KR20210082624A - Fingerprint Enhancement method - Google Patents

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KR20210082624A
KR20210082624A KR1020190174748A KR20190174748A KR20210082624A KR 20210082624 A KR20210082624 A KR 20210082624A KR 1020190174748 A KR1020190174748 A KR 1020190174748A KR 20190174748 A KR20190174748 A KR 20190174748A KR 20210082624 A KR20210082624 A KR 20210082624A
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ridge
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fingerprint
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KR1020190174748A
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길용석
나경필
김문철
김명하
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에코스솔루션(주)
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Abstract

An objective of the present invention is to improve the quality of a fingerprint input to an online fingerprint identification system (automatic fingerprint identification system). The present invention relates to a fingerprint enhancement method. More specifically, the fingerprint enhancement method according to one embodiment of the present invention includes a Gabor filter bank application step, a ridge extraction stage, a Coles level ridge map and unrecoverable area mask generation step, and a direction field estimation step.

Description

지문 향상 방법 {Fingerprint Enhancement method}Fingerprint Enhancement method

본 발명은, 온라인 지문 확인 시스템(지문 자동 식별 시스템)에 입력되는 지문의 품질을 향상하기 위해, 복구 가능한 영역에서 능선/계곡 구조의 선명도를 개선하고 이를 minutiae 추출 알고리즘에 적합하게 만들며, 또한 실제 능선/계곡 구조를 복구 할 수 없는 손상된 모든 영역을 식별하고 복구할 수 없는 영역으로 레이블을 지정하여, 마스크하는, 지문 향상 방법에 관한 것이다. The present invention improves the clarity of the ridge/valley structure in the recoverable area and makes it suitable for the minutiae extraction algorithm, in order to improve the quality of the fingerprint input to the online fingerprint identification system (fingerprint automatic identification system), and also the actual ridge It relates to a fingerprint enhancement method that identifies and masks all areas of /valley structure that are damaged beyond repair, labeling them as non-recoverable areas and masking them.

일반적으로 지문 이미지는 각기 품질이 다르다. 자동 지문 인식 시스템(AFIS)의 성능이 입력 지문 이미지의 품질과 관련하여 확고 하도록 하려면 지문 자동 식별 시스템(AFIS) 시스템에 지문 향상 모듈을 통합하는 것이 필수적이다. In general, each fingerprint image has a different quality. Integrating a fingerprint enhancement module into an Automated Fingerprint Identification System (AFIS) system is essential to ensure that the performance of the Automated Fingerprint Identification System (AFIS) is robust with respect to the quality of the input fingerprint image.

지문 자동 식별 시스템 (Automated Fingerprint Identification System)은, 개인에 대한 인적 사항과 지문의 원본 이미지나 주요 특징적 정보를 고속의 대용량 데이터베이스에 저장해 두었다가 필요할 때 검색 단말기에서 개인의 현장 지문과 저장된 지문을 비교하여 동일인 여부를 확인한다. 주로 과학 수사와 출입국 관리에 활용되고 있다. The Automated Fingerprint Identification System stores personal information and the original image or key characteristic information of an individual in a high-speed, large-capacity database, and compares the individual's on-site fingerprint with the stored fingerprint in a search terminal when necessary. check whether It is mainly used for forensic investigation and immigration control.

일반적으로 자동 지문 식별 시스템(AFIS)은 지문의 능선/계곡 구조의 미세한 세부 사항을 비교하는데, 총 18가지 유형의 지역 능선 / 계곡 설명이 확인된다. 그 중에서도 보통 'minutiae (최소한도, 특징)'라고 불리는 능선 엔딩과 능선 분기는 자동 지문 인식 시스템에 사용되는 두 개의 가장 눈에 띄는 구조이다. 디지털 지문 이미지에서 자동으로 신뢰할 수 있는 minutiae를 추출하는 것은 매우 어려운 작업이다. 현재 사용 가능한 minutiae 추출 알고리즘의 성능은 입력 디지털 지문 이미지의 품질에 크게 의존한다. minutiae추출 알고리즘은 일반적으로 여러가지 요인(지문, 산후 표식, 직업 마크, 획득 장치 문제 등)의 비정상적인 형성으로 인해 디지털 지문 이미지는 항상 잘 정의된 능선/계곡 구조를 가지고 있지 않을 수 있을 것을 가정한다. 이것은 물론, minutiae 추출 알고리즘의 실패로 이어지며, 이로 인해 지문 일치 모듈의 성능이 저하된다. 도 1 및 도 2는 종래에 잉크리스 지문 스캐너로 획득된 양호하거나 좋지않은 품질의 지문 이미지에 minutiae 추출 알고리즘을 적용하는 전형적인 예를 나타낸다. 도 1 및 도 2에서, (a)는 입력 이미지를 나타내며, (b)는 추출된 능선 지도를 나타내며, (c)는 추출된 minutiae가 입력 지문 이미지에 중첩된 것을 나타낸다.In general, Automatic Fingerprint Identification Systems (AFIS) compare the fine details of the ridge/valley structure of the fingerprint, a total of 18 types of regional ridge/valley descriptions identified. Among them, ridge endings and ridge branches, commonly referred to as 'minutiae' (minimum, feature), are the two most prominent structures used in automatic fingerprint recognition systems. Extracting reliable minutiae automatically from digital fingerprint images is a very difficult task. The performance of currently available minutiae extraction algorithms is highly dependent on the quality of the input digital fingerprint image. The minutiae extraction algorithm generally assumes that digital fingerprint images may not always have a well-defined ridge/valley structure due to the abnormal formation of various factors (fingerprints, postpartum marks, occupation marks, acquisition device problems, etc.). This, of course, leads to the failure of the minutiae extraction algorithm, which degrades the performance of the fingerprint matching module. 1 and 2 show a typical example of applying a minutiae extraction algorithm to a fingerprint image of good or poor quality obtained by a conventional inkless fingerprint scanner. 1 and 2, (a) shows the input image, (b) shows the extracted ridge map, (c) shows that the extracted minutiae are superimposed on the input fingerprint image.

자동 지문 인식 시스템의 성능이 입력 지문 이미지의 품질과 관련하여 확고 하도록 하기 위해서는 능선/계곡 구조의 선명도를 향상시키는 개선 알고리즘이 필요하다. 이상적으로는 지문 이미지의 능선/계곡 구조가 잘 정의되어 있다. 각 능선은 두개의 평행한 좁은 계곡으로 구분되고, 각 계곡은 두 개의 평행한 좁은 능선으로 구분되며, minutiae는 능선 끝과 능선 분기로 정의된다. 그러나 실제로는 잘 정의된 능선/계곡 구조가 스캔 된 지문 이미지에서 항상 표시되지는 않는다. 일반적으로 지문이미지는 주름, 얼룩, 구멍 등과 같은 다양한 종류의 노이즈에 의해 손상된다. 이러한 노이즈의 존재에도 불구하고, 훈련된 지문 전문가는 종종 지역 능선/계곡 방향, 능선/계곡 연속성 등과 같은 다양한 시각적 단서를 사용하여 minutiae을 올바르게 식별 할 수 있다. 따라서 입력 지문 이미지의 품질을 향상시키기 위해 이러한 시각적 단서에 의존할 수 있는 알고리즘 요망된다. In order to ensure that the performance of the automatic fingerprint recognition system is robust with respect to the quality of the input fingerprint image, an improved algorithm that improves the sharpness of the ridge/valley structure is needed. Ideally, the ridge/valley structure of the fingerprint image is well defined. Each ridge is divided into two parallel narrow ridges, and each valley is divided into two parallel narrow ridges, and the minutiae is defined as the ridge end and the ridge branch. However, in practice, well-defined ridge/valley structures are not always displayed in scanned fingerprint images. In general, fingerprint images are damaged by various kinds of noise such as wrinkles, stains, and holes. Despite the presence of these noises, trained fingerprint specialists are often able to correctly identify minutiae using various visual cues such as local ridge/valley orientation, ridge/valley continuity, etc. Therefore, an algorithm that can rely on these visual cues to improve the quality of the input fingerprint image is desired.

일반적으로 지정된 지문 이미지의 경우, 지문이미지 복구에 대해, 3가지 범주의 관심 영역으로, 대별할 수 있다.In general, in the case of a designated fingerprint image, for fingerprint image recovery, it can be roughly divided into three categories of areas of interest.

첫번째 범주로, 능선과 계곡이 뚜렷하게 보이는 잘 정의된 영역으로, minutiae 추출 알고리즘이 안정적으로 작동할 수 있는 경우이다.The first category is a well-defined region where ridges and valleys are clearly visible, where the minutiae extraction algorithm can work reliably.

두번째 범주로, 능선과 계곡이 소량의 주름, 얼룩 등에 의해 손상된 복구 가능한 손상된 영역으로, 향상 알고리즘을 통해 이를 올바르게 복구할 수 있는 경우이다.The second category is recoverable damaged areas where ridges and valleys are damaged by small amounts of wrinkles, stains, etc., where enhancement algorithms can properly repair them.

세번째 범주로, 복구 할 수 없는 손상된 영역으로, 능선과 계곡이 심각한 양의 노이즈와 왜곡으로 인해 손상된 경우 이미지에서 복구할 수 없는 경우이다.A third category is irreparable damaged areas, where ridges and valleys are damaged by a significant amount of noise and distortion that cannot be repaired in the image.

노이즈 낀 지문 영역의 처음 두 범주, 즉, 첫번째 범주 및 두번째 범주를 복구할 수 있는 범주이고, 마지막 범주, 즉, 세번째 범주를 복구할 수 없는 범주이다. 복구할 수 없는 이미지 영역에서 진정한 능선/계곡 구조를 복구하는 것은 불가능하기 때문에 이러한 영역에서 지문 이미지의 품질을 개선하기 위한 노력은 무의미하다. 따라서 합리적인 향상 알고리즘의 목표는 복구 가능한 영역에서 지문 이미지의 능선/계곡 구조의 선명도를 개선하고 복구할 수 없는 영역을 마스크 하는 것이다. 지문 향상 알고리즘에 관한 또다른 매우 중요한 측면은 어떠한 가짜 능선/계곡 구조도 발생하지 않아야만 한다는 것이다.The first two categories of the noisy fingerprint area, that is, the first category and the second category, are recoverable, and the last category, that is, the third category, is unrecoverable. Efforts to improve the quality of fingerprint images in these areas are futile because it is impossible to recover true ridge/valley structures in unrecoverable image areas. Therefore, the goal of a reasonable enhancement algorithm is to improve the sharpness of the ridge/valley structure of the fingerprint image in the recoverable area and to mask the non-recoverable area. Another very important aspect regarding the fingerprint enhancement algorithm is that no spurious ridge/valley structures should occur.

