JP2003075135A - 指紋画像入力装置および指紋画像による生体識別方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 信頼性が高い生体識別機能を内蔵し携帯機器
へ搭載できる程度に十分な小型の指紋画像入力装置を得
る。 【解決手段】 検査面に指を押し付けて複数の指紋画像
を連続して入力するカラー画像センサ１０と、複数の指
紋画像の入力と同期して指の色を検出する色情報抽出部
４０と、複数の指紋画像を入力する時に指からカラー画
像センサ１０に加わる力を反映した物理量、特に検査面
に接触する指の面積に関連した量を検出する面積情報抽
出部３０と、物理量と指の色との間の相関関係を解析す
ることにより指が生体か否かを判定する生体識別部６０
とを有する。本構成では、例え色の変化量の絶対値が小
さくても、指紋の面積のような指の押圧力を反映した情
報との間に十分な相関が認められれば生体と識別するこ
とが可能となる。また、指紋入力部の厚さは、平面状光
源とカラー画像センサの厚さの和で決まり、約１〜２ｍ
ｍ程度の厚さになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、指紋画像入力装置
および指紋画像による生体識別方法に関し、特に、指に
加える圧力に応じて指の色が変化することを利用して読
み取り対象の指が生体のものか否かを識別する、生体識
別機能を備えた指紋画像入力装置および指紋画像による
生体識別方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、指紋画像入力装置および指紋画像
による生体識別方法は、例えば、生体にも死体にも適用
され用いられる。この適用において、指が生体であるか
否かを判別することにより、指の模造品（レプリカ）に
よる個人照合を阻む機能を生じさせ、情報システムのセ
キュリティを確保する手段として大きな期待が寄せられ
ている。

【０００３】本発明と技術分野の類似する先願発明例１
として、生体識別機能を持つ特許２７０８０５１号（特
開平３−０８７９８１号公報）の「指紋像入力装置」が
ある。本従来例１としての特許２７０８０５１号に開示
されている装置の主要な構成要素を、図１４に示す。こ
の指紋画像入力装置は、光源１０１、透明体１０２、鏡
１０２ａ、レンズ１０３、絞り１０３ａ、カラーＣＣＤ
１０４、指紋画像入力処理部１０５、画像取り込み回路
１０５ａ、指紋照合回路１０５ｂ、生体識別部１０６、
色ずれ補正回路１０６ａ、色識別回路１０６ｂ、Ｒ・Ｇ
・Ｂ分離回路１０７、とで構成される。

【０００４】次に、図１４を参照しながら動作を説明す
る。光源１０１から発せられた光は、透明体１０２を透
過して指を照明する。指で散乱された光の一部は、図１
４の矢印で示した方向へ伝播し、鏡１０２ａで反射さ
れ、絞り１０３ａに至る。絞り１０３ａを通過した光
は、レンズ１０３によりカラーＣＣＤ１０４に結像され
る。カラーＣＣＤ１０４の出力信号はＲ・Ｇ・Ｂ分離回
路１０７により３色の画像情報に分離され、生体識別部
１０６に入力される。生体識別部１０６においては、指
の押圧力の増加による色の変化を検出し、指が生体のも
のであるか否かを識別する。

【０００５】具体的には、指が検査面に接触した瞬間の
分光反射特性と、指が検査面に押圧された時の分光反射
特性との違いを利用する。すなわち、人の指の分光反射
率は、特に、波長４５０〜６００ｎｍの範囲において押
圧時と無圧時との差が大きくなる。したがって、指が検
査面に接触した瞬間の指紋画像は赤味を帯びており、検
査面に対して指の押圧力が大きい場合の指紋画像は、白
っぽい色になる。色ずれ補正回路１０６ａと色識別回路
１０６ｂにおいては、このような押圧力の異なる２つの
指紋画像における色の変化を検出し、指が生体か否かを
識別するとしている。生体と識別された場合には、指紋
画像入力処理部１０５の指紋照合回路１０５ｂにおい
て、予め登録された指紋と照合する。

【０００６】先願発明例２の特許第２７７４３１３号
（特開平２−３０７１７６号公報）の「生体識別装置」
は、透明体上に指を押し付けた際の押圧力により指表面
の色が変化するのを利用し、光源から透明体を介して指
に光を照射し反射させ、反射された光の反射率変化に基
づいて指が生体であるか否かを識別する生体識別機能を
備えた生体識別装置である。本識別装置において、押し
付けられる上面側とは反対側の透明体下面上方に光源、
受光素子、結像素子および波長選択素子を配置し、透明
体下面下方に導光手段および光偏向手段を配置すること
により、装置の薄型化を実現している。

【０００７】先願発明例３の特開２０００−２０６８４
号公報の「指紋像入力装置」は、生体識別用光源で検査
面に接触された指にプローブ光と参照光とを照射し、透
過光で検出手段でプローブ光が指の内部を透過した透過
プローブ光の光強度に応じた電気信号と、参照光が指の
内部を透過した透過参照光の光強度に応じた電気信号と
を出力し、生体識別手段で透過光検出手段から出力され
た両電気信号に応じた透過プローブ光の光強度と透過参
照光の光強度とから、検査面に接触された指が生体であ
るか否かを識別している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の指紋画像入力装置には、以下に述べる課題がある。
第１に、生体識別の信頼性が低いという課題がある。す
なわち、従来の装置では、押圧力の弱い時と強い時に得
られる２つの指紋画像の色を元にして、その指が生体で
あるか否かを識別する。識別のためには何らかの判断基
準が必要である。前述の特許公報にはこの判断基準につ
いては具体的には何も示されていないが、一般には、色
の変化量に閾値を定めて、それよりも大きな色変化を検
出した時に生体と判断するものと考えられる。

【０００９】しかし、周囲の温度が低い場合、指は、は
じめから白っぽいので、押圧力を増しても色の変化量は
小さい。あるいは、指が軽く接触する場合にも色の変化
量は小さい。これらの場合には、予め定めた閾値よりも
色の変化量が小さくなり、実際には本物であるのに生体
ではないという誤った識別をする可能性がある。また、
押圧力が大きい時の指紋画像をどのようにして選択する
かは、生体識別の信頼性に重要な影響を及ぼすと考えら
れる。

