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基于無抽樣方向濾波器組的指紋圖像預處理

發布時間:2018-06-12     來源:中國視覺網       訪問次數:7380


摘  要: 研究了M.N.Do設計DFB的無抽樣形式,提出一種變換域指紋圖像預處理增強方法。應用無抽樣DFB對輸入圖像進行方向性子帶分解,對各方向子帶分塊,根據塊能量分布情況對子帶圖像重新加權處理。對處理后的子帶圖像重建得到增強圖像,達到抑制噪聲,增強特征之目的。實驗表明算法對指紋圖像處理效果良好。
關鍵詞: 指紋圖像增強;方向性濾波器組;無抽樣濾波器組

1 引 言
    指紋是人終身不變的特征之一,可用于唯一性身份識別,已應用到很多領域如:罪犯識別、高安全性進入控制、信用卡使用確認等。指紋圖像驗證主要要求被測指紋與存儲于數據庫中的指紋特征相匹配。匹配的關鍵要求從輸入指紋圖像中能可靠提取特征,因而輸入圖像的質量相當重要。實際應用中由于曝光環境變化、采集設備受噪聲影響、人為故意不合作、皮膚條件不同等因素影響,得到的指紋圖像通常質量不高。在提取指紋特征之前,需要對指紋圖像進行濾波處理,增強有用信息,去處無用信息,以適合后續過程的處理。因此對指紋圖像進行預處理增強,提高指紋圖像結構清晰度是十分重要的。
    將圖像進行變換,變換后使圖像一些特征集中于局部系數,在變換域進行分析處理是信號處理一種重要的思想方法。Bamberger[1]系統研究了一種方向性濾波器組(directional filter bank,DFB)的分解重建實現方法,能夠對圖像二維頻域實現“楔”狀分解,得到集中對應頻域能量的不同子帶圖像,它們反映了圖像中不同方向的主要特征。Park.S[2]根據多抽樣率等價性,交換抽樣與濾波的順序,克服了Bamberger的DFB設計方法中頻域不規則性(frequency scrambling)問題。M.N.Do[3]也給出了一種基于扇形(fan)濾波器的DFB設計方法,并應用到Contourlet變換實現中。M.N.Do的DFB設計方法同樣解決了頻域不規則性問題,同時避免了文獻[1、2]中需要對圖像做調整以實現對頻域水平和垂直方向移動 的要求,降低了實現復雜性。
DFB適合于對圖像紋理等方向性特征進行分析,Sang[4]應用臨界抽樣DFB實現指紋圖像增強。DFB分解中通常要進行下抽樣操作,使得輸出子帶圖像數據點數同原圖像數據點數相同,子帶圖像間是非冗余的,有利于圖像編碼或壓縮應用。然而對于去噪、增強、邊緣檢測等圖像處理應用冗余性表達要優于非冗余性表達,例如小波變換去噪應用中通常使用非抽樣小波變換,它能克服正交小波變換產生的偽Gibbs現象。圖像無抽樣DFB分解是一種冗余性圖像表達,本文研究了M.N.Do設計的DFB無抽樣形式,并提出一種基于無抽樣DFB的指紋圖像預處理增強方法。子帶圖像處理中增強指紋結構信息,抑制噪聲信息,重建得到增強圖像。文中最后實驗表明本文方法能有效抑制噪聲,?;た占涮卣饜畔?。
2 方向性濾波器組(DFB)
    數字濾波器組是具有相同輸入或輸出數字濾波器的集合,DFB由分解和合成(重建)兩部分組成,分解部分將原圖像分離出數個方向通頻帶子圖像,合成部分將子帶圖像組合為一個輸出圖像。Bamberger于1992年引入了2維方向性濾波器組,可以對各子帶最大程度下抽樣并保持完全重建。M.N.Do利用扇形濾波器結合QFB(Quincunx Filter Bank)給出了一種新的DFB實現,并應用到contourlet變換。M.N.Do的方法得到子帶圖像視覺扭曲少,子帶圖像能更好的反映方向性通頻帶劃分情況。本文采用了M.N.Do的DFB無抽樣形式,方法是取消DFB中子帶圖像的下抽樣/上抽樣,即對DBF樹結構實現的每一對雙通道濾波器組去掉下抽樣/上抽樣,如圖1所示。

    無抽樣形式保證信號完全重建可由濾波器滿足下列條件獲得:
        (1)
    從第二級開始需要對扇形濾波器進行Q矩陣上抽樣操作,實現旋轉濾波器通頻帶。圖2顯示了四個方向頻帶劃分2級樹結構DFB分解實現情況(圖中黑色部分表示允許頻率通過部分)。注意到在第二級是上抽樣的扇形濾波器  因而具有方格狀通頻帶,結合第1級濾波器實現四個方向頻率分解。

