Способ формирования биометрического кода отпечатка пальца

Изобретение относится к области распознавания и кодирования отпечатков папиллярных узоров. Изобретение обеспечивает более высокую надежность биометрического кода отпечатка пальца, уменьшение количества операций при сравнении кодов и формирование кода с учетом возрастания вероятности появления ложных минуций при удалении от центра изображения отпечатка. При обработке электронного изображения папиллярного узора бинаризируют его путем фильтрации, сращивания имеющихся на нем ложных разрывов, удаления ложных слияний линий и выравнивания пикселей электронного изображения относительно заданного порога интенсивности пикселей, после чего формируют остов бинарного электронного изображения путем утончения его линий до заданной толщины. После определения координат минуций на остове папиллярного узора вычисляют центр их масс. Для определения аргументов функции биометрического кода выделяют сердцевины папиллярного узора, для чего для каждой минуции вычисляют ее удаление от центра масс, а в качестве сердцевин принимают минуции с наименьшими значениями их удалений от центра масс. От каждой сердцевины строят деревья к остальным минуциям, вычисляют длины ребер каждого дерева и ранжируют их. Рассчитывают аргументы кучности минуций, на основе которых формируют биометрический код папиллярного узора. 8 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Изобретение относится к области распознавания, представления и воспроизведения данных, а именно способам считывания и распознавания напечатанных или написанных знаков или распознавания образов, в частности отпечатков пальцев и формирования их биометрических кодов.

Известен способ формирования биометрического кода (заявка US 2007/0036401 A1 "System for recognition fingerprint image, method and program for the same", 15 февраля 2007 года), предусматривающий преобразование папиллярного узора отпечатка пальца в электронный вид, обработку его электронного изображения, определение аргументов функции биометрического кода папиллярного узора - координат минуций.

Недостатком данного способа является то, что биометрический код формируется в виде набора координат минуций в чистом виде, а следовательно, большое количество вычислительных операций необходимо выполнять на этапе сравнения биометрических кодов. Еще один недостаток данного способа - неустойчивость к равномерным сжатиям/растяжениям изображения отпечатка.

Известен способ формирования биометрического кода (заявка US 2004/0252868 Al "Method and device for matching fingerprints", 16 декабря 2004 года), предусматривающий преобразование папиллярного узора отпечатка пальца в электронный вид, обработку его электронного изображения, определение аргументов функции биометрического кода папиллярного узора - квадратных областей электронного изображения.

Недостатком данного способа является то, что биометрический код формируется в виде набора квадратных областей изображения, а следовательно, большое количество вычислительных операций необходимо выполнять на этапе сравнения биометрических кодов. Еще один недостаток данного способа - неустойчивость к поворотам изображения отпечатка.

Наиболее близким по своей технической сущности является способ формирования биометрического кода по международной заявке WO 2008/030166 A1 "A method, an apparatus, and a computer program product within fingerprint matching". Способ-прототип заключается в том, что преобразуют папиллярный узор отпечатка пальца в электронный вид, обрабатывают его электронное изображение, определяют координаты минуций папиллярного узора, запоминают их, определяют аргументы функции биометрического кода папиллярного узора, по которым формируют его биометрический код.

По сравнению с аналогами способ-прототип обеспечивает устойчивость к равномерным сжатиям/растяжениям изображения и поворотам отпечатка.

Однако ближайший аналог имеет относительно низкую надежность кода, обусловленную тем, что в нем не учитывают возрастания вероятности появления ложных минуций при удалении от центра электронного изображения отпечатка, также низкая надежность связана с необходимостью выполнения большого числа операций на этапе сравнения биометрических кодов и отсутствием избыточности.

Целью заявленного технического решения является разработка способа формирования биометрического кода отпечатка пальца, обеспечивающего более высокую надежность кода, уменьшение количества операций, выполняемых на этапе сравнения кодов, формирование кода с учетом того, что вероятность появления ложных минуций возрастает при удалении от центра электронного изображения отпечатка.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе формирования биометрического кода отпечатка, содержащего N минуций, заключающемся в том, что преобразуют папиллярный узор отпечатка пальца в электронный вид, обрабатывают его электронное изображение, определяют координаты минуций папиллярного узора, запоминают их, определяют аргументы функции биометрического кода папиллярного узора, по которым формируют его биометрический код, при обработке электронного изображения папиллярного узора (ПУ) бинаризируют его. Бинаризация изображения ПУ заключается в его фильтрации, сращивании имеющихся на нем ложных разрывов, удалении ложных слияний линий и выравнивании пикселей электронного изображения относительно предварительно заданного порога интенсивности И_пор пикселей, который выбирается в пределах 60÷100, причем пиксели с интенсивностью ниже предварительно заданного порога И_пор преобразуют в черные, а пиксели с интенсивностью выше предварительно заданного порога И_пор преобразуют в белые. Затем формируют остов бинарного электронного изображения путем утончения его линий до заданной толщины Δ=1. После определения координат x_n, y_n N минуций, где n=1, 2, _…, N, на остове папиллярного узора вычисляют центр их масс С по формуле Для определения аргументов функции биометрического кода выделяют 2≤K≤N сердцевин папиллярного узора, для чего для n-й минуции вычисляют ее удаление S_n от центра масс С, а в качестве K сердцевин принимают K минуций с наименьшими значениями их удалений S от центра масс С. Затем от каждой k-й сердцевины, где k=1, 2, _…, K, строят деревья к остальным J=N-l минуциям, вычисляют длины ребер каждого k-го дерева, где j=1, 2, _…, J, и ранжируют их, рассчитывают аргументы кучности минуций с сердцевинами путем вычисления соотношений длин ребер каждой k-й сердцевины и углов между j-м и r-м ребром, а биометрический код папиллярного узора формируют в виде , причем значение r и r' выбирают равным j+1.

