一種指紋圖像信息編碼方法
2023-05-30 03:08:11
一種指紋圖像信息編碼方法
【專利摘要】本發明公開了一種指紋圖像信息的編碼方法。以指紋特徵點之間的相對位置、指紋特徵點的類型以及指紋特徵點之間連線穿越的紋線數目作為對特徵點編碼的主要依據，對於多次採集的同一個手指的不同指紋圖像，能夠生成同樣的編碼；而對於來自不同手指的指紋圖像，則生成不同的編碼。從而克服了目前指紋識別技術中只能對不同的指紋圖像進行相似度高低的判別，而無法生成穩定編碼的不足。本發明編碼方法中可以根據應用的需要，通過特徵點數目和編碼輪數的選擇，靈活的確定指紋特徵編碼的長度，在生物特徵與密碼學結合的應用領域，具有廣泛的應用。
【專利說明】一種指紋圖像信息編碼方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生物特徵信息編碼技術，具體是指一種人體指紋圖像信息編碼的實現方法。
【背景技術】
[0002]隨著整個社會對信息基礎設施的依賴程度越來越大，信息安全問題表現的越來越突出。密碼學是信息安全的核心，對保證信息的機密性和完整性起著重要作用。密碼學方案中密鑰管理十分重要，目前主要通過智慧卡加口令的方式進行保護，即將用戶的密鑰存儲在智慧卡中並需要通過口令才能訪問智慧卡的信息，然而這種方式具有以下問題:(I)短口令易受暴力破解而長口令難以記憶，(2)智慧卡存在丟失和被盜風險。由於人體生物特徵具有普遍性、唯一性、可採集性、穩定性的特點，利用人體生物特徵與傳統密碼學結合來構造密碼學方案無疑可以改善上述問題，顯著增強系統的安全性和使用便利性。
[0003]生物特徵密碼學方案的核心問題之一就是如何對生物特徵信息進行編碼，以進一步產生可以用於密碼學方案中的密鑰。然而生物特徵的引入並非那麼容易，以人體生物特徵識別中使用最廣泛的指紋為例，對於同樣的一個人，其每次採集的指紋特徵並不是完全一樣的，不能直接生成密碼學方案中要求的穩定編碼。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在於提供一種利用人體指紋信息生成可用於密碼學方案中的穩定編碼的實現方法。
[0005]通過指紋採集儀採集用戶的指紋圖像並輸入計算機，電腦程式對指紋圖像進行圖像分割、圖像濾波、圖像二值化、圖像細化等預處理操作之後，得到一幅指紋的骨架圖，骨架圖中紋線的寬度僅為一個像素。得到指紋骨架圖之後，再利用指紋特徵提取算法提取出指紋特徵點。如上所述的對原始指紋圖像進行分割、濾波、二值化、細化以及特徵點提取的操作，可以採用已有的公開成熟算法，本申請書中不再贅述。為了更好的實現本發明，所述指紋採集儀採集的用戶指紋圖像應具有較好的質量，即對於每次採集的手指指紋圖像，可以有一定的平移、旋轉以及噪聲幹擾，但經圖像預處理和特徵提取後能得到真實的指紋特徵點。所述指紋特徵點包括指紋圖像的中心點、三角點以及指紋紋線的分叉點和端點四種類型，經特徵提取後能得到原始指紋圖像中這四類點在圖像中的坐標位置。
[0006]本發明的目的是通過如下的手段實現的。
[0007]—種指紋圖像信息的編碼方法，輸入指紋圖像經預處理後的指紋骨架圖以及已經提取出來的指紋類型、指紋的中心點、三角點、分叉點及端點，經編碼處理獲得指紋圖像所對應的具有一定長度的穩定編碼，即具有一定長度的比特串，其特徵在於，所述編碼處理包括以下主要步驟:
[0008](SI)配準:針對五種指紋類型，按照以下規則進行圖像的配準，具體為:對於鬥形指紋，有二個中心點，將上面的中心點作為圖像中心原點0，並旋轉使得二個中心點的連線為圖像的垂直線；對於左箕形、右箕形和帳形指紋，都有一個中心點和一個三角點，將中心點作為圖像中心原點O，並旋轉使得中心點和三角點的連線為圖像的垂直線，且中心點在三角點的上方；對於拱形指紋，旋轉使拱的垂直線為圖像的垂直線，並選取垂直線上在水平紋線及其上的第一根紋線之間部分的中點作為圖像的中心原點O ;
