CN1516074A - 从牙齿图像提取牙齿区域的方法及个人识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种从牙齿图像中提取牙齿区域的方法，以及利用从该提取的牙齿区域中提取的特征元素进行个人识别的方法和装置。该个人识别方法包括通过相对应地存储多人的牙齿图像和每个人的至少一种牙齿特征元素来建立数据库；(b)在从待识别的人的牙齿图像中分离出的嘴内部区域中提取上齿部分和下齿部分之间的一分界线，并基于该分界线提取上齿区域和下齿区域；从所述上下齿区域中检测出一种或多种牙齿特征元素；以及基于该检测出的一种或多种牙齿特征元素来搜索数据库，并根据待识别的人的牙齿图像与从数据库中搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

Description

从牙齿图像提取牙齿区域的方法及个人识别方法和装置

技术领域

本发明涉及个人识别技术，并特别涉及一种从牙齿图像中提取牙齿区域的方法，以及一种利用该提取的牙齿区域的特征元素进行个人识别的方法和装置。

背景技术

利用人的面部、指纹、虹膜、手背部的纹理、或声音进行个人识别以允许进入一个特定的地域，例如一个安全区域。然而，进行面部识别需要复杂的算法，而进行虹膜识别需要昂贵的设备。另外，当指纹不清晰或当手指被外来物质玷污或因出汗弄湿时，难以识别指纹。还有，手背部的纹理图案会随着环境发生变化。因此，期望有一种利用身体中很少发生变化的部分并能利用简单且廉价的软硬件能对该部分的图像进行分析的个人识别方法。

发明内容

本发明提供一种从待识别的人的牙齿图像中提取牙齿区域的方法。

本发明还提供一种利用很少发生变化的牙齿区域并能通过一种简单的方法对该牙齿区域的图像进行分析的个人识别的方法和装置。

根据本发明的一个方面，提供一种从牙齿图像中提取牙齿区域的方法，包括：从待识别的人的牙齿图像中分离出嘴内部区域；从嘴内部区域中提取上齿部和下齿部之间的分界线；以及基于该分界线提取上齿区域和下齿区域。

根据本发明的另一方面，提供一种利用牙齿图像进行个人识别的方法，包括：(a)通过相对应地存储多人的牙齿图像和每个人至少一种牙齿特征元素来建立一个数据库；(b)在分离自待识别的人的牙齿图象的嘴内部区域中提取上齿部和下齿部之间的分界线，以及基于该分界线提取上齿区域和下齿区域；(c)从上下齿区域中测出一种或多种牙齿特征元素；以及(d)基于该测出的一种或多种牙齿特征元素搜索数据库，并根据该待识别的人的牙齿图像和从数据库中搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

根据本发明的再另一方面，提供一种利用牙齿图像的个人识别装置，包括牙齿图像数据库，该数据库相对应地存储多人的牙齿图像和每个人至少一种牙齿特征元素；牙齿图像采集单元，该单元采集待识别的人的牙齿图像；牙齿提取器，该提取器对牙齿图像采集单元提供的牙齿图像进行第一次阈值处理以分离出嘴内部区域，对嘴内部区域执行水平投影以提取上齿部和下齿部之间的分界线，以及基于该分界线提取牙齿区域；特征检测器，该特征检测器对提取的牙齿区域执行垂直投影以测出一种或多种用于将个人的牙齿与其他人区分开的牙齿特征元素；搜索部件，该部件利用特征检测器测出的多种牙齿特征元素中的至少一种来搜索牙齿图像数据库；以及识别部件，该部件根据待识别的人的牙齿图像和从搜索部件搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

附图说明

通过参照附图详细描述优选实施例，本发明的以上和其他特点和优点将变得更明显：

图1是根据本发明的一个优选实施例的利用牙齿图像的个人识别装置的方框图；

图2是图1所示的牙齿图像处理单元的详细方框图；

图3是表示图2所示的牙齿提取器执行的操作的流程图；

图4A至4F是表示图3所示的相应操作结果的示意图；

图5A和5B是解释图2所示的特征检测器的操作的示意图；

图6A和6B是依据本发明一个实施例的用于分割牙齿区域和提取特征元素的牙齿图像的例子；

图7A和7B分别是从图6A和6B所示的牙齿区域中提取的上下齿区域的例子；

图8A和8B是分别表示对图7A和7B所示的上齿区域执行垂直投影的结果的曲线图；和

图9A和9B是分别表示对图7A和7B所示的下齿区域执行垂直投影的结果的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图详细地描述本发明的优选实施例。

