JP2006095056A - 生体認証装置およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】生体認証装置における画像のＳ／Ｎを悪化させずに装置サイズの小型化を実現すること。
【解決手段】認証する指（人差し指）２の案内溝７の側面に設けた光源部１１より、指に向けて赤外光を照射する。指を透過し案内溝の底面側に向かう光を、ミラー１５により横方向に折り曲げ、撮像部（カメラ）２１で撮影する。光源部は、その出射側にフレネルレンズ１３とルーバーフィルム１４を設け、平行光とする。撮影した画像のうち、輝度レベルがしきい値より大きい指以外の部分の画像データを除去する。
【選択図】図２

Description

本発明は生体情報を用いて個人を識別する生体認証装置およびシステムに関し、特に指の血管パターンに基づく生体認証装置およびシステムに関する。

個人認証技術としては、ＩＣカードが銀行ＡＴＭ（現金自動出入機）の対応として普及しつつある。一方、個人認証の不正使用を防止するための有効な手段として、生体認証技術が提案され注目されている。生体認証の手段としては、指紋、眼底写真、および手や指の血管パターンの検出などがある。このうち、指の血管パターンによる方法は、ユーザにとって心理的抵抗感が少なく、生体内部の特徴を検出するので、偽造が困難という長所がある。

従来提案されている指認証装置の一例として、特許文献１に開示される装置がある。その構成は、指の位置を決めるためのガイド部と、指を透過する透過光を照射する光源部と、指画像を撮影する撮像部と、撮影された画像の認証を行う認証部を備える。ここで光源部と撮像部は、指を上下から挟むように配置する。光源部は、指が挿入される空間の上部を屋根のようにして覆い、天井等からの照明が直接撮像部に侵入しないよう遮光する。また、ガイド部に関し、指の先端部分によってオンオフするスイッチ部を設けることで、指の位置を自然に特定の位置に誘導することで、指の位置が安定し、認証の精度を向上させることが述べられている。

特開２００３−３０６３２号公報

生体認証装置には、更なる小型化を要求されており、これを実現するには次の課題がある。特許文献１に提案の装置では、光源部とガイド部と撮像部からなる光学系が直線状に上下方向に配置されており、装置高さをより低くすることは困難であった。特に光源部は外部光を遮光するため屋根型構造としており、小型化のネックとなっていた。仮に屋根型部分を排除すると、外部光のため画像のＳ／Ｎが劣化して、認証精度が悪化してしまう。

本発明の目的は、生体認証装置における画像のＳ／Ｎを悪化させずに装置サイズの小型化を実現することにある。

本発明による生体認証装置は、認証する指の位置を案内する案内溝を設けた指置き台と、案内溝の側面に設けた発光部より、認証指に向けて側面から光を照射する光源部と、認証指を透過し案内溝の底面側に向かう光を受光し撮影する撮像部と、撮像部で撮影した画像から画像データを作成する画像処理部とを備える。

上記撮像部には、案内溝の底面から下方に向かう光を横方向に折り曲げて撮像部に入射させるミラーを設ける。

また上記光源部は、認証指に向けて照射する光がほぼ平行光となるよう構成し、好ましくは、発光部の出射側にフレネルレンズとルーバーフィルムを設ける。

また上記画像処理部は、撮像部で撮影した画像の各部分の輝度レベルを検出し、輝度レベルが予め設定したしきい値より大きい場合、その部分の画像データを除去する。

本発明による生体認証システムは、上記生体認証装置とこれを制御するコンピュータを備え、コンピュータは、上記画像処理部にて作成した画像データから、指の血管パターンを抽出してメモリに登録し、新たに取得した指の画像から抽出した血管パターンをメモリに登録した血管パターンと照合することにより、生体の認証を行う。

