專利名稱：平面圖型點的自動對比系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種平面圖型點的自動對比系統(tǒng)，特別是涉及一種針對平面上所分布、不定數(shù)量且位置可能經(jīng)過平移、旋轉、扭曲的兩組點集合的自動對比識別系統(tǒng)。
對比兩個平面圖像是電腦視頻及圖像處理地重要課題。在對輸入圖象做特殊處理后，可得到可用于進行圖型識別所需的特征點，對比特征點吻合的程度，可以判斷兩圖象的相似程度。舉例而言，指紋即屬一種可以通過識別進行識別的圖象。指紋圖象經(jīng)前處理后可得到指紋上的特征點，利用這些特征點的座標，可判斷兩組指紋圖象是不是同一手指所產(chǎn)生。
在處理諸如手寫文字、指紋等圖象資料的對比時，將面臨若干非實驗環(huán)境所產(chǎn)生的識別難題。這些問題包括(1)相同指紋所產(chǎn)生圖型的特征點數(shù)不同，(2)相同指紋的相同特征點重覆出現(xiàn)機率無法預測，及(3)相同指紋相同特征點的分布，可能包含縮放、旋轉及平移等等。這些均是進行對比的最大困難。
第79109743號臺灣專利申請涉及一種“平面圖型點的自動對比裝置及對比方法”。該發(fā)明揭示的對比方法是所謂的“模糊松馳法(FuzzyRelaxation)”。
模糊松馳法是依據(jù)“設一組的一點與另一組的一點配對，該組的其他點與另一組的其他點的配對，對該配對的支持率”來修正、計算兩組平面圖型點間，該二點的配對概率，并利用“向前順序選取法”選取數(shù)組最佳的配對點。接著再依據(jù)“配對率”、“平均配對機率”、“平均配對點間距離”及“縮放因子”四種因子的關系，計算兩圖型點組的近似度。最后并設定一臨界值，以決定兩圖型是否構成近似。
此外，為提高處理速度，該發(fā)明亦提供一種“粗配對法”，事先篩選絕不可能成為配對的點間關系，以節(jié)省計算時間。
為解決圖象資料特征點旋轉、平移或比率縮放等變形、扭曲所產(chǎn)生的問題，該發(fā)明更提供一種利用“最小均方誤差”值，對欲對比的圖型點作“旋轉”、 “平移”及或“比例縮放”等處理，以將該組圖型點調(diào)整至最適合對比的情形。
上述的第79109743號臺灣專利申請案提供了一種正確性極高的平面圖型點的自動對比裝置及對比方法。然而該方法所使用的“松馳法”，必須進行多次疊代對比，非常耗時。雖然利用所提出的“粗對比”法進行事先篩選，但經(jīng)實驗，以800枚指紋進行大量對比，在錯誤接受率(FAR)為0.1％時，其錯誤拒絕率(FRR)仍為25％的多，且對比一次約需0.45秒。因此降低FRR并尋求識別率高又快速的方法，是從事對比技術研究人員正力圖克服的問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種平面圖型點的自動對比方法，以針對總點數(shù)可能不同及/或點重覆的比率無法預測的圖型點作正確的對比。
本發(fā)明的目的也在于提供一種即使圖型點發(fā)生平移、旋轉或比例縮放仍能正確對比的平面圖型點自動對比方法。
本發(fā)明的另一目的也在于提供一種能提高對比速度的平面圖形點自動對比方法。
本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述方法的平面圖型點自動對比裝置。
為解決上述問題，本發(fā)明的平面圖型點的自動對比系統(tǒng)所提出的方法包括
1.粗配對提出一圖型的一點與另一圖型的一點構成配對時應滿足的基本條件，以篩除不可能配對的點，以減少配對的時間。該條件包括
(1)特征點的方向條件。
(2)特征點的X軸平移條件。
(3)特征點的Y軸平移條件。
只有兩個分屬不同圖型的點滿足此三條件時，才對該兩點進行配對。
2.細配對提出一圖型的一點與另一圖型的一點構成配對時其他點構成配對應具備的條件，僅對符合細配對條件的配對點計算配對機率，以減少計算配對機率的時間。
在細配對中計算配對機率，系先假設兩分別屬于不同圖象檔的點構成配對，計算其它可能配對點對該二點配對的支持度。細配對的條件及配對機率的計算因子包括
(1)距離條件，
(2)旋轉條件，
(3)起點方向條件，及
(4)終點方向條件。
當欲計算配對機率的配對點以外的其他配對點滿足上述四個條件時，則依據(jù)該配對點及該其他配對點的特性，計算此兩配對的旋轉角度，并在此旋轉角度下累加以外的更其他配對點對該配對的支持度。累加的支持度代表此兩點在該旋轉角度下的配對機率。為求得更正確的配對機率，對可能的旋轉角度均求得其配對機率。
3.以累加支持度的高低作為初步配對選取的標準。依據(jù)累加支持度評分較高的前數(shù)名的配對結果，求出整體圖型點組的最佳幾何調(diào)整值，并以此調(diào)整值調(diào)整整體圖型點的座標，再據(jù)以作進一步的細配對。
4.計算出兩組圖型點相似程度的指標。其計算的考慮因子包括
(1)兩組圖型點的配對數(shù)，
(2)參考圖型配對率，
(3)測試圖型配對率，
(4)平均配對支持度，及
(5)平均配對接近度。
5.判斷
依上述因子計算所得的相似程度指標，如分數(shù)越高，代表兩圖型越相似。指標分數(shù)超過一臨界值，即可認為是相似的圖型。
上述及其他本發(fā)明的目的及優(yōu)點，可由以下說明，參照下列附圖而更顯清楚。


圖1表示一指紋圖象測試圖型示意圖。
圖2表示一指紋圖象參考圖型示意圖。
圖3表示本發(fā)明平面圖型點自動對比裝置的系統(tǒng)圖。
圖4表示本發(fā)明平面圖型點自動對比方法流程圖。
