基于MATLAB GUI的指紋圖像增強技術研究

曹 妍，陳 偉

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基于MATLAB GUI的指紋圖像增強技術研究

曹 妍1，陳 偉2

（1. 鹽城工學院 信息工程學院，江蘇 鹽城 224051；2. 鹽城市第一人民醫院 信息科，江蘇 鹽城 224005）

指紋識別作為生物識別技術中最可靠最常用的識別技術，廣泛應用在經濟、安全等領域。本文介紹了利用高斯-拉普拉斯算子進行指紋圖像增強的方法，重點闡述了利用MATLABA GUI進行指紋圖像增強的設計方法和實現過程，對于開發基于圖形用戶界面的圖像處理軟件以及相關的圖像處理問題有一定的借鑒意義。

MATLAB GUI；指紋圖像；高斯-拉普拉斯算子；圖像增強

0 引言

MATLAB是世界流行的科學計算與數學應用軟件，具有高質量、強大的數值計算能力，功能豐富的圖像處理工具箱，還提供了GUI開發環境——GUIDE，便于設計者創建圖形用戶界面，大大簡化了GUI設計和生成的過程[1]。

目前，指紋識別技術是數字圖像處理研究的熱點問題之一，由于指紋的唯一性、終生不變性、方便性等特點，指紋作為一種生物識別特征已經運用到了門禁系統、銀行身份驗證系統、考勤機等系統中[2]。而在指紋識別系統中，首先就是要獲得高質量的指紋圖像。但是在實際獲取的過程中，總是由于各種原因，使得指紋圖像的質量不高，需要對指紋圖像進行預處理，增強指紋圖像的質量，保證指紋的識別率。

1 指紋識別過程

指紋識別系統包括指紋圖像采集、圖像預處理、特征提取、特征匹配等步驟[3]。首先采用指紋采集專用設備采集指紋圖像，而獲得的指紋圖像在采集過程中不可避免地會夾雜著一些噪聲，這些噪聲會嚴重影響指紋圖像的質量，不利于后續指紋的識別，所以在圖像獲取之后要進行圖像的預處理，然后進行全局特征和細節特征的提取，通過特征匹配，也就是將輸入的指紋特征與特征庫中的指紋進行比對，來檢驗指紋圖像是不是來源于同一個手指[2]。

圖像預處理是指紋圖像識別系統中非常重要的一個步驟。通過采集設備獲得的指紋圖像有不同程度的噪聲[4]，會影響指紋的識別，圖像預處理就是把圖像中的噪聲去掉，獲得更加清晰地指紋紋路圖像，保證特征提取、特征匹配等后續指紋識別的進行[5]。而圖像增強在圖像預處理中起著舉足輕重的作用。

2 指紋圖像增強

圖像增強技術分為空間域圖像增強和頻率域圖像增強兩類[6,10,11]。空間域圖像增強在空間域直接對像素灰度值進行運算。頻率域圖像增強先通過某種變換T將圖像f變換到頻率域，然后利用高通或低通濾波函數對圖像進行濾波，得到新的頻譜G，對G進行逆變換T-1得到增強以后的圖像g[1]。

傳統的圖像增強的方法有灰度修正、同態增晰、平滑、銳化等。通過采集設備獲得的不同的指紋圖像具有不同的噪聲，目前沒有通用的圖像增強算法對指紋圖像進行處理。文中以高斯-拉普拉斯算子為例，討論MATLAB GUI設計和實現的一般過程。

拉普拉斯算子是具有各向同性的二階微分算子[1]。在數字圖像處理中，主要用來對圖像進行銳化，加強圖像中景物的邊緣和輪廓，使模糊圖像變得更加清晰。圖像模糊的實質是圖像執行了平均或積分運算，對其進行逆運算，也就是差分運算，就可以對模糊的圖像進行增晰，質量得到提高。

一個連續二元函數f(x,y)的拉普拉斯運算定義為：

由于拉普拉斯算子對噪聲具有不可接受的敏感性，可能丟失部分邊緣的方向信息，幅值容易產生雙邊緣，因此拉普拉斯算子一般不直接對原始圖像進行邊緣檢測[7]。通常先用高斯函數對圖像進行平滑去噪，然后再應用拉普拉斯算子。高斯函數的表達式如下：

整理各項后得出如下最終表達式：

該表達式稱為高斯-拉普拉斯算子（LoG）。

MATLAB圖像處理工具箱中利用fspecial函數可以生成LoG算子，調用形式如下：

3 MATLAB GUI設計的一般步驟

圖像用戶界面是由菜單控件、按鈕控件、坐標軸控件、滾動條控件、面板控件等對象控件構建的[9]。利用MATLAB提供的圖形用戶界面的軟件開發環境GUIDE進行圖形用戶界面的設計，可以讓開發者快速上手，減少編程工作量，提高開發效率。

