计算机竞赛 opencv 图像识别 指纹识别 - python

0 前言

优质竞赛项目系列，今天要分享的是

基于机器视觉的指纹识别系统

学长这里给一个题目综合评分(每项满分5分)

• 难度系数：3分
• 工作量：3分
• 创新点：4分

该项目较为新颖，适合作为竞赛课题方向，学长非常推荐！

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https://gitee.com/dancheng-senior/postgraduate

1 课题背景

指纹是指人类手指上的条状纹路, 它们的形成依赖于胚胎发育时的环境。“没有2个完全相同的指纹”这一观点已经得到公认。指纹识别已经有了很长一段历史。

据考古学家证实:公元前6 000年以前, 指纹作为身份鉴别的工具已经在古叙利亚和中国开始应用。到了20世纪80年代,、光学扫描这2项技术的革新,
使得它们作为指纹取像的工具成为现实, 从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。

现在, 随着取像设备的引入及其飞速发展, 生物指纹识别技术的逐渐成熟, 可靠的比对算法的发现都为指纹识别技术提供了更广阔的舞台。

本项目实现了一种指纹识别系统，通过过滤过程来确定用户指纹是否与注册的指纹匹配。通过过滤技术对捕获的指纹进行处理，以从捕获的图像中去除噪声。去除噪声后的最终结果与注册的指纹进行特征匹配，以确定它们是否相同。

2 效果展示

3

3 具体实现

3.1 图像对比过滤

图像融合是一种图像增强方法，这里先融合两个图像便于特征点对比。利用的是opencv封装的函数

​

    cv2.addWeighted()

相关代码

​

    def apply_Contrast(img):
        alpha = 0.5 # assigned weight to the first image
        beta = 0.5 # assigned weight to the second image
        img_second = np.zeros(img.shape, img.dtype) # second image, copy of first one
        contrast = cv2.addWeighted(img, alpha, img_second, 0, beta) # applying contrast
        return contrast

3.2 图像二值化

简介

图像二值化（ Image
Binarization）就是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的黑白效果的过程。二值图像每个像素只有两种取值：要么纯黑，要么纯白。

二值图像数据足够简单，许多视觉算法都依赖二值图像。通过二值图像，能更好地分析物体的形状和轮廓。
在计算机视觉里，一般用矩阵来表示图像。也就是说，无论你的图片看上去多么好吃，对计算机来说都不过是个矩阵而已。在这个矩阵里，每一个像素就是矩阵中的一个元素。在三通道的彩色图像中，这个元素是由三个数字组成的元组。而对于单通道的灰度图像来说，这个元素就是一个数字。这个数字代表了图像在这个点的亮度，数字越大像素点也就越亮，在常见的八位单通道色彩空间中，0代表全黑，255代表全白。

相关代码

    
    def apply_Binarization(img):
        # if pixel value is greater then the threshold value it is assigned a singular color of either black or white
        _, mask = cv2.threshold(img, 100, 255, cv2.THRESH_BINARY_INV)
        return mask

3.3 图像侵蚀细化

图像侵蚀(腐蚀)

腐蚀（Erosion）- shrink image regions，侵蚀是数学形态学领域的两个基本算子之一，另一个是膨胀。
它通常应用于二值图像，但是有些版本可用于灰度图像。 算子对二值图像的基本作用是侵蚀前景像素（通常为白色像素）区域的边界。
因此，前景像素的区域尺寸缩小，并且这些区域内的孔洞变大。

图像细化

细化（Thinning）- structured erosion using image pattern
matching，细化是一种形态学操作，用于从二值图像中删除选定的前景像素，有点像侵蚀或开口。 它可以用于多种应用程序，但是对于骨架化特别有用。
在这种模式下，通常通过将所有行减少到单个像素厚度来整理边缘检测器的输出。 细化通常仅应用于二值图像，并产生另一个二值图像作为输出。

相关代码

    
    def apply_Erosion(img):
        kernal = np.ones((3,3), np.uint8) # shape applied to image, 3x3 square shape is applied to contrast image
        erosion = cv2.erode(img, kernal, iterations=1) # erosion mask applied to the contrast image to thin fingerprint ridges
        return erosion

3.4 图像增强

图像增强的主要目的是提高图像的质量和可辨识度，使图像更有利于观察或进一步分析处理。图像增强技术一般通过对图像的某些特征，例如边缘信息、轮廓信息和对比度等进行突出或增强，从而更好的显示图像的有用信息，提高图像的使用价值。图像增强技术是在一定标准下，处理后的图像比原图像效果更好。

相关代码

    
​    def apply_highlighting(img):
​        feature_points = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
​        Image_blue = np.array(feature_points, copy=True)
​    

        white_px = np.asarray([255, 255, 255])
        blue_px = np.asarray([0  , 255  , 255  ])
    
        (row, col, _) = feature_points.shape
    
        for r in range(row):
            for c in range(col):
                px = feature_points[r][c]
                if all(px == white_px):
                    Image_blue[r][c] = blue_px
        
        return Image_blue

3.5 特征点检测

指纹特征提取的主要目的是计算指纹核心点(Core)和细节点(Minutia)的特征信息。在提取指纹核心点时，采用的是Poincare
Index算法，该算法的思路是在指纹图像某像素点区域内，按围绕该点的闭合曲线逆时针方向旋转一周，计算方向角度旋转变化量的和，最后以计算结果来寻找核心点。计算过程中如果某像素点的Poincare
Index值为π则判定为核心点，然后便提取该点的坐标与方向场信息，记为P(Cx, Cy, θc)。

相关代码

    
​    def show_featurepoints(img):
​        

​    #show feature points found in fingerprint using orb detector
​    orb  = cv2.ORB_create(nfeatures=1200)
​    keypoints, descriptors = orb.detectAndCompute(img, None)
​    featurepoint_img = img
​    featurepoint_img = cv2.drawKeypoints(featurepoint_img, keypoints, None, color=(255, 0 ,0))

​    return featurepoint_img

4 OpenCV

简介
Opencv（Open Source Computer Vision
Library）是一个基于开源发行的跨平台计算机视觉库，它实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法，已成为计算机视觉领域最有力的研究工具。在这里我们要区分两个概念：图像处理和计算机视觉的区别：图像处理侧重于“处理”图像–如增强，还原，去噪，分割等等；而计算机视觉重点在于使用计算机来模拟人的视觉，因此模拟才是计算机视觉领域的最终目标。
OpenCV用C++语言编写，它具有C ++，Python，Java和MATLAB接口，并支持Windows，Linux，Android和Mac OS，
如今也提供对于C#、Ch、Ruby，GO的支持。

基础功能速查表

5 最后

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