Image Quality Enhancement Using the Direction and ... - IntechOpen

0 downloads 0 Views 2MB Size Report
distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is ..... ection of the l Gabor filters er-vein image a two-dimensi. 3]:. (. )0. ˆ exp 2 θ π. ⎬.
ARTICLE International Journal of Advanced Robotic Systems

Image Quality Enhancement Using the Direction and Thickness of Vein Lines for Finger-Vein Recognition Regular Paper

Young Ho Park1 and Kang Ryoung Park1,*   1 Division of Electronics and Electrical Engineering, Dongguk University, Seoul, Republic of Korea * Corresponding author E-mail: [email protected]

  Received 4 Jun 2012; Accepted 17 Aug 2012 DOI: 10.5772/53474 © 2012 Park and Park; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0), which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

Abstract On the basis of the increased emphasis placed on  the  protection  of  privacy,  biometric  recognition  systems  using  physical  or  behavioural  characteristics  such  as  fingerprints,  facial  characteristics,  iris  and  finger‐vein  patterns or the voice have been introduced in applications  including  door  access  control,  personal  certification,  Internet  banking  and  ATM  machines.  Among  these,  finger‐vein recognition is advantageous in that it involves  the use of inexpensive and small devices that are difficult  to counterfeit. In general, finger‐vein recognition systems  capture images by using near infrared (NIR) illumination  in conjunction with a camera. However, such systems can  face  operational  difficulties,  since  the  scattering  of  light  from the skin can make capturing a clear image difficult.  To  solve  this  problem,  we  proposed  new  image  quality  enhancement  method  that  measures  the  direction  and  thickness of vein lines.    This  effort  represents  novel  research  in  four  respects.  First, since vein lines are detected in input images based  on  eight  directional  profiles  of  a  grey  image  instead  of  binarized  images,  the  detection  error  owing  to  the  non‐ uniform  illumination  of  the  finger  area  can  be  reduced.  Second, our method adaptively determines a Gabor filter  www.intechopen.com

for  the  optimal  direction  and  width  on  the  basis  of  the  estimated direction and thickness of a detected vein line.  Third,  by  applying  this  optimized  Gabor  filter,  a  clear  vein  image  can  be  obtained.  Finally,  the  further  processing  of  the  morphological  operation  is  applied  in  the  Gabor  filtered  image  and  the  resulting  image  is  combined  with  the  original  one,  through  which  finger‐ vein image of a higher quality is obtained.    Experimental  results  from  application  of  our  proposed  image  enhancement  method  show  that  the  equal  error  rate  (EER)  of  finger‐vein  recognition  decreases  to  approximately 0.4% in the case of a local binary pattern‐ based  recognition  and  to  approximately  0.3%  in  the  case  of a wavelet transform‐based recognition.     Keywords Image Enhancement; Finger‐vein Recognition;  Adaptive Gabor Filter 

 

1. Introduction  With  the  arrival  of  an  information‐oriented  society,  the  importance  of  information  security  has  increased  Int J Park: Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 154:2012 Young Ho Park and Kang Ryoung Image Quality Enhancement Using the Direction and Thickness of Vein Lines for Finger-Vein Recognition

