DE10212277A1

DE10212277A1 - Verfahren zur Verbesserung von Fingerabdruck-Bildern

Info

Publication number: DE10212277A1
Application number: DE10212277A
Authority: DE
Inventors: Steffen Scholze; Alexander Schwarz
Original assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Current assignee: Philips Intellectual Property and Standards GmbH
Priority date: 2002-03-20
Filing date: 2002-03-20
Publication date: 2003-10-02
Also published as: DE60322855D1; WO2003079274A1; US20050163394A1; US7346197B2; JP2005521137A; ATE404937T1; AU2003209568A1; EP1488370B1; EP1488370A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Verbesserung von Fingerabdruck-Bildern, wobei aufgenommene Bilder unter Anwendung von Gabor-Filtern jeweils auf Bildbereiche der Fingerabdruck-Bilder verarbeitet werden, werden die Gabor-Filter an Kenngrößen des Bildes im jeweils zu verarbeitenden Bildbereich angepasst.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung von Fingerabdruck-Bildern, wobei aufgenommene Bilder unter Anwendung von Gabor-Filtern jeweils auf Bildbereiche der Fingerabdruck-Bilder verarbeitet werden.
Unter den derzeit verwendeten Verfahren, unterschiedliche Fingerabdrücke mit möglichst hoher Sicherheit eindeutig identifizieren zu können, arbeiten die meisten auf Grundlage der Extraktion von Minutien und dem Vergleich von Lage und gegebenenfalls Art und Richtung der gefundenen Minutien. Minutien sind Verzweigungen und Endungen einzelner Rillen im Fingerabdruck. Die Minutien werden mit an sich bekannten Verfahren der Bildverarbeitung aus einem gegebenen Fingerabdruck extrahiert. Dabei behindern Fehler bei der Erstellung der Fingerabdruck-Bilder die Erkennung von Minutien. Solche Fehler können beispielsweise von unterschiedlicher Beschaffenheit der Oberfläche des Fingers zum Zeitpunkt der Aufnahme ausgehen, beispielsweise Schweiß, Schmutz, Trockenheit und dergleichen.
Aus US 5,659,626 ist ein Fingerabdruck-Identifikationssystem bekannt geworden, bei welchem eine Verarbeitung nach der Gattung des Hauptanspruchs mit Gabor-Filtern durchgeführt wird. Gabor-Filter sind ferner beschrieben in Lin Hong, Yifei Wan, and Anil Jain: "Fingerprint Image Enhancement: Algorithm and Performance Evaluation", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 20, 8. August 1998.
Diese Verfahren ergeben zwar eine wesentliche Verbesserung der Fingerabdruck-Bilder für eine nachfolgende Bildanalyse. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die Ergebnisse nicht für alle Varianten von Fingerabdrücken und von Teilen davon durchgängig gut sind.
Zur weiteren Verbesserung von Fingerabdruck-Bildern ist deshalb erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Gabor-Filter an Kenngrößen des Bildes im jeweils zu verarbeitenden Bildbereich angepasst werden.
Um für die Anpassung der Parameter aus dem Inhalt der Bildbereiche geeignete Kenngrößen extrahieren zu können, ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzugsweise vorgesehen, dass die Bildbereiche quadratisch sind und eine Seitenlänge aufweisen, bei welcher Abstands- und Richtungsänderungen der Rillen relativ klein sind, jedoch mehrere Rillen so umfassen, dass für die Abstände und Richtungen statistische Mittelwerte und die Standardabweichungen gebildet werden können.
Eine wesentliche Verbesserung der Fingerabdruck-Bilder hat sich durch eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben, die darin besteht, dass die Anpassung durch folgende Kenngrößen des jeweils zu verarbeitenden Bildbereichs bestimmt wird:
mittlere Richtung der Rillen des Bildbereichs,
mittlerer Abstand der Rillen des Bildbereichs,
Änderung der Richtung der Rillen des Bildbereichs und
Änderung des Abstandes der Rillen des Bildbereichs.
Insbesondere ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass von einer Ellipse, welche eine die Fouriertransformierte des Gabor-Filters darstellende Gauss- Glockenkurve umschließt, die Länge der zum Ursprung gerichteten Hauptachse mit abnehmendem Abstand der Rillen vergrößert wird, die Länge der anderen Hauptachse mit zunehmender Richtungsänderung vergrößert wird und dass der Schnittpunkt der Hauptachsen durch die mittlere Richtung und die mittlere Frequenz der Rillen des jeweiligen Bildbereichs bestimmt werden.
Beim Zusammenfügen der Bildbereiche können bedingt durch die von Bildbereich zu Bildbereich unterschiedliche Filterung verfälschende Artefakte in den Randbereichen der einzelnen Gabor-gefilterten Bildbereiche auftreten, welche die weitere Bildverarbeitung beeinträchtigen. Bei einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist daher vorgesehen, dass sich die Bildbereiche überlappen und dass die sich überlappenden Bildbereiche vor einem Zusammenfügen mit einer zu den Rändern abnehmenden Funktion gewichtet werden. Damit wird erreicht, dass diese Artefakte verschwinden bzw. minimiert werden und somit keine negativen Auswirkungen auf die geforderte Qualität des gesamten, aus den einzelnen Kacheln rekombinierten Gabor-gefilterten Bildes haben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand mehrerer Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 Fingerabdruck-Bilder vor und nach der Verarbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Ergebnis einer verbesserten Rillenkontur,
Fig. 2 Fingerabdruck-Bilder vor und nach der Verarbeitung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren mit dem Ergebnis einer verbesserten Rillentrennung,
Fig. 3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 4 Darstellungen zur Erläuterung des Zusammenfügens der Kacheln und
