Способ кодирования отпечатка папиллярного узора

Изобретение относится к биометрии. Его использование для предварительной обработки при распознавании изображений отпечатков пальцев позволяет получить технический результат в виде повышения быстродействия и достоверности результатов. Способ заключается в формировании паспорта отпечатка пальца путем выделения на изображении папиллярного узора областей информативных и неинформативных зон, папиллярных линий и особенностей в области информативных зон, нумерации особенностей, определения для каждой особенности координат и вектора направления, типа особенности и масштабной характеристики, как среднего расстояния между папиллярными линиями в окрестности особенности. Технический результат достигается за счет того, что одновременно с процессом формирования паспорта отпечатка пальца дополнительно кодируют отпечаток папиллярного узора, строя поля направлений папиллярных линий путем многократной математической обработки изображения отпечатка пальца проекционно-дисперсионным фильтром с последующей обработкой модернизированным медианным фильтром, проводят поиск характерных точек, определяют их типы и координаты, которые используют в качестве центров для осуществления дополнительной пространственно-волновой фильтрации Габора, вычисляют характерные числовые особенности изображения отпечатка пальца путем пространственно-волновой фильтрации Габора в окрестностях каждой найденной характерной точки и сохраняют закодированные данные отпечатка папиллярного узора для последующего распознавания. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области биометрии, а именно к способам распознавания и кодирования отпечатков папиллярных узоров, и может быть использовано для предварительной обработки при распознавании изображений отпечатков пальцев в различных областях информационных технологий, таких как системы идентификации личности человека, информационная безопасность, системы регламентированного управления доступом, а также в области судебной медицины и криминалистики.

Идентификация личности с помощью биометрических технологий является в настоящее время одним из перспективных, бурно развивающихся направлений, среди которых методы и средства, использующие отпечатки пальцев, занимают одно из ведущих мест.

Известен способ формирования признаков для распознавания сегментированных текстурных изображений, заключающийся в выделении на изображении с помощью бинарной маски структурных фрагментов изображения, формировании пространственного фильтра с помощью первого преобразования Фурье, фильтрации сформированного изображения однородной мелкой структуры с выделением фрагментов изображения, выполнении второго преобразования Фурье, измерении координат всех зарегистрированных сигналов взаимной корреляции относительно сигнала автокорреляции и формировании из них последовательности признаков (авт. св. СССР N 1374260, кл. G06К 9/00, оп. 1988).

Недостатком известного метода определения особенностей отпечатков является то, что после определения особенности, остается неясным, является ли эта особенность вообще истинной и какой уровень погрешности в определении параметров особенности можно ожидать. Отсутствие ответа на эти вопросы ставит под сомнение возможность использования указанных методов в тех дактилоскопических системах, в которых нет контроля оператора за правильностью определения особенностей.

Указанный недостаток устранен в известном способе распознавания отпечатков папиллярных узоров (см. патент РФ №2059979, МПК 6 G06K 9/00, оп. 1996.05.10), заключающемся в сканировании изображения папиллярного узора, выделении характерных признаков изображения с последующим их кодированием, формировании массива выделенных характерных признаков и сравнении их кодов с кодами выделенных характерных признаков сравниваемых отпечатков папиллярных линий. Особенностью известного способа является то, что при формировании массива выделенных характерных признаков определяют направление потока папиллярных линий в окрестности точки, соизмеримой с межгребневым расстоянием, производят сглаживание картины потоков заменой значения направления потока на среднее из значений направлений потоков соседних точек, определяют вероятное положение характерных признаков папиллярного узора, определяют функции характерных признаков папиллярного узора и производят последовательное вычленение характерных признаков папиллярного узора, начиная с признака с максимальным значением весовой функции. Таким образом, в известном способе успешно решается не только задача определения положения особенностей, но и задача определения вероятности того, что определена именно особенность, а не точка шума. Это дает возможность использовать только те особенности, которые удовлетворяют определенному критерию точности при заданном уровне вероятности, а не использовать сомнительные особенности. Однако недостатком известного способа является сравнительно невысокая точность кодирования, а следовательно, и распознавания отпечатков папиллярных узоров, что обусловлено большими погрешностями, вызванными разбросом положения пальца пользователя при снятии отпечатка. Это может привести к недостаточному количеству точек, необходимых для кодирования. Кроме того, существуют папиллярные узоры, в которых характерные точки вообще отсутствуют.