Благодаря новой совокупности признаков в заявленном способе снижается вероятность появления ложных минуций, так как формирование кода учитывает несколько сердцевин, находящихся в центральной части электронного изображения ПУ, а также необходимые вычислительные операции до сравнения кодов, что обеспечивает повышение надежности биометрического кода отпечатка пальца.

Заявленный способ поясняется изображениями, на которых показаны:

фиг.1 - изображение отпечатка пальца в электронном виде.

фиг.2 - изображение отпечатка пальца после фильтрации.

фиг.3 - изображение отпечатка пальца после сращивания ложных разрывов и удаления ложных слияний.

фиг.4 - бинарное изображение отпечатка пальца.

фиг.5 - остов бинарного изображения отпечатка пальца.

фиг.6 - минуции на остове бинарного изображения отпечатка пальца.

фиг.7 - сердцевины на остове бинарного изображения отпечатка пальца.

фиг.8 - дерево от сердцевины к остальным минуциям.

фиг.9 - биометрический код в матричном представлении.

Заявленный способ реализуется следующим образом.

Известные способы формирования биометрического кода отпечатка пальца, как правило, основаны на определении координат минуций и преобразовании их значений в некоторый набор данных (David Maltoni "Handbook of fingerprint recognition", изд. Springer 2003 г., стр.83). Как правило, в структуре изображения могут появляться ложные минуции, причем с вероятностью, возрастающей при увеличении смещения от центра изображения, для увеличения скорости обработки коды упрощают, при этом на этапе верификации появляется большая вычислительная нагрузка, а надежность кода падает.

Отмеченное указывает на существование проблемы разработки технических решений, обеспечивающих формирование биометрического кода с учетом уменьшения точности координат минуций при увеличении их расстояний от центра изображения, повышение надежности кода и проведение всех расчетных операций до верификации кода.

Отмеченная задача решается в заявленном способе следующим образом.

Электронный вид изображения папиллярного узора отпечатка пальца, показанный на фиг.1, представляет собой растровый рисунок с интенсивностями пикселей в диапазоне 0÷255 (см. стандарт ANSI, www.ansi.com. обращение 19.01.2009), на котором пикселями с меньшей интенсивностью представлены бороздки отпечатка - линии папиллярного узора 1, а пикселями с большей интенсивностью - фон. Исходное изображение содержит высокочастотные помехи - шум и ложные разрывы линий 2 и ложные слияния линий 3 (см. фиг.2), вызванные неплотным прилеганием пальца к поверхности сканирующего устройства.

Технология удаления шума на изображении известна. Для этого его обрабатывают низкочастотным фильтром, например с ядром Гаусса (см. Л.Шапиро, Дж. Стокман «Компьютерное зрение», изд. БИНОМ, 2006 г., стр.196). Результат такого преобразования представлен на фиг.2.

Для исправления ложных разрывов линий 2 и ложных слияний линий 3 применяют известную технологию (см. Sharat Chikkerur, Alexander N. Cartwright "Fingerprint image enhancement using STFT analysis". Center of unified biometrcis and sensors, University at Buffalo, NY, USA, 2003 г.): определяют локальную ориентацию линий и выполняют фильтрацию ядром Габора, результат которой приведен на фиг.3.

Для выравнивания интенсивностей пикселей выполняют пороговую обработку изображения (см. Л.Шапиро, Дж. Стокман «Компьютерное зрение», изд. БИНОМ, 2006 г., стр.116), результат которой представлен на фиг.4. При этом пиксели с интенсивностью ниже предварительно заданного порога преобразуют в черные, а пиксели с интенсивностью выше предварительно заданного порога преобразуют в белые. Исходя из диапазона возможных значений интенсивностей пикселей, наилучшее качество бинарного изображения достигается при И_пор=60 ÷100.

Затем для упрощения процесса поиска минуций выполняют построение остова бинарного изображения, показанного на фиг 5, путем утончения его линий до заданной толщины Δ. Толщину линий остова 8 обычно выбирают равной одному пикселю (Я.А.Фурман, А.Н.Юрьев, В.В.Яшин «Цифровые методы обработки и распознавания бинарных изображений», Издательство Красноярского университета, 1992 г., стр.192).

