高光譜成像的潛指紋圖像增強方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于刑事物證鑒定潛指紋檢測技術領域，具體涉及一種高光譜成像的潛指 紋圖像增強方法。
【背景技術】
[0002] 指紋是刑事物證鑒定領域是最重要的物證之一，常被稱為"證據之王"，其中以 基于光學技術的指印采集、分析鑒定最為常見。但是傳統光學成像方法獲取的指紋往往 無法達到辨識的目的，主要表現在指紋無法利用裸眼看清、指紋信號微弱、背景干擾嚴 重、指紋模糊和破損等問題。隨著技術的進步，David L.Exline等在2005年《國際法 醫學（Forensic Science International)》第 48 卷第 5 期第 1047-1053 頁發表文章 《化學成像的法醫學應用：利用可見焚光進行潛指紋檢測（Forensic applications of chemical imaging:latent fingerprint detection using visible absorption and luminescence)》將高光譜成像技術引入物證鑒定領域，由液晶可調波長濾光鏡（LCTF)等 成像設備獲取的光譜成像數據不僅僅能夠反映目標的空間分布狀態，同時它能精確記錄 目標在可見光和近紅外范圍的光譜反射信息而達到"圖譜合一"，并使裸眼無法察看的指 紋在某些波段數據中能夠可視。因此，公安部物證鑒定中心王桂強研究員（王桂強.光 譜成像檢驗技術[J].刑事技術，2004, 01:7-12)指出光譜成像技術可以同時用于指紋的 形態檢驗和附屬成分檢驗，且相對傳統光譜檢驗或成像檢驗技術，光譜成像檢驗的能力 和效果都具有明顯優勢，這也在FBI、中國公安部物證鑒定中心的實際刑事物證檢驗案例 中得到了驗證（許小京，黃威.光譜成像技術在物證鑒定領域的應用.紅外與激光工 程，2012, 12:3280-3284)。
[0003] 盡管高光譜指紋圖像相對于傳統方法有明顯優勢，但對其的指紋圖像處理技術并 不成熟。在經典的光學圖像潛指紋的增強處理中比較代表的是Gabor濾波增強，如J. Feng 和A.K. Jain等2013年發表在IEEE模式分析與機器智能匯刊（IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence)第 35 卷第 4 期第 925-940 頁發表了題為 《潛指紋增強的方向場估計》的論文中采用對灰度圖像從頻域方向場估計的角度進行分析 完成指紋與背景之間的分離。但是這種處理不再適用于高光譜圖像指紋提取，一方面由于 指印信息不再僅存于某一波段，而是在多個光譜響應波段中呈現，因而僅在某一波段進行 指紋提取就不能獲得完整的指紋；另一方面，由于光譜是區分不同目標的重要信息，因而這 種處理沒有有效的利用光譜信息。本發明借助混合像元模型對圖像像元的描述，將高光譜 指紋圖像像元信號看成是指紋相關信息子空間和由背景相關信息子空間構成，通過子空間 分析方法建立指紋目標探測器，從而實現指紋與背景的分離。另外，還有由本發明發明人與 合作者設計的在公安部物證鑒定中心等相關部門應用廣泛的MISystem和混合光譜分解的 指紋增強方法，但是該成果中的方法忽略了可以通過對干擾信息的有效估計來增強背景描 述從而提高指紋的檢測能力，另外該成果中以全限制性分解進行指紋與背景的分離嚴格要 求用戶輸入所有的目標信號和背景信號，同時需要在分解后進行后期合成處理，用戶的操 作難度還較高，指紋檢測效率還不夠高。

【發明內容】

[0004] 本發明所要解決的技術問題在于針對上述現有技術中的不足，提供一種高光譜成 像的潛指紋圖像增強方法，其方法簡潔實用，極大的減輕了用戶的操作難度，能夠在保持增 強的指紋信息的前提下平滑噪聲、填充孔洞，指紋增強可靠性好、效率高，實用性和可行性 好。
[0005] 為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：一種高光譜成像的潛指紋圖像 增強方法，其特征在于該方法包括以下步驟：
[0006] 步驟一、獲取指紋端元光譜集：首先，將高光譜成像的潛指紋圖像傳輸到計算機 中，并在計算機中以假彩色增強的方式進行顯示；然后，操作鼠標，選取c個不同背景下的 指紋區域進行標記，并計算c個指紋標記區域的平均光譜，且用c個指紋標記區域的平均光 譜構建指紋端元光譜集S = (S1, S2, . . .，sj，其中，c的取值為自然數，S_j為第j個指紋標記 區域的平均光譜，j的取值為1~c的自然數；
[0007] 步驟二、獲取背景端元光譜集：以步驟一中的指紋端元光譜集為基礎，或者以步驟 一中的指紋端元光譜集與用戶標記的不同背景區域的平均光譜的組合為基礎，采用正交子 空間迭代提取出背景端元光譜集；
[0008] 步驟三、將指紋與背景分離實現指紋增強：首先，根據步驟一中獲取的指紋端元光 譜建立目標子空間模型，并根據步驟二中獲取的背景端元光譜建立背景子空間模型；然后， 根據目標子空間模型與背景子空間模型的差異，運用自適應匹配子空間模型或背景約束干 擾匹配濾波器提取指紋，將指紋與背景分離實現指紋增強；