本発明によれば、生体認証装置の装置サイズの小型化、省スペース化を実現できる。

以下、本発明による生体認証装置及び認証システムを図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明による生体認証システムの一実施例を示すブロック図である。図１に示すように、認証する指（一般には人差し指）２を、赤外線光を発生させる光源（赤外発光ダイオード：ＩｒＬＥＤ）１１と、撮像部（ＴＶカメラ）２１の間に挿入する。スイッチ６をオンして、ＴＶカメラ２１によって指の透過像を撮影すると、血管内の血液は照射された赤外線光を吸収する性質があるため、指内部の静脈血管などの部分は暗い影となる。撮影された画像は、輝度レベル切替器３３などの画像処理手段にて不要画像部分を除去され、画像入力器３４にてデジタルデータに変換され、インターフェース（Ｉ／Ｆ）を経由して、コンピュータ３７に送られる。ＣＰＵ３５は画像解析用プログラムを起動し、受け取った画像データから血管パターンを抽出して、個人認証用データとしてメモリ３６に保存（登録）しておく。一方認証時には、コンピュータ３７は、入力された画像データから血管パターンを抽出し、あらかじめメモリ３６に登録されている認証用データの血管パターンと一致するか否かを、認証用アルゴリズムにより判定する。一致すれば本人であると判断し、その結果を表示器４２に表示したり、外部の制御対象４１に対し適切な制御信号を送る。

図２は、本発明による生体認証装置の一実施例を示す構造図である。図２（ａ）は、装置本体９の全体形状を示す斜視図、図２（ｂ）は、Ａ−Ａ’断面図である。本体９は、上面に認証指を挿入する案内溝７を有する。案内溝の両側面には、光源（発光部）１１Ａ、１１Ｂを設置し、認証指を側面から照射する構成である。案内溝７の底面には撮影開口部８があり、指を透過し下方に向う光を取り込む。撮影開口部８を経た光は、ミラー１５にて横方向に折り曲げられ、撮像部（カメラ）２１にて受光し撮影する。

このように本実施例では、装置の上部を開放型にして、認証する指を装置上側からかざせるようにした。そのため、光源１１を指置き部の両側面に配置した。また、撮像部２１も横置きとし、そのためにミラー１５を用いた。これらの構成により、装置の小型化、特に光学路の変更により装置高さの低減を図ることができる。

図３は、本発明の生体認証装置における指置き台の一例を示す平面図である。本実施例の指置き台は、（１）片手で指置き台全体を掴むことができる形状・大きさとし、（２）認証する指（一般には人差し指）を安定に位置決めさせる案内溝を設け、（３）本体側面には撮影用スイッチ６を設けたところに特徴がある。

図３では、指置き台に対し手をかざした時の各指の位置を点線で示す。本体９は、認証する指２以外の親指３と小指等４でつかむ「しずく形」の全体形状とすることで、手のひら全体の姿勢を安定させることができる。認証指２は、案内溝７に沿って指位置ガイド５を目標に設定する。領域８は光学開口部を示す。そして、親指３で撮影用スイッチ６を操作する構造にしたので、認証指２の前後方向位置は、自動的に個人特有の定位置に規制される。これより、各個人の指形状に差があっても、再現性のある画像を取得することができ、認証精度が向上する。

認証する指２が人差し指以外の場合についても、認証が可能である。さらに、スイッチ６の代わりに突起部を設けても、親指の位置決めの効果が得られる。本実施例では、生体認証装置の外形はほぼ指置き台のサイズに等しくなり、よって、小型で使いやすい生体認証装置を実現することができる。

図４は、本発明の生体認証装置における光学系の一例を示す。図は、装置正面側から見た断面図で、前記図２（ｂ）を模式的に示す。認証指２は紙面垂直方向に配置する。認証指２を挟んで２つの光源１１Ａ，１１Ｂを両側に配置し、認証指２に対してその側面から赤外光を照射する。特に光源１１の出射部には、フレネルレンズ１３およびルーバーフィルム１４を設けたことに特徴がある。認証指２を透過した光のうち、指の腹側から下方に向かう光を捉え、ミラー１５にて光路を折り曲げ、カメラ２１に横方向に導く構成とした。

まず、光源１１Ａ，１１Ｂを横置きにすること、またカメラ２１を横置きにすることで、装置全体の高さを大幅に低減することができる。半面、この構成では装置の幅を拡大させる要因になるものの、装置の幅は前述したように手のひらで掴めるサイズを前提としている。よって、本構成に変えても装置幅がそれ以上に拡大することはない。

本実施例では、認証指に対する赤外光の照射方向（図面横方向）と受光方向（下方向）とが直交しているため、いくつかの課題が発生する。まず、指内部での赤外光の拡散が不均一となり、画像の明るさが受光面内で不均一になる。つまり、光が入射する指の側面部は明るく、中心部は暗くなる。これは、横方向から指の一部にのみ強い光を入射しても、指内部の光拡散が一部（側面部分）にとどまるため、指全体に拡散させることは困難であるからである。そこで、本実施例の光学系は、指全体に出来るだけ均一な赤外光を入射させるようにしてこれを解決した。

