Способ улучшения качества дактилоскопического изображения

СПОСОБ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ДАКТИЛОСКОПИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ Изобретение относится к области цифровой обработки изображений и может быть использовано в автоматизированных дактилоскопических системах для улучшения точности выделения характерных признаков изображения и для улучшения качества хранимых изображений. Предложен способ улучшения качества дактилоскопического изображения, заключающийся в определении характерного для данного изображения межгребневого расстояния, преобразовании при необходимости растра для изменения разрешения изображения и последующей фильтрации дактилоскопического изображения. Такой способ улучшения качества дактилоскопического изображения позволяет без затратных аппаратных и организационных решений обрабатывать в дактилоскопических системах отпечатки из имеющихся картотек и вновь вводимые отпечатки без какихлибо ограничений по межгребневому расстоянию. 014284 Изобретение относится к области цифровой обработки изображений и может быть использовано в автоматизированных дактилоскопических системах для улучшения точности выделения характерных признаков изображения и для улучшения качества хранимых изображений. Процесс улучшения качества дактилоскопических изображений играет важную роль в работе дактилоскопических систем. Плохое качество вводимых в дактилоскопическую систему изображений - одна из главных причин появления ошибок в таких системах при сравнении отпечатков. Для уменьшения количества ошибок изображение избавляют от помех - улучшают с помощью цифровых фильтров. Процесс улучшения изображения с помощью цифрового фильтра называют фильтрацией. Папиллярные линии представляют собой чередующиеся гребни и впадины поверхности кожи. При отображении на плоской поверхности эти линии образуют узор с чередованием темных и светлых полос приблизительно равной ширины. Цифровой фильтр представляет собой математическую функцию двух переменных, задающую трехмерную поверхность. Это позволяет говорить о форме фильтра. Фильтр для улучшения дактилоскопического изображения имеет один или несколько параллельных гребней, из которых наибольшее влияние на результат фильтрации оказывает центральный гребень. Такой фильтр обладает селективным воздействием в результате применения фильтра, яркость пикселей, расположенных в зоне "долины", в среднем увеличивается, а яркость пикселей, расположенных в зоне "гребня" папиллярной линии, в среднем уменьшается. Для практического применения фильтра на основе задающей фильтр функции строят матрицу коэффициентов, так называемую маску фильтра, которую затем применяют к окрестности обрабатываемого пикселя, чтобы определить новое значение яркости для данного пикселя. Наилучшее действие фильтра достигается при точном совпадении ориентации гребней фильтра с ориентацией папиллярных линий в зоне действия фильтра. Важно, чтобы при этом расстояние между гребнями фильтра было примерно равно расстоянию между гребнями фильтруемого узора. Наилучшего результата от фильтрации отпечатка добиваются путем подбора формы и размеров фильтра, а также варьируя способы получения локальных параметров исходного изображения, которыми могут быть, например, ориентация папиллярных линий, межгребневое расстояние, кривизна папиллярных линий. Форма фильтра определяется уравнением, описывающим фильтр. Размер фильтра выбирают в зависимости от величины межгребневого расстояния. С целью уменьшения количества вычислений на практике для фильтрации обычно используют банк заранее подготовленных фильтров для различных значений межгребневого расстояния, характерных для отпечатков взрослых людей при стандартном разрешении (500 dpi) дактилоскопического изображения. На дактилоскопическом изображении, отсканированном с разрешением 500 dpi, межгребневое расстояние может составлять от 4 до 13 пикселей в зависимости от размера руки. Средним межгребневым расстоянием считают значение, равное 9 пикселям. При точном совпадении расстояния между гребнями фильтра с межгребневым расстоянием папиллярного узора фильтрация дает хороший результат. При расхождении масштабов фильтра и папиллярного узора полезное действие фильтрации снижается, а, кроме того, на фильтрованном изображении могут появиться нежелательные изменения. Если масштаб фильтра превышает масштаб изображения, то соседние гребни могут слиться в одну полосу. Если масштаб фильтра относительно мал, то при фильтрации могут появиться дополнительные гребни, которых нетна истинном отпечатке. В обоих случаях дактилоскопическое изображение будет искажено. Чтобы обеспечить совпадение масштабов фильтра и папиллярного узора для каждого фильтруемого пикселя, фильтр всякий раз адаптируют к локальному значению межгребневого расстояния. Адаптация производится, как правило, путем выбора подходящего по масштабу фильтра из банка фильтров. Проблемой известных