图1是根据本发明一个优选实施例的利用牙齿图像的个人识别装置的方框图。该个人识别装置包括牙齿图像采集单元11、牙齿图像处理单元13、和牙齿图像数据库15。

该牙齿图像采集单元11通常由一个典型的数码相机构成，例如拍摄牙齿的专用相机，连接到个人计算机的相机，或者连接到移动通信终端的相机。当需要个人识别时，牙齿图像采集单元11拍摄待识别的人的整个正面牙齿部分来采集牙齿图像并且将该牙齿图像提供给牙齿图像处理单元13。最好是在上齿和下齿按照预定距离分开的状态下拍摄牙齿以便于分别提取上齿区域和下齿区域。

该牙齿图像处理单元13通过执行阈值处理、投影处理、和区域增大处理而从牙齿图像采集单元11提供的牙齿图像中提取牙齿区域；检测牙齿的特征元素；以及基于该特征元素搜索该牙齿图像数据库15。在此，可以使用多种方法来识别个人。例如，计算当前输入的牙齿图像和来自该牙齿图像数据库15的牙齿图像之间每个特征元素的相似性。当牙齿图像数据库15包括在所有特征元素中具有超过预定参考值的相似性或平均相似性的牙齿图像时，识别成功；而当牙齿图像数据库15没有包括这样的牙齿图像时，识别失败。可通过实验或仿真来最佳设定该参考值。

通过采集多人的牙齿图像并将它们连同个人信息，包括个人标识符、牙齿信息和牙齿特征元素相对应地存储来建立该牙齿图像数据库15。在此，不仅是牙齿的正面视图，也可以储存牙齿的各种视图。牙齿的特征元素包括牙齿的形状和颜色、牙齿间的面积比、牙齿间的宽度比和牙齿排列。

本发明的个人识别装置可以在个人移动通信器材，例如移动电话或个人数字助理(PDA)中实现，因此当需要安全措施时，例如当个人移动通信器材丢失或当通过个人移动通信器材进行电子付款时，该个人识别装置可以用于个人识别。在这种情况下，该牙齿图像数据库15存储了该移动通信器材所有者的牙齿图像以及该所有者的个人信息、牙齿信息和牙齿的特征元素。

图2是图1所示的牙齿图像处理单元13的详细方框图。该牙齿图像处理单元13包括牙齿提取器21、特征检测器23、搜索部件25、和识别部件27。

该牙齿提取器21从牙齿图像采集单元11提供的牙齿图像中提取牙齿区域。该牙齿提取器21从牙齿图像中分离出嘴的内部区域，提取上齿部分和下齿部分之间的分界面，并且基于所提取的该上下齿部分之间的分界面而提取牙齿区域。

该特征检测器23从牙齿提取器21提取的牙齿区域中提取用以识别个人的牙齿的特征元素。可提取的特征元素是牙齿的形状和颜色、牙齿间的面积比、牙齿间的宽度比、和牙齿排列。

可以从该提取的牙齿区域的图像图案中获得牙齿的形状和排列信息。可以通过对牙齿区域执行垂直投影来获得关于牙齿间的面积比和宽度比的信息。可以通过对牙齿区域的亮度执行直方图处理来获得牙齿颜色信息。

该搜索部件25利用特征检测器23所检测的牙齿特征元素来搜索该牙齿图像数据库15。在此，并不同时使用所有的牙齿特征元素，而是首先利用在投影图像中需要较短处理时间的牙齿特征元素，例如牙齿间的宽度比来进行搜索，以提取具有超过参考值的相似性的候选的牙齿图像。这之后，搜索部件25利用其它的牙齿特征元素来搜索这些候选的牙齿图像。可通过实验或仿真来最佳设定该参考值。