利用GUIDE進行圖形用戶界面設計的步驟如下：

（1）明確設計任務，根據設計功能繪制設計草圖；

（2）對GUI對象進行布局，設計者直接通過鼠標將對象選擇區中所需的對象拖拽到目標位置；

（3）打開對象的屬性查看器，設置對象的相關屬性，其中Tag屬性是非常重要的屬性，是每一個控件的唯一標識值，通過此標識值對控件進行控制；

（4）編寫操作對象的回調函數，函數名為控件Tag + Callback類型名，GUIDE只給出了函數框架，開發者需要補充實現回調函數相關功能的語句[1]。

（5）運行測試，如有問題反復進行上述過程。

4 MATLAB GUI實現過程

在MATLAB命令窗口中輸入命令guide即可啟動GUIDE，選擇“Blank GUI”創建空白GUI，進入GUIDE編輯界面。根據功能設計草圖完成GUI對象的布局，設置對象的屬性，運行并保存在FIG文件中，系統同時自動生成了相同文件名的M文件，M文件中需要補充GUI回調函數的相關功能的語句[9]。

“打開圖像文件”按鈕的回調函數代碼如下：

function OpenImagebutton_Callback(hObject, eventdata, handles)

[file path]=uigetfile('*.bmp;*.jpg;*.png','請選擇一幅圖像');

if file==0 warndlg('您得輸入一幅圖像');

else I=imread(fullfile(path,file));

axes(handles.axes1);

imshow(I);

handles.I=I;

end

guidata(hObject,handles);

“LoG算子增強”按鈕的回調函數的主要代碼如下：

function LoGEnhancebutton_Callback(hObject, eventdata, handles)

I=handles.I;

H1=fspecial('log',[5 5],0.2);

G1=imfilter(I,H1);

axes(handles.axes2);

imshow(G1);

%依次將高斯函數的標準差賦值為0.2,0.5,0.8，模板大小為5*5，對選擇的圖像進行LoG算子%增強，并將處理的結果顯示在坐標軸中。

模板的大小和標準差的取值在程序中已經設置好，用戶無法修改，如果將標準差的取值以及模板的大小由用戶設定，在圖像處理的過程中能夠實現用戶交互功能，輔以菜單、下拉列表等控件，一定能夠使MATLAB GUI的指紋圖像增強系統功能更加強大。

5 結束語

文中闡述了用高斯-拉普拉斯算子對指紋圖像進行增強的方法，重點介紹了基于MATLAB GUI的圖形用戶界面的設計實現過程，結合MATLAB圖像處理箱中豐富的圖像處理函數，以及MATLAB強大的數值處理功能，一定能夠開發出更加優秀的圖像處理軟件。

圖1 圖像增強效果

[1] 胡學龍. 數字圖像處理(第3版)[M]. 北京: 電子工業大學出版社, 2014, 8.

[2] 郭依正, 焦蓬蓬. Matlab GUI在低質量指紋圖像增強中的應用[J]. 計算機技術與發展, 2013, 27(7): 230-232.

[3] 陳園, 侯贊, 劉軍華, 等. 基于改進 K-Means 聚類醫學圖像配準[J]. 軟件, 2018, 39(01): 75-82.

[4] 曹妍, 陳偉, 徐森. 圖像去噪方法研究與仿真[J]. 軟件, 2015, 36(4): 33-36.

[5] 郭璇, 鄭菲, 趙若晗, 等. 基于閾值的醫學圖像分割技術的計算機模擬及應用[J]. 軟件, 2018, 39(3): 12-15.

[6] 姚楠, 耿奇. 基于MATLAB GUI 的車牌自動識別系統設計[J]. 軟件, 2016, 37(3): 44-46.

[7] 朱靜, 閔芳, 陳臘梅, 等. 基于指紋識別的支付系統的設計與實現[J]. 軟件, 2015, 36(5): 129-132.

[8] 劉必罡, 楊永紅. Laplace-Gaussian濾波算子在指紋增強中的應用[J]. 電子設計工程, 2016, 24(23).

[9] 錢超. 基于MATLAB GUI的指紋圖像采集及預處理研究[D]. 太原: 中北大學, 2013.

[10] 陳潔, 雷萌. 基于脈沖耦合神經網絡的乳鼠心肌細胞圖像增強[J]. 軟件, 2018, 39(2): 41-43.

[11] 郭雷. 手勢識別中手分割算法綜述[J]. 軟件, 2015, 36(4): 81-83.

Research on Fingerprint Image Enhancement Technology Based on MATLAB GUI

CAO Yan1, CHEN Wei2

(1. School of Information Engineering, Yancheng Institution of Technology, Yancheng Jiangsu 224051, China; 2. Yancheng First People’s Hospital, Yancheng Jiangsu 224005, China)

This paper introduces the method of fingerprint image enhancement using Laplace-Gaussian operator, and focuses on the design method and implementation process of fingerprint image enhancement using MATLABA GUI. It has certain reference significance for developing image processing software based on graphical user interface and related image processing problems.

MATLAB GUI; Fingerprint image; Laplace-gaussian operator; Image enhancement

TP391

A

10.3969/j.issn.1003-6970.2018.11.007

江蘇省科技廳科技支撐計劃項目(批準號：BY2016065-02)、鹽城市科技計劃項目(批準號：DX2015-018)

曹妍(1981-)，女，講師，主要研究方向：圖像處理；陳偉(1979-)，男，工程師，主要研究方向：網絡與信息處理。

曹妍，陳偉. 基于MATLAB GUI的指紋圖像增強技術研究[J]. 軟件，2018，39（11）：30-32