KR20060027613A - Direction filtering method in algorithm for extracting fingerprint minutiae - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지문영상의 지문영상의 융선간격 스케일 영역내에서 한 사이즈의 필터를 사용하는 방향필터링에 있어서 입력지문 영상의 이미지 크기를 재구성하여 해당 융선간격 스케일 영역에서 사용되는 필터에 최적화하는 방향 필터링 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 방향필터링 방법은 사람에게서 일반적으로 나올 수 있는 지문영상의 융선간격을 스케일별로 분류하여 소정 개수의 스케일영역으로 설정하고, 각 스케일영역별로 한 사이즈의 필터를 할당하는 스케일영역 정의단계(100)와, 지문인식을 원하는 사람으로부터 취득된 지문영상을 소정 크기의 블록으로 구획하고 각 블록에서의 융선방향 및 융선간격의 평균값을 산출하는 단계(200)와, 상기 융선간격의 평균값과 스케일영역 정의단계에서 할당된 필터들의 사이즈를 비교하여 차이가 최소가 되는 필터를 선택하는 단계(300)와, 상기 선택된 필터의 사이즈에 최적으로 매치되도록 지문영상을 정규화하는 단계(400)와, 이 정규화된 영상에 대해 방향 필터링을 수행하는 단계(500)를 포함한다.The present invention is a direction filtering method for optimizing the filter used in the ridge interval scale region by reconstructing the image size of the input fingerprint image in the direction filtering using one size filter in the ridge interval scale region of the fingerprint image It is about. In the direction filtering method according to the present invention, a ridge interval of a fingerprint image, which can be generally released from a human, is classified by scale, set to a predetermined number of scale regions, and a scale region definition step of allocating a filter of one size for each scale region ( 100) and dividing the fingerprint image obtained from the person who wants the fingerprint recognition into blocks of a predetermined size and calculating an average value of the ridge direction and the ridge spacing in each block (200), and the average value and scale region of the ridge interval. Comparing the sizes of the filters allocated in the defining step to select a filter having a minimum difference (300), normalizing the fingerprint image to optimally match the size of the selected filter (400), and In step 500, direction filtering is performed on the image.
지문인식, 특징데이터, 방향 필터링Fingerprint recognition, feature data, direction filtering
Description
도1은 종래의 지문 특징데이터 추출방법의 흐름도.1 is a flow chart of a conventional fingerprint feature data extraction method.
도2는 융선 간격이 좁은 지문을 방향필터링 한 결과 영상.2 is a result of directional filtering fingerprints having narrow ridge spacing.
도3은 본 발명에 따른 방향 필터링 방법의 개요도.3 is a schematic diagram of a direction filtering method according to the present invention;
도4는 융선간격을 계산하기 위한 방법을 나타내는 모식도.4 is a schematic diagram showing a method for calculating the ridge spacing.
본 발명은 지문 특징데이터 추출 알고리즘 중에서 방향필터링 단계를 개량한 것으로서, 특히, 본 발명은 지문영상의 지문영상의 융선간격 스케일 영역내에서 한 사이즈의 필터를 사용하는 방향필터링에 있어서 입력지문 영상의 이미지 크기를 재구성하여 해당 융선간격 스케일 영역에서 사용되는 필터에 최적화하는 방향 필터링 방법에 관한 것이다. The present invention is an improvement of the direction filtering step among fingerprint feature data extraction algorithms. In particular, the present invention provides an image of an input fingerprint image in the direction filtering using a filter of one size in the ridge interval scale region of the fingerprint image of the fingerprint image. The present invention relates to a direction filtering method of reconfiguring the size and optimizing the filter used in the ridge spacing scale region.
