掌纹识别算法的研究

【摘要】生物特征识别技术是一种根据人的行为特征或生理特征进行身份认证的技术。在公共安全、电子商务、金融等领域有着非常重要应用。适合身份鉴别的生物特征需要满足普遍性、稳定性、唯一性和可采集性。现阶段,常用进行身份识别的生物特征主要有：人脸、指纹、掌纹、静脉、虹膜、步态、语音、签名等。在这些生物特征中,由于手掌的面积较大,含有丰富的主线,乳突纹、皱褶等信息,且不易仿制与磨损,具备“人人拥有,人各不同,长期不变”的特点,使得掌纹识别成为生物特征识别的新兴技术。掌纹识别技术现在还处于发展阶段,各方面研究有待于进一步的深化和完善,因此对掌纹识别技术进行深入研究是非常迫切和必要的。在此背景下,本文对掌纹识别算法进行相关的研究,围绕掌纹特征的提取、分类等展开了以下研究工作：(1)提出了基于水平扩张毯子维的掌纹识别算法,将毯子维引入到掌纹识别领域。本研究将分形维数引入掌纹识别中,分析对比了常见的分数维,并根据掌纹纹理信息的方向,对毯子维进行了水平、垂直方向扩张,发现水平扩张毯子维更适合提取掌纹的纹理特征。另外,毯子维具有多分辨率特性。随着覆盖层数增加,上表面和下表面与图像逐渐分离,分辨率相应的也会降低。多分辨率毯子维针对不同的表面计算不同的毯子维,然后组成毯子维向量。该算法只需要对掌纹有效区域进行灰度均衡化处理,即可提取掌纹毯子维特征。分类器采用的是多次循移位的归一化相关器,可以有效的避免手掌旋转或移动带来的影响,具有较好的鲁棒性。如果只使用一个毯子维时,即基于单层水平扩张毯子维的掌纹识别算法,在香港理工大学掌纹数据库(版本2)和中科院掌纹数据库进行了试验,等错误率分别为0.1%和0.5%。如果使用两个或两个以上毯子维时,即基于多层毯子维的掌纹识别算法,使用毯子维个数越多,等错误率越低。如果使用两层毯子维时,在香港理工大学掌纹数据库(版本2)上等错误率降低至0.04%,并且对训练样本的多少具有较强的鲁棒性。(2)本文根据掌纹识别系统的实际应用,提出了掌纹旋转和遮挡等低质量待测数据库并进行相应的算法研究。提出了基于SRC、RSRC、CRC和RCRC的掌纹识别算法。基于分类的稀疏表示有两部分构成：残差和系数的稀疏性。为了使问题变为凸优化问题,残差和系数的稀疏性度量一般采用1范数或者2范数。此时稀疏模型可以分解为四种：标准的稀疏表示(SRC)、鲁邦的稀疏表示(RSRC)、协作表示(CRC)和鲁邦的协作表示(RCRC)。本文详细的分析该四种模型以及它们的优化方法,并将该四种算法分别应用到掌纹识别中。SRC与CRC相比,虽然CRC采用了稀疏性较差的2范数来度量系数的稀疏性,识别率却优于SRC,并且识别速度大大提高。这表明在稀疏表示中,类间协作表示的作用大于系数的稀疏性,CRC具有较好的分类特性。SRC和CRC在残差度量时均采用了2范数,两者只能适用待测图像比较理想的情况。若待测手掌受伤或采集的手掌放置位置变化或者提取ROI时存在一定角度的偏转时,残差度量采用1范数比2范数更适合这样的低质量待测样本,RSRC和RCRC在低质量待测样本数据库上取得了较好的识别效果,尤其RCRC在遮挡面积高达50%时,仍可以取得近70%的识别率。(3)提出了基于HM_LBP和CRC的掌纹识别算法。局部纹理特征在特征提取中起着举足轻重的地位。局部纹理特征具有以下优点：首先,图像的大量统计信息蕴含于局部纹理信息之中；其次,相对全局图像,在一个局部尺度上光照变化带了的灰度变化可以近似看作均匀和连续变化的,受光照亮度变化相对较小；再次,局部纹理一般通过局部算子实现,而局部算子的研究方向是挖掘判别力强同时鲁棒性强的算子,可以很好地克服图像旋转带来的影响。局部二值模式(LBP)是常见的局部纹理特征提取方法,在人脸识别等方向取得了较好的效果,但是传统的LBP模式大量的选择敏感模式被舍弃,并且舍弃的非规则模式所含的信息随着半径的增大而增大。