CN103996026A - 指纹特征提取方法、装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种指纹特征提取方法，包括以下步骤：初始方向场提取步骤，客户端采集指纹图像，提取指纹图像的初始方向场，并将初始方向场发送至服务器端；最终方向场估计步骤，服务器端根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将最终方向场发送至客户端；特征提取步骤，客户端利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。根据本发明的方法，能够高效、安全可靠地提取出指纹特征。本发明还提出一种指纹特征提取装置及指纹特征提取系统。

Description

指纹特征提取方法、装置及系统

技术领域

本发明涉及指纹识别技术领域，尤其涉及一种指纹特征提取方法、装置及系统。

背景技术

随着移动终端智能化程度越来越高，将移动终端设备应用于犯罪现场指纹的特征提取变得可行。指纹特征提取的整个过程可以借助移动终端和服务器完成，缩短了时间，使得指纹特征提取变得更加高效，提高了破案效率。

目前，将移动终端应用到犯罪现场指纹的特征提取主要有以下两种方式：(1)在移动终端中内置指纹特征提取系统，该系统中特征提取的所有步骤都可以在移动终端上完成，整个过程变得简捷方便。但是，由于方向场估计和细节点提取过程对于硬件的存储能力和计算能力要求很高，常用的移动终端无法满足这样的要求。因此，这种方式并不是最理想的。(2)由移动终端提取指纹图像，然后将指纹图像发送至服务器，利用服务器中构建的指纹特征提取系统对指纹图像进行特征提取，并将最终结果返回至移动终端。这种方式可以充分利用服务器强大的存储能力和计算能力，高效地实现指纹的特征提取。但是仍存在不足，即指纹图像需要发送至服务器，不利于保护指纹隐私；指纹图像的数据量大，传输的成本高、速度慢。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的第一个目的在于提出一种高效、可靠的指纹特征提取方法。

本发明的第二个目的在于提出一种指纹特征提取装置。

本发明的第三个目的在于提出一种指纹特征提取系统。

为了实现上述目的，本发明第一方面实施例的指纹特征提取方法，包括以下步骤：初始方向场提取步骤，客户端采集指纹图像，提取所述指纹图像的初始方向场，并将所述初始方向场发送至服务器端；最终方向场估计步骤，所述服务器端根据所述初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将所述最终方向场发送至所述客户端；特征提取步骤，所述客户端利用所述最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

根据本发明实施例的指纹特征提取方法，客户端将初始方向场提取步骤提取到的初始方向场发送至服务器端，不仅对原始指纹图像的隐私起到了保护作用，而且降低了通信数据量，提高了指纹特征提取的效率。

在一些示例中，所述初始方向场提取步骤具体包括：将所述指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数；寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过所述一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个所述图像块中响应最强的一个或者多个方向；将所有所述图像块的方向集合构成所述指纹图像的初始方向场。

在一些示例中，所述最终方向场估计步骤具体包括：局部字典训练阶段和方向场估计阶段。

进一步地，在一些示例中，在所述局部字典训练阶段，对统一的指纹坐标系中不同位置的真实方向场进行学习，得到每个位置上对应的方向块字典。

进一步地，在一些示例中，在所述方向场估计阶段的具体步骤如下：对所述指纹图像的姿态进行校正；在统一的坐标系中对所述指纹图像不同位置的初始方向场进行查询，用所述方向块字典中的方向块替代所述指纹图像对应位置的方向块，将所有替代后的方向块集合作为最终方向场。

在一些示例中，所述细节点包括指纹纹线端点和分叉点。

本发明第二方面实施例的指纹特征提取装置，包括：图像采集单元，用于获取现场指纹图像；预处理单元，用于提取所述指纹图像的初始方向场；通信单元，用于将所述初始方向场发送至服务器端，并从所述服务器端接收最终方向场；特征提取单元，用于从所述通信单元接收最终方向场，并利用所述最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

根据本发明实施例的指纹特征提取装置，通信单元将预处理单元提取到的初始方向场发送至服务器端，不仅对原始指纹图像的隐私起到了保护作用，而且降低了通信数据量，提高了指纹特征提取的效率。

在一些示例中，所述预处理单元具体执行以下步骤以提取所述指纹图像的初始方向场：将所述指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数；寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过所述一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个所述图像块中响应最强的一个或者多个方向；将所有所述图像块的方向集合构成所述指纹图像的初始方向场。

