AT515642A1 - Verfahren zur Abbildung von Linienstrukturen, insbesondere von Papillarlinien, in einem Richtungsfeld - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Abbildung von Linienstrukturen, insbesondere von Papillarlinien, in einem Richtungsfeld beschrieben, wobei ein aus Farbwerten zusammengesetztes Rasterbild der Linienstrukturen in örtliche Bildblöcke unterteilt wird und blockweise aus der Intensitätsverteilung der Farbwerte Linienrichtungen ermittelt werden, wonach aus den Linienrichtungen der Bildblöcke das Richtungsfeld abgeleitet wird. Um eine zuverlässige Ableitung des Richtungsfeldes der zu verarbeitenden Linienstruktur trotz lokaler Störungen der Linienstruktur zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass vorgegebene Linienrichtungen anhand der Intensitätsverteilung der Farbwerte des jeweiligen Bildblockes bewertet und dann den bewerteten Linienrichtungen in Korrelation mit den bewerteten Linienrichtungen zumindest von angrenzenden Bildblöcken ein Wahrscheinlichkeitswert zugeordnet wird, bevor aus den Linienrichtungen mit dem höchsten Wahrscheinlichkeitswert das Richtungsfeld abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Abbildung von Linienstrukturen, insbesondere von Papillarlinien, in einem Richtungsfeld, wobei ein aus Farbwerten zusammengesetztes Rasterbild der Linienstrukturen in örtliche Bildblöcke unterteilt wird und blockweise aus der Intensitätsverteilung der Farbwerte Linienrichtungen ermittelt werden, wonach aus den Linienrichtungen der Bildblöcke das Richtungsfeld abgeleitet wird.

Um Linienstrukturen von Papillarlinien aus einem aus Farbwerten zusammengesetzten Rasterbild eines Fingerabdruckes zu erfassen, ist es bekannt, das Rasterbild in einzelne örtliche Bildblöcke zu unterteilen und für jeden Block anhand der Intensitätsverteilung der Farbwerte in diesem Bildblock, beispielsweise anhand der Grauwerte im Falle eines Graustufenbildes, genau eine Linienrichtung zu ermitteln, die im betrachteten Bildblock vorherrschend ist. Die den einzelnen Bildblöcken zugeordneten Linienrichtungen werden dann in einem weiteren Schritt zu einem Richtungsfeld zusammengesetzt. Nachteilig ist allerdings, dass lokale, in einzelnen Bildblöcken auftretende Störungen der Linienstruktur die ermittelte Linienrichtung in diesen Blöcken beeinflussen und somit das Richtungsfeld nur fehlerhaft abgeleitet werden kann.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einem Verfahren der eingangs geschilderten Art eine zuverlässige Ableitung des Richtungsfeldes der zu verarbeitenden Linienstruktur trotz lokaler Störungen der Linienstruktur zu ermöglichen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass vorgegebene Linienrichtungen anhand der Intensitätsverteilung der Farbwerte des jeweiligen Bildblockes bewertet und dann den bewerteten Linienrichtungen in Korrelation mit den bewerteten

Linienrichtungen zumindest von angrenzenden Bildblöcken ein Wahrscheinlichkeitswert zugeordnet wird, bevor aus den Linienrichtungen mit dem höchsten Wahrscheinlichkeitswert das Richtungsfeld abgeleitet wird.

Durch diese Maßnahmen wird für jeden Bildblock nicht nur die aufgrund der Intensitätsverteilung der Farbwerte vermeintlich am stärksten ausgeprägte Linienrichtung ermittelt, sondern es stehen für jeden Bildblock mehrere vorgegebene, beispielsweise gleichmäßig in allen Richtungen verteilte Linienrichtungen für die Weiterverarbeitung zur Verfügung, die entsprechend der Intensitätsverteilung der Farbwerte bewertet sind. Diese lokale Analyse erfolgt für jeden Bildblock des Rasterbildes.