表1-1表示一參考圖型Pattern A的座標及特征方向。
表1-2表示一測試圖型Pattern B的座標及特征方向。
表1-3表示另一測試圖型Pattern C的座標及特征方向。
表2表示Pattern B與Patern A的粗配對結果。
表3表示Pattern C與Pattern A的粗配對結果。
表4表示圖型B與圖型A中，在b1與a1配對的前提下，其他各點配對的支持度。
表5表示Pattern B與Pattern A細配對結果。
表6表示Pattern C與Pattern A細配對結果。
表7表示Pattern B與Pattern A初步選取配對結果。
表8表示Pattern C與Pattern A初步選取配對結果。
表9表示Pattern B經(jīng)初次調(diào)整后的座標及與Pattern A配對點的距離。
表10表示Pattern B經(jīng)再度調(diào)整后的座標及與Pattern A配對點的距離。
表11表示Pattern C經(jīng)初次調(diào)整后的各點座標與Pattern A的配對點間距離。
表12表示Pattern C經(jīng)再度調(diào)整后的各點座整標與Pattern A的配對點間距離。
表13表示本發(fā)明與先有技術效果比較表。
考慮兩組平面圖型點
P＝{p1，p2，…，pm}為測試圖型(Test Pattern)，共有m點。
Q＝{q1，q2，…，qn}為參考圖型(Reference Pattern)，共有n點。
其中各點以(x，y，D)表示，(x，y)為點在平面上的座標，D為點的特征方向。
這里，“特征方向”代表該點的有關線段或曲線段的走向(ridge flowdirection)。一般而言，待處理的圖型，系經(jīng)對平面圖象資料萃取后所得的特征點的集合。于應用在指紋識別的場合，如待對比的圖型(Pattern)為指紋的端點及交叉點所形成的點集合，則其特征方向定義如下
1.為指紋的端點時，特征方向為該端點所在處指紋線的切線方向；以該方向與正水平的夾角表示，并以逆時針方向為正向，順時針方向為負向。
2.為指紋的交叉點(分歧點)時，特征方向為該交叉點處兩形成銳角的指紋線的分解線方向；以該方向與正水平方向夾角表示，并以逆時針方向為正向，順時針方向為負向。
圖1表示一指紋圖象測試圖型示意圖，圖2表示一指紋圖象參考圖型示意圖。如圖所示，第1圖是由第2圖經(jīng)過變形、位移及旋轉后的近似圖型。圖中的箭頭即代表各圖型點的特征方向。
在其他圖象資料的對比，“特征方向”可依實際需要，根據(jù)圖象的特征加以定義，適用在本發(fā)明。
若P圖型必須以逆時針旋轉θ角度，再延著X軸與Y軸平移(tx，ty)的后，才能使大部分的點與Q圖型中的相同數(shù)目點重疊或配對，即可以(tx，ty，θ)來描述此配對的幾何關系。亦即，尋求最佳配對時，尋找一組(tx，ty，θ)，使得P圖型所包含的點經(jīng)過θ角度旋轉及(tx，ty)平移量的后，與Q圖型所包含的點有最大的重疊量
假設pi(xpi，ypi)qj(xqj，yqj)是兩組圖型中的某一成功配對點，則此配對必需滿足下列三式
xqj＝tx+xpicosθ-ypisinθ(1)
yqj＝ty+xpisinθ+ypicosθ(2)
Dqj＝(Dpi+Dr)+θ (3)
其中Dpi及Dqj分別表示兩點的特征方向，定義同前。tx及ty分別表示該點在X軸與Y軸的平移量，θ表示配對時其特征方向的旋轉角度。(xpi，ypj)表點pi的座標，(xqi，yqj)表示qj的座標。
當兩圖型間無旋轉角度時(θ＝0)，理想上Dqj與Dpi應是相同的。但實際上即使是兩完全相同來源的圖象，因抽取特征點的時間不同，圖象也會有變化，導致在抽取特征方向上有些變動差異，以Dr表示此差異。Dr定義為一圖型經(jīng)旋轉θ角度后在兩配對點的特征方向間仍存在的差異，單位為角度。當有旋轉發(fā)生時，Dqj應等于Dpi加上旋轉角度θ及變動差異Dr，以(3)式表示。
于本發(fā)明中，所謂“配對”系指當兩圖型為近似時，一圖型中的大部分點均可在另一圖型中找到唯一的對應點，此二點位于相同座標系時其位置為重疊或極接近。
第3圖表示本發(fā)明平面圖型點的自動對比裝置系統(tǒng)圖。如圖所示，本發(fā)明的平面圖型點的自動對比裝置包括一取樣裝置(1)，一粗配對裝置(2)，一細配對裝置(3)，一選取裝置(4)，一近似程度計算裝置(5)及一判斷裝置(6)。
以下說明本發(fā)明的方法。第4圖表示本發(fā)明平面圖型點的自動對比方法流程圖。
粗配對
在第(101)步，取樣裝置(1)取得二組平面圖型點的資料，包括所含的點的座標及特征方向。在(102)步，粗配對裝置(2)進行粗配對，將兩組圖型點元素點互相配對。在(103)步將滿足粗配對條件的點與點間的配對機率設為1，其他點與點間的配對機率認為0。作為初始配對機率flag[i][j]。
粗配對的條件可由(1)、(2)、(3)式可以推導出，該條件可用以篩除不可能的配對
(a)特征點方向條件
由(3)式，可得
Dqj-Dpi＝Dr+θ，及
|Dqj-Dpi|＜＝|Dr|+|θ|。
令DR是認定為配對時可容忍的最大變動差異，θT是一可容忍的最大旋轉角度，則在滿足下式時，pi與qj才可能配對。
|Dqj-Dpi|＜＝DR+θT(4)
指定-DR值及θT值。若Dqj與Dpi的差值大于(DR+θT)，則判斷pi＜＝＝＞qj不可能配對。
(b)X軸平移條件
由(1)式，可得
Xqj-Xpi＝tx+xpi(cosθ-1)-ypisinθ，因此
