1、本科毕业设计（论文）题目 指纹增强算法的研究学生姓名： 专 业： 指导教师： 完成日期： 注意上、下、左、右两端对齐小二黑体居中，标题应简明、具体、确切，概括文章的要旨。中文标题不超过 20 个汉字，必要时可加副标题。避免使用非正规的缩略语、字符、代号以及结构式和公式。诚 信 承 诺 书本人承诺：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签 名： 日 期： 本论文使用授权说明本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：
2、学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。（保密的论文在解密后应遵守此规定）学生签名： 指导教师签名： 日期： 南通大学毕业设计（论文）I摘 要指纹在生物识别应用中的形式最为广泛，具有唯一性和不变性。指纹增强的主要任务是恢复指纹脊线的结构缺陷，其目的是通过改善指纹脊线质量来提高指纹特征提取的精度，进而提高指纹识别的精度。在系统研究指纹增强算法的基础上，介绍了指纹增强的研究背景及现状，论述了指纹增强的概念及指纹增强的各种实现方法。除空间域增强和频域增强外，重点介绍了Gabor 滤波器在指纹增强技术中的应用，并且在此基础上提出了改进算法。仿真显示Ga
3、bor 滤波法在指纹增强技术中具有很好的带通特性，也具有很好的方向和频率选择特性。因此，用 Gabor 滤波器对原始指纹图像进行滤波可以有效地去除脊线方向的噪声，保存真实的脊线结构。Log-Gabor 滤波法作为改进算法，弥补了 Gabor 滤波法的缺陷，改善指纹图像的滤波效果。关键词：指纹增强，脊线方向，脊线频率，Gabor 滤波摘要是以提供文献内容梗概为目的，不加评论和补充解释，简明、确切地记述文献重要内容的短文。其要素一般包括：目的研究、研制、调查等的前提、目的和任务，所涉及的主要范围；方法所用的原理、理论、条件、对象、材料、工艺、结构、手段、装备、程序等；结果实验的、研究的结果，数据，
4、被确定的关系，观察结果，得到的效果，性能等；结论结果的分析、研究、比较、评价、应用，提出的问题，今后的课题，假设，启发，建议，预测等； 写摘要时不得简单地重复题名中已有的信息，要排除在本学科领域中已成常识的内容，要用第三人称的写法。应采用“对进行了研究”、 “报告了现状”、 “进行了调查”等记述方法，不使用“本文”、 “作者”等作为主语。摘要的第一句不要与题目重复；取消或减少背景信息，只表示新情况、新内容；不说空洞的词句，如“本文所讨论的工作是对过去的一个极大地改进”、 “本工作首次实现了”、“经检索尚未发现与本文类似的工作”等；此外，作者的打算及未来的计划不能纳入摘要。页眉，宋体小五号字，左
5、对齐一级标题 小三号黑体加粗居中，段前段后为 0.5 行距。中文摘要小四号宋体字，1.5 倍行距，首行缩进 2 汉字符，正文格式，两端对齐。摘要不少于 300 个汉字符列出 35 个关键词，以关键字与课题间关联性由强到弱顺序排列，关键词之间用分号相隔，结束处不用标点符号。小四号宋体字，行距 1.5 倍，与摘要之间空一行。四号宋体加粗南通大学毕业设计（论文）IIABSTRACTIn biometric identification, the most widely used form was the fingerprint, which has unique and invariable pro
6、perty. The main task of fingerprint enhancement was to restore the structural defects of its ridge. The ultimate goal was to improve the accuracy of fingerprint feature extraction by improving the quality of the ridge, leading to improving the accuracy of fingerprint identification.Based on the fing
7、erprint enhancement algorithms, the paper introduced the research background, actuality of fingerprint enhancement, the concept of fingerprint enhancement and various implementation methods. Other than spatial and frequency domain enhancement, the paper focused on introducing the Gabor filter in fin