1

significantly.  Traditional  technologies  for  user  authentication  depend  upon  personal  identification  numbers,  passwords  or  tokens;  however,  these  face  certain disadvantages in that passwords can be divulged  and  tokens  can  be  stolen.  Biometric  recognition  has,  therefore,  become  an  alternative  means  of  solving  security  problems.  Biometrics  is  the  technology  of  recognizing  individuals  by  using  human  physiological  and/or  behavioural  characteristics,  including  facial  features,  fingerprints,  iris  patterns,  voice  prints,  vein  patterns  and  gait.  Biometric  solutions  need  to  satisfy  the  conditions  of  universality,  distinctiveness,  permanence  and  collectability.  Other  factors  to  be  considered  include  performance, acceptability and circumvention [1].     Biometric finger‐vein recognition involves the scanning of  vein  patterns  within  a  finger,  a  method  that  is  advantageous  in  that  it  utilizes  a  small  and  inexpensive  capturing  device,  is  robust  to  differences  in  finger  skin  condition (e.g., dry, wet or scarred skin) and is difficult to  falsify  [2‐8].  However,  recognition  performance  can  be  affected  by  variations  in  vein  thickness  owing  to  temperature and physical conditions [4] as well as by the  quality of the  captured finger‐vein image. The quality of  this image can be degraded by variations in illumination  and camera sensor conditions, optical blurring and other  blurring  caused  by  light  scattering  on  the  skin.  To  address these limitations, studies on image enhancement  have been previously conducted.    These  previous  studies  can  be  classified  as  research  into  software  algorithm‐based  methods  [6‐11,  17]  and  hardware‐ based methods [12]. In turn, the software algorithm‐based  methods can be classified as non‐restoration‐based methods  [6, 7, 10, 11, 17] and restoration‐based methods [8, 9].     As a non‐restoration‐based method, Zhang et al. proposed  a  finger‐vein  image  enhancement  method  combining  grey‐level grouping and the use of a circular Gabor filter  [6]. However, in applying the filter, they did not consider  blood  vessel  direction,  which  limited  the  image  enhancement  they  were  able  to  obtain.  In  addition,  although  they  produced  enhanced  image  samples,  they  did not document the degree to which their enhancement  method  improved  finger‐vein  recognition.  Yang  et  al.  proposed an enhancement method using a multi‐channel  Gabor filter [7] and an orientation field [10]. In their study  [7]  the  multi‐channel  Gabor  filter,  which  used  various  directions  and  frequencies,  enhanced  the  finger‐vein  image  without  determining  the  specific  direction  and  width  of  the  vein  upon  which  it  was  applied.  Although  image enhancement was carried out using an orientation  field  based  on  vein  line  characteristics  determined  by  previous  research  [10],  they  did  not  document  how  well  performance  was  enhanced  in  their  study.  Yu  et  al.  proposed  a  finger‐vein  enhancement  method  based  on  a     2

Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 154:2012

multi‐threshold fuzzy algorithm [11]. Pi et al. proposed a  finger‐vein  imaging  quality  enhancement  method  using  an edge‐preserving filter, an elliptical high‐pass filter and  histogram equalization [17]. Most of these non‐restoration  based  methods  [6,  7,  10,  11,  17]  do  not  consider  the  characteristics  of  vein  lines,  such  as  the  direction  and  width  of  the  imaged  vein  lines,  and  none  of  them  measured  performance  enhancements  in  terms  of  the  accuracy of finger‐vein recognition, even though this is an  important  final  goal  in  developing  an  enhancement  algorithm.     As  a  restoration‐based  method,  Yang  et  al.  proposed  the  restoration  method  of  a  finger‐vein  image  based  on  the  skin  layer  structure  [8]  in  which  scattering  blur  was  removed  [9].  In  their  studies,  blurred  finger‐vein  images  were  efficiently  restored  using  a  model  of  estimated  blurring;  however,  and  as  with  some  of  the  non‐ restoration‐based  studies  above,  vein  line  direction  and  width were not determined during restoration and image  enhancement was limited. Additionally, they also did not  document  any  enhancement  of  accuracy  achieved  through their method.    As  a  hardware‐based  method,  Crisan  et  al.  proposed  image  enhancement  using  a  polarizing  filter  [12].  Again,  the  direction  and  width  of  the  vein  lines  were  not  analysed and recognition accuracy enhancement was not  documented. Nguyen et al. proposed a quality assessment  method  of  finger‐vein  imaging;  however,  this  did  not  involve the use of an image enhancement method [18]. To  improve upon and augment the previous work, therefore,  we  propose  a  novel  image  quality  enhancement  method  that  determines  both  the  vein  line  direction  and  its  thickness. Since vein lines are detected in an input image  based  on  eight  directional  profiles  of  a  grey  image  (as  opposed to a binarized image), the detection error caused  by the non‐uniform illumination of the finger area can be  reduced. The optimal Gabor filter direction is adaptively  determined on the basis of the estimated direction of the  detected  vein  line,  and  the  optimal  Gabor  filter  width  is  adaptively  determined  on  the  basis  of  the  vein  line  thickness.  By  applying  a  Gabor  filter  with  direction  and  width optimized in terms of the detected vein line, a clear  vein  image  can  be  obtained.  Additional  processing  through  a  morphological  operation  is  applied  to  the  Gabor filtered image and the resulting image is combined  with  the  original  one  to  obtain  a  higher  quality  finger‐ vein  image.  We  were  able  to  use  our  proposed  image  enhancement method experimentally to reduce the equal  error  rate  (EER)  in  finger‐vein  recognition.  Table  1  summarizes  the  comparison  between  the  previously  studied methods and our proposed quality enhancement  method.     