本发明第三方面的实施例提出一种指纹特征提取系统，包括：客户端，用于根据现场指纹图像获取特征提取结果；服务器，用于根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将所述最终方向场发送至所述客户端。

根据本发明实施例的指纹特征提取系统，客户端的通信单元将预处理单元提取到的初始方向场发送至服务器端，由服务器端的方向场估计单元根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识进行最终方向场估计，并将最终方向场发送至客户端进行特征提取，不仅对原始指纹图像的隐私起到了保护作用，而且降低了通信数据量，提高了指纹特征提取的效率。

在一些示例中，所述客户端具体包括：图像采集单元，用于获取现场指纹图像；预处理单元，用于提取所述指纹图像的初始方向场；客户端通信单元，用于将所述初始方向场发送至服务器端，并从所述服务器端接收最终方向场；特征提取单元，用于从所述客户端通信单元接收最终方向场，并利用所述最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

进一步地，在一些示例中，所述预处理单元具体执行以下步骤以提取所述指纹图像的初始方向场：将所述指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数；寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过所述一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个所述图像块中响应最强的一个或者多个方向；将所有所述图像块的方向集合构成所述指纹图像的初始方向场。

在一些示例中，所述服务器具体包括：方向场估计单元，用于进行最终方向场估计；服务器通信单元，用于从所述客户端通信单元接收所述初始方向场并将所述方向场估计单元得到的所述最终方向场发送给所述客户端通信单元。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的指纹特征提取方法的流程图；

图2是本发明一个实施例的指纹特征提取方法的仿真结果示意图；

图3是根据本发明一个实施例的指纹特征提取装置的结构示意图；

图4是根据本发明一个实施例的指纹特征提取系统的结构框图；

图5是本发明一个实施例的指纹特征提取系统的客户端的结构框图；

图6是本发明一个实施例的指纹特征提取系统的服务器的结构框图；

图7是本发明一个实施例的指纹特征提取系统的工作过程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明第一方面实施例的指纹特征提取方法，包括以下步骤：初始方向场提取步骤，客户端采集指纹图像，提取指纹图像的初始方向场，并将初始方向场发送至服务器端；最终方向场估计步骤，服务器端根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将最终方向场发送至所述客户端；特征提取步骤，客户端利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

图1是根据本发明一个实施例的指纹特征提取方法的流程图。结合图1具体描述本发明实施例的指纹特征提取方法如下：

步骤S101：初始方向场提取步骤，客户端采集指纹图像，提取指纹图像的初始方向场，并将初始方向场发送至服务器端。

其中，初始方向场提取步骤具体包括：

(1)将指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数。在本发明的一个实施例中，n取值为16。

(2)寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个图像块中响应最强的一个或者多个方向。

(3)将所有上述图像块的方向集合构成该指纹图像的初始方向场。

步骤S102：最终方向场估计步骤，服务器端根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将最终方向场发送至客户端。

由于步骤S101得到的初始方向场可能包含较多错误，该步骤利用指纹方向场分布的先验知识进行错误校正。本发明的实施例中不局限于特定的方向场修正方法，可以利用任意的方向场修正方法。在本发明的一个实施例中采用基于局部字典法的指纹方向场估计方法。该方法分为两个阶段，在局部字典训练阶段，通过聚类的方式对统一的指纹坐标系中不同位置的真实方向块进行统计学习，得到每个位置上对应的方向块字典。在方向场估计阶段，对获取指纹图像的姿态进行校正；在统一的坐标系中对获取的指纹图像不同位置的初始方向场进行查询，用方向块字典中的方向块替代获取的指纹图像对应位置的方向块；将所有替代后的方向块集合作为最终方向场。

步骤S103：特征提取步骤，客户端利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

其中，指纹增强是指通过一定的算法处理，使指纹纹线结构清晰，尽量突出和保留固有的特征信息，避免产生伪特征信息，目的是保持特征信息提取的准确性和可靠性。指纹增强方面存在多个成熟方法，在本发明的一个实施例中采用基于Gabor滤波的增强。细节点包含指纹纹线端点和分叉点，指纹细节点提取是指提取指纹中这两类细节特征。这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，且足以描述指纹的唯一性。细节点提取方面存在多个成熟的方法。在本发明的实施例中采用VeriFinger软件包来实现细节点的提取。

