KR101862639B1 - Device and method for iris recognition using convolutional neural network - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 홍채 인식 장치에 관한 것으로, 구체적으로는 나선 신경망 기술(CNN; Convolutional Neural Network)을 이용하여 잡음이 포함된 홍채를 인식하는 장치 및 방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE
최근 홍채 인식 시스템이 금융거래, 출입통제 그리고 스마트폰 보안과 같은 분야에 많이 사용되고 있다. 홍채 인식 시스템은 뚜렷한 홍채 패턴을 얻기 위해서 근적외선 조명과 적외선 카메라로 구성되어 있다. 이러한 홍채 인식 시스템은 위조나 변조가 불가능한 장점이 있지만, 도 1과 같이 조명 반사광, 눈썹, 눈꺼풀 등에 의한 홍채 패턴 가림 현상으로 홍채 인식 정확도가 저하되는 단점이 있다. Recently, iris recognition systems have been widely used in fields such as financial transactions, access control, and smartphone security. The iris recognition system consists of near-infrared illumination and infrared camera to obtain a clear iris pattern. Such an iris recognition system is advantageous in that it can not be counterfeited or modulated. However, as shown in FIG. 1, there is a disadvantage in that iris recognition accuracy is lowered due to iris pattern blurring due to illumination reflected light, eyebrows and eyelids.
기존에 연구된 홍채 인식 시스템은, 가시광선 카메라를 이용하여 4m~8m 거리에서 취득한 도 2의 (a)와 같은 홍채 영상을 도 2의 (b)와 같이 이진화하여 잡음 요소를 제거함으로써 상술한 문제점을 해결하고자 하였다. 하지만, 상술한 방법은 다양한 잡음 요소를 모두 제거하는 것이 불가능하고, 잡음 제거 시 홍채 패턴도 함께 제거되는 문제점이 발생하였다.The iris recognition system that has been studied in the prior art is a system in which iris images as shown in Fig. 2 (a) obtained at a distance of 4 m to 8 m using a visible ray camera are binarized as shown in Fig. 2 (b) . However, the above-described method has a problem that it is impossible to remove various noise elements, and the iris pattern is also removed at the time of noise removal.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해, 도 2의 (d)와 같이 잡음 요소를 제거하지 않은 홍채 영상을 이용하여 인식률을 향상시키는 방안을 제안한다.In order to solve the above-described problems, the present invention proposes a method of improving the recognition rate by using an iris image in which a noise component is not removed as shown in (d) of FIG.
본 발명 기술에 대한 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2014-0141917호에 게시된 바 있다.Background Art of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2014-0141917.
본 발명은 가시광선 카메라를 통해 촬영한 눈 영상에서 홍채 영역에 포함된 조명 반사광, 눈썹, 눈꺼풀과 같은 잡음 제거 없이 인식 성능이 우수한 홍채 인식 장치 및 방법을 제공하는 것이다.The present invention provides an iris recognition apparatus and method which are superior in recognition performance without removing noise such as illumination reflected light, eyebrows and eyelids included in an iris region from an eye image photographed through a visible ray camera.
본 발명의 일 측면에 따르면, 홍채 인식 장치가 영상 촬영 장치를 통해 촬영된 눈 영상이 입력되는 눈 영상 입력부, 입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출하고, 상기 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 하나 이상 생성하여, 생성한 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화하는 눈 영상 전처리부, 정규화된 홍채 영상 및 눈 주변 영상에 딥러닝 기반의 나선 신경망 모델(Convolutional Neural Network)을 적용하여 홍채 인식을 수행하는 홍채 인식부를 포함할 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided an iris recognition apparatus including an eye image input unit into which an eye image imaged by an iris recognition apparatus is input through an image photographing apparatus, a pupil and an iris position in an input eye image, An eye image preprocessing unit for generating at least one image and an image around the eye and normalizing the size of the generated iris image and the eye surrounding image, a deep learning based spiral neural network model for the normalized iris image and the surrounding image, And an iris recognition unit for performing iris recognition by applying the iris recognition unit.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 홍채 검출 방법 및 이를 실행하는 컴퓨터 프로그램이 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an iris detection method and a computer program for executing the iris detection method.
본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 검출 방법 및 이를 실행하는 컴퓨터 프로그램은 영상 촬영 장치를 통해 촬영된 눈 영상이 입력되는 단계, 입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출하고, 검출된 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상과 눈 주변 영상을 생성하여, 상기 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화하는 전처리 단계, 정규화된 홍채 영상과 눈 주변 영상에 대해 나선 신경망 기반 학습을 수행하고, 학습 된 나선 신경망 모델을 기반으로 홍채 인식을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.The iris detection method and the computer program for executing the iris detection method in accordance with an embodiment of the present invention include the steps of inputting a photographed eye image through a photographing apparatus, detecting pupil and iris positions in the input eye image, A pre-processing step of generating an iris image and an eye-surrounding image based on the position, normalizing the size of the iris image and an eye-surrounding image, performing spiral-based neural network-based learning on a normalized iris image and an eye- And performing iris recognition based on the neural network model.
