专利名称：自动验证对象的身份的系统和方法
技术领域：
本发明一般地涉及自动身份验证系统，更具体地涉及利用指纹图象自动验证对象的身份的身份验证系统。
利用指纹图象的身份验证是一门多年来持续研究的科学。传统上，指纹图象匹配是一项人工地把一组对象的指纹图象(“搜查”印片)和多组“档案”指纹图案进行比较的辛苦工作。典型档案指纹组包括一组油墨指纹，例如执法机构在一次逮捕后得到的或者在申请市政服务职位过程中得到的油墨指纹。在试图把某搜查指纹图案和某现有的档案图案匹配中，带有放大器件的指纹专家会对数百个档案指纹图案耗费数小时。
容易理解，人工指纹匹配处理是特别耗时的和易出错的。而且，粗劣的或不完整的搜查和档案指纹图象使这种处理更为困难。为了解决这些问题，开发了一些人工指纹图象匹配技术。最常用的技术涉及到识别每个指纹图象中主现的某些鉴别性的特征，即细节。常见的细节包括诸如分枝和脊尾之类的指纹印片特征。典型地用三个坐标记录细节二个坐标“x”和“y”代表细节相对于坐标系统的位置，而角“v”表示该细节的邻区中诸线的平均方向。每个人的细节集合及其位置是独一无二的。从而，为了以后更容易验证和分类，用多组细节及其位置表示指纹图象。尽管这种进展改进了验证的精度和速度，但人工匹配细节仍是一项慢而艰巨的工作。
另外，不那么常用的指纹分类技术涉及利用模式类型对指纹分类。各种模式类型包括弧、突偏的弧、环和涡。模式是用数量、相对位置和方向匹配的。
在1960年代计算机革命之后不久，进行了自动指纹验证的各种尝试。由于计算密集性过强，很快就放弃了匹配整个指纹图象的方案。替代地，通过细节分类指纹图象的技术得到计算机化，和人工处理相比速度和精度大为改善。多年后，计算机处理能力以及细节识别算法的改进进一步提高了处理的速度和精度。
自动指纹细节识别的进展使得时实地用来验证对象的身份的自动指纹图象验证系统的应用成为可行。从而，已引入新的安全处理，利用指纹图案限制，只让特许的人进入保护区。这是通过扫描特许人的选定指纹图案并且在计算机系统存储器中的细节记录中定位并记录指纹细节的坐标，从而在计算机系统中存储的指纹记录数据库中登记特许人实现的。典型地，指纹扫描器和门的电子锁定结构相连，从而需要从外面进入该区域的人必须把指定的手指放在扫描器以得到搜查指纹图象。然后把搜查指纹图象和多个档案指纹图象比较以确定是否允许该人进入该区。
为了加速识别处理，在以后的系统中对特许人授予其它标识要素，例如个人标识号(PIN)或嵌有标识数据的磁条卡。这些要素和特许人的细节记录相关。这些改进型的系统典型地按如下工作。想进入某区的人首先向识别系统输入标识要素，例如在小键盘上输入PIN码或刷磁条卡。接着，该人把指定的手指放在扫描器上以把搜查指纹图象输入到系统中。然后系统检索和该人提供的识别要素相关的指纹图象，并且通过相互比较搜查和档案指纹图象来验证该人的身份。若档案图象和搜索图象上的细节坐标及角度匹配，则允许该人进入保护区；反之，拒绝进入。
出于一些原因该方法是有问题的。在事例数量大的情况下显然难以识别细节。此外，甚至可能由于手指上指纹部分的污物或者划痕而造成搜查指纹图象丢失少量的细节，也会使系统不提供肯定的识别。在扫描搜查指纹图象过程期间，即使人的手指的相对轻微的角运动也可能产生出错。而且，由于细节是大量的而且由于存储每个细节需要几个坐标，故细节记录消耗存储其的计算机系统的相当多的数据存储空间。
更为重要的是，识别并定位搜查指纹图象中的细节而且接着把该细节和其档案指纹图象的某细节图象匹配的工作是计算特别密集的，并且需要非常多的计算机处理能力和资源。在安装于多个保护区的情况下，即使高速计算机系统，若同时出现数个识别处理，它也会遭受明显的延缓。典型地，即使采用强大的计算机系统，对识别的等待会长达数秒，在带有许多指纹识别安全进入点的大型装置情况下等待时间会长得多。例如若该人在获取搜查图象期间移动手指，则为了最终克服以等待到肯定的识别，可能会要求他数次反复该处理过程。
在Driscoll，Jr等人的美国5,067,162号专利(以下称为“Driscoll”)中公开了解决上述问题的最新尝试。Driscoll提出，代替识别指纹图象上的细节，应识别多个各包括指纹图象数据的一部分的指纹小“参考段”以及它们的坐标位置，并且在二元化图象(即，转换成黑白数字形式)后存储在参考记录中。按如下进行验证首先扫描提出批准的人们的搜查指纹图象，形成带有多个各和一个参考段的位置对应的验证区的验证图象，确定和各验证区处的参考段对应的最佳匹配位置，然后通过判定(1)各最佳匹配位置和对应的参考段之间的和(2)最佳匹配定位的相对位置和对应的参考段之间的相似程度，判定是否存在匹配。
虽然Driscoll方法解决了传统细节识别中的一些固有问题、改进了精度并且取消了使搜查指纹图象近乎完美的要求，但它带有明显的缺点。尽管和典型的细节验证系统相比Driscoll系统不那样易于出错，但若包含一个或多个参考部分的人指纹的一部分因灰尘或因擦伤等而模糊或受损，则验证精度会明显下降，造成拒绝特许人，因为Driscoll方法要求相当大数量的独立参考段和搜查指纹图象上的各具体验证区相匹配，以及因为Driscoll方法在匹配判定上依赖于参考段的相对定位。
从而需要提供一种高速度和高精度下的利用指纹图象自动验证对象的身份的系统和方法。还需要即使因受损或沾污而只能部分地看到对象的指纹图象时仍可保证高精度。
通过本发明克服上面讨论的缺点和限制。本发明提供一种用于验证试图进入保护区或访问保护体的用户的身份的系统和方法。本发明的系统运行于二个独立的阶段——登记阶段和验证阶段。本发明的系统包括一个控制单元，用于在登记阶段期间执行登记控制程序和在验证阶段期间执行验证控制程序；一个存储器，用于存储数据和各控制程序；一个图象扫描器，用于获取参考图象和验证图象；以及一些任选输入输出部件。