【００１０】前述の先願発明例１の特許公報には、“画
像検出手段により安定して検出される指紋像”と記述さ
れている。安定したかどうかを判定する具体的な方法に
ついては記述がない。したがって、指を検査面に置く時
の動作によっては、実際は生体の指であっても生体識別
に必要な程に十分な色の変化量が得られない場合があ
る。このように、従来の装置には生体識別の信頼性が低
いという課題がある。

【００１１】第２に、従来の装置は、結合光学系を用い
るため装置の小型化が困難で、携帯電話や携帯情報端末
等の携帯機器へ搭載することが困難であるという課題が
ある。すなわち、歪の小さい画像を得るように光を導く
ために、レンズ、透明体、鏡、等からなる結像光学系に
は、厚さ方向に指の幅と同程度の大きさが必要である。
また、横方向には、結像のために少なくとも１０ｍｍ程
度の距離をレンズとＣＣＤとの間に確保する必要があ
る。したがって、従来の装置では、例えば厚さ１ｍｍ、
幅２０ｍｍの空間に装置を内蔵することは不可能であ
る。

【００１２】本発明は、上記の事情のもとに考案された
ものであり、信頼性が高い生体識別機能を内蔵した指紋
画像入力装置および指紋画像による生体識別方法を実現
することを第１の目的とする。また、携帯機器へ搭載で
きる程度に十分に小型の指紋画像入力装置および指紋画
像による生体識別方法を実現することを第２の目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
め、請求項１記載の発明の指紋画像入力装置は、検査面
に指を押し付けて複数の指紋画像を連続して入力する画
像入力手段と、複数の指紋画像の入力と同期して指の色
を検出する色検出手段と、複数の指紋画像を入力する時
に指から画像入力手段に加わる力を反映した物理量を検
出する押圧力検出手段とを有し、物理量と指の色との間
の相関関係を解析することにより、指が生体か否かを判
定することを特徴とする。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の指紋画像入力装置であって、色検出手段が、複数の
指紋画像において中央部の特定の領域における色の平均
値を計算する回路を含むことを特徴とする。

【００１５】請求項３記載の発明は、請求項１記載の発
明の指紋画像入力装置であって、押圧力検出手段は、指
紋画像を処理する回路を含み、物理量は検査面に接触す
る指の面積に関連した量であることを特徴とする。

【００１６】請求項４記載の発明は、請求項１記載の発
明の指紋画像入力装置であって、押圧力検出手段は、画
像入力手段の背面または周辺部に配置された圧力センサ
であることを特徴とする。

【００１７】請求項５記載の発明は、請求項１記載の発
明の指紋画像入力装置であって、画像入力手段は、透明
基板上に形成された静電容量検出または圧力検出原理に
基づく指紋画像センサであり、指紋画像センサの背面に
光源とカラーセンサを配置することを特徴とする。

【００１８】請求項６記載の発明は、請求項１記載の発
明の指紋画像入力装置であって、画像入力手段は、指が
接触する面を備えるプリズムと、プリズムへ光を入射し
て指を斜めから照明する光源と、指が接触する面からの
光を画像センサに結像する光学系とを備えることを特徴
とする。

【００１９】請求項７記載の発明の指紋画像入力装置
は、画像入力面に指を密着させて該指の指紋の画像デー
タを取得するカラー画像センサと、指紋の画像データを
記憶する画像一時記憶部と、指紋の画像データから該指
紋の面積情報を抽出する面積情報抽出部と、指紋の色情
報を抽出する色情報抽出部と、指紋の面積情報と色情報
との相関関係を評価して、所定の各色について計算され
た面積との相関係数と予め定められた閾値に応じて、指
が生体か否かの識別を行う生体識別部と、を有して構成
されたことを特徴とする。

【００２０】また、上記の面積情報抽出部は、指紋の画
像データから該指紋の隆線と谷線とを抽出する演算、お
よび、隆線と谷線が存在する領域の面積を求める演算に
より、指紋の面積情報の抽出を行い、色情報抽出部は、
指紋の特定部位、例えば該指紋の中心部の領域を選択す
る演算、および、領域において赤色、緑色、青色（Ｒ、
Ｇ、Ｂ）の各色の平均値を求める演算を行うとよい。

【００２１】請求項１０記載の発明の指紋画像による生
体識別方法は、画像入力面に指を密着させて該指の指紋
の画像データを取得する指紋カラー画像データ取得工程
と、指紋の画像データを記憶する画像一時記憶工程と、
指紋の画像データから該指紋の面積情報を抽出する面積
情報抽出工程と、指紋の色情報を抽出する色情報抽出工
程と、指紋の面積情報と色情報との相関関係を評価し
て、所定の各色について計算された面積との相関係数と
予め定められた閾値に応じて、指が生体か否かの識別を
行う生体識別工程と、を有して構成されたことを特徴と
する。

【００２２】また、上記の面積情報抽出工程は、指紋の
画像データから該指紋の隆線と谷線とを抽出する演算、
および、隆線と谷線が存在する領域の面積を求める演算
により、指紋の面積情報の抽出を行い、色情報抽出工程
は、指紋の特定部位、例えば該指紋の中心部の領域を選
択する演算、および、領域において赤色、緑色、青色
（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各色の平均値を求める演算を行うとよ
い。

【００２３】

【発明の実施の形態】次に、添付図面を参照して本発明
による指紋画像入力装置および指紋画像による生体識別
方法の実施の形態を詳細に説明する。図１から図１３
に、本発明の指紋画像入力装置および指紋画像による生
体識別方法の一実施形態を示す。

【００２４】（第１の実施の形態）第１の実施例におけ
る主要な構成要素を図１に示す。この指紋画像入力装置
は、カラー画像センサ１０、画像一時記憶部２０、面積
情報抽出部３０、色情報抽出部４０、画像記憶部５０、
生体識別部６０、指紋照合部７０とから構成される。