当作为搜索部件25执行搜索操作的结果，而发现牙齿图像相对于每种牙齿特征元素具有超过参考值的相似性或相对于所有的牙齿特征元素具有超过参考值的平均相似性时，识别部件27判定识别成功。当没有发现这样的牙齿图像时，识别部件27判定识别失败。该识别部件27输出一个对应于该判定结果的信号。

图3是表示图2所示的牙齿提取器21执行的操作的流程图。牙齿提取器21执行以下操作：分离出嘴内部区域(31)，提取在上齿部分和下齿部分之间的分界面(35)，并检测牙齿区域(36)。图3中所示的操作将参照图4A至4F进行描述。

步骤31用以从牙齿图像中分离出嘴内部区域，该步骤包括阈值处理(32)、作出标记(33)、以及选择最大区域(34)。

在步骤32中利用公式(1)对牙齿图像(图4A)执行阈值处理。

g(x)＝1，f(x)≤T

g(x)＝0，f(x)＞T                                         …(1)

其中，f(x)为牙齿图像中的像素位置x处的像素值，且0≤f(x)≤255，g(x)为表示嘴内部区域的像素值且其值为0或1。T是阈值，例如70，且可以通过实验获得。同时，每个像素的红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色值中的至少一种或对应于色彩饱和度(HSI)色彩坐标系中亮度的I(x)可以用作f(x)。为了在R、G、和B颜色值中获得I(x)，使用了公式(2)所示的RGB/HSI色彩坐标系转换公式。在此，使用了RGB和HSI色彩坐标系，但是也可以使用其它不同的色彩坐标系，例如CMY、YIQ以及HSV色彩坐标系。

$I=F\frac{R+G+B}{3}$

$H=\frac{F}{2\mathrm{\π}}{\cos }^{-1}\left\{\frac{\frac{1}{2}[(R-G)+(R-B)]}{{[{(R-G)}^2+(R-B)(G-B)]}^{1/2}}\right\}...\left(2\right)$

$S=F\{1-\frac{3}{R+G+B}\min (R,G,B)\}$

其中，0≤R、G、B≤1，且F为一般等于255的常数。作为根据公式(1)对牙齿图像采集单元11提供的牙齿图像(图4A)执行阈值处理的结果，定义了将第一区域设置为0，第二区域设置为1。

在步骤33中，如图4B所示，在小于第一区域的第二区域的轮廓部分作出标记从而分离了区域41和43，其中每个像素的g(x)值为1。

在步骤34中，如图4C所示，从作为标记处理结果分离出的区域41和43中选定最大的区域41，从而将该区域41作为嘴内部区域从牙齿图像(图4A)中分离出来。

在步骤35中，为了从牙齿图像中提取上齿部分和下齿部分之间的分界面，通过对在步骤34中分离出的嘴内部区域41执行水平投影而得到图4D中所示的曲线图。在图4D中，X轴表示牙齿图象中从上至下的垂直距离“d”，Y轴表示对应于该垂直距离“d”的每个位置处的阈值处理的像素累积值P(d)。通过执行水平投影，选定像素累积值P(d)最大的位置“k”作为对应于上齿部分和下齿部分之间分界面的垂直距离。在此，最好通过旋转牙齿图像而使牙齿水平排列，从而使对应于上齿部分和下齿部分之间的分界面的位置“k”处的像素累积值P(d)成为最大峰值。如图4E所示，基于对应于上齿部分和下齿部分之间分界面的垂直距离“k”而设置分界线(interline)45。

在步骤36中，如图4F所示，通过基于分界线45进行区域增大或通过基于分界线45设置呈矩形形状的预定上部区域和预定下部区域，然后对该预定的上下区域执行阈值处理来提取上齿区域47和下齿区域49。当使用区域增大方法时，参照对应于HSI色彩坐标系中一个色调的H(x)，分别在分界线45的上部和下部的预定位置设置籽点(seed point)，并且围绕每个籽点扩展出与该籽点具有相似颜色的区域。最好将黑色和红色排除在籽点的颜色之外。

