指紋方向場的估計方法和裝置

《指紋方向場的估計方法和裝置》是清華大學於2013年12月19日申請的專利，該專利的申請號為2013107035261，公布號為CN103646238A，公布日為2014年3月19日，發明人是周杰、馮建江、楊霄。該發明涉及指紋識別領域。

《指紋方向場的估計方法和裝置》包括：根據訓練指紋建立局部指紋字典；接收待估指紋，獲取待估指紋的初始方向場；獲取初始方向場在基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在局部指紋字典中查詢與每個位置對應的方向塊集合；獲取初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據相似度篩選出初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊；獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度；根據每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和兼容度在候選方向塊中獲取每個位置對應的最優候選方向塊，以生成待估指紋的方向場。該發明的指紋方向場的估計方法可極大地減少複雜背景干擾，提高低質量指紋的識別性。

2020年7月，《指紋方向場的估計方法和裝置》獲得第二十一屆中國專利銀獎。

（概述圖為《指紋方向場的估計方法和裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：指紋方向場的估計方法和裝置
• 類別：發明專利
• 公布號：CN103646238A
• 公布日：2014年3月19日
• 申請號：2013107035261
• 申請日：2013年12月19日
• 申請人：清華大學
• 地址：北京市海淀區
• 發明人：周杰、馮建江、楊霄
• 分類號：G06K9/00（2006.01）I
• 專利代理機構：北京清亦華智慧財產權代理事務所
• 代理人：張大威

專利背景

指紋識別技術已廣泛地套用於公安刑偵、出入境、銀行及保險服務、門禁系統和重要設備的許可權控制等領域中。在實際套用中，採集到的指紋圖像可能具有非常複雜的背景紋理，如在公安刑偵領域，從犯罪現場通過使用特定的化學試劑或光學儀器獲取的指紋圖像；或者指紋圖像的脊線本身的質量較差。

相關技術中可通過指紋圖像的局部圖像特徵來估計指紋初始方向場，然後基於指紋脊線平滑這一約束對初始方向場進行改進。這種方法在圖像質量高、背景乾淨時可以較好地估計初始方向場，但是，由於這種方法僅單純考慮指紋圖像本身的一些統計信息，在背景紋理干擾強、圖像本身質量低時則無法正確地對指紋的初始方向場進行估計，並且後續難以對初始方向場進行增強和匹配。

在初始方向場的正確性完全無法保證的情況下，通常會得出完全錯誤的結果。因此，在這些情況下，必須依靠指紋鑑定人員手工提取指紋圖像的特徵，然後將提出的特徵與指紋庫中的指紋特徵進行匹配，以獲取指紋圖像的方向場。這就需要鑑定人員高度參與來完成，非常繁瑣耗時，效率低下。

傳統的指紋方向場估計算法只考慮指紋圖像塊內的統計信息及指紋脊線的平滑性約束，有較大的限制：首先，只考慮指紋圖像塊內的統計信息在背景比較複雜的情況下無法區分估計的初始方向屬於背景還是指紋圖像；其次，只考慮指紋脊線的平滑性約束只能保證最終估計的方向場平滑，但不能保證其是一個合理的指紋方向場。

發明內容

發明目的

《指紋方向場的估計方法和裝置》主要解決的是基於指紋方向場的先驗知識的局部指紋字典模型的建立問題和在複雜背景下或低質量指紋的方向場估計問題。對於複雜背景下的低質量指紋，2013年12月以前的方法因無法保證初始方向場的正確性，通常會得出錯誤的結果。因此需要由指紋鑑定人員手工提取特徵，然後自動匹配。這是因為指紋鑑定人員擁有指紋脊線結構的先驗知識，從而可以排除強噪聲的干擾。2013年12月以前自動指紋識別系統尚未將指紋的相關先驗知識納入考慮，在理論和實際套用上都是一個不小的缺陷。因此，需要建立一種根據指紋脊線結構的先驗知識進行描述的模型，進而可採用此模型對低質量指紋進行方向場估計，從而減少人工介入，提高自動化程度，提升複雜背景下低質量指紋方向場估計的準確度。

技術方案

《指紋方向場的估計方法和裝置》第一方面的實施例提出了一種指紋方向場的估計方法，包括：根據訓練指紋建立局部指紋字典，其中，所述局部指紋字典包括與基準坐標系中每個位置分別對應的多個方向塊集合；接收待估指紋，獲取所述待估指紋的初始方向場，其中，所述初始方向場位於所述基準坐標系；獲取所述初始方向場在所述基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在所述局部指紋字典中查詢與所述每個位置對應的方向塊集合；獲取所述初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據所述相似度從所述查詢到的方向塊集合中篩選出所述初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊；獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度；根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，並根據所述每個位置對應的最優候選方向塊生成所述待估指紋的方向場。

《指紋方向場的估計方法和裝置》實施例的指紋方向場的估計方法，通過聚類的方式，在統一的基準坐標系中對一系列真實的訓練指紋在不同位置的方向塊進行分析和統計，建立位置相關的局部指紋字典；並通過自動或手動的方式將待估計方向場的指紋校正到該基準坐標系中，然後對每一個位置的初始方向塊查詢該位置的局部指紋字典，挑選出若干候選方向快，同時考慮這些候選方向塊之間的兼容性，最終通過全局最佳化的方式估計一個權衡了局部相似性和全局合理性的方向場。此外，該方法考慮了指紋脊線方向的先驗知識，利用方向塊局部指紋字典的方式表達指紋脊線方向場的常見模式，並利用位置相關的信息來保證局部指紋字典的合理性，有效地對指紋方向場的常見模式進行了量化，實現了對指紋方向場先驗知識的有效運用，可以極大地減少複雜背景的干擾，提高低質量指紋的識別性能。

在該發明的一個實施例中，所述根據訓練指紋建立局部指紋字典具體包括：分別獲取多個訓練指紋的多個訓練方向場，並根據所述多個訓練方向場分別標定所述多個訓練指紋的參考點和參考方向；根據所述參考點和參考方向分別對所述多個訓練方向場進行校正，以獲取所述多個訓練指紋的基準方向場；根據所述基準方向場建立每個位置的局部指紋字典，其中，所述每個位置的局部指紋字典包括多個方向塊，所述多個方向塊分別為在所述多個訓練指紋的基準方向場中所述位置確定的方向塊。

在該發明的一個實施例中，所述根據所述基準方向場建立每個位置的局部指紋字典具體包括：在所述多個基準方向場的每個位置（xi,yi）處分別獲取第一預設尺寸的方向塊；判斷所述第一預設尺寸的方向塊是否在相應的基準方向場的有效區域內；如果在所述相應的基準方向場的有效區域內，則將所述第一預設尺寸的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）；通過對所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類以獲取所述局部指紋字典中每個位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）。

