg max J"c。s(^d _ (zt/。(e, — ztz,(,)))而 (5)
PHAse变换可以被认为是一种频域中的"直线拟合"。例如，假定 噪声是可忽略的，延时D远小于观察到的信号"。(w)和^(w)的长度。在
这种情况下，可以安全地假定",(")非常接近于^(w)的循环移位的版 本。这意味着 t/,(e,-C/。(e,e—一 或等效地，
PHAse变换积分(5)试图找到这样的D:对于该D，线^/)与相 位误差Z仏(e,-Z(/,(e,之间的差异最小。然而，PHAse变换方法
与传统方法(例如使用最小均方误差来计算最佳拟合(fit)的线性拟 合(line fitting)方法)之间存在重要差别。PHAse变换使用余弦函数 来计算所测量的傅立叶相位差Zt/。(e"-Zt/,(e,与理想线^D之间
的误差。该方法的优点在于，自动去除了在计算复傅立叶变换系数的 角度时出现的土2;r相位模糊。
例如，使用傅立叶变换相位来确定到达延时是本领域技术人员所 公知的。近来，本申请的发明人将PHAse变换推广到了多速率信号。 关于更多信息，请参见Omid S, Jahromi禾卩Parham Aarabi的"Theory and Design of Multirate Sensor Arrays," , IEEE Transactions On Signal Processing, Vol. 53, No. 5, May 2005 。
从理论角度看，可以直接推广上述一维PHAse变换以估计两幅重 叠图像之间的空间移位。然而，对于这种方法有一些实际问题需要解 决。本发明解决了这些问题，本发明将PHAse变换技术应用于生物统 计图像分析。更具体地，本发明使用PHAse变换技术来对准重叠的指 纹图像切片，并将这些重叠的图像切片进行组合来形成完整无缝的指 纹图像。
为了将PHAse变换技术应用于生物统计图像分析，可以首先将部 分图像200中的每 一 个乘以精心设计的加窗函数(windowing function),以使部分图像的边缘平滑。图3是根据本发明的实施例而应用的示例Tukey加窗函数300的图 例。仅作为示例方法在图3中使用Tukey窗。然而，本发明不局限于 Tukey窗。例如，也可以使用其他窗，仅举几个例子汉明窗或凯塞 尔(Kaiser)窗。加窗函数用于使图像(如部分图像200)边缘附近的 像素的锐度平滑或减小。
在进行平滑之后，将部分图像嵌入更大的图像中以进行扩展。艮P， 对每幅部分图像补零(zero-pad)，使得其面积扩展为几乎是其原始尺 寸的两倍。
图4A是根据本发明的扩展后的(补零后的)生物统计图像切片402 和404的图400。在图4A中，例如在尺寸上扩展了图像200中的两幅(例 如图像402和404)。尽管可以选择其他的扩展尺寸，然而出于说明目的 选择图像402和404选择为64X512。如以下所示，在对每个图像切片进 行傅立叶变换之后，这种选择在图像切片中提供了足够的空间-频率分 辨率。
图4B是在变换至频域之后，扩展后的图像切片402和404的相位和 幅度分量的图406。出于说明目的，图4B仅表示对扩展后的图像切片 402应用二维快速傅立叶变换(FFT)。相应地，通过对扩展图像切片 402应用FFT，得到乘积t/0(^7，,2)^7/(,7,^2)。在图406中，由幅度 图像408和相位图像410来表示该乘积。乘积的W(e^, ^")部分表示幅 度图像408。乘积的t/r(,7,,勺部分表示相位图像410。
在本发明中，尽管与切片402相关联的相位图像410很重要，然而 幅度图像408未被使用并因此被丢弃。如从图4B中可以观察到的，相 位图像410包括波状图案412，从波状图案412中可以提取出移位数据。 在将扩展后的图像切片402与扩展后的图像切片404对准方面，该移位 数据尤为相关。如上所述，通过应用PHAse变换来提取该移位数据。
重要的是，应注意，对于扩展图像切片404，重复执行关于扩展 图像切片402的上述过程。即，通过应用FFT来得到与扩展后的图像切 片404相关联的相位和幅度分量，其中丢弃所产生的幅度分量。扩展后 的图像切片404的相位分量(未示出)将也包括波状图案。
更具体地，相位图像410以及与扩展切片404相关联的对应相位图
9像中的波状图案的频率表示了这两幅连续图像(即扩展后的图像切片
402和404)之间在y (垂直)方向上的移位。波的倾斜(相对于完全垂 直的波前(wavefront))表示图像切片402和404之间在x (水平)方向 上的移位。