【００２５】カラー画像センサ１０は、その画像入力面
に指を密着させる構成であり、結合光学系が不要なので
装置の大幅な薄型化が可能となる。カラー画像センサ１
０の具体的な構成としては、次の特許公報に開示されて
いるいくつかの構成を適用できる。

【００２６】第１は、特許第２０２５６５９号に示され
ているように、平面状の光源と、透明基板上に複数の受
光素子を一定の間隔で配列して形成される２次元センサ
部とを積層した構成である。平面状の光源は、液晶ディ
スプレイのバックライトとして用いられていると同様の
構成である。例えば、導光板の端部に発光ダイオード
（ＬＥＤ）を配置した構成では、導光板において端部か
ら入射した光を導き、拡散することにより、面状の光源
として動作する。あるいは、エレクトロルミネセンス
（ＥＬ）を示す材料を２つの電極で挟んだ構成の面状光
源を用いてもよい。透明基板上に形成する２次元センサ
部は、感光材料として例えばアモルファスシリコン（ａ
−Ｓｉ）を用いてフォトダイオードあるいは光導電型セ
ンサ等の受光素子を形成し、個々の受光素子に信号読み
出しのための薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を設けて構成
される。

【００２７】第２は、特許第３００８８５９号に示され
ているように、複数の受光素子を一定の間隔で配列して
形成される２次元センサ部において、その受光素子より
も面積が小さい発光素子を、個々の受光素子と指との間
に配置した構成である。このような発光素子はＥＬ材料
を２つの電極で挟んで構成される。

【００２８】第３は、特願２００１−０３４５７１に示
されているように、１枚の基板の上に複数の発光素子と
受光素子とを２次元配列する構成であり、個々の発光素
子の光量を制御することにより、光源としてのみなら
ず、表示装置としても機能する。

【００２９】以上に説明したカラー画像センサ１０は、
外部からの制御信号に応じて、指紋画像データの出力を
開始し、ある一定の時間間隔で指紋画像データを連続し
て出力し、更にその出力を停止する機能を有する。

【００３０】次に、画像一時記憶部２０は、カラー画像
センサ１０から連続して転送される指紋の画像データを
一時的に記憶するもので、高速の書き込み、読み出しが
可能なＤＲＡＭ、ＳＲＡＭ、等の半導体メモリ素子で構
成する。画像一時記憶部２０に記憶された指紋画像デー
タは、面積情報抽出部３０、色情報抽出部４０、画像記
憶部５０へ送出される。

【００３１】面積情報抽出部３０は、指紋の面積情報を
抽出する演算回路を含む。具体的には、例えば、指紋画
像データから隆線と谷線とを抽出する演算、および、そ
の隆線と谷線が存在する領域の面積を求める演算を行う
回路である。あるいは、単純な閾値を設定した２値化処
理（閾値以上の画素については画素値を“１”に設定
し、閾値未満の画素は画素値を“０”に設定する処理）
を施し、その結果の画素値を合計して面積情報とする演
算回路でもよい。詳細は後述するが、面積情報を抽出す
るためには、カラー画像センサ１０の特性に適した演算
回路を選択するのが望ましい。更に、面積情報抽出部３
０は、連続した指紋画像データの指紋面積を出力Ｓ
（ｔ）として、画像記憶部５０と生体識別部６０へ送出
する回路を含む。

【００３２】色情報抽出部４０は、指紋の色情報を抽出
する演算回路を含む。具体的には、指紋の特定部位、例
えば指紋の中心部の領域を選択する演算、および、その
特定領域において赤色、緑色、青色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の各
色の平均値を求める演算回路である。また、色情報抽出
部４０は、連続した指紋画像データの各色の平均値を出
力Ｃｉ（ｔ）（ｉ＝Ｒ、Ｇ、Ｂ）として生体識別部６０
へ送出する回路を含む。

【００３３】画像記憶部５０は、面積情報抽出部３０の
出力Ｓ（ｔ）を評価する回路と、面積が最大になる時の
指紋画像データを画像一時記憶部２０から入力して保持
する回路とを含む。また、面積が最大になると画像入力
を停止する制御信号をカラー画像センサ１０へ送る回路
を備える。更に、生体識別部６０からの制御信号に応じ
て、保持された指紋画像データを指紋照合部７０へ送る
回路を備える。

【００３４】生体識別部６０は、面積情報抽出部３０か
ら送出される指紋面積Ｓ（ｔ）と、色情報抽出部４０か
ら送出される連続した指紋画像の各色の平均値Ｃｉ
（ｔ）（ｉ＝Ｒ、Ｇ、Ｂ）とを入力し、色情報と面積情
報との相関関係を評価する回路を含む。そして、各色に
ついて計算された面積との相関係数と予め定められた閾
値に応じて、指が生体か否かの識別をする回路を備え
る。更に、生体と識別された場合には、画像記憶部５０
に保持された指紋画像データを指紋照合部７０へ送って
指紋照合の演算を開始させる制御信号を生成する回路を
備える。

【００３５】指紋照合部７０は、画像記憶部５０から送
られた指紋画像を入力し、その指紋画像データを個人情
報として登録する回路、および、予め登録されている指
紋画像と照合する回路を含む。

【００３６】次に、図１から図５および図１３を参照し
ながら、第１の実施の形態における指紋画像入力装置お
よび指紋画像による生体識別方法の動作を説明する。図
２から図５は、本実施の形態における指紋画像入力装置
および指紋画像による生体識別方法における生体識別機
能の原理を示す説明図である。また、図１３は、動作例
を示すフローチャートである。