[0009](S2)分區:對於已經配準後的指紋骨架圖進行分區，以圖像中心O為原點，(因為骨架圖指紋紋線之間的距離一般為七-八個像素點，特徵點之間一般距離至少都在七個像素點之上，所以我們)以三個像素為間距將圖像以原點為中心劃分為由內到外的一系列正方形邊帶。最靠近原點的正方形邊帶為圖像I區，向外依次為圖像2區，圖像3區，依次類推，直到圖像邊緣為止；
[0010](S3)特徵點編號:特徵點按自然數順序編號並遵循如下原則，中心原點O為I號，低區特徵點的編號小於高區特徵點的編號，在同一正方形分區內，以水平軸原點右側即正X軸為初始軸，按照逆時針方向對依次出現的特徵點進行順序編號，最終η個特徵點將會按照其在圖像上的相對位置依次被編號為Pl，Ρ2，…，Pn ；
[0011](S4)特徵點編碼:按照所需特徵編碼的長度要求，從前往後選取一定數量的特徵點，比如η個；基於點Px (對第一輪編碼，Px = Ρ3)，按照如下規則對Px後的每一個特徵點進行編碼:將每一個特徵點編成一個八位的代碼，從左到右的前二位為特徵點類型編碼，00為中心點、01為三角點，10為分叉點，11為端點；後6位為特徵點與Ρ3之間連線所穿越的指紋紋線數目；
[0012](S5)判斷是否進行新一輪編碼？如果需要，則轉步驟S6 ;如果不需要，則轉步驟S7 ；
[0013](S6)將基準點Px後移一個(即第一輪基於Ρ3，則第二輪基於Ρ4，依次類推)，然後轉步驟(S4);易知，最多可以進行η-3輪編碼；
[0014](S7)編碼合成:依次將每一輪中的每一個特徵點編碼連接在一起，便可以形成指紋圖像對應的最後編碼。
[0015]為了更好的實現本發明，根據指紋特徵點的特點，即分布在圖像中央的特徵點更不易受噪聲幹擾，並且一幅指紋圖像能提取二十多個有效的特徵點，所以一般選取13個特徵點用於編碼。即第一輪編碼將產生10*8 = 80位的編碼，第二輪編碼將產生9*8 = 72位的編碼，依此類推。
[0016]本發明與現有技術相比，具有如下的優點和有益效果:
[0017](I)本發明通過構建基於人體指紋圖像的編碼方法，能夠直接生成可用於密碼學方案中的穩定編碼，而以往指紋識別方案只能對不同的指紋圖像進行比對判斷其相似程度，並進而確定其是否來自同一個人，而不能生成穩定的編碼。
[0018](2)本發明通過將指紋特徵點之間的相對位置、指紋特徵點的類型以及指紋特徵點之間連線穿越的紋線數目作為對特徵點編碼的主要依據，由於以上三個因素都具備高度穩定性，所以本發明提出的方法具備好的穩定性和魯棒性。
[0019](3)本發明通過選取特徵點數目以及選擇編碼輪數，可以按照各種應用方案中對需要的編碼的長度要求，靈活的生成相應長度的編碼，實用性較好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發明的指紋類型示意圖。
[0021]圖2是本發明的指紋特徵點示意圖。
[0022]圖3是應用本發明時的流程框圖。
[0023]圖4是對特徵點進行分區編碼的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合實施例對本發明作進一步的詳細說明，但本發明的實施方式不限於此。
[0025]實施例
[0026]圖1是本發明中涉及到的指紋類型示意圖。根據指紋識別技術理論，人體指紋可以劃分為拱形、帳形、左箕形、右箕形和鬥形五種類型，如圖所示，拱形無中心點和三角點，帳形、左箕形和右箕形都有一個中心點和一個三角點，鬥形有二個中心點和二個三角點。