본 발명은 딥러닝(Deep Learning) 기반으로 다양한 잡음(조명 반사광, 눈썹, 눈꺼풀)이 포함된 눈 영상들을 학습한 나선 신경망 모델을 이용하여, 가시광선 카메라를 통해 촬영한 눈 영상에서 잡음 제거 없이 인식 성능이 우수한 홍채 인식 장치 및 방법을 제공할 수 있다.The present invention uses a spiral neural network model in which eye images including various noises (illumination reflected light, eyebrows, eyelids) are learned based on deep learning, It is possible to provide an iris recognition apparatus and method with excellent performance.
도 1은 홍채 인식 성능이 저하되는 홍채 영상의 잡음을 예시한 도면.
도 2는 종래 홍채 인식 장치에서 사용하는 홍채 영상과 본 발명의 홍채 인식 장치에서 사용하는 홍채 영상을 예시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 시스템을 설명하기 위한 도면.
도 4 ~ 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 장치를 설명하기 위한 도면들.
도 9 ~ 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 방법을 설명하기 위한 도면들.1 is a diagram illustrating noise of an iris image in which iris recognition performance is degraded;
2 is a diagram illustrating an iris image used in a conventional iris recognition apparatus and an iris image used in an iris recognition apparatus of the present invention.
3 is a view for explaining an iris recognition system according to an embodiment of the present invention.
4 to 8 are views for explaining an iris recognition apparatus according to an embodiment of the present invention.
9 to 14 are views for explaining an iris recognition method according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서 및 청구항에서 사용되는 단수 표현은, 달리 언급하지 않는 한 일반적으로 "하나 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and similarities. It is to be understood, however, that the invention is not to be limited to the specific embodiments, but includes all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the singular phrases used in the present specification and claims should be interpreted generally to mean "one or more " unless otherwise stated.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings, wherein like reference numerals refer to like or corresponding components throughout. .
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 시스템을 설명하기 위한 도면이고, 도 4 내지 도 8은 홍채 인식 장치를 설명하기 위한 도면들이다.FIG. 3 is a view for explaining an iris recognition system according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 to 8 are views for explaining an iris recognition apparatus.
도 3을 참조하면, 홍채 인식 시스템은 영상 촬영 장치(10) 및 홍채 인식 장치(20)를 포함한다. Referring to FIG. 3, the iris recognition system includes a
영상 촬영 장치(10)는 가시광선 카메라를 이용하여 사용자의 눈 영역을 촬영하고, 촬영된 눈 영상을 홍채 인식 장치(20)로 입력한다.The
홍채 인식 장치(20)는 입력된 눈 영상에 딥러닝 기반의 나선 신경망 모델(Convolutional Neural Network)을 적용하여 홍채를 인식한다.The
홍채 인식 장치(20)는 눈 영상 입력부(100), 눈 영상 전처리부(200) 및 홍채 인식부(300)를 포함한다. The
눈 영상 입력부(100)는 영상 촬영 장치를 통해 촬영된 눈 영상이 입력된다.The eye
눈 영상 전처리부(200)는 입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출하여, 상기 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 하나 이상 생성하고, 생성한 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화한다. The eye