Fig. 5 eine Draufsicht der FFT-Transformierten eines quadratischen Bildbereichs.
Wegen der Vorschriften für Patentzeichnungen, dass die Abbildungen keine Grautöne enthalten dürfen, sind die Fingerabdruck-Bilder in den Fig. 1 und 2 weitgehend als reine Schwarz/Weiß-Bilder dargestellt.
Fig. 1a zeigt einen unverarbeiteten Fingerabdruck mit einer Fehlstelle, die beispielsweise durch einen Kratzer auf der Oberfläche des Scanners entstanden ist. Mit optimal entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren adaptierten Gabor-Filtern erfolgt die Reparatur der unterbrochenen Rillen (Fig. 1b).
Fig. 2 demonstriert eine zweite Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens: das Trennen der durch beeinträchtigende Umwelteinflüsse entstandenen, verfälschenden Verwaschungen der Rillen in den markierten Gebieten des Sensorbildes (Fig. 2a). Auch hier zeigt Fig. 2b den Fingerabdruck nach der Verarbeitung mit den erfindungsgemäß optimal adaptierten Gabor-Filtern.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem Flussdiagramm gemäß Fig. 3 kann ein entsprechendes Computer-Programm in einem Rechner ablaufen. Nach einem Start bei 1 erfolgt die Berechnung lokaler Gradienten G auf einem geeigneten Gitter, von beispielsweise 8 × 8 Bildelementen (Pixel). In einem Schritt 3 werden lokale Rillenabstände R ebenfalls auf dem geeigneten Gitter berechnet. Bei 4 wird das Fingerabdruck-Bild in Kacheln K geeigneter Größe unterteilt. Eine geeignete Größe ist beispielsweise 32 × 32 Bildelemente bei einer Sensor-bedingten Bildauflösung von 500 dpi.
Im Programmschritt 5 wird ein Zähler c initialisiert, das heißt auf 0 gesetzt. Ferner wird die Anzahl der Kacheln mit N = #K initialisiert. Nach einer Abfrage 6, ob c = N ist, wird nicht-zutreffendenfalls c bei 7 inkrementiert. Danach werden bei 8 Parameter für die Konstruktion des Gabor-Filters nach den Kenngrößen berechnet. Dabei bedeutet mean der Mittelwert und std die Standardabweichung. Bei 9 wird dann das Gabor-Filter GF für die Kachel K(c) als Funktion der bei 8 berechneten Parameter konstruiert.
Im Programmschritt 10 wird das jeweilige Gabor-Filter GF auf die Kachel K(c) angewendet, wobei zur Filterung selbst die mit Hilfe der schnellen Fouriertransformation (FFT) transformierte Kachel K(c) elementweise mit dem Gabor-Filter GF multipliziert wird. Das Ergebnis wird rücktransformiert (IFFT) und dessen Realteil bildet den verbesserten Inhalt K(c)' der Kachel K(c). Bei 11 erfolgt eine Bewertung der Ergebnisse des Programmschrittes 10 mit einer Funktion W, was später im Zusammenhang mit Fig. 4 genauer erläutert wird. Im Programmschritt 12 wird dann der gefilterte und bewertete Inhalt K"(c) der Kachel K(c) in das entstehende verbesserte Fingerabdruck-Bild eingefügt.
Nach diesem Programmschritt folgt bei 6 wieder die Abfrage, ob c den Wert N erreicht hat. Ist dies noch nicht der Fall, werden die Verfahrensschritte 7 bis 12 für die folgende Kachel durchgeführt. Nach Abarbeitung aller Kacheln wird das Programm bei 13 beendet.
Beim Zusammenfügen der Bildbereiche können bedingt durch die von Bildbereich zu Bildbereich unterschiedliche Filterung verfälschende Artefakte in den Randbereichen der einzelnen Gabor-gefilterten Bildbereiche auftreten, welche die weitere Bildverarbeitung beeinträchtigen. Gemäß Fig. 4 ist daher vorgesehen, dass sich die Bildbereiche überlappen und dass die sich überlappenden Bildbereiche vor einem Zusammenfügen mit einer zu den Rändern abnehmenden Funktion gewichtet werden. Damit wird erreicht, dass diese Artefakte verschwinden bzw. minimiert werden und somit keine negativen Auswirkungen auf die geforderte Qualität des gesamten, aus den einzelnen Kacheln rekombinierten Gabor-gefilterten Bildes haben. Fig. 4a zeigt eine Kachel K(c) und gestrichelt die benachbarten Kacheln, die sich jeweils überlappen. In Fig. 4b ist ein Beispiel einer Gewichtungsfunktion W als Funktion des Weges x dargestellt. Während in dem mittleren Bereich der Kachel eine maximale Gewichtung erfolgt, nimmt diese in den Überlappungsbereichen bis zu den Rändern ab.
Ein Gabor-Filter besteht im Frequenzbereich aus einer zweidimensionalen Gauss- Glockenkurve, die in der Draufsicht gemäß Fig. 5 von einer Ellipse umfasst wird. Eine Hauptachse der Ellipse ist im dargestellten Fall grundsätzlich auf den Mittelpunkt der Filtermaske gerichtet. Diese Hauptachse ist in der Darstellung des Filters im Raumbereich die Normale zur Wellenfront. Dabei bestimmen die vier Parameter Richtung, Richtungsänderung, Frequenz und Frequenzänderung die Lage und Form der Ellipse.
Der Mittelpunkt der Ellipse beschreibt das Maximum der Glockenkurve und liegt genau im Schnittpunkt von Frequenz und Richtung. Dabei wird der Frequenzraum folgendermaßen betrachtet: Der Ursprung liegt in der Mitte des Gabor-Filters und kann mit der Amplitude des Gleichanteils beschrieben werden. Konzentrische Kreise um den Ursprung (0,0) beinhalten dieselbe Frequenz in unterschiedlichen Richtungen, wobei die Frequenz am äußeren Rand durch die FFT-spezifische Grenzfrequenz beschränkt ist. In dieser vereinfachten Betrachtung soll der Imaginärteil sowohl der Transformierten als auch der Rücktransformierten unberücksichtigt bleiben. Somit kann der Frequenzraum als Polarkoordinatendarstellung von Frequenz und Richtung verstanden werden.
Im folgenden wird eine mögliche Art der Berechnung eines erfindungsgemäß adaptierten Gabor-Filters erläutert. Die Implementation hat die Größe 32 × 32 für die quadratischen FFT/IFFT-Kacheln K. Das Gabor-Filter wird im Frequenzbereich bildelementweise gebildet für

