JP2005099903A - Update device for authenticating dictionary in biometrics authentication - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、バイオメトリクス認証における認識用辞書の更新装置に関し、特に、情報量の多い生体画像から抽出された比較的情報量の少ない特徴量が登録されたバイオメトリクス認証における認識用辞書の更新装置に関する。
BACKGROUND OF THE
各種システムへのアクセスや入室許可などのセキュリティ管理のために、顔や指紋などの生体画像を使用したバイオメトリクス認証が着目されている。バイオメトリクス認証を行う場合、経年変化による認識精度の低下が問題になる。これは、生体画像から抽出された各人の特徴量が認識用辞書としてバイオメトリクス認識装置に正しく登録されているにもかかわらず、時間が経つと生体形状などの経年変化により、本人であっても正しく本人と認識されないという問題である。 Biometrics authentication using biometric images such as faces and fingerprints has attracted attention for security management such as access to various systems and permission to enter the room. When biometrics authentication is performed, a problem of deterioration of recognition accuracy due to secular change becomes a problem. This is because the person's feature amount extracted from the biometric image is registered correctly in the biometrics recognition device as a recognition dictionary, but over time, the person is It is a problem that it is not correctly recognized as the person.
このような問題を解決し、生体の経年変化による認識精度の低下を防ぐためには、認識用辞書を定期的に更新する方法が有効である。認識用辞書を定期的に更新して経年変化による認識精度の低下を防ぐ従来技術は、下記非特許文献1に記載されている。
しかしながら、従来から生体の経年変化に対して認識用辞書の更新が有効であることは述べられてはいるものの、いかに効率良く認識用辞書を更新するかについては述べられていない。 However, although it has been described that updating of the recognition dictionary is effective against aging of a living body, how to efficiently update the recognition dictionary is not described.
例えば、上記非特許文献1において、認識用辞書の更新は、過去の生体画像に新たに入力された認識用辞書更新用の生体画像が付け加えられて行われるため、その更新に際しては更新前の認識用辞書を作成するために使用された生体画像が必要である。
For example, in Non-Patent
図6は、従来の認識用辞書更新のプロセスのフロー図である。更新前(新規)の認識用辞書1は、複数枚の正規化生体画像2−1,2−2,・・・,2−Nを用い、主成分分析して求めた特徴値を登録することにより作成される。また、正規化生体画像2−1,2−2,・・・,2−Nと新たに入力された更新用の正規化生体画像2−(N+1)を用い、主成分分析して求めた特徴値に更新することにより更新後の認識用辞書1′に更新される。
FIG. 6 is a flowchart of a conventional recognition dictionary update process. The pre-update (new)
上記より明らかなように、従来技術では認識用辞書の更新のために、バイオメトリクス認証装置に過去の生体画像を全て保持しておく必要があるが、バイオメトリクス認証を行ってその使用を許可する携帯電話端末など、携帯端末上でバイオメトリクス認証を行う装置では、生体画像の保持に使用し得る蓄積容量が限られているため、過去の生体画像を全て保持しておくことは実際上困難であり、認識用辞書の更新を行えないという課題がある。 As is clear from the above, in the prior art, in order to update the recognition dictionary, it is necessary to retain all past biometric images in the biometric authentication device. However, biometric authentication is performed and its use is permitted. In a device that performs biometric authentication on a mobile terminal such as a mobile phone terminal, since the storage capacity that can be used to hold a biometric image is limited, it is practically difficult to hold all past biometric images. There is a problem that the recognition dictionary cannot be updated.
本発明の目的は、上記課題を解決し、更新前の認識用辞書を作成するために使用された生体画像を必要とせず、蓄積容量が限られている携帯電話端末などの装置でも認識用辞書の更新を行うことができる、バイオメトリクス認証における認識用辞書の更新装置を提供することにある。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and does not require a biometric image used for creating a pre-update recognition dictionary, and the recognition dictionary even in an apparatus such as a mobile phone terminal having a limited storage capacity It is an object of the present invention to provide a recognition dictionary updating apparatus for biometric authentication that can update the above.