도 4를 참조하면, 눈 영상 전처리부(200)는 동공 및 홍채 위치 검출부(210), 홍채 및 눈 주변 영상 생성부(220) 및 홍채 및 눈 주변 영상 정규화부(230)를 포함한다. 4, the eye
동공 및 홍채 위치 검출부(210)는 입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출한다. 이때, 동공 및 홍채 위치 검출부(210)는 원형 경계 검출기(CED: circular edge detector)를 이용하여 동공 및 홍채의 중심 좌표와 반경을 계산함으로써 동공 및 홍채 위치를 검출할 수 있다.The pupil and iris
홍채 및 눈 주변 영상 생성부(220)는 검출된 동공 및 홍채 위치를 이용하여 홍채 영상 눈 주변 영상을 생성한다. 여기서 홍채 및 눈 주변 영상 생성부(220)는 동공 위치에서 홍채 반경을 확대하여 적어도 하나의 눈 주변 영상을 생성할 수 있다.The iris and eye surrounding
홍채 및 눈 주변 영상 정규화부(230)는 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 극좌표계 변환에 의해 미리 설정된 크기의 비정방형 영상으로 정규화한다. 예를 들면, 정규화부(230)는 직교 좌표계의 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 극좌표계로 변환하여 256(가로) × 8(세로)의 크기로 정규화할 수 있다. 또한, 정규화부(230)는 홍채 영상 및 눈 주변 영상의 화소 밝기값을 정규화할 수 있다.The iris and eye surrounding
홍채 인식부(300)는 정규화된 홍채 영상 및 눈 주변 영상에 딥러닝 기반의 나선 신경망 모델을 적용하여 홍채 인식을 수행한다.The
도 5를 참조하면, 홍채 인식부(300)는 나선 신경망 모델링부(310), 스코어 레벨 결합부(320) 및 유사도 판단부(330)를 포함한다.Referring to FIG. 5, the
나선 신경망 모델링부(310)는 미리 설정한 스케일의 홍채 영상 및 눈 주변 영상 각각에 나선 신경망 모델을 적용하여 복수의 특징 벡터 추출한다. 나선 신경망 모델링부(310)는 도 6 및 도 7에서 보다 상세히 설명하도록 한다.The spiral neural
스코어 레벨 결합부(320)는 복수의 특징 벡터를 결합하여 하나의 최종 특징 벡터를 추출한다.The score
유사도 판단부(330)는 최종 특징 벡터와 기 등록된 특징 벡터 간의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 산출하여 홍채 인식을 수행한다.The
도 6 및 도 7을 참조하면, 나선 신경망 모델링부(310)는 영상 입력 레이어(311), 특징 추출 레이어(312) 및 분류 레이어(313)을 포함한다.Referring to FIGS. 6 and 7, the spiral neural
영상 입력 레이어(311)는 미리 설정한 스케일의 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 입력한다.The
특징 추출 레이어(312)는 입력한 홍채 영상 및 눈 주변 영상에 나선 신경망 모델을 적용하여 특징을 추출한다. 이때, 입력한 홍채 영상 및 눈 주변 영상의 스케일은 256(가로) × 8(세로)의 크기로, 일반적인 신경망 모델에 적용하기에는 세로의 크기가 매우 작다. 이러한 크기는, 정방향 필터를 사용하는 일반적인 신경망 모델에서 콘볼루션(convolution)을 불가능하게 만든다. 따라서, 본 발명에서는 홍채 인식에 적합하도록 비정방형 필터를 학습하는 나선 신경망 모델을 설계하였다. 예를 들면, 특징 추출 레이어는 1 by 13 혹은 1 by 11 크기의 비정방형 필터를 사용할 수 있다. The
특징 추출 레이어(312)는 (1) 8개의 콘벌루션 레이어 및 (2) 일괄 정규화(Batch Normalization) 레이어들을 포함할 수 있고, (3) 각각의 콘벌루션 레이어들은 교정 선형 유닛(Rectified Linear Unit) 레이어와 함께 하고, (4) 4개의 최대 풀링(Max pooling) 레이어를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 콘벌루션 레이어는 8×256×3 픽셀의 이미지가 입력되며, 1×13×1 크기의 64개의 필터를 이용하여 1픽셀 간격으로 콘벌루션화될 수 있다. 제1 콘벌루션 레이어에서 특징 맵의 크기는 출력 높이(또는 너비)= 입력 높이(또는 너비)- 필터 높이(또는 너비)+2×패딩)/스트라이드+1 등식에 의해 8(=((8-1+2×0)/1+1))×244(=((256-13+2×0)/1+1))×64로 계산된다. 이로부터, 제1 콘벌루션 레이어에서 출력된 특징 맵은 일괄 정규화(Batch Normalization) 레이어 및 교정 선형 유닛(ReLU) 레이어를 거쳐 제2 콘벌루션 레이어에 입력될 될 수 있다. 홍채 인식 장치(20)는 일괄 정규화(Batch Normalization) 레이어를 사용함으로써 학습 속도를 향상시킬 수 있다. 제2 콘벌루션 레이어에는 1×13×1 크기의 64개의 필터를 이용하여 8×232×64 크기의 특징 맵을 출력한다. 그 후, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거쳐, 1 픽셀 간격으로 적용하는 1×2 크기의 필터들을 포함하는 제1 맥스 풀링 레이어에 의해 처리되어 8×116×64의 크기로 다운샘플링된다. 