在該發明的一個實施例中，所述對所述每個位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類具體包括：a、將所述有效集合T（xi,yi）中的任意一個方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）；b、在所述有效集合T（xi,yi）中的其餘方向塊中選出任意一個方向塊，並獲取取出的方向塊與所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）中每個方向塊的相似度；c、如果獲取到的所述相似度均小於第一預設閾值，則將所述取出的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）；d、如果獲取到的所述相似度中存在至少一個相似度不小於第一預設閾值，則捨棄所述取出的方向塊；e、重複所述步驟b-d，直至所述有效集合T（xi,yi）中的方向塊全部處理完畢。

在該發明的一個實施例中，所述獲取所述待估指紋的初始方向場具體包括：獲取所述待估指紋的前景圖像；將所述前景圖像劃分為互不重疊的第二預設尺寸的圖像塊；對每個所述圖像塊進行二維短時傅立葉變換以獲取每個所述圖像塊的回響方向；根據每個所述圖像塊的回響方向建立所述待估指紋的前景方向場；根據指紋姿態校正算法對所述前景方向場進行校正以生成所述初始方向場。

在該發明的一個實施例中，所述根據所述相似度獲取所述初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊具體包括：f、將所述查詢到的方向塊集合D（xi,yi）中的方向塊按照相似度由高到低進行排列，並取出相似度最高的方向塊放入候選方向塊集合；g、取出所述方向塊集合D（xi,yi）中排在上一步驟中取出的方向塊之後的方向塊，並獲取在步驟g中取出的方向塊與每個候選方向塊之間的相似度；h、如果獲取到的相似度均小於第二閾值，則將所述步驟g中取出的方向塊放入所述候選方向塊集合；i、如果獲取到的相似度中存在至少一個不小於第二閾值，則捨棄所述步驟g中取出的方向塊；j、重複步驟g-i，直至所述候選方向塊集合中的方向塊數量為所述預設數量。

在該發明的一個實施例中，所述根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊具體包括：根據所述相似度和所述兼容度建立目標最佳化函式，並通過對所述目標最佳化函式進行最佳化以獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，其中，所述目標最佳化函式為：，其中，V表示所述初始方向場，i表示所述初始方向場V內任意位置（xi,yi），Θi表示所述位置（xi,yi）對應的初始方向塊，表示所述位置（xi,yi）對應的第ri個候選方向塊，表示所述初始方向塊Θ_i與所述候選方向塊之間的相似度，N表示四連通相鄰的初始方向塊集合，表示所述位置（xi,yi）的相鄰位置（xj,yj）對應的第rj個候選方向塊，表示所述候選方向塊與所述候選方向塊之間的兼容度，wc為預設權重。

在該發明的一個實施例中，其中，通過圖割法或置信傳播方法對所述目標最佳化函式進行最佳化。

《指紋方向場的估計方法和裝置》第二方面的實施例提出了一種指紋方向場的估計裝置，包括：指紋字典建立模組，用於根據訓練指紋建立局部指紋字典，其中，所述局部指紋字典包括與基準坐標系中每個位置分別對應的多個方向塊集合；第一獲取模組，用於接收待估指紋，並獲取所述待估指紋的初始方向場，其中，所述初始方向場位於所述基準坐標系；第二獲取模組，用於獲取所述初始方向場在所述基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在所述局部指紋字典中查詢與所述每個位置對應的方向塊集合；篩選模組，用於獲取所述初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據所述相似度從所述查詢到的方向塊集合中篩選出所述初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊；第三獲取模組，用於獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度；生成模組，用於根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，並根據所述每個位置對應的最優候選方向塊生成所述待估指紋的方向場。

該發明實施例的指紋方向場的估計裝置，通過聚類的方式，在統一的基準坐標系中對一系列真實的訓練指紋在不同位置的方向塊進行分析和統計，建立位置相關的局部指紋字典；並通過自動或手動的方式將待估計方向場的指紋校正到該基準坐標系中，然後對每一個位置的初始方向塊查詢該位置的局部指紋字典，挑選出若干候選方向快，同時考慮這些候選方向塊之間的兼容性，最終通過全局最佳化的方式估計一個權衡了局部相似性和全局合理性的方向場。此外，該裝置考慮了指紋脊線方向的先驗知識，利用方向塊局部指紋字典的方式表達指紋脊線方向場的常見模式，並利用位置相關的信息來保證局部指紋字典的合理性，有效地對指紋方向場的常見模式進行了量化，實現了對指紋方向場先驗知識的有效運用，可以極大地減少複雜背景的干擾，提高低質量指紋的識別性能。

在該發明的一個實施例中，所述指紋字典建立模組具體包括：第一獲取單元，用於分別獲取多個訓練指紋的多個訓練方向場，並根據所述多個訓練方向場分別標定所述多個訓練指紋的參考點和參考方向；校正單元，用於根據所述參考點和參考方向分別對所述多個訓練方向場進行校正，以獲取所述多個訓練指紋的基準方向場；字典建立單元，用於根據所述基準方向場建立每個位置的局部指紋字典，其中，所述每個位置的局部指紋字典包括多個方向塊，所述多個方向塊分別為在所述多個訓練指紋的基準方向場中所述位置確定的方向塊。

在該發明的一個實施例中，所述字典建立單元具體用於：在所述多個基準方向場的每個位置（xi,yi）處分別獲取第一預設尺寸的方向塊；判斷所述第一預設尺寸的方向塊是否在相應的基準方向場的有效區域內；如果在所述相應的基準方向場的有效區域內，則將所述第一預設尺寸的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）；通過對所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類以獲取所述局部指紋字典中每個位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）。

在該發明的一個實施例中，所述對所述每個位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類具體包括：a、將所述有效集合T（xi,yi）中的任意一個方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）；b、在所述有效集合T（xi,yi）中的其餘方向塊中選出任意一個方向塊，並獲取取出的方向塊與所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）中每個方向塊的相似度；c、如果獲取到的所述相似度均小於第一預設閾值，則將所述取出的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）；d、如果獲取到的所述相似度中存在至少一個相似度不小於第一預設閾值，則捨棄所述取出的方向塊；e、重複所述步驟b-d，直至所述有效集合T（xi,yi）中的方向塊全部處理完畢。

在該發明的一個實施例中，所述第一獲取模組具體包括：第二獲取單元，用於獲取所述待估指紋的前景圖像；劃分單元，用於將所述前景圖像劃分為互不重疊的第二預設尺寸的圖像塊；第三獲取單元，用於對每個所述圖像塊進行二維短時傅立葉變換以獲取每個所述圖像塊的回響方向；方向場建立單元，用於根據每個所述圖像塊的回響方向建立所述待估指紋的前景方向場；生成單元，用於根據指紋姿態校正算法對所述前景方向場進行校正以生成所述初始方向場。