在登记阶段期间，得到要作为该系统的特许用户而登记的人的参考指纹图象。接着对该参考图象滤波并二元化。接着控制单元选择预定数量的候选参考段，其中通过顺序地对每个参考段检查每个可能位置的唯一性以及保存最唯一定位的参考段的图象数据而从参考图象的预定区域内选择每个段，并且这些段中的一个指定为主要段和把其它段指定成次要段。还存储各次要参考段相对于主要参考段的位置。最后，由控制单元得到作为每个参考段的唯一性的函数的一个动态阈值。
在验证阶段期间，得到要求成为该系统的一个特许用户的人的验证指纹图象。接着随意地滤波和二元化该验证图象。接着控制单元检索该登记人的参考图象数据，使主要参考段和该验证图象的预定区匹配以确定至少一个最佳匹配位置，使各次要参考段和验证图象中分别规定的搜索区匹配，这些搜索区的位置是通过主要段的至少一个匹配位置确定的，并且通过计算所有参考段在它们各自的最佳匹配位置处的第一总计象素值，和计算由各参考段在其最佳匹配位置处复盖的验证图象的所有象素的第二总计象素值，来验证要求登记人员的身份，并把各总计象素值根据该动态阈值相互比较。若对主要参考段找到多于一个最佳匹配位置，则根据下一最近匹配位置重新定位次要参考段并重复该比较处理。为了加快最佳匹配位置的判定，可通过预定因子暂时粗化验证图象和主要参考段。
从下面的连带着附图的详细说明，本发明的其它目的和特性将变为清楚。然而，应理解，仅是出于说明的目的设计这些附图的，而不是用于规定本发明的限制，关于本发明的限制应参照附属的权利要求书。
附图中相同的参照字符代表全部几张图中的相同元部件
图1是利用指纹图象自动验证对象的身份的系统的示意方块图；图2到5B是表示依据本发明的图1系统的功能操作的逻辑流程图；以及图6到10是表示依据本发明的图1系统的操作期间执行的各子例程的示例结果图。
虽然本发明是相对于识别、比较和验证指纹图象来说明的，但应理解本发明的系统和方法可应用于其它形式的图象识别和图象比较应用，例如医用成象系统。
先参照图1，其中示出用于安全地访问某区或某物体的身份验证系统10。例如，身份验证系统10可以和门致动机构连接，以便把通过该门的通道限制成允许使用该身份验证系统10的用户。在另一个例子中，该身份验证系统10可用于限制访问诸如计算机终端的物体，其只允许被批准使用该身份验证系统10的用户访问该计算机终端。
总起来说，身份验证系统10运行于二个独立的阶段。在第一登记阶段期间，通过提供永久存储在身份验证系统10中的指纹图象和其它标识数据，用户在身份验证系统10中登记。晚些时候，在第二验证阶段，试图访问身份验证系统10所保护的区域或对象的用户提供指纹图象和其它标识数据，以便和已存储在身份验证系统10中的其它标识数据以及指纹图象进行比较，若新提供的其它标识数据和身份验证系统10中存储的其它标识数据匹配，并且若通过由身份验证系统10计算出的或由操作员提供的验证阈值判定新提供的指纹图象和身份验证系统10中存储的指纹图象基本匹配，则准许该用户访问保密区或保密对象。反之，身份验证系统10拒绝该用户的访问请求。
身份验证系统10的运行是由控制单元12控制的，后者最好包含用于执行存储器16中存储的控制程序指令的控制电路和微处理器(未示出)。存储器16最好包括用于存储数据和控制程序的长期存储器(未示出)和用于暂时存储控制单元12执行控制程序期间的控制程序指令和变量的短期程序存储器。可以在个人或便携计算机中或在专有部件中一起实现控制单元12和存储器16。控制单元12可以和诸如锁或通/断开关的致动器(未示出)连接，以便选择性地由控制单元12激励。
用于从用户获取指纹图象的图象扫描器14和控制部件12连接。图象扫描器14可以是任何适用于得到指纹图象的扫描器，例如光的或者电荷耦合器件的扫描器。选用的输入部件18可和控制单元12连接，以从对图象扫描器14提供扫描的指纹的用户获取其它标识数据；控制单元12把该其它数据和图象扫描器14得到的指纹图象关联起来并随后存储在存储器16中。输入部件18最好是键盘或小键盘，但可以是任何用于获取字母数据的部件，例如语音识别系统或磁卡读出器。此外，输入部件18可包括用于获取用户的图象的图象捕获部件。
选用的输出部件20可和控制部件12连接，以向用户和/或身份验证系统10的操作员显示获得的指纹图象和其它标识数据。该输出部件还可用于由身份验证系统10的操作员监视控制单元12对控制程序指令的执行。输出部件最好是视频显示监视器，其可包括标准CRT或LCD面板。
在详细说明本发明之前，说明一下图象处理领域中判定二个相等尺寸图象间的相似度的已知技术是有帮助的。每个图象典型地由一些均匀的象素带组成。例如，1位的黑白图象由二条均匀带，黑象素带和白象素带，组成。每个均匀带典型地具有不同数量的象素。依据本发明，在比较二个图象时，通过比较各个图象的对应均匀带，得到指示第一图象和第二图象之间的相似度的响应函数(以下称为“RF”)值。高RF值表示二个图象之间的高相似度，而低RF表示低相似度。最好归一化RF值以使最小的RF为0，表示这二个被比较的图象完全不同(例如比较一个全黑图象和一个全白图象)，并且最大的RF为1，以表示二个被比较的图象相同(例如一个全黑图象和另一个全黑图象比较)。RF还可用于通过把某特定图象和一些其它图象比较，以判定该特定图象的唯一性，其中当比较操作的RF值一致低时，该特定图象具有相对高的唯一性度。利用图象处理领域中已知一些技术中的一种技术可计算RF的归一化值。
现参照图2，图中示出表示依据本发明的一种优选实施例的图1控制单元12的登记控制程序的逻辑流程图。在操作员于步骤100开始该程序并指示要登记的用户把预定手指放在图象扫描器14后，控制单元12在步骤102从图象扫描器14获取指纹参考图象(以下称为“参考图象”)。典型地，参考图象是在通常具有256个灰度的半色调形式下得到的。
