小波变换技术在指纹图像预处理中的应用

郭莉莉　马丽娜

摘 要 本文旨在提高指纹识别的识别率，在指纹图像的预处理中，加以小波变换。将小波函数进行分解与重构，并将其运用到对指纹图像的预处理中，包括小波压缩、去噪和增强。通过加入小波变换的预处理技术，可使指纹图像的特征提取与匹配中更加精确；结论：通过仿真实验，将小波变换技术运用到指纹图像的预处理中，可提高指纹识别的识别率。

【关键词】指纹图像 小波变换 小波分解 小波重构

1 引言

目前的生物识别技术中，指纹是目前使用起来最方便、稳定、采集性强的方案之一，而且进行指纹识别花费小，效果好。因此，指纹识别技术正逐步走入人们的日常生活中。本文将小波变换技术应用在指纹识别预处理中，可提高系统的识别率。

小波变换是建立在Fourier分析的基础之上的，而Fourier分析由于注重全局性，因此具有一定的局限性。于是人们对其进行多种改进，便产生了小波分析。小波分析是空间（时间）和频率的局部变换，结合了泛函数、Fourier分析、调和分析和数值分析，能有效的提取信号中的特征信息，尤其适用于信号处理，如语音信号、图像信号等。

本文利用小波变换的多分辨率分析的特点，在时域与频域均能够表征信号的局部特征，我们根据其窗口大小不变而形状可变的特点，在图像信号的低频部分采用频率较高的分辨率，而在高频部分采用时间分辨率较高同时频率分辨率较低的方法，将其用在指纹识别的预处理阶段，能够对信号不规律的指纹信号进行处理。

2 基于小波分解与重构的指纹图像预处理

2.1 指纹图像的压缩处理

对于二维小波变换来讲，我们可将其当做两个连续的一维小波变换的进行处理后得到的。通过二维小波变换进行图像的处理，可将其分解成一系列低频子图像，其结果取决于小波基的类型，即决定于滤波器的类型，本文采用广泛使用的Daubechies-4型小波，对指纹图像进行3层小波分解。

我们将一幅图像信号进行小波分解，会得到一组小波系数，其尺寸和形状均与原图像相同。比如一幅300×300的图像经过三层小波分解，得到如图1所示的10块小波分解结果，一共有90000个系数。

其中LiLi代表图像在水平低频和垂直低频下的信息（i为小波分解的尺度，下同）；

LiHi代表图像在水平低频、垂直高频时的信息；

HiLi代表图像在水平高频、垂直低频时的信息；

HiHi代表图像在水平高频、垂直高频是的信息。

而其中HiHi代表图像信号的高频特征，图像中的大部分噪声都在高频段，为了降噪，删去图2中阴影部分的小波分解系数，只利用其余7块小波系数，即二维小波分解尺度3的低频系数、二维小波分解尺度3、2、1高频水平部分、高频垂直部分、高频斜线部分的系数，对指纹图像进行重构。

2.2 指纹图像的去噪处理

一般来说，二维图像的消噪过程可分以下四步进行：

STEP1：对二维图像信号进行小波分解，要选择合适的小波函数及小波分解层次N；

STEP2：对高频段系数进行处理，主要对1～N层进行阈值的量化；

STEP3：修改的从第1层到第N层的各层高频系数；

STEP4：对二维图像信号进行小波重构。

以上步骤中，重点内容就是第二步。去噪之后，即可进行下一步增强的处理。

2.3 指纹图像的增强处理

图像增强即将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果的图像处理方法。小波变换在做逆变换之前进行处理，以改变小波变换域中某些系数的大小，这样就能够有选择地放大所感兴趣的分量而减少不需要的分量。图3和图4分别为图像经过去噪和增强前、后的对比图。

3 结果分析

以上采用小波分解和重构技术，对指纹图像进行压缩、去噪和增强处理，从经过处理前后的图像中来看，可以得出如下结论：

（1）舍去图2中阴影部分HiHi的系数，而只使用LiLi、LiHi、HiLi的系数对指纹图像进行重构，图4重构的指纹图清晰度优于图3的原始指纹图。

（2）图2舍去3部分系数，以300×300的图像为例，其中H3H3为38×38个系数、H2H2为75×75个系数，H1H1为150× 150个系数。这样共舍去29569个系数，占原有空间的32%，为今后的图像处理大大节省了空间。

（3）采用具有良好局部化特征的小波变换方法，对指纹图像进行去噪和增强处理，取得了良好的效果。

（4）指纹图像经过增强处理后，有助于今后的特征提取。

4 结束语

本文给出了一种基于小波变换的指纹图像处理技术。实验表明，应用小波变换技术对指纹图像进行处理，使系统识别率更高，具有很广阔的应用前景。

参考文献

[1] 王风华，王向军.指纹信息识别技术与应用[J].光学技术，1999（05）.

[2] 刘小华，王燕生.指纹识别技术的发展[J].光学技术，1998（04）.

[3] 王蕴红，朱勇.基于虹膜识别的身份鉴别[J].自动化学报，2002（01）.

[4] 张定会.基于小波分析的故障诊断[J].上海理工大学学报，2000（02）.

作者简介

郭莉莉（1982-），女， 硕士学位。现为沈阳城市建设学院讲师。主要研究方向为建筑智能化。

作者单位

沈阳城市建设学院 辽宁省沈阳市 110167