在該發明的一個實施例中，所述篩選模組具體用於：f、將所述查詢到的方向塊集合D（xi,yi）中的方向塊按照相似度由高到低進行排列，並取出相似度最高的方向塊放入候選方向塊集合；g、取出所述方向塊集合D（xi,yi）中排在上一步驟中取出的方向塊之後的方向塊，並獲取在步驟g中取出的方向塊與每個候選方向塊之間的相似度；h、如果獲取到的相似度均小於第二閾值，則將所述步驟g中取出的方向塊放入所述候選方向塊集合；i、如果獲取到的相似度中存在至少一個不小於第二閾值，則捨棄所述步驟g中取出的方向塊；j、重複步驟g-i，直至所述候選方向塊集合中的方向塊數量為所述預設數量。

在該發明的一個實施例中，所述根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊具體包括：根據所述相似度和所述兼容度建立目標最佳化函式，並通過對所述目標最佳化函式進行最佳化以獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，其中，所述目標最佳化函式為：,其中，V表示所述初始方向場，i表示所述初始方向場V內任意位置（xi,yi），Θi表示所述位置（xi,yi）對應的初始方向塊，表示所述位置（xi,yi）對應的第ri個候選方向塊，表示所述初始方向塊Θi與所述候選方向塊之間的相似度，N表示四連通相鄰的初始方向塊集合，表示所述位置（xi,yi）的相鄰位置（xj,yj）對應的第rj個候選方向塊，表示所述候選方向塊與所述候選方向塊之間的兼容度，wc為預設權重。

在該發明的一個實施例中，其中，通過圖割法或置信傳播方法對所述目標最佳化函式進行最佳化。

有益效果

《指紋方向場的估計方法和裝置》考慮了指紋脊線方向的先驗知識，實現了對指紋方向場先驗知識的有效運用，可以極大地減少複雜背景的干擾，提高低質量指紋的識別性能。

附圖說明

圖1為根據《指紋方向場的估計方法和裝置》一個實施例的指紋方向場的估計方法的流程圖；

圖2為根據該發明一個實施例的根據訓練指紋建立局部指紋字典方法的流程圖；

圖3為根據該發明一個實施例的參考點和參考方向的示意圖；

圖4a為根據該發明一個實施例的訓練指紋方向場的示意圖；

圖4b為該發明一個實施例的圖4a中訓練指紋方向場對應的基準方向場的示意圖；

圖5為根據該發明一個實施例的根據基準方向場建立每個位置的局部指紋字典的方法的流程圖；

圖6為根據該發明一個實施例的建立局部指紋字典的示意圖；

圖7為根據該發明一個實施例的獲取待估指紋的初始方向場的方法的流程圖；

圖8為根據該發明一個實施例的按照相似度直接選擇的候選方向塊與結合相似度和多樣化約束選擇的候選方向塊的對比示意圖；

圖9a為根據該發明一個實施例的相鄰方塊之間的兼容度的展示示意圖；

圖9b為根據該發明另一個實施例的相鄰方塊之間的兼容度的展示示意圖；

圖10為根據該發明一個實施例的指紋方向場的估計裝置的結構框圖；

圖11為根據該發明另一個實施例的指紋方向場的估計裝置的結構框圖。

權利要求

1.一種指紋方向場的估計方法，其特徵在於，包括：根據訓練指紋建立局部指紋字典，其中，所述局部指紋字典包括與基準坐標系中每個位置分別對應的多個方向塊集合；接收待估指紋，獲取所述待估指紋的初始方向場，其中，所述初始方向場位於所述基準坐標系；獲取所述初始方向場在所述基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在所述局部指紋字典中查詢與所述每個位置對應的方向塊集合；獲取所述初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據所述相似度從所述查詢到的方向塊集合中篩選出所述初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊；獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度；根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，並根據所述每個位置對應的最優候選方向塊生成所述待估指紋的方向場。

2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述根據訓練指紋建立局部指紋字典具體包括：分別獲取多個訓練指紋的多個訓練方向場，並根據所述多個訓練方向場分別標定所述多個訓練指紋的參考點和參考方向；根據所述參考點和參考方向分別對所述多個訓練方向場進行校正，以獲取所述多個訓練指紋的基準方向場；根據所述基準方向場建立每個位置的局部指紋字典，其中，所述每個位置的局部指紋字典包括多個方向塊，所述多個方向塊分別為在所述多個訓練指紋的基準方向場中所述位置確定的方向塊。

3.如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述根據所述基準方向場建立每個位置的局部指紋字典具體包括：在所述多個基準方向場的每個位置（xi,yi）處分別獲取第一預設尺寸的方向塊；判斷所述第一預設尺寸的方向塊是否在相應的基準方向場的有效區域內；如果在所述相應的基準方向場的有效區域內，則將所述第一預設尺寸的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）；通過對所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類以獲取所述局部指紋字典中每個位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）。

4.如權利要求3所述的方法，其特徵在於，所述對所述每個位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類具體包括：

a、將所述有效集合T（xi,yi）中的任意一個方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）；

b、在所述有效集合T（xi,yi）中的其餘方向塊中選出任意一個方向塊，並獲取取出的方向塊與所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）中每個方向塊的相似度；

c、如果獲取到的所述相似度均小於第一預設閾值，則將所述取出的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）；

d、如果獲取到的所述相似度中存在至少一個相似度不小於第一預設閾值，則捨棄所述取出的方向塊；

e、重複所述步驟b-d，直至所述有效集合T（xi,yi）中的方向塊全部處理完畢。

5.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述獲取所述待估指紋的初始方向場具體包括：獲取所述待估指紋的前景圖像；將所述前景圖像劃分為互不重疊的第二預設尺寸的圖像塊；對每個所述圖像塊進行二維短時傅立葉變換以獲取每個所述圖像塊的回響方向；根據每個所述圖像塊的回響方向建立所述待估指紋的前景方向場；根據指紋姿態校正算法對所述前景方向場進行校正以生成所述初始方向場。

6.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述根據所述相似度獲取所述初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊具體包括：

f、將所述查詢到的方向塊集合D（xi,yi）中的方向塊按照相似度由高到低進行排列，並取出相似度最高的方向塊放入候選方向塊集合；

g、取出所述方向塊集合D（xi,yi）中排在上一步驟中取出的方向塊之後的方向塊，並獲取在步驟g中取出的方向塊與每個候選方向塊之間的相似度；

h、如果獲取到的相似度均小於第二閾值，則將所述步驟g中取出的方向塊放入所述候選方向塊集合；

i、如果獲取到的相似度中存在至少一個不小於第二閾值，則捨棄所述步驟g中取出的方向塊；

j、重複步驟g-i，直至所述候選方向塊集合中的方向塊數量為所述預設數量。

7.如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊具體包括：根據所述相似度和所述兼容度建立目標最佳化函式，並通過對所述目標最佳化函式進行最佳化以獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，其中，所述目標最佳化函式為：，其中，V表示所述初始方向場，i表示所述初始方向場V內任意位置（xi,yi），Θi表示所述位置（xi,yi）對應的初始方向塊，表示所述位置（xi,yi）對應的第ri個候選方向塊，表示所述初始方向塊Θi與所述候選方向塊之間的相似度，N表示四連通相鄰的初始方向塊集合，表示所述位置（xi,yi）的相鄰位置（xj,yj）對應的第rj個候選方向塊，表示所述候選方向塊與所述候選方向塊之間的兼容度，wc為預設權重。