[0009] 步驟四、指紋特征后處理：對經過步驟三增強后的指紋特征采用形態學開閉混合 重建，進行保形態抑噪聲的后處理。
[0010] 上述的高光譜成像的潛指紋圖像增強方法，其特征在于：步驟二中以步驟一中的 指紋端元光譜集為基礎，采用正交子空間迭代提取出背景端元光譜集的具體過程為：
[0011] 步驟201、設背景端元光譜的數目為k，指紋端元光譜和背景端元光譜的端元集為 A ;用指紋端元光譜S = (S1, S2, · · ·，sc}初始化A，即A = (S1, S2, · · ·，sc};其中，k的取值為 自然數；
[0012] 步驟202、采用序貫操作法逐個提取k個背景端元光譜，構建背景端元光譜集B = Ie1, e2，…，ek};其中，第t個背景端元光譜et的提取過程為：
[0013] 步驟2021、建立A的正交子空間
，其中，I為單位矩陣；
[0014] 步驟2022、根據公式，
計算高光譜成像的潛指紋圖像中第i 個像元的正交子空間投影的模ε ;，取i = 1~η的自然數，計算出高光譜成像的潛指紋圖 像中所有像元的正交子空間投影的模，其中為高光譜成像的潛指紋圖像中的第i個像元 光譜，η為高光譜成像的潛指紋圖像中像元的數量，η的取值為自然數；
[0015] 步驟2023、將正交子空間投影的模最大的像元位置對應的光譜作為第t個背景端 元光譜e t;其中，t的取值為1~k的自然數；
[0016] 步驟2024、將第t個背景端元光譜61與端元集A進行合并，對端元集A進行更新， 即令A = {A, ej，然后令t自加 1并返回步驟2021，直到t = k。
[0017] 上述的高光譜成像的潛指紋圖像增強方法，其特征在于：步驟二中以步驟一中的 指紋端元光譜與用戶標記的不同背景區域的平均光譜的組合為基礎，采用正交子空間迭代 提取出背景端元光譜集的具體過程為：
[0018] 步驟201、操作鼠標，選取k。個不同背景區域進行標記，并計算k。個背景 標記區域的平均光譜，且用k。個背景標記區域的平均光譜構建標記背景端元光譜集
，其中，^為第m個背景標記區域的平均光譜，k。的取值為自然數，m的取 值為1~k。；
[0019] 步驟202、設背景端元光譜的數目為k，指紋端元光譜和背景端元光譜的端元集為 A ;用指紋端元光譜S = (S1, S2, ...，sj和標記背景端元光譜集。
初始化A， 即
；其中，k的取值為自然數；
[0020] 步驟203、采用序貫操作逐個提取k個背景端元光譜，構建估計背景端元光譜集 B' = {ei，e2，…，ek};其中，第t個背景端元光譜士的提取過程為：
[0021] 步驟2031、建立A的正交子空間
，其中，I為單位矩陣；
[0022] 步驟2032、根據公式
計算高光譜成像的潛指紋圖像中第i個 像元的正交子空間投影的模ε ;，取i = 1~η的自然數，計算出高光譜成像的潛指紋圖像 中所有像元的正交子空間投影的模，其中，Γι為高光譜成像的潛指紋圖像中的第i個像元光 譜，η為高光譜成像的潛指紋圖像中像元的數量，η的取值為自然數；
[0023] 步驟2033、將正交子空間投影的模最大的像元位置對應的光譜作為第t個背景端 元光譜e t;其中，t的取值為1~k的自然數；
[0024] 步驟2034、將第t個背景端元光譜61與端元集A進行合并，對端元集A進行更新， 即令A = {A, et}，然后令t自加 1后返回步驟2031，直到t = k ;
[0025] 步驟204、將標記背景端元光譜集B。= R1, e2, ...，ek。}與估計背景端元光譜集B' ={e^e；；，…，ek}合并，得到背景端元光譜集B= }。
[0026] 上述的高光譜成像的潛指紋圖像增強方法，其特征在于：步驟三中根據目標子空 間模型與背景子空間模型的差異，運用自適應匹配子空間模型提取指紋，將指紋與背景分 離實現指紋增強的具體過程為：
[0027] 步驟301、由包含指紋端元光譜和背景端元光譜的端元集A = {S, B}建立正交子空 間對，即
[0028] 步驟302、由包含背景端元光譜的背景端元光譜集B建立正交子空間即
[0029] 步驟303、根據公式
計算增強后的指紋特征S1，其中，Γι為高 光譜成像的潛指紋圖像中的第i個像元光譜，i = 1~η，η為高光譜成像的潛指紋圖像中 像元的數量。
[0030] 上述的高光譜成像的潛指紋圖像增強方法，其特征在于：步驟三中根據目標子空 間模型與背景子空間模型的差異，運用背景約束干擾匹配濾波器提取指紋，將指紋與背景 分離實現指紋增強的具體過程為：
[0031] 步驟301、由包含指紋端元光譜和背景端元光譜的端元集A = {S, B}建立正交子空 間枚，即._
[0032] 步驟302、由包含背景端元光譜的背景端元光譜集B建立正交子空間蠓，即
[0033] 步驟303、計算背景約束干擾匹配濾波器w，具體過程為：
[0034] 步驟3031、根據公式
計算高光譜成像的潛指紋圖像的相關矩陣R ; 其中，A為高光譜成像的潛指紋圖像中的第i個