8×116×164 픽셀의 이미지는 제3 콘벌루션 레이어에 입력되며, 1×13 크기의 필터를 128개의 필터를 이용하여 1픽셀 간격으로 콘벌루션화된다. 제3 콘벌루션 레이어의 출력들은 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거쳐 제4 콘벌루션 레이어에 입력되고, 다시 1×13 크기의 필터를 128개의 필터를 이용하여 1픽셀 간격으로 콘벌루션화될 수 있다. 제3 콘벌루션 레이어에서 출력된 특징 맵은 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거쳐 제4 콘벌루션 레이어에 입력된다. 제4 콘벌루션 레이어는 8×104×128 특징 맵이 입력되고, 1×13 크기의 필터를 128개의 필터를 이용하여 1픽셀 간격으로 콘벌루션화하여, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거친 후, 1 픽셀 간격으로 적용하는 1×2 크기의 필터들을 포함하는 제2 맥스 풀링 레이어에 의해 처리되어 8×46×128의 크기로 다운샘플링된다. 제5 콘벌루션 레이어는 8×46×128 크기의 특징 맵을 1×11×1 크기의 256개의 필터, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거쳐 8×36×256 크기의 특징 맵을 출력한다. 제6 콘벌루션 레이어는 8×36×256 크기의 특징 맵을 1×11×1 크기의 256개의 필터, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거친 후, 1 픽셀 간격으로 적용하는 1×2 크기의 필터들을 포함하는 제3 맥스 풀링 레이어에 의해 처리되어 8×13×256의 크기로 다운샘플링된다. 제7 콘벌루션 레이어는 8×13×256 크기의 특징 맵을 3×3×1 크기의 512개의 필터, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거쳐 6×11×512 크기의 특징 맵을 출력한다. 제8 콘벌루션 레이어는 6×11×512 크기의 특징 맵을 3×3×1 크기의 512개의 필터, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 거친 후, 1 픽셀 간격으로 적용하는 1×2 크기의 필터들을 포함하는 제4 맥스 풀링 레이어에 의해 처리되어 4×5×512의 크기로 다운샘플링된다. 8개의 콘벌루션 레이어를 통해 최종적으로 4×5×512 크기의 특징 맵이 제1 완전 연결 레이어의 입력으로 이용될 수 있다.The
또한, 특징 추출 레이어(312)는 콘벌루션 레이어들 다음으로 3개의 완전 연결(Fully connected) 레이어 집합들을 더 포함할 수 있다. 처음 1개의 완전 연결 레이어 집합들에는 완전 연결 레이어, 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제2 완전 연결 레이어 집합들에는 일괄 정규화 레이어 및 교정 선형 유닛 레이어를 포함할 수 있고, 제3 완전 연결 레이어 집합에는 소프트맥스(Softmax) 레이어를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 완전 연결 레이어는 512 및 4096 노드들을 입력 및 출력으로 각각 가질 수 있다. 제2 완전 연결 레이어는 4096 및 4096 노드들을 입력 및 출력으로 각각 가질 수 있다. 제3 완전 연결 레이어는 4096 및 N(N은 자연수)개의 노드들을 입력 및 출력으로 가질 수 있으며, 이는 소프트맥스 함수를 통하여 최종적으로 얻어질 수 있다. In addition, the
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 장치(20)는 눈 영상을 학습하는 경우와 눈 영상을 인증하는 경우에 따라 특징 추출 레이어(312)를 변경하여 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 장치(20)는 상술한 나선 신경망 모델을 이용하여 다양한 눈 영상을 학습할 경우, 도 8의 (a)와 같이 8개의 특징 추출 레이어(312) 및 제1 내지 제3 완전 연결 레이어를 통해 출력된 특징 벡터를 사용하여 미리 설정된 수의 클래스로 분류할 수 있다. 반면, 홍채 인식 장치(20)는 학습된 나선 신경망 모델을 이용하여 입력된 눈 영상을 인식할 경우, 8개의 특징 추출 레이어(312) 및 도 8의 (b)와 같이 제1 완전 연결 레이어를 통해 출력된 특징 벡터를 인식에 사용할 수 있다. 이를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 장치(20)는 나선 신경망 모델이 입력된 훈련 데이터에 지나치게 편중되어 학습 결과가 일반성을 잃는 과적합(overfitting) 현상을 해결할 수 있다.Referring to FIG. 8, the
분류 레이어(313)는 나선 신경망 모델을 적용하여 추출한 특징에 의해 미리 설정한 수의 클래스로 분류한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 분류 레이어(313)는 나선 신경망 모델을 이용하여 다양한 눈 영상을 학습할 경우에 제3 완전 연결 레이어 및 소프트맥스 함수를 통하여 최종적으로 얻어진 특징 벡터를 미리 설정한 수의 클래스로 분류할 수 있다.The
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 홍채 인식 방법을 설명하기 위한 도면들이다.9 to 14 are views for explaining an iris recognition method according to an embodiment of the present invention.