Известен также способ кодирования отпечатка папиллярного узора пальца (см. международную заявку РСТ 87/01224, МПК G06К 9/00, оп. 26.02.87, приоритет США от 16.08.85). Способ заключается в том, что на отпечатке папиллярного узора пальца выбирают центр вращения сканирующей линии, который располагают в центре отпечатка, радиально сканируют узор по его характерным точкам, определяя геометрические особенности узора в окрестностях этих точек, путем присвоения заранее определенного кода каждой из характерных точек узора в зависимости от типа характерных точек, т.е. кодируют начала, окончания, слияния, разветвления и другие особенности папиллярных линий. Затем относительно начальной линии сканирования, проходящей через центр отпечатка, определяют угловые координаты сканирующей линии, проходящей поочередно через каждую характерную точку узора, радиальные расстояния и число гребневых линий узора между центром вращения сканирующей линии и характерными точками узора. В результате такого кодирования получают числовой код, с некоторой степенью однозначности описывающий папиллярный узор пальца. Результатом идентификации личности по полному отпечатку папиллярного узора пальца является выдача рекомендательного списка. Для идентификации личности по неполному отпечатку изучают особенности распределения характерных точек на нем, направления и изгибы папиллярных линий. На основании этой информации неполный отпечаток восстанавливают до полного (определяют предполагаемое место центра отпечатка в его дактилоскопическом понимании), после этого кодируют согласно вышеописанному способу и сравнивают с учетными отпечатками.

Недостатком данного способа является низкая точность кодирования полных и тем более неполных отпечатков папиллярных узоров. Этот недостаток обусловлен тем, что в данном способе центр вращения сканирующей линии располагают в центре отпечатка, через который проходит и начальная линия сканирования. Так как центр отпечатка представляет собой не точку, а некоторую область, то в этом случае невозможно однозначно определить положение точки, выбранной за центр вращения сканирующей линии, что может привести к искажению данных при кодировании отпечатка и повлечь за собой ошибки при идентификации личности. Еще большие искажения возникнут при кодировании и идентификации в случае восстановления центра узора в неполном отпечатке. Способ чувствителен к ложно определенным особенностям, требует значительного времени для идентификации узора и зависит от порядка обхода особенностей, который нарушается при смещении центра.

Известен способ кодирования отпечатка папиллярного узора, включающий в себя выделение на папиллярном узоре папиллярных линий во всех его «n» характерных точках (особенностях), определение для каждой особенности вектора направления и координат, типа особенности, вектора и величины кривизны папиллярных линий в окрестности особенности, масштабной характеристики как среднего расстояния между папиллярными линиями в окрестности особенности, а также расстояния и гребневого счета от особенности до остальных «n-1» особенностей, встречающихся в порядке вращения условного вектора вокруг особенности, начиная с вектора направления самой особенности, и углов, которые образуются между вектором направления особенности и условным вектором при встрече условного вектора с очередной из «n-1» особенностей (патент РФ №2054197, МПК 6 G06К 9/46, оп.1996.02.10).

Недостатком известного способа кодирования отпечатка папиллярного узора является большой объем памяти, который требуется для хранения кода папиллярного узора, и низкая точность измерения гребневого счета в случае расположения особенностей вдоль папиллярных линий или в области кручения папиллярных линий.

Наиболее близким к заявляемому способу кодирования отпечатков папиллярных узоров является способ (см. патент РФ №2185660, МПК 7 G06К 9/52, оп. 2002.07.20), который заключается в выделении на папиллярном узоре папиллярных линий и особенностей, нумерации особенностей, определении для каждой особенности вектора направления и координат, типа особенности, масштабной характеристики как среднего расстояния между папиллярными линиями в окрестности особенности. От каждой особенности проводят две проекции на соседние папиллярные линии, затем от каждой особенности проводят сечение вправо и влево на расстояние нескольких папиллярных линий, перпендикулярно касательным к пересекаемым папиллярным линиям, нумеруют в сечении разрезанные линии-связи и для каждой связи определяют числом событие, порождаемое расположенной на связи особенностью или проекцией от особенности, и ассоциируют с событием номер этой особенности. Использование данного способа при идентификации человека по отпечаткам пальцев и ладоней позволяет решить поставленную авторами задачу, которая заключается в уменьшении требуемого объема памяти и повышении точности измерения гребневого счета, что является несомненным достоинством способа.