分层多分辨率LBP可以解决传统LBP的缺陷,对于它带来维数过高的致命缺点,本文采用PCA对该特征进行降维处理。鉴于协作表示分类在掌纹识别中的有效性,因此本文将HM_LBP和CRC相结合,提出了一种新的掌纹识别算法,该算法在香港理工大学掌纹数据库版本2取得了非常理想的识别效果。同时对于难于确定的PCA维数问题,本文通过大量实验得出当PCA维数是训练样本总数的0.15倍时,识别率可以达到最优值,解决了之前PCA维数需要多次验证的缺点。
【作者】郭秀梅；
【导师】周卫东；
【作者基本信息】山东大学，信号与信息处理，2014，博士
【关键词】掌纹识别；水平扩张毯子维；稀疏表示；协作表示；凸优化算法；分层多分辨局部二值模式；

【参考文献】
[1]李辉,吴思多,吴锦荣,黄光速.石墨烯/聚苯乙烯纳米复合物的导电性研究[A].中国化学会高分子学科委员会.2011年全国高分子学术论文报告会论文摘要集[C].中国化学会高分子学科委员会:,2011:1.
[2]杨陈华.基于个性化Web定制的功能驱动产品配置管理系统的研究[D].浙江工业大学,机械电子工程,2004,硕士.
[3]王云.持续性不卧床腹膜透析患者成纤维细胞生长因子-23水平与心血管疾病相关性的研究[D].苏州大学,临床医学肾脏内科学,2014,硕士.
[4]徐亮.课程教学辅助系统设计与实现[D].大连理工大学,计算机技术（专业学位）,2012,硕士.
[5]邹行.“江山之城”地产项目策划方案研究[D].河北工业大学,工商管理,2013,硕士.
[6]周庆.考虑营销管理委员会的X投资公司战略控制型模式的研究[D].电子科技大学,高级管理人员工商管理（EMBA）（专业学位）,2012,硕士.
[7]徐震,刘韧,于爱民,汪丹.智能电网中的移动应用安全技术[J].电力系统自动化,2012,16:82-87.
[8]籍雪平,王贝贝,王娜,李献锐.基于石墨烯-纳米金复合材料的超氧阴离子生物传感器[A].中国化学会.中国化学会第29届学术年会摘要集——第04分会：纳米生物传感新方法[C].中国化学会:,2014:1.
[9]张义.直线永磁同步电机力特性测试技术研究[D].哈尔滨工业大学,电气工程,2014,硕士.
[10]周海侠.生长抑制特异蛋白GAS2在慢性粒细胞白血病中异常高表达的生物学意义研究[D].苏州大学,内科学,2014,博士.
[11]兰建军.新时期网络传媒对构建和谐社会的影响研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[12]金鸿章,王帆,马玲,高妍南.零航速减摇鳍两步主从控制律设计[J].自动化学报,2012,06:1059-1064.
[13]高昆.虚拟专网安全准入控制技术的实现[D].河北科技大学,计算机技术,2013,硕士.
[14]张昉祚.大型对焊法兰四点弯曲JCO成形工艺研究[D].燕山大学,材料加工工程,2014,硕士.
[15]及华,关军锋,冯云霄,李丽梅,孙玉龙.温度和包装对巨峰葡萄贮藏品质的影响[J].食品与发酵工业.2006(01)
[16]盛其杰.e时代高校财务管理新模式探索——高校财务管理一体化[D].西北工业大学,2004.
[17]韩剑波,张谟钧.“绿色农业科技经济”——科技驱动下的农业经济新模式概况分析[J].现代物业(中旬刊),2013,01:89-92.
[18]孙凯.R&D信息披露的价值相关性研究[D].西安科技大学,企业管理,2013,硕士.
[19]本刊讯.《控制与决策》喜获“2013年百种中国杰出学术期刊”和“第三届中国精品科技期刊”称号[J].控制与决策,2014,11:1926.