图5A和5B是用以解释图2中所示的特征检测器23的操作的示意图。作为在图5A中所示的上齿区域51上执行垂直投影的结果而得到了图5B中所示的图表。在图5B中，X轴表示牙齿图像中从左到右的水平距离“d”，Y轴表示对应于水平距离“d”的每个位置处的阈值处理的像素累积值P(d)。作为执行垂直投影的结果，产生了具有较大像素累积值P(d)的4个峰值，基于该4个峰值形成的部分分别对应于上齿区域51中存在的4个牙齿t1至t4。通过执行垂直投影，可以计算牙齿的数量，一个牙齿的面积(如a_i-1或a_i+2)，面积比(如a_i-1/a_i+2)，一个牙齿宽度(如w_i或w_i+1)，以及宽度比(如w_i/w_i+1)。

将参照分别在图6A和6B中所示的不同人的牙齿图像的实例(分别称为对象#1和对象#2)简要描述根据本发明一个实施例的一种个人识别方法。

图7A和7B分别表示通过对图6A和6B中所示的牙齿图像执行阈值处理，作出标记，选择最大的区域，垂直投影和区域增大而提取的上齿区域71和75以及下齿区域73和77。

图8A和8B是分别表示对图7A和7B所示的上齿区域71和75执行垂直投影的结果的曲线图。图9A和9B是分别表示对图7A和7B所示的下齿区域73和77执行垂直投影的结果的曲线图。参看图8A和8B，牙齿t1至t4存在于图6A所示牙齿图像的上齿区域71中，牙齿t5至t10存在于图6B所示牙齿图像的上齿区域75中。参看图9A和9B，牙齿b1至b6存在于图6A所示牙齿图像的下齿区域73中，牙齿b7至b12存在于图6B所示牙齿图像的下齿区域77中。

在该个人识别技术中，将通过垂直投影获得的牙齿数量，每个牙齿的中央位置，以及每个牙齿的宽度用作牙齿特征元素。如下表所示，这些牙齿特征元素可以从图8A至9B计算出。

对象	牙齿数量		每个牙齿的中央位置	每个牙齿宽度
					对象#1	上齿	4	116，159，200，236	37，42，39，24
下齿	6	113，144，171，198，233，259	28，20，19，20，21，31
				对象#2		上齿	6	45，94，156，237，289，322	29，26，68，63，28，17
下齿	7	65，82，155，197，250，272，287	29，38，50，28，48，7，29

参考上表，可以推断出人与人之间的牙齿特征元素具有很大区别，所以可以利用牙齿特征元素进行个人识别。

本发明可以用程序代码来实现，该程序代码记录在计算机可读记录介质上并且可以被计算机读取。例如，从牙齿图像中提取牙齿区域的方法可通过在计算机可读记录介质上记录的程序来实现，这些程序包括：第一程序，利用预定阈值对待识别的人的牙齿图像执行阈值处理，并且在通过对阈值处理的像素作出标记而定义的多个区域中选择一个最大的区域，从而从牙齿图像中分离出嘴内部区域；第二程序，用于对嘴内部区域执行水平投影并基于作为该水平投影结果而得到的像素累积值最大的位置而在上齿部分和下齿部分之间设定一分界线；以及第三程序，基于该分界线提取上下齿区域。更进一步，利用牙齿图像进行个人识别的方法可通过在计算机可读记录介质上记录的程序来实现，这些程序包括：第一程序，用于通过相对应地存储多人的牙齿图像和每个人至少一种牙齿特征元素来建立一数据库；第二程序，用于从待识别的人的牙齿图像中分离出来的嘴内部区域的上齿部分和下齿部分之间提取一分界线，并且基于该分界线提取上齿区域和下齿区域；第三程序，从上下齿区域中检测出一种或多种牙齿特征元素；以及第四程序，基于该检测出的一种或多种牙齿特征元素来搜索数据库，并根据待识别的人的牙齿图像和从数据库中搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

计算机可读记录介质可以是能在其中记录计算机系统可读数据的任何形式的介质，例如，ROM、RAM、CD-ROM、磁带、软盘、或光学数据存储器件。本发明也可以用载波(例如，互联网传输)实现。可选择地，计算机可读记录介质在通过网络连接的计算机系统中分发，因此本发明可以用代码实现，该代码可以存储在记录介质中并可在计算机中读取和执行。本领域普通技术人员可以很容易地推出实现本发明的功能程序、代码或代码段。