在选用的步骤104中，可对参考图象滤波，例如利用从图象处理技术中周知的各种滤波器中选择的移动窗口滤波器，以便遏制随机噪声。在该步骤还可对该参考图象进行其它的图象处理滤波操作。在步骤106，最好二元化参考图象。在二元化的初始阶段涉及根据动态确定的阈值去掉参考图象中的大尺度的亮度变化。动态阈值可在由控制单元12在整个参考图象上移动的预定尺寸的窗口中设置。对该窗口的每个位置，计算该参考图象在窗口中的所有象素值的累积分布函数(以下称为“CDF”)。并且确定CDF的中值。可以以一些技术中周知的技术确定CDF。该CDF中值充当窗口的当前中央象素的动态二元化阈值。对原始图象上的移动窗口的所有可能位置重复该处理。最好按下式重新计算移动窗口的当前中央象素z′=zMoM′]]>其中z是中央象素的原始值(即，亮度)，z′是新值，M是移动窗口的当前位置的CDF中值，而Mo是根据设计选择选取的一个预先规定的常数值。从而，事实上，经过这种处理的新参考图象在所有的位置上具有相同的CDF中值。该处理去掉图象中的任何大尺度的亮度变化。
在第二二元化阶段，为减少表示每个象素的位数，粗糙地量化参考图象，扫描得到的参考图象中每个象素的典型位数为8，以允许256个不同的灰度。其每个象素具有更多位数的图象使图象处理系统负担成比便增加的存储要求和处理要求。从而，在象指纹图象那样的图象的半色调等级不重要的情况中，为了减少存储及处理要求，希望减少图象中每个象素的位素。每个象素位数的减少相对容易实现。例如，为了把8位的参考图象减少到4位的或16个灰度的图象，就把原始参考图象中每16个相继的灰度合并成新参考图象中的单个灰度。具体地，0到15的灰度合并成新的0灰度、16到31合并成新的1灰度、依此类推，并把240到255的灰度合并成新的灰度15。在第二二元化阶段最好把参考图象从8位图象减小到1位图象，即把灰度0到127合并成新灰度0和把灰度128到255合并成新灰度1。为了在丢失信息的最小可能性下二元化参考图象，最好把初始二元化阶段中的Mo设定为128。
在步骤108，控制单元定义预定数量的定位在并复盖着参考图象上的候选参考段(以下称“RSC”)。现参照图6，其中示出五个RSC 502-510复盖一个示例的二元化的参考图象500。所定义的RSC的具体数量、大小以及初始位置只是设计选择的事情；图6中示出的五个502-510以及它们的初始位置纯粹是示例选择的。
四个RSC504-510占据示例参考图象500的中央部分的相邻但不迭加的位置并形成一个较大的矩形，而第五个RSC 502占据该矩形的中央位置。可把中央RSC 502指定为主要RSC，并且最好把其它的RSC504-510指定为次要RSC。当然可把RSC 502之外的任一个RSC指定成主要的，而包括RSC 502的其它RSC可相应地指定成次要的。
合起来看，RSC最好复盖整个参考图象的基本部分，以确保在后面连同图4A和4B说明的以后的验证阶段期间出错的可能性非常低。然而，每个RSC在尺寸上足够小，以使控制单元12能承受图象的非线性失真，在参考图象获取步骤102期间若以不均匀的力把手指的不同部分按在图象扫描器14上或者斜向地把手指按在图象扫描器14上会出现失真。
现回到图2，在步骤110，控制单元12从RSC502开始对每个RSC502-510执行“参考段及阈值选择”(以下称“RS/TS)子程序。计算机编程技术中周知，可把子程序作为设计成执行主控程序请求的特定任务的子例程。采用子程序的一个好处是二个或多个程序可使用相同的子程序执行某特定功能。现代编程技术还包括功能类似于子程序的可编程“目标”。可编程“目标”的主要优点是一旦开发出执行某特定功能的某“目标”，它便可使用于任何希望使用该功能的程序中。
现参照图3，控制单元12从RSC 502开始为每个RSC 502-510执行RS/TS子程序，以确定复盖着参考图象的各最独特部分的各RSC502-510最佳位置。在完成子程序执行后由各个RSC 502-510复盖的参考图象的各部分被称为参考段1至5(以下称为“RS_1”至“RS_5”)。RS/TS子程序还可确定一组验证阈值(以下称为“VER_THRES”)，每个VER_THRES对应于RS_1到RS_5中的一个特定RS。在后面利用各VER_THERS值确定后面连同图4A～4B说明的验证阶段期间中所使用的总阈值。
在详细说明RS/TS子程序之前，首先请注意出于更大的简明性，把该子程序得到的当前RS表达成RS_X，并且还把对应的当前VER_THRES表达成VER_THRES_X，其中X的取值范围从1到5，X的每个值对应于某特定RSC。
RS/TS子程序开始于步骤112，并进入一个其中控制单元12定义一个以当前被处理的RSC(例如，RSC 502)为中心的第一选定区的步骤114。在步骤116到124实现的RS/TS子程序的的主要目的中的一个是定位第一选定区中的参考图象的最独特部分，其大小和绕其定义第一选定区的RSC的大小相同。只要第一选定区大于当前的RSC，第一选定区的大小只是一个设计选择事项。
在步骤116，控制部件12把第一选择区中初始位置上的被定尺寸RSC区定义成RS_X的一个可能候选。该定尺寸RSC区的初始位置只是一项设计选择事项。例如，该定尺寸RSC的初始位置可以在当前RSC的位置上或者可在第一选择区的左上部上。在步骤118，控制单元定义以当前定义好的该定尺寸RSC区为中心的第二选择区。只要第二选手驱大于该定尺寸RSC区，第二选择区的尺寸只是一项设计选择事项。请参照图7，其中示例示出带有以其为中心的第一选择区512的RSC 502，定尺寸的RSC区514以及以区514为中心的第二选择区516。
