一种三维指纹特征提取方法
【专利摘要】本发明属于指纹识别【技术领域】，具体涉及一种三维指纹特征提取方法，目的在于不需要将三维指纹转换为二维指纹，避免了复杂的计算量和三维转换成二维造成的误差，能够快速、准确的完成对三维指纹的特征提取，所采用的技术方案为：首先对三维指纹进行特征粗提取，提取三维指纹表面的最大高度值，作为三维指纹特征的一个特征点；其次，提取三维指纹的外轮廓形状作为三维指纹的第二个特征点；对三维指纹特征粗提取后，根据系数k判断是否需要进一步对三维指纹特征细提取；对三维指纹特征细提取是提取三维指纹脊线的终点和分叉点，把它们的位置作为三维指纹的特征点。
【专利说明】一种三维指纹特征提取方法
【技术领域】
[0001]本发明属于指纹识别【技术领域】，具体涉及一种三维指纹特征提取方法。
【背景技术】
[0002]随着科技的不断进步，个人信息安全问题得到人们的重视，因此对这方面也提出了越来越高的要求。身份识别是个人信息安全问题的一个重要部分，许多公共场所需要利用可靠的身份识别技术来维持它的稳定。传统的个人身份认证有两种方式:一种是通过对用户所拥有的各种物品如钥匙、证件等进行认证；另一种是对用户所拥有的某种知识如密码、卡号等进行认证。这些身份识别系统均是对钥匙、卡、密码等“身外之物”进行认证，由于它们存在容易丢失，易被破解等缺点，导致可靠性降低已不能完全满足现代社会安全防范的需要，因此人们需要更为可靠的身份识别方法来代替传统的身份识别方法。相对于传统的身份识别方法，生物特征识别技术更加安全、不容易丢失、不易复制破解，除此之外生物特征具有普遍性、唯一性、永久性、特征稳定等特性，这些使其成为一种更加安全可靠的识别方式。目前生物特征识别主要包括:人脸识别、指纹识别、虹膜识别、手背静脉识别、签名识别等。这些生物特征都有各自的优缺点，但是指纹是最为应用成熟的识别技术，也是最早被用来识别身份的生物特征。
[0003]然而，传统的指纹识别技术是获取二维指纹图像并对其进行处理和识别，尽管二维指纹识别身份被证明是一种高效准确的识别方法，但还存在一些固有的缺点。如受光照影响严重；采集时的人为因素如手指污溃、伤痕、干燥、潮湿等均会影响识别精度；存在被复制的风险。为了解决传统二维指纹出现的问题，三维指纹识别得到人们的重视和研究。在 申请人:检索的范围内，基于三维指纹特征提取相关的文献信息如下:
[0004]美国肯塔基大学的研究人员研制出一种新型的非接触式三维指纹识别系统Flashscan3D，不论是在现场还是在警察局内，可以更快更容易地发现犯罪嫌疑人。它的工作过程被称作结构光条纹照明(SLI)。将一系列光条纹投射在手指上，在这些条纹绕着手指扫描时，一台140万像素的相机自动拍摄它们的图像，然后通过分析每个条纹升降的方式，系统软件在不到一秒的时间里构造出手指表面的三维模型，然后将三维指纹再转换为二维指纹，再提取二维指纹的特征点，最终达到识别的目的。
[0005]Sara Shafaei, Tamer Inane, Laurence G.Hassebrook在“一种三维指纹展开为二维相应指纹的新方法”(A New Approach to Unwrap a3_D Fingerprint to a2_D RolledEquivalent Fingerprint) 一文中提出了一种“基于三维表面曲率分析法展开三维指纹”的方法，他们运用“弹簧算法”将平滑的三维指纹表面转化成二维指纹，然后再对转换的二维指纹图像进行处理和特征提取。
[0006]刘日晨，刘怡光，尹鑫，赵亦明在“基于单幅图像的三维信息提取”一文中提出了借用标定摄像机得到摄像机从三维到二维的成像矩阵的方法，并计算的伪逆矩阵该方法的本质是通过最小二乘法求解矛盾方程组，利用提取二维单幅图像中的三维信息，再把这些三维信息投影到一个平面上显示出来。伪逆法计算得到的共面物体的三维坐标只可大致的反应三维物体的信息，因为在伪逆法求解的过程中引入了误差，对于不满足约束条件的物体提取三维信息误差很大，因此只能进行定性的分析。
