Улучшение изображений отпечатков пальцев: алгоритм и оценка выполнения

Лин Хонг, Йифей Ван, Анил Джейн, и др.

Институт инженеров по электротехнике и электронике

Краткий обзор– важный шаг в автоматическом сопоставлении отпечатков пальцев – это автоматически и достоверно извлечь детали из входных изображений отпечатков пальцев. Однако выполнение алгоритма извлечения деталей сильно зависит от качества входных изображений отпечатков пальцев. Для обеспечения надежности и работоспособности автоматической системы идентификации (проверки) по отпечаткам пальцев независимо от качества введенного изображения отпечатка, необходимо объединить алгоритм улучшения отпечатков пальцев в модуле извлечения деталей. Мы представляем быстрый алгоритм улучшения отпечатков пальцев, который может адаптивно улучшить четкость структур выступов и впадинок в входных изображениях отпечатков пальцев, основанный на оценке локальной ориентации (расположения) выступов и их частоте (повторяемости). Мы можем оценить выполнение алгоритма улучшения изображения, используя индекс качества извлечения детали и точность online-системы идентификации отпечатков пальцев. Экспериментальные результаты показывают, что объединенный алгоритм улучшает как индекс качества, так и точность проверки.

Список терминов – биометрия, отпечатки пальца, детали, улучшение, фильтр Габора, оценка производительности.

1. ВВЕДЕНИЕ

Распознавание отпечатков пальцев – одна из важнейших биометрических технологий, которая в последнее время привлекает значительное внимание. Отпечаток пальца – это узор выступов и впадин (так же называемых бороздами в литературе по отпечаткам пальцев) на поверхности кончика пальца. Каждый человек имеет уникальные отпечатки пальцев. Уникальность отпечатка пальца исключительно определенна локальными свойствами выступов и их соотношениями. Существует 150 различных локальных характеристик выступов (островки, короткие выступы, полости и т.д.). Эти характеристики локальных выступов распределены неравномерно. Большинство из них в большей степени зависит от условий надавливания и качества отпечатка пальца и является редко наблюдаемым в отпечатках пальцев. Две наиболее заметные характеристики локальных выступов, называемые деталями, это:

1. окончание выступа;
2. раздвоение выступа.

Окончание выступа определяется как точка, в которой выступ резко заканчивается. Раздвоение выступа определяется как точка, в которой выступ разветвляется или расходится на ветвь выступов. Отпечаток пальца хорошего качества обычно содержит около 40-100 деталей. Примеры деталей представлены на рисунке 1.

Рисунок 1 – Примеры деталей. (а) Окончания выступов. (b) Раздвоения выступов.

Автоматическое сопоставление отпечатков пальцев основывается на сравнении этих локальных характеристик выступов и их комбинации для выполнения идентификации личности. Важным шагом в сопоставлении отпечатков пальцев является автоматическое и достоверное извлечение выступа из входных изображений отпечатков пальцев, что является трудной задачей. Выполнение алгоритма извлечения деталей зависит в большей степени от качества входного изображения отпечатка пальца. На идеальном изображении отпечатка пальца выступы и впадины чередуются и перетекают в локальном постоянном направлении, и детали являются аномалиями выступов, то есть окончаниями выступов и разветвлениями выступов. В таких ситуациях выступы могут быть без труда определены, а детали могут быть точно определены из утонченных выступов. Рисунок 1б показывает пример изображения отпечатка пальца хорошего качества сканирования. Однако на практике в зависимости от изменений давления нажатия, свойств выступа, состояния кожи (отклонившиеся от нормы структуры эпидермических выступов, послеродовые отметки, профессиональные отметки), считывающего устройства, неконтактной позиции объекта и так далее, значительный процент считанных изображений отпечатков пальца (около 10 процентов, согласно нашим экспериментам) плохого качества. Структуры выступов на изображениях отпечатков пальцев плохого качества не всегда хорошо определяются и, следовательно, они не могут быть правильно обнаружены. Это приводит к следующим проблемам:

1. может быть создано значительное число ложных деталей;
2. может быть проигнорирован большой процент истинных деталей;
3. может быть внесено много ошибок в их локализацию (позиция и ориентация).

Для обеспечения надежности выполнения алгоритма извлечения деталей, независимо от качества изображения отпечатка пальца, необходим расширенный алгоритм, который улучшает четкость структур выступов.

Эксперт по отпечаткам пальцев часто способен правильно распознавать детали, используя различные зрительные подсказки, такие как локальная ориентация выступов, целостность выступов, направление выступов и т. д., до тех пор, пока структуры выступов и впадин не испорчены полностью. Есть возможность разработать алгоритм улучшения, который использует эти визуальные подсказки, для улучшения четкости структур выступов в испорченных изображениях отпечатков пальцев. В общем смысле, для заданного цифрового изображения отпечатка пальца область интереса может быть разделена на следующие три категории (рисунок 3):