8、gerprint image enhancement techniques and putting forward some improved algorithms. The Gabor filtering has nice band pass ability in fingerprint enhancement from simulation results, with nice direction and frequency selectivity. Thus, Gabor filtering can effectively remove the noise of the ridge al
9、ong its direction, also save the true ridge structure. As an improved algorithm, Log-Gabor filter which can make up the defect of Gabor filter improves the final effect of filtering.Keywords: Fingerprint Enhancement, Ridge Orientation, Ridge Frequency, Gabor Filtering英文摘要撰写注意事项：(1) 尽量取消不必要的字句：如“It i
10、s reported”， “The author discusses”， “In this paper， ”。 (3) 采用短句叙述，但要避免句形单调；目的、方法、结果用过去时态，结论用一般现在时态；尽量用主动语态代替被动语态；可用动词的情况应尽量避免用动词的名词形式；避免使用一长串形容词或名词来修饰名词；注意冠词用法，不要误用、滥用或随便省略冠词。(4) 语言要精炼，多用简短、词义清楚、熟悉的词；避免使用文学性的描述手法撰写文摘。(5) 对已经为大众所熟悉的缩写词可直接使用，对于那些仅为同行所熟悉的缩略语，应在题目、摘要或关键词中至少出现一次全称。英文摘要应与中文摘要内容相对应，缩写词首次出
11、现时应写明全称。字体为 Time New Roman，首行缩进 2 字符，正文格式，两端对齐。严禁使用翻译软件直接进行全文翻译。小四号 Time New Roman 字，每个独立实词首字母大写，其他格式与中文摘要一致。左对齐，四号 Time New Roman 加粗字，首字母大写， “:”后空一格第二行与上一行左对齐南通大学毕业设计（论文）III目 录摘 要 .IABSTRACT.II第一章 绪 论 .11.1 本课题研究的意义 .11.2 研究领域现状 .11.3 发展趋势 .21.4 所做的主要工作 .3第二章 指纹增强的意义及应用 .42.1 指纹图像的特征和分类 .42.2 指纹图像中
12、的噪声 .52.3 指纹图像增强的概念与意义 .52.4 指纹图像增强的效果评价 .62.5 指纹图像增强技术的应用 .62.6 本章小结 .7第三章 传统的指纹图像增强法 .83.1 空间域增强法 .83.1.1 空间域增强法的理论知识 .83.1.2 空间域增强法的优缺点 .93.2 频率域增强法 .103.2.1 频率域增强法的理论知识 .103.2.2 频率域增强法的优缺点 .113.3 本章小结 .12第四章 Gabor 滤波法应用于指纹增强 .134.1 Gabor 滤波法较传统方法的优越性 .134.2 Gabor 滤波法 .134.2.1 归一化处理 .144.2.2 方向场估
13、算 .144.2.3 频率场估算 .154.2.4 Gabor 滤波 .16一级标题，小三号黑体字加粗，居中，字间空两个字符，行距设置为多倍行距，设置值为 3。目录内容用“插入引用索引和目录”自动生成。宋体 小四字 1.5倍行距，无缩进Times New Roman 四号字 1.5 倍行距，无缩进目录最多到三级注意右端对齐南通大学毕业设计（论文）IV4.3 基于 Gabor 算法中的改进 .184.3.1 求脊线方向方法的改进 .184.3.2 求脊线频率方法的改进 .184.3.3 Gabor 滤波器的改进 Log-Gabor .194.4 本章小结 .21第五章 系统的实现与测试 .225