|Xqj-Xpi|≤|tx|+|xpj(cosθ-1)-ypisinθ|。
同理，令TX是可認定為配對時|tx|+|xpi(cosθ-1)-ypisinθ|的最大值，則在滿足下式時，pi與qj才可能配對。
|xqj-ypi|≤TX(5)
決定-TX值。若xqj與xpi的差值大于TX，則認為pi＜＝＝＞qj不可能配對。
(c)Y軸平移條件
由(2)式，可得
Yqj-Ypi＝ty+xpisinθ+ypi(cosθ-1)，因此
|Yqj-Ypi|≤|ty|+|xpisinθ+ypi(cosθ-1)。
同理，令TY是可認定為配對時|ty|+|xpisinθ+ypi(cosθ-1)|的最大值，則在滿足下式時，pi與qj才可能配對。
|yqj-ypi|≤TY(6)
確定-TY值，若yqj與ypi的差值大于TY，則認為pi＜＝＝＞qj不可能配對。
以flag[i][j](i＝1，2，…，n；j＝1，2，…m)代表pi＜＝＝＞qj配對的可能性。若pi＜＝＝＞qj不可能配對，則令flag[i][j]＝0；若pi＜＝＝＞qj可能配對，則令flag[i][j]＝1。因此，若pi＜＝＝＞qj滿足(4)、(5)、(6)等式的條件，則令flag[i][j]＝1；如有一條件無法滿足，則令flag[i][j]＝0。
此一條件檢查，稱的為粗配對。
細配對與支持度的計算
在粗配對過程，只能篩除pi與qj可不可能配對的情形，并無法決定此兩點是否是正確配對。在本發(fā)明中，任兩點是否是正確配對，并非單由這兩點互相對比就能決定，而是參考其它點的配對情形來決定。例如，若在圖型P與Q中，令pi與qj配對，反使其它點間ph及pk的配對結果成為不適當時，即應認為pi與qj不是適當?shù)呐鋵?；反的，若令pi與qj配對，使得其它點ph及pk配對結果適當，則應認為pi與qj是一個適當?shù)呐鋵Α?br> 假如flag[i][j]＝1及flag[h][k]＝1，表示pi＜＝＝＞qj與ph＜＝＝>qk(pi及ph表P圖型中的點， qj與qk表Q圖型中的點)均可能配對。則可據(jù)此計算在pi與qj配對的前提下，其它點配對ph＜＝＝＞qk的可能性，并以計算結果回頭代表支持ph＜＝＝＞qj配對的程度。此支持度以Cijhk[θ]表示，θ為兩配對圖型的旋轉角度。
于(104)細配對裝置(3)依據(jù)pi點與qj點以外的點ph，qk(h＝1，2，…n，n≠i；k＝1，2，…m，m≠j)的特征，依據(jù)細配對的條件，也篩除不可能配對的ph及qk點。不可能配對的ph及qk點，表示其對pi，qj點的配對有較最低的支持度。故于(105)將其對pi，qj的配對支持率(Cijhk)設為0；而對滿足細配對條件的ph，qk點，則計算其對pi，qj配對的支持率。
在細配對的步驟中，定義對比條件如下
若pi＜＝＝＞qj與ph＜＝＝＞qk兩兩配對，則至少必須具備下列四個條件
(a)距離條件
理論上，當pi＜＝＝＞qj與ph＜＝＝＞qk兩兩配對時，“pi與qh在同一座標平面上的距離”應與“qj與qk在同一平面座標上的距離”相等。令dl等于兩距離的差值，若dl很大，則表示此配對結果不適當；若dl很小，則表示配對結果適當。所以
其中T1是可配對時可容忍的最大距離差值，pi，ph，qj，qk均以座標值表示。決定-T1值，若d1＞T1，則于(105)令支持度Cijhk＝0。
(b)旋轉條件同理，兩圖型配對時的旋轉角度
，所以|θ|＜＝θT(8)
其中θT是可配對時可容忍的最大旋轉角度。決定一θT值，若|θ|＞θT，則于(105)令支持度Cijhk＝0。
(c)起點方向條件依前定義，因為
所以
令
，則Ds＜＝DR(9)
其中DR是可配對時可容忍的最大變動方向。決定一DR值，若Ds＞DR，則于(105)令支持度Cijhk＝0。
(d)終點方向條件因為
所以
令
De＜＝DR。(10)
DR定義同前。決定一DR值，若De＞DR，則于(105)令支持度Cijhk＝0。
在(106)計算支持度時
若滿足(7)、(8)、(9)、(10)四式的條件，則pi＜＝＝＞qj與ph＜＝＝＞qk應是兩個在旋轉θ角度下的可能配對，且ph＜＝＝＞qk在旋轉θ角度下支持pi＜＝＝＞qj配對，其支持度為
，w，w1及w2均為常數(shù)，θ定定同前。
在此，計算Cijhk[θ]時也可僅使用d1(距離差值)作為基礎，蓋d1對支持度的影響較大。亦即
Cijhk[θ]＝1.0/(1.0+w*dl)，w為常數(shù)。
配對可能性的計算
接著，在(107)步，細配對裝置(3)依上述Cijhk(θ)值，總和計算pi與qj配對的機率。
計算pi與qj的配對機率時，系選定特定的數(shù)個旋轉角度，并于各角度下，總和(sum)pi與qj以外所有點作為配對時，對pi與qj配對的支持度，作為在該旋轉角度下的配對機率，以矩陣S[i][j][θ]表示。其中其中，
但若Cijhk為零，則設S[i][j][θ]＝0。
配對的初步選取
假設N是圖型P與圖型Q對比結果達成配對的點數(shù)，若pi＜＝＝＞qj是其中一個配對，則應有(N-1)個配對支持該配對，其總合支持度(配對可能性)較高。設β為達成此對比的旋轉角度，則S[i][j][θ]在角度β時應為各旋轉角度的最大值。若pi與qj不是其中一個配對，則不會有(N-1)個配對支持，其總合支持度將較低因此可以S值的高低作為選擇配對的標準。
為決定S的最適值，于(108)選取裝置(4)首先找出在何種角度下有最大支持度SMAX。亦即，找到一個旋轉角度β，使得
設m為P的點個數(shù)，n為Q的點個數(shù)，則最大配對數(shù)k不會大于m或n，k≤min(m，n)。