도 9를 참조하면, 단계 S910에서 홍채 인식 장치(20)는 영상 촬영 장치(10)를 통해 촬영된 눈 영상이 입력된다. 여기서, 눈 영상은 가시광선 카메라를 통해 촬영된 눈 영상이다.Referring to FIG. 9, in step S910, the
단계 S920에서 홍채 인식 장치(20)는 입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출한다. 홍채 인식 장치(20)는 예를 들면, 식(1)과 같이 원형 경계 검출기(CED: circular edge detector)를 이용하여 동공과 홍채의 중심 좌표와 반경을 계산함으로써 동공 및 홍채 위치를 검출할 수 있다.In step S920, the
(1) (One)
식 (1)에서 (x, y)는 홍채의 중심 좌표, (x', y')는 동공의 중심 좌표, r은 홍채 반경, r'은 동공 반경을 의미한다. 홍채 인식 장치(20)는 와 범위에서 홍채의 중심 좌표와 반경을 조금씩 변화시키면서 영상의 화소 밝기 변화량이 가장 크게 되는 중심과 반지름을 찾음으로써 홍채 위치를 검출할 수 있다. 또한, 홍채 인식 장치(20)는 0~ 범위에서 동공의 중심 좌표와 반경을 조금씩 변화시키면서 영상의 화소 밝기 변화량이 가장 크게 되는 중심과 반지름을 찾음으로써 동공 위치를 검출할 수 있다.In (1), (x, y) is the center of the iris, (x ', y') is the pupil center, r is the iris radius, and r 'is the pupil radius. The
단계 S930에서 홍채 인식 장치(20)는 검출된 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상과 눈 주변 영상을 생성한다. 도 10을 참조하면, 홍채 인식 장치(20)는 도 10의 (a)와 같이 동공 위치 1010과 홍채 위치 1020을 검출하여 홍채 영상을 생성할 수 있다. 또한, 홍채 인식 장치(20)는 동공의 중심 좌표를 기준으로 홍채 반경을 변경하여, 도 9의 (b) 및 (c)와 같이 공막, 눈꺼풀, 속눈썹을 포함한 눈 주변 영상을 하나 이상 생성할 수 있다. In step S930, the
단계 S940에서 홍채 인식 장치(20)는 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화한다. 도 11을 참조하면, 홍채 인식 장치(20)는 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 극좌표계 변환에 의해 미리 설정된 크기의 비정방형 영상으로 정규화한다. 예를 들면, 홍채 인식 장치(20)는 도 11의 (a)와 같이 직교 좌표계의 홍채 영상에서 로우(ρ)와 세타(σ)를 도 11의 (b)와 같이 극좌표계로 변환하여 256(가로) × 8(세로)의 크기로 정규화할 수 있다. In step S940, the
단계 S950에서 홍채 인식 장치(20)는 정규화된 홍채 영상과 눈 주변 영상 각각에 학습된 나선 신경망 모델을 적용하여 홍채 특징 벡터 및 눈 주변 특징 벡터를 추출한다. 여기서 학습 된 나선 신경망 모델은 앞서 도 7 및 도 8을 참조하여 설명한 방법과 같다. In step S950, the
단계 S960에서 홍채 인식 장치(20)는 스코어 레벨 결합(weighted product rule)을 통해 홍채 특징 벡터 및 눈 주변 특징 벡터를 결합하여 최종 특징 벡터를 생성한다. 도 12를 참조하면, 홍채 인식 장치(20)는 하나의 홍채 영상과 두 개의 눈 주변 영상 각각에 나선 신경망 모델을 적용하여 세 개의 특징 벡터를 출력하고, 출력된 세 개의 특징 벡터 각각에 식(2)와 같이 가중치를 적용하여 하나의 최종 특징 벡터를 생성할 수 있다.In step S960, the
식(2)에서 V는 스코어 레벨 결합에 의해서 계산된 최종 매칭 스코어, B는 홍채 영역에서 계산된 매칭 스코어, A와 C는 눈 주변 영역에서 계산된 매칭 스코어를 의미한다.In Equation (2), V is the final matching score calculated by the score level combination, B is the matching score calculated in the iris region, and A and C are the matching scores calculated in the area around the eye.
단계 S970에서 홍채 인식 장치(20)는 최종 특징 벡터와 기 등록된 특징 벡터 간의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 산출하여 유사도 판단을 통해 홍채 인식을 수행한다. 예를 들면, 홍채 인식 장치(20)는 특징 벡터 (A, B)의 요소간의 유클리드 거리의 합이 작을수록 인트라 클래스(intra-class)로, 유클리드 거리의 합이 클수록 인터 클래스(inter-class)로 분류한다.In step S970, the
홍채 인식 장치(20)는 나선 신경망 모델의 학습 및 검증을 위해, NICE.II(Noisy Iris Challenge Evaluation-Part II)데이터셋을 사용하였다. 표 1을 참조하면, NICE.II 데이터셋은 400 × 300 픽셀 크기로 이뤄진 1000장의 눈 영상을 포함한 171개의 클래스로 구성된다. 해당 눈 영상은 가시광선 카메라와의 거리가 4m에서 8m 떨어진 거리에서 걷는 사람을 촬영하여 취득한 영상으로, 회전(rotation), 저해상도(low illumination), 흐림(blurring) 그리고 오프각(off-angle)같은 잡음이 포함되어 있다. 학습을 위해, 하기 표 1과 같이 데이터셋을 반으로 나누어 86개의 클래스를 포함하는 A그룹과 85개의 클래스를 포함하는 B그룹으로 구성하였다.The
before data augmentationbefore data augmentation
after data augmentationafter data augmentation
홍채 인식 장치(20)는 앞서 도 10 및 도 11에서 설명한 바와 같이 한 장의 눈 영상으로부터 홍채 반경을 계산하여 하나의 홍채 영상과 홍채 반경을 변화시켜 두 개의 눈 주변 영상 생성한다. 이러한 방법으로, 한 장의 이미지를 배 확장하여 총 81,000장의 데이터셋을 구성할 수 있다.The
홍채 인식 장치(20)는 직교 좌표계의 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 극좌표계 변환에 의해 256(가로) × 8(세로) 픽셀 크기의 비정방형 영상으로 정규화하여 나선 신경망 모델의 학습 및 검증에 이용하였다. The
홍채 인식 장치(20)는 카페 프레임워크(Caffe framework) 방법으로 나선 신경망 모델을 학습하였다. 여기서 카페 프레임워크 방법에 사용된 매개변수 값은 Momentum=0.9, Momentum2=0.999, Epsilon=1e-08, Batch size=128, Epoch=60~65, Bias=0이다. 여기서 나선 신경망 모델의 학습은 앞서 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명한 방법과 같다.The
홍채 인식 장치(20)는 학습 된 나선 신경망 모델의 검증을 위해, 상술한 데이터셋의 A그룹과 B그룹을 교차 검증(Cross validation)하여 도 13과 같이 평균 오차율(EER; Equal Error Rate) 및 결정가능성 값(Decidability value)을 측정하였다. 여기서, EER은 타인 수락률(FAR; False Acceptance Rate) 및 본인 거부율(FRR; False Rejection Rate)이 같아지는 순간의 평균 오차율을 의미하고, Decidability value는 논리학에서 어떤 술어의 참 또는 거짓을 결정적으로 판단할 수 있는 가능성 값으로 식(3)을 통해 산출할 수 있다. The
(3) (3)
식(3)에서 는 결정가능성 값, 는 본인수락률의 평균, 는 타인 수락률의 평균, 는 본인수락률의 표준편차, 는 타인수락률의 표준편차를 의미한다.In equation (3) Lt; / RTI > Is the average of the acceptance rate, The average of the acceptance rate of others, Is the standard deviation of the acceptance rate, Is the standard deviation of the acceptance rate of the other person.
