计算机应用研究
APPLICATION RESERCH OF COMPUTERS
2000  Vol.17　No.1　P.76-77




指纹图象合成分割法
冯星奎　颜祖泉　肖兴明　尹洪君
摘 要 对图象分割中的方差法、方向图法和简单阈值法进行了研究和试验，发现它们用于指纹图象分割时，单独使用起来，效果都不尽理想，但它们各有所长，优缺点互补。把这三种方法有机地结合起来，形成了一种性能优良的指纹图象摵铣煞指罘〝。
关键词 图象处理 指纹 分割 方向图 阈值
1 引言
　　一个针对指纹特点的好的图象分割算法，对指纹图象进行分割后，结果应当满足以下三条 [1]：
　　①在一个区域内指纹的纹线走向大致相同；
　　②指纹的纹线不应有太多的中断和相连；
　　③指纹纹线间的距离应大致相同。
　　本文对指纹图象分割中的三种典型算法棗方向图法、方差法和简单阈值法进行了分析和研究，指出了它们用于指纹图象分割时各自存在的优缺点，最后取长补短，提出一种速度既快、效果又好的指纹图象分割法棗合成法。
2 典型算法
2.1 方差法
　　这种方法[2]是把图象分成m×n个互不重叠的矩形块，计算各个块内的方差：
　　其中V(k)是某个块k的方差， C(i,j)是块内点(i,j)处的灰度值， M(k)是该块的灰度均值，N为块内点的总数。
　　一般情况下，在背景区域方差值较小，而在前景区域方差值较大。所以这里用一个全局性的适合整个图象的阈值来分割图象。当某块的方差值大于该阈值时，表明该块为前景区域。
　　这种方法对那些对比度强的图象非常有效，但对那些对比度较低的图象则效果较差。因此，该方法用于指纹图象分割时，在非指纹区域效果较好，但对指纹区域内的前景(脊线)和背景(谷线)却无法识别，不能体现出指纹脊线及其方向。而且，该方法对噪声比较敏感，抗干扰力差。
2.2 方向图法
　　该算法[3]直接针对指纹原图象进行，利用指纹灰度图象的统计信息，对图象中每一点用图1所示的9×9方窗掩膜计算。
　　令图中　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(1)
　　代表8个方向上的和值。那么，有下面两个判断条件成立：
　　当时，C点为前景，否则为背景 (2)
　　当时，C点为前景，否则为背景 (3)
　　把(2)式和(3)式两个判断规则综合起来可以收到更好的效果，即
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(4)
　　当上式成立时，C点处于脊线上，是前景点，否则，C点是背景点。
　　该方法充分利用了指纹的方向信息来分割，所以，在指纹区域因有指纹的方向信息作指导，不管图象对比度高低，噪声干扰与否，总能取得理想的分割效果，且对指纹断裂和粘连有连接和隔离的功效；但是在非指纹区域，由于没有指纹方向信息作指导，该方法便不尽如人意，效果较差，常把大量的背景点误作前景。
2.3 简单阈值法
　　这是最简单的分割方法，通过设置一门限值(阈值)T，直接把图象象素点按灰度级分为大于和小于T的两组，即：
　　一般情况下，图象中前景部分灰度值较高，背景部分灰度值较低，所以我们把大于T的象素点作为图象前景，小于T的象素点作为图象背景。
　　该方法用于指纹图象分割时，效果较差，容易造成指纹纹线的断裂、粘连，对噪声也非常敏感。
3 合成法
　　从上述对三种典型分割方法的讨论可看出，它们各有优缺点，单独使用起来，效果都不尽理想。但它们是各有所长，优缺点互补。
　　方差法对非指纹区域的分割效果较好，而对指纹区域的分割效果较差，方向图法则正好相反。因此，分割时，若把方差法和方向图法有机地结合起来，再利用简单阈值法去除边缘效应，即可实现对整个指纹图象较好的分割效果。其具体算法如下：
令，V (i,j)表示指纹图象内各块的方差值；
　　g (i,j)表示指纹图象内各点的灰度值；
　　A(i,j)表示用方向图法分割后的指纹图象中各点的值。
　　B(i,j)表示用方差法分割后的指纹图象中各点的值；
　　C(i,j)表示用简单阈值法分割后的指纹图象中各点的值；
　　D(i,j)表示用合成法分割后的指纹图象中各点的值。
那么 
　　从上面的算法可看出，若VTHR=1，则该算法蜕变成方差法；若VTHR=0， GRAY=0，则该算法蜕变成方向图法；若VTHR=0， GRAY=256，则该算法蜕变成简单阈值法。因此，该算法是对方差法、方向图法和简单阈值法三法取长补短后的一个有机的综合体。
4 实验结果
　　作者在微机上用MATLAB语言实现了上述算法。实验结果如图2所示，其中，指纹原始图象如图2(a)所示，用方差法分割后的结果如图2(b)所示，用方向图法分割后的结果如图2(c)所示，用简单阈值法分割后的结果如图2(d)所示，合成法分割的结果如图2(e)所示。
　　由图可见，合成法的分割结果比其它三种方法的分割结果效果都好，它很好地满足了进行二值化的各种要求。分割后的指纹图象，指纹纹线清晰、流畅，纹间距离大致相同，纹线不但没有太多的中断和相连，反而其中存在的断裂和粘连被有效地连接和隔离。

图2　实验结果
5 结论
　　综上所述，本文提出的这种指纹图象合成分割法，是对方差法、方向图法和简单阈值法三法取长补短后的一个有机的综合体，而不是三种方法的简单相加或组合。由于该法设计时充分考虑了指纹的具体特点，不但效果极佳而且速度较快，因此不失为好的指纹图象分割法。
冯星奎（第二炮兵驻中物院型号办事处 四川绵阳 621900）
颜祖泉（第二炮兵驻中物院型号办事处 四川绵阳 621900）　
肖兴明（第二炮兵驻中物院型号办事处 四川绵阳 621900）　
尹洪君（第二炮兵驻中物院型号办事处 四川绵阳 621900）
参考文献
1，胡骏华. 指纹锁指纹鉴定算法的研究. 中国科学院自动化研究所硕士学位论文. 1995
2，Mehtre B M, Chatterjee B. Segmentation of fingerprint image-a composite method. Pattern Recognition. 1989, 22(4): 381～385
3，Candela G T, Grother P J, Watson C I.PACASYS: a Pattern-level Classification Automation System for Fingerprints. National Inst. of Standards and Technology. 1994
收稿日期：1999年6月28日