способов фильтрации, применяемых в дактилоскопических системах, является невозможность адаптации фильтра к масштабу узора, лежащему за пределами установленного для системы диапазона. Как правило, трудности возникают при фильтрации изображений отпечатков, принадлежащих очень большим или, напротив, миниатюрным людям. Для крупных отпечатков данную проблему можно решить путем расширения банка фильтров за счет включения в него редко используемых больших фильтров. Для мелких отпечатков добавление соответствующих мелких фильтров не помогает, поскольку для стандартного разрешения сканирования 500 dpi у мелких отпечатков на один гребень узора приходится слишком мало пикселей. При этом искажения формы соответствующего фильтра настолько значительны, что процесс цифровой фильтрации перестает работать корректно. В результате, детские отпечатки или просто отпечатки миниатюрных пальцев не могут быть эффективно отфильтрованы из-за малых значений межгребневого расстояния. Указанная проблема проявляет себя как при фильтрации в пространственной области, так и при фильтрации в частотной области. Очевидное решение проблемы недостаточного количества пикселей, приходящихся на один гребень узора, состоит в том, чтобы увеличить общее количество пикселей в изображении, то есть выполнять сканирование исходного изображения с разрешением, оптимальным для конкретного дактилоско-1 014284 пируемого лица. Но и у такого решения есть серьезные недостатки. Во-первых, разрешение сканирования дактилоскопических объектов стандартизировано и разработчики дактилоскопических систем придерживаются стандартов и поэтому существующие дактилоскопические сканеры и программное обеспечение ориентированы на нынешние стандартные разрешения сканирования. Во-вторых, для подбора параметров сканирования необходимо знать среднюю величину межгребневого расстояния сканируемого отпечатка, а для автоматического определения межгребневого расстояния необходимо уже иметь отсканированное изображение. В-третьих, использование изображений, отсканированных с более высоким разрешением, повлечет за собой увеличение затрат на хранение и обработку, что приведет к существенному уменьшению производительности существующих, модернизируемых дактилоскопических систем и значительному удорожанию проектируемых дактилоскопических систем. Поэтому известные дактилоскопические системы используют стандартное разрешение сканирования 500 dpi, ориентированное на размеры наиболее часто встречающихся отпечатков и не обрабатывают отпечатки редко встречающихся размеров. Известен способ улучшения качества изображения отпечатков пальцев (патент США 7346197,Scholze, 28.06.2005), согласно которому выполняют последовательную обработку областей изображения при помощи направленного фильтра, адаптированного к локальным параметрам соответствующих областей изображения, которые включают межгребневое расстояние, ориентацию и кривизну папиллярной линии. Для определения локальных параметров изображения его делят на прямоугольные фрагменты, для каждого из которых определяют локальные параметры. В пространственной области строят фильтр Габора. Затем производят адаптацию фильтра к локальным параметрам фрагмента изображения и в частотной области применяют фильтр к обрабатываемому фрагменту изображения. Результирующее изображение составляют из фильтрованных изображений фрагментов. В данном способе нет адаптации фильтра к возможным большим или малым значениям межгребневого расстояния, поэтому фильтрация данным способом не будет качественной для отпечатков с высокой и низкой частотой следования папиллярных линий. Известен способ улучшения качества дактилоскопического изображения (A. Erol, U. Halici,G. Ongun "Feature Selective Filtering for Ridge Extraction" (c) 1999 by CRC Press LLC), заключающийся в обработке изображения в пространственной области при помощи фильтра, который адаптируют к локальным параметрам окрестности обрабатываемой области, путем изменения коэффициентов фильтра. Главными характеристиками, используемыми для создания фильтра, являются локальное межгребневое расстояние и локальная ориентация гребня. Используемый в указанном способе фильтр является усеченной версией фильтра Габора, разработанного для вызова максимального отклика на папиллярных линиях известной ориентации и известного расстояния между ними на изображении дактилоскопического отпечатка. Импульсная характеристика такого фильтра определяется произведением гауссиана и косинусной плоской волны. Фильтр дает максимальный отклик на папиллярные линии в пространственной области при достаточно большом значении среднего квадратичного отклонения (СКО) гауссиана. СКО гауссиана задает полосу пропускания фильтра. Величину СКО гауссиана определяет межгребневое расстояние: радиус действия гауссиана выбирается близким к значению межгребневого расстояния. Недостаток данного способа - отсутствие адаптации фильтра к возможным малым значениям межгребневого