【００３７】まず、カラー画像センサ１０上に指を置く
（ステップＳ１）。カラー画像センサ１０への押圧力を
検知後、画像データを取得する（ステップＳ２）。取得
した画像データから面積情報“Ｓ（ｔ）”を取得する
（ステップＳ３）。さらに、色情報“Ｃｉ（ｔ）”を抽
出する（ステップＳ４）。上記ステップＳ２からＳ４の
各ステップを、押圧力が最大となるまで繰り返し実行す
る（ステップＳ５／ＮＯ）。押圧力が最大と判定後に
（ステップＳ５／ＹＥＳ）、生体識別を実行する（ステ
ップＳ６）。以上の各処理の内容を、以下に詳述する。

【００３８】図２に示すように、カラー画像センサ１０
に指を置いて離すまでの一連の動作について考える。指
を接触させた直後に得られる指紋画像は、指紋領域の面
積が小さい。押圧力が増すに連れて指紋領域の面積は増
加し、ある時点で最大の面積になった後は、押圧力の減
少と共に面積も減少する。

【００３９】図３は、この一連の過程で得られる指紋領
域の面積の変化を模式的に示している。これは、面積情
報抽出部３０の出力Ｓ（ｔ）である。一方、指紋画像の
中央部の色を抽出してその変化を評価すると、図４に模
式的に示す結果が得られる。これは、色情報抽出部４０
の出力Ｃｉ（ｔ）（ｉ＝Ｒ、Ｇ、Ｂ）である。更に、生
体識別部６０において、Ｓ（ｔ）およびＣｉ（ｔ）の相
関を評価すると、図５に模式的に示す結果が得られる。
両者にある一定レベル以上の相関関係が認められる場合
には、生体識別部６０は指が生体であると識別し、指紋
照合部７０において指紋情報が登録される、あるいは、
既に登録済みの情報と照合される。

【００４０】以下では、特に、指紋画像入力から生体識
別の動作について、実際の数値例や基準の設定方法等を
示しながら詳細に説明する。カラー画像センサ１０は、
白色光源、全ての画素にＲ、Ｇ、Ｂの各色のカラーフィ
ルタを備えた２次元イメージセンサ、および、多数の光
ファイバを融着して厚さ１ｍｍに切断、研磨して形成さ
れる光ファイバー収集部材を入力面（指が接触する面）
として用いて構成した。この２次元イメージセンサは、
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の画像を、画素数１０２４×７６８の
２５６階調で出力するものである。また、光ファイバー
収集部材は、直径２５μｍ、開口数０. ５７の光ファイ
バーを多数束ね、隙間に光吸収材料を注入して融着した
ものを用いた。

【００４１】（応用例）以下では、図１の構成に若干の
修正を加え、指がセンサ面に接触してから離れるまでの
一連の指紋画像を評価できるようにした。すなわち、抽
出された指紋画像の面積が最大になった時点ではなく面
積が再び“０”になった時点、すなわち指がセンサ面か
ら離れた時点で、カラー画像センサ１０へ入力を停止す
る制御信号を送るものとした。

【００４２】このようにして、指が接触してから離れる
までの一連の指紋画像を検出し、得られた指紋画像か
ら、面積信号Ｓ（ｔ）と、色信号の平均値Ｃｉ（ｔ）と
を抽出した。ここで、面積信号Ｓ（ｔ）については、
Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の指紋画像の画素値を平均して得られ
る１つのグレースケールの指紋画像を２値化し、画素値
が１つの画素数を求めて面積とした。２値化の閾値は、
“１４０”に設定した。一方、色信号の平均値Ｃｉ
（ｔ）については、指紋画像の中央部（指紋の渦が見ら
れる画素数１２８×１２８の領域）において、各色の画
素値をそれぞれ平均して色信号とした。

【００４３】このようにして得られた面積信号Ｓ（ｔ）
と、色信号の平均値Ｃｉ（ｔ）とを図６に示す。図６に
おいて、横軸は指紋画像の番号で、指がセンサ面に接触
した直後から離れるまでに得られた一連の画像に順番に
番号をつけたものである。面積信号Ｓ（ｔ）は、線で繋
がれた菱形のマーカーで示され、縦軸は左側である。す
なわち、この一連の１５枚の指紋画像において、面積信
号は１. １×１０＋５から２０×１０＋５程度まで増加
した後に減少していることが確認される。また、色信号
の平均値Ｃｉ（ｔ）は、線で繋がれていない３種のマー
カーで示しており、対応する縦軸は右側である。Ｒ、
Ｇ、Ｂの順に色信号の平均値が大きいことが確認され
る。更に、色信号の平均値Ｃｉ（ｔ）は、面積信号Ｓ
（ｔ）と共に変動する様子がわかる。４番目、１３番目
の画像において色信号が不連続になっている点を除き、
両者の間には正の相関があることが分かる。

【００４４】図７は、面積信号Ｓ（ｔ）と色信号の平均
値Ｃｉ（ｔ）とを両軸として図６を再プロットした結果
である。図７より、３色全てで面積との高い相関関係が
確認できる。図中の数字は、これら１５枚の画像におい
て、各色信号の平均値と面積信号との相関係数を計算し
た結果である。Ｇ、Ｂ、Ｒの順に相関係数が大きいこと
が分かる。また、面積が小さい時の色信号はばらつきが
大きく、面積が大きい場合ほど強い相関関係が認められ
る。これは、ある一定値以上の面積信号においては、３
色全てにおいて面積との間に極めて強い相関関係がある
ことを示している。

【００４５】以上の結果を基に、生体か否かを識別する
ための基準を設定することができる。例えば、“Ｇの色
信号と面積との相関係数が０. ９以上ならば生体と判断
する”という基準を設定すればよい。あるいは、“面積
との相関係数が、３色においてＧ、Ｂ、Ｒの順に大き
い”という基準を設定してもよい。更には、“面積との
相関係数が、３色においてＧ、Ｂ、Ｒの順に大きく、な
おかつＧの色信号の相関係数が０．９以上である”とい
う基準でもよい。このように様々な基準の設定が可能で
ある。当然ながら、基準を厳しくすれば誤認の可能性も
出てくるが、セキュリティのレベルは向上する。上記の
基準の設定例の中では、３番目が最も厳しいのは明らか
である。