如上所述，根据本发明，在需要个人识别的情况下，例如，当一个人进入特殊的区域，在自动取款机(ATM)中存取款，或通过移动通信器材使用电子支付服务时，使用牙齿图像进行个人识别，这种牙齿图像易于识别并且可以简单地从牙齿图像提取特征元素，从而提高了个人识别的速度并且降低了实施成本。

另外，根据本发明的一种个人识别方法和装置，在简单的场合可以与使用密码的常规识别技术相结合，或者当需要高级个人识别时可以容易地与使用面部、指纹、虹膜、手背纹理、或声音的常规识别技术相结合。

在附图和说明书中，使用了特定的术语来描述本发明的优选实施例，但是可以知道，仅从描述意义上使用上述术语，且上述描述的术语不能解释为对本发明范围的任何限制。因此，本领域普通技术人员在不背离本发明范围和精神的情况下，可以对本发明的实施例作出各种不同的更改。因此，本发明真正的范围由所附的权利要求限定。

Claims (25)

1.一种从牙齿图像中提取牙齿区域的方法，该方法包括：

从待识别的人的牙齿图像中分离出嘴内部区域；

从该嘴内部区域中提取上齿部分和下齿部分之间的分界线；和

基于该分界线提取上齿区域和下齿区域。

2.根据权利要求1的方法，其中分离嘴内部区域的步骤包括：

利用预定的阈值对该牙齿图像的每个像素执行阈值处理，来定义第一区域和第二区域；

对小于第一区域的第二区域的轮廓部分作出标记；和

在标记出的第二区域中选择和确定最大的区域作为嘴内部区域。

3.根据权利要求2的方法，其中定义该第一和第二区域的步骤包括：利用牙齿图像中每个像素的红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色值中的至少一种执行阈值处理。

4.根据权利要求2的方法，其中定义该第一和第二区域的步骤包括：将牙齿图像中每个像素的RGB颜色值转换成色彩饱和度(HSI)颜色值并利用该转换的I颜色值执行阈值处理。

5.根据权利要求1的方法，其中提取分界线的步骤包括：

对嘴内部区域执行水平投影；和

基于作为水平投影的结果而得到的像素累积值最大的位置来设定该分界线。

6.根据权利要求1的方法，其中提取上下齿区域的步骤包括：从分别设置在该分界线上下方的预定位置的籽点处扩展出与该每个籽点具有相似颜色的区域。

7.根据权利要求1的方法，其中提取上下齿区域的步骤包括：

基于该分界线设置预定的上部区域和预定的下部区域以具有矩形形状；和

利用预定的阈值对该预定的上部和下部区域执行阈值处理。

8.一种计算机可读记录介质，其上记录了第一程序，利用预定的阈值对待识别的人的牙齿图像执行阈值处理，通过预定照相机器件获得该牙齿图像，并从通过对阈值处理的像素作出标记而定义的多个区域中选择最大的区域，从而从牙齿图像中分离出嘴内部区域；第二程序，用于对嘴内部区域执行水平投影并基于作为水平投影结果的像素累积值最大的位置而在上齿部分和下齿部分之间设置一分界线；以及第三程序，基于该分界线提取上下齿区域。

9.一种利用牙齿图像的个人识别方法，包括：

(a)通过相对应地存储多人的牙齿图像和每个人的至少一种牙齿特征元素来建立数据库；

(b)从待识别的人的牙齿图像中分离出的嘴内部区域提取上齿部分和下齿部分之间的一分界线，并基于该分界线提取上齿区域和下齿区域；

(c)从所述上下齿区域中检测出一种或多种牙齿特征元素；和

(d)基于该检测出的一种或多种牙齿特征元素搜索数据库，并根据待识别的人的牙齿图像与从数据库搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

10.根据权利要求9的个人识别方法，其中步骤(b)包括利用预定的阈值对牙齿图像中的每个像素执行阈值处理，对该阈值处理的像素作出标记，并在作为标记的结果而确定的区域中选择一个最大的区域作为嘴内部区域。