www.intechopen.com

Category 

Non‐ restoration ‐ based  Software‐ based  method 

Restoration ‐based 

Hardware‐based   Method 

Methods  ‐  Combination  of  grey‐level  grouping  and  a  circular  Gabor  filter [6]  ‐  Use  of  a  multi‐channel  Gabor  filter [7]  ‐ Use of an orientation field [10]  ‐  Use  of  a  multi‐threshold  fuzzy  algorithm [11]  ‐ Use of an edge preserving filter,  an elliptic high pass filter and the  processing  of  histogram  equalization  [17]  Application  of  one  Gabor  filter  where  the  direction  and  the  width  are  optimized  to  the  detected vein‐line  (The  method  proposed  in  this  paper)  ‐  Restoration  of  the  finger‐vein  image  by  examining  the  skin  layer structure [8]  ‐  Restoration  of  the  finger‐vein  image  by  removing  the   scattering blur [9] 

Strengths 

Weakness 

‐  Did  not  establish  both  the  direction  and  the  width  of  ‐  Performance  is  not  the vein line.   affected by the vein line  ‐  Did  not  document  the  detection error  performance  enhancement  owing  to  the  proposed  methods 

‐  Establishes  both  the  direction  and  width  of  the vein line  ‐  Documentation  of  the  enhancement  of  performance  ‐  The  performance  of  restoration  is  good  because  it  considers   the  skin  layer  features  or  light  propagation  through  biological  tissue 

‐  By  using  special  hardware,  such  as  a  ‐  Image  enhancement  using  a  polarizing  filter,  the  polarizing filter [12]  enhanced  images  can  be obtained quickly. 

‐  Performance  can  be  affected  by  the  vein  line  detection error  ‐  Did  not  establish  both  the  direction  and  the  width  of  the vein line   ‐  Did  not  document  any  performance  enhancement  owing  to  the  proposed  methods  ‐  The  proposed  method  cannot  be  incorporated  for  use  in  conventional  vein  acquisition devices  ‐  Did  not  establish  both  the  direction  and  the  width  of  the vein line.   ‐  Did  not  document  the  performance  enhancement  owing  to  the  proposed  methods 

Table 1. Summary of comparisons between the previous works and the proposed method 

  2. Proposed finger‐vein image enhancement method  2.1 Overall procedure   An  overview  of  our  proposed  finger‐vein  image  enhancement  method  is  shown  in  Figure  1.  Figure  2  shows  a  flow  diagram  of  the  method.  Our  proposed  method  can  be  divided  into  five  steps.  First,  an  input  image is processed using four of directional Gabor filters.  Second,  vein  lines  are  detected  on  the  basis  of  eight  directional grey profiles of the image. Third, the image is  enhanced  using  an  optimal  Gabor  filter,  with  width  and  direction determined using the detected vein line. Fourth,  the  additional  processing  of  a  grey  morphological  operation is executed to reduce noise. Finally, the original  and  processed  images  are  combined  using  a  weighted  SUM rule to obtain an enhanced final image.  www.intechopen.com