Однако к недостаткам описанного выше технического решения следует отнести невысокую скорость кодирования и недостаточное быстродействие последующего распознавания, свойственное всем способам, основанным на кодировании минуций. Это объясняется большим объемом вычислительных операций в процессе выявления наиболее близких папиллярных узоров.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение быстродействия и достоверности результатов распознавания за счет процедуры дополнительного кодирования изображения отпечатка пальца, заключающейся в многократной математической обработке изображения папиллярного узора.

Для достижения этого технического результата предлагается способ кодирования отпечатка папиллярного узора, который, как и наиболее близкий к нему способ, выбранный в качестве прототипа, включает выделение на изображении папиллярного узора областей информативных и неинформативных зон, папиллярных линий и особенностей, которые располагаются в области информативных зон, нумерацию особенностей, определение для каждой особенности координат и вектора направления, типа особенности и масштабной характеристики, как среднего расстояния между папиллярными линиями в окрестности особенности.

Особенностью предлагаемого способа, отличающей его от известного способа, является то, что одновременно с процессом формированием паспорта отпечатка пальца осуществляют дополнительное кодирование отпечатка папиллярного узора, заключающееся в построении поля направлений папиллярных линий путем многократной математической обработки изображения отпечатка пальца проекционно-дисперсионным фильтром с последующей обработкой модернизированным медианным фильтром, поиске характерных точек, определении их типов и координат, которые используют в качестве центров для осуществления дополнительной пространственно-волновой фильтрации Габора, вычислении характерных числовых особенностей изображения отпечатка пальца (минуций) путем пространственно-волновой фильтрации Габора в окрестностях каждой найденной характерной точки, сохранении закодированных данных отпечатка папиллярного узора для последующего распознавания.

Для повышения достоверности распознавания при определении характерных точек и минуций ложные особенности могут быть отброшены.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Из патентной и научной литературы (см. Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. - СПб.: Политехника, 2001, стр.19-20) известно, что в каждом отпечатке можно определить признаки двух типов, используемые при их идентификации: глобальные и локальные. К первому типу относятся признаки, которые можно разглядеть и/или различить на отпечатках пальцев невооруженным глазом: папиллярные узоры, область образа, «ядро», пункты «дельта», тип папиллярных линий и их число. Ко второму типу относятся локальные признаки, называемые минуциями: это уникальные для каждого отпечатка признаки, определяющие пункты изменения структуры папиллярных линий (например, разрыв, окончание, раздвоение и т.д.), ориентацию папиллярных линий и координаты X и Y в этих пунктах. Каждый отпечаток может быть представлен 50-70 минуциями. Исследования и практика подтверждают, что в отпечатках пальцев разных людей могут встречаться идентичные глобальные признаки, но при этом вероятность наличия в этих же отпечатках одинаковых микроузоров минуций очень мала. Как правило, глобальные признаки используют при классификации очень больших баз отпечатков пальцев на этапах предварительной классификации. А затем, на втором этапе распознавания используют уже локальные признаки.

Процедуру распознавания условно можно разделить на следующие основные этапы:

- получение отпечатка пальца пользователя;

- формирование (захват) изображения;

- цифровое кодирование изображения отпечатка пальца (формирование паспорта папиллярного узора);

- сохранение данных папиллярного узора для последующей идентификации;

- собственно распознавание, то есть сравнение предъявленного отпечатка пальца конкретного пользователя с заданным паспортом (эталоном), полученным на этапе кодирования, и оценка уровня подобия между ними.

Скорость и достоверность процедуры распознавания в значительной мере зависит от того, каким путем было осуществлено кодирование дактилоскопической информации. В зависимости от поставленных задач кодирование изображения отпечатка пальца может осуществляться либо на основе характерных точек (глобальных признаков), либо на основе минуций (локальных признаков). При этом каждому способу присущи свои достоинства и недостатки, описанные в разделе «Уровень техники» настоящей заявки. Общие выводы, которые можно сделать на основании изучения уровня техники, следующие:

- способам кодирования на основе характерных точек свойственна невысокая точность при высокой скорости процесса кодирования и дальнейшей идентификации;

- способы кодирования на основе минуций отличаются высокой точностью кодирования при сравнительно невысокой скорости дальнейшего процесса сравнения отпечатков.