现回到图3，在步骤120，通过顺序地把当前定义的定尺寸RSC区和所有其它的位于第二选择区中但又不和其直接邻接的定尺寸RSC区进行比较，为第二选择区中的所有定尺寸RSC区计算一组RF值，接着把这组RF值存储到存储器16。在步骤122，通过从1减去在步骤120中确定并存储的该组RF值中的最大RF值(以下称为“RF_HIGH”)，确定用于该当前定尺寸RSC区的唯一性因子(以下称“UN_FACT”)。接着把UN_FACT、RF_HIGH和该当前定尺寸RSC区的位置关联起来并暂时存储在存储器16中。在判定步骤124，控制单元12判定该当前定尺寸的RSC区是否是第一选择区中最后一个要确定的定尺寸RSC区。若该当前的定尺寸RSC区不是第一选择区中的最后一个要确定的定尺寸RSC区，则控制单元12进入步骤126，在其中选择第一选择区中的一个新的定尺寸区，并且接着返回步骤118以确定新选择的定尺寸RSC区的唯一性。反之，控制部件12进入步骤128。在步骤128，控制单元12从存储器16的暂时存储中选择具有最大UN_FACT的定尺寸RSC区，并且在存储器16中把由该选定尺寸RSC区包围的参考图象部分按RS_X存储，而且还存储UN_FACT和RF_HIGH。
在步骤130，根据下式计算VER_THRES_XVER_THRES_X＝RF_HIGH+A(UN_FACT)其中“A”是一个取值范围从略大于0到1的预定常数，并且做为一个设计选择项选取。从上式可看出，较大的A增加VER_THRES_X的大小。在步骤132，把该VER_THRES_X存储到存储器16中。在步骤134，控制单元12结束RS/TS子程序。在控制单元12为每个RSC执行RS/TS子程序后，在带有RS_1至RS_5以及VER_THRES_1至VER_THRES_5值下控制单元12返回图2的登记控制程序中的步骤136。请注意，由于RS/TS子程序的目的是对参考图象的最独特部分定位，故RS_1到RS_5的位置可能很不同于图6中所示的RSC 502至510的初始位置。现参照图8，其中示出示例参考图象500上的RS_1518至RS_5524的示例定位。
现回到图2，在步骤136，对于VER_THRES_1至VER_THRES_5进行数字组合以形成一个取值范围和各VER_THRES的范围相同的总阈值(以下称为“TOT_THRES”)。TOT_THRES最好是值VER_THRES_1至VER_THRES_5的平均值。但是，可通过其它数学运算得到TOT_THRES，例如VER_THRES_1至VER_THRES-5各值的加权平均值或平均值。
如后面连同图4B说明那样，在以后的验证阶段把TOT_THRES值作为接收或拒绝某用户的判定因子。TOT_THRES是动态确定的值并且随每个指纹图象变化。例如，具有少量独特部分的指纹图象将具有相对低的TOT_THRES，而具有数量多的独特部分的指纹图象将具有相对高的TOT_THRES。从而，依据本发明，TOT_THRES值和各用户指纹的唯一性度相适应。备择地，代替计算VER_THRES-1至VER_THRES_5值和从中确定TOT_THRES值，而可以作为一个设计选择项根据经验选择TOT_THRES值。例如，可把TOT_THRES值设置成范围从0.6接近“1”之间的一个单值。熟练的技术人员可理解，通过提高参考图象和验证图象之间的相似性要求，较大的TOT_THRES提供更高的安全性。
在步骤138，把步骤110得到的RS_1至RS_5存入在存储器16中存储的参考文件(以下称为“REF_FILE”)里。控制单元12最好为身份验证系统10的每个登记用户建立独立的REF_FILE，用于存储在登记阶段期间从该用户得到的参考数据以及其它数据。还在REF_FILE中存储一组RS_2至RS_5相对于RS_1的象素坐标，供验证阶段期间使用。
在步骤140，控制单元12从正在登记的用户得到其它标识数据(以下称为“ID_DATA”)。可由用户输入或者另由输入部件18获得ID_DATA，它最好包括并不限于由用户或操作员选择的个人标识码、用户的个人信息以及用户图象。替代地，可由控制单元12生成至少一部分的ID_DATA。例如，控制单元可为正在登记的用户随机生成并分配一个个人标识码。在步骤142，ID_DATA和REF_FILE关联并存入REF_FILE中，从而当以后用户通过输入部件18输入其个人标识码时，可由控制单元12从存储器16检索和该个人标识码关联的(若存在)REF_FILE。供选用地，可把至少一部分的ID_DATA嵌入到给用户的磁条卡(未示出)上。然后控制单元12在步骤144结束登记控制程序。
现参照图4A，其中示出依据本发明的优选实施例表示用于图1的控制单元12的验证控制程序的逻辑流程图。在某用户试图访问身份验证系统10保护的物体或区域的验证阶段期间，由控制单元12执行该验证控制程序。当例如试图访问的用户把手指放在图象扫描器14上时，控制单元在步骤200开始该程序。在步骤202，控制单元12从图象扫描器14得到指纹验证图象(以下称为“验证图象”)。典型地，验证图象是以通常具有256个灰度的半色调形式得到的。
在选用步骤204中，验证图象可由控制单元12根据上面会同步骤104说明的图象滤波技术(图2)滤波。在选用步骤206中，验证图象可由控制单元12根据上面会同步骤106(图2)说明的技术进行阈值二元化。尽管二元化验证图象不是必需的，但为了提高验证控制程序的执行速度，最好对验证图象进行二元化。
在步骤208，经输入部件18从用户得到诸如个人标识码的ID_DATA。例如，用户可通过键盘输入个人标识码，或者，若已把个人标识码嵌入到磁条卡上则通过读卡机刷卡。在判定步骤210，所得到的ID_DATA和存储器16中各REF_FILE中存储的各ID_DATA匹配。若未找到匹配，则控制单元12进入步骤212，其中按不匹配拒绝该验证图象并终止验证控制程序，以禁止该用户访问该保密体或保密区。若在判定步骤210找到匹配，则控制单元12进入步骤214，以检索和步骤208中得到的ID_DATA关联的REF_FILE。在步骤216，控制单元12从REF_FILE检索RS_1图象。在步骤218，控制单元12在验证图象的主要部分上定义一个验证搜索区。在步骤220，控制单元12调用“最佳匹配队列”(以下称为“MBQ”子程序)以确定验证图象上与RS_1对应的至少一个的最佳匹配可能位置。例如，带有几个相似区的验证图象可具有多于一个的形似的最佳匹配位置，但其中只有一个正确的。BMQ子程序的用途是确定一个或多个这种可能的最佳匹配位置，以使控制单元12晚些时候能断定其中的哪一个是正确位置(若存在的话)。