종래에, 지문 이미지를 향상시키기 위해 여러가지 기술이 제안되었으며, 이 기술들은 로컬 능선/계곡 구조에 대한 정보를 활용하며 입력 지문 이미지의 품질을 적응적으로 개선할 수 있었다. 그러나 이 기술들 모두는 입력 지문 이미지에서 로컬 능선/계곡 방향을 안정적으로 추정할 수 있다고 가정하에 이루어진다. 실제로 이 가정은 품질이 좋지 않은 지문 이미지에는 적용되지 않는다. Conventionally, various techniques have been proposed to improve the fingerprint image, and these techniques can adaptively improve the quality of the input fingerprint image by utilizing information about the local ridge/valley structure. However, all of these techniques assume that the local ridge/valley direction can be reliably estimated from the input fingerprint image. In practice, this assumption does not apply to poor quality fingerprint images.

도 3은 품질이 좋지 못한 지문 이미지의 예상 방향 필드의 몇 가지 예를 나타낸다. 지문 향상 알고리즘에서는 방향 필드의 안정적인 계산이 핵심 문제 이다.Figure 3 shows some examples of expected orientation fields of poor quality fingerprint images. In the fingerprint enhancement algorithm, reliable computation of the direction field is a key problem.

따라서, 복구 가능한 영역에서 능선/계곡 구조의 선명도를 개선하고 이를 minutiae 추출 알고리즘에 적합하게 만드는 것이 필요하다. 또한, 실제 능선/계곡 구조를 복구 할 수 없는 손상된 모든 영역을 식별하고 복구할 수 없는 영역으로 레이블을 지정하는 것이 필요하다. Therefore, it is necessary to improve the sharpness of the ridge/valley structure in the recoverable region and make it suitable for the minutiae extraction algorithm. In addition, it is necessary to identify all damaged areas for which the actual ridge/valley structure cannot be repaired and label them as non-recoverable areas.

본 발명은 복구 가능한 영역에서 능선/계곡 구조의 선명도를 개선하고 이를 minutiae 추출 알고리즘에 적합하게 만들며, 또한 실제 능선/계곡 구조를 복구할 수 없는 손상된 모든 영역을 식별하여 복구할 수 없는 영역으로 레이블을 지정하는, 지문 향상 모듈 및 지문 향상 방법을 제안한다.The present invention improves the sharpness of the ridge/valley structure in the recoverable area and makes it suitable for the minutiae extraction algorithm, and also identifies all damaged areas where the actual ridge/valley structure cannot be repaired and labels it as the non-recoverable area. To designate, a fingerprint enhancement module and a fingerprint enhancement method are proposed.

선행기술로, 국내 공개특허공보 제10-2007-0023217호는 방향 추정 방법 및 장치에 관한 것이다. 이 발명의 경우, 콜스(coarse, 거칠음) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하지 않기 때문에, 지문이미지 중 복구할 수 없는 영역들에 의해 정확도가 다소 떨어질 수도 있다.As a prior art, Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2007-0023217 relates to a method and apparatus for estimating a direction. In the case of this invention, since a coarse level ridge map and an unrecoverable area mask are not generated, the accuracy may be somewhat reduced due to unrecoverable areas in the fingerprint image.

또 다른 선행기술로, 중국 공개특허공보 제107871312호는 가버(Gabor) 필터 기반의 지문 개선 시스템 기술에 관한 것이다. 이 발명의 경우도, 콜스(coarse, 거칠음) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하지 않기 때문에, 지문이미지 중 복구할 수 없는 영역들에 의해 정확도가 다소 떨어질 수도 있다.As another prior art, Chinese Laid-Open Patent Publication No. 107871312 relates to a Gabor filter-based fingerprint improvement system technology. Even in the case of this invention, since a coarse level ridge map and an unrecoverable area mask are not generated, the accuracy may be somewhat reduced due to unrecoverable areas in the fingerprint image.

도 4는 국내 공개특허 제10-2017-0136370호에서 지문인식 단계를 개략적으로 설명하는 흐름도로, 데이터 캡쳐(Data Capture)단계(S110), 지문검출 및 특징추출 단계(S150), 지문정합 단계(200)를 포함하여 이루어진다. 4 is a flowchart schematically explaining the fingerprint recognition step in Korean Patent Laid-Open No. 10-2017-0136370, a data capture step (S110), a fingerprint detection and feature extraction step (S150), a fingerprint matching step ( 200) is included.

여기서, 데이터 캡쳐단계(S110)는, 사용 초기에 사용자의 지문정보를 메모리부(미도시) 내에 저장하는 단계이고, 지문검출 및 특징추출 단계(S150)는, 데이터 캡쳐단계(S110)에서 기 저장된 사용자의 지문정보와 비교하기 위한, 지문의 지문정보(특징점들)를, 추출하기 위한 단계이고, 지문정합 단계(200)는, 추출된 특징점 정보로부터 정의된 특징량을 사용하여, 두 지문 이미지(즉,데이터 캡쳐단계(S110)의 지문 이미지와 지문검출 및 특징추출 단계(S150)의 지문이미지) 간의 유사도를 결정한다. Here, the data capturing step (S110) is a step of storing the user's fingerprint information in a memory unit (not shown) at the initial stage of use, and the fingerprint detection and feature extraction step (S150) is a data capture step (S110) pre-stored. It is a step for extracting the fingerprint information (feature points) of the fingerprint for comparison with the user's fingerprint information, and the fingerprint matching step 200 uses a feature amount defined from the extracted feature point information to obtain two fingerprint images ( That is, the degree of similarity between the fingerprint image of the data capture step (S110) and the fingerprint image of the fingerprint detection and feature extraction step (S150) is determined.

데이터 캡쳐단계(S110)와, 지문검출 및 특징추출 단계(S150)에서는, 지문센서부(지문 스캐너)(미도시)가, 각 순간의 지문영상을 다층으로 수신하여 하나의 영상으로 영상 정합하고, 특징(minutia) 추출부(미도시)는 상기 영상 정합된 지문영상에서 특징(minutia)을 추출한다. In the data capture step (S110) and the fingerprint detection and feature extraction step (S150), the fingerprint sensor unit (fingerprint scanner) (not shown) receives the fingerprint image at each moment in multiple layers and matches the image into one image, A feature (minutia) extraction unit (not shown) extracts a feature (minutia) from the image-matched fingerprint image.

본 발명은, 데이터 캡쳐단계(S110)와, 지문검출 및 특징추출 단계(S150)에서, 지문센서부(미도시)와 특징 추출부(미도시)의 사이에 지문 향상 모듈(미도시)를 구비하며, 지문센서부에서 영상정합된(즉, 스캐닝한) 지문 이미지의 품질을 향상하여 특징(minutia) 추출부(미도시)로 전달하는 것을 제안한다.In the present invention, in the data capture step (S110) and the fingerprint detection and feature extraction step (S150), a fingerprint enhancement module (not shown) is provided between the fingerprint sensor unit (not shown) and the feature extraction unit (not shown) In addition, it is proposed to improve the quality of the image-matched (that is, scanned) fingerprint image in the fingerprint sensor unit and transmit it to the minutia extraction unit (not shown).

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 온라인 지문 확인 시스템(지문 자동 식별 시스템)에 입력되는 지문의 품질을 향상하기 위해, 온라인 지문 확인 시스템에의 입력 전에, 필터링된 이미지 집합으로 분해하되, 필터링된 지문 이미지로부터 방향성 필드를 추정하고, 복구 가능한 영역과, 복구할 수 없는 손상된 영역을 구별하는 품질 마스크가 생성하는, 지문 향상 방법을 제공하는 것이다.The technical problem to be solved by the present invention is, in order to improve the quality of a fingerprint input to an online fingerprint identification system (automatic fingerprint identification system), it is decomposed into a filtered image set before input to the online fingerprint identification system, It is to provide a fingerprint enhancement method by estimating a directional field from a fingerprint image and generating a quality mask that distinguishes between recoverable and non-recoverable damaged areas.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 복구 가능한 영역에서 능선/계곡 구조의 선명도를 개선하고 이를 minutiae 추출 알고리즘에 적합하게 만들며, 또한 실제 능선/계곡 구조를 복구 할 수 없는 손상된 모든 영역을 식별하고 복구할 수 없는 영역으로 레이블을 지정하는(즉, 마스크하는), 지문 향상 방법을 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is to improve the clarity of the ridge/valley structure in the recoverable area and make it suitable for the minutiae extraction algorithm, and also identify all damaged areas where the actual ridge/valley structure cannot be repaired, and The goal is to provide a fingerprint enhancement method that labels (i.e. masks) the non-recoverable area.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 균일한 대칭 가버(Gabor) 필터 뱅크가 입력 지문 이미지에 적용되어 필터링된 이미지 세트를 생성하고, 필터링된 각 이미지에 융기 추출 알고리즘을 적용하여 해당 능선 맵을 구하고, 필터링된 이미지의 추출된 능선 맵에서 투표(voting) 알고리즘을 사용하여 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하고, 생성된 콜스(coarse)-레벨 능선 맵에 방향 추정 알고리즘을 적용하여 각 픽셀의 로컬 방향을 구하는, 지문 향상 방법을 제공하는 것이다.Another technical problem to be solved by the present invention is that a uniform symmetric Gabor filter bank is applied to an input fingerprint image to generate a filtered image set, and a ridge extraction algorithm is applied to each filtered image to generate a corresponding ridge map. Then, using a voting algorithm on the extracted ridge map of the filtered image, a coarse-level ridge map and an unrecoverable area mask are generated, and the direction is given to the generated coarse-level ridge map. An object of the present invention is to provide a fingerprint enhancement method that obtains the local direction of each pixel by applying an estimation algorithm.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 지문 향상 방법은, 가버 필터 뱅크부가, 가버(Gabor) 필터 뱅크를 이용하여, 입력 지문 이미지를 필터링하여, 필터링된 지문 이미지를 생성하는, 가버 필터 뱅크 적용단계; 가버 필터 뱅크 적용단계에서 출력된 필터링된 각 지문 이미지에서 능선 추출부가 능선을 추출하여 능선 맵을 생성하는, 능선 추출단계; 품질 마스크 생성부는, 능선 추출단계에서 생성된 능선 맵에서 투표(voting) 알고리즘을 적용하여 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하는, 콜스 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계; 방향 필드 추정부는, 콜스 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계에서 생성된 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 각 픽셀의 로컬 방향을 구하는, 방향 필드 추정단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.In order to solve the above problems, the fingerprint enhancement method of the present invention, the Gabor filter bank unit, using a Gabor filter bank, filters the input fingerprint image, generating a filtered fingerprint image, Gabor filter bank application step ; A ridge extraction step of generating a ridge map by extracting a ridge line from each filtered fingerprint image output in the Gabor filter bank application step; The quality mask generator applies a voting algorithm to the ridge map generated in the ridge extraction step to generate a coarse-level ridge map and an unrecoverable area mask, a coarse-level ridge map and recoverable generating a mask of an absent region; The direction field estimation unit includes a direction field estimation step of obtaining a local direction of each pixel from the coarse level ridge map and the coarse level ridge map generated in the unrecoverable region mask generating step. .

