基于MATLAB的指纹识别研究

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3.0 韩鲁英 2024-09-24 5 4 1.18MB 65 页 150积分

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浙江财经大学本科生毕业论文（设计）

基于 MATLAB 的指纹识别研究

摘要：随着信息技术的和网络技术的发展，信息安全越来越引起人们的重视。为

了保护自身的信息、资料以及财产的安全，许多场合都需要对使用者、来访者进行身

份识别。基于指纹识别技术的身份识别系统以其独特的技术优势和成本优势正广泛被

应用到各个场合。基于 Matlab 在软件在图像处理技术上的灵活性和优势性，本文利用

Matlab 这个工具来对指纹识别过程进行了一系列的研究。主要包括指纹图像的预处

理、特征点的提取与特征模板的建立、测试样本与训练样本进行匹配等步骤。每个过

程都使用了当前最常用的一些算法，比如基于八邻域查找表的细化算法，特征点定位

算法等。最后通过 GUI 来实现对指纹的全部过程与效果。

关键词：指纹识别，Matlab,图像预处理，特征提取,匹配，GUI 展示

Fingerprint Identification Based on Matlab

Abstract：With the development of information technology and network technology,

information security has drawn increasing attention. In order to protect their own

information, data and property, many occasions need to identify their visitors. The

identification system, based on fingerprint recognition technology, with its unique technical

advantages and cost benefits, are widely applied to various situations.Based on Matlab

image processing software and technical advantages of flexibility, we use this tool to

Matlab fingerprint identification process carried out a series of studies. Including the

establishment of the test sample and the training sample pretreatment, feature point

extraction and feature fingerprint image template matching and other steps. Each process

uses some of the currently most commonly used algorithms, such as a lookup table based on

the eight neighborhood thinning algorithm, feature point location algorithm. Finally, the

GUI to achieve the whole process and the effect of fingerprints.

Key words：Fingerprint recognition, Matlab, image preprocessing, feature extraction,

matching ，GUI display

浙江财经大学本科生毕业论文（设计）

1 引言 ................................................................................................ 错误！未定义书签。

2 概述 ...................................................................................................................................... 2

2.1 课题研究的背景和意义 ........................................................................................... 2

2.2 国内外发展状况 ....................................................................................................... 2

3 Matlab 及图像处理工具的介绍 .......................................................................................... 3

3.1 Matlab 软件的综述 ...................................................................................................... 3

3.2 Matlab 图像处理工具的介绍 ...................................................................................... 4

4 指纹识别技术及应用 .......................................................................................................... 4

4.1 指纹的概述 ................................................................................................................. 4

4.1.1 指纹的特性 .................................................................................................... 4

4.2 指纹识别的基本原理 ............................................................................................... 5

4.2.1 指纹的特征 .................................................................................................... 5

4.2.2 指纹图像的采集 ............................................................................................ 5

4.2.3 特征点的提取，验证与识别 ........................................................................ 5

4.2.4 指纹图像的特殊纹理 .................................................................................... 7

4.3 指纹特征提取 ........................................................................................................... 8

4.4 指纹识别流程设计 ................................................................................................... 8

5 指纹图像的预处理 .............................................................................................................. 8

5.1 图像预处理的过程 ...................................................................................................... 9

5.1.1 利用滤波去噪 .................................................................................................. 9

5.1.2 二值化处理 ...................................................................................................... 9

5.1.3 中值滤波 ........................................................................................................ 10

5.1.4 细化处理 ........................................................................................................ 10

5.1.5 去噪的重要性 .............................................................................................. 11

6 指纹图像的特征提取 ........................................................................................................ 12

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III

6.1 特征点的定位 ........................................................................................................... 12

6.1.1 中心点的定位 ................................................................................................. 13

6.1.2 节点的定位 .................................................................................................. 14

6.2 特征提取 .................................................................................................................... 15

6.2.1 计算各特征点相对中心点的距离向量和方向向量 .................................. 15

6.2.2 建立特征模板 ................................................................................................ 15

6.3 伪特征点去除 ............................................................................................................ 16

7 指纹图像匹配 .................................................................................................................... 17

7.1 匹配原理 .................................................................................................................... 17

7.2 测试流程与结果 ........................................................................................................ 17

8 实验结果 ............................................................................................................................ 18

8.1 不可匹配的原因分析 ................................................................................................ 19

9 可视化程序的展示 ............................................................................................................ 20

10 总结 .................................................................................................................................... 21

参考文献 .................................................................................................................................. 23

致谢 .......................................................................................................................................... 24

附录代码说明 .......................................................................................................................... 25

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1 引言

随着社会现代化的发展,人们在生活或者工作中对网络技术,信息技术的依

赖性越来越强.于此同时产生的安全问题油然而生.比如黑客技术借助网络来肆

意破坏互联网的安全,不法分子去窃取国家的机密文件.所以我们应该利用身份

识别的方法去准确确定一个人身份的信息,这才是解决安全问题的关键之处.