[0027]圖2是本發明中指紋圖像信息編碼方法涉及到的四種指紋特徵點的示意圖，即指紋中心點、三角點、分叉點和端點。
[0028]根據目前公知的指紋識別技術，能夠對質量良好的原始指紋圖像進行處理，進行正確的分類和以上四種指紋特徵點的提取。對於來自同一個人的同一手指的指紋特徵，每次指紋識別提取的特徵點的絕對位置坐標是不同的，但特徵點間的相對位置關係保持不變。
[0029]圖3是本發明指紋圖像信息編碼方法中對於指紋圖像分區的示意圖。圖中心的黑塊代表經指紋圖像配準選定的中心原點，為圖像上的一個像素。然後以3個像素為間距，向外擴展為一系列的正方形邊帶，最靠近原點的正方形邊帶為圖像I區，向外依次為圖像2區，依次類推。P3和P4都是從指紋圖像中提取出來的特徵點(分別為I個像素)，由於它們位於同一個圖像分區，按照正X軸起始逆時針旋轉的編號原則，所以P4在P3的逆時針方向。
[0030]圖4是本發明指紋圖像信息編碼方法的主要工作流程圖。其具體步驟如下:
[0031](SI)配準。針對五種指紋類型，按照確定的規則進行圖像的配準，具體為:對於鬥形指紋，有二個中心點，將上面的中心點作為圖像中心原點0，並旋轉使得二個中心點的連線為圖像的垂直線；對於左箕形、右箕形和帳形指紋，都有一個中心點和一個三角點，將中心點作為圖像中心原點0，並旋轉使得中心點和三角點的連線為圖像的垂直線，且中心點在三角點的上方；對於拱形指紋，旋轉使拱的垂直線為圖像的垂直線，並選取垂直線上在水平紋線及其上的第一根紋線之間部分的中點作為圖像的中心原點O。
[0032](S2)分區。對於已經配準後的指紋骨架圖進行分區，因為骨架圖指紋紋線之間的距離一般為七-八個像素點，特徵點之間一般距離至少都在七個像素點之上，所以我們以圖像中心O為原點，以三個像素為間距將圖像以原點為中心劃分為由內到外的一系列正方形邊帶。最靠近原點的正方形邊帶為圖像I區，向外依次為圖像2區，圖像3區，依次類推，直到圖像邊緣為止。
[0033](S3)特徵點編號。特徵點按自然數順序編號並遵循如下原則，中心原點O為I號，低區特徵點的編號小於高區特徵點的編號，在同一正方形分區內，以正X軸為初始軸，按照逆時針方向對依次出現的特徵點進行順序編號。最終η個特徵點將會按照其在圖像上的相對位置依次被編號為PI, Ρ2, -,Pn0
[0034](S4)特徵點編碼。按照所需特徵編碼的長度要求，從前往後選取一定數量的特徵點，比如η個。基於點Px (對第一輪編碼，Px = Ρ3)，按照如下規則對Px後的每一個特徵點進行編碼:將每一個特徵點編成一個八位的代碼，從左到右的前二位為特徵點類型編碼，00為中心點、01為三角點，10為分叉點，11為端點。後六位為特徵點與Ρ3之間連線所穿越的指紋紋線數目。
[0035](S5)判斷是否進行新一輪編碼？如果需要，則轉步驟S6 ;如果不需要，則轉步驟S7 ；
[0036](S6)將基準點Px後移一個(即第一輪基於Ρ3，則第二輪基於Ρ4，依次類推)，然後轉步驟(S4)。易知，最多可以進行η-3輪編碼。
[0037](S7)編碼合成。依次將每一輪中的每一個特徵點編碼連接在一起，便可以形成指紋圖像對應的最後編碼。
[0038]為了更好的進行編碼方法的描述，進一步舉例進行說明。假設採集原始指紋圖像並進行識別後，判斷出指紋類型為左箕形，並提取出了包括指紋中心點、三角點、分叉點和端點的若干特徵點。首先對圖像配準，然後劃分分區，按照特徵點所處分區從小到大，以及同一分區內特徵點與原點連線與X軸正向夾角從小到大的順序，不妨設前13個特徵點為Pl, Ρ2，Ρ3，Ρ4，Ρ5，Ρ6，Ρ7，Ρ8，Ρ9，Ρ10, Pll, Ρ12，Ρ13。對於第一輪編碼，即基於 Ρ3，分別對P4，P5，-Px,…，Ρ13進行編碼並進行合成。不失一般性，假設Px為提取出來的分叉點，Px與Ρ3之間穿過的紋線數目為23，則按照步驟S4所述的編碼規則，對Px生成的8位編碼的前2位是10 (代表分叉點)，後6位為23的6位二進位編碼為010111，則Px在本輪中生成的8位編碼為10010111。
