JP2004126738A

JP2004126738A - ３次元計測を用いた個人認証装置および認証方法

Info

Publication number: JP2004126738A
Application number: JP2002286751A
Authority: JP
Inventors: Mariko Kawaguri; 河栗　真理子
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】精度の高い個人認証システムが望まれている。
【解決手段】少なくとも３次元の形状情報を得る測定機器、カメラ、および画像判定機を備え、個人認証を行う装置において、前記測定機器により人体の頭部を検出して、前記カメラにより顔の２次元情報を取得し、すでに登録した情報と比較することにより被測定者の判定をする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、個人認証を行う際、顔面情報を光学的測定法を用いて得るシステムおよび装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、個人認証の方法としては、指紋認証が低価格で小型化できるために活用されている。しかし、本方法は忘れたりなくす心配がないという効果がある一方、肌荒れや傷、乾燥肌のために指紋が変形して１００％精度が出ないという問題がある。また、指紋の代わりに虹彩を用いる場合には、目の不自由な人が計測機器の標準位置に眼を合わせられないという問題がある。
【０００３】
これに代わるものとして、顔面の２次元情報が、パスポートや運転免許証などに使用されている。しかし、個人を認識するためにわざわざ人による確認作業が必要であり、多額の費用が発生する。そこで、顔の情報により個人認証を自動判定できる装置の開発がなされている。
【０００４】
一般に、顔画像から個人認証をする装置は、ＩＤカードなどにあらかじめ登録した顔特徴量とカメラの前の人物の顔特徴量を比較し、その結果に基づいて個人判定を行っている。その際、個人認証用のために、何枚か顔の画像を撮影し、登録している。
【０００５】
例えば、本人であることを確実に認識させるために、照明条件を変更したり、人の向きを変えさせたり（例えば特許文献１参照。），　さらに、認識対象者の顔画像の個人差を示す特徴量を計算し、あらかじめ登録された特徴量との類似度を計算して、本人の判定を行う方法が提案されている（例えば特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−３１６８３６号公報
【特許文献２】
特開２００１−２５６４９６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の従来技術には、以下のような問題が発生した。
【０００８】
顔の２次元情報のみでは、顔の向きが変動したり照明のあたり方により顔に映る影が変動すると画像が大きく変動して、認証の精度が下がるという問題である。そのため、数枚ほど顔画像情報として登録しておき、認証時に顔の向きのばらつきに関して得られた画像を利用して補正する手段がとられていたが、完全に補正をかけることは難しかった。また、いろいろな顔画像を取得する場合も、登録者により顔の動かし方がまちまちで均一化が測れていなかった。このため、確実に認証するには課題が大きかった。
【０００９】
また、顔画像の特徴量を抽出して判定する際、類似度により判定する。この方法においては、目、鼻、口などの顔部位を検出し、顔領域の位置を一定の大きさに切り出す。この領域をｍ＊ｎピクセルに分割し、顔特徴量ベクトルとする。あらかじめ登録した顔特徴量ベクトルと比較して類似度が閾値を越えた場合、本人と判定することにより、認証の精度向上を図ろうとしている。しかし、２次元データのみでは、顔特徴量ベクトルを作成するための画像データが、顔の向きや照明などの影響を受けやすいため、精度の良い顔特徴量ベクトルを得られない。そのため、認証の精度が思うように向上できないという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題を解決し、認証の精度を上げ、さらに効率を上げることを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記目的を達成するために以下の構成を採る。
【００１２】
請求項１記載の個人認証装置では，３次元の形状測定機器、カメラ、および画像判定機を備え、個人認証を行うことを特徴とする構成を採る。
【００１３】