실험 결과, A그룹을 학습하여 B그룹을 검증한 경우는 EER이 8.462%, d'는 2.8697이였고, B를 학습하여 A그룹에 검증한 경우는 EER이 12.2576%, d'는 2.3752이였다.As a result of the experiment, when A group was studied and B group was verified, EER was 8.462% and d 'was 2.8697. When A group was studied, A and E were 12.2576% and 2.3752, respectively.
도 14를 참조하면, 본 발명에 따른 홍채 인식 장치는 평균 결정가능성 값(Decidability value)이 2.6225로, NICE.II데이터를 이용하여 홍채 인식을 수행한 타 연구에 비해 높은 홍채 인식 정확도를 보였다.Referring to FIG. 14, the iris recognition apparatus according to the present invention has an average irreducible value of 2.6225, which is higher than other iris recognition methods using NICE.II data.
본 발명의 실시 예에 따른 홍채 인식 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 또한, 상술한 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The iris recognition method according to an embodiment of the present invention may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. Program instructions to be recorded on a computer-readable medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the computer software arts. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Includes hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media and ROM, RAM, flash memory, and the like. The above-mentioned medium may also be a transmission medium such as optical or metal lines, waveguides, etc., including a carrier wave for transmitting a signal designating a program command, a data structure and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments of the present invention have been described above. It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. Therefore, the disclosed embodiments should be considered in an illustrative rather than a restrictive sense. The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than by the foregoing description, and all differences within the scope of equivalents thereof should be construed as being included in the present invention.
10: 영상촬영장치
20: 홍채 인식 장치
100: 눈 영상 입력부
200: 눈 영상 전처리부
300: 홍채 인식부10: Video shooting device
20: iris recognition device
100: eye image input unit
200: eye image preprocessing unit
300: iris recognition unit
Claims (12)
상기 홍채 인식 장치는,
영상 촬영 장치를 통해 촬영된 눈 영상이 입력되는 눈 영상 입력부;
입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출하고, 상기 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 하나 이상 생성하여, 생성한 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화하는 눈 영상 전처리부; 및
정규화된 홍채 영상 및 눈 주변 영상에 딥러닝 기반의 나선 신경망 모델(Convolutional Neural Network)을 적용하여 홍채 인식을 수행하는 홍채 인식부를 포함하며,
상기 눈 영상 전처리부는
하나 이상의 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 극좌표계 변환에 의해 미리 설정된 크기의 비정방형 영상으로 정규화하는 것을 특징으로 하고,
상기 홍채 인식부는
미리 설정한 스케일의 홍채 영상 및 눈 주변 영상에 나선 신경망 모델을 적용하여 홍채 특징 벡터 및 눈 주변 특징 벡터를 추출하는 나선 신경망 모델링부;
상기 홍채 특징 벡터 및 눈 주변 특징 벡터를 결합하여 최종 특징 벡터를 추출하는 스코어 레벨 결합부; 및
최종 특징 벡터와 기 등록된 특징 벡터 간의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 산출하여 홍채 인식을 수행하는 유사도 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 홍채 인식 장치.
In the iris recognition apparatus,
Wherein the iris recognition device comprises:
An eye image input unit to which an eye image photographed through the image photographing apparatus is input;
An eye image preprocessing unit for detecting pupil and iris positions in the input eye image, generating at least one iris image and an eye surrounding image based on the pupil and iris positions, and normalizing the size of the generated iris image and the eye surrounding image, ; And
And an iris recognition unit for performing iris recognition by applying a deep learning based convolutional neural network to the normalized iris image and the eye surrounding image,
The eye image pre-
Wherein at least one iris image and an eye surrounding image are normalized into a non-square image of a predetermined size by a polar coordinate system transformation,
The iris recognition unit
A spiral neural network modeling unit for extracting an iris feature vector and an eye feature vector by applying a spiral neural network model to an iris image and an eye peripheral image of a predetermined scale;
A score level combining unit for combining the iris feature vector and the eye feature vector to extract a final feature vector; And
And a similarity determination unit for performing iris recognition by calculating an Euclidean distance between the final feature vector and the previously registered feature vector.