расстояния и вследствие этого - плохое качество фильтрации отпечатков с малыми значениями межгребневого расстояния, отсканированных со стандартным разрешением. Известен способ фильтрации дактилоскопического изображения (патент РФ 2329537, 20.07.2008),заключающийся в последовательной обработке областей изображения при помощи направленного фильтра, адаптированного к локальным параметрам соответствующих областей изображения, включающим межгребневое расстояние, ориентацию и кривизну папиллярной линии, при котором адаптацию фильтра к локальной кривизне осуществляют путем изгиба фильтра в плоскости пространственных координат таким образом, чтобы приблизить его кривизну к локальной кривизне папиллярной линии. Такая адаптация фильтра дает возможность осуществлять фильтрацию участков папиллярных линий, имеющих большую кривизну, без снижения эффективности самой фильтрации. Вместе с тем, в данном способе также не предусмотрена адаптация к малым межгребневым расстояниям за пределами заранее установленного диапазона допустимых межгребневых расстояний. Данный способ выбран в качестве прототипа. Задачей настоящего изобретения является создание такого способа улучшения качества дактилоскопического изображения, который позволяет без затратных аппаратных и организационных решений обрабатывать в дактилоскопических системах отпечатки из имеющихся картотек и вновь вводимые отпечатки без каких-либо ограничений по межгребневому расстоянию. Решение поставленной задачи достигнуто благодаря созданию способа улучшения качества дактилоскопического изображения, заключающегося в определении характерного для данного изображения межгребневого расстояния, изменении при необходимости разрешения изображения и последующей фильтрации дактилоскопического изображения. Несмотря на то что всякое преобразование растра, свя-2 014284 занное с изменением его разрешения как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения, неизбежно ведет к потере качества изображения, совокупный эффект от изменения разрешения и последующей фильтрации оказывается положительным по сравнению с непосредственной фильтрацией дактилоскопического изображения, имеющего недостаточное разрешение. Предложенный способ удобен также и для отпечатков с чрезвычайно большим межгребневым расстоянием, поскольку обеспечивает эффективную фильтрацию без необходимости готовить и хранить в системе фильтры редко используемых размеров. Благодаря такому подходу появляется возможность корректно обрабатывать в автоматизированных дактилоскопических системах отпечатки с межгребневым расстоянием, значительно отличающимся от среднего значения при стандартном разрешении дактилоскопического изображения. Для определения характерного межгребневого расстояния дактилоскопическое изображение разбивают на участки, в каждом из которых определяют локальное межгребневое расстояние. Размер участка выбирают таким, чтобы он содержал несколько папиллярных гребней. Характерное значение межгребневого расстояния всего отпечатка определяют как среднее арифметическое локальных значений межгребневого расстояния всех участков изображения. На следующем шаге оценивают принадлежность полученного характерного значения межгребневого расстояния обрабатываемого дактилоскопического изображения диапазону значений межгребневого расстояния, при которых результат фильтрации считается наилучшим. Значения такого диапазона задают предварительно. Если найденное характерное значение межгребневого расстояния находится вне этого диапазона,изменяют разрешение изображения путем преобразования растра так, чтобы на одну линию приходилось достаточное для цифровой фильтрации количество точек. Значения яркостей для точек нового растра получают из значений старого путем интерполяции, например, билинейной или бикубической. После изменения разрешения следует процесс улучшения изображения при помощи направленного фильтра. Здесь может использоваться фильтр Габора или его аналог, который адаптируют к локальным параметрам измененного изображения. Если характерное значение межгребневого расстояния настолько мало, что даже после увеличения разрешения имеющегося изображения и интерполяции эффективная фильтрация невозможна, система может автоматически выдать сообщение о невозможности обработки данного отпечатка из-за недостаточного разрешения или в зависимости от технических возможностей используемой автоматизированной системы сгенерировать запрос на пересканирование данного отпечатка с повышенным разрешением. Если характерное значение межгребневого расстояния находится в заданном диапазоне, то качество дактилоскопического изображения улучшают без предварительного изменения разрешения. Ниже приведен пример осуществления процесса улучшения качества изображения папиллярного узора. Для обрабатываемой точки изображения выбирают окрестность, включающую несколько папиллярных гребней, и в данной окрестности определяют локальное значение