-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung
der Auflagefläche
in Bildern von Hautabdrucken, wobei die Haut Leisten und Täler aufweist
und die Bilder in Form von Bilddaten vorliegen.
-
Zur
automatischen Erfassung von Hautabdruckbildern, insbesondere Fingerabdrucken,
wird der abzubildende Hautbereich, insbesondere die Fingerkuppe,
von einem Sensor abgetastet. Dabei wird der Hautbereich auf eine
im Falle einer optischen Abtastung durchsichtige Fläche aufgelegt.
Der Erfassungsbereich des Sensors ist jedoch im Allgemeinen rechteckig,
wobei die Auflagefläche
meistens nicht die gesamte vom Sensor erfasste Fläche einnimmt. Dadurch
entstehen Bildanteile, welche die spätere Auswertung stören können.
-
Ein
auf dem Richtungsfeld basierendes Verfahren ist bekannt aus B. M.
Mehtre et al., „Segmentation
of Fingerprint Images Using the Directional Image", Pattern Recognition,
Band. 20, Nr. 4, S. 429-435, Pergamon Journal Ltd., 1987. Ein Verfahren,
welches die Auflagefläche
anhand der Höhe
der orthogonal zum Rillenverlauf berechneten Varianzen bestimmt,
ist bekannt aus N. K. Ratha, S. Chen, A. Jain, „Adaptive Flow Orientation-Based
Feature Extraction in Fingerprint Images", Pattern Recognition, Band 28, Nr.
11, S. 1657-1672, Nov. 1995.
-
Aus
A.K. Jain, S. Prabhakar und S. Pankanti, „Filterbank-Based Fingerprint
Matching", IEEE Transactions
on Image Processing, Band 9, Nr. 5, S. 846-859, Mai 2000, ist ein
filterbasierender Algorithmus bekannt, der eine Bank von Gabor-Filtern
nutzt, um sowohl lokale als auch globale Details in einem Fingerabdruck
als einen kompakten Fingercode mit fester Länge zu erfassen. Der Fingerabdruck-Abgleich
basiert auf dem euklidischen Abstand zwischen den zwei übereinstimmenden
Fingercodes, womit eine extrem schnelle Verarbeitung angestrebt wird.
Gemäß der Beschreibung
dieses Dokuments kann eine Verifizierungsgenauigkeit erreicht werden, die
nur geringfügig
unter den besten Ergebnissen des bisher veröffentlichten minutien-basierenden
Algorithmus liegt, d.h. das beschriebene System arbeitet besser
als die bisher bekannten minutien-basierenden Systeme, wenn die
Leistungsanforderung des Anwendungssystems keine sehr geringe Falschakzep tanzrate
verlangt. Schließlich
wird erläutert, dass
die Abgleichleistung verbessert werden kann, indem die Entscheidungen
der Abgleicheinheiten basierend auf komplementären (minutien-basierenden und
filterbasierenden) Fingerabdruck-Informationen kombiniert werden.
-
Aus
dem Dokument US-A-5.920.641 ist ein Verfahren zur Rekonstruktion
von in Rasterform vorliegenden linearen Strukturen bekannt, wobei
die linearen Strukturen verwendet werden, um Personen zu identifizieren.
Um eine Vielzahl derartiger linearer Strukturen in einer Datenbank
verknüpfen
zu können,
werden ihre Originalbilder analysiert und mit Hilfe orthonormaler
Basisfunktionen rekonstruiert. Für jedes
Pixel wird eine bevorzugte Richtung der linearen Struktur bestimmt.
Es wird ein Qualitätsmaß verwendet,
um die Zuverlässigkeit
der analysierten Daten zu evaluieren. Singularitäten und Minutien werden extrahiert
und gespeichert.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, die Auflagefläche sicher zu bestimmen, so
dass spätere
Bildbearbeitungsschritte auf die in der Auflagefläche enthaltenen
Informationen beschränkt
werden können.