通过对扩展图像切片402和404的相应相位分量应用PHAse变换， 可以确定扩展图像切片402和404之间在x和y方向上的移位的准确值。 出于说明目的，可以按照以下示例方式来表示PHAse变换 (A, ￡>2) = arg max ff cos(qZ)) + w2D2 — (Zf/0 (y叫，e月)-ZC/, (eM, e為》^ ^ 2 ( 6 )
在以上表达式(6)中，A精确地表示了连续的扩展后图像切片 402和404之间在x方向上的移位。A精确地表示了连续的图像切片 之间在y方向上的移位。然而，本发明不局限于具体的表达式(6)， 可以通过许多其他方法来确定PHAse变换。然后，如以下所述，针对 重叠的部分图像200中的所有连续图像切片对，重复执行该过程。精 确地确定x和y方向上的移位是根据部分图像准确无缝地构造完整指 纹的基础。
图5是根据本发明的示例生物统计图像对准过程500的示意框图。 在图5中示出了部分图像200。这些图像是通过使用触击式生物统计传 感器(如图1的设备100中的传感器102)来进行捕获而产生的。也可以 使用其他一些类似设备。然后，从部分图像200中选出具体的连续图像 切片502和504来进行处理。
对图像502和504中的每一幅图像应用加窗函数，如Tukey窗300， 以提供上述平滑的方面。在应用合适的加窗函数之后，将所产生的平 滑切片嵌入更大的空白图像以进行扩展。该扩展过程产生扩展后的图 像切片402和404。然后，通过应用FFT，将扩展后的图像切片402和404
变换至图像域，这固有地产生了复乘积。
这就是说，在频域中，扩展图像切片402和404中的每一幅图像具 有相应的幅度和相位分量。例如，扩展后的图像切片402分别产生相位 和幅度分量410和408。类似地，扩展后的图像切片404分别产生相位和 幅度风量506和508。根据本发明，将幅度分量408和508丢弃。接下来，对相位分量410和506应用PHAse变换，以确定连续的扩 展后图像切片402和404之间在水平和垂直方向上的移位。在图5的示例 中，y移位510表示图像402和404之间在垂直方向上的移位。x移位512 表示图像402和404之间在水平方向上的移位。然后，针对部分图像200 中的所有剩余连续图像重复执行该过程。如图所示，通过精确地确定 部分图像200中的所有连续切片的相对位置，可以对所有这些图像进行 组合以形成完整的指纹514。
可以采用软件、硬件或其结合来实现本发明的这些方面。可以在 计算机系统或其他处理系统的环境中实现本发明的这些方面。图6示出 了这样的计算机系统600的示例。
在图6中，计算机系统600包括一个或更多个处理器，如处理器 604。处理器604可以是专用或通用的数字信号处理器。处理器604与通 信基础设施606 (例如总线或网络)连接。根据该示例计算机系统描述 了各种软件实现方式。在阅读了本描述之后，对本领域技术人员而言， 如何使用其他计算机系统和/或计算机架构来实现本发明将是显而易 见的。
计算机系统600还包括主存储器608 (优选地，随机存取存储器 (RAM))，还可以包括次存储器610。次存储器610可以包括例如硬盘 驱动器612和/或可移除存储驱动器614(表示软盘驱动器、磁带驱动器、 光盘驱动器等等)。可移除存储驱动器614以公知的方式从可移除存储 单元618读取数据和/或向可移除存储单元618写入数据。可移除存储单 元618表示由可移除存储驱动器614读取和写入的软盘、磁带、光盘等 等。可以认识到，可移除存储单元618包括计算机可用存储介质，在计 算机可用存储介质中存储有计算机软件和/或数据。
在可选实现方式中，次存储器610可以包括用于允许将计算机程 序或其他指令加载到计算机系统600中的其他类似装置。例如，这样的 装置可以包括可移除存储单元622和接口620。这样的装置的示例可 以包括程序磁带盒(cartridge)和磁带盒接口 (如在视频游戏设备 中能够找到的)、可移除存储器芯片(如EPROM或PROM)和相关插 槽，以及允许将软件和数据从可移除存储单元622传送至计算机系统
ii600的其他可移除存储单元622和接口620。
计算机系统600还可以包括通信接口624。通信接口624允许在计 算机系统600与外部设备之间传送软件和数据。通信接口624的示例可 以包括调制解调器、网络接口 (如以太网卡)、通信端口、 PCMCIA卡 槽和卡等等。经由通信接口624传送的软件和数据可以采取信号628的 形式，信号628可以是电子信号、电磁信号、光信号或能够由通信接口 624接收的其他信号。经由通信路径626向通信接口624提供这些信号 628。通信路径626承载信号628，可以使用配线或线缆、光纤、电话线、 蜂窝电话链路、RF链路和其他通信信道来实现通信路径626。