[0039]如上所述，便可以很好的實現本發明。
【權利要求】
1.一種指紋圖像信息的編碼方法，輸入指紋圖像經預處理後的指紋骨架圖以及已經提取出來的指紋類型、指紋的中心點、三角點、分叉點及端點，經編碼處理獲得指紋圖像所對應的具有一定長度的穩定編碼，即具有一定長度的比特串，其特徵在於，所述編碼處理包括以下主要步驟: (51)配準:針對五種指紋類型，按照以下規則進行圖像的配準，具體為:對於鬥形指紋，有二個中心點，將上面的中心點作為圖像中心原點O，並旋轉使得二個中心點的連線為圖像的垂直線；對於左箕形、右箕形和帳形指紋，都有一個中心點和一個三角點，將中心點作為圖像中心原點O，並旋轉使得中心點和三角點的連線為圖像的垂直線，且中心點在三角點的上方；對於拱形指紋，旋轉使拱的垂直線為圖像的垂直線，並選取垂直線上在水平紋線及其上的第一根紋線之間部分的中點作為圖像的中心原點O ; (52)分區:對於已經配準後的指紋骨架圖進行分區，以圖像中心O為原點，以三個像素為間距將圖像以原點為中心劃分為由內到外的一系列正方形邊帶；最靠近原點的正方形邊帶為圖像I區，向外依次為圖像2區，圖像3區，依次類推，直到圖像邊緣為止； (53)特徵點編號:特徵點按自然數順序編號並遵循如下原則，中心原點O為I號，低區特徵點的編號小於高區特徵點的編號，在同一正方形分區內，以水平軸原點右側即正X軸為初始軸，按照逆時針方向對依次出現的特徵點進行順序編號，最終η個特徵點將會按照其在圖像上的相對位置依次被編號為Pl，Ρ2，…，Pn ； (54)特徵點編碼:按照所需特徵編碼的長度要求，從前往後選取一定數量的特徵點，比如η個；基於點Px (對第一輪編碼，Px = Ρ3)，按照如下規則對Px後的每一個特徵點進行編碼:將每一個特徵點編成一個八位的代碼，從左到右的前二位為特徵點類型編碼，OO為中心點、01為三角點，10為分叉點，11為端點；後6位為特徵點與Ρ3之間連線所穿越的指紋紋線數目； (55)判斷是否進行新一輪編碼如果需要，則轉步驟S6;如果不需要，則轉步驟S7 ； (56)將基準點Px後移一個(即第一輪基於Ρ3，則第二輪基於Ρ4，依次類推)，然後轉步驟(S4);易知，最多可以進行η-3輪編碼； (57)編碼合成:依次將每一輪中的每一個特徵點編碼連接在一起，便可以形成指紋圖像對應的最後編碼。
2.根據權利要求1所述的一種指紋圖像信息的編碼方法，其特徵在於，步驟(S2)中提到的分區是按照等間距將圖像由中心向外擴展形成的同心矩形區域，步驟(S2)中的間距取為三個像素，但間距也可以取為其它值。
3.根據權利要求1所述的一種指紋圖像信息的編碼方法，其特徵在於，步驟(S4)中對特徵點Px進行編碼利用了 Px與基準特徵點之間連線穿越的紋線的條數，以及特徵點Px的類型信息，都具有相當的穩定性。
4.根據權利要求1所述的一種指紋圖像信息的編碼方法，其特徵在於，可以根據應用對指紋圖像信息編碼的要求，如果選定η個特徵點，則可以按順序分別以第3個，第4個，......，第n_l個特徵點為基準點,分別生成第I輪編碼,第2輪編碼，......，第n_3輪編碼，即最多可以生成不同長度字節的η-3輪編碼；第一輪生成的編碼長度最長，最後一輪生成的編碼長度最短。
【文檔編號】G06T9/00GK104376307SQ201410681121
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月24日 優先權日:2014年11月24日
【發明者】王明文, 鄭偉範, 唐東明 申請人:西南交通大學