나선 신경망 기반 나선 신경망 모델링부는
미리 설정한 스케일의 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 입력하는 영상 입력 레이어;
입력한 홍채 영상 및 눈 주변 영상에 나선 신경망 모델을 적용하여 특징을 추출하는 특징 추출 레이어; 및
상기 추출한 특징에 의해 홍채를 N(N은 자연수)개의 그룹 중 하나로 분류하는 분류 레이어를
포함하는 홍채 인식 장치.
The method of claim 3,
The spiral neural network-based spiral neural network modeling department
An image input layer for inputting an iris image and an eye surrounding image of a predetermined scale;
A feature extraction layer for extracting features by applying a spiral neural network model to an input iris image and an eye surrounding image; And
According to the extracted feature, a classification layer for classifying the iris into one of N (N is a natural number)
/ RTI >
상기 특징 추출 레이어는
8개의 콘벌루션 레이어 집합 및 3개의 완전 연결 레이어 집합을 포함하는 홍채 인식 장치.
5. The method of claim 4,
The feature extraction layer
An iris recognition device comprising eight convolution layer sets and three fully connected layer sets.
상기 8개의 콘벌루션 레이어 집합은
8×256×3 픽셀의 이미지가 입력되며, 1×13×1 크기의 64개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제1 콘벌루션 레이어;
상기 제1 콘벌루션 레이어에서 출력한 8×244×64 픽셀을 1×13×1 크기의 64개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제2 콘벌루션 레이어;
1×2 크기의 필터를 적용하여 8×116×64 픽셀을 출력하는 제1 맥스 풀링 레이어;
상기 8×116×64 픽셀을 1×13×1 크기의 128개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제3 콘벌루션 레이어;
상기 제3 콘벌루션 레이어에서 출력한 크기 8×104×128 픽셀을 1×13×1 크기의 128개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제4 콘벌루션 레이어;
1×2 크기의 필터를 적용하여 8×46×128 픽셀을 출력하는 제2 맥스 풀링 레이어;
상기 8×46×128 픽셀을 1×11×1 크기의 256개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제5 콘벌루션 레이어;
상기 제5 콘벌루션 레이어에서 출력한 크기 8×36×256 픽셀을 1×11×1 크기의 256개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제6 콘벌루션 레이어;
1×2 크기의 필터를 적용하여 8×13×256 픽셀을 출력하는 제3 맥스 풀링 레이어;
상기 8×13×256 픽셀을 크기 3×3×1 크기의 512개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제7 콘벌루션 레이어;
상기 제7 콘벌루션 레이어에서 출력한 크기 6×11×512 픽셀을 3×3×1 크기의 512개의 필터를 이용하여 콘벌루션화하는 제8 콘벌루션 레이어; 및
1×2 크기의 필터를 적용하여 4×5×512 픽셀을 출력하는 제4 맥스 풀링 레이어;
를 포함하는 홍채 인식 장치.
6. The method of claim 5,
The eight convolution layer sets
A first convolution layer into which 8 × 256 × 3 pixels of image are input and convolutes using 64 filters of 1 × 13 × 1 size;
A second convolution layer for convolutioning 8 × 244 × 64 pixels output from the first convolution layer using 64 × 1 × 13 × 1 filters;
A first Max-Pulling layer for applying a 1x2 filter to output 8x116 pixels;
A third convolution layer for convolutioning the 8 × 116 × 64 pixels using 128 filters of 1 × 13 × 1 size;
A fourth convolution layer for convoluting 8 × 104 × 128 pixels output from the third convolution layer using 128 filters of 1 × 13 × 1 size;
A second max-pulling layer applying a 1x2 filter to output 8x46x128 pixels;
A fifth convolution layer for convolutioning the 8 × 46 × 128 pixels using 256 × 1 × 11 × 1 filters;
A sixth convolution layer for convoluting 8 × 36 × 256 pixels output from the fifth convolution layer using 256 filters of 1 × 11 × 1 size;
A third Max-Pulling layer applying a 1x2 filter to output 8x13x256 pixels;
A seventh convolution layer for convoluting the 8x13x256 pixels using 512 filters of size 3x3x1;
An eighth convolution layer for convoluting 6 × 11 × 512 pixels output from the seventh convolution layer using 512 filters of 3 × 3 × 1 size; And
A fourth Max-Pulling layer for outputting 4x5x512 pixels by applying a 1x2 filter;
And an iris recognition device.
상기 특징 추출 레이어는
각각의 콘벌루션 레이어 및 완전 연결 레이어에 일괄 정규화(Batch Normalization) 레이어 또는 교정 선형 유닛(Rectified Linear Unit)를 더 포함하는 홍채 인식 장치.