Dies soll mit möglichst
geringem Rechenaufwand erfolgen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass das Bild mit mehreren Gabor-Filtern mit verschiedenen Richtungen
der Kosinusfunktion im Ortsbereich gefiltert wird, dass aus den
Filterantworten Flächen
ermittelt werden, die sich jeweils durch eine durch das jeweilige
Gabor-Filter vorgegebene ungefähre
Richtung der Leisten/Rillen auszeichnen, und dass die Flächen zu
einer Gesamtfläche
verknüpft
werden, welche die Auflagefläche darstellt.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
die Bestimmung der Auflagefläche – auch Vordergrund
oder region of interest genannt –, um den übrigen von einem Sensor aufgenommenen
Bereich (Hintergrund) von der weiteren Verarbeitung auszuschließen. Das
erfindungsgemäße Verfahren
hat den Vorteil einer extrem hohen Erkennungssicherheit bezüglich der
Auflagefläche
auch bei schlechter Bildqualität
durch trockene, zu feuchte oder zu fettige Finger oder durch Verschmutzung
bei einem geringen Unterschied in der mittleren Helligkeit zwischen dem
Vorder- und dem Hintergrund und bei Strukturen im Hintergrund, die
in einem gewissen Grad auch typisch für den Fingerabdruck selbst
sind, zum Beispiel Schattenwurf von optischen Sensoren oder durch
die Sensorelektronik bedingte achsenparallele (horizontale oder
vertikale) Streifen.
-
Die
hohe Zuverlässigkeit
bei der Erkennung der Auflagefläche
ermöglicht eine
aussagekräftige Qualitätsbestimmung
des Gesamtbildes (globale Bildqualität) durch den Vergleich des
Inhaltes der Auflagefläche
mit dem Inhalt der Sensorfläche.
Ferner ermöglicht
das erfindungsgemäße Verfahren
die Feststellung, ob überhaupt
ein Finger auf dem Sensor aufliegt.
-
Es
hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn vier Gabor-Filter
angewandt werden. Diese Filter werden vorzugsweise derart ausgerichtet,
dass die Richtungen der Gabor-Filter durch die Winkel von 22,5°, 67,5°, 112,5° und 157,5° zu einer
Kante des Bildes bestimmt sind. Diese Richtungen liegen jeweils
in der Mitte zwischen einer Hauptachse und einer Diagonalen. Damit
ist es möglich,
den Betrag der Filterantwort für
die oben erwähnten
technischen achsenparallelen Streifen möglichst klein zu halten.
-
Die
Wellenlänge
der Gabor-Filter kann fest voreingestellt werden und soll in der
Größenordnung der
Wellenlänge
der Fingerabdruckrillen liegen. Bei einer Angabe der Wellenlänge in Pixeln
ist diese natürlich
vom verwendeten Sensor abhängig.
Bei einer Auflösung
des Sensors von 500 dpi hat sich für die Wellenlänge ein
Wert von neun Pixeln als günstig
herausgestellt. Die Standardabweichung der Gaußschen Glockenkurve der Gabor-Filter sollte etwas kleiner
als die halbe Wellenlänge
sein. Mit der Filtermaske sollten mindestens zwei nebeneinander
liegende Rillen überdeckt
werden. Eine Größe von 21×21 Pixeln
hat sich als günstig
herausgestellt.
-
Gabor-Filter
eignen sich besonders gut zur Erkennung von Fingerabdruckrillen,
da sie zur Erzeugung einer betragsmäßig großen Filterantwort auf zwei
Merkmale des untersuchten Bildes angewiesen sind, die in der Regel
tatsächlich
nur in relevanten Bereichen von Bildern von Fingerabdrucken zu finden
sind: eine periodische rillenartige Struktur und die typische Rillendichte.
Elemente des Bildes, die in einem dieser beiden Merkmale Abweichungen
von fingerabdruck-typischen Werten aufweisen, werden von den Gabor-Filtern weitestgehend „ignoriert", d.h. die Beträge der entsprechenden
Filterantworten sind gering.
-
Um
aus den Filterantworten Bereiche des Fingerabdrucks auszumachen,
die eine gewisse Richtung gemeinsam haben, ist gemäß einer
weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass zur Ermittlung der Flächen aus den Filterantworten
Kachel für
Kachel, in welche das Bild aufgeteilt ist, jeweils eine Varianz
der jeweiligen Filterantwort abgeleitet wird und dass Kacheln mit
einer Varianz, die größer als
ein vorgegebener Schwellenwert ist, der jeweiligen Fläche zugeordnet werden.
-
Die
Ableitung der Varianzen erfolgt bei einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser
weiteren Ausführungsform
dadurch, dass die Ableitung der Varianzen für Kacheln erfolgt, die sich überlappen.
Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass bei einer Auflösung von etwa
500 dpi die zur Ableitung der Varianz benutzten Kacheln eine Größe von 16×16 Pixeln
aufweisen, die jeweils in Schritten von acht Pixeln verarbeitet
werden.