межгребневого расстояния. Межгребневое расстояние для каждой точки упомянутой окрестности определяют перпендикулярно направлению потока в данной точке окрестности. Полученные значения усредняют по всей упомянутой окрестности. За направление потока папиллярных линий выбирают направление касательной к папиллярной линии в точке, расположенной в центре папиллярного гребня. В остальных точках выбранной окрестности направление определяется интерполяцией значений, полученных для центральных точек. Для уменьшения влияния шума эти направления сглаживают по упомянутой окрестности обрабатываемой точки. Далее находят характерное значение межгребневого расстояния как среднее арифметическое локальных значений межгребневого расстояния всех фрагментов изображения. Границами диапазона значений межгребневого расстояния, при которых фильтрация выполняется эффективно, устанавливают величины 8 и 10 пикселей. В том случае, когда характерное межгребневое расстояние дактилоскопического изображения не принадлежит указанному диапазону, но лежит в диапазоне от 7 до 13 пикселей, вычисляют коэффициент требуемого изменения масштаба изображения и пропорционально найденному коэффициенту изменяют разрешение изображения путем преобразования растра. Также поступят и в случае, если характерное межгребневое расстояние превысит 13 пикселей. В том случае, когда характерное межгребневое расстояние дактилоскопического изображения составляет от 1 до 6 пикселей, определяют возможность пересканирования изображения с повышенным разрешением. В описываемом примере осуществления изобретения возможность пересканирования определяют по источнику изображения: если изображение отсканировано с бумажной дактилокарты, то сканирование можно повторить и его повторяют с разрешением, повышенным пропорционально коэффициенту требуемого изменения масштаба изображения. Если же изображение получено с дактилоскопического сканера путем "живой" прокатки, то источник изображения недоступен и для изменения разрешения используют интерполяцию имеющегося изображения. Коэффициент изменения масштаба изображения определяют через коэффициент отличия межгреб-3 014284 невого расстояния от среднего значения, который находят через отношение характерного для отпечатка межгребневого расстояния к среднему межгребневому расстоянию Ko=S/Scp. А коэффициент изменения изображения определяют как величину, обратно пропорциональную коэффициенту отличия межгребневого расстояния: Ki=Scp/S. Для изменения разрешения выполняют интерполяцию с вычисленным коэффициентом изменения масштаба изображения. После изменения масштаба следует процесс фильтрации, при котором фильтр адаптируют к локальным характеристикам дактилоскопического изображения - углу наклона папиллярных линий, масштабу и кривизне папиллярных линий. Локальные характеристики определяют любым способом, известным из уровня техники. На первом этапе процесса фильтрации строят известным способом (аналитически) эталонный фильтр, оптимизированный для фильтрации изображения идеализированного узора, представленного горизонтальными папиллярными линиями с фиксированным межгребневым расстоянием. Дальнейшие операции выполняют последовательно с каждой точкой обрабатываемого изображения. Определяют локальные параметры изображения в выбранной (обрабатываемой) окрестности. Далее для обрабатываемой точки изображения строят фильтр, адаптированный к локальным параметрам изображения, полученным для обрабатываемой точки. Для адаптации фильтра к локальным параметрам изображения выполняют его масштабирование, ориентацию и изгиб. Вычислив матрицу коэффициентов и применив маску фильтра к изображению, получают новое значение яркости для обрабатываемой точки. Затем повторяют описанную выше последовательность действий процесса фильтрации для следующей точки дактилоскопического изображения. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ улучшения качества дактилоскопического изображения, включающий фильтрацию дактилоскопического изображения при помощи направленного фильтра, отличающийся тем, что заранее задают диапазон межгребневых расстояний, при которых результат фильтрации считается наилучшим, а перед обработкой изображения определяют характерное для исходного изображения межгребневое расстояние, и при условии, что полученное значение характерного межгребневого расстояния лежит за пределами упомянутого диапазона, преобразуют исходное изображение в масштабированное изображение путем изменения разрешения таким образом, чтобы характерное межгребневое расстояние масштабированного изображения лежало внутри упомянутого заданного диапазона, после чего проводят обработку масштабированного изображения фильтром, при этом адаптируют фильтр к локальным параметрам масштабированного изображения. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве диапазона межгребневых расстояний, при которых результат фильтрации считается наилучшим, принимают значения от 8 до 10 пикселей.