找到β的值后，于(109)選取裝置(4)在旋轉角度β角度的前提下，從S[i][j][β]中依序找出N個最大的配對。選取配對的方法如下
1.設k＝1；
2.在S[i][j][β]里，找出最大的smax值，將其所對應的pa與qb認定為一組配對。以op[k]記錄pa點，oq[k]記錄qb點，并以sim[k]記錄此配對的支持度。
3.在S[i][j][β]矩陣里，將第a列及第b行的所有元素清除為零。
4.k＝k+1；
5.重覆2，3，4步驟，直到smax＝0。
6.令N＝k-1是初步的配對數(shù)。
配對的細部選取
經(jīng)初步選取得到的N組配對不一定是正確的配對。但由于支持度越高的配對應是正確性越高的配對，所以在本發(fā)明的實施例中，選取裝置(4)于(110)利用前G組支持度最高的配對，找出最佳的幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)，使得此G組配對中的p點，依該調(diào)整量作旋轉、平移轉換后，與對應點q的間的距離和為最小。也就是找一組(tx，ty，θ)使得E(tx，ty，θ)最小，其中
選取最高支持度的整數(shù)值G的方法，可令G為SMAX的整數(shù)值。當SMAX的整數(shù)值小于2時，令G＝2。將N組配對中的p點以最佳的(tx，ty，θ)做旋轉平移調(diào)整后，若與相對應點q兩者的間的距離小于所定的數(shù)值dl，則保留此配對；否則，刪除此配對。
經(jīng)選取的后，假設保留M組配對，則于(111)再度找出此M組配對的最佳幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)。也就是，再找出一組(tx，ty，θ)使得E(tx，ty，θ)為最小，其中
將此M組配對中的p點以最佳的幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)做旋轉、平移等調(diào)整后，若與相對應點q兩者的間的距離小于所定的范圍d2，則保留此配對；否則，亦刪除此配對。
經(jīng)過兩次選取的后，最后得到K組配對。在(112)步以diff記錄此K配對間的平均距離和，而以md記錄此K組配對的平均支持度。
兩圖型相似程度的計算
依前述方法，可獲取兩組圖型點間配對的點數(shù)(k)、各配對的支持度S[i][j][θ]、及各組配對點的座標(px′，py′)及(qx，qy)。于(113)近似程度計算裝置(5)以這些資料，計算兩組圖型點的(1)配對數(shù)、(2)參考圖型配對率、(3)測試圖型配對率、(4)平均配對支持度，及(5)平均配對點間的距離和。接著，在(114)利用此五組因子計算出兩圖型的相似程度，并以指標Score表示，指標分數(shù)越高代表相似程度越高；分數(shù)越低代表相似程度越低。
各因子定義如下
(1)配對數(shù)K
即經(jīng)兩次選取的后，保留認為配對的組數(shù)。配對數(shù)越高，表示兩圖型越相似，所以K與Score成正比。
(2)參考圖型配對率S1
S1＝配對數(shù)/參考圖型的點數(shù)＝K/n。
參考圖型點數(shù)多，而配對點卻少，則表示兩圖型相似程度低，所以S1與Score成正比。
(3)測試圖型配對率S2
S2＝配對數(shù)/測試圖型的點數(shù)＝K/m。
當測試圖型點數(shù)很多時，而找到的配對點卻很少，表示兩圖型相似程度低，所以，S2與Score成正比。
(4)平均配對支持度md
md＝所有配對的配對支持度的平均值，
很顯然，平均配對支持度越高則兩圖型相似程度越高，所以md與Score成正比。
(5)平均配對點間的接近度S3
S3＝經(jīng)過調(diào)整轉換后平均配對點間距離平方和的倒數(shù)＝1.0/(1.0+diff)
若平均的距離為零，表示配對點經(jīng)轉換后完全重疊，此時兩圖型的相似程度最高。所以Score與S3成正比。在上式中為了防止分母為零的情形發(fā)生，在分母上加上1。
由上述的定義及分析，得知Score與K、S1、S2、S3及md成正比，可定義下式來表示兩圖型的相似程度
Score＝C*K*S1*S2*S3*md，C＝常數(shù)。(16)
判斷
最后，在(115)步，判斷裝置(6)依據(jù)一臨界值判斷兩圖型是否近似。如score大于臨界值(Threshold)，即判斷兩圖型組為近似，否則判斷為不近似。
以下以實施例，說明本發(fā)明的方法作圖型對比的過程。
實施例
表1-1到1-3表示平面上三組圖型點的座標及特征方向，其中，表1-1表示Pattern A、表1-2表示Pattern B及表1-3表示PatternC。每一組圖型各含8點。如圖所示，其中Pattern B是Pattern A經(jīng)過平移及旋轉后的近似圖型；Pattern C與Pattern A并不近似。在此Pattern A代表參考圖型QPattern B及Pattern C均代表測試圖型P。
一、粗配對
本實施例中，TX定為50、TY定為50、(DR+θT)定為60度。篩除的配對以0表示，可能的配對以1表示。(1)Pattern B與Pattern A的對比
a1點與b1點的粗配對過程如下
表1-1中a1＝(24，48，0)表1-2中b1＝(33，36，20) 。
(a)特征點方向條件
|Da1-Db1|＝|0-20|＝20≤60所以條件滿足。
(b)X軸平移條件
|Xa1-Xb1|＝|24-33|＝9≤50所以條件滿足。
(c)Y軸平移條件
|Ya1-Yb1|＝|48-36|＝12≤50所以條件滿足。