Способ, выбранный в качестве ближайшего аналога (см. патент РФ №2185660, МПК 7 G06К 9/52, оп. 2002.07.20), основан на кодировании минуций и имеет предел по скорости при сравнении наборов особенностей, который составляет несколько сотен сравнений в секунду. Это принципиальное ограничение объясняется большими затратами, обусловленными многократными вычислениями наименьших дистанций между минуциями с целью установления наиболее схожих отпечатков. Естественно, что скорость сравнения папиллярных узоров, закодированных методом, описанным в прототипе, будет также невысокая.

В отличие от указанного технического решения, заявляемый способ кодирования отпечатка папиллярного узора, обладая, как прототип, высокой точностью, а следовательно, достоверностью результатов распознавания, имеет высокое быстродействие, что является его существенной отличительной особенностью. Эта особенность заявляемого способа обеспечена за счет того, что в отличительную часть формулы введен новый существенный признак - дополнительное кодирование, заключающееся в математической обработке изображения папиллярного узора отпечатка пальца, полученного на этапе регистрации пользователя. Эта высокоскоростная процедура производится одновременно с основным кодированием, которое осуществляется в процессе формирования паспорта папиллярного узора. Указанное дополнительное кодирование осуществляется путем пространственно-волновой фильтрации в области характерных точек с очень высокой скоростью. Осуществляется дополнительное кодирование в следующей последовательности, приведенной в формуле заявляемого изобретения, а именно:

- построении поля направлений папиллярных линий путем многократной математической обработки изображения отпечатка пальца проекционно-дисперсионным фильтром;

- последующей обработки модернизированным медианным фильтром;

- поиске характерных точек, определении их типов и координат, которые используют в качестве центров для осуществления дополнительной пространственно-волновой фильтрации Габора;

- вычислении характерных числовых особенностей изображения отпечатка пальца (минуций) путем пространственно-волновой фильтрации Габора в окрестностях каждой найденной характерной точки;

- сохранении закодированных данных отпечатка папиллярного узора для последующего распознавания совместно с данными, полученными при формировании паспорта отпечатка пальца пользователя.

Важной особенностью заявляемого способа кодирования является то, что кодирование отпечатка пальца фильтром пространственно-волнового резонанса может быть проведено и при отсутствии на отпечатке пальца характерных точек («ядер», «дельт») (такие отпечатки встречаются).

Таким образом, в результате обработки отпечатка папиллярного узора пальца описанным способом к основному набору данных, полученных в результате кодирования по минуциям, добавляется дополнительный набор данных, полученных путем многократной математической обработки изображения отпечатка пальца сначала проекционно-дисперсионным фильтром, затем модернизированным медианным фильтром и, наконец, - фильтром пространственно-волнового резонанса Габора.

Рассмотрим теперь, каким образом происходит распознавание предъявленного отпечатка пальца при его сравнении с эталонным отпечатком, закодированным с помощью заявляемого способа.

В процессе сравнения предъявленного и эталонного отпечатков первым шагом является высокоскоростное сравнение дополнительного кода предъявленного папиллярного узора с кодами всех папиллярных узоров, находящимися в базе данных, полученными путем дополнительного фильтрационного кодирования, заявляемого в предлагаемом способе. Скорость этого сравнения на несколько порядков выше, чем скорость сравнения отпечатков пальцев, основанного только на использовании минуций. В результате получается сравнительно небольшой список отпечатков - претендентов (20-30), имеющих наиболее близкую степень совпадения с предъявленным отпечатком. Следующим шагом является более длительное, но очень точное сравнение, в ходе которого предъявленный отпечаток сравнивается уже только с отобранными 20-30 отпечатками минуциальным методом. Таким образом, происходит существенное увеличение скорости сравнения, так как отпадает необходимость сравнения предъявленного отпечатка с каждым из хранящихся в базе данных отпечатком, закодированным точным, но сравнительно медленным способом - способом кодирования на основе минуций, выбранным в качестве прототипа.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

Предлагаемый способ кодирования отпечатка папиллярного узора иллюстрируется чертежами, на которых представлено:

на фиг.1 - функциональная схема подключения устройства для осуществления предлагаемого способа кодирования отпечатка папиллярного узора;

на фиг.2 - поле направлений папиллярных линий, в котором каждому из четырех направлений соответствует свой цвет;

на фиг.3 - поле направлений папиллярных линий, в котором каждое направление изображено линиями, соответствующими одному из четырех основных направлений: 0°, 45°, 90°, 135° после обработки изображения отпечатка пальца проекционно-дисперсионным фильтром;

на фиг.4 - поле направлений папиллярных линий после обработки (фильтрации, сглаживания) изображения отпечатка пальца модернизированным медианным фильтром;

на фиг.5 - определение наличия «ядра» по комбинации полей направлений (изменение поля направлений папиллярных линий вокруг «ядра»);

на фиг.6 - определение наличия «дельты» по комбинации полей направлений (изменение поля направлений папиллярных линий вокруг «дельты»);

на фиг.7 - изображение папиллярных линий отпечатка пальца после обработки изображения пространственно-волновым фильтром Габора в диапазоне [0-180°);

на фиг.8 - фильтрованное изображение папиллярных линий отпечатка пальца, разбитое на (m×2n) кольцевых сектора.