8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於，其中，通過圖割法或置信傳播方法對所述目標最佳化函式進行最佳化。

9.一種指紋方向場的估計裝置，其特徵在於，包括：指紋字典建立模組，用於根據訓練指紋建立局部指紋字典，其中，所述局部指紋字典包括與基準坐標系中每個位置分別對應的多個方向塊集合；第一獲取模組，用於接收待估指紋，並獲取所述待估指紋的初始方向場，其中，所述初始方向場位於所述基準坐標系；第二獲取模組，用於獲取所述初始方向場在所述基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在所述局部指紋字典中查詢與所述每個位置對應的方向塊集合；篩選模組，用於獲取所述初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據所述相似度從所述查詢到的方向塊集合中篩選出所述初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊；第三獲取模組，用於獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度；生成模組，用於根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，並根據所述每個位置對應的最優候選方向塊生成所述待估指紋的方向場。

10.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述指紋字典建立模組具體包括：第一獲取單元，用於分別獲取多個訓練指紋的多個訓練方向場，並根據所述多個訓練方向場分別標定所述多個訓練指紋的參考點和參考方向；校正單元，用於根據所述參考點和參考方向分別對所述多個訓練方向場進行校正，以獲取所述多個訓練指紋的基準方向場；字典建立單元，用於根據所述基準方向場建立每個位置的局部指紋字典，其中，所述每個位置的局部指紋字典包括多個方向塊，所述多個方向塊分別為在所述多個訓練指紋的基準方向場中所述位置確定的方向塊。

11.如權利要求10所述的裝置，其特徵在於，所述字典建立單元具體用於：在所述多個基準方向場的每個位置（xi,yi）處分別獲取第一預設尺寸的方向塊；判斷所述第一預設尺寸的方向塊是否在相應的基準方向場的有效區域內；如果在所述相應的基準方向場的有效區域內，則將所述第一預設尺寸的方向塊放入所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）；通過對所述位置（xi,yi）對應的有效集合T（xi,yi）中的方向塊進行聚類以獲取所述局部指紋字典中每個位置（xi,yi）對應的方向塊集合D（xi,yi）。

12.如權利要求11所述的裝置，其特徵在於，所述對所述每個位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi）中的方向塊進行聚類具體包括：

a、將所述有效集合T（xi，yi）中的任意一個方向塊放入所述位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）；

b、在所述有效集合T（xi，yi）中的其餘方向塊中選出任意一個方向塊，並獲取取出的方向塊與所述位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）中每個方向塊的相似度；

c、如果獲取到的所述相似度均小於第一預設閾值，則將所述取出的方向塊放入所述位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）；

d、如果獲取到的所述相似度中存在至少一個相似度不小於第一預設閾值，則捨棄所述取出的方向塊；

e、重複所述步驟b-d，直至所述有效集合T（xi，yi）中的方向塊全部處理完畢。

13.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述第一獲取模組具體包括：第二獲取單元，用於獲取所述待估指紋的前景圖像；劃分單元，用於將所述前景圖像劃分為互不重疊的第二預設尺寸的圖像塊；第三獲取單元，用於對每個所述圖像塊進行二維短時傅立葉變換以獲取每個所述圖像塊的回響方向；方向場建立單元，用於根據每個所述圖像塊的回響方向建立所述待估指紋的前景方向場；生成單元，用於根據指紋姿態校正算法對所述前景方向場進行校正以生成所述初始方向場。

14.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述篩選模組具體用於：

f、將所述查詢到的方向塊集合D（xi，yi）中的方向塊按照相似度由高到低進行排列，並取出相似度最高的方向塊放入候選方向塊集合；

g、取出所述方向塊集合D（xi，yi）中排在上一步驟中取出的方向塊之後的方向塊，並獲取在步驟g中取出的方向塊與每個候選方向塊之間的相似度；

h、如果獲取到的相似度均小於第二閾值，則將所述步驟g中取出的方向塊放入所述候選方向塊集合；

i、如果獲取到的相似度中存在至少一個不小於第二閾值，則捨棄所述步驟g中取出的方向塊；

j、重複步驟g-i，直至所述候選方向塊集合中的方向塊數量為所述預設數量。

15.如權利要求9所述的裝置，其特徵在於，所述根據所述每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和所述兼容度在所述候選方向塊中獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊具體包括：根據所述相似度和所述兼容度建立目標最佳化函式，並通過對所述目標最佳化函式進行最佳化以獲取所述每個位置對應的最優候選方向塊，其中，所述目標最佳化函式為：，其中，V表示所述初始方向場，i表示所述初始方向場V內任意位置（xi，yi），Θi表示所述位置（xi，yi）對應的初始方向塊，表示所述位置（xi，yi）對應的第ri個候選方向塊，表示所述初始方向塊Θi與所述候選方向塊之間的相似度，N表示四連通相鄰的初始方向塊集合，表示所述位置（xi，yi）的相鄰位置（xj,yj）對應的第rj個候選方向塊，表示所述候選方向塊與所述候選方向塊之間的兼容度，wc為預設權重。

16.如權利要求15所述的裝置，其特徵在於，其中，通過圖割法或置信傳播方法對所述目標最佳化函式進行最佳化。

實施方式

一般意義的方向場包括兩種，一種是像素方向場，一種是圖像塊方向場，《指紋方向場的估計方法和裝置》實施例中提到的方向場為圖像塊方向場，即將指紋圖像劃分為預設尺寸（如16像素×16像素）且互不重疊的圖像塊，以每個塊包含的指紋脊線和谷線的方向作為該塊的方向，所有圖像塊的方向組成了該指紋的方向場。

圖1為根據該發明一個實施例的指紋方向場的估計方法的流程圖。

如圖1所示，根據該發明實施例的指紋方向場的估計方法，包括：

S101，根據訓練指紋建立局部指紋字典，其中，局部指紋字典包括與基準坐標系中每個位置分別對應的多個方向塊集合。

在該發明的一個實施例中，為了保證局部指紋字典是真實的，且具有良好的代表性，可通過對手工標定的一組真實的訓練指紋的方向場進行統計建立該字局部指紋字典。具體地，如圖2所示，為根據該發明一個實施例的根據訓練指紋建立局部指紋字典方法的流程圖。