依据本发明，在图5A中示出BMQ子程序的第一实施例，并在图5B中示出BMQ子程序的第二实施例。
参照图5A，其示出BMQ子程序的第一实施例。在步骤300控制单元12启动BMQ子程序，并进入任选步骤302，其中通过按设计选择项选择的其范围最好是4至8的一个偶数的预定分辨率因子(以下称为“RES_FACTOR”)，减小该验证区复盖的验证图象的分辨率和RS_1的分辨率。找到验证搜索区中的一个或多个RS_1的最佳匹配位置是一项相对费时和费计算的任务。由于在减小尺寸的图象下更容易定位最佳匹配位置，故通过RES_FACTOR暂时减小验证图象的验证搜索区部分以及RS_1自身二者的分辨率可减小图象尺寸并且从而以正比于RES_FACTOR的幅值的比例提高处理速度。最好通过简单地把原始图象数量等于RES_FACTOR的相邻象素合并成分辩率减小的图象中的单个象素，减小图象分辨率。参照图9，图中示出RES_FACTOR为4的分辨率减小的一个例子。原始图象528中的象素a1-a4相组合以构成分辨率减小图象530中的单个象素b1，等等。若RES_FACTOR的幅值为8，则a1至a16的所有象素组合构成单个象素b1。在BMQ子程序结束时，在步骤318把验证搜索区和RS_1恢复到原始分辨率。对于BMQ子程序，步骤302和318不是必不可缺的，但明显地减少了BMQ子程序的执行时间和所需的处理能力。
现回到图5A，在步骤304，控制单元12把初始定尺寸的RS_1区定义成带有验证搜索区中相关坐标的第一验证参考段(以下称为“URS”)。最好最初把VRS定位在验证搜索区的拐角处，例如在左上部。在步骤306，通过RS_1和当前定义的VRS的比较，控制单元定义和当前定义的VRS对应的具体验证RF(以下称“VER_RF)值。在步骤308，控制单元12把VER_RF和最佳匹配阈值(以下称“BM_THRES”)比较。BM_THRES是一个设计选择项，不过最好选为约在0.5和0.99之间。若VER_RF超过BM_THRES，则控制单元12进入步骤310，其中按递减次序把VER_RF存储到存储器16中的最佳匹配队列(以下称“BM_QUEUE)，并且其中控制单元12还存储和步骤306中确定的VER_RF值对应的当前定义的VRS的相关坐标。从而，若在该步骤的相继执行期间在BM_QUEUE中存储更多的VER_RF值，则所有的VER_RF值以幅值的递减次序存储。接着控制单元12进入判定步骤312。
若在判定步骤308确定VER_RF不大于BM_THRES，则控制单元12进入判定步骤312以判定当前定义的VRS是否是验证搜索区中的最后一个唯一的定尺寸RS_1区。若该当前定义的VRS是验证搜索区的最后一个唯一的定尺寸RS_1区，则控制单元12进入判定步骤314，反之控制单元12进入步骤322。在判定步骤314，控制单元12判定BM_QUEUE是否是空的。若数次执行判定步骤308后VER_RF值都不超过BM_THRES会出现这种情况。若BM_QUEUE不是空的，则控制单元12进入步骤318。若另一方面BM_QUEUE是空的，则在步骤316控制单元12在BM_QUEUE中存储最高的VER_RF以及关联的URS坐标，接着进入步骤318。
在步骤318，控制单元借助RES_FACTOR存储该验证图象的该验证搜索区部分及RS_1的分辨率，并在步骤320结束BMQ子程序。在步骤322，控制单元12选择一个新的定尺寸RS_1区作为URS并且返回步骤306。通过对先前定义的VRS区偏离一个象素选择一个定尺寸RS_1区，可选出新的VRS。
这样，在检验验证图象区中的所有定尺寸RS_1区后，在BM_QUEUE中存储至少一个可能的最佳匹配位置的坐标以及对应的VER_RF值。
参照示范性的图10，其中示出示例的验证搜索区532。VRS 534是最初定义的VRS，VRS 536是稍后定义的VRS，而VRS 538是在该示例验证搜索区532中的最后一个VRS。
现参照图5B，图中示出BMQ子程序的第二实施例。控制单元12在步骤400开始BMQ子程序，并进入选用步骤402，在其中通过上面会同步骤302(图5A)说明的RES_FACTOR，减小验证区复盖的验证图象的分辨率以及RS_1的分辨率。在步骤404，控制单元12把初始的定尺寸RS_1区定义为带有验证搜索区中关联坐标的第一验证参考段(以下称“VRS”)。最好最初把VRS定位在验证搜索区的拐角处，例如左上部。在步骤406，通过RS_1和当前定义的VRS的比较，控制单元确定和当前定义的VRS对应的VER_RF值。
在步骤408，控制单元12按幅值的递减次序把VER_RF值存储到存储器16中的最佳匹配暂时缓冲器(以下称“BM_TEMP”)里，并且存储和步骤406中确定的VER_RF值对应的当前定义的VRS的关联坐标。这样，随着相继地执行该步骤，在BM_TEMP中存储更多的VER_RF值，并且所有的VER_RF值是以幅值的递减次序存储的。在判定步骤的410，控制单元判定当前定义的VRS是否是验证搜索区中的最后一个唯一的定尺寸RS_1区。若该当前定义的VRS是验证搜索区中的最后的唯一定尺寸RS_1区，则控制单元12进入步骤412，反之控制单元12进入步骤418。