【００４６】誤認をどこまで許容するか、偽の指に対す
るセキュリティのレベルをどこまで要求するかは、指紋
センサの使い方に対応して決定される。例えば、家庭の
パソコンでインターネットのホームページを閲覧する場
合には、セキュリティの要求レベルは高くないが、誤認
に対する許容度は低いと考えられる。一方、例えば、役
所のような公の場に置かれた無人の端末で証明書を発行
するという用途においては、事情は全く逆になる。すな
わち、役所ではより厳しい生体識別の基準が要求され
る。このように、具体的な基準は、指紋センサの使用場
面に応じて賢く選択することが必要である。この事情
は、指紋照合の判定基準の選定方法とも類似している。

【００４７】ここで、図６、図７に示す特性は、カラー
画像センサ１０の特性に大きく依存することに注意する
必要がある。すなわち、実際に用いるカラー画像センサ
の特性に応じて、図６の曲線は大きく異なるため、図７
の相関関係を元に生体か否かを識別するための基準を設
定する必要がある。この点については、第２の実施の形
態において具体的な例を挙げながら説明することにす
る。

【００４８】以上に説明したように、本発明では指をセ
ンサ面に接触させてから連続して入力した複数の画像か
ら面積情報と色情報とを抽出し、両者の相関関係を元に
して生体か否かを識別する。したがって、押圧力の弱い
時と強い時に得られる２つの指紋画像の色を元に識別す
る従来の指紋画像入力装置に比較して、生体識別の信頼
性が高いという効果がある。さらに、従来の技術では、
押圧力が大きい時の指紋画像をどのようにして選択する
かが明確でなく、入力画像の不安定性に起因する信頼性
の劣化が懸念されたが、本発明では面積情報に着目する
ことによりこの問題を解消している。また、本発明の指
紋入力部の厚さは、平面状光源とカラー画像センサの厚
さの和で決まり、約１〜２ｍｍ程度の厚さになる。これ
は、従来の装置が指と同じ程度の厚さであるのに比べて
大幅な薄型化が達成されている。これは本構成を携帯機
器等に内蔵する場合に大きな利点になる。

【００４９】（第１の変形実施例）以上に説明した本発
明の第１の実施例においては、一連の指紋画像から面積
情報と色情報とを抽出して相関を評価する手段として図
１に示した構成を挙げて説明したが、これらの機能を果
たす回路はこの例に限られるものではない。例えば、大
容量の記憶回路を設けて一連の指紋画像を保持し、面積
情報、色情報をそれぞれ抽出する過程、および指紋照合
の過程において、その都度この記憶回路から情報を取り
出すという回路構成でも、同様の機能を実現できる。あ
るいは、図１におけるカラー画像センサ１０を除く構成
要素の機能について、その全て、あるいは一部を、パソ
コンの中央演算装置（ＣＰＵ）とメモリを用いて実現す
ることができる。したがって、このような構成も本発明
の変形実施例と見なす。

【００５０】また、本発明の第１の実施例においては、
指がセンサ面に接触してから面積が最大になるまで、あ
るいは指が接触してから離れるまでの一連の指紋画像を
取得する構成の例を説明した。しかし、一連の指紋画像
の取得方法はこれら２通りに限られるものではない。す
なわち、指の押圧力が増す局面と、押圧力が減少する局
面とのどちらか一方のみを含む構成においても、以上に
説明したのと同様の面積と色との相関に基づく生体識別
を実現することができる。あるいは、指をセンサ面に押
し当てる行為を複数回繰り返し、その過程で得られる一
連の指紋画像から同様の情報を抽出して相関関係を評価
してもよい。この場合、指をセンサ面に置く時の力の入
れ加減を調整する、指の中央部をセンサ面に確実に合わ
せることができる、という利点により、鮮明な指紋画像
を安定して入力できるという効果が生じる。したがっ
て、これらの構成も本発明の変形実施例と見なす。

【００５１】さらに、以上の説明では指紋画像から指の
面積情報を抽出したが、その代わりに指の圧力を直接に
検出してもよい。図８にそのような構成例を示す。この
指紋画像入力装置は、カラー画像センサ１０、画像一時
記憶部２０ｂ、色情報抽出部４０、画像記憶部５０ｂ、
生体識別部６０ｂ、指紋照合部７０、圧力センサ８０と
から構成される。

【００５２】図８において、図１と同じ機能を果たす構
成要素については同じ番号を付している。図８において
特徴的なのは、カラー画像センサ１０の背面に圧力セン
サ８０を設けている点である。圧力センサ８０の背面
は、不図示の部品（例えば、装置の筐体の一部）に固定
され、カラー画像センサ１０に加わる圧力に比例した信
号Ｐ（ｔ）を出力する。信号Ｐ（ｔ）は、図１の面積信
号Ｓ（ｔ）に相当しており、図８の生体識別部６０ｂ、
および画像記憶部５０ｂに供給される。生体識別部６０
ｂにおいては、信号Ｐ（ｔ）と色信号の平均値Ｃｉ
（ｔ）との相関が評価される。その他の動作は、図１と
同様であり、図１と同じように信頼性の高い生体識別が
可能である。ただし、この構成の入力部は、圧力センサ
８０の厚さ分だけカラー画像センサよりも厚くなるので
最小でも１〜２ｍｍになり、図１の構成に比べてやや大
型化する。また、圧力センサを追加するため、部品点数
の増加という点でも、図１の構成に比べて不利である。

【００５３】（第２の変形実施例）更に別の変形実施例
として、色情報の抽出のために専用のカラーセンサを設
けてもよい。図９は、そのような構成の例である。この
指紋画像入力装置は、指紋画像センサ１０ｃ、光源１１
ｃ、カラーセンサ１２ｃ、画像一時記憶部２０ｃ、面積
情報抽出部３０、画像記憶部５０、生体識別部６０、指
紋照合部７０とから構成される。