Erst in einem zweiten Schritt werden den bewerteten Linienrichtungen Wahrscheinlichkeiten zugeordnet, und zwar beispielsweise anhand deren Stützung in angrenzenden Bildblöcken. Für diese nachfolgende regionale Analyse sind die Bewertungen der lokalen Analyse erforderlich. Besonders vorteilhaft können für die regionale Analyse nicht nur die Bewertungen der lokalen Analyse herangezogen werden, sondern auch Bewertungen der regionalen Analyse selbst, womit eine Rückkopplung entsteht und das Verfahren iterativ ausgeführt werden kann. In jedem Iterationsschritt fließen dabei die Bewertungen des letzten Iterationsschrittes in die neu berechneten Bewertungen ein. Die Übereinstimmung des abgeleiteten Richtungsfeldes mit den Linienstrukturen im Rasterbild lässt sich dadurch trotz Störungen der Linienstrukturen im Rasterbild erheblich verbessern.

Einfache Verarbeitungsbedingungen ergeben sich in diesem Zusammenhang, wenn die vorgegebenen Linienrichtungen jeweils einen gleichen Winkel zueinander einschließen.

Um etwaige Qualitätsschwankungen oder großflächige Bildstörungen im Rasterbild zu berücksichtigen, kann für die einzelnen Bildblöcke ein Plausibilitätswert bestimmt und für die Zuordnung der Wahrscheinlichkeitswerte zu den Linienrichtungen herangezogen werden. Dadurch fließen Bildblöcke mit verminderter Bildqualität mit geringerer Gewichtung in die weitere Verarbeitung ein.

Um den Berechnungsaufwand in diesen Verarbeitungsschritten zu reduzieren, können die für jeden Bildblock ermittelten Linienrichtungen vor der Zuordnung von Wahrscheinlichkeiten anhand der Bewertungen gefiltert werden.

Besonders vorteilhafte Verarbeitungsbedingungen ergeben sich, wenn die Bewertungen der Linienrichtungen als Fuzzy-Logik-Vektoren abgebildet werden und wenn die Korrelation der bewerteten Linienrichtungen eines Bildblockes mit den bewerteten Linienrichtungen der Bildblöcke in einem Umfeld durch Fuzzy-Logik-Netzwerke erfolgt. Die Abbildung einer Bewertung als Fuzzy-Logik-Vektor gibt dabei an, inwieweit die Bewertung einen Hinweis auf eine gewisse Eigenschaft, einen Hinweis gegen diese Eigenschaft gibt oder inwieweit sie bezüglich dieser Eigenschaft indifferent ist. Diese Fuzzy-Logik-Vektoren der einzelnen Linienrichtungen werden in Netzwerkknoten des Fuzzy-Logik-Netzwerkes anhand vorgegebener Regeln zu einem neuen Fuzzy-Logik-Vektor am Ausgang des Netzwerkknotens aggregiert. Auf diese Weise können den Bewertungen der einzelnen vorgegebenen Linienrichtungen eines Bildblockes Wahrscheinlichkeitswerte zugeordnet werden, die den Ausgangswerten des Fuzzy-Logik-Netzwerkes für diesen Bildblock entsprechen.

Obwohl zur Bewertung der vorgegebenen Linienrichtungen je Bildblock unterschiedliche Verfahren herangezogen werden können, hat sich die Bewertung der vorgegebenen Linienrichtungen anhand der Wellenenergie einer Fourieranalyse der Intensitätsverteilung der Farbwerte in den einzelnen Bildblöcken als besonders vorteilhaft erwiesen. Von den vorgegebenen Richtungen können auch beispielsweise nur jene Richtungen in der Weiterverarbeitung berücksichtigt werden, die im Vergleich zu den anderen vorgegebenen Richtungen eine hohe Wellenenergie aufweisen.