생체정보에 의한 보안인증 방법의 하나로서 지문인식 기술을 들 수 있다. 지문인식 기술은 사람마다 고유의 특성차이를 나타내는 지문을 영상처리 방법으로 인식하여 등록된 본인 여부를 판단하는 기술이다. 지문인식 기술에서는 지문의 특징 점을 추출하여 지문 특징데이터를 만드는 과정이 가장 핵심적이라고 할 수 있다. 지문 특징데이터를 생성하는 알고리즘을 간략하게 설명하면 다음과 같다.As one of security authentication methods using biometric information, a fingerprint recognition technique may be mentioned. Fingerprint recognition technology is a technology that determines whether or not a registered person by recognizing a fingerprint showing a unique characteristic difference for each person by an image processing method. In fingerprint recognition technology, the process of extracting fingerprint feature points and creating fingerprint feature data is the most important. An algorithm for generating fingerprint feature data is briefly described as follows.
우선 지문입력장치에 의해 지문을 읽어서 지문영상을 취득한다. 지문입력장치에 의해 취득된 지문영상은 다수의 영역으로 구획된다. 다음에 각 영역별로 지문융선의 방향값을 추출한 다음에 각 방향별 마스크를 이용하여 융선의 방향값을 이진화한다. 그리고 융선의 폭을 단일선이 되도록 세선화한 후 세선화된 융선 중에서 특징점을 찾아낸다. 찾아낸 특징점 중에서 잘못 찾아낸 특징점(의사 특징점)을 제거한 다음에, 특징점의 위치와 방향을 데이터화하여 특징데이터를 산출한다.First, a fingerprint image is obtained by reading a fingerprint by a fingerprint input device. The fingerprint image acquired by the fingerprint input device is divided into a plurality of areas. Next, the direction values of the fingerprint ridges are extracted for each region, and then the direction values of the ridges are binarized using a mask for each direction. After narrowing the width of the ridge to a single line, the feature points are found among the thinned ridges. After erroneously finding a feature point (pseudo feature point) among the found feature points, the feature data is calculated by making the position and the direction of the feature point data.
종래의 일반적인 지문특징점 추출 방법에 대하여 도1을 참조하여 좀더 구체적으로 설명한다. 지문입력장치로부터 지문영상을 입력받은 후(11), 융선방향 추출 및 보정 단계(12)(전처리 단계)에서 전체 지문영상 영역에서의 밝기 변화가 가장 작은 방향을 그 영역의 융선방향으로 결정하고, 융선방향의 보정을 위하여 각 영역의 방향값을 주변 방향들과 평균한 방향으로 결정한다(방향 보정, 방향 필터링, 또는 스무딩이라고도 함). 다음에 이 방향별 정보를 이용하여 이진화(13)를 수행하고 나서, 융선의 골격만이 존재할 때까지 융선의 외곽선을 골로 변환하는 세선화(14)를 거친다. 마지막으로, 공지된 알고리즘을 이용하여 지문의 고유 특징점인 단점.분기점.교차점 등을, 지문을 구별하는 고유한 특징점으로서 추출한다(특징데이터 추출 알고리즘).A conventional fingerprint feature extraction method will be described in more detail with reference to FIG. 1. After receiving the fingerprint image from the fingerprint input device (11), in the ridge direction extraction and correction step 12 (preprocessing step), the direction in which the brightness change in the entire fingerprint image area is the smallest is determined as the ridge direction of the area. For the correction of the ridge direction, the direction value of each region is determined in the direction averaged with the peripheral directions (also called direction correction, direction filtering, or smoothing). Next,
상기 전처리 과정은 입력된 지문 영상에서 보다 나은 융선과 골을 추출하기 위한 과정으로서, 이후의 이진화를 수행하기 전에 이루어진다. 지문은 방향성을 갖 는 특성이 있으므로 융선 상태를 잘 보존하면서 향상된 영상을 얻기 위해 특정한 방향 필터링 내지는 방향 스무딩을 수행한다.The preprocessing process is to extract better ridges and bones from the input fingerprint image, and is performed before the subsequent binarization. Since fingerprints are directional, they perform specific directional filtering or directional smoothing to obtain an improved image while preserving ridges.