11.根据权利要求10的个人识别方法，其中步骤(b)还包括对嘴内部区域执行水平投影，并基于作为水平投影结果的像素累积值最大的位置而设置该分界线。

12.根据权利要求11的个人识别方法，其中该步骤(b)还包括从分别设置在分界线上下的预定位置的籽点处扩展出与该每个籽点具有相似颜色的区域，以便提取该上下齿区域。

13.根据权利要求11的个人识别方法，其中该步骤(b)还包括基于该分界线设置预定上部区域和预定下部区域以具有矩形形状，并对该预定的上下部区域执行阈值处理，以便提取该上下齿区域。

14.根据权利要求10的个人识别方法，其中利用牙齿图像中每个像素的红(R)、绿(G)、蓝(B)颜色值中的至少一种来执行阈值处理。

15.根据权利要求10的个人识别方法，其中将牙齿图像中每个像素的RGB颜色值转换成色彩饱和度(HSI)颜色值，并利用该转换的I颜色值执行阈值处理。

16.根据权利要求9的个人识别方法，其中该步骤(c)包括：

对提取的上下齿区域的每一个执行垂直投影；和

从垂直投影的结果中获得关于上下齿区域中的牙齿数量、牙齿间的面积比、和牙齿间的宽度比的信息。

17.根据权利要求9的个人识别方法，其中该步骤(c)包括从提取的上下齿区域的图像图案中获得关于牙齿形状和牙齿排列的信息。

18.根据权利要求9的个人识别方法，其中该步骤(c)包括通过获得提取出的上下齿区域的亮度直方图来获得关于牙齿颜色的信息。

19.根据权利要求9的个人识别方法，其中该步骤(d)包括：

利用检测的多种牙齿特征元素中的一种来搜索数据库以提取候选的牙齿图像；并

利用除了用于提取候选的牙齿图像的牙齿特征元素之外的至少一种其它牙齿特征元素来搜索该候选的牙齿图像。

20.一种计算机可读记录介质，其上记录了第一程序，通过相对应地存储多人的牙齿图像和每个人至少一种牙齿特征元素来建立数据库；第二程序，用于在待识别的人的牙齿图像中分离出的嘴内部区域中提取上齿部分和下齿部分之间的一分界线，并基于该分界线提取上齿区域和下齿区域；第三程序，用于从所述上下齿区域中检测一种或多种牙齿特征元素；以及第四程序，用于基于该检测的一种或多种牙齿特征元素搜索该数据库，并根据待识别的人的牙齿图像和从该数据库中搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

21.一种利用牙齿图像的个人识别装置，包括：

牙齿图像数据库，用于相对应地存储多人的牙齿图像和每个人的至少一种牙齿特征元素；

牙齿图像采集单元，用于采集待识别的人的牙齿图像；

牙齿提取器，用于对该牙齿图像拾取单元提供的牙齿图像执行第一次阈值处理以分离出嘴内部区域，对嘴内部区域执行水平投影以在上齿部分和下齿部分之间提取一分界线，并基于该分界线提取牙齿区域；

特征检测器，用于对提取的牙齿区域执行垂直投影以检测将个人的牙齿与其他人的牙齿区分开的一种或多种牙齿特征元素；

搜索部件，用于利用该特征检测器检测出的多种牙齿特征元素中的至少一种来搜索牙齿图像数据库；和

识别部件，用于根据待识别的人的牙齿图像和从搜索部件搜索出的牙齿图像之间的相似性来判定识别通过或失败。

22.根据权利要求21的个人识别装置，其中该牙齿提取器从分别设置在该分界线上下的预定位置的籽点处扩展出与该每个籽点具有相似颜色的区域。

23.根据权利要求21的个人识别装置，其中该牙齿提取器基于该分界线设置预定的上部区域和预定的下部区域以具有矩形形状，并对该预定的上下部区域执行第二次阈值处理，以便提取牙齿区域。

24.根据权利要求21的个人识别装置，其中该特征检测器除了对牙齿区域进行垂直投影之外，还获得该提取的牙齿区域的亮度直方图。

25.根据权利要求21的个人识别装置，其中该搜索部件利用检测出的多种牙齿特征元素中的一种来搜索牙齿图像数据库以提取候选的牙齿图像，并利用除了用于提取候选的牙齿图像的牙齿特征元素之外的其它牙齿特征元素中的至少一种来搜索该候选的牙齿图像。

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