JP2005531935A - 複数の部分的な生体計測によるフレーム走査からの生体画像アセンブリのための方法及びシステム - Google Patents
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Abstract
Description
35USC120及び/または35USC119(e)の下で、”拒否されない無線処理のためのシステム、方法、装置、及びコンピュータプログラム”という表題の2001年7月12日に出願された米国特許出願番号60/305,120号、”移動無線のネットワーク型処理認証及びその拒否のためのシステム、方法、及びオペレーティングモデル”という表題の2002年3月13日に出願された米国特許出願番号10/099,554号、及び”統合されたオンチップデータバッファリングを備えた指紋生体情報の獲得装置及び方法”という表題の2002年3月13日に出願された米国特許出願番号10/099,558号に基づいて、優先権が主張されている。これら出願の各々が引用によってここに組み入れられている。
本発明は、部分的な画像データから大きな合成画像を再構築する知的な方法であって、部分的な画像データを獲得しかつその画像データを組み合わせるための装置、システム、方法、処理手順、コンピュータプログラム、及びコンピュータプログラム製品を提供する。本発明がラインセンサ、レベルの低いタイプのセンサ、又は他の画像装置といった多くの異なるタイプに適用可能であるのであるが、ある実施形態では、この部分的画像データが、キャパシティブな(又は他の)指紋スワイプ(swipe)センサから生成された電気信号の形式で存在する。
(典型的な実施例)
本発明の画像生成又は画像再構築のアルゴリズム、方法、及びこの方法における処理手順に関する最初の典型的な実施例を、図3のフローチャートを参照しながら説明する。我々は個々のフレームからの画像を(及び画像を表す電気信号又はデータを効果的に)実際に生成する、又は個々のフレームからの画像を代替的に再構築するという理由から、指紋又は他の生体情報の画像を実際に供給する個々のリニアセンサ又は画像フレームが全くない画像生成のために、本プロセスを参照していることに注意すべきである。
本発明のシステム、方法、アルゴリズム、コンピュータプログラム、及びコンピュータプログラム製品は、様々なセンサ装置に使用される。例えば、Campbell CaliforniaのIControl Transactions, Inc.によって開発されてきたセンサ(ICS-3000モデルのプロトタイプ)に使用される。このセンサ装置は、8行×192列、及び1インチあたり363ドット(363DPI)の分解能を提供する70ミクロンのセンサ要素ピッチを含むスワイプセンサ配列の特徴を有する。それは、統合型のアナログ−デジタル変換機、統合型面接触検出器、及び画像グレイスケール(強度)のための自動ゲイン制御を含んでいる。それは、低パワー消費であり、動作中は1ミリアンプ〜25ミリアンプで、休眠モード(面接触検出が可能)では50マイクロアンプよりも小さく。そしてフルパワーダウン時では5マイクロアンプよりも小さくパワー消費しながら、2.5V〜3.3Vで動作する。それは、アクセスタイムとしての速度が40ナノセカンドで、1秒間に3700フレーム生成することができる。それは、小さい直線の走査領域上を指がスワイプ(swipe)するとき、フレーム毎に指紋画像をキャプチャーする固体の直線スワイプセンサとしての能力がある。都合がよいことに、それは15キロボルトの静的電気放電(ESD)の許容性を有している。これは、2.85mm×16.65mm×0.3mmのセンササイズで、0.56mm×13.44mmの有効走査領域のみを有したコンパクトなセンサである。それは、8ビットの周辺バスインタフェースを使用し、かつ都合が良いことに、外部装置と接続するための50mmのフレキシブルプリント回路リボン・ケーブルを使用する。