因粗對比條件均滿足，令flag[b1][a1]＝1
a1點與b3點的粗配對過程如下
表1中a1＝(24，48，0)表2中b3＝(76，53，65)
(a)特征點方向條件
|Da1-Db3|＝|0-65|＝65＜60所以條件不滿足
(b)X軸平移條件
|Xa1-Xb3|＝|24-76|＝52＞50所以條件不滿足
(c)Y軸平移條件
|Ya1-Yb3|＝|48-53|＝5≤50所以條件滿足
因粗配對條件中有條件不滿足，令flag[b3][a1]＝0
Pattern B與Pattern其他點間的粗配對，一如前述。表2是PatternB與Pattern A粗配對的結果。(2)Pattern C與Pattern A的配對
依同一方法，對比Pattern C與Pattern A。表3中Pattern C與Pattern A粗配對的結果。
經(jīng)過粗配對后，篩除一半以上不可能的配對。
二、細配對與支持度的計算
本實施例中，T1定為10、θT定為30度、DR定為30度。因θT定為30度，表示旋轉的角度范圍為-30度～30度。以20度為一個區(qū)間。當角度在-30度～-10度的間，以-20度代表此區(qū)間，當角度為-10度～10度的間，以0度代表此區(qū)間，當角度為10度～30度的間，以20度代表此區(qū)間。在各區(qū)間統(tǒng)計各配對的支持度。
(1)Pattern B與Pattern A的配對
由粗配對結果得知flag[b1][a1]＝1，所以b1與a1是一種可能配對。在此配對條件下，依所定角度區(qū)域，分別總合其它配對點對b1與a1配對的支持度。亦即計算S[b1][a1][-20]、S[b1][a1]
及S[b1][a1][20]的值為何。
在b1與a1配對的假設下，計算b2與a2配對的支持度，檢查其是否滿足細配對條件(a)距離條件
，所以條件滿足。(b)旋轉條件旋轉角度
，且|θ|＝22≤θT＝30，所以條件滿足。(c)起點方向條件
，所以條件滿足。
(d)終點方向條件
，所以條件滿足。
因滿足四個條件，且θ＝-22度落在-30～-10度的間，以-20度代表的。所以
C1122[-20]＝1.0/(1.0+w*d1)＝1.0/(1.0+0.4*1)＝0.71，C1122
＝0，C1122[20]＝0。
接著，在b1與a1配對的假設下，計算b2與a3配對的支持度，檢查其是否滿足細配對條件
(a)距離條件
所以條件不滿足。(b)旋轉條件旋轉角度
，且|θ|＝22≤θT＝30，所以條件滿足。(c)起點方向條件
＝2≤DR＝30，所以條件滿足。(d)終點方向條件
＝24≤DR＝30，所以條件滿足。
因以上四條件有條件不滿足，在各角度區(qū)間的支持度均設為0，令
C1123[-20]＝0、C1123
＝0、C1123[20]＝0。
其它配對點對b1、a1配對的支持度以同法計算，不可能配對的支持度均設為0。結果如表4所示。表4顯示在b1與a1配對的條件下，其他點的配對對其支持度(括號內(nèi)為兩配對點間的旋轉角度)。
依據(jù)表4中的值，可由(11)式計算b1與a1的配對可能性。
計算落在-30度～-10度的間的支持度
S[b1][a1][-20]＝0.71+0.55+1.0+0.71+0.45+1.0+1.0＝5.42.
而落在-10度～10度及10度～30度的間的支持度均為0，所以
S[b1][a1]
＝0，S[b1][a1][20]＝0。
Pattern B與Pattern A的所有點在各角度下的配對可能性，列于表5，表5表示Pattern B與Pattern A細配對的結果。
(2)Pattern C與Pattern A的配對
依相同步驟，對Pattern C與Pattern A作細配對，并計算其支持度。表6是Pattern C與Pattern A細配對的結果。
三、配對的初步選取
在初步選取中，首先找出最大支持度發(fā)生在那一個角度區(qū)間，在此區(qū)間下，按照支持度的大小，依序找出N組配對。未被選出作為配對的，以0表示其配對可能性。
(1)Pattern B與Pattern A的配對
先找出在那一個角度下有最大支持度SMAX，以此角度為旋轉角度β，由表5可知，最大支持度SMAX＝5.42發(fā)生在β＝-20度所代表的區(qū)間，在此區(qū)間下按照支持度的大小依序找出8組配對，N＝8，其配對選取順序如下
(b1與a1配對)op[1]＝b1，oq[1]＝a1，sim[1]＝5.42，將第1列第1行全設為0
(b2與a2配對)op[2]＝b2，oq[2]＝a2，sim[2]＝4.19，將第2列第2行全設為0
(b3與a3配對)op[3]＝b3，oq[3]＝a3，sim[3]＝2.64，將第3列第3行全設為0
(b4與a4配對)op[4]＝b4，oq[4]＝a4，sim[4]＝2.00，將第4列第4行全設為0
(b5與a5配對)op[5]＝b5，oq[5]＝a5，sim[5]＝1.87，將第5列第5行全設為0
(b6與a6配對)op[6]＝b6，oq[6]＝a6，sim[6]＝1.54，將第6列第6行全設為0
(b7與a7配對)op[7]＝b7，oq[7]＝a7，sim[7]＝1.27，將第7列第7行全設為0
(b8與a8配對)op[8]＝b8，oq[8]＝a8，sim[8]＝0.26，將第8列第8行全設為0。
表7是Pattern B與Pattern A初步選取配對的結果。表7顯示，其最大支持度SMAX＝5.42，并發(fā)生在β＝-20度所代表的區(qū)間，在此區(qū)間下按照支持度的大小依序找出8組配對，得N＝8。