上記課題を解決するために、本発明は、生体画像から抽出された特徴量が登録されたバイオメトリクス認証における認識用辞書の更新装置において、前記認識用辞書に登録されている特徴量を読み出す読出手段と、新たに入力された生体画像と前記読出手段により読み出された特徴量とから新たな特徴量を算出する特徴量算出手段と、前記特徴量算出手段により算出された新たな特徴量を更新後の特徴量として前記認識用辞書に登録する登録手段とを備えたことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides a recognition dictionary update apparatus for biometric authentication in which feature values extracted from a biometric image are registered, and reads out feature values registered in the recognition dictionary. Means, a feature amount calculating means for calculating a new feature amount from the newly input biological image and the feature amount read by the reading means, and a new feature amount calculated by the feature amount calculating means. Registration means for registering in the recognition dictionary as an updated feature quantity.
また、本発明は、前記特徴量が、平均生体画像と、平均生体画像と各生体画像の共分散行列を主成分分析して得られる固有値を対角成分に並べた固有値行列およびそれらに対応する固有ベクトルを列ベクトルとして並べた対角化行列とを含み、前記特徴量算出手段が、新たに入力された生体画像と前記読出手段により読み出された平均生体画像とから新たな平均生体画像を算出する平均生体画像算出手段と、新たに入力された生体画像と前記平均生体画像算出手段により算出された平均生体画像と前記読出手段により読み出された固有値行列および対角化行列とから新たな共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、前記共分散行列算出手段により算出された共分散行列を主成分分析し、新たな固有値行列および対角化行列を算出する固有値行列・対角化行列算出手段とを備え、前記登録手段が、平均生体画像算出手段と固有値行列・対角化行列算出手段により算出された新たな平均生体画像と新たな固有値行列および対角化行列とを前記認識用辞書に登録することを特徴とする。 Further, according to the present invention, the feature amount corresponds to an eigenvalue matrix in which eigenvalues obtained by performing principal component analysis on an average biometric image, an average biometric image, and a covariance matrix of each biometric image are arranged in a diagonal component, and corresponding And a diagonalization matrix in which eigenvectors are arranged as column vectors, and the feature amount calculating means calculates a new average biological image from the newly input biological image and the average biological image read by the reading means. New biometric image calculation means, newly input biometric image, average biometric image calculated by the average biometric image calculation means, and eigenvalue matrix and diagonalization matrix read by the reading means. A covariance matrix calculating means for calculating a dispersion matrix and a principal component analysis of the covariance matrix calculated by the covariance matrix calculating means to calculate a new eigenvalue matrix and a diagonalization matrix Matrix / diagonalization matrix calculation means, wherein the registration means calculates a new average biological image, a new eigenvalue matrix, and a diagonalization calculated by the average biological image calculation means and the eigenvalue matrix / diagonalization matrix calculation means. A matrix is registered in the recognition dictionary.
本発明では、新たに入力された生体画像と更新前の認識用辞書に登録されている特徴量とから新たな特徴量を算出し、これを更新後の特徴量として認識用辞書に登録するので、更新前の認識用辞書を作成するために使用した生体画像を必要とせず、蓄積容量が限られている携帯端末などの装置でも認識用辞書の更新を行うことができる。 In the present invention, a new feature amount is calculated from the newly input biometric image and the feature amount registered in the recognition dictionary before update, and this is registered in the recognition dictionary as the updated feature amount. Therefore, the biometric image used for creating the recognition dictionary before update is not required, and the recognition dictionary can be updated even in a device such as a portable terminal having a limited storage capacity.
すなわち、更新前の認識用辞書を作成するために使用した生体画像を、将来の認識用辞書更新のために蓄積保持しておく必要がないため、蓄積容量が限られたバイオメトリクス認証装置でも認識用辞書の更新が可能となる。具体的には、蓄積容量が制限のある携帯電話端末などの携帯端末上で効率良く認識用辞書更新を行えるバイオメトリクス認証装置となり得る。 In other words, it is not necessary to store and hold the biometric image used to create the pre-update recognition dictionary for future recognition dictionary updates, so even biometric authentication devices with limited storage capacity can be recognized. The dictionaries can be updated. Specifically, it can be a biometric authentication device that can efficiently update a recognition dictionary on a mobile terminal such as a mobile phone terminal having a limited storage capacity.