図3における生体情報(指紋)画像の生成又は再構築の処理手順201の実施例に関するフローチャートをさらに参照することで、指紋又は他の生体情報センサ150が、普通は、パーソナルコンピュータ(PC)、個人情報機器(PDA)、セル式電話、又は他の携帯通信装置のような電子装置である装置152で実行されたり又は接続されたりすることに留意されたい。説明を簡略化するため、生体計測による指紋センサのための主要な商業的アプリケーションの1つが携帯無線電話に存在するとき、この記述は、センサを設けたり結合したりする装置又は機器152がセル式無線電話152であるということを仮定するのが一般的である。しかしながら、セル式無線電話又は単なる電話の引用が、センサを設けたり結合して、かつここで述べられる方法論や処理手順的な構成要素を提供するために調整される任意の機器に対する引用になることが理解されよう。この場合、システムは、センサを備えたセル式無線電話を構成したり又は含み、本発明の方法及び処理手順は、コンピュータプログラムコードソフトウェア及び/又はファームウェアとして、又は関連したソフトウェア及び/又はファームウェアを伴う又は伴わない汎用処理のハードウェアとして組み込まれる。
本発明の処理手順及びアルゴリズム201の次のフェーズは、新たなフレーム223又はセンサ150からのデータ断片を要求する(ステップ204)ことによる繰り返し、及び現在の再構築又は生成された、これまでにキャプチャーされた1以上のフレームを含む画像225に最後のフレーム223を関係付けること(ステップ206)を含んでいる。(第2の新たなフレームは第1のフレームに関係付けられ、それはこのとき再構築された画像を構成するだろう。そして、後述するように、これら各フレームが有用なことを仮定しながら、第3のフレームが、第1及び第2のフレームなどを有する再構築の部分画像に関係付けられるだろう。)i番目の繰り返しのとき、あるデータフレームがセンサ機器から要求される。
(ii)nはNより大きい(n>N)、
(iii)mは零より小さいか等しい(m≦0)、又は、
(iv)mはMより大きい(m>M)。
これは、説明のための表記を簡単にするためのものであり、方程式や公式の一般性、処理手順の適用性、任意な方法における方程式や公式に影響を及ぼすものではない。
となる。
ここで、NCC(R,d)は、ラグ(遅れ)値dに関する、最後の有用なフレームのR行と、現在のフレームのR行との正規化された相互相関である。curFrame[R,m]は、現在フレームのR行m列で、グレーレベル値のピクセルであり、lastFrame[R,m]は、最後のフレームのR行m列で、グレーレベル値のピクセルである。
と、最後のフレーム平均値
は、各フレームの列(R)の項に公式化される。しかし、それは各フレームの”パッチ(patch)”又は領域として公式化されるときにより一般的かつ等しく有効であり、この場合、パッチ又は領域は、行のある部分集合及びある拡張集合の何れかになり得る。フレーム、パッチ、行、及び行の部分集や拡張集合間の性質及び関係は、図9に示されている。相互に関係がある各フレームのパッチは、ピクセルの任意集合となることができるが、本発明の実施例は、各フレームの中間の行を使用するのが好ましい。任意の行又は行の部分集合が同様に選ばれるが、パッチがあまりに小さい場合には相互相関値の統計的な有意(significance)が侵食されるだろう。この場合、Rは、各フレームの中間行に等しい。
ひとたび獲得されたフレーム223が解析されると、それが廃棄される場合(ステップ215,218)、処理手順201は、このような調整が必要であり、かつセンサがこの種の調整をサポートする場合のみ、センサの設定を調整する選択的な手順のプログラム論理ブロックを選択的に実行する(ステップ219)。例えば、既に述べたように、フレーム属性の付加的な解析に頼るか否かを判断する(ステップ212)。センサの調整は、フレームが廃棄されるとき、選択的に行われる。その結果、センサのキャリブレーションミス又は設定ミスが悪いフレームの原因となり、悪いフレームの理由が修正される。そうでなく、現在修正されたフレームが最後の有用なフレームとして維持又は蓄積される場合には(ステップ205)、次のステップで、現在フレームを部分的に再構築した画像と相関させる(ステップ206)。実行可能なコンピュータプログラムによって実施されるこの処理手順が開始するとき、最初の維持フレームが部分的に再構築した画像バッファに単にコピーされることに留意されたい。これは幾分恣意的である。なぜなら、最初のフレームに相関させる前フレームがないことから、相関関係が生じ得る前に最初のフレームを有している必要があるためである。しかしながら、部分的な再構築画像225を一旦持てば、各維持フレーム224は、部分的な再構築画像225に相関させられなければならない。その結果、再構築画像225は、新規に獲得したフレームからの新たな情報で拡張されることができる。一旦再構築画像が更新されると(ステップ207)、それは記憶機構232に蓄積される。この記憶機構は、例えば、セル式無線電話内の従来型の(固定又は取り外し可能な)ランダムアクセスメモリ(RAM)である。再構築画像の統計量226は、随意選択的に収集され(ステップ214)かつ蓄積される。