在步骤412，控制单元12从BM_TEMP选出N个最大的VER_RF值以及关联的VRS坐标并把它们存储在BM_QUEUE中，其中N是一个按设计选择项选择的整数。在步骤414，控制单元借助RES_FACTOR恢复验证图象的验证搜索区部分以及RS_1的分辨率，并在步骤416结束BMQ子程序。在步骤418，控制单元12选择一个新的定尺寸的RS_1区作为VRS并返回到步骤406。可以在步骤418通过从原先定义的VRS区选择偏离一个象素的定尺寸RS_1区，选择新的VRS。
从而，在检验验证图象区的所有定尺寸RS_1区后，在BM_QUEUE中存储N个可能的最佳匹配位置的坐标以及它们的相应VER_RF值。
在执行图5A中或者图5B中说明的BMQ子程序之后，控制单元12回到图4A的步骤222，其中从BM_QUEUE检索第一个(即，最大的)VER_RF值以及关联的VRS坐标。在步骤224，控制单元12在验证图象上把RS_1定位到当前检索到的VRS坐标上。在步骤226，控制单元12从REF_FILE检索RS_2至RS_5，并在步骤228中在该验证图象上把RS_2至RS_5定位到先前在步骤138(图2)存储的相对于RS_1的当现位置的各自的象素坐标上。
在步骤230，控制单元12定义以各个RS_2至RS_5为中心的次要验证区。各次要验证区最好大于各自的RS_2至RS_5。在步骤232至236，控制单元12在各自的次要搜索区中为每个RS定位最可能(即，“最佳”)位置，并把每个RS移到其各自的最佳位置上。在步骤232，通过对每个单独的RS和其各自的次要验证区中的所有尺寸一样的图象段进行比较，控制单元12为RS_2至RS_5中的每个确定一组RF值。接着对每个RS_2至RS_5，确定一个在其各自的次要验证区中具有最大RF值的等尺寸段的位置。在步骤234，控制单元12把步骤232所确定的各个等尺寸段位置设置为各对应RS的最佳位置。在步骤236，控制单元12在验证图象上把RS_2至RS_5中的每个移到其各自的最佳位置。
在步骤238，通过把RS_1至RS_5内的所有象素和由RS_1至RS_5的当前位置复盖的验证图象部分中的所有象素进行比较，控制单元12确定总RF(以下称“TOTAL_RF”)。从而该方法把由RS_1至RS_5代表的大部分原始参考图象和经动态地确定RS_1至RS_5的最佳匹配位置而定义的区域组成的全局多段样板所复盖的大部分验证图象进行比较，以便确定表示参考图象和验证图象之间的相似性的总RF。由于和先前已知系统不同，比较大部分的图象并且从中得到一个全局RF，所以诸如因手指上的伤痕或污物，不正确地斜着把手指放在图象扫描器上或图象扫描器本身上的污物所造成的参考图象的验证图象之间差异对比较处理精度的影响很小或没有影响。
在判定步骤240，控制单元12对TOTAL_RF和步骤136(图2)中确定的或另外选取的TOT_THRES进行比较。若TOTAL_RF大于TOT_THRES，则控制单元12进入步骤242，其中该验证图象由于基本上类似于参考图象而被认可并准许该用户访问保密体或保密区。反之控制单元12进入判定步骤244，其中判定当前选取的VER_RF是否是BM_QUEUE中的最后一个。若当前的VER_RF不是最后一个，则控制单元12进入步骤246，其中从BM_QUEUE检索下个最大的VER_RF值以及其关联的VRS坐标并且接着返回到步骤224。反之控制单元12进入步骤212。
请注意，在少量修改下本发明的身份验证系统10可实施各种指纹匹配应用。例如，替代得到用户的ID_DATA和以后检索关联的REF_FILE，身份验证系统10可以在验证阶段期间只从试图访问的用户得到验证图象，并且接着相继地把所得到的验证图象和存储器16中各REF_FILE中存储的所有参考图象比较，直至或者找到匹配，或者最后一个参考图象未成功地匹配所得到的验证图象而拒绝该用户。这种修改还可以应用到执法机构上，其中自动地把嫌疑犯的验证指纹图象顺序地和执法机构数据库中存储的所有参考指纹图象进行比较。
然而，尽管按应用于其各优选实施例示出，说明并指出本发明的基本的新颖特性，但应理解，在不背离本发明的精神下业内人士可对所示出的各部件及各方法以及它们的操作在形式上和细节上作出各种删略、替代和修改。例如，很明显，以基本相同的方式达到相同结果的执行基本相同的功能的那些元部件和/或方法步骤的所有组合是在本发明的范围之内的。从而，其意图只由附属权利要求书所指示的范围来限制。
权利要求
1.一种用于把由多个第一象素组成的预定图象分辩率的第一图象和由多个第二象素组成的该预定图象分辨率的第二图象进行比较以判定这二个图象是否基本上相似的方法，所述方法在具有存储器的数字处理系统中实现，其包括步骤(a)获取第一图象；(b)定义多个在第一图象的基本部分上定位的相邻参考样板，其中每个所述参考样板包围第一图象的不同部分；(c)把所述多个参考样板中的一个参考样板指定成主要参考样板，并把所有其它的参考样板指定成次要参考样板；(d)在每个所述参考样板的周围定义一个以各参考样板为中心的各对应的第一选择区，每个所述第一选择区大于各自的参考样板；(e)在所述对应的第一选择区对每个参考样板确定最佳位置，其中每个参考样板的所述最佳位置代表各个第一选择区内第一图象的最独特部分，所述最独特部分的尺寸和各自的参考样板的尺寸相同；(f)把每个参考样板移到其对应的最佳位置处；(g)在用作参考文件的存储器中存储各个第一选择区的最独特部分，其中把和所述主要参考样板对应的最独特部分指定成主要参考段，并且把和所述多个所述次要参考样板中的具体一个对应的各最独特部分指定成多个所述次要参考段；(h)在存储器的所述参考文件中存储每个次要参考段相对于所述主要参考段的坐标位置组；(i)定义一个由所述主要参考段以及所述多个次要参考段内的第一图象的象素构成的参考区域；(j)得到第二图象；(k)在第二图象的基本部分上定义第一搜索区；(l)从存储器的所述参考文件中检索所述主要参考段和所述多个次要参考段；(m)把所述主要参考段和所述第一搜索区内第二图象的所有主要参考段定尺寸部分进行比较，以确定所述主要参考段和第二图象中的等尺寸部