[0007]通过以上相关文献信息可以看出:现有的三维指纹特征提取方法大部分将三维指纹转换成二维指纹，然后对二维指纹图像处理再提取指纹的特征点。首先，三维转换为二维计算量大，过程处理时间较长；其次，将三维转换为二维相应的指纹图像会存在一定的误差，影响三维指纹的识别精度。因此，如何快速、准确、全面的直接提取三维指纹的特征点是一个急需研究的问题。
【发明内容】
[0008]为了解决现有技术中的问题，本发明提出一种无需将三维指纹转换为二维指纹，能够避免复杂的计算量和三维转换成二维造成的误差，且能够快速、准确的完成对三维指纹特征提取的三维指纹特征提取方法。
[0009]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是:包括以下步骤:
[0010]1)将二维指纹重建成三维指纹，根据重建好的三维指纹，对三维指纹进行特征粗提取，首先得到一系列的三维指纹表面的高度值，提取三维指纹表面的最大高度值作为待测样品三维指纹特征的第一个特征点；利用一系列平行平面去切割重建的三维指纹，得到一系列三维指纹等位面的轮廓线，从最底层等位面的质心出发向四周做若干条射线，这些射线与每一个等位面均有相交点，提取质心到相交点的距离，作为反映待测样品三维指纹外轮廓形状特征的特征值，以此作为待测样品三维指纹的第二个特征点；
[0011]2)根据步骤I)得到的待测样品三维指纹外轮廓形状特征的特征值，求出与对比模板外轮廓形状特征的特征距离，然后将待测样品与对比模板各样品外轮廓形状特征的特征距离从大到小排序后，选择首个两两差值大于I的两个特征距离中的其一作为给定阈值，将待测样品与对比模板各样品外轮廓形状特征的特征距离与给定阈值比较，统计特征距离小于给定阈值的次数，并用系数k来记录，k的初始值等于0，将特征距离与给定阈值比较一次，小于阈值的话，k就自加1，最终系数k等于1，则说明待测样品可以被唯一识别，第一个特征点和第二个特征点就作为待测样品三维指纹特征，完成三维指纹特征的提取；最终系数k大于1，则说明样品中有相似的，用粗特征值不能区分，运行步骤3)提取细节特征；
[0012]3)首先采集待测样品的二维指纹图像并进行预处理，然后提取二维指纹图像脊线的终点和分叉点的坐标，对应到三维指纹中相同横纵坐标的点，作为步骤I)重建的三维指纹脊线的终点和分叉点的X轴和Y轴坐标值，根据步骤I)得到三维指纹表面的高度值，即为Z轴坐标值，因此可以提取三维指纹脊线的终点和分叉点的位置特征，完成对三维指纹细节特征的提取，从而实现直接提取三维指纹细节特征点。
[0013]所述的步骤I)中对二维指纹重建得到三维指纹采用傅里叶变换轮廓术法，具体是将光条纹投射在参考平面上得到光栅条纹，再将光条纹投射放在参考平面的手指纹上，受手指纹高度的调制得到变形光条纹，再将变形光栅与参考平面光栅条纹作比较，求出它们的相位差Δ φ (X，y)。
[0014]所述的步骤1)中傅里叶变换轮廓术法是根据公式Kx'y) = AJ^yl^^fd，得到三维指纹表面的高度信息h (X，y)，其中Itl是CCD相机中心到参考平面的距离，d是CCD相机到投影仪的距离，f0是参考平面上投影光栅的波长。
[0015]所述的步骤I)中提取三维指纹的外轮廓形状特征，用一系列平行平面去切割三维指纹，得到一系列三维指纹等位面的轮廓线，计算出最底层等位面的质心，把它记作0，从O点出发向四周做M条射线，这些射线的角度是均匀分布的，与每一个等位面相交于// i=I, 2，…N, j = I, 2，…Μ,提取O到p/的距离作为反映三维指纹外轮廓形状的特征。
[0016]所述的三维指纹外轮廓形状的特征是一个长度为N*M的一组向量R:
[0017]
【权利要求】