いま、最後に獲得した有用なフレームと部分的に再構築した画像のフレーム一致相関を実行する処理手順に関する特別の実施例に注意を向けてみる。本発明のシステム、方法、及びコンピュータプログラムの実施例は、フレーム一致相関、又は正規化した相互相関関係(NCC)270を用いて、新規に獲得したフレームと生成又は再構築した画像との一致を実行する。ある実施例において、他の数学的な公式が実行され、かつ他の形式の正規化した相互相関が代替的に使用されるのではあるが、フレーム一致NCC270は、前述したように、動作検出(動作検出の正規化相互相関258)と同じような形式の方程式を用いて行われる。また、もちろん、標準的な相関が、別の実施例で使用される。
繰り返しになるが、この表現は、掛け算係数と、オフセット若しくはバイアスとの両方又は何れかを含んでいる。
dpeak(R,S,d)272として引用されるPeak値dは、次を満たす。
dpeak(R,S,d)=上記方程式が満たされるd値 [16]
前述した方程式PeakNcc(R,S,L)において定義されたPeakNcc(R,S,L)275を用いて、再構築がまっすぐに進む。図4に示すように、繰り返しiでの再構築画像225は、Height(i−1)を通して番号付けられた行の1を有し、この行1は、最も最近のフレームからの最新情報を含み、かつ行Height(i−1)は、最も古いフレーム(早く起きた繰り返し)からの情報を含んでいる。同様に、再構築画像225に付加される現在フレーム223,224は、Nのうちの行1を有している。ここでNは、センサに供給される行の数である。
・bestMatchRow(最一致行)280であり、最も高い相関値を生じる再構築画像の行;
・MaxPeakNcc281であり、再構築画像の最一致行と、現在フレームの最一致行との相関値;
・dpeakMax282であり、MaxPeakNcc281が到達した相関の遅れ。
・Δx(i)=dpeakMaxであり、それは繰り返しiでのx_velocityである、
・Δy(i)=N_bestMatchRowであり、それは繰り返しiでのy_velocityである(MaxPeakNCC≦corr_threshold)、
・Δx(i)=Δx(i−1)、
・Δy(i)=N、
・繰り返しが次の閾値である繰り返しの増分カウント、
ここで、何れかの状況集合の下、フレーム一致相関閾値corr_thresholdは、その相関が現在のフレームと再構築画像との重複を表示するのにともかく十分に高いことを確実にさせるために用いられる。我々は、前記相関が他の処理による選択的な使用のための閾値である繰り返し数を数えることによって、このカウントを任意に増加させる。
・FinalΔy(i)=MODE{setofallΔy(i)where MaxPeakNCC>corr_threshold}[18]
・FinalΔx(i)=Δx(i−1)、 [19]
・FinalΔy(i)=N、 [20]
・繰り返しが次の閾値である繰り返しの増分カウント、 [21]
前述した獲得フレームと再構築画像とのフレーム一致相関(ステップ206)は、現在のフレームが部分的な再構築画像に重複するかを正確に識別する。したがって、図5に示すように、再構築画像225を更新するために、新たなフレーム224を再構築画像225に位置合わせすること、そしてそれを再構築画像にコピーする(又は連結する)ことが必要となる。ここで、図5a、図5b、及び図5cは、再構築画像のi=1,2,3の繰り返しの態様と、付加されたフレームの関係を示している。フレームが新たな情報を含む場合(つまり、Δy(i)>0)、この処理が細長い画像に生じるだろう。フレームが新たな情報を含まない場合(例えば、Δy(i)≦0)、(何ら新規情報を含まない)フレームが、再構築又は生成された画像としてレジスタ内に付加又は連結されず、この処理が細長い画像に生じないだろう。