상기 방향 필터링 단계(12)는 이진화(13) 및 세선화(14) 이전에 지문 이미지의 융선과 골의 콘트라스트를 높여주고 노이즈를 줄여주기 위한 것이다. 그러나 지문의 융선이 표준보다 가늘거나 두꺼운 경우에는 방향 필터링의 결과, 원이미지로부터 왜곡된 결과가 나오게 된다. 가령 지문의 융선간격이 좁은 경우에는 도2에서와 같이 인접한 융선끼리 뭉쳐져서 나오게 된다.The direction filtering
실제로 지문인식 시스템을 적용시에는 지문의 융선간격에 따라 적절한 필터사이즈를 적용하여야 원하는 목적에 적합한 영상을 얻을 수 있다. 즉, 융선의 간격에 따라 최적의 필터를 선택하여서 필터링을 수행해야 한다. 왜냐하면 융선간격은 동일인에 대해서는 일정한 양상을 띠지만 타인간에는 일정 영역 안에서 서로 다른 값들을 가질 수도 있기 때문이다. In fact, when applying the fingerprint recognition system, it is necessary to apply an appropriate filter size according to the ridge interval of the fingerprint to obtain an image suitable for the desired purpose. In other words, filtering should be performed by selecting an optimal filter according to the ridge spacing. This is because the ridge spacing has a certain pattern for the same person but different people may have different values in a certain area.
그러나 이와 같이 방향 필터링시에 각 융선간격마다 적합한 사이즈의 필터를 선택적으로 적용하게 되면 적절한 필터를 찾아서 적용하기 위해 필요한 계산처리에 따른 시간상의 비용 및 다양한 필터 적용에 따른 여러 필터 테이블로 인한 메모리 비용 등이 증가하게 된다.However, if the filter of the right size is selectively applied to each ridge interval during the direction filtering, the time cost for the calculation process needed to find and apply the appropriate filter, and the memory cost due to the various filter tables for the various filter applications, etc. Will increase.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 사람에게서 일반적으로 나올 수 있는 지문 융선간격 스케일을 확률분포에 따라 모델링하여 전체를 소정의 영역(ridge-width scale space)(이하, "스케일영역")으로 분류한 후 각 스케일영역별로 별도의 필터 테이블을 설정해 놓고 소정 영역 범위 내에서는 그에 할당된 동일한 사이즈의 필터 테이블을 사용함으로써, 각 융선간격 영역에서는 동일한 필터를 사용하는 필터링을 수행하는 종래기술이 개발되어 있다. 즉, 이 종래기술에 있어서는, 융선 간격을 일정한 범위로 구분하여 각 범위별로 미리 설정해 둔 필터 중에서 최적인 것을 선택하여 적용하는 것이다. In order to solve this problem, the fingerprint ridge spacing scale, which can be generally derived from humans, is modeled according to the probability distribution, and the whole is classified into a ridge-width scale space (hereinafter referred to as a "scale region"). A conventional technique has been developed in which a separate filter table is set for each scale region and a filter table having the same size assigned thereto is used within a predetermined region range, thereby performing filtering using the same filter in each ridge interval region. That is, in this prior art, the ridge interval is divided into predetermined ranges, and the optimum one is selected and applied among the filters set in advance for each range.
그러나 이러한 방식의 필터링 방법에 있어서도 융선간격이 좁은 지문일 경우에는 적절치 않은 필터링 결과를 가져올 수 있게 된다. 왜냐하면, 소정의 스케일영역마다 하나씩의 필터가 적용되기 때문에 하나의 필터로 다양한 형태의 지문영상을 필터링해야 하기 때문이다. However, even in this type of filtering method, a fingerprint having a narrow ridge spacing may result in inappropriate filtering results. This is because one filter is applied to each predetermined scale region, and various fingerprint images must be filtered by one filter.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로서, 상술한 종래기술과 같은 융선간격 스케일영역 설정방법을 기반으로 하되 입력된 지문영상의 크기를 조절하여 해당 스케일영역에 할당되어 있는 필터의 필터링 사이즈에 적합하도록 영상을 조정하는 방법을 제공한다. 입력 영상을 조정한 후에 필터링을 수행하면 융선간격이 좁더라도 특징점 간의 구조적 특징을 보존한 채로 올바른 방향 필터링을 수행할 수 있게 된다. The present invention was developed to solve the above problems, based on the ridge interval scale area setting method as described above, but adjusting the size of the input fingerprint image filter size of the filter assigned to the scale area It provides a method for adjusting the image to fit the. If the filtering is performed after adjusting the input image, even if the ridge spacing is narrow, correct directional filtering can be performed while preserving structural features between the feature points.