На остове бинарного изображения определяют координаты минуций 9 (x_n,y_n), расположенных в точках, в которых линии остова 8 раздваиваются или заканчиваются (см. стандарт ANSI, www.ansi.com, обращение 19.01.2009), запоминают их координаты. Размер координатной сетки определяется интервалами x_n=0, 1, X_max, y_n=0, 1,…, Y_max, где X_max и Y_max выбирают в интервале 200÷500 пикселей (см. стандарт ФБР, www.fbi.com, обращение 15.01.2009).

Для того чтобы наибольшее влияние на биометрический код оказывали минуции, находящиеся ближе к центру электронного изображения, вычисляют центр масс минуций 11, изображенный на фиг.7, по формуле Чтобы внести избыточность, повышающую надежность кода, для определения аргументов функции биометрического кода выделяют 2≤K≤N сердцевин 10 папиллярного узора, показанных на фиг.7 в виде концентрических кругов, для чего для n-й минуции 9 вычисляют ее удаление S_n от центра масс 11, а в качестве К сердцевин 10 принимают минуции с наименьшими значениями их удалений S от центра масс 11.

Затем, чтобы все параметры, составляющие биометрический код, были относительные, что делает код устойчивым к поворотам, сдвигам и равномерным сжатиям/растяжениям электронного изображения ПУ, от каждой k-й сердцевины 10, где 1, 2, …, K, строят ребра деревьев 12 к остальным J=N-1 минуциям 9. Одно из таких деревьев представлено на фиг.8. Вычисляют длины ребер 12 каждого k-го дерева, где j=1, 2, …, J, и ранжируют их. Рассчитывают аргументы кучности минуции с сердцевинами путем вычисления соотношений длин ребер 12 каждой k-й сердцевины и углов между j-м и r-м ребром, а биометрический код папиллярного узора формируют в виде , который представляет собой матрицу размерности K×J, показанную на фиг.9.

За счет выбора сердцевин сформированный биометрический код в большей степени подвержен влиянию минуций, находящихся ближе к центру электронного изображения. Все параметры, составляющие биометрический код, относительные, что делает код устойчивым к поворотам, сдвигам и равномерным сжатиям/растяжениям электронного изображения ПУ, а также исключает необходимость выполнения расчетных операций на этапе сравнения кодов. Этим и обусловлено достижение сформулированного технического результата - обеспечение более высокой надежности кода, уменьшение количества операций, выполняемых на этапе верификации кода, формирование кода с учетом того, что вероятность появления ложных минуций возрастает при удалении от центра электронного изображения отпечатка.

1. Способ формирования биометрического кода отпечатка пальца, содержащего N минуций, заключающийся в том, что преобразуют папиллярный узор отпечатка пальца в электронный вид, обрабатывают его электронное изображение, определяют координаты минуций папиллярного узора, запоминают их, определяют аргументы функции биометрического кода папиллярного узора, по которым формируют его биометрический код, отличающийся тем, что при обработке электронного изображения папиллярного узора бинаризируют его путем фильтрации, сращивания имеющихся на нем ложных разрывов, удаления ложных слияний линий и выравнивания пикселей электронного изображения относительно предварительно заданного порога интенсивности пикселей, после чего формируют остов бинарного электронного изображения путем утончения его линий до заданной толщины Δ, а после определения координат x_n,y_n N минуций, где n=1, 2, …, N, x_n=0, 1, …, X_max, y_n=0, 1, …, Y_max, на остове папиллярного узора вычисляют центр их масс С, причем для определения аргументов функции биометрического кода выделяют 2≤K≤N сердцевин папиллярного узора, для чего для n-й минуции вычисляют ее удаление S от центра масс С, а в качестве К сердцевин принимают К минуций с наименьшими значениями их удалений S от центра масс С, затем от каждой k-й сердцевины, где k=1, 2, …, K, строят деревья к остальным J=N-l минуциям, вычисляют длины ребер каждого k-го дерева, где j=1, 2, …, J, и ранжируют их, рассчитывают аргументы кучности минуций с сердцевинами путем вычисления соотношений длин ребер , каждой k-й сердцевины и углов между j-м и r-м ребром, а биометрический код папиллярного узора формируют в виде

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что толщину линий остова бинарного изображения Δ выбирают равной одному пикселю электронного изображения папиллярного узора.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что центр масс минуций вычисляют по формуле .

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для выравнивания интенсивностей пикселей электронного изображения папиллярного узора пиксели с интенсивностью ниже предварительно заданного порога преобразуют в черные, а пиксели с интенсивностью выше предварительно заданного порога преобразуют в белые.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что предварительно заданный порог интенсивности пикселей выбирают в интервале 60÷100.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение r выбирают равным j+1.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение r' выбирают равным j+1.

8. Способ по п.1, отличающейся тем, что значение X_max выбирают в интервале 200÷500 пикселей.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение Y_max выбирают в интервале 200÷500 пикселей.