・Height(i)=Height(i−1)+Δy(i)であり、部分的な再構築画像の新たな行総数に等しい再構築画像の高さ286;
・再構築とは無関係に用いられた全フレームに等しい繰り返しの総数に、i=total_frames_used287が等しい;
・MaxPeakNCC相関が以下の閾値である繰り返し数のカウント288;
・ノイズ289による廃棄された連続フレームの数;
・センサ290上にどんな指もないことによる廃棄された連続フレームの数。
新規フレーム223の獲得プロセスの間の各繰り返しで、本発明のシステム、方法、コンピュータプログラム及びアルゴリズムが、センサからデータ(フレーム)を獲得することを終了するか否かを決定しなければならない。つまり、生体情報の再構築が完了し、ユーザによる指のスワイプ処理が終わるときを決定しなければならない。その結果、このプロセスは繰り返しを終えることができる。これには、処理を終わらせるための終了基準及び処理(ステップ208)が参照される。付加的なセンサ画像フレーム208を獲得することを終了する時間か否かを判断するこのステップにおいて、様々な代替的技術が終了基準又はルールとして用いられている。
・(i)ノイズによって廃棄された連続フレームのある数Fより大きい場合(これは、どんな指又は他の生体情報もセンサに存在しないことを意味する)、又は
・(ii)指(又は生成された生体情報−それはいくつかの連続フレームにおける新たな情報である)の動きの無いことによって廃棄されている連続フレームのある数Gより大きい場合、又は
・(iii)すでに獲得されてきたフレーム総数のある数Kより大きい場合(これは、指又は他の生体情報が、1以上の生体サイズ、生体動作又は走査速度、及びセンサフレームレートの仮定に基づいてキャプチャーされるべきであることを意味する)。
F=30×frames_per_second/1000 [22]
F=10×frames_per_second/1000 [23]
K=3000×frames_per_second/1000 [24]
一旦、画像の関連した部分が十分に再構築されると、本発明のシステム及び方法は、別の分離した処理又はソフトウェアモジュールによって使用可能にするため、任意にしかし都合良く付加的な統計量を計算する(ステップ220)。例えば、最後の高さ291、スワイプの角度292、及びスワイプの速度293は、以下のように定義されかつ蓄積される:
・スワイプの角度=arctan[H/Σ{Δx(i)}]、x_velocity({Δx(i)})の合計又は全部は、Δy(i)>0であるすべての繰り返しでΔx(i)の合計である。
・スワイプの速度=追加された新たな行数の平均/フレーム=[Σ{Δy(i)}/total_frames_used]。
後工程の指紋画像処理手順及びコンピュータプログラムソフトウェアに有用な多数の統計量及び他の情報がある。これは、再構築画像に置くことによって又は他の手段によって、ファイル又はメッセージヘッダーとして供給され且つフォーマットされる。再構築画像(それともヘッダー)に供給されるとき、これらの統計量又は他の情報を組み込むことは、選択的であるが都合が良い。或いはそうでなければ、1ファイル又は他の再構築画像の移送トークン(token)を通信しかつ追跡することはとても必要であるために、この画像に供給され又は符号化され、その結果このファイル又は移送トークン(token)は自己完結型である。
本システム、方法、コンピュータプログラム及びアルゴリズムに関する様々な代替実施例が提供される。次のいろいろのパラグラフにおいて、本発明の付加的な代替実施例が記載されており、これに限定するものではないが次のものを含んでいる:(i)フレーム獲得及び画像の再構築処理が別々の非実時間で実行する実施例(図6を参照)、(ii)図3に示す実施例の実時間獲得及び再構築の手順に関する任意要素が削除された実施例(図7を参照)、及び図6に示す実施例の別々の非実時間獲得及び再構築の手順に関する任意要素が削除された実施例(図8を参照)