具体地，采用本发明实施例的指纹特征提取方法做了相应的仿真实验，结果如图2所示。

根据本发明实施例的指纹特征提取方法，客户端将初始方向场提取步骤将提取到的初始方向场发送至服务器端，不仅对原始指纹图像的隐私起到了保护作用，而且降低了通信数据量，提高了指纹特征提取的效率。

本发明第二方面的实施例提出了一种指纹特征提取装置，如图3所示，包括：图像采集单元100、预处理单元200、通信单元300和特征提取单元400。

其中，图像采集单元100，用于获取现场指纹图像。预处理单元200用于提取指纹图像的初始方向场。通信单元300用于将初始方向场发送至服务器端，并从服务器端接收最终方向场。特征提取单元400用于从通信单元300接收最终方向场，并利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

具体地，预处理单元200具体执行以下步骤以提取指纹图像的初始方向场：

(1)将指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数。在本发明一个实施例中，n取值为16。

(2)寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个图像块中响应最强的一个或者多个方向。

(3)将所有图像块的方向集合构成指纹图像的初始方向场。

特征提取单元400，利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。其中，指纹增强是指通过一定的算法处理，使指纹纹线结构清晰，尽量突出和保留固有的特征信息，避免产生伪特征信息，目的是保持特征信息提取的准确性和可靠性。指纹增强方面存在多个成熟方法，在本发明的一个实施例中采用基于Gabor滤波的增强。细节点包含指纹纹线端点和分叉点，指纹细节点提取是指提取指纹中这两类细节特征。这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，且足以描述指纹的唯一性。细节点提取方面存在多个成熟的方法。在本发明的实施例中采用VeriFinger软件包来实现细节点的提取。

根据本发明实施例的指纹提取装置，通信单元将预处理单元提取到的初始方向场发送至服务器端，不仅对原始指纹图像的隐私起到了保护作用，而且降低了通信数据量，提高了指纹特征提取的效率。

本发明第三方面的实施例中提出一种指纹特征提取系统，如图4所示，包括：客户端10和服务器20。

其中，客户端10，用于根据现场指纹图像获取特征提取结果。服务器20，用于根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将最终方向场发送至客户端10。

具体地，如图5所示，客户端包括：图像采集单元11、预处理单元12、客户端通信单元13和特征提取单元14。其中，图像采集单元11，用于获取现场指纹图像。预处理单元12用于提取指纹图像的初始方向场。客户端通信单元13用于将初始方向场发送至服务器端，并从服务器端接收最终方向场。特征提取单元14用于从客户端通信单元13接收最终方向场，并利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

进一步地，预处理单元12具体执行以下步骤以提取指纹图像的初始方向场：

(1)将指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数。在本发明一个实施例中，n取值为16。

(2)寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个图像块中响应最强的一个或者多个方向。

(3)将所有图像块的方向集合构成指纹图像的初始方向场。

进一步地，特征提取单元14，利用最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。其中，指纹增强是指通过一定的算法处理，使指纹纹线结构清晰，尽量突出和保留固有的特征信息，避免产生伪特征信息，目的是保持特征信息提取的准确性和可靠性。指纹增强方面存在多个成熟方法，在本发明的一个实施例中采用基于Gabor滤波的增强。细节点包含指纹纹线端点和分叉点，指纹细节点提取是指提取指纹中这两类细节特征。这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，且足以描述指纹的唯一性。细节点提取方面存在多个成熟的方法。在本发明的实施例中采用VeriFinger软件包来实现细节点的提取。

如图6所示，服务器包括：方向场估计单元21和服务器通信单元22。

其中，方向场估计单元21，用于进行最终方向场估计。服务器通信单元22用于从客户端通信单元13接收初始方向场并将方向场估计单元21得到的最终方向场发送给客户端通信单元13。