능선 추출단계는, 능선 추출부가, 가버 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 지문 이미지에서 로컬 방향 필드를 구하는, 로컬 방향 필드 추정단계; 능선 추출부가, 픽셀(u, v)의 로컬 영역에 있는, 로컬 방향 필드 추정단계에서 구한, 방향 필드의 일관성 수준(C0(u,v))을 구하되, 일관성 수준이, 기 설정된 일관성 임계 값(Tc)을 초과하는 로컬 방향 필드를 구하는, 방향 필드의 일관성 수준 연산단계; 방향 필드의 일관성 수준 연산단계 후, 능선 추출부가, 가버 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 지문 이미지에, 적응 필터로 이루어진 두개의 마스크를 적용시키는, 적응필터링 단계; 적응필터링 단계의 상기 두개의 마스크가 적용된 이미지의 픽셀(u, v)의 그레이(gray) 레벨 값이, 기 설정된 능선 임계값 (Tridge) 보다 큰 경우에, 능선 맵에 나타나는 연결된 각 구성 요소의 면적을, 능선 추출부가 계산하는, 그레이 레벨값과 능선 임계값의 비교단계; 그레이 레벨값과 능선 임계값의 비교단계에서 계산된 면적이, 최소 임계값(Tmin)보다 작은지를 능선 추출부가 판단하여, 만약 작다면, 백그라운드 레이블로 지정을 하고, 만약 작지 않다면, 연결된 구성 요소를 선 세그먼트 집합으로 분할하는, 능선 맵의 각 구성요소의 면적과 최소 임계값 비교단계; 능선 맵의 각 구성요소의 면적과 최소 임계값 비교단계에서 분할된, 각 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 있는지를 능선 추출부가 판단하고, 만약 각 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 있다면, 실제 능선으로 레이블을 지정하고, 만약 각 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 있지 않다면, 백그라운드 레이블로 지정하는, 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에의 위치여부 판단단계;를 포함한다.The ridge extraction step includes: a local direction field estimation step in which the ridge line extraction unit obtains a local direction field from the fingerprint image filtered in the Gabor filter bank application step; The ridge extraction unit obtains the consistency level (C 0 (u,v)) of the direction field obtained in the local direction field estimation step in the local area of the pixel (u, v), but the consistency level is a preset consistency threshold calculating the consistency level of the direction field, obtaining a local direction field exceeding the value Tc; an adaptive filtering step of applying, by the ridge line extraction unit, two masks composed of an adaptive filter to the fingerprint image filtered in the Gabor filter bank application step after the coherence level calculation step of the direction field; When the gray level value of the pixels (u, v) of the image to which the two masks of the adaptive filtering step are applied is greater than the preset ridge threshold value (T ridge ), Comparing the gray level value and the ridge line threshold value in which the area is calculated by the ridge line extraction unit; The ridge line extraction unit determines whether the area calculated in the step of comparing the gray level value and the ridge threshold value is smaller than the minimum threshold value (T min ). If it is small, it is designated as a background label. Comparing the area of each component of the ridge map and the minimum threshold value by dividing the ? into a set of line segments; The ridge extractor determines whether each line segment divided in the area of each component of the ridge map and the minimum threshold value comparison step is between a pair of parallel ridges, and if each line segment is between a pair of parallel ridges, it is an actual ridge line. and determining whether the line segment is positioned between the pair of parallel ridges by designating a label, and designating a label as a background label if each line segment is not between the pair of parallel ridges.

또한, 지문 향상 방법은, 특정 목표 함수(E)인

Figure pat00001
(단, θ iθ j는 특징(minutiae) i와 j가 고정된 참조 축에 종속된 각도이며, B는 선의 평균 밝기이며, D는 특징(minutiae) i와 j사이의 거리임)을 이용하여 후처리부가 가짜 소수를 표시하는 후처리단계;를 더 포함한다.In addition, the fingerprint enhancement method is a specific objective function (E)
Figure pat00001
(where θ i and θ j are the angles at which the features i and j are dependent on the fixed reference axis, B is the average brightness of the line, and D is the distance between the features i and j) and a post-processing step in which the post-processing unit displays a fake prime number.

가버 필터 뱅크단계는, 가버 필터 뱅크부가, 입력 지문 이미지에서 FFT를 수행하여 주파수 이미지를 얻은 후에, 소정 방사형 및 방향 주파수를 가진 해당 가버 필터가 상기 주파수 이미지에 적용하고, 가버 필터가 적용된 주파수 이미지를, 역 FFT가 수행되어 필터링된 이미지를 얻는다.In the Gabor filter bank step, after the Gabor filter bank unit performs FFT on the input fingerprint image to obtain a frequency image, the corresponding Gabor filter with a predetermined radial and directional frequency is applied to the frequency image, and the Gabor filter is applied to the frequency image. , an inverse FFT is performed to obtain a filtered image.

가버 필터에서, 중심 주파수가 60 cycle/width(height)이며, 방사형 대역폭이 2.5 옥타브이고, 중심 방향 θ0의 8개 값은, 0도, 22.5도, 45도, 67.5도, 90도, 112.5도, 135도, 157.5도 이고, 방향 대역폭은 35도이다.In the Gabor filter, the center frequency is 60 cycles/width (height), the radial bandwidth is 2.5 octaves, and the eight values of the center direction θ 0 are 0 degrees, 22.5 degrees, 45 degrees, 67.5 degrees, 90 degrees, 112.5 degrees. , 135 degrees, 157.5 degrees, and the direction bandwidth is 35 degrees.

적응필터링 단계에서, 적응 필터로 이루어진 두개의 마스크(ht(u,v;i,j)와 hb(u,v;i,j))는In the adaptive filtering step, the two masks (h t (u,v;i,j) and h b (u,v;i,j)) composed of the adaptive filter are

Figure pat00002
Figure pat00002

(단, θ(u, v)는 픽셀(u, v)의 로컬 능선 방향을 나타냄) 이다.(however, θ (u, v) indicates the direction of the local ridge line of the pixel (u, v)).

콜스 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계에서, 품질 마스크 생성부는, 능선 추출부에서 출력된, 필터링 된 이미지의 각 능선 맵을 크기 8 x 8의 블록으로 나누고, 각 블록 주위에 있는 능선 픽셀 수가, 기설정된 능선 픽셀수 문턱치보다 크거나 같다면, 각 블록을 전경(value 1)으로 레이블을 지정하고, 상기 능선 픽셀 수가, 능선 픽셀수 문턱치보다 작다면 각 블록을 백그라운드로(배경) 레이블(value 0)로 지정하고, 기 설정된 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵 계산 규칙에 따라 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵을 적용하여, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크가 생성한다.In the Coles level ridge map and unrecoverable region mask generation step, the quality mask generation unit divides each ridge map of the filtered image output from the ridge extraction unit into blocks of size 8 x 8, and If the number of ridge pixels is greater than or equal to a predetermined threshold number of ridge pixels, each block is labeled as foreground (value 1), and if the number of ridge pixels is less than the threshold number of ridge pixels, each block is set as a background (background) It is designated as a label (value 0), and the coarse level ridge map is applied according to the preset coarse level ridge map calculation rule, and the coarse level ridge map and the unrecoverable area mask creates

콜스(coarse) 레벨의 능선 맵 계산 규칙은, 픽셀(x, y)의 8개의 이진 블록 맵 중 하나만 value 1을 가지며 이 픽셀이 K 크기의 연결된 구성요소에 속하는 경우에, 상기 K는 블록 문턱치(Tblock) 보다 클때, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵에서 해당 블록 픽셀 값이 연관된 능선 맵에서 복제되며, 해당 복구 가능한 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0 으로 설정되어 상기 블록을 복구할 수 있음을 나타내는, 제1규칙; 픽셀(x, y)에서 둘 이상의 이진 블록 맵이 vlaue 1을 가지고 연결된 로컬 능선 방향이 서로 직교 되지 않는 경우, 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 해당 블록의 픽셀 값이 연관된 능선 맵 값의 평균값으로 간주되며, 해당 복구 가능한 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0으로 설정되어 상기 블록을 복구할 수 있음을 나타내는, 제2규칙; 픽셀(x, y)에서 두 개 이상의 이진 블록 맵이 value 1을 가지고 있는 경우, 연관된 로컬 능선 방향은 서로 직교할 수 있으며, 연결된 구성요소에는 크기가 블록 문턱치(Tblock)보다 큰 픽셀이 하나만 있다면, 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 해당 블록의 픽셀 값이 가장 큰 연결된 구성 요소와 연결된 능선 맵에 복제되고 해당 복구 가능 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0으로 설정되어 복구 가능 블록 임을 나타내는, 제3규칙; 제1규칙 내지 제3규칙에 해당되지 않는다면 블록에 복구할 수 없음을 나타내는 레이블로 value 1이 할당되는, 제4규칙을 포함한다.The coarse level ridge map calculation rule is that if only one of 8 binary block maps of pixel (x, y) has value 1 and this pixel belongs to a connected component of size K, then K is the block threshold ( T block ), the corresponding block pixel value in the coarse level ridge map is duplicated in the associated ridge map, and the pixel value of the corresponding recoverable area mask is set to value 0 to indicate that the block can be recovered. , Rule 1; If two or more binary block maps at a pixel (x, y) have vlaue 1 and the connected local ridge directions are not orthogonal to each other, the pixel value of the corresponding block in the coarse level ridge map is regarded as the average value of the associated ridge map values. a second rule, wherein the pixel value of the corresponding recoverable region mask is set to value 0 to indicate that the block can be recovered; If two or more binary block maps at a pixel (x, y) have a value of 1, the associated local ridge directions can be orthogonal to each other, provided that the connected component has only one pixel whose size is greater than the block threshold (T block ). , the third rule, in which the pixel value of the block in the coarse level ridge map is duplicated in the ridge map associated with the largest connected component and the pixel value of the corresponding recoverable area mask is set to value 0 to indicate that it is a recoverable block. ; If the first to third rules are not met, a fourth rule is included in which a value of 1 is assigned as a label indicating that the block cannot be recovered.

방향 필드 추정단계에서 방향 필드 추정부는, 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에 각 픽셀의 로컬 방향을 구한 후 향상된 이미지의 픽셀(x, y)의 그레이(gray) 레벨 값(g(x,y))을 In the direction field estimation step, the direction field estimator obtains the local direction of each pixel on the coarse level ridge map, and then the gray level value (g(x,y)) of the pixel (x, y) of the improved image of

Figure pat00003
Figure pat00003

(여기서, θ(x, y)는 픽셀(x, y)의 로컬 방향 필드 값을 나타냄)에 의해 구한다.(where θ(x, y) represents the local direction field value of the pixel (x, y)).