ある代替的な実施例において、フレーム獲得、及び画像の再構築フェーズ又は処理が、個別かつ実時間以外で実行される。このフレーム獲得フェーズは実時間で実行されフレームが蓄積される。この結果、フレームが解析され、そしてフレームから生成かつ再構築された指紋又は他の生体画像が、センサからというより記憶メモリから直接引き出される。この画像再構築は、フレーム獲得と並行して代替的に行われ、そして記憶メモリから獲得したフレームをさらに引き出す。ただ、この再構築は、各フレームが獲得されるとき、又は同じレートで生じる必要はない。通常は、最後のフレームが獲得された後しばらくして、画像の生成又は再構築が完了するだろう。したがって、別々の処理で獲得及び再構築を行うことが可能なことが認識されるだろう。しかし、後述するように、一続きというよりかは同時に行う。
図7を参照すると、実時間の代替実施例が示されており、それは図3のフローチャートに関連して示されかつ述べられた実施例の特徴が削除されている魅力的な再構築処理である。
図8を参照すると、実時間の獲得フェーズの代替実施例が示されているが、それは、図6のフローチャートに関連して示されかつ述べられた実施例の特徴が削除されている、非実時間又は蓄積されたフレームの再構築フェーズ処理である。
処理201、301、401、及び501とサブ処理に関する前述した実施例における相関関数ブロック(ステップ206)に関して、前述したように、相関又は相互相関を用い、かつx速度Δx(i)及びy速度Δy(i)を定義することにより比較することが重要であることをここで提供された記載の範囲で認識されるだろう。また、以下の閾値相関値の場合において、Δx(i)及びΔy(i)のための値を提供することは任意であることが認識されるべきである。それはエラーを単に生成し、そして再構築画像の空行をそのままにする。それは、視覚的に満足するものではないが空行又は充てん行の数が過度でない限りは再構築画像をなおも供給する。しかしながら別の代替実施例において、任意のΔx(i)及びΔy(i)のために、それはある値を提供する。これにより、再構築画像は、空行を満たすよりも良好又はより良好にみえるだろう。そして、前述した、Δx(i)及びΔy(i)に関するより正確な評価が提供されるのが好ましいのであるが、別の代替実施例は、最後のΔx(i−1)値を用いるかわりに、Δx(i)=0及び及びΔy(i)=Nを使用する。
別の代替実施例において、相関(NCC)計算が、第2プロセッサ、マイクロコントローラ、又は特定目的のハードウェアのような、分離した汎用又は特別のハードウェアで実行される。相関は計算として集約的であるので、各繰り返しでのΔx(i)及びΔy(i)の計算を、分離したプロセッサ又は前記特別目的のハードウェアにオフロードすることが可能である。この場合、特別目的のハードウェアが、シリコンの指紋センサ自体に、又は異なる基部上の個別のチップ若しくは回路として一体化される。これが動作するのに必要なすべてとは、そのハードウェアが現在のフレームと再構築画像の最初の数行とにアクセスして相関を行うことである。
本発明の多くの実施例は、指紋生体情報、及び複数の指紋スワイプセンサの出力フレームから獲得した指紋生体画像に関連して述べてきたが、存在する部分的な再構築画像に関連するその位置を特定するため、そして一片の画像を生成し構築するために、文脈に基づく生体フレームを受け入れ又は拒否するための方法及び処理が、多数の画像タイプ及びデータ源並びにスキャナー機器の全ての種類と同様、多くの異なる生体センサに適用できることを認識されるだろう。例えば、特に、フレーム又はラインによって、フレーム内容及び重複を判断するライン解析によって、フレームからの要求又は利益があるスキャナーの速度バリエーションがある場合、本発明の方法は、文書のリニア走査行と一緒に縫うように進む文書走査に適用される。
Claims (1)
- 獲得された複数のフレームから合成生体画像を生成する方法であって、前記方法は、
生体情報の一部分を画像化する新たなフレームを獲得し、
任意の重ね合わせ位置が、少なくとも1つの早期に獲得したフレームの部分を伴う新たな獲得フレームの部分間に存在するかどうかを判断するために、前記獲得した新たなフレームを、少なくとも1つの早期に獲得したフレームと比較し、
任意の重ね合わせ位置が、前記少なくとも1つの早期に獲得したフレームの部分を伴う新たな獲得フレームの部分間に存在する場合、重ね合わせにおいて前記新たな獲得フレームで前記少なくとも1つの早期に獲得したフレームを増加し、
前記合成生体情報が生成されるまで、前記獲得、比較、及び増加を繰り返すことを含むことを特徴とする方法。
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