以下、図面を参照して本発明について説明する。以下では主成分分析により生体画像から特徴量を算出し、生体画像として顔画像を使用するバイオメトリクス認証の場合を例として説明する。また、以下では、プロセスとして説明するが、プロセスの機能をソフトウエアあるいはハードウエアで実現することにより装置として構成できる。 The present invention will be described below with reference to the drawings. In the following, an example will be described in which biometric authentication is performed by calculating a feature amount from a biological image by principal component analysis and using a face image as the biological image. In the following description, although described as a process, the apparatus can be configured as a device by realizing the function of the process with software or hardware.
図1は、基本的な新規認識用辞書作成プロセスおよび個人認証プロセスを示すフロー図である。新規認識用辞書作成プロセスでは、N枚(Nは1以上の整数)の顔画像を取得し(S10)、それらの顔画像中の顔領域を検出する(S11)。次に、顔領域の画像を抽出し、その画像が規格化された輝度および大きさになるように正規化して複数枚の正規化顔画像2−1,2−2,・・・,2−Nを得る(S12)。次に、主成分分析によって特徴基底などを求めて特徴量を算出し(S13)、この特徴量を登録することにより新規認識用辞書1を作成する。
FIG. 1 is a flowchart showing a basic process for creating a new recognition dictionary and a personal authentication process. In the new recognition dictionary creation process, N face images (N is an integer equal to or greater than 1) are acquired (S10), and face regions in these face images are detected (S11). Next, an image of the face area is extracted, normalized so that the image has a standardized luminance and size, and a plurality of normalized face images 2-1, 2-2,. N is obtained (S12). Next, a feature base is obtained by principal component analysis to calculate a feature amount (S13), and a
個人認証プロセスでは、まず、認証対象の生体画像として顔画像を取得し(S10)、その顔画像中の顔領域を検出する(S11)。次に、顔領域の画像を抽出し、その画像が規格化された輝度および大きさになるように正規化して正規化顔画像を得る(S12)。 In the personal authentication process, first, a face image is acquired as a biometric image to be authenticated (S10), and a face region in the face image is detected (S11). Next, an image of the face area is extracted and normalized so that the image has a standardized luminance and size, thereby obtaining a normalized face image (S12).
特徴量算出・識別処理(S14)では、正規化顔画像についての特徴量と認識用辞書1に予め登録されている特徴量から相違度または類似度を求め、その値の大小で個人認証の判定を行う。
図2は、本発明の一実施形態における認識用辞書更新プロセスを示すフロー図である。更新前の認識用辞書1は、上述したように、過去において複数枚の正規化顔画像2−1,2−2,・・・,2−Nを用いて作成されている。
In the feature amount calculation / identification process (S14), the degree of difference or similarity is obtained from the feature amount of the normalized face image and the feature amount previously registered in the
FIG. 2 is a flow diagram illustrating the recognition dictionary update process in one embodiment of the invention. As described above, the
新たな顔画像2−(N+1)を使用して過去の認識用辞書1を新たな認識用辞書1′に更新しようとする場合、新たな顔画像2−(N+1)を入力するとともに、認識用辞書1に登録されている特徴量を読み出す。特徴量算出処理(S20)では、新たに入力された顔画像2−(N+1)と認識用辞書1より読み出された特徴量とから主成分分析により更新された新たな特徴量を算出し、過去の特徴量を新たな特徴量に更新して更新後の認識用辞書1′に更新する。
When the
以下に、主成分分析を用いた顔画像認証について数式を用いて具体的に示し、新たに入力された顔画像2−(N+1)と認識用辞書1より読み出された更新前の特徴量とから更新後の特徴量を導出することができる理由を説明する。
The face image authentication using the principal component analysis is specifically shown below using mathematical expressions, and the newly input face image 2- (N + 1) and the pre-update feature amount read from the
まず、新規認識用辞書1の作成プロセスについて説明する。なお、図3は、このプロセスをまとめて示している。新規認識用辞書1の作成に用いるN枚の正規化顔画像2−1,2−2,・・・,2−Nをxi(i=1,2,・・・,N)とすると、その平均顔画像m、共分散行列Σはそれぞれ、下記(1)、(2)式で定義できる。
First, the process for creating the
共分散行列Σを下記(3)式に示すように主成分分析し、値の大きな順にd(ただし、d<N)個の固有値λi(i=1,2,・・・,d)が対角成分に並べられた下記(4)式に示す固有値行列Λと、それらに対応するd個の固有ベクトル(特徴基底)ui(i=1,2,・・・,d)が列ベクトルとして並べられた下記(5)式に示す対角行列Aを求める。 The covariance matrix Σ is subjected to principal component analysis as shown in the following equation (3), and d (where d <N) eigenvalues λ i (i = 1, 2,..., D) are in descending order. The eigenvalue matrix Λ shown in the following equation (4) arranged in the diagonal component and d eigenvectors (feature bases) u i (i = 1, 2,..., D) corresponding to them are column vectors. The diagonal matrix A shown in the following equation (5) is obtained.