6. The method of claim 5,
The feature extraction layer
Further comprising a Batch Normalization layer or a Rectified Linear Unit in each of the convolution layer and the fully connected layer.
상기 3개의 완전 연결 레이어 집합은
512 및 4096 노드들을 각각 입력 및 출력으로 하는 제1 완전 연결 레이어;
4096 및 4096노드들을 각각 입력 및 출력으로 하는 제2 완전 연결 레이어; 및
4096 및 N(N은 자연수)개의 노드들을 각각 입력 및 출력으로 하는 제3 완전 연결 레이어를 포함하는 홍채 인식 장치.
6. The method of claim 5,
The three fully connected layer sets
A first full connection layer having 512 and 4096 nodes as inputs and outputs, respectively;
A second full connection layer having 4096 and 4096 nodes as inputs and outputs, respectively; And
4096, and N (N is a natural number) nodes as inputs and outputs, respectively.
상기 홍채 인식 방법은,
영상 촬영 장치를 통해 촬영된 눈 영상이 입력되는 단계;
입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출하고, 검출된 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상과 눈 주변 영상을 생성하여, 상기 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화하는 전처리 단계; 및
정규화된 홍채 영상과 눈 주변 영상에 대해 나선 신경망 기반 학습을 수행하고, 학습된 나선 신경망 모델을 기반으로 홍채 인식을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 정규화된 홍채 영상과 눈 주변 영상에 대해 나선 신경망 기반 학습을 수행하고, 학습된 나선 신경망을 기반으로 홍채 인식을 수행하는 단계는,
데이터 세트에 포함된 홍채 영상 및 눈 주변 영상을 N(N은 자연수)개의 클래스로 분류하는 단계;
상기 데이터 세트에 포함된 홍채 영상 및 눈 주변 영상의 크기를 극좌표계 변환에 의해 미리 설정된 크기로 변형하는 단계;
변형한 눈 영상을 이용하여 나선 신경망 모델을 학습시키는 단계; 및
상기 학습된 나선 신경망 모델을 이용하여 홍채 인식을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 홍채 인식 방법.
In the iris recognition method,
In the iris recognition method,
A step of inputting a snow image photographed through a video image pickup device;
A preprocessing step of detecting pupil and iris positions in the input eye image, generating an iris image and an eye surrounding image based on the detected pupil and iris positions, and normalizing the size of the iris image and the eye surrounding image; And
Performing spiral-based neural network-based learning on the normalized iris image and an eye surrounding image, and performing iris recognition based on the learned spiral neural network model,
Performing the spiral neural network-based learning on the normalized iris image and the eye surrounding image, and performing the iris recognition based on the learned spiral neural network,
Classifying the iris image and the eye surrounding image included in the data set into N (N is a natural number) classes;
Transforming the size of the iris image and the eye surrounding image included in the data set into a predetermined size by polar coordinate transformation;
Learning a spiral neural network model using modified eye images; And
And performing iris recognition using the learned spiral neural network model.
상기 홍채 인식 방법은,
영상 촬영 장치를 통해 촬영된 눈 영상이 입력되는 단계;
입력된 눈 영상에서 동공 및 홍채 위치를 검출하고, 검출된 동공 및 홍채 위치를 기반으로 홍채 영상과 눈 주변 영상을 생성하여, 상기 홍채 영상과 눈 주변 영상의 크기를 정규화하는 전처리 단계; 및
정규화된 홍채 영상과 눈 주변 영상에 대해 나선 신경망 기반 학습을 수행하고, 학습된 나선 신경망 모델을 기반으로 홍채 인식을 수행하는 단계를 포함하며,
상기 홍채 인식을 수행하는 단계는,
상기 학습된 나선 신경망을 기반으로 홍채 특징 벡터 및 눈 주변 특징 벡터를 추출하는 단계;
상기 홍채 특징 벡터와 상기 눈 주변 특징 벡터를 스코어 레벨 결합을 통해 최종 특징 벡터를 생성하는 단계; 및
상기 최종 특징 벡터와 기 등록된 특징 벡터 간의 유클리드 거리(Euclidean distance)를 산출하여 유사도 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홍채 인식 방법.
In the iris recognition method,
In the iris recognition method,
A step of inputting a snow image photographed through a video image pickup device;
A preprocessing step of detecting pupil and iris positions in the input eye image, generating an iris image and an eye surrounding image based on the detected pupil and iris positions, and normalizing the size of the iris image and the eye surrounding image; And
Performing spiral-based neural network-based learning on the normalized iris image and an eye surrounding image, and performing iris recognition based on the learned spiral neural network model,
Wherein the performing the iris recognition comprises:
Extracting an iris feature vector and an eye feature vector based on the learned spiral neural network;
Generating a final feature vector through score level combination of the iris feature vector and the eye feature vector; And
Further comprising calculating an Euclidean distance between the final feature vector and the pre-registered feature vector to determine a degree of similarity.
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