상기 목적과 같이 본 발명은, 지문인식을 원하는 사람의 지문영상으로부터 특징데이터를 추출하는 알고리즘의 방향 필터링 과정 중에 포함되는 다음과 같은 단계로 이루어지니다. 즉, As described above, the present invention comprises the following steps included in the direction filtering process of the algorithm for extracting feature data from a fingerprint image of a person who wants fingerprint recognition. In other words,
사람에게서 일반적으로 나올 수 있는 지문영상의 융선간격을 스케일별로 분 류하여 소정 개수의 스케일영역으로 설정하고, 각 스케일영역마다 다른 사이즈의 필터를 할당하는 스케일영역 정의단계,A scale region definition step of classifying ridge intervals of fingerprint images, which can be generally released from humans, by scale, setting them to a predetermined number of scale regions, and assigning filters of different sizes to each scale region.
지문인식을 원하는 사람으로부터 취득된 지문영상을 소정 크기의 블록으로 구획하고 각 블록에서의 융선방향 및 융선간격의 평균값을 산출하는 단계,Dividing a fingerprint image obtained from a person who wants fingerprint recognition into blocks of a predetermined size and calculating average values of ridge directions and ridge intervals in each block;
상기 융선간격의 평균값과 스케일영역 정의단계에서 할당된 필터들의 사이즈를 비교하여 차이가 최소가 되는 영역에 해당하는 필터를 선택하는 단계, Selecting a filter corresponding to a region where the difference is minimal by comparing the average value of the ridge spacing with the sizes of the filters allocated in the scale region defining step;
선택된 필터의 사이즈에 최적으로 매치되도록 지문영상을 정규화하는 단계, Normalizing the fingerprint image to optimally match the size of the selected filter,
선택된 필터를 이용하여 상기 정규화된 지문영상에 대해 방향 필터링을 수행하는 단계. Performing direction filtering on the normalized fingerprint image using a selected filter.
이하, 본 발명에 따른 지문특징 데이터의 방향필터링 방법의 구성에 대해서 구체적으로 설명한다. 도3을 참조하면 본 발명에 따른 방향필터링 방법은, 사람에게서 일반적으로 나올 수 있는 지문영상의 융선간격을 스케일별로 분류하여 소정 개수의 스케일영역으로 설정하고, 각 스케일영역별로 한 사이즈의 필터를 할당하는 스케일영역 정의단계(100)와, 지문인식을 원하는 사람으로부터 취득된 지문영상을 소정 크기의 블록으로 구획하고 각 블록에서의 융선방향 및 융선간격의 평균값을 산출하는 단계(200)와, 상기 융선간격의 평균값과 스케일영역 정의단계에서 할당된 필터들의 사이즈를 비교하여 차이가 최소가 되는 필터를 선택하는 단계(300)와, 상기의 필터사이즈 선택 단계(300) 이후에 선택된 필터의 사이즈에 최적으로 매치되도록 지문영상을 정규화하는 단계(400)와, 이렇게 정규화된 지문영상에 대해서 방 향 필터링을 수행하는 단계(500)로 구성된다. Hereinafter, the configuration of the direction filtering method for fingerprint feature data according to the present invention will be described in detail. Referring to FIG. 3, in the direction filtering method according to the present invention, a ridge interval of a fingerprint image, which can generally come from a person, is classified by a scale, set as a predetermined number of scale regions, and a filter of one size is allocated to each scale region. A scale