また、指の腹側表面に光源からの赤外光が直接照射されると、それが反射し、カメラで撮像する際に、指表面が光ってしまい血管画像が見えにくくなる。そこで本実施例の光学系は、撮影側の指腹側斜面２Ａ，２Ｂには赤外光が入射しないように遮断する構造とした。

上記の具体的手段として、図４に示すように、光源１１Ａ、１１Ｂから放射状に発する赤外光を平行光線にするためにフレネルレンズ１３を設けた。フレネルレンズはレンズ面を連続面ではなく階段状にしたレンズであり、通常の凸レンズに比べてレンズ自体の厚みを薄くできるので、装置の小型化に有利である。また、平行光から漏れた光を遮断するために、ルーバー構造を持ったルーバーフィルム１４を配置した。ルーバー構造により、透過光の方向を制限し、かつ薄膜状とすることで小型化に適する。ルーバーフィルム１４を通過した平行光は、認証指の腹側斜面部２Ａ，２Ｂには照射されないように、光源１１Ａ，１１Ｂの高さを設定した。さらに、指２の軸方向に平行で、約４５度傾斜してミラー１５を設置し、指からの透過光を横方向に折り曲げることで、横置きカメラ２１に入射させるようにした。

なお、本構成では光学系の組み立て寸法誤差のため、カメラ上の画像位置がずれることがある。その場合、光学系の機械的調整を一々行うのは容易ではない。そこで本実施例では、装置固有の光学系の位置ずれを、カメラが捉える画像の位置ずれ量としてメモリ（コンフィグレーションＲＯＭ等）に記憶しておく。そして、画面全体から必要部分を切り取るなどの画像処理工程において、この位置ずれ情報をメモリから読み出して、処理範囲を補正する。これより、構造部分の調整箇所を無くし、装置の簡素化を図ることができ、製造原価を削減できる。

以上説明したように、本実施例の構造とすることで、光源からの光の大部分を指に入射することができ、その光が平行光であるため、指の一部に光強度が偏ることが無く、良好な拡散光（背景光）を作り出すことが出来る。その結果、拡散光に浮かんだ血管画像を、Ｓ／Ｎ比良く撮像することができる。さらに、指の方向に平行としたミラーによって、得られた血管画像を、小型の装置で捉えることが可能となる。

図５は、本発明の生体認証装置における画像処理の一例を示す図である。ＴＶカメラ２１で得られる指およびその周囲の画像の処理を示す。従来、指内部からの光は指周辺に豊富に存在する光より弱く、周囲光が外乱光となるため、蛍光灯等の光が入射すると強い光に隠れてしまい、必要な情報が得られなかった。特に本実施例のように上部開放型構造の場合には、周囲光による外乱がより増加する。

そのために、図５（ａ）のように得られる画像２２は、認証する指部分２３と背景（周囲）部分とのコントラストの非常に高い画像となってしまう。図５（ｂ）は、Ａ−Ａ’断面の画像信号の明るさ分布の例を示す。ＴＶカメラ２１の画像信号２５は、横軸を輝度レベルとすると、背景部分が明るく、指の部分は暗くなる。背景部分の画像は認証するためには不要な部分で、また、背景部分のデータを引き続き処理するのは無駄な作業である。そこで、輝度レベルにしきい値２６を設定し、輝度レベルがしきい値２６より大きい指以外の部分の信号を除去する（信号レベルをゼロとする）。その結果、図５（ｃ）に示すように、指の画像２３のみの画像信号を得ることができる。

この動作は、図１に示すように、ＴＶカメラ２１の出力を輝度レベル設定器３２および、輝度レベル比較器３１によって判断し、輝度レベル切替器３３にてレベルを切替え、指の画像２３のみのビデオ信号を得ることができる。

以上説明したように、全体の撮影画像から必要部分のみを切り出し、認証工程で不必要な情報を除去することで、処理精度の向上と処理速度向上を図るものである。その際、コンピュータの負担軽減を図りより安価で消費電力の少ないシステムを実現することが可能となる。

図６は、本発明の生体認証装置において、光源１１の電源回路の一例を示す。本実施例は、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポートを介して装置に電力を供給する場合を想定する。赤外線を発生させる光源１１の電源回路は、ＵＳＢ端子部４２と定電流充電回路４３と、昇圧回路４４と、コンデンサ４５、およびスイッチ４６を有する。カメラ制御装置４７は、ＴＶカメラ２１の同期信号に連動してスイッチ４６を制御する。