Zur Bewertung der einzelnen Linienrichtungen können darüber hinaus neben dem Spektrum bzw. der Wellenenergie in einer Fourieranalyse auch das sich durch Integration der Farbwerte quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle ergebende Querprofil sowie der sich aus der Mittelung der jeweils genau eine Wellenlänge voneinander entfernten Farbwerte ergebende periodische Mittelwert herangezogen wer den. Sowohl das Querprofil als auch der periodische Mittelwert der vorgegebenen Linienrichtung stellen sehr kompakte Repräsentationen der Struktur der Farbwerte in einer Linienrichtung dar, die die Weiterverarbeitung erheblich erleichtern. So können das Querprofil und der periodische Mittelwert sowohl untereinander als auch mit der sich aus der Fourieranalyse in dieser Richtung ergebenden Welle verglichen werden, was entsprechende Bewertungen für die vorgegebene Linienrichtung ergibt. Beispielsweise können Differenzen von Querprofil, periodischem Mittelwert und der Welle der Fourieranalyse untereinander sowie statistische Auswertungen von diesen Differenzen sowie von Querprofil, periodischem Mittelwert und der Welle der Fourieranalyse ermittelt werden. Darüber hinaus kann anhand des Querprofils auch eine Waveletanalyse des Bildblockes durchgeführt werden, wobei die Verteilung der Wellenlängen innerhalb des Bildblockes untersucht wird. Die statistische Auswertung der Waveletanalyse liefert weitere Bewertungen für die jeweilige Linienrichtung.

Die Bewertung der einzelnen Linienrichtungen kann weiter verbessert werden, indem zur Bewertung der Linienrichtungen eines betrachteten Bildblockes die bewerteten Linienrichtungen wenigestens der umliegenden Blöcke gemäß der durch die Richtungskrümmung bestimmten Rotation in den betrachteten Bildblock interpoliert werden, bevor die Linienrichtungen des betrachteten Bildblockes anhand deren Übereinstimmung mit den in den betrachteten Bildblock interpolierten Linienrichtungen bewertet werden. Durch diese Maßnahme kann das Krümmungsverhalten der zu ermittelnden Linienstrukturen in den umliegenden Bildblöcken zur Bewertung der vorgegebenen Linienrichtungen im momentan betrachteten Bildblock herangezogen werden, wobei auch dieser Verfahrensschritt gemäß obiger Ausführungen iterativ ausgeführt werden kann.

In der Zeichnung ist ein für das erfindungsgemäße Verfahren anwendbares Fuzzy-Logik-Netzwerk dargestellt, anhand dessen eine Ausführungsform der Erfindung im Folgenden näher beschrieben wird.

Zunächst wird für jeden Bildblock anhand der Farbwertverteilung in diesem Bildblock eine Fourieranalyse für vorgegebene Linienrichtungen durchgeführt. Jene Linienrichtungen, für die die in der Fourieranalyse ermittelte Wellenenergie über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt oder die eine ähnliche Wellenenergie aufweisen, werden für die weitere Verarbeitung herangezogen, allen übrigen Richtungen wird eine Wahrscheinlichkeit von 0 zugeordnet. Für jede dieser vorgegebenen Richtungen werden in einem weiteren Schritt die Farbwerte des Bildblockes quer zur Ausbreitungsrichtung der Welle zu einem Querprofil integriert. Darüber hinaus wird der sich aus der Mittelung der jeweils eine Wellenlänge voneinander entfernten Farbwerte ergebende periodische Mittelwert bestimmt. Anhand dieser Kennwerte werden in weiterer Folge in für den Fachmann bekannterWeise Bewertungen berechnet, die einen Hinweis darauf geben, ob und inwieweit das Querprofil Welleneigenschaften besitzt und wie die Energien im Spektrum der Fourieranalyse verteilt sind. Anhand einer Waveletanalyse des Querprofils können darüber hinaus noch Bewertungen aus der Verteilung der Energien der Schwingungsanteile über den betrachteten Wellenlängenbereich und örtlich überden Bildblock abgeleitet werden. Beispielsweise können als Bewertung die Schwankung der Energien über den Ort oder über die Wellenlänge, Schwerpunkte, Lage der Maximalenergien und andere statistische Auswertungen herangezogen werden.

Die auf die oben beschriebene Art ermittelten Bewertungen aus der Analyse des Querprofils 1, aus der Waveletanalyse 2 und aus der Auswertung des Spektrums der Fouriertransformation 3 bilden das Ergebnis einer lokalen Analyse jedes Bildblockes. Die einzelnen Bewertungen werden als Fuzzy-Logik-Vektoren 4 für jede vorgegebene Richtung abgebildet, die angeben, inwieweit die Bewertung einen Hinweis auf die Richtung der zu ermittelten Linienstruktur geben, inwieweit die Bewertungen einen Hinweis auf eine Störung, also gegen die Richtung der zu ermittelnden Linienstruktur geben und inwieweit die Bewertung bezüglich der zu ermittelnden Linienstruktur indifferent ist.