(2)Pattern C與Pattern A的配對
依同一步驟對比Pattern C與Pattern A。表8是Pattern C與Pattern A初步選取配對的結果。其最大支持度SMAX＝1.23，并發(fā)生在β＝0度所代表的區(qū)間。在此區(qū)間下按照支持度的大小依序找出7組配對，得N＝7。
四、配對的細部選取
在此實例，d1定為225，d2為150。
(1)Pattern B與Pattern A的配對
因SMAX＝5.42，所以G＝5。以支持度最高的前五組配對計算出最佳的幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)＝(-20.2，28.6，-22.8度)。
經(jīng)調(diào)整后Pattern B的座標如表9所示。經(jīng)最佳調(diào)整的后，重新計算Pattern A與Pattern B間各配對點的距離，其結果列于表9。如表所示，有8個配對的距離差小于d1，所以M＝8。
以此M組配對，求出最佳調(diào)整量(tx，ty，θ)＝(-19.9，26.7，-21.2度)。
經(jīng)最佳調(diào)整的后，有8個配對的距離差小于d2，所以K＝8。并求出diff＝1.71，md＝2*398。經(jīng)調(diào)整后的Pattern B的座標及其點與Pattern A的距離，均列于表10。
(2)Pattern C與Pattern A的配對
因SMAX＝1.23，其整數(shù)值為1，小于2，所以選G＝2。以支持率最高的前二組配對，依前述方法計算最佳的幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)＝(5.33，8.0，0度)。經(jīng)此調(diào)整量調(diào)整的后，有3組配對的距離差小于d1，所以M＝3。經(jīng)調(diào)整后的Pattern C各點座整標及與Pattern A的配對點距離列于表11。
以此M組配對，再計算出最佳調(diào)整量(tx，ty，θ)＝(5.33，8.0，0度)。經(jīng)最佳調(diào)整的后，有3個配對的距離差小于d2，所以K＝3。并求出diff＝3.77，md＝0.9733。其調(diào)整后的結果顯示于表12。
五、兩圖型相似程度的計算
在本實例中，C定為10000.0。
(1) Pattern B與Pattern A的對比
因K＝8，
S1＝K/n＝8/8＝1，
S2＝K/m＝8/8＝1，
md＝2.398，
S3＝1/(1+diff)＝0.3688，依上定義，
Socre＝C*K*S1*S2*S3*md＝70781.64。
(2)Pattern C與Pattern A的對比
因K＝3，
S1＝K/n＝38＝0.375，
S2＝K/m＝3/＝0.375，
md＝0.97
S3＝1/(1+diff)＝0.2095，依上定義，
Score＝C*K*S1*S2*S3*md＝860.63。
經(jīng)過相似程度的計算，Pattern B與Pattern A的對比分數(shù)為70781.64，分數(shù)很高，遠大于所設的臨界值(Threthold＝5000.0)，故判定B與A兩圖型近似。
經(jīng)過相似程度的計算，Pattern C與Pattern A的對比分數(shù)為860.63，分數(shù)很低，遠小于所設的臨界值(Threthold＝5000.0)，故判定C與A兩圖型不近似。
實驗數(shù)據(jù)
以800枚指紋進行大量對比，實驗結果與第79109743號臺灣專利案所提的對比方法進行比較，以驗證本發(fā)明方法確實能提高識別率，并能提高對比速度。
實驗的指紋是由四十根手指分別在兩個時段下，共取二十次指紋圖象，共得800枚指紋，并經(jīng)前處理取得各指紋的特征點(包含座標及指紋線的切線方向)。
相同指紋對比
每一根手指的指紋有二十枚，每一枚與其它十九枚指紋進行對比，因有四十根手指，所以相同指紋對比次數(shù)為40*(20*19)＝15200次，并記錄每一次對比分數(shù)。
不同指紋對比
因有四十根手指，每一根手指的指紋有二十枚，每一枚指紋與其它根手指的指紋進行對比，所以不同指紋對比次數(shù)為800*780＝624000次，并記錄每一次對比分數(shù)。
總共進行對比次數(shù)＝624000+15200+639200次對比。
實驗數(shù)據(jù)及結果如表13所示。實驗數(shù)據(jù)顯示本發(fā)明法的識別率均提高兩倍以上。
在速度上，本發(fā)明的方法進行639200次對比，在工作站SPARC-10上僅需約9823秒，平均對比一次約0.15秒。而第79109743號專利案平均對比一次約0.45秒。本發(fā)明在對比速度至少提升三倍。
以上是對本發(fā)明平面圖型點的自動對比系統(tǒng)實施例的說明，本技術領域內(nèi)的熟練人員不難由以上的說明理解本發(fā)明的精神，并據(jù)以作出不同的變化與引伸。但只要不超出本發(fā)明的精神，均在后附的權利要求的內(nèi)。
表1-1
表1-2
表1-3
表2Pattern B與Pattern A的粗配對結果表3Pattern C與Pattern A的粗配對結果表4在b1與a1配對的前提下，其他各點配對的支持度表5Pattern B與Pattern A細配對結果角度落在-20度區(qū)間的支持度角度落在0度區(qū)間的支持度角度落在20度區(qū)間的支持度