Figure 1. Overview of the proposed finger‐vein image  enhancement method.  Young Ho Park and Kang Ryoung Park: Image Quality Enhancement Using the Direction and Thickness of Vein Lines for Finger-Vein Recognition

3

wheere  n  (=1,  2,  3,,  4)  is  the  chaannel  index,   n (= n / 4 )  iss  the orientation an nd  fn  denotess the centre freequency of an n  even n‐symmetric  Gabor  G filter  in n  the  nth  chan nnel.  By  using g  the  convolution o of the input im mage  I ( x , y) with the even‐ w ‐ sym mmetric  Gabo or  filter  Gne ( x, y) ,  an  output  imagee  On ( x , y)  was obtaained as follow ws [7]: 

On ( x , y)  Gne ( x , y) * I ( x , y)                    (4)) 

  Figure 2. Flow w chart of the pro oposed finger‐v vein image  enhancement m method. 

2.2 Finger‐veiin image enhanccement methodd  nhancement usiing four of direcctional Gabor fi filters  2.2.1 Image en

wheere  *  denotes  the  convolutiion  operator.  In  this  study,,  fourr  Gabor  filterss  with  directio ons  of  ‐45°,  0°°,  45°  and  90°°  werre  used.  At  each  e point,  th he  minimum  value  of  thee  obta ained  amplitu ude  was  seleccted  as  the  best  b matching g  resu ult of Gabor filltering. This w was done beca ause vein liness  have  a  lower  grrey  value  thaan  the  neighb bouring  skin;;  a therrefore,  the  grrey  profile  off  a  vein  line  represents  a  refleection  of  the  Gabor  filter  p profile  around d  the  verticall  axiss. The final ou utput image w was obtained o on the basis off  this  filtering. Figu ure 3 shows th he results of p processing thee  he four of direcctional Gabor filters.  image through th

A finger‐vein n image is com mposed of veiin lines of varrious  widths. In th he study descrribed in this p paper, grey prrofile  analysis  wass  used  to  deteermine  the  veein  line  direcction.  This  is  in  co ontrast  with  th he  previous  rresearch,  in  which  w binarization‐‐based method ds for detectin ng vein lines w were  used  [19];  however,  h thee  binarization n  performancce  is  affected  by  the  selection n  of  an  optiimal  thresholld,  a  mination  variaation  process  that  is  made  diffficult  by  illum over  the  fing ger  area.  Prio or  to  the  deteection  of  the  vein  lines  in  our  method,  m four  of  directional  Gabor  filterss  are  applied  in  order  o to  enhaance  the  finger‐vein  imagee,  as  shown  in  Fig gure  2.  A  Gabor  filter  is  a  a two‐dimensiional  filter that can n be representeed using [7, 133]:  

(a)

(d d)

  2  y2   1 x exp        exp ˆj 2 f0 x   (1)  2 2 2 x y  2   x  y  

(b)

(e))

(c)

(f))

 

G( x , y ) 

1





where:   x   cos    y    sin 

 

sin    x        cos   y 

           (2) 

       ˆ , ntation of the  Gabor filter,  f0  is  and  j  1 , θ is the orien the centre freequency of the filter and   x  and   y  aree the  sigma valuess of the Gausssian envelopess along the x‐‐ and  y‐axes, respeectively [7]. In n order to redu uce the processsing  time,  an  even‐symmetric  Gabor  filter  ‐‐  which  used  only  the real part  of the Gabor  filter output  ‐ was used in n this  study [7]:  Gne ( x , y )   

4

  2  y2   1 x exp        cos 2 fn x  (3)  2 2 n 2 x y  2   x  y   1

Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 154:2012





Figu ure  3.  Results  frrom  the  four  o of  directional  Gabor  G filters:  (a))  inpu ut image, (b) im mage result using g a ‐45° Gabor  filter, (c) imagee  result using a 0° Gaabor filter, (d) im mage result usiing a 45° Gaborr  filterr,  (e)  image  reesult  using  a  990°  Gabor  filterr,  and  (f)  finall  outp put image from the four of directional Gabor fiilters. 