特别地，由预处理单元12得到的初始方向场可能包含较多错误，方向场估计单元21利用指纹方向场分布的先验知识进行错误校正。本发明的实施例中不局限于特定的方向场修正方法，可以利用任意的方向场修正方法。在本发明的一个实施例中采用基于局部字典法的指纹方向场估计方法。该方法分为两个阶段，在局部字典训练阶段，通过聚类的方式对统一的指纹坐标系中不同位置的真实方向块进行统计学习，得到每个位置上对应的方向块字典。在方向场估计阶段，对获取的指纹图像的姿态进行校正；在统一的坐标系中对获取的指纹图像不同位置的初始方向场进行查询，用方向块字典中的方向块替代获取的指纹图像对应位置的方向块；将所有替代后的方向块集合作为最终方向场。

在本发明的指纹特征提取系统的一个实施例中，该系统的具体实现流程如图7所示。

根据本发明实施例的指纹特征提取系统，客户端的通信单元将预处理单元提取到的初始方向场发送至服务器端，由服务器端的方向场估计单元根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识进行最终方向场估计，并将最终方向场发送至客户端进行特征提取，不仅对原始指纹图像的隐私起到了保护作用，而且降低了通信数据量，提高了指纹特征提取的效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (12)

1.一种指纹特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

初始方向场提取步骤，客户端采集指纹图像，提取所述指纹图像的初始方向场，并将所述初始方向场发送至服务器端；

最终方向场估计步骤，所述服务器端根据所述初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将所述最终方向场发送至所述客户端；

特征提取步骤，所述客户端利用所述最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述初始方向场提取步骤具体包括：

将所述指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数；

寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过所述一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个所述图像块中响应最强的一个或者多个方向；

将所有所述图像块的方向集合构成所述指纹图像的初始方向场。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述最终方向场估计步骤具体包括：局部字典训练阶段和方向场估计阶段。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述局部字典训练阶段，对统一的指纹坐标系中不同位置的真实方向场进行学习，得到每个位置上对应的方向块字典。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述方向场估计阶段的具体步骤如下：

对所述指纹图像的姿态进行校正；

在统一的坐标系中对所述指纹图像不同位置的初始方向场进行查询，用所述方向块字典中的方向块替代所述指纹图像对应位置的方向块，将所有替代后的方向块集合作为最终方向场。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细节点包括指纹纹线端点和分叉点。

7.一种指纹特征提取装置，其特征在于，包括：

图像采集单元，用于获取现场指纹图像；

预处理单元，用于提取所述指纹图像的初始方向场；

通信单元，用于将所述初始方向场发送至服务器端，并从所述服务器端接收最终方向场；

特征提取单元，用于从所述通信单元接收最终方向场，并利用所述最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

8.根据权利要求7所述的指纹特征提取装置，其特征在于，所述预处理单元具体执行以下步骤以提取所述指纹图像的初始方向场：

将所述指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数；

寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过所述一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个所述图像块中响应最强的一个或者多个方向；

将所有所述图像块的方向集合构成所述指纹图像的初始方向场。

9.一种指纹特征提取系统，其特征在于，包括：

客户端，用于根据现场指纹图像获取特征提取结果；

服务器，用于根据初始方向场和指纹方向场分布的先验知识估计最终方向场，并将所述最终方向场发送至所述客户端。

10.根据权利要求9所述的指纹特征提取系统，其特征在于，所述客户端具体包括：

图像采集单元，用于获取现场指纹图像；

预处理单元，用于提取所述指纹图像的初始方向场；

客户端通信单元，用于将所述初始方向场发送至服务器端，并从所述服务器端接收最终方向场；

特征提取单元，从所述通信单元接收最终方向场，并利用所述最终方向场进行指纹增强和细节点提取，将提取出的细节点作为特征提取最终结果。

11.根据权利要求9所述的指纹特征提取系统，其特征在于，所述预处理单元具体执行以下步骤以提取所述指纹图像的初始方向场：

将所述指纹图像的前景区域分割为n×n像素且互不重叠的图像块，并对每个图像块进行二维短时傅里叶变换，其中，n为正整数；

寻找频域中最强的一个或者多个响应，通过所述一个或者多个响应相对于频域中心的角度，提取出每个所述图像块中响应最强的一个或者多个方向；

将所有所述图像块的方向集合构成所述指纹图像的初始方向场。

12.根据权利要求9所述的指纹特征提取系统，其特征在于，所述服务器具体包括：

方向场估计单元，用于进行最终方向场估计；

服务器通信单元，用于从所述客户端通信单元接收所述初始方向场并将所述方向场估计单元得到的所述最终方向场发送给所述客户端通信单元。