【００５４】図９において、図１と同じ機能を果たす構
成要素については同じ番号を付している。特徴的なの
は、指紋画像センサ１０ｃの背面に光源１１ｃとカラー
センサ１２ｃとを設けている点である。ここで用いる指
紋画像センサ１０ｃは、透明基板上に形成されて、透明
基板の背面から入射する光の一部を透過する必要がある
が、必ずしもカラー画像センサである必要はない。例え
ば、モノクロの光学式画像センサ、あるいは、例えば特
許第２９５９５３２号に開示されているような静電容量
検出方式の指紋画像センサを透明基板上に形成したもの
を用いてもよい。

【００５５】静電容量検出方式の詳細は前述の特許公報
等に詳述されているが、その原理を簡単に説明すれば、
画素に設けた電極と指との間の静電容量を検出すること
により、指の表面の凹凸情報である指紋を画像として入
力するものである。更には、圧力分布を検出する方式の
指紋画像センサを透明基板上に形成してものを、指紋画
像センサ１０ｃとして用いてもよい。これは、２次元配
列した画素電極とスイッチ素子の表面に圧力により抵抗
値が変化する層を積層し、各々の画素電極に流れ込む電
流を検出することにより、指の密着によって生じる局所
的な圧力分布、すなわち、指の表面の凹凸情報、すなわ
ち指紋画像を入力するという原理に基づいている。

【００５６】抵抗値が変化する層や画素電極等を透明基
板上に形成することにより、図９の構成の指紋画像セン
サ１０ｃとして用いることができる。光源１１ｃとして
は白色を発する発光ダイオード、カラーセンサ１２ｃと
してはＲ、Ｇ、Ｂの３色に分光感度特性のピークを持つ
フォトダイオード等が適用できる。これらの素子は、光
源１１ｃから発せられた光が指紋画像センサ１０ｃを透
過して指の中央部を照明し、指からの拡散光がカラーセ
ンサ１２ｃにより検出されるように配置する。

【００５７】カラーセンサ１２ｃの出力Ｃｉ（ｔ）は、
生体識別部６０に供給され、図１の場合と同様にして得
られる面積信号Ｓ（ｔ）との相関が評価される。以下の
動作は、図１の例と同様であり、信頼性の高い生体識別
を実現できる。ただし、図９の構成では、光源１１ｃと
カラーセンサ１２ｃの厚さ分は図１の構成に比べて最小
でも１ｍｍ程度は厚くなるので、小型化の面で若干不利
である。また、部品点数が増加するという点は、図１の
構成に比べて不利である。

【００５８】ところで、図１の構成においては、指紋画
像の入力部はカラー画像センサ１０のみであるため、外
観上は生体識別機能を持たない指紋画像入力センサと見
分けることができない。したがって、装置の部品点数を
増すことなくセキュリティのレベルを向上でき、また、
装置を分解されても生体識別の原理を知ることが困難で
あるという利点がある。図８、図９に示した構成では、
それぞれ圧力センサ、カラーセンサが必要となるので、
残念ながらこのような効果は期待できない。しかし、指
紋の色情報と圧力または面積との相関を元に生体識別を
行うという本発明の趣旨に沿っているので、図８、図９
の構成も本発明の変形実施例と見なす。

【００５９】また、以上の説明において、指紋の色情報
を得るために白色光源とカラーセンサを用いる例を挙げ
たが、異なる波長を発する光源と単一の分光感度特性を
持つ画像センサあるいは受光素子を用いて、光源の波長
を時分割で切り替えることにより指紋の色情報を検出す
る構成を用いてもまったく同様の効果が得られる。した
がって、そのような構成も本発明の変形実施例に含まれ
る。このように、本発明の趣旨を損なうことなく、様々
な構成要素の選択、置換が可能である。

【００６０】（第２の実施の形態）第１の実施の形態に
おいては、薄型のカラー画像センサから得られる指紋情
報から色情報と面積情報を抽出して生体識別する構成に
ついて説明した。生体識別の信頼性の向上と大幅な小型
化という本発明の２つの目的を両方とも達成するもので
ある。小型化という要求を若干緩めて、例えばマウスや
キーボードに搭載できる程度の小型化を目指すことにす
れば、多様な指紋画像センサを用いることができる。そ
こで第２の実施の形態として、従来のプリズムを用いた
光学式の指紋画像センサを用いる例を挙げて説明する。

【００６１】図１０は、第２の実施例の構成を示す説明
図である。この指紋画像入力装置は、カラー画像センサ
１０ｄ、結像光学系１１ｄ、プリズム１２ｄ、光源１３
ｄ、画像一時記憶部２０、面積情報抽出部３０、色情報
抽出部４０、画像記憶部５０、生体識別部６０、指紋照
合部７０とから構成される。

【００６２】図１０において、図１と同じ機能を果たす
構成要素については同じ番号を付している。本図１０に
おいて特徴的なのは、カラーの指紋画像を得る手段とし
て、カラー画像センサ１０ｄ、結像光学系１１ｄ、プリ
ズム１２ｄ、光源１３ｄを用いている点である。具体的
な構成要素の例を挙げると、カラー画像センサ１０ｄと
してはカラーＣＣＤ、結像光学系１１ｄとしてはレン
ズ、光源１３ｄとしては白色を発する発光ダイオード
を、それぞれ用いることができる。

【００６３】この構成では、従来から良く知られている
ように、光の全反射を利用することにより、コントラス
トが強調された指紋画像が得られる。このコントラスト
強調の原理を簡単に説明すると以下の通りである。すな
わち、図１０に示すように、光源１３ｄから発せられた
光は、プリズム１２ｄに置かれた指を照明する。指の谷
線の領域では、谷線はプリズム１２ｄに接触しないの
で、光はプリズム１２ｄの上面で全反射され、殆ど全て
の光が結像光学系１１ｄを経てカラー画像センサ１０ｄ
に至る。一方、指の隆線では光が指に入射して拡散され
るので、カラー画像センサ１０ｄに至る光の強度は小さ
くなる。したがって、この光学系では谷線と隆線のコン
トラストが強調され、後の指紋照合処理の種類によって
は、処理の負荷が軽減されることがある。