S201，分別獲取多個訓練指紋的多個訓練方向場，並根據多個訓練方向場分別標定多個訓練指紋的參考點和參考方向。

在該發明的實施例中，對於每一個訓練指紋，首先通過手工標定該訓練指紋的指紋圖像質量比較高（足以辨別方向）的有效區域，然後通過手工標定在該有效區域內指紋圖像的方向場，再通過手工標定該訓練指紋的參考點和參考方向。具體地，如圖3所示，為根據該發明一個實施例的參考點和參考方向的示意圖。其中，參考點（如圖3中r點）為兩個點連線的中點，其中一個點為從指紋左半部進入並從指紋右半部離開的完整脊線上位於指紋上半部分的最低一條脊線的最高點（如圖3中a點），另一個點為位於指紋下半部分的最高一條脊線的中點（如圖3中b點）。參考方向由從b點到a點的連線確定，例如參考方向可為由a到b的方向。

S202，根據參考點和參考方向分別對多個訓練方向場進行校正，以獲取多個訓練指紋的基準方向場。

在該發明的一個實施例中，可通過基準坐標系對多個訓練方向場進行坐標系校正。舉例來說，可對每個訓練方向場進行旋轉和平移並通過方向插值的方式將該訓練方向場的參考點校正至基準坐標系的原點位置，並將訓練方向場的參考方向校正至該基準坐標系的y軸的正方向。並將校正後的訓練方向場作為該訓練指紋的基準方向場。圖4a為根據該發明一個實施例的訓練指紋方向場的示意圖，圖4b為該發明一個實施例的圖4a中訓練指紋方向場對應的基準方向場的示意圖。

S203，根據基準方向場建立每個位置的局部指紋字典，其中，每個位置的局部指紋字典包括多個方向塊，多個方向塊分別為在多個訓練指紋的基準方向場中位置確定的方向塊。

在該發明的一個實施例中，結合圖5和圖6說明根據基準方向場建立每個位置的局部指紋字典的方法。

S501，在多個基準方向場的每個位置（xi，yi）處分別獲取第一預設尺寸的方向塊。

在該發明的一個實施例中，可取大小為第一預設尺寸d×d的滑動窗W，即滑動窗W中包含d×d個16×16的圖像塊，其中，每個圖像塊包含基準方場中的一個方向。舉例來說，在該發明的實施例中，以d＝4為例進行說明。滑動窗W可按照從左到右、從上到下的順序在基準坐標系中滑動。從而，對於每個位置（xi，yi），在每個基準方向場中均可獲得一個d×d的方向塊。

S502，判斷第一預設尺寸的方向塊是否在相應的基準方向場的有效區域內。

具體地，對於每個位置（xi，yi），檢查滑動窗W在每一個基準方向場中包含的方向塊中是否存在沒有方向場的圖像塊，如果不存在，則該方向塊在相應的基準方向場的有效區域內，如果存在，則該方向塊不在相應的基準方向場的有效區域內。

S503，如果在相應的基準方向場的有效區域內，則將第一預設尺寸的方向塊放入位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi）。

在該發明的一個實施例中，如果一個方向塊在相應的基準方向場的有效區域內，則可記錄該方向塊，並將該方向塊放入該位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi）中。由此，對於每一個位置，都能得到一個包含多個方向塊的有效集合。如圖6所示，可得到位置（-3，-3）和位置（3,3）處的有效集合T（-3,-3）和T（3,3）。

S504，通過對位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi）中的方向塊進行聚類以獲取局部指紋字典中每個位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）。

在該發明的一個實施例中，隨著訓練指紋數量的增加，每一個有效集合內的方向塊數量可能有很多。這樣會增大指紋匹配工作量，降低指紋方向場的估計效率。因此，需要對每一個有效集合進行聚類。

具體地，首先，對於每一個有效集合T（xi，yi），初始給定一個空方向塊集合D（xi，yi），並將有效集合T（xi，yi）中的任意一個方向塊放入方向塊集合D（xi，yi）中。對於有效集合T（xi，yi）中其餘方向塊，從中選出任意一個方向塊，並估計該方向塊與方向塊集合D（xi，yi）中已有的每個方向塊的相似度。如果其中最高的相似度小於第一預設閾值，即估計出得相似度均小於第一預設閾值，則將該方向塊放入方向塊集合D（xi，yi）中，否則，捨棄該方向塊。

依次對有效集合T（xi，yi）中其餘的方向塊進行上述處理，直至有效集合T（xi，yi）中的方向塊全部處理完畢，即可獲取位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）。舉例來說，對於圖6中得到的有效集合T（-3,-3）和T（3,3），可分別聚類為位置（-3，-3）和位置（3,3）對應的局部指紋字典D（-3,-3）和D（3,3）。

S102，接收待估指紋，獲取待估指紋的初始方向場，其中，初始方向場位於基準坐標系。

在該發明的一個實施例中，可通過如圖7所示的方法獲取待估指紋的初始方向場。具體第，包括：

S701，獲取待估指紋的前景圖像。

在該發明的一個實施例中，對於現場採集的指紋，需要通過手工標記出指紋所在的大體區域，即前景圖像。對於庫指紋，其背景很簡單，因此可以用圖像塊傅立葉變換後頻域最強波和次強波的幅值比作為特徵，並根據閾值快速劃分出前景圖像，不需要任何手工標註。

S702，將前景圖像劃分為互不重疊的第二預設尺寸的圖像塊。

具體地，在該發明的一個實施例中，可將前景圖像劃分為第二預設尺寸（如16像素×16像素）且互不重疊的圖像塊。

S703，對每個圖像塊進行二維短時傅立葉變換以獲取每個圖像塊的回響方向。

在該發明的一個實施例中，對於每一個圖像塊，可將其看作二維表面波，對其進行二維短時傅立葉變換，然後尋找頻域中最強的回響，通過其相對於頻域中心的角度，提取每個圖像塊中回響最強的方向。

S704，根據每個圖像塊的回響方向建立待估指紋的前景方向場。

S705，根據指紋姿態校正算法對前景方向場進行校正以生成初始方向場。

在該發明的一個實施例中，可對前景方向場使用已有的指紋姿態校正算法，將其校正到基準坐標系中，即成為初始方向場。

S103，獲取初始方向場在基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在局部指紋字典中查詢與每個位置對應的方向塊集合。

在該發明的一個實施例中，可取大小為第一預設尺寸d×d的滑動窗W，並按照從左到右、從上到下的順序在基準坐標系中滑動。對於每個位置（xi，yi），在初始方向場中均可獲得待估指紋在該位置的一個d×d的初始方向塊。相應地，可在局部指紋字典中查詢到該位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）。