-
Die
somit gebildeten Flächen
verschiedener Leisten-Richtungen weisen häufig vereinzelte kleine Flächen, kleine
Spitzen und kleine Einbuchtungen auf, die bei einer anderen Ausführungsform
dadurch geglättet
werden, dass die Pixel durch Glättungsfilter an
die jeweils überwiegende
Umgebung des jeweiligen Pixels angepasst werden.
-
Selbst
etwas größere einzelne
Flächen
können
zu Fehlern führen,
so dass diese gemäß einer anderen
Ausführungsform
dadurch von der weiteren Verarbeitung ausgeschlossen werden, dass
der Flächeninhalt
der bisher ermittelten Flächen
bestimmt wird und dass Flächen,
deren Inhalt unter einer vorgegebenen Größe liegt, unterdrückt werden.
Dazu ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Flächeninhalt durch Umfahren der
Flächen
mit Hilfe eines Kantenverfolgungsalgorithmus ermittelt wird.
-
Wird
eine Fingerkuppe auf eine ebene Fläche gepresst, ist an sich davon
auszugehen, dass die Auflagefläche
eine Form ohne Löcher
und ohne große
Einbuchtungen hat. Eine solche Form ist auch dadurch gekennzeichnet,
dass jede horizontale und jede vertikale Gerade die Auflagefläche nur
einmal schneidet.
-
Um
eine solche Auflagefläche
zu erhalten, ist gemäß einer
anderen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
vorgesehen, dass die bis dahin ermittelte Auflagefläche auf
Einbuchtungen untersucht wird und dass in Einbuchtungen liegende Kacheln
als zur Auflagefläche
gehörend
angenommen werden. Dieses Verfahren kann insbesondere dadurch vorteilhaft
durchgeführt
werden, dass zu beiden Seiten der bis dahin ermittelten Auflagefläche von
beiden Enden der Seite startende Zeiger jeweils auf die äußerste als
zur Auflagefläche
gehörend
ermittelte Kachel gesetzt werden, wobei die Zeiger aufeinander zulaufen
und von Zeile zu Zeile die Position einer weiter nach außen liegenden
Kachel einnehmen oder die gleiche Position im Falle einer Einbuchtung
beibehalten und dass der Weg der Zeiger bis zu einem Aufeinandertreffen
der Zeiger den jeweiligen Rand der endgültigen Auflagefläche bilden.
-
Das
Zwischenergebnis vor dieser Anwendung der anisotropen Konvexität markiert
genau die Bereiche, die eine hohe lokale Bildqualität aufweisen. Dies
kann dazu benutzt werden, um später
aufgefundene Merkmale in den Bereichen geringerer Qualität als „unsicher" zu deklarieren oder
zu verwerfen.
-
Diese
und andere Aspekte der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend
beschriebenen Ausführungsformen
und werden unter Bezugnahme darauf erläutert. Es zeigen:
-
1 ein
Fingerabdruckbild;
-
2 Flächen etwa
gleicher Rillen-Richtung nach der Filterung mittels Gabor-Filter.
-
3 ebenfalls
vier Flächen
nach einer Unterdrückung
kleinster Flächenanteile
und spitzen Ein- und Ausbuchtungen;
-
4 vier
Flächen
nach Unterdrückung
kleinerer Flächenanteile;
und 5 die durch Verknüpfung entstandene Auflagefläche.
-
1 dient
lediglich zur Veranschaulichung der verschiedenen in der Auflagefläche 1 und
im Hintergrund 2 vorhandenen Strukturen und unterscheidet
sich von einer unmittelbaren Aufnahme des Fingerabdruckbildes dadurch,
dass in 1 keine Grauwerte, sondern lediglich
Schwarz und Weiß dargestellt
sind. In der Auflagefläche 1 sind
deutlich die an sich bekannten Strukturen eines Fingerabdrucks, nämlich Leisten
und Täler
(Rillen), erkennbar. Im Hintergrund treten achsparallele Strukturen
durch Fehler des Sensors oder der elektronischen Schaltungen auf.
-
Das
in 1 dargestellte Fingerabdruckbild wird mit vier
Gabor-Filtern gefiltert, deren Kosinusfunktion an den Winkeln 22,5°, 67,5°, 112,5° und 157,5° ausgerichtet
ist. 2 zeigt schematisch die Gabor-Filter in den vier
verschiedenen Richtungen a bis d. Die Kosinusfunktion ist jeweils
durch Linien angedeutet, welche die Maxima darstellen, während die Länge der
Linien auf die Gaußsche
Glockenkurve hinweist.