以上のようにして求めた平均顔画像mと固有値行列Λと対角化行列Aの3つを生体画像の特徴量として新規認識用辞書1に登録する。ここで、対角化行列Aは、d個の特徴基底ui が列ベクトルとして並べられて作成されたものである。
The average face image m, the eigenvalue matrix Λ, and the diagonalization matrix A obtained as described above are registered in the
次に、実際に個人認証を行うプロセスについて説明する。図4は、このプロセスをまとめて示している。個人認証を行うプロセスおいては、例えば、認識用辞書1に登録されている平均顔画像mと特徴基底ui を使用して、下記(6)式により入力された正規化顔画像xの相違度Dを求め、相違度Dの大小で個人認証を行う。一般に相違度の定義は多数存在しており、下記(6)式はその一例にすぎない。なお、特徴基底ui は、認識用辞書1に登録されている対角化行列A内の列ベクトルとして格納されているものを使用する。
Next, a process for actually performing personal authentication will be described. FIG. 4 summarizes this process. In the process of performing personal authentication, for example, using the average face image m registered in the
下記(7)式で示される類似度Sを求め、この類似度Sの値の大小によっても個人認証を行うことができる。類似度の定義も多数存在しており、(7)式はその一例にすぎない。 The degree of similarity S expressed by the following equation (7) is obtained, and personal authentication can also be performed based on the value of the degree of similarity S. There are many definitions of similarity, and equation (7) is just one example.
上記例では、相違度D(≧0)は、その値が0に近いほど入力された正規化画像xが認識用辞書1に登録されたその本人に近いことを示し、逆に、類似度(0≦S≦1)は、その値が大きいほど入力された正規化画像xが認識用辞書1に登録されたその本人に近いことを示す。
In the above example, the degree of difference D (≧ 0) indicates that the closer the value is to 0, the closer the input normalized image x is to the person registered in the
次に、上記で説明した認識用辞書作成と個人認証を行う顔画像認証装置に対して、過去に認識用辞書1を作成するために使用した正規化顔画像xi(i=1,2,・・・,N)を用いずに認識用辞書1を更新して新たな認識用辞書1′に更新するプロセスについて説明する。図5は、このプロセスをまとめて示している。
Next, the normalized face image x i (i = 1, 2, i) used to create the
上記式(1)〜(3)をそのまま使用すれば、認識用辞書1に登録する必要のある平均顔画像mと対角化行列Aのd個の特徴基底ui を算出するためには、N枚の正規化顔画像xi(i=1,2,・・・,N)が必要である。そのため、新たに入力されたN+1枚目の正規化顔画像xN+1 を付け加えて新たな認識用辞書1′に更新したい場合、N+1枚目の正規化顔画像xN+1 だけでなく、過去に認識用辞書1を作成するために使用したN枚の正規化顔画像xi(i=1,2,・・・,N)の全てを用いて、合計N+1枚の正規化顔画像から再度共分散行列Σ′を求めることになる。
If the above formulas (1) to (3) are used as they are, in order to calculate the average face image m and the d feature bases u i of the diagonalization matrix A that need to be registered in the
しかし、ここで、新たにN+1枚目の正規化顔画像xN+1 が入力されて認識用辞書が更新される場合、更新前の平均顔画像をm、更新後の平均顔画像をm′とすると、下記(8)式が成り立つ。 However, when the N + 1-th normalized face image xN + 1 is newly input and the recognition dictionary is updated, it is assumed that the average face image before update is m and the average face image after update is m ′. The following equation (8) holds.