본 발명의 지문 향상 방법은, 온라인 지문 확인 시스템(지문 자동 식별 시스템)에 입력되는 지문의 품질을 향상하기 위해, 온라인 지문 확인 시스템에의 입력 전에, 필터링된 이미지 집합으로 분해하되, 필터링된 지문 이미지로부터 방향성 필드를 추정하고, 복구 가능한 영역과, 복구할 수 없는 손상된 영역을 구별하는 품질 마스크가 생성한다. 즉, 복구 가능한 영역에서 능선/계곡 구조의 선명도를 개선하고 이를 minutiae 추출 알고리즘에 적합하게 만들며, 또한 실제 능선/계곡 구조를 복구 할 수 없는 손상된 모든 영역을 식별하고 복구할 수 없는 영역으로 레이블을 지정(즉, 마스크를 행함)한다. 이렇게 함으로써, 인증시 정확도를 높이며, 특히, 가짜 능선 및 계곡 구조를 발생하지 않는다. In order to improve the quality of a fingerprint input to an online fingerprint identification system (automatic fingerprint identification system), the fingerprint enhancement method of the present invention decomposes it into a filtered image set before input to the online fingerprint identification system, but the filtered fingerprint image A directional field is estimated from , and a quality mask is generated that distinguishes between recoverable and non-recoverable damaged areas. That is, improve the sharpness of the ridge/valley structure in the recoverable area and make it suitable for the minutiae extraction algorithm, and also identify all damaged areas where the actual ridge/valley structure cannot be repaired and label it as the non-recoverable area. (i.e., perform a mask). By doing so, the accuracy is increased during authentication, and in particular, false ridge and valley structures are not generated.

또한, 본 발명은, 균일한 대칭 가버(Gabor) 필터 뱅크가 입력 지문 이미지에 적용되어 필터링된 이미지 세트를 생성하고, 필터링된 각 이미지에 융기 추출 알고리즘을 적용하여 해당 능선 맵을 구하고, 필터링된 이미지의 추출된 능선 맵에서 투표(voting) 알고리즘을 사용하여 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하고, 생성된 콜스(coarse)-레벨 능선 맵에 방향 추정 알고리즘을 적용하여 각 픽셀의 로컬 방향을 구하는 지문 향상 방법을 제공한다.In addition, in the present invention, a uniform symmetric Gabor filter bank is applied to an input fingerprint image to generate a filtered image set, and a ridge extraction algorithm is applied to each filtered image to obtain a corresponding ridge map, and the filtered image Generate a coarse-level ridge map and an unrecoverable area mask using a voting algorithm from the extracted ridge map of , and apply a direction estimation algorithm to the generated coarse-level ridge map. We provide a fingerprint enhancement method to obtain the local orientation of each pixel.

도 1은 잉크리스 지문 스캐너로 획득된 양질의 지문 이미지에 최소한도 추출 알고리즘을 적용한 결과의 예를 나타낸다.
도 2는 잉크리스 지문 스캐너로 획득된 저 품질의 지문 이미지에 최소한도 추출 알고리즘을 적용한 결과의 예를 나타낸다.
도 3은 입력 이미지에 중첩된 품질이 좋지 못한 지문 이미지들의 예상 방향 필드를 나타내는 예들이다.
도 4는 국내 공개특허 제10-2017-0136370호에서 지문인식 단계를 개략적으로 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 지문 품질 향상 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 향상된 알고리즘을 품질이 떨어지는 지문 이미지에 적용한 결과이다.
1 shows an example of a result of applying a minimum extraction algorithm to a high-quality fingerprint image obtained with an inkless fingerprint scanner.
2 shows an example of a result of applying a minimum extraction algorithm to a low-quality fingerprint image obtained with an inkless fingerprint scanner.
3 is an example showing an expected direction field of poor quality fingerprint images superimposed on an input image.
4 is a flowchart schematically illustrating a fingerprint recognition step in Korean Patent Laid-Open No. 10-2017-0136370.
5 is a schematic flowchart of a method for improving fingerprint quality according to the present invention.
8 is a result of applying the improved algorithm of the present invention to a fingerprint image with poor quality.

이하, 본 발명의 시각에 따른 지문 향상 모듈 및 지문 향상 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a fingerprint enhancement module and a fingerprint enhancement method according to the perspective of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 5는 본 발명의 지문 품질 향상 모듈의 개략적인 구성을 나타내며, 지문 품질 향상 모듈(10)은 가버(Gabor) 필터 뱅크부(20), 능선 추출부(50), 품질 마스크 생성부(60), 방향 필드 추정부(70), 후처리부(80)를 포함한다. 여기서, 지문 품질 향상 모듈(10)은 연산처리부, 즉, 컴퓨터 또는 마이크로프로세서로 이루어질 수 있다.5 shows a schematic configuration of a fingerprint quality improvement module of the present invention, and the fingerprint quality improvement module 10 includes a Gabor filter bank unit 20, a ridge line extraction unit 50, and a quality mask generation unit 60. , a direction field estimation unit 70 , and a post-processing unit 80 . Here, the fingerprint quality improvement module 10 may be formed of an arithmetic processing unit, that is, a computer or a microprocessor.

가버 필터 뱅크부(20)는, 균일한 대칭 가버(Gabor) 필터 뱅크를 포함하여, 입력 지문 이미지를 필터링하여, 필터링된 이미지 세트를 생성한다. Gabor filter bank unit 20, including a uniform symmetric Gabor (Gabor) filter bank, filters the input fingerprint image to generate a filtered image set.

능선 추출부(50)는, 가버 필터 뱅크부(20)에서 출력된 필터링된 각 이미지에 능선 추출 알고리즘을 적용하여 능선 맵을 구한다.The ridgeline extraction unit 50 obtains a ridgeline map by applying a ridgeline extraction algorithm to each filtered image output from the Gabor filter bank unit 20 .

품질 마스크 생성부(60)는, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하는 수단으로, 능선 추출부(50)에서 출력된 능선 맵에서 투표(voting) 알고리즘을 적용하여 콜스(coarse, 거칠음) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성한다. The quality mask generating unit 60 is a means for generating a coarse level ridge map and an unrecoverable region mask, and applies a voting algorithm to the ridge map output from the ridge extraction unit 50. Creates a ridge map with coarse levels and a mask of unrecoverable areas.

방향 필드 추정부(70)는, 품질 마스크 생성부(60)에서 생성된 콜스(coarse)-레벨 능선 맵에 방향 추정 알고리즘을 적용하여 각 픽셀의 로컬 방향을 구한다.The direction field estimator 70 obtains a local direction of each pixel by applying a direction estimation algorithm to the coarse-level ridge map generated by the quality mask generator 60 .

여기서, 가버(Gabor) 필터 뱅크부(20), 능선 추출부(50), 품질 마스크 생성부(60), 방향 필드 추정부(70)가 지문을 향상하는 알고리즘을 처리하는 수단이고, 후처리부(80)는 향상 알고리즘에 의해 처리될 수 없는 산후 균열을 처리하는 수단이다.Here, the Gabor filter bank unit 20, the ridge line extraction unit 50, the quality mask generation unit 60, and the direction field estimation unit 70 are means for processing the algorithm for improving the fingerprint, and the post-processing unit ( 80) is a means of dealing with postpartum cracks that cannot be treated by the enhancement algorithm.

지문 이미지의 균열은 일반적으로 지배적인 능선 방향으로 가로로 실행되는 좁은 밝은 영역으로 특징 지어질 수 있다. 이러한 균열로 인한 가짜 특징(minutiae)을 검출하는 추론 중 하나는 소수 항이 반 정렬되고 이들 사이의 영역이 전경 영역의 평균 밝기보다 밝다는 관측에 기초한다. Cracks in the fingerprint image can be characterized as narrow bright areas running transversely in the direction of the generally dominant ridge. One of the inferences for detecting minutiae due to these cracks is based on the observation that the fractional terms are semi-aligned and the region between them is brighter than the average brightness of the foreground region.

후처리부(80)는, 특정 목표 함수를 이용하여 가짜 소수를 표시한다. 즉, 입력 지문이미지와, 향상된 이미지에서 감지된 소수 집합으로부터, 이러한 소수를 식별하는 데 필요한 정보를 얻는다. The post-processing unit 80 displays a fake prime number using a specific target function. That is, from the input fingerprint image and the set of primes detected in the enhanced image, information necessary to identify these primes is obtained.

도 6은 본 발명의 지문 품질 향상 방법의 개략적인 흐름도이고, 도 7은 도 6의 능선 추출 단계(S320)에서 능선 추출 과정을 개략적으로 설명하는 흐름도 이다.6 is a schematic flowchart of a method for improving fingerprint quality according to the present invention, and FIG. 7 is a flowchart schematically illustrating a ridge extraction process in the ridge extraction step S320 of FIG. 6 .

가버(Gabor) 필터 뱅크 적용단계(S310)는, 가버 필터 뱅크부(20)에서 균일한 대칭 가버(Gabor) 필터 뱅크(즉, 짝수 대칭 가버 필터들)를 입력 지문 이미지에 적용되고 필터링된 이미지 세트가 생성된다. Gabor (Gabor) filter bank application step (S310), a uniform symmetric Gabor (Gabor) filter bank (ie, even symmetric Gabor filters) in the Gabor filter bank unit 20 is applied to the input fingerprint image and the filtered image set is created

지문은 국소평행능선과 계곡으로 구성된 유동형 패턴이다. 사람의 지문은 로컬 주파수와 로컬 방향을 갖는다. 밴드 패스 필터로 원치 않는 노이즈를 효율적으로 제거하고 진정한 능선/계곡 구조를 보존할 수 있다. 가버(Gabor) 필터는 주파수 선택적 및 방향 선택적 특성을 모두 가지며 공간 및 주파수 영역 모두에서 최적의 조인트 분해능을 갖는다. 따라서 가버(Gabor) 필터를 밴드 패스 필터로 사용하여 노이즈를 제거하고 진정한 능선/계곡 구조를 보존하는 것이 좋다.A fingerprint is a fluid pattern composed of locally parallel ridges and valleys. A human fingerprint has a local frequency and a local direction. A band pass filter can efficiently remove unwanted noise and preserve the true ridge/valley structure. The Gabor filter has both frequency-selective and direction-selective characteristics, and has optimal joint resolution in both spatial and frequency domains. Therefore, it is recommended to use a Gabor filter as a band pass filter to remove noise and preserve the true ridge/valley structure.