[20]牛炜.列车冲动检测仪的研究与实现[D].武汉理工大学,机械制造及其自动化,2003,硕士.
[21]孙金龙.基于Volterra级数的射频功率放大器记忆效应表征与建模研究[D].哈尔滨工业大学,信息与通信工程,2014,硕士.
[22]夏卫华.《红楼梦》中指示语的翻译[D].安徽大学,英语语言文学,2004,硕士.
[23]方林.醉驾犯罪量刑均衡问题研究[D].西南大学,公共管理（专业学位）,2014,硕士.
[24]吴奎忠.吉林省经济社会发展对电力公司的电量需求影响分析[D].吉林大学,工商管理,2013,硕士.
[25]杨世武,马沧海,杨波,刘仓,马红林.重载条件下牵引电流对桥梁区间信号电缆的影响研究[J].铁道学报,2014,05:19-27.
[26]朱国明,施志诚,张汝惠,高为炳.张力线速度复合控制系统的应用分析[J].自动化学报,1989,03:254-260.
[27]张民凯.血管性帕金森综合征与帕金森病临床特点及影像学对比分析[D].吉林大学,临床医学,2013,硕士.
[28]王珏.我国银行业金融监管研究[D].云南财经大学,公共管理,2014,硕士.
[29]周非.马克思主义哲学中人的地位[D].吉林大学,马克思主义哲学,2014,硕士.
[30]赵鑫磊.超冷费米原子气体在铁磁相中的热力学性质[D].大连理工大学,凝聚态物理,2013,硕士.
[31]姜文琰.能谱CT对胰腺囊性肿瘤良恶性的鉴别价值[D].吉林大学,临床医学,2014,硕士.
[32]寇建群.中华眼镜蛇蛇毒免疫调节作用及机制探讨[D].苏州大学,药理学,2014,硕士.
[33]孙静雯.给电子体在Ziegler-Natta聚丙烯催化体系中作用机理的DFT研究[D].华东理工大学,化学工艺,2014,硕士.
[34]张晓维.基于余氯衰减规律的供水管网日常水质维护研究[D].哈尔滨工业大学,市政工程,2013,硕士.
[35]左开中,汪伟.XML语言在Web数据挖掘中的应用[J].微机发展,2002,03:59-61.
[36]温柏芬.目标管理在昆明市企业党建责任制中的应用研究[D].云南大学,公共管理,2012,硕士.
[37]施稳攀.集中供暖模式下的智能温控系统研究[D].河北科技大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[38]梁俊国,李振明,马晓春,丘明,付珊珊,杜迎辉,王士君,王志连,张立国,臧英.超导变压器的性能检测研究[J].低温与超导,2014,01:53-58.
[39]李嘉明.核电企业业务流程管理系统的设计与实现[D].北京交通大学,2014.
[40]傅敏.发挥学术交流对促进学部中心工作的基础性作用[J].中国科学院院刊.2005(03)
[41]薛萌萌.关于知识产权质押融资制度的完善[D].河北大学,金融学,2014,硕士.
[42]刘振侠,高文君,张丽芬.航空发动机虚拟教学实验系统的建设与应用[J].价值工程,2013,11:181-182.
[43]蔡林.评价理论视角下哥本哈根气候会议新闻报道的批评语篇分析[D].西南大学,英语语言文学,2013,硕士.
[44]胡荣柳.H_2O_2参与的细菌间体在细胞分裂中的功能及其分子机制研究[D].河南科技大学,食品科学,2013,硕士.
[45]陈莹.毛泽东法治思想研究[D].渤海大学,马克思主义中国化研究,2014,硕士.
[46]王力,朱晓宁,谢征宇.铁路集装箱中心站堆场空间资源均衡调度模型[J].长安大学学报(自然科学版),2015,S1:86-90.
[47]兰扬.X射线检测装置采集传输系统的研究[D].重庆大学,控制科学与工程,2014,硕士.
[48]孟祥振.六朝山水画论中的“形神观”及影响研究[D].渤海大学,美术学,2014,硕士.
[49]肖富玲.上市公司实际控制人对现金股利政策影响研究[D].山东财经大学,会计学,2014,硕士.
[50]陈思源,彭伟,姚春燕.基于TRIZ理论的新型线锯缠绕设备创新设计[J].机械设计与制造,2013,01:4-6.