Die einzelnen Fuzzy-Logik-Vektoren 4 werden dann bezüglich des Analyseverfahrens für jeden Bildblock, nämlich bezüglich des Auswertung des Querprofils 1, der Waveletanalyse 2 und der Auswertung des Spektrums der Fouriertransformation 3 gruppiert in je einem Netzwerkknoten 5, 6, 7 eines Fuzzy-Logik-Netzwerkes 8 anhand vorgegebener Regeln zu je einem neuen Fuzzy-Logik-Vektor am Ausgang der Netzwerkknoten 5, 6, 7 aggregiert. Diese neuen Fuzzy-Logik-Vektoren werden in einem weiteren Netzwerkknoten 9 zum Ergebnis-Fuzzy-Logik-Vektor 10 der lokalen Analyse jedes Bildblockes anhand vordefinierter Regeln zusammengefasst, sodass am Ende der lokalen Analyse jedes Bildblockes für jede vorgegebene Richtung ein Fuzzy-Logik-Vektor zur Verfügung steht, der angibt, inwieweit es sich bei der vorgegebenen Richtung um eine Richtung der zu ermittelten Linienstruktur handelt oder nicht.

Danach erfolgt eine regionale Analyse in Form einer Korrelation mit den bewerteten Linienrichtungen von angrenzenden und umliegenden Bildblöcken. Einerseits wird bewertet, inwieweit die Linienrichtungen des Bildblocks mit den Linienrichtungen der angrenzenden und umliegenden Bildblöcke übereinstimmen. Die resultierenden Bewertungen werden wie oben beschrieben in Fuzzy-Logik-Vektoren 11 umgewandelt. Andererseits werden die Linienrichtungen der angrenzenden und umliegenden Blöcke gemäß der durch die Richtungskrümmung bestimmten Rotation in den betrachteten Bildblock interpoliert, sodass sich für den betrachteten Bildblock zusätzliche, interpolierte Linienrichtungen ergeben Daraufhin werden aus den Bewertungen, inwieweit diese interpolierte Linienrichtung mit der betrachteten vorgegebenen Linienrichtung übereinstimmt, weitere Fuzzy-Logik-Vektoren 12 gebildet.

Die Fuzzy-Logik-Vektoren 11 aus der Richtungskorrelation und die Fuzzy-Logik-Vektoren 12 der Krümmungsanalyse werden wiederum jeweils für sich anhand vorgegebener Regeln zu neuen Fuzzy-Logik-Vektoren am Ausgang der Netzwerkknoten 13, 14 aggregiert und danach in einem Netzwerkknoten 15 zu einem Ergebnis-Fuzzy-Logik-Vektor 16 dieser regionalen Analyse zusammengefasst. Für die regionale Analyse sind die Ergebnis-Fuzzy-Logik-Vektoren 10 der oben beschriebenen lokalen Analyse erforderlich. Besonders vorteilhaft können für die regionale Analyse nicht nur die Ergebnis-Fuzzy-Logik-Vektoren 10 der lokalen Analyse herangezogen werden, sondern in einem zusätzlichen Netzwerkknoten 17 zusammengefasste neue Fuzzy-Logik-Vektoren, die anhand vorgegebener Regeln aus Ergebnis-Fuzzy-Logik-Vektoren 10 der lokalen Analyse und den Ergebnis-Fuzzy-Logik-Vektoren 16 der regionalen Analyse aggregiert wurden. Somit entsteht eine Rückkopplung, und das Verfahren kann iterativ ausgeführt werden, wobei bei jedem Iterationsschritt die Bewertungen des letzten Iterationsschrittes in die neu berechneten Bewertungen einfließen. Die Übereinstimmung des abgeleiteten Richtungsfeldes mit den Linienstrukturen im Rasterbild lässt sich dadurch trotz Störungen der Linienstrukturen im Rasterbild erheblich verbessern.