また，請求項２記載の個人認証装置では，前記３次元の形状測定機器は，人体の形状、頭部の位置、顔の器官部位の形状の少なくとも１つを検出して、個人認証の大まかな選別を行い、さらにカメラにより顔の２次元情報を取得し，
前記画像判定機は予め記憶された顔の２次元情報と，前記カメラより取得された２次元情報とを比較することにより個人認証を行うことを特徴とする構成を採る。
【００１４】
また，請求項３記載の個人認証装置では，前記３次元の形状測定機器は，人体の形状、頭部の位置、顔の器官部位の形状の少なくとも１つにより人体の形状の特徴量を検出し、前記カメラにより得られた顔の２次元情報と，前記特徴量に基づいて認証を行うことを特徴とする構成を採る。
【００１５】
また，請求項４記載の個人認証装置では，前記３次元の形状測定機器が複数のレーザ光源およびＣＣＤカメラからなり、前記レーザ光源よりライン光を照射し、その反射光を前記ＣＣＤカメラにより計測する装置からなることを特徴とする構成を採る。
【００１６】
以上の構成により，前記３次元の形状測定機器により人体の頭部を検出して、前記カメラにより顔の２次元情報を取得することで，３次元の形状を測定するので、頭の位置や向きを的確に捉え、カメラの位置を常に顔の一定方向に設置し撮影することができる。
【００１７】
また、３次元の形状測定機器により人体の頭部形状の特徴量を検出して、前記カメラにより得られた顔の２次元情報と合わせて認証を行うので，光学センサにより顔の３次元形状を光切断法などを用いて計測することにより、２次元画像よりも精度良く鼻の高さや顔の大きさなどが計測でき、個人認証を行う際の絞り込みにおいて、顔部品の特徴量として有効なデータが得られ，効率よく認証を推進できる。
【００１８】
また、３次元の形状測定機器により人体の形状の特徴量を検出して、前記カメラにより得られた顔の２次元情報と合わせて認証を行うことで，顔情報の前に、光学測定器により対象者の背丈、胴回り、背の曲がり具合など体格の特徴量を効率よく計測して、まず登録情報の絞り込みを行い、最後に顔の情報をカメラによる２次元情報、または３次元計測による顔情報により個人認証を行うもので、すべて３次元情報のみでおこなえば、カメラで撮影する手間も省け、短時間で認証が可能となり、立ち止まって認証しなくても移動状態でも認証ができるという効果も得られる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は第１の実施の形態に係る顔画像認識装置の適用例の構成図を示す。具体的には銀行のＡＴＭ機１に設置した場合についてである。以下にこのＡＴＭ機１の構成について説明する。
【００２１】
ＡＴＭ機１に操作部２、顔画像撮影カメラ３およびレーザ発信機４、５が配置され、各レーザ発信機４、５は駆動部６に接続されている。レーザ発信機４、５より人に向けて水平方向にレーザービームを照射しながら、駆動部６により上下方向に動く。人体に当たった部位は形状に沿って光断面を形成する。人体の前面と後面からレーザを照射することにより、人体の周囲３６０度の光断面が得られる。これを図２に示したように、レーザ発信機と垂直方向に設置したＣＣＤカメラ７、８により撮影する。撮影して各端点や屈曲点のｘ、ｙ、ｚ座標を計測して被対象物の形状を計測する。これにより、対象者の背の高さや、顔の形状（例えば、鼻の高さや頭の大きさなど、本人と認識するために有効な形状の特徴）が測定できる。さらに、ＣＣＤカメラ７、８を回転させることにより３６０度の方向から計測できるため、体の向きや顔の位置および顔の向きを検知することができる。
【００２２】
次に、顔画像を認識する方法について詳細に述べる。
【００２３】
まず、立位の人体に光を照射すると、頭部の頭頂点と首のくびれ位置から顔の位置が検知できる。鼻の凸部の位置、目のくぼみより顔の向きが判定できる。そこで、顔の位置および顔の向きの情報から顔画像撮影カメラ３の位置及び角度を駆動部１０を介して動かして常に顔に対する位置が同じ角度（例えば、鼻が中央にきて目の高さが水平にくるような正面方向）から顔面の画像を撮像する。取得した顔画像とすでに登録部１１に保存した個人情報とを比較して、判定部９により個人認証を行う。顔の輪郭形状、目の位置、鼻の形状などの類似点を計算することで、ある閾値より上になれば、登録部１１から選ばれた人と同定する。
【００２４】
このように、従来の認識方法では、顔面の２次元情報が見る方向によりかなり変化し、認識率を低下させる主要因であったが、顔の向きを揃えることで、顔面情報の向きによる誤差を少なくし、認識率を向上することができた。
【００２５】