На фиг.1 введены следующие обозначения:

1 - оптический дактилоскопический сканер;

2 - персональный компьютер;

3 - высокоскоростной интерфейс (USB);

4 - программное обеспечение.

Предлагаемый способ кодирования осуществляется следующим образом.

Изображение папиллярного узора отпечатка пальца сканируется оптическим дактилоскопическим сканером 1 и передается в персональный компьютер 2 посредством высокоскоростного интерфейса 3. Полученное изображение отпечатка пальца должно быть закодировано для того, чтобы полученную информацию об этом папиллярном узоре в дальнейшем можно было использовать для идентификационного поиска (идентификации личности). Эта процедура, которая в патентной литературе называется также формированием паспорта отпечатка пальца (см., например, заявку на изобретение РФ №2003124350, МПК 7 G 06 K 19/073, G07C 9/00, G06F 1/00, оп. 2005.02.10) или эталона отпечатка пальца (см. Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. - СПб.: Политехника, 2001, стр.233), заключается в следующем. На изображении папиллярного узора отпечатка пальца выделяются информативные и неинформативные зоны, что является весьма существенным моментом, так как информативные зоны резко отличаются от смазанных и плохо пропечатанных папиллярных линий неинформативных зон. Все дальнейшие действия способа должны выполняться для особенностей, расположенных на четких и достаточно контрастных папиллярных линиях информативных зон. Выделенные папиллярные линии и особенности нумеруются, для каждой особенности определяются координаты и вектор направления, определяется тип особенности (рассматриваем два типа особенностей: окончание и разветвление папиллярной линии). Для каждой выделенной особенности определяют масштабную характеристику, как среднее расстояние между папиллярными линиями в окрестности особенности. Таким образом, в результате формирования паспорта отпечатка пальца его папиллярный узор преобразуется в уникальный цифровой код. В биометрии понятие «уникальность» означает, что не может быть двух человек, с определенным уровнем вероятности имеющих идентичные характеристики (см. Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. - СПб.: Политехника, 2001, стр.13). Цифровой код является эталонным паспортом регистрируемого пользователя и заносится в базу данных системы для его сохранения и последующего использования при сравнении с предъявляемым папиллярным узором.

Следующим этапом осуществления метода является дополнительное кодирование отпечатка папиллярного узора. Этот этап осуществляется одновременно с цифровым кодированием, производимым на первом этапе при формировании паспорта папиллярного узора, и заключается в следующем.

Сначала путем многократной математической обработки изображения отпечатка пальца проекционно-дисперсионным фильтром определяют поле направлений папиллярных линий.

Для этого задаются размером плавающего окна n_sws более одного шага папиллярных линий и имеющем в пиксельном представлении нечетный размер. Размер плавающего окна определяется шагом папиллярных линий отпечатка, что в свою очередь зависит от разрешения исходного изображения.

Разрешение, dpi	Размер окна, пиксель
500-600	21-25
250-300	11-13

Данный фильтр является крайне трудоемким. Для каждой точки исходного изображения размером W×Н производится следующее количество операций, не считая операций сравнения и присваивания.

Операция	Код	Число операций на точку
++	inc	2n2+6n-2
+	add	6n2+10n+1
-	sub	2n2+6n-2
*	imul	2n+11
/	idiv	4n+9
=	mov	5n2+18n+20
If	cmp+jmp	6n2+9n+9
memset	lodsb	24n-8

Например, для изображения размером 456×548 точек выбирается окно размером 25×25 точек, следовательно, получаем следующее число вычислений:

Операция	Код	Число операций на точку	Число операций на изображение
++	inc	1398	349343424
+	add	4001	999801888
-	sub	1398	349343424
*	imul	61	15243168
/	idiv	109	27237792
=	mov	3595	898347360
If	cmp+jmp	3984	995553792
memset	lodsb	592	147933696
ИТОГО	3782804544