14、.1 实验结果及分析 .225.1.1 空间域增强测试 .225.1.2 频率域增强测试 .225.1.3 Gabor 滤波法测试 .235.1.4 改进方法的测试 .245.1.5 结果分析 .255.2 本章小结 .25结束语 .26参考文献 .27致 谢 .28附 录 29南通大学毕业设计（论文）1第一章 绪 论1.1 本课题研究的意义一个多世纪以来，指纹在生物识别应用中的形式最为广泛。比如：法医学通常采用指纹识别技术来辅佐刑事调查，同时指纹也更多地应用在民用识别装置和商业识别装置这类生物系统中。指纹识别技术承载了很多社会意义。根本上说，指纹识别可以良好地判断和定义一个人的真实生物身份，
15、同时还可以降低社会活动中的信任成本，从一定程度上改变社会和经济的交往模式，并且提高在交往模式中的工作效率。这不仅体现了该技术乐观的市场前景，更对其提出了更高的要求。在激烈的市场竞争中，能否研发出高效、健壮的指纹增强算法显得尤为重要 1。所以对指纹增强算法的研究是指纹识别强有力的技术支持，因此指纹图像的增强对指纹识别具有基础且深远的意义。人的指纹是唯一的且终身稳定不变的。由于各异的皮肤状态和采集设备所处的不同环境，指纹图片中的各种噪声仍然存在，比如伤疤、汗渍、污迹、扭曲等等，这将直接影响到指纹识别的效率 2。在这样的条件下，指纹图像很有可能会被噪声成份破坏，质量会有所下降。这种破坏会导致在采集的
16、过程中创建出大量虚假的细节点，而正确的细节点被忽略。研究指纹细节点统计的关键步骤是可靠地提取指纹图像中的细节。因此，在细节点提取之前有必要采用指纹图像增强技术，从而能更可靠地估计细节点所在的方位。指纹增强的主要任务是恢复指纹脊线的结构缺陷，如分离粘连的脊线、连接断裂的脊线、平滑脊线的边缘等等，这些缺陷属于结构性噪声，而不是随机噪声，因此不能用图像增强理论中的信噪比来衡量指纹增强算法的性能。指纹增强的最终目标是通过改善指纹脊线质量来提高指纹特征提取的精度，进而提高指纹识别的精度。1.2 研究领域现状在指纹识别技术中，图像增强技术是其中一个非常重要的步骤。如果指纹图像得不到准确、显著的增强，指纹特
17、征就难以被准确提取。许多学者对指纹图像增强方法进行了探讨，其中，Coetzee 3等使用 Marr-Hildreth 边缘算子得到指纹灰度图的脊边缘图，提出了采用卷积模板来进行增强的方法，Randolph 4等提出了一种使用方向滤波器组来对二值图像来进行增强的方法，Sherlock 5等提出了采用傅立叶滤波器来增强指纹图像的方法，Hong6提出了使用 Gabor 滤波器的方法来增强指纹图像的方法。事实证明，这些方法用于金融安全、数字加密、电子商务等安保领域都取得了较好的效果。一级标题，小三号黑体加粗字，居中，段前、段后均 0.5 行，1.5倍行距， “绪论”两字间空两格二级标题，四号宋体加粗字
18、，顶格不缩进，段前、段后均 0 行，1.5 倍行距正文为宋体小四字，英文为小四号 Times New Roman，1.5 倍行距，首行缩进 2 字符。正文不少于 15000 个汉字符（包括正文中图表字符） ，论文严禁抄袭，引用其它文献中的原文不得连续超过 30 个汉字符。要求文字通顺，语言流畅，无错别字。正文中凡变量用斜体，矢量、矩阵加粗进行标识。参考文献标注用中括号，以上标形式，按在正文中第一次出现的先后顺序标注。注意：此处不用样式 1，用标题1南通大学毕业设计（论文）2上面说到了图像增强效果的好坏对特征提取及指纹鉴别的识别率具有决定性的影响。那么运用正确的指纹增强技术就是关键。对于指纹增强
19、技术，基本的两个方向是空间域法和频率域法。空间域算法主要是均值滤波（局部求平均值）法和中值滤波（取局部邻域中的中间像素值）法等，这些方法可用于去除和减弱指纹图像中噪声。但是这些方法对指纹图像的增强效果并不理想，这是因为这些方法主要针对图像中的随机噪声，而模糊指纹图像中的指纹脊线缺陷属于结构性噪声。频率域法主要将指纹图像视为一种二维信号，然后对其进行基于二维傅里叶变换的信号增强。除了上面说到的这些基本的方法以外，目前用的较多的是 Gabor 滤波法，这种方法根据指纹图像具有方向和频率的特点，把 Gabor 滤波器应用在指纹图像增强处理中。此方法的重点是构造 Gabor 滤波器，并从指纹图像中求出
20、 Gabor 滤波器所需要的参数，通过滤波后得出质量较好的指纹图像。Gabor 滤波法使用脊线方向和脊线频率作为参数对指纹图像进行增强。该算法基于指纹的数学模型 7，表现为：指纹在局部小的区域内可以认为是一组平行且具有一定频率的直线，就可以沿着脊线方向使用 Gabor 窗函数来过滤图像，增强脊线的信息。由于是沿着脊线方向滤波，在沿脊线方向上有平滑的作用，因此能将一些断裂的脊线修复到原状态，同时由于 Gabor 滤波器具有良好的频率选择性，既能有效地去除脊线上噪声，又能保持脊线的结构。利用 Gabor 滤波器的方向和频率选择特性，把指纹图像的局部方向和脊线频率作为 Gabor 滤波函数的参数，然