2.2.2 2 Image enhanccement using on ne optimal Gabor filter   and a grey morphollogical operation  next  step,  an  optimal  G Gabor  filter  with  w direction n  In  the  t and  width  deterrmined  by  th he  detected  vein  v line  wass  www.intechopen.com

applied  and  the  further  processing  of  a  grey  morphological  operation  was  executed,  as  shown  in  Figure 2. This step was divided into six sub‐steps:    (Step 1) Extracting eight grey profiles which are orthogonal  to the vein lines of eight directions (‐67.5°, ‐45°, ‐22.5°,  0°,  22.5°,  45°,  67.5°  and  90°),  respectively,  at  each  position while scanning in the horizontal direction.  (Step  2)  An  average  filter  was  used  to  smooth  the  extracted profiles.   (Step  3)  Each  profile  was  checked  to  see  whether  it  corresponded to a specific vein line.   (Step 4) Determining the direction of the vein line whose  depth  of  profile  is  deepest  and  selecting  the  corresponding direction of the Gabor filter.  (Step  5)  Selecting  one  optimal  Gabor  filter  whose  filtered  value  is  minimized  (best  matching)  among  the  Gabor  filters of various widths and obtaining the result image  based on the minimum filtered value at each position. 

(Step  6)  Applying  a  grey  morphological  operation  to  the  result image and combining it with an input image as  the final enhanced image.    First,  grey  profiles  orthogonal  to  the  vein  lines  in  eight  directions were extracted by scanning each image point in  a  horizontal  direction.  Because  the  grey  level  of  the  vein  line is lower than that of the non‐vein area, such as skin, a  “vein  section”  of  an  image  will  form  valleys  in  the  grey  level  function;  this  is  illustrated  in  Figure  4.  The  grey  profile closest to being orthogonal to the direction of the  vein will produce the deepest valley, as shown in Figure 4  (d).  On  the  basis  of  this  comparison,  the  direction  of  the  vein can be estimated. Figure 4 shows an example of the  profiles extracted at a point within a finger‐vein image.     As shown in Figure 4, the profiles produced some noise,  making analysis difficult. To remove the profile noise, an  average filter was applied, as shown in Figure 5.   

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

 

Figure  4.  Examples  of  grey  profiles  orthogonal  to  the  vein  lines  in  eight  directions.  In  each  figure,  the  horizontal  and  vertical  axes  represent the pixel position and the grey value, respectively. The dotted lines show the direction of the measured grey profiles and the  solid  lines  represent  the  vein  line  directions  orthogonal  to  the  grey  profiles.  (a)  is  the  original  finger‐vein  image  from  which  the  direction of the vein line is to be measured (red‐coloured box). The vein directions are (b) ‐67.5°, (c) ‐45°, (d) ‐22.5°, (e) 0°, (f) 22.5°, (g)  45°, (h) 67.5° and (i) 90°.  www.intechopen.com

Young Ho Park and Kang Ryoung Park: Image Quality Enhancement Using the Direction and Thickness of Vein Lines for Finger-Vein Recognition

5

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

 

Figure  5.  Example  of  the  smoothing  of  profiles  from  Figure  4  using  an  average  filter.  In  each  figure,  the  horizontal  and  vertical  axes  denote the pixel position and the grey value, respectively. The vein directions are (a) ‐67.5°, (b) ‐45°, (c) ‐22.5°, (d) 0°, (e) 22.5°, (f) 45°, (g)  67.5° and (h) 90°. 

Each  smoothed  profile  was  then  checked  to  see  if  it  belonged  to  a  vein  line  on  the  basis  of  the  following  conditions:      

abs ( Lmax  R max  )    Vavg                   (5)  abs (horizontal position of  Vmin  − C)