여기서, 가버 필터 (Gabor filter)는 선형 필터의 일종으로, 그 임펄스 응답은 조화 함수와 가우스 함수를 곱한 것이다. 합성곱 속성이 있기 때문에 가버 필터의 임펄스 응답의 푸리에 변환은 조화 함수의 푸리에 변환과 가우스 함수의 푸리에 변환의 합성곱이다. 일반적으로, 가버 필터 (Gabor filter)는 외곽선을 검출하는 기능을 하는 필터로, 간단히 말해서 사인 함수로 모듈레이션 된 가우시안 필터(Gaussian Filter)라고 할 수 있다. 파라미터를 조절함에 따라 에지(Edge)의 크기나 방향성을 바꿀 수 있으므로 특징점 추출 알고리즘에 적용된다.Here, the Gabor filter is a type of linear filter, and its impulse response is a product of a harmonic function and a Gaussian function. Because of the convolution property, the Fourier transform of the impulse response of the Gabor filter is the convolution of the Fourier transform of the harmonic function and the Fourier transform of the Gaussian function. In general, a Gabor filter is a filter that detects an outline, and in simple terms, it can be referred to as a Gaussian filter modulated by a sine function. As the size or direction of the edge can be changed by adjusting the parameter, it is applied to the feature point extraction algorithm.

짝수 대칭 가버 필터의 일반적인 형태는 다음과 같다. The general form of an even symmetric Gabor filter is:

Figure pat00004
Figure pat00004

여기서 h(x,y)는 가버필터의 전달함수이며, u0는 x축을 따라 정현파 평면 파동 빈도이고, δx 및 δy는 각각 x축과 y축을 따라 가우시안 엔벨로프(Gaussian envelope)의 공간 상수이다. 임의의 방향을 가진 가버 필터는 x-y좌표계의 회전을 통해 얻을 수 있다. 가버 필터의 변조 전달 함수(MTF, modulation transfer function)는 다음과 같다.where h(x,y) is the transfer function of the Gabor filter, u 0 is the sinusoidal plane wave frequency along the x-axis, and δ x and δ y are the spatial constants of the Gaussian envelope along the x and y axes, respectively. . Gabor filters with arbitrary orientation can be obtained through rotation of the xy coordinate system. The modulation transfer function (MTF) of the Gabor filter is as follows.

Figure pat00005
Figure pat00005

여기서 H(u, v)는 가버 필터의 변조 전달 함수를 나타내며, δu는 1/2πδx 이고(즉, δu = 1/2πδx), δv는 1/2πδy 이다(즉, δv = 1/2πδy). where H(u, v) denotes the modulation transfer function of the Gabor filter, δ u is 1/2πδ x (i.e., δ u = 1/2πδ x ), δ v is 1/2πδ y (i.e. δ v = 1/2πδ y ).

가버 필터를 적용할 때 중요한 문제는 필터 매개 변수를 선택하는 것이다. 크기 512 x 512의 지문 이미지에서 능선 주파수는 일반적으로 이미지 너비(높이)당 약 60사이클이다. 따라서 지문 향상 알고리즘에서 중심 주파수는 60 cycle/width(height)로 선택된다. 방사형 대역폭은 2.5 옥타브로 선택된다. 중심 방향 θ0의 8개 값, 즉, 0도, 22.5도, 45도, 67.5도, 90도, 112.5도, 135도, 157.5도이 사용된다. 방향 대역폭은 35도로 선택된다. 주어진 입력 지문 이미지의 경우 이 8개의 가버 필터가 적용되어 8개의 필터링된 이미지를 얻을 수 있다. 필터링 된 이미지를 얻으려면 입력 지문 이미지에서 FFT가 먼저 수행되고, 그 다음에, 조정된 방사형 및 방향 주파수를 가진 해당 가버 필터가 주파수 이미지에 적용되고 역 FFT가 수행되어 필터링된 이미지를 얻는다. An important issue when applying Gabor filters is the selection of filter parameters. In a fingerprint image of size 512 x 512, the ridge frequency is typically about 60 cycles per image width (height). Therefore, in the fingerprint enhancement algorithm, the center frequency is selected as 60 cycles/width (height). The radial bandwidth is chosen to be 2.5 octaves. Eight values of the central direction θ 0 are used: 0 degrees, 22.5 degrees, 45 degrees, 67.5 degrees, 90 degrees, 112.5 degrees, 135 degrees, and 157.5 degrees. The direction bandwidth is chosen to be 35 degrees. For a given input fingerprint image, these 8 Gabor filters are applied to obtain 8 filtered images. To obtain the filtered image, FFT is first performed on the input fingerprint image, then the corresponding Gabor filters with adjusted radial and directional frequencies are applied to the frequency image and an inverse FFT is performed to obtain the filtered image.

능선 추출 단계(S320)는, 능선 추출부(50)에서, 가버(Gabor) 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 각각 이미지에 대해 능선 추출 알고리즘이 적용함으로써, 해당 능선 맵이 필터링된 이미지에 추출된다. 이러한 능선 맵은, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계에서, 입력 지문 이미지의 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵을 생성하는 데 사용된다. 필터링된 이미지에서 능선에 해당하는 가장 두드러진 속성은 능선의 그레이(gray) 레벨 값이 로컬 능선에 직교 방향을 따라 로컬 최대값을 달성한다는 것이다. 픽셀은 이 속성을 기반으로 능선 픽셀로 확실하게 식별할 수 있다. In the ridge extraction step S320 , the ridge extraction algorithm is applied to each image filtered in the Gabor filter bank application step in the ridge extraction unit 50 , and the corresponding ridge map is extracted to the filtered image. This ridge map is used to generate a coarse-level ridge map and a coarse-level ridge map of the input fingerprint image in the step of generating an unrecoverable region mask. The most prominent property corresponding to a ridge in the filtered image is that the gray level value of the ridge achieves a local maximum along a direction orthogonal to the local ridge. Pixels can be reliably identified as ridged pixels based on this property.

도 7을 참조하여 능선 추출 방법(즉, 능선 추출 알고리즘)에 대해 이하 설명한다. A ridge line extraction method (ie, a ridge line extraction algorithm) will be described below with reference to FIG. 7 .

로컬 방향 필드 추정단계(S321)로서, 능선 추출부(50)는, 가버(Gabor) 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 각각 이미지에, 또는 일관성 수준과 일관성 임계 값의 비교단계에서 해상도가 낮추어진 이미지에, 다음 공식을 적용하여 로컬 방향 필드를 추정한다.As the local direction field estimation step (S321), the ridge line extraction unit 50 is applied to each image filtered in the Gabor filter bank application step, or to an image whose resolution is lowered in the comparison step of the consistency level and the consistency threshold value. , apply the following formula to estimate the local direction field.

Figure pat00006
Figure pat00006

여기서 W는 픽셀(u, v)을 중심으로 하는 로컬 창의 크기로, 이 알고리즘에서 W=15 로 할 수 있다. Gx 및 Gy는 각각 x 및 y 방향으로의 기울기 크기이고, Δx(u, v) 및 Δy(u, v)는, 주어진 픽셀(u, v)에서 입력된 지문 이미지의 추정 벡터 필드의 값을 나타낸다. 이 연산은 픽셀(u, v)을 중심으로 로컬 창의 후리에(Fourier) 스펙트럼의 지배적인 방향을 계산한다. where W is the size of the local window centered on pixels (u, v), which can be done with W=15 in this algorithm. Gx and Gy are the gradient magnitudes in the x and y directions, respectively, and Δ x (u, v) and Δ y (u, v) are the values of the estimated vector field of the input fingerprint image at a given pixel (u, v). indicates This operation computes the dominant direction of the Fourier spectrum of the local window around pixel (u, v).

방향 필드의 일관성 수준 연산단계(S322)로, 능선 추출부(50)는 픽셀(u, v)의 로컬 영역에 있는 방향 필드의 일관성 수준(C0(u,v))을 다음 수식에 의해 계산한다.In the direction field consistency level calculation step (S322), the ridgeline extractor 50 calculates the consistency level (C 0 (u, v)) of the direction field in the local area of the pixel (u, v) by the following equation do.

Figure pat00007
Figure pat00007

여기서 D는 7 x 7 의 로컬 창으로 (u, v)의 주변의 로컬 영역을 나타낸다. N은 D 내의 픽셀 수이다. θ(i, j) 및 θ(u, v)는 각각 픽셀(i, j) 및 (u, v)의 로컬 능선 방향이다.Here, D is a local window of 7 x 7 and represents the local area around (u, v). N is the number of pixels in D. θ (i, j) and θ (u, v) are the local ridge directions of pixels (i, j) and (u, v), respectively.

일관성 수준과 일관성 임계 값의 비교 단계로, 일관성 수준을, 기 설정된 일관성 임계 값(Tc) 과 비교하여(S323), 만약 일관성 수준이 일관성 임계 값(Tc )미만이면, 현재의 일관성 수준을 비교한 이미지를 해상도를 낮추고, 로컬 방향 필드 추정단계(S321)로 되돌아간다. 즉, 일관성 수준이, 일관성 임계 값(Tc) 미만이면 일관성이 Tc를 초과할 때까지 이 영역의 로컬 방향이 낮은 이미지 해상도 수준에서 다시 추정한다. In the step of comparing the consistency level and the consistency threshold, the consistency level is compared with a preset consistency threshold value Tc (S323). If the consistency level is less than the consistency threshold value Tc, the current consistency level is compared. The resolution of the image is lowered, and the process returns to the local direction field estimation step ( S321 ). That is, if the coherence level is below the coherence threshold Tc, the local orientation of this region is re-estimated at a lower image resolution level until the coherence exceeds Tc.

일관성 수준과 일관성 임계 값의 비교 단계에서는, 결과적으로, 일관성 임계 값을 초과하는 방향 필드를 얻게 된다.In the step of comparing the consistency level and the consistency threshold, as a result, a direction field exceeding the consistency threshold is obtained.

적응필터링 단계(S324)로, 일관성 수준과 일관성 임계 값의 비교 단계에서 방향 필드의 일관성 수준이 일관성 임계 값보다 크거나 같다면, 필터링된 이미지(즉, 가버(Gabor) 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 각각 이미지)에, 다음의 두개의 적응 필터, 즉, 두개의 마스크(ht(u,v;i,j)와 hb(u,v;i,j))를 적용시킨다.In the adaptive filtering step (S324), if the consistency level of the direction field is greater than or equal to the consistency threshold in the step of comparing the consistency level and the consistency threshold, the filtered image (that is, the filtered image in the step of applying the Gabor filter bank) image), the following two adaptive filters are applied, namely, two masks, h t (u,v;i,j) and h b (u,v;i,j).