现在的身份识别技术主要是以实物为基础,比如身份证,公交卡银行卡的识

别技术和以电子密钥或者密码识别为基础的验证技术,而往往这些看似十分大众

化的技术存在着很多的缺陷,我认为这些认证物品安全性较低,并且十分容易损

坏其补救程序较为复杂,还有就是它们的可靠性都比较低.利用假身份子或者证

件的犯罪记录在当今社会笔笔皆是.所以我的结论是现在的身份识别技术已经不

可以满足我们的要求,当今社会十分需要一种更高更可靠更安全的识别验证手段.

所以生物验证技术已经成为了当今社会研究的重点,它吸引了众多机构学者的目

光.我认为此技术将会得到普及甚至取代原有的以卡片或者密钥为主的鉴别工

具.

近年来,随着科技的发展计算机从庞大的集成电路转变为肉眼无法识别电子

晶片,指纹传感器也孕育而生,其性价比也随着科技发展成比例上升,这个充满生

机的技术是一个现代化高级验证手段,频繁的出现在电脑,手机等数码产品中一

些企业也应有此技术作为公司的身份验证,考勤统计等领域.这一表现不仅仅体

现了这门技术在这个社会中乐观的市场前景,同时我认为也是身份认证技术中的

革新. 指纹图像的预处理和特征提取是任何一种指纹识别算法中的关键部分,

因为它直接关系到后续的指纹匹配, 进而影响指纹识别系统的识别率和识别速

度。

指纹识别作为生物技术的一种,它是一种十分理想可行性高的验证技术.相对

于其他验证技术,指纹识别具有高稳定性,唯一性,可靠性,快捷性,灵活性等不同的

特点弥补了以物品为媒介去验证身份等一系列缺点.指纹识别系统一般由以下几

个过程而组成：指纹采集、预处理、特征提取、分类及匹配。而在指纹采集过程

中，不可避免的会引入各种噪声，如图像中的叉连、断点等，这些噪声对指纹特

征信息的提取造成一定的影响，有的甚至会产生许多伪特征点。因此在提取指纹

特征之前，需要对指纹图像进行滤波处理，以去除无用信息，增强有用信息，便

于后续过程的处理。

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2 概述

2.1 课题研究的背景和意义

随着信息时代的快速发展,个人身份的隐性化和数字化的水平都得到了很大

的提高.比如我国比较常用的公交卡,身份证,银行卡等等,这些都是网络信息时

代的产物.但是随着它们给人们带来便捷的同时也引发了很多的安全隐患.比如

卡片的丢失或者被窃都不同程度的给管理者带来很大的麻烦.生物特征身份鉴别

方法就可以很安全的避免这些问题,所以这个技术现在已经成为了身份鉴别领域

的研究重点,我尝试利用 Matlab 软件来仿真或者还原指纹识别的步骤以及效果

来达到理论上的识别.

从生物测量的角度来说，指纹识别将会起到一个用来定位一个人基本社会

坐标原点的作用，作为人类的我们，具有很复杂的社会角色，比如在公司我是一

位员工，在家我就是一个孩子，父亲等血源性角色，所有的这些角色都是基于你

的生物测量基础上的。在社会公共管理中必须有一个基础的变量来管理或者定义

一个人的存在性。而在过去很长时间我们都只用户籍制度，身份证来管理，识别

一个人。我个人觉得这种方式的随机性很大，防伪性也比较薄弱容易引起管理上

的漏洞，最终的结果导致一个人的真实身份很难辨认。而指纹识别就可以做我一

个人基本社会角色的定位点，它的方便性与准确性不会随时间而变化我们可以通

过各种各样的指纹识别系统在社会公共管理中得到强化，效率得到提高。

指纹识别承载着很多的社会意义，从根本上讲可以良好的判断而定义一个

人的真实生物身份，降低社会活动中的新人成本从根本改变社会交往模式与经济

体系。指纹识别作为生物鉴定技术，给我们人类的个体提供了方便，快捷，可信

的定位。

2.2 国内外发展现状

在我国指纹识别研究处于领先地位的是中国科学院自动化研究所,清华大学,

吉林大学,北京邮电大学,重庆大学等重点从事这方面研究的重点机构.相对来说

中国科学研究院自动化研究所在生物特征方面已经取得重大的研究成功,该研究

已经在国际学术期刊和国际会议发表了近 40 余篇的研究型论文,并在 2004 年获

得国家科学进步奖.