ここで、ＵＳＢ端子部４２から供給できる電力は、規格により、電圧５Ｖ、最大電流は０．５Ａに制限されているので、最大２．５Ｗの電力となる。一方本実施例の生体認証装置では、光源１１に約４Ｗの電力が必要であり、そのままでは光源１１を十分発光させることができない。

そこで、本実施例では、限られた電力の範囲内で光源を動作させるために、定電流充電回路４３とコンデンサ４５等の蓄電機能を使用する回路構成とした。光源１１には赤外線ＬＥＤを使用することから、多数個のＬＥＤを直列に使用すると効率がよいので、昇圧回路４４によって、必要とする電圧まで昇圧する。昇圧した電圧を、カメラ２１からの同期信号および、カメラ制御装置４７からの指令によって、スイッチ４６を必要な時間のみ閉じて光源１１に電力を供給する。すなわち、カメラ２１の同期信号及び制御装置４１からの信号によって、カメラ２１が撮像する瞬間のみ光源１１を点灯する。従って、ＵＳＢ電力を有効活用する回路構成は、ＵＳＢ電圧を直接、定電流充電回路４３により充電することによって、スーパーキャパシタ（電気二重層コンデンサ）のような定格電圧の低いコンデンサ４５を使用することにより、小型、省スペースの蓄電回路を実現する。

図７は、本発明による生体認証システムにおける画像処理の一例を示す。ＴＶカメラ２１で取得された認証指２の画像は、一旦画像メモリ５２に蓄えられ、コンピュータ３７にデジタル画像として送信する。その際、ＴＶカメラ２１から取得される画像信号は、画像取り込み制御回路５１、輝度検出回路５３、およびスイッチ５４によって制御される。各段階毎に、得られる画像は、次の通りである。
画像Ａ：カメラが捉える画面全体（斜線部は認証に不要な部分）。
画像Ｂ：画像Ａのうち、認証に用いる画像領域。
画像Ｃ：画像Ｂの部分を切り出した状態。
画像Ｄ：輝度測定領域。

ＴＶカメラ２１で捉える画面全体の画像Ａは、指静脈画像以外の認証に不必要な部分を含む。当然何らかの手段を持って、認証に必要な部分（画像Ｂ）を切り出さなければならない。コンピュータ３７によって、これを行うとすると、膨大な画像情報を処理せねばならず、高速のコンピュータ３７を必要とする。また、高速処理のため消費電力が大きくなり、ＵＳＢ電力のみでは実現が難しい。

そこで、画像の切り出し領域、および切り出す情報量等をコンピュータ３７により予め設定しておく。画像取り込み制御回路５１は、カメラ２１の動作する速さのリアルタイム処理（スイッチ５４）によって、予め設定した領域（画像Ｂ）の画像だけを取り込む。そして、取り込んだ画像Ｃのデータのみを画像メモリ５２に連続して蓄える。これにより、コンピュータ３７は切り出しのために膨大な量の画像情報（画像Ａ）を処理する必要はなくなり、その負担が軽減する。

さらに、カメラ２１の捉えることができる明るさの範囲（ダイナミックレンジ）は狭いため、指静脈の領域の明るさが適当になるよう受光量（露出量）の調整を必要とする。その際、必要とする指静脈の領域と背景となる指周辺では明るさが極端に異なり、指領域部分で見ても明るさの分布が大きいので、一般に使用されるアイリスコントロール（光学絞り制御）では調整が不十分となる。そのため、指領域のうち必要面積部分（画像Ｄ）を抜き出し、輝度検出回路５３にて画像Ｄの明るさを積算平均化して捉える。その検出値に応じて、画像取り込み制御回路５１はスイッチ５４を制御し、受光量（露出量）を最適に調節する。

本実施例では、指定した領域内の輝度の値を、ロジック回路で積算することにより指定領域の明るさのデータを得るものである。その際、コンピュータによる、膨大な量のデータに対する指定領域内のデータを切り出し、及び積算という処理を必要としない。従って、カメラの明るさ調整は簡単な計算と制御で事足りる。その結果、高速のコンピュータを必要とせず省電力、省スペースの実現に貢献する。

以上説明したように、本実施例によれば、マイコン、ロジックの機能分担の最適化により、小型で省電力の生体認証装置及びシステムが実現する。

本発明による生体認証システムの一実施例を示すブロック図。 本発明による生体認証装置の一実施例を示す構造図。 本発明における指置き台の一例を示す平面図。 本発明における光学系の一例を示す図。 本発明における画像処理の一例を示す図。 本発明における光源の電源回路の一例を示す図。 本発明における画像処理の一例を示す図。