Figure pat00008
Figure pat00008

여기서 θ(u, v)는 픽셀(u, v)의 로컬 능선 방향을 나타낸다. 이 두 마스크, 즉, ht(u,v;i,j) 와 hb(u,v;i,j)는 로컬 능선 방향의 기본 방향(즉, 법선 방향)을 따라 로컬 최대 그레이(gray) 레벨 값을 적응적으로 강조(향상)한다. 필터링된 이미지는 먼저 ht(u,v;i,j) 와 hb(u,v;i,j)라는 두개의 마스크와 결합된다. where θ (u, v) represents the local ridge direction of the pixel (u, v). These two masks, i.e. h t (u,v;i,j) and h b (u,v;i,j), are the local maximum gray along the default direction of the local ridge direction (i.e. the normal direction). Adaptively emphasizes (enhances) the level value. The filtered image is first combined with two masks: h t (u,v;i,j) and h b (u,v;i,j).

그레이 레벨값과 능선 임계값의 비교단계로, 계산된 이미지, 즉, 컨볼브된(convolved, 감긴, 휘감긴) 이미지의 픽셀(u, v)의 그레이(gray) 레벨 값을, 기 설정된 능선 임계값 (Tridge)과 비교하고(S325), 만약 계산된 이미지, 즉, 컨볼브된(convolved, 감긴, 휘감긴) 이미지의 픽셀(u, v)의 그레이(gray) 레벨 값이, 기 설정된 능선 임계값 (Tridge) 보다 큰 경우, 픽셀(u, v)이 능선 레이블로 우선 지정한다(S326). In the step of comparing the gray level value and the ridge threshold value, the gray level value of the pixels (u, v) of the calculated image, that is, the convolved image, is set to a preset ridge threshold. Comparing with the value (T ridge ) ( S325 ), if the gray level value of the pixel (u, v) of the calculated image, that is, the convolved image, is a preset ridge line If it is greater than the threshold value (T ridge ), the pixel (u, v) is first designated as a ridge label (S326).

마스크 너비를 로컬 능선의 너비에 맞게 조정하면 이 알고리즘에서 지문에서 능선을 효율적으로 찾을 수 있다.Adjusting the mask width to the width of the local ridges allows this algorithm to efficiently find ridges in the fingerprint.

입력 지문 이미지에 노이즈, 주름 및 얼룩 등이 있기 때문에 필터링된 이미지의 결과 능선 맵에는 종종 능선 픽셀로 레이블이 지정되는 많은 수의 비-능선(non-ridge) 픽셀이 포함되어 있다. 이러한 능선이 아닌 픽셀을 제거하려면 가짜 능선 제거단계가 필요하다.Because the input fingerprint image has noise, wrinkles, and specks, etc., the resulting ridge map of the filtered image contains a large number of non-ridge pixels, often labeled as ridge pixels. To remove these non-ridged pixels, a fake ridge removal step is required.

능선 맵의 각 구성요소의 면적과 최소 임계값 비교단계로, 능선 맵에 나타나는 연결된 각 구성 요소(각 주요 요소)의 면적을 계산하고(S327), 계산된 면적을 최소 임계값(Tmin)과 비교하고(S328), 만약 최소 임계 값(Tmin)보다 작은 경우 백그라운드 레이블로 지정을 하고(S329), 만약 그렇지 않으면 연결된 구성 요소를 짧은 선 세그먼트 집합으로 분할한다(S330).In the step of comparing the area of each component of the ridge map with the minimum threshold value, the area of each connected component (each major element) appearing on the ridge map is calculated (S327), and the calculated area is compared with the minimum threshold value (T min ) Compare (S328), and if it is smaller than the minimum threshold value (T min ), it is designated as a background label (S329), otherwise, the connected component is divided into a set of short line segments (S330).

선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 위치여부 판단단계로, 각 짧은 선 세그먼트가 좁은 평행 능선 쌍 사이에 있는지를 판단하고(S331), 만약 그렇다면, 실제 능선으로 레이블을 지정하고(S332), 그렇지 않으면 백그라운드 레이블로 지정한다(S332).In the step of determining whether a line segment is located between a pair of parallel ridges, it is determined whether each short line segment is between a pair of narrow parallel ridges (S331), and if so, label it with an actual ridge line (S332), otherwise the background It is designated as a label (S332).

여기서, 능선 맵의 각 구성요소의 면적과 최소 임계값 비교단계와, 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 위치여부 판단단계를 가짜 능선 제거단계라고 할 수 있다. 능선 맵에서 가짜 능선 제거단계를 수행하면 대부분의 가짜 능선이 제거된다.Here, the step of comparing the area of each component of the ridge map with the minimum threshold value and the step of determining whether a line segment is positioned between a pair of parallel ridges may be referred to as a fake ridge removal step. Most of the fake ridges are removed by performing the fake ridge removal step in the ridge map.

콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계(S350)는, 품질 마스크 생성부(60)에서, 능선 추출 단계(S320) 후, 필터링된 이미지의 추출된 능선 맵에서 투표(voting) 알고리즘을 사용하여 콜스(coarse, 거칠음) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성한다. The coarse level ridge map and the unrecoverable area mask generation step (S350) is performed by the quality mask generation unit 60, after the ridge extraction step (S320), votes in the extracted ridge map of the filtered image (S320) voting) algorithm is used to generate a coarse level ridge map and a non-recoverable area mask.

즉, 능선 추출 단계(S320)에서 각 필터링된 이미지의 능선 맵을 얻은 후, 입력 지문 이미지의 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역의 마스크를 생성하며, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵은 신뢰할 수 있는 방향 필드를 추정하는 데 사용된다. 생성된 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵은 입력 지문 이미지의 로컬 능선/계곡 구조의 방향을 대략 반영해야만 한다. 그러나, 이 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵은 로컬 능선 구조의 측면에서 매우 정확해야할 필요는 없다.That is, after obtaining the ridge map of each filtered image in the ridge extraction step S320, a coarse-level ridge map of the input fingerprint image and a mask of an unrecoverable region are generated, and the coarse-level ridge map is generated. The ridge map is used to estimate reliable direction fields. The generated coarse level ridge map should roughly reflect the direction of the local ridge/valley structure of the input fingerprint image. However, this coarse level ridge map need not be very accurate in terms of local ridge structure.

본 발명의 향상 알고리즘에서 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크는 투표 알고리즘을 사용하여 필터링된 이미지의 능선 맵에서 생성된다. In the enhancement algorithm of the present invention, a coarse level ridge map and an unrecoverable region mask are generated from the ridge map of the filtered image using a voting algorithm.

블록으로 나누는 단계로, 필터링 된 이미지의 각 능선 맵을 크기 W x W (예로 8 x 8)의 블록으로 나눈다.In the step of dividing into blocks, each ridge map in the filtered image is divided into blocks of size W x W (eg 8 x 8).

능선 픽셀수를 능선 픽셀수 문턱치와 비교하는 단계로, 블록 주위(즉, 블록내)에 있는 능선 픽셀 수를 기설정된 능선 픽셀수 문턱치보다 크거나 같은지 비교하고, 만약 그렇다면 블록 주위에 충분한 능선 픽셀이 나타나는 경우로(즉, 블록에 능선 픽셀이 충분하면 ), 각 블록을 전경(value 1)으로 레이블을 지정하고, 그렇지 않다면 각 블록을 백그라운드로(즉, 배경) 레이블(value 0)로 지정한다. Comparing the number of ridge pixels with a threshold for the number of ridge pixels, comparing the number of ridge pixels around a block (that is, within a block) to see if it is greater than or equal to a preset ridge pixel number threshold, and if so, if there are enough ridge pixels around the block If it appears (i.e. if the block has enough ridge pixels), we label each block as foreground (value 1), otherwise we label each block as background (i.e. background) with label (value 0).

능선 픽셀수를 능선 기준 픽셀수와 비교하는 단계 후, 픽셀 값이 1인 이진 블록 맵은 능선이 있음을 나타내고 0는 필터링된 이미지의 각 능선 맵 중 능선이 아닌 것을 나타낸다. 즉, 상기 문턱치(예로, 16) 미만의 영역이 있는 이진 블록 맵에서 연결된 모든 구성 요소(8개의 연결)를 삭제한다. 이와 같이, 각 블록에 대해 필터링된 8개의 이미지를 모두 검사한다.After the step of comparing the number of ridge pixels with the ridge reference number of pixels, the binary block map with a pixel value of 1 indicates that there is a ridge, and 0 indicates that there is no ridge in each ridge map of the filtered image. That is, all connected components (8 connections) are deleted from the binary block map having an area below the threshold (eg, 16). In this way, all eight filtered images are checked for each block.

콜스(coarse) 레벨의 능선 맵 계산단계로, 다음 규칙에 따라 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵을 계산한다.This is a coarse level ridge map calculation step, and a coarse level ridge map is calculated according to the following rule.

첫째, 픽셀(x, y)의 8개의 이진 블록 맵 중 하나만 value 1을 가지며 이 픽셀이 K 크기의 연결된 구성요소에 속하는 경우(단, 상기 K는 블록 문턱치(Tblock) 보다 클때, K> Tblock), 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵에서 해당 블록 픽셀 값이 연관된 능선 맵에서 복제된다. 해당 복구 가능한 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0 으로 설정되어 이 블록을 복구할 수 있음을 나타낸다. First, if only one of the 8 binary block maps of pixel (x, y) has value 1 and this pixel belongs to a connected component of size K (provided that K is greater than the block threshold (T block ), then K> T block ), the corresponding block pixel value in the coarse level ridge map is duplicated in the associated ridge map. The pixel value of that recoverable region mask is set to value 0 to indicate that this block can be recovered.

둘째, 픽셀(x, y)에서 둘 이상의 이진 블록 맵이 vlaue 1을 가지고 연결된 로컬 능선 방향이 서로 직교 되지 않는 경우, 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 해당 블록의 픽셀 값이 연관된 능선 맵 값의 평균값으로 간주된다. 해당 복구 가능한 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0으로 설정되어 이 블록을 복구할 수 있음을 나타낸다. Second, if two or more binary block maps at a pixel (x, y) have vlaue 1 and the connected local ridge directions are not orthogonal to each other, the average value of the ridge map values associated with the pixel values of the corresponding blocks in the coarse level ridge map is considered The pixel value of the corresponding recoverable region mask is set to value 0, indicating that this block can be recovered.

셋째로, 픽셀(x, y)에서 두 개 이상의 이진 블록 맵이 value 1을 가지고 있는 경우, 연관된 로컬 능선 방향은 서로 직교할 수 있으며, 연결된 구성요소에는 크기가 블록 문턱치(Tblock)보다 큰 픽셀이 하나만 있다면(즉, 값이 1인 하나의 픽셀만이, 블록 문턱치(Tblock) 보다 큰 크기의 연결된 구성 요소에 있다면), 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 해당 블록의 픽셀 값이 가장 큰 연결된 구성 요소와 연결된 능선 맵에 복제되고 해당 복구 가능 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0으로 설정되어 복구 가능 블록 임을 나타낸다.Third, if two or more binary block maps have a value of 1 at a pixel (x, y), the associated local ridge directions can be orthogonal to each other, and the connected component has a pixel whose size is larger than the block threshold (T block ). If there is only one (i.e., only one pixel with a value of 1, in a connected component of size greater than the block threshold (T block )), then in the coarse level ridge map, the pixel value of that block has the largest connected component. It is copied to the ridge map associated with the component and the pixel value of the corresponding recoverable area mask is set to value 0 to indicate that it is a recoverable block.