すなわち、更新後の平均顔画像m′は、過去に認識用辞書1を作成するために使用したN枚の正規化顔画像xi(i=1,2,・・・,N)を用いずに、新たに入力されたN+1枚目の正規化顔画像xN+1 と更新前の平均顔画像mから導出することができる。
That is, the updated average face image m ′ does not use the N normalized face images x i (i = 1, 2,..., N) that were used to create the
同様に、認識用辞書更新前の共分散行列をΣ、更新後の共分散行列をΣ′とすると、下記(9)式が成り立つ。 Similarly, when the covariance matrix before updating the recognition dictionary is Σ and the updated covariance matrix is Σ ′, the following equation (9) is established.
なお、上記(9)式の導出過程で、下記(10),(11)式が成り立つのは以下の理由による。 Note that the following formulas (10) and (11) hold in the derivation process of the formula (9) for the following reason.
Σ演算中の(m′−m)T はiの変化によらず一定の行ベクトルであり、定数のように取り扱うことができるため、(m′−m)T =pT とおくと、下記(12)式が成り立つ。 (M′−m) T in the Σ operation is a constant row vector regardless of the change of i, and can be handled like a constant. Therefore, if (m′−m) T = p T is set, Equation (12) holds.
同様に、Σ演算中の(m′−m)は、iの変化によらず一定の行ベクトルであり、定数のように取り扱うことができるため、下記(13)式が成り立つ。 Similarly, (m′−m) in the Σ operation is a constant row vector regardless of the change of i, and can be handled like a constant, so that the following expression (13) holds.
以上の結果から明らかなように、認識用辞書更新後の共分散行列Σ′は、更新前の共分散行列Σと上記(8)式で求めた認識用辞書更新後の平均顔画像m′から導出することができる。 As is clear from the above results, the covariance matrix Σ ′ after the recognition dictionary is updated is obtained from the covariance matrix Σ before the update and the average face image m ′ after the recognition dictionary updated obtained by the above equation (8). Can be derived.
さらに、上記(3)式より、認識用辞書更新前の共分散行列Σは、下記(14)式に示すとおり、特徴基底ui (i=1,2,・・・,N)を列ベクトルとした対角化行列Aと固有値行列Λから導出することができる。 Further, from the above equation (3), the covariance matrix Σ before updating the recognition dictionary is obtained by converting the feature basis u i (i = 1, 2,..., N) into a column vector as shown in the following equation (14). Can be derived from the diagonalization matrix A and the eigenvalue matrix Λ.
したがって、上記(9),(14)式から、最終的には下記(15)式が成り立つ。すなわち、認識用辞書更新後の共分散行列Σ′は、対角化行列Aと固有値行列Λと新たに入力されたN+1枚目の正規化顔画像xN+1 と上記(8)式で求めた認識用辞書更新後の平均顔画像m′から導出することができる。 Therefore, the following formula (15) is finally established from the above formulas (9) and (14). In other words, the covariance matrix Σ ′ after the recognition dictionary is updated is the recognition matrix A, the eigenvalue matrix Λ, the newly input N + 1th normalized face image x N + 1, and the recognition obtained by the above equation (8). It can be derived from the average face image m ′ after the dictionary update.
結果として、認識用辞書登録後に登録する必要のある対角化行列A′と固有値行列Λ′は、上記(15)式で求めた認識用辞書更新後の共分散行列Σ′を下記(16)式で主成分分析して導出することができる。 As a result, the diagonalization matrix A ′ and the eigenvalue matrix Λ ′ that need to be registered after registering the recognition dictionary are obtained by replacing the covariance matrix Σ ′ after the recognition dictionary update obtained by the above equation (15) with the following (16): It can be derived by principal component analysis with an equation.