符号の説明

２…認証する指、５…指位置ガイド、６…スイッチ、７…案内溝、８…光学開口部、１１…光源（発光部）、１３…フレネルレンズ、１４…ルーバーフィルム、１５…ミラー、２１…撮像部（ＴＶカメラ）、２６…しきい値、３３…輝度レベル切替器、３４…画像入力器、３５…ＣＰＵ、３６…メモリ、３７…コンピュータ、４２…ＵＳＢ端子部、４３…定電流充電回路、４４…昇圧回路、４５…コンデンサ、４６…スイッチ、４７…カメラ制御装置、５１…画像取り込み制御回路、５２…画像メモリ、５３…輝度検出回路、５４…スイッチ。

Claims (9)

1. 指の血管画像を基に生体を認証する生体認証装置において、
   認証する指の位置を案内する案内溝を設けた指置き台と、
   該案内溝の側面に設けた発光部より、該指に向けて側面から光を照射する光源部と、
   該指を透過し上記案内溝の底面側に向かう光を受光し撮影する撮像部と、
   該撮像部で撮影した画像から画像データを作成する画像処理部とを備え、
   上記撮像部には、上記案内溝の底面から下方に向かう光を横方向に折り曲げて該撮像部に入射させるミラーを設けたことを特徴とする生体認証装置。
2. 指の血管画像を基に生体を認証する生体認証装置において、
   認証する指の位置を案内する案内溝を設けた指置き台と、
   該案内溝の側面に設けた発光部より、該指に向けて側面から光を照射する光源部と、
   該指を透過し上記案内溝の底面側に向かう光を受光し撮影する撮像部と、
   該撮像部で撮影した画像から画像データを作成する画像処理部とを備え、
   上記光源部には、上記指に向けて照射する光がほぼ平行光になる手段を設けたことを特徴とする生体認証装置。
3. 請求項２記載の生体認証装置において、
   前記光源部には、前記発光部の出射側にフレネルレンズとルーバーフィルムを設けたことを特徴とする生体認証装置。
4. 請求項２または３に記載の生体認証装置において、
   前記光源部は、前記指に向けて照射する光が前記指の底面側には照射しない構成としたことを特徴とする生体認証装置。
5. 指の血管画像を基に生体を認証する生体認証装置において、
   認証する指の位置を案内する案内溝を設けた指置き台と、
   該案内溝の側面に設けた発光部より、該指に向けて側面から光を照射する光源部と、
   該指を透過し上記案内溝の底面側に向かう光を受光し撮影する撮像部と、
   該撮像部で撮影した画像から画像データを作成する画像処理部とを備え、
   上記画像処理部は、上記撮像部で撮影した画像の各部分の輝度レベルを検出し、該輝度レベルが予め設定したしきい値より大きい場合、その部分の画像データを除去することを特徴とする生体認証装置。
6. 請求項１、２、５のいずれか１項に記載の生体認証装置において、
   前記発光部を駆動する電源部は、定電流充電回路、コンデンサ、昇圧回路及び発光用スイッチを備えることを特徴とする生体認証装置。
7. 請求項１、２、５のいずれか１項に記載の生体認証装置において、
   前記指置き台は、手のひら全体で掴める曲面形状とし、その一方の側面には、親指によって操作可能な撮影用スイッチを設けたことを特徴とする生体認証装置。
8. 請求項１、２、５のいずれか１項に記載の生体認証装置とこれを制御するコンピュータを備えた生体認証システムであって、
   該コンピュータは、前記画像処理部にて作成した画像データから、前記指の血管パターンを抽出してメモリに登録し、新たに取得した指の画像から抽出した血管パターンを該メモリに登録した血管パターンと照合することにより、生体の認証を行うことを特徴とする生体認証システム。
9. 請求項８記載の生体認証システムにおいて、
   前記撮像部にて撮影可能な画像範囲のうち、予め設定した第１の領域の画像を取得する画像取り込み制御部と、
   該取得した画像のうち、予め設定した第２の領域の画像の平均輝度を検出する輝度検出部と、
   上記画像取り込み制御部の設定する第１の領域及び上記輝度検出部の検出した平均輝度に応じて、前記撮像部の撮影時間を制御するスイッチを備えることを特徴とする生体認証システム。

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