상기 평균값 산출단계(200), 필터사이즈 선택단계(300), 지문영상 정규화 단계(400)는 지문인식을 원하는 사람의 지문영상으로부터 특징데이터를 추출하는 알고리즘의 전처리단계(12) 중 특히 방향필터링 과정에 포함되는 것들이다. 즉, 본 발명은 기존의 지문데이터 추출 알고리즘 중 전처리 단계에 해당하는 방향 필터링 단계를 개량한 것으로서, 기술적으로는 도1에 나타낸 이진화 단계(13) 이전에 수행되는 방향 필터링(방향 보정) 단계에 포함되는 것이다.The average
우선, 융선 모델에 기반한 스케일영역의 정의단계(100)에 대해서 설명한다. 스케일영역의 정의란, 지문인식 시스템에 적용할 필터의 사이즈를 각 스케일영역에 대응시킨다. 예를 들어 지문영상의 융선의 스케일영역을 5개로 분류하고 각 영역별로 필터사이즈가 각각 3, 5, 7, 9, 11인 필터를 할당한다. 본 예에서는 시스템에 적용하는 필터 사이즈의 수를 5개로 설정하였지만, 물론 본 발명의 사상이 이 5개라는 개수에 한정되는 것은 아니다. 비록 그 효과에 있어서 차이는 날 수 있지만, 본 발명의 사상은 단 한 개의 필터를 적용한 시스템에도 적용가능함은 자명하다. 본 발명의 목적은 입력된 지문영상에 최적의 필터사이즈를 적용하기 위하여 지문영상을 정규화하는 것이고 이는 곧 스케일의 최적매칭(best matching scale selection) 문제에 해당된다. First, the
상술한 바와 같이 스케일영역이 정의된 상태에서, 일반적인 지문데이터 추출 알고리즘에서와 같이, 취득된 지문영상을 다수의 블록으로 구획하여 융선방향 및 융선간격을 결정한다. 취득된 지문영상을 다수의 블록으로 구획하는 방법은 종래의 방식과 같다. In the state where the scale region is defined as described above, as in the general fingerprint data extraction algorithm, the obtained fingerprint image is divided into a plurality of blocks to determine the ridge direction and the ridge interval. The method of dividing the acquired fingerprint image into a plurality of blocks is the same as the conventional method.
다음에, 취득된 지문영상에서 융선간격을 검출한다. 임의의 한 블록(도4의 "20" 참조) 안에서 검출대상 윈도우(30) 내의 융선 방향에 수직한 단면의 신호(도4 참조)를 살펴볼 때 영상의 노이즈의 영향을 줄이기 위해 스무딩을 취한 후 해당 융선방향으로의 인접 융선의 피크치 사이의 값을 검출함으로써 융선간격(도4의 a)의 크기를 찾는다. 인접한 융선의 간격값을 구한 후에는 블록 내에서 이들의 평균 대표값을 산출한다. Next, the ridge interval is detected from the acquired fingerprint image. When looking at the signal of the cross section perpendicular to the direction of the ridge in the detection target window 30 (see Fig. 4) in any one block (see “20” in Fig. 4), the smoothing is performed to reduce the influence of noise on the image. The magnitude of the ridge spacing (a in Fig. 4) is found by detecting the value between the peak values of adjacent ridges in the ridge direction. After calculating the spacing values of adjacent ridges, their average representative values are calculated in the block.
다음에, 블록 전체에 대한 평균값을 구한다. 이는 아래의 수학식1을 활용할 수 있다. 수학식1은 취득된 지문영상의 전체 블록에 대해서 융선 간격값의 평균을 구하기 위한 수식이다. Next, an average value for the entire block is obtained. This may utilize Equation 1 below. Equation 1 is an equation for calculating an average of ridge spacing values for all blocks of the acquired fingerprint image.