Schließlich können in einem letzten Schritt Bewertungen für die Plausibilität der einzelnen Bildblöcke berücksichtigt werden, die sich beispielsweise anhand der Fourieranalyse aus der Gesamtwellenenergie in einem Bildblock, aus der Wellenenergieverteilung sowie aus der örtlichen Nähe der Wellenenergien eines Bildblockes zur dominanten Richtung ableiten lassen. Diese Bewertungen werden ebenfalls in Fuzzy-Logik-Vektoren 18 abgebildet und in einem Netzwerkknoten 19 mit dem Ergebnisvektor aus lokaler und regionaler Analyse im Netzwerknoten 20 aggregiert. Der resultierende Ergebnisvektor kann direkt als Ergebnisvektor des Verfahrens 21 herangezogen werden, oder lediglich in die Ausgangsbewertungen für die regionale Analyse einfließen, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist.

Der am Netzwerkknoten 17 berechnete Ergebnisvektor des Verfahrens 21 bildet für jede Linienrichtung in jedem Bildblock eine Gesamtwahrscheinlichkeit ab, ob es sich bei der jeweiligen Linienrichtung um eine Richtung der Linienstruktur im Rasterbild oder um eine Störung derselben handelt. Die vorgegebenen Richtungen in den einzelnen Bildblöcken können nun anhand der größten Wahrscheinlichkeit ausgewählt und ein Richtungsfeld abgeleitet werden.

Claims (7)

1. Patentanwälte Dipl.-Ing. Helmut Hübscher Dipl.-Ing. Karl Winfried Hellmich Spittelwiese 4, 4020 Linz (39536) IV Patentansprüche 1. Verfahren zur Abbildung von Linienstrukturen, insbesondere von Papillarlinien, in einem Richtungsfeld, wobei ein aus Farbwerten zusammengesetztes Rasterbild der Linienstrukturen in örtliche Bildblöcke unterteilt wird und blockweise aus der Intensitätsverteilung der Farbwerte Linienrichtungen ermittelt werden, wonach aus den Linienrichtungen der Bildblöcke das Richtungsfeld abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass vorgegebene Linienrichtungen anhand der Intensitätsverteilung der Farbwerte des jeweiligen Bildblockes bewertet und dann den bewerteten Linienrichtungen in Korrelation mit den bewerteten Linienrichtungen zumindest von angrenzenden Bildblöcken ein Wahrscheinlichkeitswert zugeordnet wird, bevor aus den Linienrichtungen mit dem höchsten Wahrscheinlichkeitswert das Richtungsfeld abgeleitet wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebenen Linienrichtungen jeweils einen gleichen Winkel zueinander einschließen.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die einzelnen Bildblöcke ein Plausibilitätswert bestimmt und für die Zuordnung der Wahrscheinlichkeitswerte zu den Linienrichtungen herangezogen wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die für jeden Bildblock ermittelten Linienrichtungen vor der Zuordnung von Wahrscheinlichkeiten anhand der Bewertungen gefiltert werden.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungen der Linienrichtungen als Fuzzy-Logik-Vektoren abgebildet werden und dass die Korrelation der bewerteten Linienrichtungen eines Bildblockes mit den bewerteten Linienrichtungen der Bildblöcke in einem Umfeld durch Fuzzy-Logik-Netzwerke erfolgt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linienrichtungen anhand der Wellenenergie einer Fourieranalyse der Intensitätsverteilung der Farbwerte in den Bildblöcken bewertet werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bewertung der Linienrichtungen eines betrachteten Bildblockes die bewerteten Linienrichtungen wenigstens der umliegenden Blöcke gemäß der durch die Richtungskrümmung bestimmten Rotation in den betrachteten Bildblock interpoliert werden, bevor die Linienrichtungen des betrachteten Bildblockes anhand deren Übereinstimmung mit den in den betrachteten Bildblock interpolierten Linienrichtungen bewertet werden. Linz, am 21. März 2014 Dr. Leopold Gallner durch: /Dl Karl Winfried Hellmich / (elektronisch signiert)