넷째로, 위의 조건이 충족되지 않으면 블록에 복구할 수 없음을 나타내는 레이블 1이 할당된다. Fourth, if the above conditions are not met, the block is assigned the label 1 indicating that it is not recoverable.

이와 같은 규칙을 가진 이 알고리즘(즉, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계(S350))을 필터링 된 이미지의 능선 맵 집합에 적용하면 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크가 생성된다. If this algorithm (that is, the coarse level ridge map and the unrecoverable region mask generation step S350) with such a rule is applied to the ridge map set of the filtered image, the coarse level ridge map and a non-recoverable area mask is created.

방향 필드 추정 단계(S360)는, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계(S350)에서 생성된 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에 방향 추정 알고리즘을 적용하여 각 픽셀의 로컬 방향을 얻는다.In the direction field estimation step ( S360 ), the direction estimation algorithm is applied to the coarse level ridge map and the coarse level ridge map generated in the unrecoverable region mask generation step ( S350 ), so that the local get direction

필터링 된 이미지의 능선 맵에서 생성된 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵은 입력 지문 이미지의 능선/계곡 구조의 로컬 방향 정보를 유지한다. 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계(S350)를 통해, 지정된 입력 지문 이미지의 방향 필드를 복구할 수 없는 영역을 무시하고 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵에서 안정적으로 추정할 수 있다.The coarse level ridge map generated from the ridge map of the filtered image maintains the local direction information of the ridge/valley structure of the input fingerprint image. Through the coarse level ridge map and unrecoverable area mask generation step S350, the direction field of the specified input fingerprint image is ignored in the unrecoverable area and stably in the coarse level ridge map can be estimated

fi(x, y)(단, i = 0,1,2,3,4,5,6,7)는 방향(θ i)에 해당하는 필터링 된 이미지의 픽셀(x, y)에서 그레이(gray) 레벨 값을 나타내며, θ i = i × 22.5°를 나타낸다. 방향 필드를 추정한 후 향상된 이미지의 픽셀(x, y)의 그레이(gray) 레벨 값을 다음 수식에 따라 얻을 수 있습니다 :f i (x, y) (where i = 0,1,2,3,4,5,6,7) is the gray (x, y) in the pixel (x, y) of the filtered image corresponding to the direction ( θ i ) gray) represents the level value, and represents θ i = i × 22.5°. After estimating the direction field, the gray level value of the pixel (x, y) of the enhanced image can be obtained according to the following formula:

Figure pat00009
Figure pat00009

θ(x, y)는 픽셀(x, y)의 로컬 방향 필드 값을 나타낸다.θ(x, y) represents the local direction field value of pixel (x, y).

후처리단계(S370)로, 다음과 같은 목표 함수(E)를 이용하여 가짜 소수를 표시한다.As a post-processing step (S370), a fake prime is displayed using the following objective function (E).

Figure pat00010
Figure pat00010

여기서 θ iθ j가 특징(minutiae) i와 j가 고정된 참조 축에 종속된 각도인 경우, B는 결합하는 선의 평균 밝기이며, D는 이들 사이의 거리이다. E 값(즉, 목표값)은 거리 문턱치(Dth) 보다 가까운(작은) 각 소수 쌍에 대해 계산된다. E 값이 목표 문턱치(Eth)보다 크면 두 특징(minutiae)이 모두 삭제되고 원래 특징(minutiae)을 연결하는 선으로 대체된다. 이 연결 라인은 올바른 연결 및 능선 개수 정보를 쉽게 얻을 수 있다. where θ i and θ j are the angles where the minutiae i and j are dependent on a fixed reference axis, B is the average brightness of the joining line, and D is the distance between them. A value of E (i.e., a target value) is calculated for each pair of primes that are closer (smaller) than the distance threshold Dth. If the value of E is greater than the target threshold (Eth), both features (minutiae) are deleted and replaced with a line connecting the original features (minutiae). For this connecting line, information on the correct connection and number of ridges can be easily obtained.

일반적으로, 항상 알고리즘만으로는 모든 상황에서 올바르게 수행될 수 없다. 또한, 실제로 향상 알고리즘은 자체 아티팩트를 도입할 수 있다. 따라서 이러한 효과로 인해 불필요한 소수점의 추출을 줄이기 위한 후처리 기술이 필요하다.In general, algorithms alone cannot always perform correctly in all situations. Also, in practice, enhancement algorithms may introduce their own artifacts. Therefore, a post-processing technique is needed to reduce the extraction of unnecessary decimal points due to this effect.

이러한 후처리 전략을 설계하는 핵심은 향상 알고리즘이 효과적이지 않은 이러한 상황을 예측하는 데 있다. 이러한 어려운 개별 상황을 각각 감지하고 극복하기 위해 후처리 기술이 채택되었다. 본 발명은 향상 알고리즘에 의해 처리될 수 없는 산후 균열을 처리하는 후처리 기술을 적용한다.The key to designing these post-processing strategies is to anticipate these situations where the enhancement algorithm will not be effective. Post-processing techniques were employed to detect and overcome each of these difficult individual situations. The present invention applies a post-treatment technique to treat postpartum cracks that cannot be treated by an enhancement algorithm.

지문 이미지의 균열은 일반적으로 지배적인 능선 방향으로 가로로 실행되는 좁은 밝은 영역으로 특징지어질 수 있다. 이러한 균열로 인한 가짜 특징(minutiae)을 검출하는 추론 중 하나는 소수 항이 반 정렬되고 이들 사이의 영역이 전경 영역의 평균 밝기보다 밝다는 관측에 기초한다. 본 발명은 입력 지문이미지와 향상된 이미지에서 감지된 소수 집합으로부터 이러한 소수를 식별하는 데 필요한 정보를 얻는다. 그 다음, 상술한 목표 함수를 이용하여 가짜 소수를 표시한다.Cracks in the fingerprint image can generally be characterized as narrow bright areas running transversely in the direction of the dominant ridge. One of the inferences for detecting minutiae due to these cracks is based on the observation that the fractional terms are semi-aligned and the region between them is brighter than the average brightness of the foreground region. The present invention obtains the information necessary to identify these primes from the input fingerprint image and the set of detected primes in the enhanced image. Then, a fake prime is displayed using the objective function described above.

도 8은 본 발명의 향상된 알고리즘을 품질이 떨어지는 지문 이미지에 적용한 결과이다. 8 is a result of applying the improved algorithm of the present invention to a fingerprint image with poor quality.

도 8의 (a)는 입력 이미지이고, 도 8의 (b)는 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵이고, 도 8의 (c)는 흰색 픽셀로 구성된 복구할 수 없는 영역 마스크이고, 도 8의 (d)는 예상 방향 필드이고, 도 8의 (e)는 향상된 이미지이고 도 8의 (f)는 입력 이미지에 중첩된 향상된 이미지로부터 추출된 특징(minutiae)이다. Fig. 8(a) is an input image, Fig. 8(b) is a coarse level ridge map, Fig. 8(c) is an unrecoverable area mask composed of white pixels, (d) is an expected direction field, (e) of FIG. 8 is an enhanced image, and (f) of FIG. 8 is a minutiae extracted from an enhanced image superimposed on an input image.

본 발명은 이상에서 설명되고 도면에 예시된 것에 의해 한정되는 것은 아니며, 당업자라면 다음에 기재되는 청구범위 내에서 더 많은 변형 및 변용예가 가능한 것임은 물론이다.The present invention is not limited by what has been described above and illustrated in the drawings, and it is a matter of course that those skilled in the art can make many more modifications and variations within the scope of the claims described below.

10: 지문 품질 향상 모듈 20: 가버 필터 뱅크부
50: 능선 추출부 60:품질 마스크 생성부
70: 방향 필드 추정부 80:후처리부
10: fingerprint quality improvement module 20: Gabor filter bank unit
50: ridge extraction unit 60: quality mask generation unit
70: direction field estimation unit 80: post-processing unit

Claims (9)