【００６４】ここで、図１の構成の場合と同様にして、
一連の指紋画像から面積情報と色情報を抽出して両者の
相関を評価した結果を図１１、図１２に示す。面積情報
の抽出方法に関しては、閾値を“１２８”に設定して指
紋画像を２値化し、画素値１の画素数を求めて面積信号
Ｓ（ｔ）とした。色情報の抽出は図１の構成の場合とま
ったく同様である。

【００６５】図１１において、横軸は指紋画像の番号
で、指をセンサ面に何回か押し当て得られた一連の画像
に順番に番号をつけたものである。面積信号Ｓ（ｔ）
は、線で繋がれた菱形のマーカーで示され、縦軸は左側
である。すなわち、この一連の２６枚の指紋画像におい
て、指はセンサ面に６回押し当てられたことが確認され
る。また、色信号の平均値Ｃｉ（ｔ）は、線で繋がれて
いない３種のマーカーで示しており、対応する縦軸は右
側である。図１２は、面積信号Ｓ（ｔ）と色信号の平均
値Ｃｉ（ｔ）とを両軸として図１１を再プロットしたも
のである。図中の数字は、これら２６枚の画像におい
て、各色信号の平均値と面積信号との相関係数を計算し
た結果である。ブルー（Ｂ）の相関が最も高いこと、Ｒ
は面積と全く相関がないこと、Ｇはその中間であるこ
と、が確認される。また、面積が小さい時の色信号はば
らつきが大きいことも認められる。ＢやＧの相関係数は
図１の構成に比べて小さいが、低い閾値を設定すれば、
求められた相関係数から生体か否かを識別することは可
能である。ただし、Ｒの相関係数は生体識別に用いるこ
とはできない。

【００６６】ところで、図１１、図１２において、図７
に示した相関関係と著しく異なる結果が得られた原因
は、指紋画像を入力する時の光学系の差である。すなわ
ち、全反射を利用してコントラストを強調する図１０の
光学系では、カラー画像センサに到達する光は谷線の領
域で全反射された光が殆どであり、隆線の領域で拡散さ
れた光は相対的に少ない。指の色に関する情報は隆線領
域からの拡散光に反映されているので、相関係数が小さ
くなるか、あるいはＲの場合のように殆ど相関を示さな
いことになる。一方、図１の光学系の場合には、隆線と
谷線の両方の領域からの拡散光を検出しているので、押
圧力による色の変化を敏感に検出できると考えられる。
これらの例に見るように、指紋画像入力のための光学系
の種類に適合した生体識別の基準を選択することが重要
である。

【００６７】上記の実施形態によれば、指が検査面に接
触した直後の指紋画像と、押圧力が大きい時の指紋画像
とから得られる指の色の変化量に基づいて、その指が生
体であるか否かを識別する従来の装置に比較して、次に
説明する効果がある。

【００６８】第１に、従来の装置の場合は、指の色の変
化量が小さい場合には生体識別の信頼性が低い。また、
押圧力が大きい時の指紋画像の選択方法が明確でない。
このため、指を検査面に置く時の動作によっては、生体
の指であっても生体識別に必要な程に十分な色の変化量
が得られない場合がある。これに対する本発明の構成で
は、指を検査面に接触させてから連続して入力した複数
の画像から面積情報と色情報とを抽出し、両者の相関関
係を元にして生体か否かを識別する。よって、例え色の
変化量の絶対値が小さくても、指紋の面積のような指の
押圧力を反映した情報との間に十分な相関が認められれ
ば、生体と識別することができる。さらに、従来の技術
では、押圧力が大きい時の指紋画像をどのようにして選
択するかが明確でなく、入力画像の不安定性に起因する
信頼性の劣化が懸念されたが、本発明では面積情報に着
目することによりこの問題を解消している。したがっ
て、本発明の構成では、従来の装置に比較して、生体識
別の信頼性が高いという効果がある。

【００６９】第２に、本発明の指紋入力部の厚さは、平
面状光源とカラー画像センサの厚さの和で決まり、約１
〜２ｍｍ程度の厚さになる。これは、従来の装置が指と
同じ程度の厚さであるのに比べて大幅な薄型化が達成さ
れている。この小型化の効果は、本構成の指紋画像入力
装置および指紋画像による生体識別方法を携帯電話や携
帯情報端末等の携帯機器等に内蔵する場合に大きな利点
になる。

【００７０】第３に、第１の実施例の図１に示す構成に
おいては、画像一時記憶部から画像記憶部へ必要な画像
情報のみを転送するので、連続した指紋画像の全てを記
憶する必要がない。したがって、複数の連続した指紋画
像を解析するのに必要な回路の規模の増加を抑えること
ができ、製造コストの増加を抑えられるという効果があ
る。

【００７１】なお、上述の実施形態は本発明の好適な実
施の一例である。ただし、これに限定されるものではな
く、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形
実施が可能である。

【００７２】

【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
の指紋画像入力装置および指紋画像による生体識別方法
は、検査面に指を押し付けて複数の指紋画像を連続して
取得し、この指紋画像の入力と同期して指の色を検出す
ると共に、複数の指紋画像を入力する時に指に加わる力
を反映した物理量を検出する。この物理量と指の色との
間の相関関係を解析することにより、指が生体か否かを
判定する。よって、たとえ色の変化量の絶対値が小さく
ても、指紋の面積のような指の押圧力を反映した情報と
の間に十分な相関が認められれば生体と識別することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の指紋画像入力装置および指紋画像によ
る生体識別方法の実施形態の第１の実施例における主な
構成要素を示す説明図である。