分之间的最接近匹配的位置，其中把所述等尺寸部分指定成最接近匹配位置；(n)把主要参考段定位在所述至少一个最为接近的匹配位置处，并且根据所述各个所述次要参考段相对于所述主要参考段的坐标位置组，在所述第二图象上定位所述多个次要参考段；(o)定义多个第二搜索区样板，每个第二搜索区样板对应于所述次要参考段中的一个，每个第二搜索区样板以一个所述对应的次要参考段为中心；(p)把每个次要参考段和其对应的第二搜索区内的第二图象的所有次要参考段的定尺寸部分进行比较，以便为其对应的第二搜索区内的每个次要参考段确定最佳匹配位置，从而得到和所述多个次要参考段对应的多个第二图象的最佳匹配部分；(q)定义由所述最接近匹配部分以及所述多个最佳匹配部分内的第二图象的各象素构成的验证区；以及(r)比较所述参考区和所述验证区以确定总响应值，所述总响应值表示所述参考区和所述验证区的相似度。
2.根据权利要求1的方法，还包括步骤(s)在所述步骤(r)后比较所述总响应值和预定的总阈值，并且当所述总响应值超过所述预定的阈值时，把第二图象接受成基本上和第一图象相似，反之则按基本上不和第一图象相似而拒绝第二图象。
3.根据权利要求1的方法，还包括步骤(t)在所述步骤(a)之后但在所述步骤(b)之前，对第一图象滤波以至少去掉信号噪声以及其上的亮度变化。
4.根据权利要求1的方法，还包括步骤(u)在所述步骤(a)之后但在所述步骤(b)之前，根据预定义的二元化阈值二元化第一图象。
5.根据权利要求1的方法，还包括步骤(v)在所述步骤(j)之后但在所述步骤(k)之前，对第二图象滤波以至少去掉信号噪声以及其上的亮度变化。
6.根据权利要求1的方法，还包括步骤(w)在所述步骤(j)之后但所述步骤(k)之前，根据预定义的二元化阈值二元化第二图象。
7.根据权利要求1的方法，其中所述步骤(e)还包括步骤(x)对每个所述参考样板(1)对所述对应的第一搜索区中的每个参考样板定尺寸的区域(A)定义一个以某个参考样板定尺寸区域为中心的对应第二选择区，所述第二选择区大于所述参考样板定尺寸区域；(B)把所述第一多个象素中由所述参考样板定尺寸区域包围的一组象素和所述第一多个象素中的由所述第二搜索区内的多个其它参考样板定尺寸区域的每一个所包围的其它象素组进行比较，以便为所述参考样板定尺寸区域确定多个响应函数值，所述多个响应函数值中的每个响应函数值表示并且正比于所述参考样板定尺寸区域和所述多个其它参考样板定尺寸区域中的一个不同的区域之间的相似度，其中较低的响应函数值表示低相似度，而较高的响应函数值表示高相似度，并且其中响应函数的最大值为一；(C)根据下式确定所述参考样板定尺寸区域的唯一性因子唯一性因子＝(1-RF_HIGH)其中RF_HIGH是所述多个响应函数值中的最大响应函数值；以及(2)把具有最大唯一性因子的参考样板定尺寸区域的位置存储为所述参考样板的最佳匹配位置。
8.根据权利要求7的方法，其中所述步骤(x)还包括步骤(3)根据下式确定参考阈值参考阈值＝RF_HIGH+A(唯一性因子)其中A是一个预先定义的阈常数。
9.根据权利要求8的方法，还包括步骤(y)在所述步骤(e)后和所述步骤(f)前，通过下述之一确定总阈值确定所述步骤(x)(3)中获得的所述各参考阈值的加权均值，和确定所述步骤(x)(3)中获得的所述各参考阈值的平均值；以及(z)在所述步骤(h)后和所述步骤(j)前，把所述总阈值存储到存储器中的所述参考文件里。
10.根据权利要求1的方法，还包括步骤(aa)在所述步骤(a)后和所述步骤(j)前，从用户获取构成所述用户的个人标识码的其它标识数据；以及(bb)存储所述其它的标识数据，并把所述其它标识数据和存储器中的所述参考文件相关联。
11.根据权利要求10的方法，其中所述步骤(aa)包括随机地选择构成所述用户的个人标识码的其它标识数据的步骤。
12.根据权利要求10的方法，还包括步骤(cc)在所述步骤(k)后和所述步骤(l)前，从试图验证基本上相似于第一图象的第二图象的用户获取个人标识码；以及(dd)判定在所述获取的个人标识码和存储器中的所述参考文件中存储的所述个人标识码之间是否存在匹配，并且当存在匹配时进入所述步骤(l)，而反之则由于第二图象基本上不同于第一图象而被拒绝并且终止比较处理。
13.根据权利要求10的方法，其中所述其它标识数据还包括至少下述之一所述用户的个人信息和所述用户的图象。
14.根据权利要求1的方法，其中所述主要参考段为预定的段分辨率，该方法还包括步骤(ee)在所述步骤(l)后和所述步骤(m)之前，通过预定的分辨率因子减小第二图象和图象分辨率以及所述主要参考段的所述段分辨率；以及(ff)在所述步骤(m)后和所述步骤(n)之前，通过所述预定的分辨率因子增加第二图象的图象分辨率以及所述主要参考段的所述段分辨率。
15.根据权利要求2的方法，其中所述步骤(m)包括步骤(gg)把所述主要参考段和各个在所述第一搜索区中具有一组相关坐标的主要参考段定尺寸区域进行比较，以确定预定数量的最大验证响应以及对应的具体的参考段定尺寸区域的所述相关坐标，每个验证响应值表示并且幅值上正比于所述主要参考段和某对应的具体的主要参考段定尺寸区域之间的相似度；(hh)在存储器中的最佳匹配队列里按幅值的递减次序存储所述预定数量的最大验证响应值，并且存储所述各组各和所述预定数量的最大验证响应值中的某具体验证响应值对应的所述具体主要参考段定尺寸区域的相关坐标；其中所述步骤(n)包括步骤(ii)从所述最佳匹配队列检索和所述预定数量和最大验证响应值中的某最大验证响应值对应的某第一主要参考段定尺寸区域的一组相关坐标；(jj)把所述主要参考段定位在所述第二图象上的所述检索出的相关坐标组处；(kk)根据每个所述次要参考段的坐标位置组在所述第二图象上定位所述多个次要参考段；以及其中所述步骤(s)包括步骤(ll)比较所述总响应值和某预定的总阈值，并当所述总响值超过所述预定的总阈值时把第二图象接受成和第一图象基本相似，并且反之当所述最佳匹配队列里还有至少一个未检索的主要参考段定尺寸区域的相关坐标组时，从所述最佳匹配队列检索和所述预定数量的最大验证响应值的下一个最大验证响应值对应的某第一主要参考段定尺寸区域的一组相关坐标并且返回到步骤(jj)，并且若反之则拒绝该基本上不和第一图象相似的第二图象和终止比较处理。