und wie folgt:

wobei mR der mittlere Rillenabstand und mG die mittlere Richtung der Rillen auf dem inneren Teil der jeweils bearbeiteten Kachel darstellt, berechnet beispielsweise mittels

wobei M Menge der auf der Kachel existierenden Elemente aus R darstellt.
Für die Kachelgröße 32 wird Gleichung [2] zu

mit (x, y) als Koordinaten der oberen linken Ecke der jeweils bearbeiteten Kachel.
Der Wert mG kann z. B. auch direkt aus einem geeignet geglätteten Gitter der Richtungen entnommen werden, als innerster Gitterpunkte von G in der jeweils bearbeiteten Kachel. Dies kann anstelle der Mittelwertbildung vorgenommen werden und ist möglich wegen der zuvor vorgenommenen Glättung des Richtungsgitters und verhindert eine kompliziertere Mittelwertbildung der Richtungen.
Die Matrix A in [1] ist abgeleitet von

wobei die Parameter σ_x und σ_y von R, G, mR und mG z. B. wie folgt abgeleitet werden könnten:

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung von Fingerabdruck-Bildern, wobei aufgenommene Bilder unter Anwendung von Gabor-Filtern jeweils auf Bildbereiche der Fingerabdruck-Bilder verarbeitet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Gabor-Filter an Kenngrößen des Bildes im jeweils zu verarbeitenden Bildbereich angepasst werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildbereiche quadratisch sind und eine Seitenlänge aufweisen, bei welcher Abstands- und Richtungsänderungen der Rillen relativ klein sind, jedoch mehrere Rillen so umfassen, dass für die Abstände und Richtungen statistische Mittelwerte und die Standardabweichungen gebildet werden können.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung durch folgende Kenngrößen des jeweils zu verarbeitenden Bildbereichs bestimmt wird:
mittlere Richtung der Rillen des Bildbereichs,
mittlerer Abstand der Rillen des Bildbereichs,
Änderung der Richtung der Rillen des Bildbereichs und
Änderung des Abstandes der Rillen des Bildbereichs.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von einer Ellipse, welche eine die Fouriertransformierte des Gabor-Filters darstellende Gauss-Glockenkurve umschließt, die Länge der zum Ursprung gerichteten Hauptachse mit abnehmendem Abstand der Rillen vergrößert wird, die Länge der anderen Hauptachse mit zunehmender Richtungsänderung vergrößert wird und dass der Schnittpunkt der Hauptachsen durch die mittlere Richtung und die mittlere Frequenz der Rillen des jeweiligen Bildbereichs bestimmt werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Bildbereiche überlappen und dass die sich überlappenden Bildbereiche vor einem Zusammenfügen mit einer zu den Rändern abnehmenden Funktion (W) gewichtet werden.