また、同時に３次元の画像データとして、鼻の高さや、頭の大きさ（横幅、周囲長など）形状を数値として記憶させておき、認識の際の補助データ（まず、絞り込むためのデータ、または確認のための補助データ）として使用することにより、認識率を高めることができた。
【００２６】
この３次元の画像データと顔の２次元情報とを比較するために、いろいろな手法がある。例えば、目鼻口などの顔器官特徴点抽出を行い、さらに２次元画像データより得られた顔の局所的な濃淡パターンと組み合わせて、あらかじめ登録しておき、撮影した画像の特徴量と比較して類似度の高い登録画像を同一人物と判定する方法がある。しかし、２次元の形状比較は、人間の目では簡単にできるが機械で行う場合、画像判定には込み入ったプログラムが必要である。まず、取得画像から粗いグラフを用いて顔の位置を検出し、その位置に密なグラフを用いて顔の特徴点を抽出する。そして、各器官の特徴量を比較し、類似度の合計が一定値を越した場合、本人と判定する。しかし、顔の表情はいろいろあるため、目をつむったり口をあけたりすると器官部の形状が変形し、誤差につながる。そのため、各器官における変形した場合の形状も登録しておかないと、多様な表情に適応できないという問題がある。
【００２７】
この、目鼻口などの顔器官特徴点抽出に、複数のレーザ光源により得られた３次元のデータを加えることにより、まず背丈や頭の縦横比と鼻の高さでサーチして登録画像の絞り込みをすると、画像処理による２次元の比較より少ないデータ量で絞り込みができるため、判定の高速化が図れた。さらに、頭の形状や鼻の形などは整形などの操作を加えない限り大きく変形しないため、表情の変化などに影響を受けずに、精度良く判定ができた。人の形状において、背の高さや横幅は成長に伴って変形するが、この場合は、最新データにより登録データを更新することで対応することができる。
【００２８】
個人認証のフローチャートを図３に示す。まず、レーザによる３次元計測により得られた人体の形状（背丈、体格、頭の形状、鼻の高さなどの顔部品の形状）を、あらかじめ登録した登録情報保持部１６のデータと照らし合わせる。該当者がなかった場合はＡＴＭ機の操作が凍結される。該当者がいれば２次元の顔画像を取得し（顔画像入力部１７）、特徴量を抽出し（特徴量抽出部１８）、再度、登録情報保持部１６にあるデータと類似度を計算し、類似度の一番高い人物として判定し、操作部２にその情報を伝達し、通常のＡＴＭ操作が速やかに行われる。類似度がある閾値を越えない場合は、該当者なしという判定で、ＡＴＭ機の操作が凍結される。
【００２９】
現在のＡＴＭ機操作による金銭の出し入れは個人認証の際、パスワードを忘れると操作ができない、また、他人でも個人認証のためのパスワードを用いれば引き出すことができる、という問題がある。これに対し、顔画像認識による個人認証ができれば、パスワードを覚える必要もなく、他人に引き出される心配もなくなり、より安全な方法といえる。また、光学的手法を用いているため、被対象者を接触せずに認識できるため、人にフレンドリーなシステムといえる。また、赤外線をレーザの代わりに用いても同様の計測が可能であり、その場合は、ＣＣＤカメラの前に赤外線選択フィルムを付加すれば精度良く測定できる。
【００３０】
また、光切断方式のレーザ投影パターンの変形を計測する代わりに、既知の濃淡パターンを投影した複数の画像から投影パターンの変形を測定する位相シフト法を用いることもできる。位相シフト法では、計測対象物に明度が正弦波状に変化する縞パターンを投影し、この縞パターンをπ／２ずつ位相をずらしてカメラで撮影するという手順で４回繰り返し、４枚の画像を得る。パターンの位相が等しい点を連結して得られる線（等位相線）が、光切断法における切断線と同じく対象物をある平面で切った断面の形状をあらわす。従って、この位相を基に三角測量の原理で３次元形状が計測できる。顔のみの情報を得る場合は、顔の前面よりパターン投影機により縞状の光を投影すれば、顔の凹凸、形状が簡易に精度良く計測できる。これにより、高価なレーザ発信機を使わなくても、３次元の形状が取得できる。
【００３１】
３次元計測を行う際、体の動きに左右されることを防ぐため、レーザのスキャンスピードを高め、２秒以内の計測時間を設定した。そのため、あらかじめスキャン範囲を予測し、スタートの位置を確実な範囲に設定することにより、無駄な時間を省くことができた。さらに、複数のカメラを設置することで、角度の影響を少なくして、高精度に体のぶれの影響をなくし、形状を測定することができた。
【００３２】
（実施の形態２）
実施の形態１では、光切断方式を用いた３次元形状計測を示したが、これに限らず、モアレ縞を利用するモアレトポグラフィを用いることもできる。