16.根据权利要求2的方法，其中所述步骤(m)包括所述步骤(mm)把所述主要参考段和各个在所述第一搜索区中具有一组相关坐标的主要参考段定尺寸区域进行比较，以确定多个验证响应值以及对应的具体的参考段定尺寸区域的所述相关坐标，每个验证响应值表示并且幅值上正比于所述主要参考段和某对应的具体的主要参考段定尺寸区域之间的相似度；(nn)比较所述多个验证响应值中的每个验证响应值和预先确定的验证响应阈值，并在存储器中的最佳匹配队列里按幅值的递减次序存储所有超过所述预先确定的验证响应阈值的验证响应值，而且存储所述各组各和某超过所述预先确定的验证响应阈值的具体验证响应对应的所述具体主要参考段定尺寸区域的相关坐标，其中当所述多个验证响应值都不超过所述预先确定的验证响应阈值时，在存储器中的所述最佳匹配队列里存储最大验证响应值以及和所述最大验证响应值对应的某具体的主要参考段定尺寸区域的一组相关坐标；其中所述步骤(n)包括步骤(oo)从所述最佳匹配队列检索和所述最佳匹配队列里存储的最大验证响应值对应的某第一主要参考段定尺寸区域的一组相关坐标；(pp)把所述主要参考段定位在所述第二图象上的所述检索出的相关坐标组处；(qq)根据每个所述次要参考段的坐标位置组，在所述第二图象上定位所述多个次要参考段；以及其中所述步骤(s)包括步骤(rr)比较所述总响应值和某预定的总阈值，并当所述总响应值超过所述预定的总阈值时把第二图象接受成和第一图象基本相似，并且反之当所述最佳匹配队列里还有至少一个未检索的主要参考段定尺寸区域的相关坐标组时，从所述最佳匹配队列检索和所述最佳匹配队列中存储的下一个最大验证响应值对应的某第一主要参考段定尺寸区的一组相关坐标并返回到所述步骤(pp)，并且反之则按基本上不和第一图象相似而拒绝第二图象而且终止比较处理。
17.一种数据处理系统，用于把由多个第一象素组成的第一图象和多个第二象素组成的第二图象进行比较以判定二个图象是否基本相似，所述系统包括扫描装置，用于获取第一和第二图象；存储器装置，用于存储数据；以及和所述扫描装置以及所述存储器装置连接的控制装置，其可操作成用于使所述扫描装置获取第一图象；定义多个在第一图象的基本部分上定位的相邻参考样板，其中每个所述参考样板包围第一图象的不同部分；把所述多个参考样板中的一个参考样板指定成主要参考样板，并把所有其它的参考样板指定成次要参考样板；在每个所述参考样板的周围定义一个以各参考样板为中心的各对应的第一选择区，每个所述第一选择区大于各自的参考样板；在所述对应的第一选择区对每个参考样板确定最佳位置，其中每个参考样板的所述最佳位置代表各个第一选择区内第一图象的最独特部分，所述最独特部分的尺寸和各自的参考样板的尺寸相同；把每个参考样板移到其对应的最佳位置处；在用作参考文件的所述存储器装置中存储各个第一选择区的最独特部分，其中把和所述主要参考样板对应的最独特部分指定成主要参考段，并且其中把和所述多个所述次要参考样板中的特定一个对应的各最独特部分指定成多个所述次要参考段；在所述存储器装置中的参考文件里存储每个次要参考段相对于所述主要参考段的坐标位置组；定义一个由所述主要参考段以及所述多个次要参考段内的第一图象的象素构成的参考区域；使所述扫描装置获取第二图象；从所述存储器装置的所述参考文件中检索所述主要参考段和所述多个次要参考段；把所述主要参考段和所述第一搜索区内第二图象的所有主要参考段定尺寸部分进行比较，以确定所述主要参考段和第二图象中的定尺寸部分之间的最接近匹配的位置，其中把所述定尺寸部分指定成最接近匹配位置；把主要参考段定位在所述至少一个最为接近的匹配的位置处，并且根据所述各个所述次要参考段相对于所述主要参考段的坐标位置组，在所述第二图象上定位所述多个次要参考段；定义多个第一搜索区样板，每个第二搜索区样板对应于所述次要参考段中的一个，每个第二搜索区样板以一个所述对应的次要参考段为中心；把每个次要参考段和其对应的第二搜索区内的第二图象的所有次要参考段的定尺寸部分进行比较，以便为其对应的第二搜索区内的每个次要参考段确定最佳匹配位置，从而得到和所述多个次要参考段对应的多个第二图象的最佳匹配部分；定义由所述最接近匹配部分以及所述多个最佳匹配部分内的第二图象的各象素构成的验证区；比较所述参考区和所述验证区以确定总响应值，所述总响应值表示所述参考区和所述验证区的相似度；以及比较所述总响应值和预定的总阈值，并且当所述总响应值超过所述预定的总阈值时，把第二图象接受成基本上和第一图象相似，反之则按基本上不和第一图象相似而拒绝第二图象。
全文摘要
提供一种用于验证试图访问保护区或保护体的用户的身份的系统(10)和方法。该系统采用全局图象比较方法:通过首先在登记阶段期间从用户获取参考指纹图象(14)、从该参考图象得到一组代表其各独特部分的多个段、并在以后的验证阶段期间从试图访问的用户得到验证指纹图象、在验证图象上确定多个参考段的各最相似部分,接着根据动态确定的阈值把由多个参考段包围的参考图象中的所有象素和验证图象上由当前位置下的多个参考段覆盖的验证图象部分中的所有象素进行比较(12),其中该动态确定的阈值是在登记阶段期间为提供参考图象的用户分别专制的以便验证用户的身份(20)。
文档编号G06K9/00GK1268234SQ98808392
公开日2000年9月27日 申请日期1998年7月13日 优先权日1997年7月14日
发明者米克海尔·施庞特夫, 亚历山大·普雷特尼夫, 米克海尔·贝雷斯蒂特斯基 申请人:贝斯系统公司