【図２】本発明の第１の実施例における生体識別機能の
原理を示す説明図である。

【図３】本発明の第１の実施例における生体識別機能の
原理を示す説明図である。

【図４】本発明の第１の実施例における生体識別機能の
原理を示す説明図である。

【図５】本発明の第１の実施例における生体識別機能の
原理を示す説明図である。

【図６】本発明の第１の実施例の応用例における指紋画
像の面積と色の変化を示す説明図である。

【図７】本発明の第１の実施例の応用例における指紋画
像の面積と色の相関関係を示す説明図である。

【図８】本発明の第１の実施例の変形実施の形態を示す
説明図である。

【図９】本発明の第１の実施例の変形実施の形態を示す
説明図である。

【図１０】本発明の第２の実施例における主な構成要素
を示す説明図である。

【図１１】本発明の第２の実施例における指紋画像の面
積と色の変化を示す説明図である。

【図１２】本発明の第２の実施例における指紋画像の面
積と色の相関関係を示す説明図である。

【図１３】動作例を示すフローチャートである。

【図１４】従来の指紋画像入力装置の主な構成要素を示
す説明図である。

【符号の説明】

１０、１０ｄ カラー画像センサ ２０、２０ｂ、２０ｃ 画像一時記憶部 ３０ 面積情報抽出部 ４０ 色情報抽出部 ５０、５０ｂ 画像記憶部 ６０、６０ｂ 生体識別部 ７０ 指紋照合部 ８０ 圧力センサ １０ｃ 指紋画像センサ １１ｃ、１３ｄ、１０１ 光源 １１ｄ 結像光学系 １２ｃ カラーセンサ １２ｄ プリズム １０２ 透明体 １０２ａ 鏡 １０３ レンズ １０３ａ 絞り １０４ カラーＣＣＤ １０５ 指紋画像入力処理部 １０５ａ 画像取り込み回路 １０５ｂ 指紋照合回路 １０６ 生体識別部 １０６ａ 色ずれ補正回路 １０６ｂ 色識別回路 １０７ Ｒ・Ｇ・Ｂ分離回路

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検査面に指を押し付けて複数の指紋画像
   を連続して入力する画像入力手段と、 前記複数の指紋画像の入力と同期して前記指の色を検出
   する色検出手段と、 前記複数の指紋画像を入力する時に前記指から前記画像
   入力手段に加わる力を反映した物理量を検出する押圧力
   検出手段と、 を有し前記物理量と前記指の色との間の相関関係を解析
   することにより前記指が生体か否かを判定することを特
   徴とする指紋画像入力装置。
2. 【請求項２】 前記色検出手段が、前記複数の指紋画像
   において中央部の特定の領域における色の平均値を計算
   する回路を含む、ことを特徴とする請求項１記載の指紋
   画像入力装置。
3. 【請求項３】 前記押圧力検出手段は、前記指紋画像を
   処理する回路を含み、前記物理量は前記検査面に接触す
   る前記指の面積に関連した量であることを特徴とする請
   求項１記載の指紋画像入力装置。
4. 【請求項４】 前記押圧力検出手段は、前記画像入力手
   段の背面または周辺部に配置された圧力センサであるこ
   とを特徴とする請求項１記載の指紋画像入力装置。
5. 【請求項５】 前記画像入力手段は、透明基板上に形成
   された静電容量検出または圧力検出原理に基づく指紋画
   像センサであり、前記指紋画像センサの背面に光源とカ
   ラーセンサを配置することを特徴とする請求項１記載の
   指紋画像入力装置。
6. 【請求項６】 前記画像入力手段は、前記指が接触する
   面を備えるプリズムと、前記プリズムへ光を入射して前
   記指を斜めから照明する光源と、前記指が接触する面か
   らの光を画像センサに結像する光学系とを備えることを
   特徴とする請求項１記載の指紋画像入力装置。
7. 【請求項７】 画像入力面に指を密着させて該指の指紋
   の画像データを取得するカラー画像センサと、 前記指紋の画像データを記憶する画像一時記憶部と、 前記指紋の画像データから該指紋の面積情報を抽出する
   面積情報抽出部と、 前記指紋の色情報を抽出する色情報抽出部と、 前記指紋の面積情報と色情報との相関関係を評価して、
   所定の各色について計算された面積との相関係数と予め
   定められた閾値に応じて、前記指が生体か否かの識別を
   行う生体識別部と、 を有して構成されたことを特徴とする指紋画像入力装
   置。
8. 【請求項８】 前記面積情報抽出部は、前記指紋の画像
   データから該指紋の隆線と谷線とを抽出する演算、およ
   び、前記隆線と谷線が存在する領域の面積を求める演算
   により、前記指紋の面積情報の抽出を行うことを特徴と
   する請求項７記載の指紋画像入力装置。
9. 【請求項９】 前記色情報抽出部は、前記指紋の特定部
   位、例えば該指紋の中心部の領域を選択する演算、およ
   び、前記領域において赤色、緑色、青色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）
   の各色の平均値を求める演算を行うことを特徴とする請
   求項７または８記載の指紋画像入力装置。
10. 【請求項１０】 画像入力面に指を密着させて該指の指
    紋の画像データを取得する指紋カラー画像データ取得工
    程と、 前記指紋の画像データを記憶する画像一時記憶工程と、 前記指紋の画像データから該指紋の面積情報を抽出する
    面積情報抽出工程と、 前記指紋の色情報を抽出する色情報抽出工程と、 前記指紋の面積情報と色情報との相関関係を評価して、
    所定の各色について計算された面積との相関係数と予め
    定められた閾値に応じて、前記指が生体か否かの識別を
    行う生体識別工程と、 を有して構成されたことを特徴とする指紋画像による生
    体識別方法。
11. 【請求項１１】 前記面積情報抽出工程は、前記指紋の
    画像データから該指紋の隆線と谷線とを抽出する演算、
    および、前記隆線と谷線が存在する領域の面積を求める
    演算により前記指紋の面積情報の抽出を行うことを特徴
    とする請求項１０記載の指紋画像による生体識別方法。
12. 【請求項１２】 前記色情報抽出工程は、前記指紋の特
    定部位、例えば該指紋の中心部の領域を選択する演算、
    および、前記領域において赤色、緑色、青色（Ｒ、Ｇ、
    Ｂ）の各色の平均値を求める演算を行うことを特徴とす
    る請求項１０または１１記載の指紋画像による生体識別
    方法。