가버 필터 뱅크부가, 가버(Gabor) 필터 뱅크를 이용하여, 입력 지문 이미지를 필터링하여, 필터링된 지문 이미지를 생성하는, 가버 필터 뱅크 적용단계;
가버 필터 뱅크 적용단계에서 출력된 필터링된 각 지문 이미지에서 능선 추출부가 능선을 추출하여 능선 맵을 생성하는, 능선 추출단계;
품질 마스크 생성부는, 능선 추출단계에서 생성된 능선 맵에서 투표(voting) 알고리즘을 적용하여 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크를 생성하는, 콜스 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계;
방향 필드 추정부는, 콜스 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계에서 생성된 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 각 픽셀의 로컬 방향을 구하는, 방향 필드 추정단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
Gabor filter bank unit, using a Gabor filter bank, filtering the input fingerprint image, generating a filtered fingerprint image, Gabor filter bank application step;
A ridge extraction step of generating a ridge map by extracting a ridge line from each filtered fingerprint image output in the Gabor filter bank application step;
The quality mask generator applies a voting algorithm to the ridge map generated in the ridge extraction step to generate a coarse-level ridge map and an unrecoverable area mask, a coarse-level ridge map and recoverable generating a mask of an absent region;
The direction field estimator may include: a direction field estimation step of obtaining a local direction of each pixel from the coarse level ridge map and the coarse level ridge map generated in the unrecoverable region mask generating step;
Fingerprint enhancement method comprising a.
제1항에 있어서, 능선 추출단계는,
능선 추출부가, 가버 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 지문 이미지에서 로컬 방향 필드를 구하는, 로컬 방향 필드 추정단계;
능선 추출부가, 픽셀(u, v)의 로컬 영역에 있는, 로컬 방향 필드 추정단계에서 구한, 방향 필드의 일관성 수준(C0(u,v))을 구하되, 일관성 수준이, 기 설정된 일관성 임계 값(Tc)을 초과하는 로컬 방향 필드를 구하는, 방향 필드의 일관성 수준 연산단계;
방향 필드의 일관성 수준 연산단계 후, 능선 추출부가, 가버 필터 뱅크 적용단계에서 필터링된 지문 이미지에, 적응 필터로 이루어진 두개의 마스크를 적용시키는, 적응필터링 단계;
적응필터링 단계의 상기 두개의 마스크가 적용된 이미지의 픽셀(u, v)의 그레이(gray) 레벨 값이, 기 설정된 능선 임계값 (Tridge) 보다 큰 경우에, 능선 맵에 나타나는 연결된 각 구성 요소의 면적을, 능선 추출부가 계산하는, 그레이 레벨값과 능선 임계값의 비교단계;
그레이 레벨값과 능선 임계값의 비교단계에서 계산된 면적이, 최소 임계값(Tmin)보다 작은지를 능선 추출부가 판단하여, 만약 작다면, 백그라운드 레이블로 지정을 하고, 만약 작지 않다면, 연결된 구성 요소를 선 세그먼트 집합으로 분할하는, 능선 맵의 각 구성요소의 면적과 최소 임계값 비교단계;
능선 맵의 각 구성요소의 면적과 최소 임계값 비교단계에서 분할된, 각 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 있는지를 능선 추출부가 판단하고, 만약 각 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 있다면, 실제 능선으로 레이블을 지정하고, 만약 각 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에 있지 않다면, 백그라운드 레이블로 지정하는, 선 세그먼트가 평행 능선 쌍 사이에의 위치여부 판단단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
According to claim 1, wherein the ridge extraction step,
a local direction field estimation step in which the ridge extraction unit obtains a local direction field from the fingerprint image filtered in the Gabor filter bank application step;
The ridge extraction unit obtains the consistency level (C 0 (u,v)) of the direction field obtained in the local direction field estimation step in the local area of the pixel (u, v), but the consistency level is a preset consistency threshold calculating the consistency level of the direction field, obtaining a local direction field exceeding the value Tc;
an adaptive filtering step of applying, by the ridge line extraction unit, two masks composed of an adaptive filter to the fingerprint image filtered in the Gabor filter bank application step after the coherence level calculation step of the direction field;
When the gray level value of the pixels (u, v) of the image to which the two masks of the adaptive filtering step are applied is greater than the preset ridge threshold value (T ridge ), Comparing the gray level value and the ridge line threshold value in which the area is calculated by the ridge line extraction unit;
The ridge line extraction unit determines whether the area calculated in the step of comparing the gray level value and the ridge threshold value is smaller than the minimum threshold value (T min ). If it is small, it is designated as a background label. Comparing the area of each component of the ridge map and the minimum threshold value by dividing the ? into a set of line segments;
The ridge extractor determines whether each line segment divided in the area of each component of the ridge map and the minimum threshold value comparison step is between a pair of parallel ridges, and if each line segment is between a pair of parallel ridges, it is an actual ridge line. determining whether a line segment is located between a pair of parallel ridges by designating a label, and designating a label as a background label if each line segment is not between the pair of parallel ridges;
Fingerprint enhancement method comprising a.
제1항에 있어서,
특정 목표 함수(E)인
Figure pat00011

(단, θ iθ j는 특징(minutiae) i와 j가 고정된 참조 축에 종속된 각도이며, B는 선의 평균 밝기이며, D는 특징(minutiae) i와 j사이의 거리임)
을 이용하여 후처리부가 가짜 소수를 표시하는 후처리단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
According to claim 1,
The specific objective function (E) is
Figure pat00011

(where θ i and θ j are the angles at which the features i and j depend on the fixed reference axis, B is the average brightness of the line, and D is the distance between the features i and j)
a post-processing step in which the post-processing unit displays a fake prime number by using ;
Fingerprint enhancement method further comprising a.
제3항에 있어서, 가버 필터 뱅크단계는,
가버 필터 뱅크부가, 입력 지문 이미지에서 FFT를 수행하여 주파수 이미지를 얻은 후에, 소정 방사형 및 방향 주파수를 가진 해당 가버 필터가 상기 주파수 이미지에 적용하고, 가버 필터가 적용된 주파수 이미지를, 역 FFT가 수행되어 필터링된 이미지를 얻는 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
According to claim 3, Gabor filter bank step,
After the Gabor filter bank unit performs FFT on the input fingerprint image to obtain a frequency image, a corresponding Gabor filter with predetermined radial and directional frequencies is applied to the frequency image, and an inverse FFT is performed on the frequency image to which the Gabor filter is applied. A fingerprint enhancement method comprising obtaining a filtered image.
제4항에 있어서,
가버 필터는, 중심 주파수가 60 cycle/width(height)이며, 방사형 대역폭이 2.5 옥타브이고, 중심 방향 θ0의 8개 값은, 0도, 22.5도, 45도, 67.5도, 90도, 112.5도, 135도, 157.5도 이고, 방향 대역폭은 35도인 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
5. The method of claim 4,
The Gabor filter has a center frequency of 60 cycles/width (height), a radial bandwidth of 2.5 octaves, and 8 values of the center direction θ 0 are 0 degrees, 22.5 degrees, 45 degrees, 67.5 degrees, 90 degrees, 112.5 degrees. , 135 degrees and 157.5 degrees, and the direction bandwidth is 35 degrees.
제2항에 있어서,
적응필터링 단계에서, 적응 필터로 이루어진 두개의 마스크(ht(u,v;i,j)와 hb(u,v;i,j))는
Figure pat00012

(단, θ(u, v)는 픽셀(u, v)의 로컬 능선 방향을 나타냄)
인 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
3. The method of claim 2,
In the adaptive filtering step, the two masks (h t (u,v;i,j) and h b (u,v;i,j)) composed of the adaptive filter are
Figure pat00012

(however, θ (u, v) represents the direction of the local ridge line of the pixel (u, v))
Fingerprint enhancement method, characterized in that.
제2항에 있어서,
콜스 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크 생성단계에서, 품질 마스크 생성부는,
능선 추출부에서 출력된, 필터링 된 이미지의 각 능선 맵을 크기 8 x 8의 블록으로 나누고, 각 블록 주위에 있는 능선 픽셀 수가, 기설정된 능선 픽셀수 문턱치보다 크거나 같다면, 각 블록을 전경(value 1)으로 레이블을 지정하고, 상기 능선 픽셀 수가, 능선 픽셀수 문턱치보다 작다면 각 블록을 백그라운드로(배경) 레이블(value 0)로 지정하고,
기 설정된 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵 계산 규칙에 따라 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵을 적용하여, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵과 복구할 수 없는 영역 마스크가 생성하는 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
3. The method of claim 2,
In the coles level ridge map and irrecoverable area mask generation step, the quality mask generation unit,
Each ridge map of the filtered image output from the ridge extraction unit is divided into blocks of size 8 x 8, and if the number of ridge pixels around each block is greater than or equal to the preset ridge pixel count threshold, each block is converted into a foreground ( label with value 1), and if the number of ridge pixels is less than the threshold number of ridge pixels, each block is designated as a background (background) label (value 0),
Fingerprint enhancement, characterized in that a coarse level ridge map and an unrecoverable area mask are generated by applying a coarse level ridge map according to a preset coarse level ridge map calculation rule Way.
제7항에 있어서,
콜스(coarse) 레벨의 능선 맵 계산 규칙은
픽셀(x, y)의 8개의 이진 블록 맵 중 하나만 value 1을 가지며 이 픽셀이 K 크기의 연결된 구성요소에 속하는 경우에, 상기 K는 블록 문턱치(Tblock) 보다 클때, 콜스(coarse) 레벨의 능선 맵에서 해당 블록 픽셀 값이 연관된 능선 맵에서 복제되며, 해당 복구 가능한 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0 으로 설정되어 상기 블록을 복구할 수 있음을 나타내는, 제1규칙과,
픽셀(x, y)에서 둘 이상의 이진 블록 맵이 vlaue 1을 가지고 연결된 로컬 능선 방향이 서로 직교 되지 않는 경우, 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 해당 블록의 픽셀 값이 연관된 능선 맵 값의 평균값으로 간주되며, 해당 복구 가능한 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0으로 설정되어 상기 블록을 복구할 수 있음을 나타내는, 제2규칙과
픽셀(x, y)에서 두 개 이상의 이진 블록 맵이 value 1을 가지고 있는 경우, 연관된 로컬 능선 방향은 서로 직교할 수 있으며, 연결된 구성요소에는 크기가 블록 문턱치(Tblock)보다 큰 픽셀이 하나만 있다면, 콜스(coarse) 레벨 능선 맵에서 해당 블록의 픽셀 값이 가장 큰 연결된 구성 요소와 연결된 능선 맵에 복제되고 해당 복구 가능 영역 마스크의 픽셀 값이 value 0으로 설정되어 복구 가능 블록 임을 나타내는, 제3규칙과,
제1규칙 내지 제3규칙에 해당되지 않는다면 블록에 복구할 수 없음을 나타내는 레이블로 value 1이 할당되는, 제4규칙을 포함하는 것을 특징으로 하는 지문 향상 방법.
8. The method of claim 7,
The ridge map calculation rules for the coarse level are
If only one of 8 binary block maps of pixel (x, y) has value 1 and this pixel belongs to a connected component of size K, when K is greater than the block threshold (T block ), the coarse level a first rule, wherein a corresponding block pixel value in the ridge map is duplicated in an associated ridge map, and a pixel value of the corresponding recoverable region mask is set to value 0 to indicate that the block can be recovered;
If two or more binary block maps at a pixel (x, y) have vlaue 1 and the connected local ridge directions are not orthogonal to each other, the pixel value of the corresponding block in the coarse level ridge map is regarded as the average value of the associated ridge map values. and the second rule, wherein the pixel value of the corresponding recoverable region mask is set to value 0 to indicate that the block can be recovered;
If two or more binary block maps at a pixel (x, y) have a value of 1, the associated local ridge directions can be orthogonal to each other, provided that the connected component has only one pixel whose size is greater than the block threshold (T block ). , the third rule, in which the pixel value of the block in the coarse level ridge map is duplicated in the ridge map associated with the largest connected component and the pixel value of the corresponding recoverable area mask is set to value 0 to indicate that it is a recoverable block. and,
A fingerprint enhancement method comprising a fourth rule in which a value of 1 is assigned as a label indicating that the block cannot be recovered if the first to third rules are not met.
제2항에 있어서,
방향 필드 추정단계에서 방향 필드 추정부는,
콜스(coarse) 레벨 능선 맵에 각 픽셀의 로컬 방향을 구한 후 향상된 이미지의 픽셀(x, y)의 그레이(gray) 레벨 값(g(x,y))을
Figure pat00013

(여기서, θ(x, y)는 픽셀(x, y)의 로컬 방향 필드 값을 나타냄)
에 의해 구하는 것을 특징으로 하는, 지문 향상 방법.
3. The method of claim 2,
In the direction field estimation step, the direction field estimation unit,
After finding the local direction of each pixel in the coarse level ridge map, the gray level value (g(x,y)) of the pixel (x, y) of the enhanced image is calculated
Figure pat00013

(where θ(x, y) represents the local direction field value of pixel (x, y))
A fingerprint enhancement method, characterized in that obtained by.
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