S104，獲取初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據相似度從查詢到的方向塊集合中篩選出初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊。

在該發明的一個實施例中，將位置（xi，yi）對應的初始方向塊與方向塊集合D（xi，yi）中的每個方向塊進行相似度估計，選出預設數量k（例如，k＝6）個候選方向塊。

如果僅根據相似度的高低來挑選候選方向塊，有可能得到非常相似的k個候選方向塊。在局部噪聲較強時，會導致所有的候選方向塊都不正確。因此，為了提高候選塊的多樣性，需要在挑選時進行多樣化約束。舉例來說，如圖8所示，可以看出，按照相似度直接選擇的候選方向塊與指紋圖像塊大多不相符，而結合相似度和多樣性約束選擇的候選方向塊與指紋圖像塊則比較相符。具體地，首先，可將方向塊集合D（xi，yi）中的方向塊按照與位置

（xi，yi）對應的初始方向塊的相似度由高到低進行排列，並取出相似度最高的方向塊放入候選方向塊集合。然後，按照排序依次取出方向塊集合D（xi，yi）中其他的方向塊，並在每個方向塊取出時，獲取當前取出的方向塊與候選方向塊集合中的每個候選方向塊的相似度。如果獲取到的與每個候選方向塊的相似度均小於第二閾值，則將當前取出的方向塊放入候選方向塊集合，否則，捨棄該方向塊，並繼續取出下一個方向塊進行判斷。重複這一過程，直至候選方向塊集合中的方向塊數量達到預設數量。

S105，獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度。

在該發明的實施例中，通過相似度查詢局部指紋字典只保證了候選方向塊與初始方向塊是相似的，但不能保證候選方向塊之間的方向場在整體上是合理的，因此還需要獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度。由於滑動窗W確定的相鄰位置對應的初始方向塊之間有重疊，因此重疊部分的方向場是否相似可以用來衡量相鄰方向塊之間的兼容度。舉例來說，如圖9所示，圖9a中相鄰的兩個方向塊兼容度高，圖9b中相鄰的兩個方向塊兼容度低。

S106，根據每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和兼容度在候選方向塊中獲取每個位置對應的最優候選方向塊，並根據每個位置對應的最優候選方向塊生成待估指紋的方向場。

在該發明的一個實施例中，由於每個位置（xi，yi）已選出了k個候選方向塊，候選方向塊之間兩兩需要計算一個兼容度，因此相鄰的兩個初始方向塊之間有k×k個兼容度。可根據所有相鄰候選方向塊之間的相似度和兼容度建立目標最佳化函式：，並通過對目標最佳化函式進行最佳化以獲取每個位置對應的最優候選方向塊。其中，V表示初始方向場，i表示初始方向場V內任意位置（xi，yi），Θi表示位置（xi，yi）對應的初始方向塊，表示位置（xi，yi）對應的第ri個候選方向塊，表示初始方向塊Θi與候選方向塊之間的相似度，N表示四連通相鄰的初始方向塊集合，表示位置（xi，yi）的相鄰位置（xj,yj）對應的第rj個候選方向塊，表示候選方向塊與候選方向塊之間的兼容度，wc為預設權重，用於權衡局部相似度和相鄰兼容度。

在該發明的實施例中，對於上述目標函式的最佳化已有很多現方法，例如文獻A .Blake ,P .Kohli ,and C .Rother ,Eds .,Markov Random Fields forVision and Image Processing .MIT Press ,2011中介紹的幾種最佳化方法（如圖割或置信傳播等）均可對本目標函式進行最佳化，最終在每個位置上挑選出一個候選方向塊，並將其作為該位置的最終方向場，從而得到最佳化後的待估指紋方向場。

在該發明的實施例中，建立指紋局部字典的步驟為離線階段，可只執行一次，在統一的基準坐標系中對不同位置可能出現的方向塊進行統計建模以建立指紋局部字典。在建立指紋局部字典後，輸入指紋圖像即可通過線上階段查詢該指紋局部字典來估計輸入的指紋圖像的方向場。

該發明實施例的指紋方向場的估計方法，通過聚類的方式，在統一的基準坐標系中對一系列真實的訓練指紋在不同位置的方向塊進行分析和統計，建立位置相關的局部指

紋字典；並通過自動或手動的方式將待估計方向場的指紋校正到該基準坐標系中，然後對每一個位置的初始方向塊查詢該位置的局部指紋字典，挑選出若干候選方向快，同時考慮這些候選方向塊之間的兼容性，最終通過全局最佳化的方式估計一個權衡了局部相似性和全局合理性的方向場。此外，該方法考慮了指紋脊線方向的先驗知識，利用方向塊局部指紋字典的方式表達指紋脊線方向場的常見模式，並利用位置相關的信息來保證局部指紋字典的合理性，有效地對指紋方向場的常見模式進行了量化，實現了對指紋方向場先驗知識的有效運用，可以極大地減少複雜背景的干擾，提高低質量指紋的識別性能。

為了實現上述實施例，該發明還提出一種指紋方向場的估計裝置。

圖10為根據該發明一個實施例的指紋方向場的估計裝置的結構示意圖。

如圖10所示，根據該發明實施例的指紋方向場的估計裝置，包括：指紋字典建立模組100、第一獲取模組200、第二獲取模組300、篩選模組400、第三獲取模組500和生成模組600。

具體地，指紋字典建立模組100用於根據訓練指紋建立局部指紋字典，其中，局部指紋字典包括與基準坐標系中每個位置分別對應的多個方向塊集合。

第一獲取模組200用於接收待估指紋，並獲取待估指紋的初始方向場，其中，初始方向場位於基準坐標系。

第二獲取模組300用於獲取初始方向場在基準坐標系中每個位置對應的初始方向塊，並在局部指紋字典中查詢與每個位置對應的方向塊集合。

篩選模組400用於獲取初始方向塊與查詢到的方向塊集合中的每個方向塊的相似度，並根據相似度從查詢到的方向塊集合中篩選出初始方向塊對應的預設數量的候選方向塊。

第三獲取模組500用於獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度。

生成模組600用於根據每個位置與對應的候選方向塊之間的相似度和兼容度在候選方向塊中獲取每個位置對應的最優候選方向塊，並根據每個位置對應的最優候選方向塊生成待估指紋的方向場。

在該發明的一個實施例中，為了保證局部指紋字典是真實的，且具有良好的代表性，可通過對手工標定的一組真實的訓練指紋的方向場進行統計建立該字局部指紋字典。更具體地，如圖10所示，指紋字典建立模組100具體包括第一獲取單元110、校正單元120和字典建立單元130。