表6Pattern C與Pattern A細配對結果角度落在-20度區(qū)間的支持度角度落在0度區(qū)間的支持度角度落在20度區(qū)間的支持度表7Pattern B與Pattern A初步選取配對結果N＝8，SMAX＝5.42β＝-20度表8Pattern C與Pattern A初步選取配對結果N＝7，SMAX＝1.23β＝0度表9Patterm B經(jīng)初次調(diào)整后的座標及與Pattern A配對點的距離表10Pattern B經(jīng)再度調(diào)整后的坐標及與Pattern A配對點的距離表11Pattern C經(jīng)初次調(diào)整后各點坐標與Pattern A的配對點間距離表12Pattern C經(jīng)再度調(diào)整后各點坐標與Pattern A的配對點間距離表13本發(fā)明與先有技術效果比較表
權利要求
1.一種平面圖型點的自動比對方法，用以決定兩分布于平面上的點集合所形成的圖型(patterns)P及Q是否相近似，其中
P＝{p1，p2，…，pm}，為參考圖型，包含m點，Q＝{q1，q2，…，qn}，為測試圖型，包含n點，其中各點以(x，y，D)表示，(x，y)為該點在平面上的座標，D為該點的特征方向；
該比對方法包括以下步驟
依據(jù)該P圖型及該Q圖型所含的點的座標及特征方向，為該Q圖型所含的點在該P圖型中尋找唯一的配對點；
依據(jù)配對的結果，計算兩圖型的近似程度值；及
設定一臨界值，對兩圖型相似值高于該臨界值者，判斷為近似；對圖型相似值低于該臨界值者，判斷為不近似；
其中，該配對方法包括指定該Q圖型中的一點(qj)與該P圖型中的一點(pi)為配對；
計算該Q圖型中所有其他點(qk，k＝1，2，…，n，k≠j)與該P圖型中所有其他點(ph，h＝1，2，…，m，h≠i)于該Q圖型旋轉θ角度后的配對可能性Cijhk[θ]的總和值；及
依據(jù)該總合值的高低，決定該P圖型中與該Q圖型中的點配對的點；
其中，該計算該Q圖型中所有點與該P圖型中所有點于該Q圖型旋轉θ角度后的配對可能性Cijhk(θ)的總和值的方法包括尋找一距陣S[i][j][θ]，其中其中，
；其中，Cijkh代表在該Q圖型中的qj點與該P圖型中的pi點為配對時，該Q圖型中的qk點(k＝1，2，…，n，k≠j)與該P圖型中ph點(h＝1，2，…，m，h≠i)的配對可能性
，Ds代表[pi的特征方向與piph線段方向的差值]與[qj的特征方向qjqk線段方向的差值]兩者的差值；De代表[ph的特征方向與piph線段方向的差值]與[qk的特征方向qjqk線段方向的差值]兩者的差值；d1代表兩對配對點的距離piph及qiqk的差值；w、w1及w2均為常數(shù)；且
該計算兩圖型的近似程度值的步驟包括下式
Score＝C*K*S1*S2*S3*md，其中，
C為常數(shù)；
K為兩圖型經(jīng)配對的組數(shù)；
S1為參考圖型配對率，S1＝配對數(shù)/參考圖型的點數(shù)＝K/n；
S2為測試圖型配對率，S2＝配對數(shù)/測試圖型的點數(shù)＝K/m；
md為平均配對支持度，md＝所有配對的配對可能性平均值；及
S3為平均配對點間的接近度，S3＝1.0/(1.0+平均配對點間距離平方和)；
2.如權利要求1所述的方法，其中該參考圖型及該測試圖型系對平面圖象資料檔萃取(abstract)時，該圖象所含線段或曲線段的端點或交叉點；于該點為線段或曲線段的端點時，該特征方向為該點所在處該線段或曲線段的切線方向；于該點為線段或曲線段的交叉點(分歧點)時，特征方向為該交叉點處兩線段或曲線段形成的銳角的分解線方向；且該特征方向系以該方向與平面座標的正水平方向的夾角表示。
3.如權利要求1或2所述的方法，更包括一在配對前的粗配對步驟，該粗配對系設定P圖型所含的點與Q圖型所含的點成為配對時，在特征方向角度差值與位于同一座標平面時的距離值的最大容忍量，將特征方向角度差值或位于同一座標平面時的距離值超出該最大容忍量的點，設定為不能配對。
4.如權利要求3所述的方法，其中，組粗配對的結果認為不能配對的點，設其Cijhk(θ)為0，否則設為1，且在Cijhk(θ)為0時，設定S[i][j][θ]亦為0。
5.如權利要求4所述的方法，其中w1及w2均為0。
6.如權利要求1所述的方法，還包括一在配對前的細配對步驟，其中該細配對系設定包括下列篩選條件，將不符任一篩選條件的qk，ph點設定為不能配對，而將Cijhk設定為θ
距離條件T1∶d1＜＝T1；
旋轉條件θT∶|θ|＜＝θT；Δθ
起點方向條件DR∶Ds＜＝DR；及
終點方向條件De＜＝DR。
7.如權利要求1所述的方法，還包括一幾何調(diào)整步驟，以對該P圖型作幾何調(diào)整，包括
yqj＝ty+xpisinθ+ypicosθ，且
Dqj＝(Dpi+Dr)+θ；其中，
找一組幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)，使得E(tx，ty，θ)最?。?br> 將該參考圖型點以該幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)做調(diào)整；及
再度為兩圖型配對
其中
xqj＝tx+xpicosθ-ypisinθ，
Dpi及Dqj分別表示點pi及qj的特征方向；Dr表示變動差異，為一圖型經(jīng)旋轉θ角度后，兩配對點的特征方向間仍存在的差異；及；其中，
G為SMAX的整數(shù)值；G≥2。
8.如權利要求7所述的方法，包括至少二次幾何調(diào)整步驟。