在国外特征点有代表的研究是 Fu 和Moayer,他们将 Laplacian 变换和动态阐

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值引入到指纹图像处理中来，通过反复迭代运算成功提取出脊线。Verma 也提出

了和他们相近的算法,他首先对指纹图像进行增强,而后利用自适应闭值的方法对

增强后的图像进行处理，也成功的分离出脊线。

而Ratha 则提出了一种全新的特征提取的算法,他的方法是把指纹图像视为

具有方向的纹理图像,然后去计算脊线流的方向使用“波形投影”的方法进行提

取指纹图像的脊线，然后使用形态滤波器对细化图像进行平滑处理，得到滤波后

的图像，并从中提取特征点，并进行剔除伪特征点操作。该算法通过波形投影和

方向平滑算法有效的降低了噪声的影响。

虽然现在有很多学者和机构在指纹识别这门新技术作研究但是目前没有对

指纹特征提取方法上作出更多的改进,近些年 Xudong Jiang 等对脊线跟踪提取特

征点的算法进行改进，在脊线跟踪阶段引入了自适应步长，有效的避免了固定步

长有可能丢失特征点的弊端。该算法取得了不错的效果。

还有不少学者提出了其他的指纹特征点提取算法，比如有的学者将神经网络

应用到特征点的提取和匹配中来，还有的将多层感知器应用到脊线的提取上等

等，这里就不一一介绍了,但是目前的识别匹配算法容易受伪特征点和指纹的形

变影响;对于模糊的指纹图像匹配精度不高；匹配效率不高等等问题。

3 Matlab 及图像处理工具介绍

3.1 Matlab 软件的综述

Matlab 是由美国 mathworks 公司发布的主要面对科学计算,可视化还有交互

式程序设计的高科技计算环境.他将数值分析,科学计算 ,矩阵计算还有非线性动

态系统建模与仿真等很多强大功能集于一个简单的使用窗口中,为科学研究等众

多领域提供了全面的解决方法,并且很大程度上摆脱了传统编辑模式的束缚,它代

表了当今国际社会科学计算软件的先进水平

Matlab 语言是一种广泛用于工程计算与数值的分析,自1984 年这种语言面向

市场以来,约20年的发展 Matlab语言已经成为了国际社会所公认的优秀的工程应

用开发环境,因为它功能强大,简单易学并且编程效率高而深受广大学者与工作者

的认可.

现在中国高校中,很多都有 Matlab 试验课程,Matlab现在已经成为动态系统仿

真,图像处理,数字信号处理,数学模型仿真等课程的基本教学工具.在设计研究单

位和工业部门,近年来 Matlab 软件已经被广泛应用于研究和解决各种具体的工程

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问题,所以可以预见 Matlab将在我国科学研究和工程应用中发挥越来越大的作用.

3.2 Matlab 的图像处理工具箱介绍

Matlab 7.0 这个软件提供了 20 类图像处理函数,涵盖了所有图像处理包括近

期研究成果在内的所有技术方法,是研究与学习图像处理人员对于资料最宝贵的

实用工具.这些函数按其功能可以分为以下部分:图像运算,几何变换,像素值与统

计,图像分析,线性滤波,图像增强 ,线性二元滤波设计,图像去模糊,图像变换,领域

与块处理,灰度与二值化图像的形态运算,结构元素创建和处理,边缘化处理,图像

类型与类型转换.所以本文所展示的结果与图像都是利用,Matlab 7.0 自己所拥有

的工具箱对原始图像进行一系列的变换与处理.比如图像增强中我利用了该软件

的库函数来把模糊不清的图像变得清晰,从而为提取有意义的部分去使用,丰富了

该图像对于整个程序的使用效率.

4 指纹识别技术及应用

4.1 指纹的概述

指纹就是我们手指,脚趾内侧皮肤纹路形成的各样的图案,交叉点断点上各不

相同的纹路就是指纹.

4.1.1 指纹的特性

①唯一性:每个人都有指纹并且指纹各不相同,这就是指纹的唯一性.指纹的

唯一性意思就是世界所有的人类存在完全相同指纹的概率几乎为 0,所以指纹被

人为是个人最可靠的鉴别鉴别工具.

②可储存性:可以使用计算机配置的电光采集器来将指纹图型录入计算机储

存,当今这方面技术广泛应用在众多领域

③稳定性:指纹的形状结构不会受着年龄,温度,外界环境的影响,`根据阅读相

关书籍指纹数量,位置,结构,细节特征,总体布局等终生不变.

④快捷性:大多数系统鉴别时间仅需 1～3s, 登录注册一个新客户只需 1min

的时间。

⑤灵活性: 一个指纹信息的代码可以压缩到几十个字节到几百个字节, 因此

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摘要：

浙江财经大学本科生毕业论文（设计）I基于MATLAB的指纹识别研究摘要：随着信息技术的和网络技术的发展，信息安全越来越引起人们的重视。为了保护自身的信息、资料以及财产的安全，许多场合都需要对使用者、来访者进行身份识别。基于指纹识别技术的身份识别系统以其独特的技术优势和成本优势正广泛被应用到各个场合。基于Matlab在软件在图像处理技术上的灵活性和优势性，本文利用Matlab这个工具来对指纹识别过程进行了一系列的研究。主要包括指纹图像的预处理、特征点的提取与特征模板的建立、测试样本与训练样本进行匹配等步骤。每个过程都使用了当前最常用的一些算法，比如基于八邻域查找表的细化算法，特征点定位算法等。最...

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