其中，第一獲取單元110用於分別獲取多個訓練指紋的多個訓練方向場，並根據多個訓練方向場分別標定多個訓練指紋的參考點和參考方向。在該發明的實施例中，對於每一個訓練指紋，第一獲取單元110首先獲取通過手工標定該訓練指紋的指紋圖像質量比較高（足以辨別方向）的有效區域，然後獲取通過手工標定在該有效區域內指紋圖像的方向場，再獲取通過手工標定該訓練指紋的參考點和參考方向。具體地，如圖3所示，為根據該發明一個實施例的參考點和參考方向的示意圖。其中，參考點（如圖3中r點）為兩個點連線的中點，其中一個點為從指紋左半部進入並從指紋右半部離開的完整脊線上位於指紋上半部分的最低一條脊線的最高點（如圖3中a點），另一個點為位於指紋下半部分的最高一條脊線的中點（如圖3中b點）。參考方向由從b點到a點的連線確定，例如參考方向可為由a到b的方向。

校正單元120用於根據參考點和參考方向分別對多個訓練方向場進行校正，以獲取多個訓練指紋的基準方向場。在該發明的一個實施例中，校正單元120可通過基準坐標系對多個訓練方向場進行坐標系校正。舉例來說，可對每個訓練方向場進行旋轉和平移並通過方向插值的方式將該訓練方向場的參考點校正至基準坐標系的原點位置，並將訓練方向場的參考方向校正至該基準坐標系的y軸的正方向。並將校正後的訓練方向場作為該訓練指紋的基準方向場。圖4a為根據該發明一個實施例的訓練指紋方向場的示意圖，圖4b為該發明一個實施例的圖4a中訓練指紋方向場對應的基準方向場的示意圖。

字典建立單元130用於根據基準方向場建立每個位置的局部指紋字典，其中，每個位置的局部指紋字典包括多個方向塊，多個方向塊分別為在多個訓練指紋的基準方向場中位置確定的方向塊。在該發明的一個實施例中，字典建立單元130首先在多個基準方向場的每個位置（xi，yi）處分別獲取第一預設尺寸的方向塊，並判斷第一預設尺寸的方向塊是否在相應的基準方向場的有效區域內，如果在相應的基準方向場的有效區域內，則將第一預設尺寸的方向塊放入位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi），然後，通過對位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi）中的方向塊進行聚類以獲取局部指紋字典中每個位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）。

在該發明的一個實施例中，可取大小為第一預設尺寸d×d的滑動窗W，即滑動窗W中包含d×d個16×16的圖像塊，其中，每個圖像塊包含基準方場中的一個方向。舉例來說，在該發明的實施例中，以d＝4為例進行說明。滑動窗W可按照從左到右、從上到下的順序在基準坐標系中滑動。從而，對於每個位置（xi，yi），在每個基準方向場中均可獲得一個d×d的方向塊。對於每個位置（xi，yi），檢查滑動窗W在每一個基準方向場中包含的方向塊中是否存在沒有方向場的圖像塊，如果不存在，則該方向塊在相應的基準方向場的有效區域內，如果存在，則該方向塊不在相應的基準方向場的有效區域內。如果一個方向塊在相應的基準方向場的有效區域內，則可記錄該方向塊，並將該方向塊放入該位置（xi，yi）對應的有效集合T（xi，yi）中。由此，對於每一個位置，都能得到一個包含多個方向塊的有效集合。如圖6所示，可得到位置（-3，-3）和位置（3,3）處的有效集合T（-3,-3）和T（3,3）。

在該發明的一個實施例中，隨著訓練指紋數量的增加，每一個有效集合內的方向塊數量可能有很多。這樣會增大指紋匹配工作量，降低指紋方向場的估計效率。因此，需要對每一個有效集合進行聚類。具體地，首先，對於每一個有效集合T（xi，yi），初始給定一個空方向塊集合D（xi，yi），並將有效集合T（xi，yi）中的任意一個方向塊放入方向塊集合D（xi，yi）中。對於有效集合T（xi，yi）中其餘方向塊，從中選出任意一個方向塊，並估計該方向塊與方向塊集合D（xi，yi）中已有的每個方向塊的相似度。如果其中最高的相似度小於第一預設閾值，即估計出得相似度均小於第一預設閾值，則將該方向塊放入方向塊集合D（xi，yi）中，否則，捨棄該方向塊。依次對有效集合T（xi，yi）中其餘的方向塊進行上述處理，直至有效集合T（xi，yi）中的方向塊全部處理完畢，即可獲取位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）。舉例來說，對於圖6中得到的有效集合T（-3,-3）和T（3,3），可分別聚類為位置（-3，-3）和位置（3,3）對應的局部指紋字典D（-3,-3）和D（3,3）。

在該發明的一個實施例中，如圖11所示，第一獲取模組200具體包括第二獲取單元210、劃分單元220、第三獲取單元230、方向場建立單元240和生成單元250。

其中，第二獲取單元210用於獲取待估指紋的前景圖像。在該發明的一個實施例中，對於現場採集的指紋，需要通過手工標記出指紋所在的大體區域，即前景圖像。對於庫指紋，其背景很簡單，因此可以用圖像塊傅立葉變換後頻域最強波和次強波的幅值比作為特徵，並根據閾值快速劃分出前景圖像，不需要任何手工標註。

劃分單元220用於將前景圖像劃分為互不重疊的第二預設尺寸的圖像塊。具體地，在該發明的一個實施例中，可將前景圖像劃分為第二預設尺寸（如16像素×16像素）且互不重疊的圖像塊。

第三獲取單元230用於對每個圖像塊進行二維短時傅立葉變換以獲取每個圖像塊的回響方向。在該發明的一個實施例中，對於每一個圖像塊，可將其看作二維表面波，對其進行二維短時傅立葉變換，然後尋找頻域中最強的回響，通過其相對於頻域中心的角度，提取每個圖像塊中回響最強的方向。

方向場建立單元240用於根據每個圖像塊的回響方向建立待估指紋的前景方向場。

生成單元250用於根據指紋姿態校正算法對前景方向場進行校正以生成初始方向場。在該發明的一個實施例中，可對前景方向場使用已有的指紋姿態校正算法，將其校正到基準坐標系中，即成為初始方向場。

在該發明的一個實施例中，第二獲取模組300可取大小為第一預設尺寸d×d的滑動窗W，並按照從左到右、從上到下的順序在基準坐標系中滑動。對於每個位置（xi，yi），在初始方向場中均可獲得待估指紋在該位置的一個d×d的初始方向塊。相應地，可在局部指紋字典中查詢到該位置（xi，yi）對應的方向塊集合D（xi，yi）。

在該發明的一個實施例中，篩選模組400將位置（xi，yi）對應的初始方向塊與方向塊集合D（xi，yi）中的每個方向塊進行相似度估計，選出預設數量k（例如，k＝6）個候選方向塊。