21、后将 Gabor 函数与纹理图像两者进行卷积，从而去除了噪声，达到了增强图像的目的 8。1.3 发展趋势本课题研究的发展趋势是在Gabor滤波的方法上不断改进，实现改进的Gabor滤波法运用于指纹图像的增强。如运用小波变换结合Gabor滤波法，Log-Gabor滤波法以及基于扇形分区的Gabor滤波法增强等等。对于小波变换结合Gabor滤波这种方法来说，能充分利用小波变换对指纹图像进行去噪，并且利用映射功能提高了脊线和背景间小波系数的对比度，接下来再用Gabor滤波法就可以进一步利用方向和频率信息使脊线得到增强。对于Log-Gabor滤波法，此滤波器与传统的Gabor 滤波器相比，Log-Ga
22、bor 滤波器可以在取得最佳空间定位的同时具有更宽广的频带,有利于改善指纹图像的滤波效果。对于基于扇形分区的Gabor滤波法，通过把指纹图像分解到不同的方向空间，利用Gabor滤波器对确定的参考点周围的圆形区域进行多方向滤波，形成指纹码，应用性很强。页脚为页码，阿拉伯数字，居中。南通大学毕业设计（论文）3除此之外，也可以不断改进指纹图像预处理的方法，比如：对指纹脊线方向和频率的提取的改进算法等等。比如求得块内的平均周期，计算两个波峰或波谷之间的平均像素距离等，其主要目的就是减少运算量，有效提高指纹图像处理效果，很好地保持图像的鲁棒性。如今电子产业发展迅猛，在日常生活中，指纹识别系统与电子产业的
23、相互结合更为广泛，以至于在办公室、家庭以及公共场合等都离不开指纹识别技术。对其展望主要是开发更为强大的系统，使得精度更高，用途更广泛。1.4 所做的主要工作由于指纹具有唯一性和稳定性，所以指纹识别在当今社会成为了最广泛使用的生物特征识别技术。近几十年来，自动指纹识别技术的投入使用取得了较大的成功。但是由于指纹图像中存在各种噪声，如疤痕、汗渍、污渍、歪曲等等，都会直接影响到指纹识别的精度。研究是在国内外专家学者的研究基础之上进行的，基于指纹增强算法的研究现状及存在不足，本论文主要研究指纹增强的有效方法，重点是运用 Gabor 滤波器实现指纹增强。全文共分为五章，各章节的主要内容安排如下：第一章为
24、绪论，简要介绍了指纹增强技术的研究背景、意义和目前国内外研究现状。第二章对指纹图像进行特征描述，其中包括指纹图像的概念、分类、用途以及指纹图像增强的效果评价等；指纹图像多数应用在指纹识别系统中，指纹图像的增强技术直接影响指纹识别系统的效果。第三章对传统的指纹图像增强技术进行介绍，了解到指纹图像增强的概念和主要内容后，论文着重介绍了传统方法空间域增强法和频率域增强法。其中包括理论知识、算法实现和主要优缺点。第四章介绍 Gabor 滤波法及其改进，首先说明了 Gabor 滤波法较传统指纹增强技术的优越性，同时做一些小实验来验证 Gabor 滤波器的原理基础。对于改进的方法，文中主要介绍了提取脊线方
25、向改进法、脊线频率的改进方法以及 Log-Gabor 滤波器的实现方法。第五章为系统的实现与测试，分别用空间域增强法、频率域增强法和 Gabor 滤波法对指纹进行处理，也进行了改进方法的测试。最后对各方法的实验结果进行比较，验证Gabor 滤波法较传统指纹增强方法的优越性。南通大学毕业设计（论文）4第二章 指纹增强的意义及应用2.1 指纹图像的特征和分类指纹就是表皮上突起的脊线，是手指皮肤表面隆起的脊和凹下的谷构成的特定纹路。在各种生物特征种类中，指纹具有唯一性、稳定性和再生性等特点。指纹的特征点就是由于指纹纹路经常出现中断、分叉或打折而形成的端点、分叉点。这些特征点能唯一确认指纹的信息。人的
26、指纹除非遭受严重损坏，是一生不变的，这体现了指纹的稳定性。当手指表皮受伤恢复以后，指纹依旧维持原样，这体现了指纹的再生性。指纹特征包括一般特征和细节特征。指纹的一般特征是进行指纹分类的依据，主要包括：指纹三角的数量，花纹中心的脊线形态和流向。指纹的细节特征是指指纹单一脊线的形态、流向以及脊线上的细微结构。常见的细节特征如图 2.1 所示，主要包括脊线起点、脊线终点、脊线分歧点、脊线结合点；不常见的脊线细节形态主要包括：小点、小眼、小桥、小棒、小钩等；罕见的细节特征主要包括：交错、错位、点线、节线 9。图 2.1 指纹的特征1956 年公安部制定了刑事登记十指指纹分析法 ，将指纹分为三类九种，三类分别为：箕型纹、弓型纹和斗型纹 9。如图 2.2 的(a)、(b)、(c)所示。图(a)像簸箕，叫箕型纹；图(b) 的脊线像弓，叫弓型纹；图(c)的脊线有同心圆或螺旋脊线，叫斗型纹。其中箕型纹又分为：正箕、反箕；弓型纹又分为：弧形纹、帐形纹；斗型纹又分为环形斗、螺形斗、双箕斗和杂形斗。凡论文中使用了图，则在论文正文中需加以描述说明。