9.一種平面圖型點的自動比對裝置，用以決定兩分布于平面上的點集合所形成的圖型(patterns)P及Q是否相近似，其中
P＝{p1，p2，…，pm}，為參考圖型，包含m點，Q＝{q1，q2，…，qn}，為測試圖型，包含n點，其中各點以(x，y，D)表示，(x，y)為該點在平面上的座標，D為該點的特征方向；
該比對裝置包括
一配對裝置，依據(jù)該P圖型及該Q圖型所含的點的座標及特征方向，為該Q圖型所含的點，在該P圖型中尋找唯一的配對點；
一圖型近似程度計算裝置，依據(jù)配對的結果，計算兩圖型的近似程度值；及
一判斷裝置，依據(jù)一臨界值，對兩圖型相似值高于該臨界值者，判斷為近似；對圖型相似值低于該臨界值者，判斷為不近似。
其中，該配對裝置的配對包括
指定該Q圖型的一點(qj)與該P圖型中的一點(pi)為配對；
計算該Q圖型中所有其他點(qk，k＝1，2，…，n，k≠j)與該P樣中所有其他點(ph，h＝1，2，…，m，h≠i)于該Q圖型旋轉θ角度后的配對可能性Cijhk[θ]的總和值；及
依據(jù)該總合值的高低，決定該P圖型中與該Q圖型中的點配對的點；
其中，該配對裝置系依據(jù)下式找到一距陣該S[i][j][θ]以代表該Q圖型中所有點與該P圖型中所有點于該Q圖型旋轉θ角度后的配對可能性的總和值
，其中，
；其中，Cijkh代表在該Q圖型中的qj點與該P圖型中的pi點為配對時，該Q圖型中的qk點(k＝1，2，…，n，k≠j)與該P圖型中ph點(h＝1，2，…，m，h≠i)的配對可能性；
，Ds代表[pi的特征方向與piph線段方向的差值]與[qj的特征方向piph線段方向的差值]，兩者之差值De代表〔ph之特征方向與piph線段方向之差值〕與〔qk之特征方向qjqk線段方向之差值〕，與兩者的差值，d1代表兩對配對點的距離piph及qiqk的差值，w、w1及w2均為常數(shù)；且
該計算裝置系依下式計算兩圖型的近似程度值(Score)
Score＝C*K*S1*S2*S3*md，其中，
C為常數(shù)；
K為兩圖型經(jīng)配對的組數(shù)；
S1為參考圖型配對率，S1＝配對數(shù)/參考圖型的點數(shù)＝K/n；
S2為測試圖型配對率，S2＝配對數(shù)/測試圖型的點數(shù)＝K/m；
md為平均配對支持度，md＝所有配對的配對可能性平均值；及
S3為平均配對點間的接近度，S3＝1.0/(1.0+平均配對點間距離平方和)；
10.如權利要求9所述的裝置，其中該參考圖型及該測試圖型系對平面圖象資料檔萃取(abstract)時，該圖象所含線段或曲線段的端點或交叉點；于該點為線段或曲線段的端點時，該特征向方為該點所在處該線段或曲線段的切線方向；于該點為線段或曲線段的交叉點(分歧點)時，特征方向為該交叉點處兩線段或曲線段形成的銳角的分角線方向；且該特征方向系以該方向與平面座標的正水平方向的夾角表示。
11.如權利要求9或10所述的裝置，還包括一粗配對裝置，可在該配對裝置配對前，設定P圖型所含的點與Q圖型所含的點成為配對時，在特征方向角度差值與位于同一座標平面時的距離值的最大容忍量，并將特征方向角度差值或位于同一座標平面時的距離值超出該最大容忍量的點，設定為不能配對。
12.如權利要求11所述的裝置，其中，該經(jīng)粗配對裝置對認為不能配對的點，設其Cijhk(θ)為0，否則設為1，且該計算裝置在Cjhk(0)為0時，設定S[i][j][θ]亦為0。
13.如權利要求12所述的裝置，其中w1及w2均為0。
14.如權利要求9所述的裝置，還包括一細配對裝置，可在配對裝置配對前，設定包括下列篩選條件，將不符任一篩選條件的qk，ph點設定為不能配對，而將Ciihk設定為0
距離條件T1∶d1＜＝T1；
旋轉條件θT∶|θ|＜＝θT；Δθ
起點方向條件DR∶Ds＜＝DR；及
終點方向條件DR∶De＜＝DR。
15.如權利要求9所述的裝置，還包括一調(diào)整裝置，以將該P圖型點的平面分布作幾何調(diào)整；該調(diào)整包括
找一組幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)使得E(tx，ty，θ)最小；
將該參考圖型點以該幾何調(diào)整量(tx，ty，θ)做調(diào)整；及
再度為兩圖型配對；
其中
yqj＝ty+xpisinθ+ypicosθ，且
Dqj＝(Dpi+Dr)+θ；其中，
Dpi及Dqj分別表示點pi及qj的特征方向；Dr表示變動差異，為Q圖型經(jīng)旋轉θ角度后，兩配對點的特征方向間仍存在的差異；及；其中，
G為SMAX的整數(shù)值；G≥2。
16.如權利要求15所述的裝置，其中該調(diào)整裝置針對該P圖型進行至少二次幾何調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明為一種平面樣型點之自動比對系統(tǒng),其比對方法包括:粗配對:提出構成配對時應滿足的基本條件;細配對:提出構成配對時其他點構成配對應具備之條件;計算配對機率:依據(jù)該配對點及該其他配對點之特征,計算此兩配對的旋轉角度,并累加其他配對點對該配對之支持度;以累加支持度的高低作為初步配對選取的標準;計算出兩組樣型點相似程度值,以及將該相似程度指標,與一臨界值比對,超過臨界值時,判斷為近似。
文檔編號G06T7/00GK1184984SQ9611976
公開日1998年6月17日 申請日期1996年12月10日 優(yōu)先權日1996年12月10日
發(fā)明者許文星, 張世旭 申請人:許文星