-
Bei
einer hohen Korrelation der Kosinusfunktion mit der jeweiligen Leisten- bzw. Rillen-Struktur ergibt
sich für
jeweils einen durch eine Kachel festgelegten Bereich eine hohe Varianz
der Filterantwort, während
beim Verlauf der Leisten in stark von dem jeweiligen Filter abweichenden
Richtung bzw. bei stark veränderlichen
Richtungen die Varianz niedriger ist. Dazu werden die vier Filterantworten
im Einzelnen wie folgt untersucht: Die vier Einzelbilder werden
im Folgenden einzeln untersucht. Zunächst werden in jedem Bild die
Varianzen der Filterantworten berechnet. Dies geschieht in 16×16-Kacheln,
die horizontal und vertikal in Schritten von acht Pixeln betrachtet
werden, so dass sich zwei benachbarte Kacheln jeweils um die Hälfte überlappen.
Man erhält vier
Einzelbilder, die in beiden Richtungen um das achtfache kleiner
sind, und die als Werte die entsprechenden Varianzen enthalten.
-
Die
so bestimmten Varianzen werden mit einem Schwellenwert verglichen.
Dieser Schwellenwert ist abhängig
von den Gabor-Filter-Parametern und den Eigenschaften des Sensors,
muss also experimentell bestimmt werden. Die Ergebnisse des Schwellenwertvergleichs
sind in den 2a bis 2d zu
sehen.
-
In 2 sind
verschiedene einzelne sehr kleine Flächen und spitze Aus- und Einbuchtungen erkennbar,
die durch eine weitere Filterung unterdrückt werden. Dabei kann in vorteilhafter
Weise vorgesehen sein, dass jeweils ein Pixel als zu einer Fläche gehörend betrachtet
wird (also bezogen auf die Figuren weiß bleibt bzw. wird), wenn in
einer 3×3-Umgebung
mindestens sechs und in einer 5×5-Umgebung
mindestens 14 weiße
Pixel existieren. Ansonsten bleibt oder wird es schwarz. Das Ergebnis
dieser Filterung ist in den 3a bis 3d dargestellt.
-
Nun
wird in den einzelnen Bildern nach großen Zusammenhangskomponenten
gesucht, indem die einzelnen weißen Bereiche mit Hilfe eines
Kantenverfolgungsalgorithmus umfahren werden. Der Flächeninhalt
der Bereiche kann bereits während
des Umfahrens mit der Formel
ermittelt werden. Dabei ist
(x(t)/y(t)) eine Parametrisierung des Randes. Die Zusammenhangskomponenten,
deren Flächeninhalt
einen vorgegebenen Wert überschreitet
(empfohlener Wert: 36), bleiben bestehen; die anderen werden gelöscht. Hier
wird ein weiteres Charakteristikum von Fingerabdrucken benutzt,
um eine höhere
Sicherheit bei der Auflagefläche
zu erhalten. Innerhalb eines Fingerabdrucks gibt es nämlich grundsätzlich nur
kleine Bereiche, in denen sich die Richtung der Rillen schlagartig ändert.
-
Überall sonst
hat man es mit großen
Bereichen langsamer kontinuierlicher Richtungsänderung zu tun. Dies führt zu den
oben abgebildeten großen Bereichen
hoher Varianz bei den Filterantworten. Kleine Zusammenhangskomponenten
gleicher oder ähnlicher
Richtung deuten dagegen auf Strukturen innerhalb des Bildes hin,
die wahrscheinlich nichts mit dem Fingerabdruck zu tun haben, wie
zum Beispiel Schatten oder Verschmutzung. Die Löschung zu kleiner Zusammenhangskomponenten
führt zu den
in den 4a bis 4d dargestellten
Ergebnissen.
-
Eine
Zusammensetzung der somit erhaltenen in den 4a bis 4d darge stellten Flächen ergibt dann die Auflagefläche gemäß 5.
Um dann eventuell noch verbleibende einzelne Pixel oder Spitzen
an der Auflagefläche
zu unterdrücken,
findet im Anschluss daran noch eine mehrmalige, vorzugsweise zweifache
Filterung statt, wie sie im Zusammenhang mit den 2 und 3 beschrieben
wurde.
-
Schließlich kann
noch gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sichergestellt werden, dass jede horizontale und vertikale Kante
die Auflagefläche höchstens
einmal schneidet, dass also eine anisotrope Konvexität der Auflagefläche vorliegt.