以上の結果から、認識用辞書を新たに更新する場合、過去に認識用辞書を作成したときに使用した正規化顔画像を全て蓄積保持しておく必要がなく、既に登録されている平均顔画像mと固有値行列Λと対角化行列Aの3つを用いて更新後の平均顔画像m′と固有値行列Λ′と対角化行列A′を導出できることが分かる。 Based on the above results, when the recognition dictionary is newly updated, it is not necessary to store and hold all the normalized face images used when the recognition dictionary was created in the past. It can be seen that the updated average face image m ′, eigenvalue matrix Λ ′, and diagonalization matrix A ′ can be derived using m, eigenvalue matrix Λ, and diagonalization matrix A.
以上、本発明に実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られない。例えば、生体画像としては、顔画像の以外に、指紋、虹彩あるいは網膜など他の生体画像を用いることができる。 As mentioned above, although embodiment was described to this invention, this invention is not limited to the said embodiment. For example, in addition to a face image, other biological images such as fingerprints, irises, and retinas can be used as the biological image.
1・・・更新前認識用辞書、1′・・・更新後認識用辞書、2−1〜2−(N+1)・・・正規化生体(顔)画像
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記認識用辞書に登録されている特徴量を読み出す読出手段と、
新たに入力された生体画像と前記読出手段により読み出された特徴量とから新たな特徴量を算出する特徴量算出手段と、
前記特徴量算出手段により算出された新たな特徴量を更新後の特徴量として前記認識用辞書に登録する登録手段とを備えたことを特徴とするバイオメトリクス認証における認識用辞書の更新装置。 In a recognition dictionary update device in biometrics authentication in which feature values extracted from biological images are registered,
Reading means for reading out the feature quantity registered in the recognition dictionary;
Feature amount calculating means for calculating a new feature amount from the newly input biological image and the feature amount read by the reading means;
An apparatus for updating a recognition dictionary in biometric authentication, comprising: a registration unit that registers a new feature amount calculated by the feature amount calculation unit in the recognition dictionary as an updated feature amount.
前記特徴量算出手段は、
新たに入力された生体画像と前記読出手段により読み出された平均生体画像とから新たな平均生体画像を算出する平均生体画像算出手段と、
新たに入力された生体画像と前記平均生体画像算出手段により算出された平均生体画像と前記読出手段により読み出された固有値行列および対角化行列とから新たな共分散行列を算出する共分散行列算出手段と、
前記共分散行列算出手段により算出された共分散行列を主成分分析し、新たな固有値行列および対角化行列を算出する固有値行列・対角化行列算出手段とを備え、
前記登録手段は、平均生体画像算出手段と固有値行列・対角化行列算出手段により算出された新たな平均生体画像と新たな固有値行列および対角化行列とを前記認識用辞書に登録することを特徴とする請求項1に記載のバイオメトリクス認証における認識用辞書の更新装置。 The feature amount includes an average biometric image, an eigenvalue matrix in which eigenvalues obtained by performing principal component analysis on the average biometric image and a covariance matrix of each biometric image are arranged in a diagonal component, and eigenvectors corresponding thereto as column vectors. A diagonalization matrix arranged,
The feature amount calculating means includes:
Average biological image calculation means for calculating a new average biological image from the newly input biological image and the average biological image read by the reading means;
A covariance matrix that calculates a new covariance matrix from the newly input biological image, the average biological image calculated by the average biological image calculation means, and the eigenvalue matrix and the diagonalization matrix read by the reading means A calculation means;
A principal component analysis of the covariance matrix calculated by the covariance matrix calculation means, and an eigenvalue matrix / diagonalization matrix calculation means for calculating a new eigenvalue matrix and diagonalization matrix,
The registration means registers the new average biological image, the new eigenvalue matrix and the diagonalization matrix calculated by the average biological image calculation means and the eigenvalue matrix / diagonalization matrix calculation means in the recognition dictionary. The device for updating a recognition dictionary in biometric authentication according to claim 1.
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JP2007513408A (en) * | 2003-11-13 | 2007-05-24 | 本田技研工業株式会社 | Adaptive stochastic image tracking with sequential subspace updates |
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