На компьютере с процессором Intel Pentium с частотой 2 ГГц и системной шиной на 266 МГц данная операция будет выполняться более 21 с, при этом необходимо еще выполнять операции сравнения и присваивания, а также изменение и контроль счетчиков циклов, которые по вложенности имеют четвертый порядок. Время, необходимое на операцию, рассчитывается исходя из того, что для чтения/записи результата требуется один такт системный шины и определенное число тактов процессора на саму операцию:

Операция	Код	Число тактов на операцию	Число тактов на изображение	Время, с
++	inc	3	1048030272	1.837336279
+	add	3	2999405664	5.258356546
-	sub	3	1048030272	1.837336279
*	imul	10	152431680	0.133520983
/	idiv	46	1252938432	0.72886693
=	mov	1	898347360	3.826419394
If	cmp+jmp	4	3982215168	5.733791013
memset	lodsb	2	295867392	0.70407541
ИТОГО	11677266240	20.06

Увеличения производительности можно добиться путем некоторого снижения точности получаемого результата. Для этого необходимо задаться некоторым шагом s_sws плавающего окна, т.е. перебирать не все точки исходного изображения, а через s_sws точек по горизонтали и вертикали.

Если выбирать s_sws<n_sws, то происходит перекрытие плавающих окон и результат работы фильтра ухудшается незначительно. При s_sws≥n_sws картина проекционно-дисперсионного фильтра начинает достаточно сильно деградировать, и результат получается крайне неточным. Очевидно, что при такой организации работы фильтра мы получаем в s² _sws раз выигрыш по производительности.

Практически для всех видов изображений сканированных отпечатков параметр s_sws можно выбирать в пределах 4...16.

После определения шага и размера плавающего окна, вокруг некоторой точки изображения с координатами (x, y) в пределах размера плавающего окна вычисляем дисперсии значений в четырех основных направлениях - 0°, 45°, 90°, 135°. Каждое направление кодируется своим числом, в результате работы фильтра получается отображение поля направлений размера состоящее из пяти значений.

После этого, зададимся следующей кодировкой направлений и фона:

g_bg - индекс для фона,

g₀ - индекс для направления 0°,

g₄₅ - индекс для направления 45°,

g₉₀ - индекс для направления 90°,

g₁₃₅ - индекс для направления 135°

При этом должно выполняться следующее неравенство:

g_bg<g₀<g₄₅<g₉₀<g₁₃₅.

Далее делаем следующие вычисления:

- вычисление среднего значения по плавающему окну: среднее значение яркости в пределах плавающего окна вокруг точки (x, y):

Если среднее значение превысит порог яркости для фона, то принимаем в данной точке результат, равный индексу фона:

g(x, y)=g_bg, при μ>=f_bg.

- Вычисление дисперсии в направлении 0°:

Вычисляем средние значения по строчкам плавающего окна:

где k=i.

Вычисляем дисперсию значений α⁰ _k:

- Вычисление дисперсии в направлении 45°:

Вычисляем средние значения по линиям плавающего окна, расположенным под углом 45°:

где k=(i+j)-1.

Вычисляем дисперсию значений α⁴⁵ _k:

- Вычисление дисперсии в направлении 90°:

Вычисляем средние значения по столбцам плавающего окна:

где k=j.

Вычисляем дисперсию значений α⁹⁰ _k.

- Вычисление дисперсии в направлении 135°:

Вычисляем средние значения по линиям плавающего окна, расположенным под углом 135°:

где k=(n-1)+(i-j)+1.

Вычисляем дисперсию значений α¹³⁵ _k:

Далее проводится оценка направления, которая заключается в следующем. Так как дисперсии, вычисленные по углам 45° и 135°, имеют заведомо завышенные значения, то перед сравнением их необходимо скорректировать. Для этого определяется максимальная дисперсия, которая и характеризует преобладающее направление папиллярных линий в заданной точке изображения:

где С - поправочный коэффициент для направлений 0° и 90°, который для большинства изображений отпечатка пальца можно выбирать в пределах от 1,5...2.

Картина поля направлений, полученная после применения проекционно-дисперсионного фильтра, представленная на фиг.2 и фиг.3, будет иметь помехи и неточности. Для построения более «гладкого» поля направлений необходимо удалить появившиеся случайные шумы. Для этой цели используется специальный модифицированный медианный фильтр.