在本申请中，术语"计算机可读介质"和"计算机可用介质"一 般用于指诸如可移除存储驱动器614、安装在硬盘驱动器612中的硬盘、 以及信号628之类的介质。这些计算机程序产品是用于向计算机系统 600提供软件的装置。
计算机程序(也称为计算机控制逻辑)存储在主存储器608和/或 次存储器610中。还可以经由通信接口624来接收计算机程序。当执行 这样的计算机程序时，该计算机程序使能计算机系统600实现如这里所 述的本发明。
具体地，当执行计算机程序时，计算机程序使能处理器604实现 本发明的过程。相应地，这样的计算机程序表示计算机系统600的控制 器。作为示例，在本发明的实施例中，可以由计算机控制逻辑来执行 编码器和/或解码器的信号处理模块所执行的过程/方法。在使用软件 来实现本发明的情况下，可以将软件存储在计算机程序产品中，并使 用可移除存储驱动器614、硬盘驱动器612或通信接口624将该软件加载
到计算机系统600中。
这里描述了本发明的方法、系统和组件的示例实施例。如在其他 处所要注意的，仅出于示意而非限制的目的描述了这些示例实施例。 其他实施例是可能的，并由本发明所涵盖。基于这里所包含的教义， 这样的其他实施例对相关领域技术人员而言是显而易见的。因此，本 发明的广度和范围不应受任何上述示例实施例的限制，而仅应根据所 附权利要求及其对等物来限定本发明的广度和范围。以上对具体实施例的描述将完整地揭示本发明的一般性质，在不 脱离本发明的一般概念的前提下，不进行不适当的试验，通过应用本 领域技术人员所知的知识，其他人可以容易地修改这样的具体实施例 和/或使具体实施例适应各种应用。因此，基于这里所呈现的教义和指 导，这样的适应和修改应当落入所公开的实施例的等价物的意义和范 围之内。应理解，这里的措词或术语是出于描述目的而非限制目的， 因此，本领域技术人员应根据教义和指导来解释本说明书的术语或措 词。
本发明的广度和范围不应受任何上述示例实施例的限制，而仅应 根据所附权利要求及其对等物来限定本发明的广度和范围。
权利要求
1. 一种分析图像切片的方法，包括将第一切片和第二切片变换至频域；以及仅根据变换后的第一和第二切片的相位分量来确定第一切片和第二切片之间的移位数据。
2. 如权利要求l所述的方法，还包括对第三切片和第四切片进行加窗，以平滑与其相关联的边缘；以及对加窗的第三和第四切片的面积进行扩展，以获得第一和第二切片。
3. 如权利要求2所述的方法，其中，使用Tukey窗和汉明窗中的 至少一种来执行加窗。
4. 如权利要求2所述的方法，其中，所述扩展包括将平滑后的切 片嵌入更大的图像中。
5. 如权利要求4所述的方法，其中，所述更大的图像是空白图像。
6. 如权利要求l所述的方法，其中，所述变换包括应用快速傅立 叶变换FFT。
7. 如权利要求6所述的方法，其中，所述FFT是二维的。
8. 如权利要求l所述的方法，其中，所述移位数据包括在垂直和 水平方向上的移位信息。
9. 如权利要求8所述的方法，还包括根据垂直和水平移位信息 来对准第一切片和第二切片。
10. 如权利要求l所述的方法，其中，所述确定包括应用PHAse 变换。
11. 一种用于分析图像切片的设备，包括 用于将第一切片和第二切片变换至频域的装置；以及 用于仅根据变换后的第一和第二切片的相位分量来确定第一切片
12. 如权利要求11所述的设备，还包括用于对第三切片和第四切片进行加窗以平滑与其相关联的边缘的装置；以及用于对加窗的第三和第四切片的面积进行扩展以获得第一和第二切片的装置。
13. 如权利要求12所述的设备，其中，使用Tukey窗和汉明窗中的至少一种来执行加窗。
14. 如权利要求12所述的设备，其中，所述扩展包括将平滑后的切片嵌入更大的图像中。
15. 如权利要求14所述的设备，其中，所述更大的图像是空白图像。
16. 如权利要求11所述的设备，其中，所述变换包括应用快速傅立叶变换FFT。
17. 如权利要求16所述的设备，其中，所述FFT是二维的。
18. 如权利要求11所述的设备，其中，所述移位数据包括在垂直和水平方向上的移位信息。
19. 如权利要求18所述的设备，还包括根据垂直和水平移位信息来对准第一切片和第二切片。
20. 如权利要求11所述的设备，其中，所述确定包括应用PHAse变换。
全文摘要
本发明提供了一种触击传感器图像对准的方法和系统。具体地本发明提供了一种分析图像切片的方法。该方法包括将第一切片和第二切片变换至频域；以及仅根据变换后的第一和第二切片的相位分量来确定第一切片和第二切片之间的移位数据。
文档编号G06T7/00GK101482972SQ20091000264
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者奥米德·S·扎哈罗米 申请人:索纳韦申有限公司