【００３３】
図４にその原理図を示す。光源１２より不透明の平行直線格子１３を通して人体を照射する。照明光は格子の間隔を通して扇状に広がり、人体を照射する。光源と同じ高さにＣＣＤカメラ１４を設置すると、明るく観察されるのは物体表面上で照明された部分と見える部分が一致したところとなり、深さ方向に実線Ａ、点線Ｂのように層状に等高線（モアレ縞１５）が撮影される。これにより、３次元の形状がＣＣＤカメラ１４の撮像より計測できる。この計測装置は、簡易な設備で構成でき、安価なシステムを提供することができる。また、短時間に形状測定が可能なため、入出門などに設置して顔の位置を認識して顔画像撮影を行うことにより、立ち止まらなくても個人認識ができるようになる。
【００３４】
マンションなどでは、セキュリティのために住人であることを証明する赤外線センサのついたカギを提示しないと入門できないシステムがある。出入りするたびに立ち止まってカギの提示が必要であり、忘れると入れないシステムは、人にやさしいシステムとはいえない。顔や身長などの形状情報を登録して個人認証を行うようにすれば、立ち止まらなくてもスムーズに認証でき入門できる。さらに、常時光を照射させておけば、登録されていない人が検知でき、外部の人が簡単に入門できないシステムを構築することができる。
【００３５】
以上、実施の形態においてＡＴＭ機や入門システムについて説明したが、これに限らずパスポートの確認や、セキュリティ関連のシステム、携帯電話やパソコンの使用者認証などにも応用できる。この際、認識率の求められる高さがそれぞれ違うので、各システムに応じた形状把握の精度および判定のアルゴリズムを組む必要がある。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、３次元の形状測定機器、カメラ、および画像判定機を備え、個人認証を行う装置において、前記３次元の形状測定機器により人体の頭部を検出して、前記カメラにより顔の２次元情報を取得することにより常に同じ方向からの顔画像が取得でき、２次元の顔画像の安定した撮影をさせることにより精度の高い認識が可能となる。
【００３７】
また、前記３次元の形状測定機器により人体の頭部形状の特徴量を検出して、前記カメラにより得られた顔の２次元情報と合わせて認証を行うことにより、精度の高い形状測定値を算出し、簡易に対象者を絞り込むことができ、高速な認識が可能となる。
【００３８】
さらに、データの取得が接触せずに可能なため、人にやさしいシステムを構成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を用いたＡＴＭ機の模式図
【図２】本発明の光切断方式の構成を示す模式図
【図３】本発明の個人認証のためのフローチャート
【図４】モアレ法の原理図
【符号の説明】
１　ＡＴＭ機
２　操作部
３　顔画像撮影カメラ
４，５　レーザ発信機
６　駆動部
７，８　ＣＣＤカメラ
９　判定部
１０　駆動部
１１　登録部
１２　光源
１３　平行直線格子
１４　ＣＣＤカメラ
１５　モアレ縞
１６　登録情報保持部
１７　顔画像入力部
１８　特徴量抽出部

Claims

３次元の形状測定機器、カメラ、および画像判定機を備え、個人認証を行うことを特徴とする個人認証装置。
前記３次元の形状測定機器は，人体の形状、頭部の位置、顔の器官部位の形状の少なくとも１つを検出して、個人認証の大まかな選別を行い、さらにカメラにより顔の２次元情報を取得し，
前記画像判定機は予め記憶された顔の２次元情報と，前記カメラより取得された２次元情報とを比較することにより個人認証を行うことを特徴とする請求項１記載の個人認証装置。
前記３次元の形状測定機器は，人体の形状、頭部の位置、顔の器官部位の形状の少なくとも１つにより人体の形状の特徴量を検出し、前記カメラにより得られた顔の２次元情報と，前記特徴量に基づいて認証を行うことを特徴とする請求項１又は２の何れかに記載の個人認証装置。
前記３次元の形状測定機器が複数のレーザ光源およびＣＣＤカメラからなり、前記レーザ光源よりライン光を照射し、その反射光を前記ＣＣＤカメラにより計測する装置からなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の個人認証装置。
前記３次元の形状測定機器により，人体の形状、頭部の位置、顔の器官部位の形状の少なくとも１つを検出して、個人認証の大まかな選別を行い、さらにカメラにより顔の２次元情報を取得して，予め記憶された顔の２次元情報と比較して個人認証を行うことを特徴とする個人認証方法。