如果僅根據相似度的高低來挑選候選方向塊，有可能得到非常相似的k個候選方向塊。在局部噪聲較強時，會導致所有的候選方向塊都不正確。因此，為了提高候選塊的多樣性，需要在挑選時進行多樣化約束。舉例來說，如圖8所示，可以看出，按照相似度直接選擇的候選方向塊與指紋圖像塊大多不相符，而結合相似度和多樣性約束選擇的候選方向塊與指紋圖像塊則比較相符。具體地，首先，可將方向塊集合D（xi，yi）中的方向塊按照與位置（xi，yi）對應的初始方向塊的相似度由高到低進行排列，並取出相似度最高的方向塊放入候選方向塊集合。然後，按照排序依次取出方向塊集合D（xi，yi）中其他的方向塊，並在每個方向塊取出時，獲取當前取出的方向塊與候選方向塊集合中的每個候選方向塊的相似度。如果獲取到的與每個候選方向塊的相似度均小於第二閾值，則將當前取出的方向塊放入候選方向塊集合，否則，捨棄該方向塊，並繼續取出下一個方向塊進行判斷。重複這一過程，直至候選方向塊集合中的方向塊數量達到預設數量。

在該發明的實施例中，通過相似度查詢局部指紋字典只保證了候選方向塊與初始方向塊是相似的，但不能保證候選方向塊之間的方向場在整體上是合理的，因此第三獲取模組500還需要獲取任意相鄰的兩個位置對應的候選方向塊之間的兼容度。由於滑動窗W確定的相鄰位置對應的初始方向塊之間有重疊，因此重疊部分的方向場是否相似可以用來衡量相鄰方向塊之間的兼容度。舉例來說，如圖9所示，圖9a中相鄰的兩個方向塊兼容度高，圖9b中相鄰的兩個方向塊兼容度低。

在該發明的一個實施例中，由於每個位置（xi，yi）已選出了k個候選方向塊，候選方向塊之間兩兩需要計算一個兼容度，因此相鄰的兩個初始方向塊之間有k×k個兼容度。生成模組600可根據所有相鄰候選方向塊之間的相似度和兼容度建立目標最佳化函式：

，並通過對目標最佳化函式進行最佳化以獲取每個位置對應的最優候選方向塊。其中，V表示初始方向場，i表示初始方向場V內任意位置（xi，yi），Θi表示位置（xi，yi）對應的初始方向塊，表示位置（xi，yi）對應的第ri個候選方向塊，表示初始方向塊Θi與候選方向塊之間的相似度，N表示四連通相鄰的初始方向塊集合，表示位置（xi，yi）的相鄰位置（xj,yj）對應的第rj個候選方向塊，表示候選方向塊與候選方向塊之間的兼容度，wc為預設權重，用於權衡局部相似度和相鄰兼容度。

在該發明的實施例中，對於上述目標函式的最佳化已有很多方法，例如文獻A .Blake ,P .Kohli ,and C .Rother ,Eds .,Markov Random Fields forVision and Image Processing .MIT Press ,2011中介紹的幾種最佳化方法（如圖割或置信傳播等）均可對該目標函式進行最佳化，最終在每個位置上挑選出一個候選方向塊，並將其作為該位置的最終方向場，從而得到最佳化後的待估指紋方向場。

該發明實施例的指紋方向場的估計裝置，通過聚類的方式，在統一的基準坐標系中對一系列真實的訓練指紋在不同位置的方向塊進行分析和統計，建立位置相關的局部指紋字典；並通過自動或手動的方式將待估計方向場的指紋校正到該基準坐標系中，然後對每一個位置的初始方向塊查詢該位置的局部指紋字典，挑選出若干候選方向快，同時考慮這些候選方向塊之間的兼容性，最終通過全局最佳化的方式估計一個權衡了局部相似性和全局合理性的方向場。此外，該方法考慮了指紋脊線方向的先驗知識，利用方向塊局部指紋字典的方式表達指紋脊線方向場的常見模式，並利用位置相關的信息來保證局部指紋字典的合理性，有效地對指紋方向場的常見模式進行了量化，實現了對指紋方向場先驗知識的有效運用，可以極大地減少複雜背景的干擾，提高低質量指紋的識別性能。

流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用於實現特定邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的模組、片段或部分，並且該發明的優選實施方式的範圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執行功能，這應被該發明的實施例所屬技術領域的技術人員所理解。

在流程圖中表示或在此以其他方式描述的邏輯和/或步驟，例如，可以被認為是用於實現邏輯功能的可執行指令的定序列表，可以具體實現在任何計算機可讀介質中，以供指令執行系統、裝置或設備（如基於計算機的系統、包括處理器的系統或其他可以從指令執行系統、裝置或設備取指令並執行指令的系統）使用，或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用。就該專利而言，"計算機可讀介質"可以是任何可以包含、存儲、通信、傳播或傳輸程式以供指令執行系統、裝置或設備或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用的裝置。計算機可讀介質的更具體的示例（非窮盡性列表）包括以下：具有一個或多個布線的電連線部（電子裝置），攜帶型計算機盤盒（磁裝置），隨機存取存儲器（RAM），唯讀存儲器（ROM），可擦除可編輯唯讀存儲器（EPROM或閃速存儲器），光纖裝置，以及攜帶型光碟唯讀存儲器（CDROM）。另外，計算機可讀介質甚至可以是可在其上列印所述程式的紙或其他合適的介質，因為可以例如通過對紙或其他介質進行光學掃描，接著進行編輯、解譯或必要時以其他合適方式進行處理來以電子方式獲得所述程式，然後將其存儲在計算機存儲器中。

應當理解，該發明的各部分可以用硬體、軟體、固件或它們的組合來實現。在上述實施方式中，多個步驟或方法可以用存儲在存儲器中且由合適的指令執行系統執行的軟體或固件來實現。例如，如果用硬體來實現，和在另一實施方式中一樣，可用該領域公知的下列技術中的任一項或他們的組合來實現：具有用於對數據信號實現邏輯功能的邏輯門電路的離散邏輯電路，具有合適的組合邏輯門電路的專用積體電路，可程式門陣列（PGA），現場可程式門陣列（FPGA）等。

該技術領域的普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程式來指令相關的硬體完成，所述的程式可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，該程式在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。

此外，在該發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模組中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模組中。上述集成的模組既可以採用硬體的形式實現，也可以採用軟體功能模組的形式實現。所述集成的模組如果以軟體功能模組的形式實現並作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。

上述提到的存儲介質可以是唯讀存儲器，磁碟或光碟等。

儘管已經示出和描述了該發明的實施例，該領域的普通技術人員可以理解：在不脫離該發明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，該發明的範圍由權利要求及其等同限定。

榮譽表彰

2020年7月，《指紋方向場的估計方法和裝置》獲得第二十一屆中國專利銀獎。