Обработка изображения отпечатка пальца медианным фильтром осуществляется следующим образом.

Задаемся нечетным размером плавающего окна n_sws медианного фильтра. Вокруг некоторой точки изображения с координатами (x, y) в пределах размера плавающего окна вычисляем число повторений каждого значения с учетом коэффициентов, заданных матрицей фильтра размером [n_sws×n_sws]. Значение, которое имеет большее значение счетчика, выбирается в качестве результата фильтрации. Подсчитываем число повторений некоторого значения с учетом коэффициентов матрицы фильтра:

где всего отображения поля направлений;

с_ij - образуют матрицу коэффициентов фильтра:

Для отображения поля направлений, полученного проекционно-дисперсионным фильтром с указанными выше значениями размера и шага плавающего окна, можно принять в качестве размера плавающего окна и матрицы n_sws=3, а в качестве значений элементов матрицы - единицу С_ij=1.

Далее в векторе счетчиков находим максимальное значение и в качестве результата фильтрации в данной точке (x, y) выбираем значение, которое соответствовало этому счетчику:

После медианной фильтрации на картине поля направлений будут удалены случайные выпады значений из общего числа, тем самым картина поля направлений приобретает более «гладкий» вид (см. фиг.4). Данный фильтр является сходящимся и для полноценной картины необходимо выполнять фильтрацию до тех пор, пока отображение поля направлений не перестанет изменяться, т.е. g(x, y)=f(x, y), для всех x и y. Обычно число итераций не превышает 10-ти.

После обработки изображения отпечатка пальца модернизированным медианным фильтром осуществляется поиск глобальных особенностей (характерных точек), определяется тип характерных точек (ядро, дельта и т.д.) и их координаты. Под глобальными особенностями понимаются такие особенности папиллярного рисунка, которые сохраняются от изображения к изображению и в пределах допустимого шума могут быть однозначно определены. Например точки типа «ядро» или «дельта».

Глобальные особенности характеризуются изменением поля направлений, которое вокруг таких особенностей как «ядро» или «дельта» последовательно изменяет свое значение в диапазоне от 0° до 360°. Найденные точки используют затем в качестве центров для осуществления дополнительной пространственно-волновой фильтрации Габора.

Вокруг такой характерной точки папиллярного рисунка как «ядро» направления линий изменяется от 0° до 360° против часовой стрелки. Т.е. если рассмотреть построенное нами поле направлений вокруг этой точки, то мы увидим, как оно последовательно против часовой стрелки изменяет значения в сторону увеличения угла - 0°, 45°, 90° и 135° (см. фиг.5).

Вокруг такой характерной точки папиллярного рисунка как «дельта» направления линий изменяется от 0° до 360° по часовой стрелке. Т.е. если рассмотреть построенное нами поле направлений вокруг этой точки, то мы увидим, как оно последовательно по часовой стрелке изменяет значения в сторону увеличения угла - 0°, 45°, 90° и 135° (см. фиг.6).

После определения глобальных особенностей (характерных точек), их типа и координат осуществляют поиск точек интереса и вычисление центров особенностей.

Первый этап поиска глобальных особенностей - это составление списка точек интереса, т.е. таких точек, в районе которых поле направлений ведет себя характерным для глобальной особенности образом.

Данный поиск осуществляется плавающим окном размера 2×2. Окно строится относительно своего верхнего левого угла, т.е. в рассмотрение попадают кроме точки с координатами (x, y), также точки с координатами (x+1, y),(x, y+1) и (x+1, y+1).

Если среди четырех значений есть значение g_bg, то точка не рассматривается. Аналогично, когда в пределах окна всего одно или два значения, то точка также не рассматривается.

G	gbg		g0	g0		g45	g135		g0	g90
G	g	g45	g135	g90	g90	g0	g135
фон		«ядро»?		«ядро»?		«дельта»?

На рассмотрение попадают точки, вокруг которых имеется три или четыре разных направления. В этом случае анализируется последовательность изменения направлений. Начиная с минимального, они должны последовательно возрастать либо по часовой стрелке - для «дельты», либо против часовой стрелки - для «ядра». Такие точки запоминаются в массивы предполагаемых точек типа «дельта» и «ядро».

g45	g0		g90	g135
g90	g135	g45	g0
«ядро»		«дельта»

Если в окне присутствуют сразу все четыре направления и их последовательность соответствует «дельте» или «ядру», то данная точка принимается за центр данной особенности. Если же в окне присутствуют только три направления, то такая точка требует уточнения.