다음에 상기 처리된 지문영상이, 정의된 어느 스케일영역에 해당되는지 선택한다. 이는 스케일영역별로 할당된 최적의 필터를 선택하기 위한 단계로서 아래 수학식2를 이용하여 필터사이즈와 스케일영역의 차가 최소가 되는 값 κ(scale factor)를 구함으로써 달성할 수 있다. Next, it is selected to which scale region the processed fingerprint image corresponds. This is accomplished by selecting a scale factor (k) which minimizes the difference between the filter size and the scale region by using Equation 2 below as a step for selecting an optimal filter allocated for each scale region.
: 융선간격 스케일영역에 할당된 최적의 필터 사이즈 : Optimal filter size allocated to ridge spacing scale region
수학식2를 통하여 융선간격의 평균값과 최소가 되는 필터사이즈가 선택되면 이 필터를 이용하여 방향필터링을 수행하는데, 이 때 보다 확실한 필터링을 위하여 선택된 필터사이즈에 최적으로 지문영상을 정규화한다. 즉, 지문영상에 대한 이진화 등 영상처리를 함에 있어서 최적의 필터사이즈와 융선간격의 평균값이 동일할 때에 최적의 이미지 품질을 얻을 수 있지만, 현실적으로 모든 지문영상에 대해서 각각 최적의 필터를 설계하기가 불가능하므로, 역으로 필터사이즈에 지문영상을 최적화하는 것이다. 이러한 기술적 사상은 미리 설정되어 있는 필터 중에서 어떤 필터를 선택하느냐로부터 출발하며, 필터의 선택방법이 융선간격의 평균값과 필터사이즈의 최소가 되는 필터를 선택하여(융선간격의 평균값이 작은 경우가 바람직함) 그 필터사이즈에 맞게 지문영상을 재구성한다. 지문영상의 정규화에 있어서, 입력영상을 축소할 경우에는 입력 데이터의 손실을 가져오기 때문에 입력영상을 확대하여 최적의 필터사이즈를 선택하는 방향으로 본 발명을 구현하는 것이 바람직하다.If the average filter size and the minimum filter size are selected through Equation 2, the direction filtering is performed using this filter. At this time, the fingerprint image is normally normalized to the selected filter size for more reliable filtering. That is, in image processing such as binarization of fingerprint images, optimal image quality can be obtained when the optimal filter size and average value of ridge spacing are the same, but it is impossible to design optimal filters individually for all fingerprint images. In turn, the fingerprint image is optimized for the filter size. This technical idea starts from which filter is selected from among the preset filters, and the filter selection method selects a filter which is the minimum of the ridge interval and the filter size (the average value of the ridge interval is small). Reconstruct the fingerprint image to match the filter size. In normalizing a fingerprint image, it is preferable to implement the present invention in a direction of selecting an optimal filter size by enlarging the input image since the input data is reduced when the input image is reduced.
이 과정은, 지문영상에서 배경부분을 제외하고 융선 간격의 평균값을 사용하여 전체 영역에 대해 적용한다. 그래야만 스케일 파라미터와 특징점 추출 point를 알아서 원입력에 대한 유효한 특징점 정보를 얻을 수 있기 때문이다. 영상정규화는 아래의 수학식3에 의해 이루어질 수 있다. This process is applied to the whole area using the average value of the ridge spacing except for the background part of the fingerprint image. This is because it is possible to obtain valid feature point information for the original input by knowing the scale parameter and the feature point extraction point. Image normalization may be performed by Equation 3 below.
본 발명에 따르면, 스케일영역별로 필터를 할당하는 방식의 방향필터링에 있어서 어떠한 형태의 입력 지문영상에도 대처하여 효율적이고 최적인 방향필터링을 가능케하여 지문 인식률의 향상을 크게 도모할 수 있다. According to the present invention, it is possible to improve the fingerprint recognition rate by efficiently and optimally directional filtering by coping with any type of input fingerprint image in the direction filtering in the way of assigning the filter for each scale region.
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