1.一种三维指纹特征提取方法，其特征在于:包括以下步骤: 1)将待测样品的二维指纹重建得到三维指纹，根据重建好的三维指纹，对三维指纹进行特征粗提取，首先得到一系列三维指纹表面的高度值，提取三维指纹表面的最大高度值作为待测样品三维指纹特征的第一个特征点；利用一系列平行平面去切割重建的三维指纹，得到一系列三维指纹等位面的轮廓线，从最底层等位面的质心出发向四周做若干条射线，这些射线与每一个等位面均有相交点，提取质心到相交点的距离，作为反映待测样品三维指纹外轮廓形状特征的特征值，作为待测样品三维指纹的第二个特征点； 2)根据步骤I)得到的待测样品三维指纹外轮廓形状特征的特征值，求出与对比模板外轮廓形状特征的特征距离，然后将待测样品与对比模板各样品外轮廓形状特征的特征距离从大到小排序后，选择首个两两差值大于I的两个特征距离中的其一作为给定阈值，将待测样品与对比模板各样品外轮廓形状特征的特征距离与给定阈值比较，统计特征距离小于给定阈值的次数，并用系数k来记录，k的初始值等于O，将特征距离与给定阈值比较一次，小于阈值的话，k就自加1，最终系数k等于1，则说明待测样品可以被唯一识别，第一个特征点和第二个特征点就作为待测样品三维指纹特征，完成三维指纹特征的提取；最终系数k大于1，则说明样品中有相似的，用粗特征值不能区分，运行步骤3)提取细节特征； 3)首先采集待测样品对应的二维指纹图像并进行预处理，然后提取二维指纹图像脊线的终点和分叉点的坐标，对应到三维指纹中相同横纵坐标的点，作为步骤I)重建的三维指纹脊线的终点和分叉点的X轴和Y轴坐标值，根据步骤I)得到三维指纹表面的高度值，即为Z轴坐标值，因此可以提取三维指纹脊线的终点和分叉点的位置特征，完成对三维指纹细节特征的提取，从而实现直接提取三维指纹细节特征点。
2.根据权利要求1所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的步骤I)中将二维指纹重建成三维指纹采用傅里叶变换轮廓术法，具体是将光条纹投射在参考平面上得到光栅条纹，再将光条纹投射放在参考平面的手指纹上，受手指纹高度的调制得到变形光条纹，再将变形光栅与参考平面光栅条纹作比较，求出它们的相位差△ Φ (x，y)。
3.根据权利要求2所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的步骤I)中，傅里叶变换轮廓术法是根据公式h(x,y)=l0Δφ(x,y)/Δφ(x,y)-2πf0d ，得到三维指纹表面的高度信息h(x, y)，其中Itl是CCD相机中心到参考平面的距离，d是CCD相机到投影仪的距离，f0是参考平面上投影光栅的波长。
4.根据权利要求3所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的步骤I)中提取三维指纹的外轮廓形状特征，用一系列平行平面去切割三维指纹，得到一系列三维指纹等位面的轮廓线，计算出最底层等位面的质心，把它记作O，从O点出发向四周做M条射线，这些射线的角度是均匀分布的，与每一个等位面相交于pji，i = 1，2，…N，j = 1, 2，…M，提取O到P的距离作为反映三维指纹外轮廓形状特征的特征值。
5.根据权利要求4所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的三维指纹外轮廓形状的特征是一个长度为N*M的一组向量R:
R= { |OP11|,...,|OP1M|,|OP12|,...,|OP2M|,...,|OPMN|}。
6.根据权利要求1所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的步骤2)中求待测样品与对比模板外轮廓形状特征的特征距离，即计算待测样品与建立的指纹样品库中各样品外轮廓形状特征的特征距离。
7.根据权利要求7所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的步骤2)中外轮廓形状特征的特征值是用射线长度表征的。
8.根据权利要求1所述的三维指纹特征提取方法，其特征在于:所述的步骤3)中对待测样品的二维指纹图像的预处理包括二维指纹图像的分割、滤波、图像二值化和细化。
【文档编号】G06K9/36GK103927542SQ201410171965
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】吕岑, 朱欢敏 申请人:陕西科技大学