Уточнение начинается с построения массива дистанций между предполагаемыми точками одного типа, которые дополняют друг друга по не хватающим направлениям. То есть вычисляются дистанции между всеми парами точек одного типа, в которых в сумме присутствуют все четыре направления. Из такого массива выбираются такие пары, дистанция между которыми, во-первых, минимальна, во-вторых, не превышает некоторого предельного значения [D] (обычно квадрат предельной дистанции не превышает 9...40).

Для пар, удовлетворяющих этим условиям, вычисляются координаты среднего положения между ними и принимаются за координаты центра особенности.

Далее изображение обрабатывается плавающим окном нечетного размера n_sws несколько раз для различных направлений распространения волны. Коэффициенты окна вычисляются по формуле и зависят от угла распространения волны. Исходная волна распространяется вдоль оси x с симметричным экспоненциальным затуханием амплитуды:

где f˜ - частота волн, обратно пропорциональная разрешению;

σ˜dpi - обратный коэффициент затухания.

Для распространения волны в произвольном направлении под углом ϕ, имеем следующую зависимость:

где

Для дискретной сетки плавающего окна получим следующее выражение:

где

χ_ij=x_jcosϕ-y_isinϕ.

Результирующее отображение вычисляется следующим образом:

Расчет ведется по n направлениям в диапазоне [0,180), пронумерованным для определенности против часовой стрелки. В результате получаем n фильтрованных изображений (см. фиг.7).

В окрестностях каждой найденной характерной точки путем пространственно-волновой фильтрации Габора вычисляют характерные числовые особенности изображения отпечатка пальца (минуции).

Для вычисления характерных числовых особенностей изображения - минуций фильтрованные изображения разбиваются на m колец, пронумерованных для определенности, начиная от центра, и 2n секторов вокруг геометрического центра глобальных особенностей, которые для определенности пронумерованы против часовой стрелки. Таким образом, на каждом из n фильтрованных изображений мы получаем m×2n областей (см. фиг.8), в каждой из которых вычисляем среднее значение:

где O_kij - область k-го изображения, i-го кольца и j-го сектора;

- число отсчетов изображения, находящихся в области O_kij.

Далее для каждой такой области вычисляется абсолютное среднее отклонение:

В результате вычислений получаем вектор минуций М, состоящий из n×m×2n=2n²w чисел, который внутри разбит на n матриц размером m×2n.

В случае, если элемент сетки выходит за границы изображения или на исходном изображении в этом месте проекцонно-дисперсионным фильтром был определен фон, то в качестве значения записывается -1. И далее в функции сравнения оно не участвует.

Закодированные таким образом данные отпечатка папиллярного узора сохраняются в качестве эталонных вместе с данными, полученными на этапе формирования паспорта отпечатка пальца для последующего распознавания.

Таким образом, использование в предложенном способе дополнительного кодирования изображения отпечатка пальца, заключающегося в многократной математической обработке изображения папиллярного узора, позволяет существенно повысить быстродействие и достоверность результатов последующего распознавания принадлежности предъявленного отпечатка пальца зарегистрированному пользователю.

1. Способ кодирования отпечатка папиллярного узора, заключающийся в формирования паспорта отпечатка пальца, включающего выделение на изображении папиллярного узора областей информативных и неинформативных зон, папиллярных линий и особенностей, которые располагаются в области информативных зон, нумерацию особенностей, определение для каждой особенности координат и вектора направления, типа особенности и масштабной характеристики, как среднего расстояния между папиллярными линиями в окрестности особенности, отличающийся тем, что одновременно с процессом формирования паспорта отпечатка пальца осуществляют дополнительное кодирование отпечатка папиллярного узора, заключающееся в построении поля направлений папиллярных линий путем многократной математической обработки изображения отпечатка пальца проекционно-дисперсионным фильтром с последующей обработкой модернизированным медианным фильтром, поиске характерных точек, определении их типов и координат, которые используют в качестве центров для осуществления дополнительной пространственно-волновой фильтрации Габора, вычислении характерных числовых особенностей изображения отпечатка пальца (минуций) путем пространственно-волновой фильтрации Габора в окрестностях каждой найденной характерной точки, сохранении закодированных данных отпечатка папиллярного узора для последующего распознавания.

2. Способ кодирования отпечатка папиллярного узора по п.1, отличающийся тем, что при определении характерных точек и минуций ложные особенности отбрасываются.