    針對指紋圖像本文應用無抽樣DFB實現8個方向頻帶劃分,如圖3所示。無抽樣DFB分解圖

    像后,每一子帶圖像大小與原圖像大小相同。從數學上看DFB分解是將信號在一組基函數上展開,無抽樣DFB對應的基函數之間是冗余的?;溆腥哂嘈韻嘍雜諼奕哂嘈緣暮么κ牽罕浠歡孕藕乓貧哂釁揭撇槐湫?,更準確把握圖像中幾何結構信息。
3 基于DFB指紋圖像預處理增強
    基于DFB增強圖像目的是使圖像中方向性的特征得到加強,例如使指紋圖像中的脊更明顯,或使斷開的脊能連上。增強的原理是將輸入指紋圖像劃分為小分塊,在每一塊內只有一個方向,每一塊在DFB分解后各子帶中都有對應部分,計算各子帶中對應部分能量,能量最大部分所在的方向子帶即為該塊的方向。將同方向子帶對應部分系數保留或增加,其它子帶對應部分系數置零或減小,由處理后的子帶重建即可得到方向性特征被增強的圖像。處理過程可描述如下:
    1.輸入圖像 進行DFB分解,得到子帶圖像 。
    2.輸入圖像分塊,每個子帶圖像對應亦分成相同數量塊 ,計算每一子帶的每一塊的能量 。
    3.根據本塊 能量 在所有8個方向塊中能量分布情況,重新加權 內的系數值。
    4.由子帶圖像 重建,得到輸出。
    記輸入圖像 大小為 ,DFB分解所得每一子帶圖像 大小亦為 。將 分為 塊,每一塊大小為 ,各子帶對應分成 塊,每一塊大小為 ,它反映了原始圖像被DFB分解后第 塊在第 個子帶的分布情況。對于第 方向子帶的第 塊,記塊內各系數值為 ,按下式計算 塊各方向能量  :
     (2)
    簡單地將非最大方向能量塊內各系數置零,重建后圖像特征破壞嚴重,本文采用保持最大方向能量塊內各系數,其它方向塊按能量分布情況適當收縮。記第 個方向子帶第 塊內各系數處理后的值為 ,處理系數如下式:
       ?。?)
上式中   (4)
4 實驗結果及分析
    對指紋圖像進行實驗以驗證本文算法有效性,并與Sang方法做比較。指紋圖像選自FVC2000數據庫,實驗中指紋圖像大小為256×256,分塊成8×8大小,結果如圖4所示。從實現過程來看Sang方法與本文方法都不需要對噪聲參數進行估計,處理步驟較簡單。從實驗結果看兩種方法對原始指紋圖像中噪聲進行了有效抑制,脊線清晰程度得到改善。Sang方法處理后圖像對比度特征降低,而本文方法處理后的圖像脊線清晰程度效果好于Sang方法。

 

5 結束語
    對指紋鑒別系統中的指紋圖像預處理提出了一種變換域處理增強方法。以無抽樣DFB為基礎,對指紋圖像分解,進行子帶系數處理,然后重建。本文方法實現簡單,實驗結果表明具有增強指紋特征,抑制噪聲的效果。繼續研究采用其它子帶系數處理方式以提高圖像增強效果,是值得今后進一步深入的工作。
參 考 文 獻
[1] Bamberger, R. H. and Smith, M. J. T. A Filter Bank for the Directional Decomposition of Images : Theory and Design, IEEE Trans. on Signal Processing, vol. 40, no. 4, pp. 882-893,1992.
[2] Park,S.il,M.J.T.Smith and J.J.Lee,2000. Fingerprint enhancement based on the directional filter bank. In ICIP`00:793-796.
[3] M. N. Do and M. Vetterli. Contourlets: A Directional Multiresolution Image Representation. In Proc. of IEEE Intl.Conf. on Image Processing, Rochester, September 2002..
[4] Sang Keun Oh, Joon Jae Lee, New Fingerprint Image Enhancement Using Directional Filter Bank Journal of WSCG, Vol.11, No.1., ISSN 1213-6972 WSCG’2003, February 3-7, 2003.
[5] 黃賢武,蘇鵬程, 柏培權. 基于方向濾波分割的指紋圖像自動識別系統算法[J] . 中國圖像圖形學報, 2002,Vol.7,No.8:829-834.[Huang Xian-wu, SU Peng-cheng, BAI Pei-Quan, Algorithms for an Automatic Fingerprint Identification System Based On Oriented Filtering and Segmentation. JOURNAL OF IMAGE AND GRAPHICS,2002 Vol.7 No.8 P.829-834.]