JP2012176106A - 認証装置及び認証方法、電子機器、並びにコンピューター・プロクラム - Google Patents

Abstract

【課題】心臓の発する微量な電気信号から心拍毎に切り出した心電波形を用いて個人を識別し認証する。
【解決手段】登録工程では、心電波形のばらつきを解析し、心電波形とともにばらつき情報を記録しておき、認証の工程で相関係数を求める際に、登録波形の中でばらつきが大きいと記録されているサンプル点における相関係数への寄与度を下げて、演算を行なう。同一人物から得られた心電波形の中でばらつきが大きいサンプル点が存在しても、ばらつきの大きなサンプル点の相関係数への寄与度を下げることにより、ばらつきに影響されず、個人認証を行なうことができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、個人の体から取得した生体情報を用いて個人を識別し、認証する認証装置及び認証方法、電子機器、並びにコンピューター・プロクラムに係り、特に、心臓の発する微量な電気信号から心拍毎に切り出した心電波形を用いて個人を識別し、認証する認証装置及び認証方法、電子機器、並びにコンピューター・プロクラムに関する。

近年、個人の体から取得した生体情報を用いて個人を識別し、認証する技術が急速に普及している。個人認証は、個人の体から取得した生体情報をあらかじめ登録しておく登録工程と、認証対象となる個人から取得した生体情報をあらかじめ登録したものと照合する認証工程からなる。個人の体から取得する生体情報として、顔画像や（例えば、特許文献１を参照のこと）、指紋、虹彩、音声（例えば、特許文献２を参照のこと）、心電信号（例えば、特許文献３を参照のこと）、などを挙げることができる。

このうち、心電信号は、体表面に接触させた電極から取得される心臓の発する微量な電気信号である。例えば、心拍毎に心電信号を切り出した心電波形を、個人認証に用いることができる。すなわち、登録工程では、個人の体から取得した心電波形をあらかじめ登録波形として登録しておき、認証工程において、ユーザーから取得した心電波形を認証用波形として登録波形と照合して、個人の識別、認証を行なうことができる。また、心電信号の波形には、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波などの特徴的な波形が周期的（心拍毎）に表れることが知られており、ディジタル処理などを施してこれらの周期的な波形の特徴情報を抽出し、抽出された特徴情報を用いて登録や認証を行なう場合もある。

ここで、ディジタル処理により認証用波形と登録波形を照合する際に、２つの波形の相互相関関数を用いる方法が一般的に利用されている。得られた相関係数は２つの波形の類似度を表すことから、相関係数の値が大きければ認証を許可し、逆に相関係数の値が小さければ認証を拒否する。

しかしながら、同一人物から安静な状態で取得した心電波形であっても、必ずしも安定した波形パターンを得られるとは限らない。このため、同一人物を識別し認証できないおそれがある。

図８には、同一人物から安静な状態で取得した心電波形の一例を示している。図８Ａは、一定期間、同一人物から心電信号を取得し、心拍毎に切り出した心電波形を例えば最も特徴的なＲ波のピークを用いて正規化し、重ねてプロットしたものである。また、図８Ｂは、図８Ａにプロットしたすべての波形の平均波形であり、これを登録波形として用いる。

また、図９には、上記と同一人物から得た、Ｒ波のピークで正規化した認証用波形を実線で示している。同図中で、図８Ｂに示した登録波形を破線で併せて示している。図９から、心電波形のＱＲＳ波はよく一致している一方、Ｔ波の立下り以降にズレがあることが分かる。このズレによって、登録波形と認証用波形の相関係数が低下する。すなわち、同一人物から得られる心電波形に生じるばらつきが、認証システムの認証性能を低下させる一因となる。

特開２００６−１７８６５１号公報 特開２００７−１５６４２２号公報 特表２００８−５１８７０９号公報

本発明の目的は、心臓の発する微量な電気信号から心拍毎に切り出した心電波形を用いて、好適に個人を識別し認証することができる、優れた認証装置及び認証方法、電子機器、並びにコンピューター・プロクラムを提供することにある。

本発明のさらなる目的は、同一人物から得られる心電波形に生じるばらつきが生じていても、認証性能を低下させることなく、心電波形に基づいて個人を識別し認証することができる、優れた認証装置及び認証方法、電子機器、並びにコンピューター・プロクラムを提供することにある。

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
個人の体から取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求めるばらつき情報取得部と、
前記心電波形を前記情報取得部で求めたばらつきとともに格納する格納部と、
を具備する認証装置。
である。

また、本願の請求項２に記載の発明は、
個人の体から心電信号を取得する心電信号取得部と、
登録工程において、前記心電信号取得部で取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記心電波形を登録波形として前記ばらつきとともに登録する登録部と、
認証工程において、前記登録部に登録されたばらつきに基づいて各時刻における重み係数を計算し、前記登録部に登録された登録波形及び当該認証工程で前記心電信号取得部により取得した心電信号から心拍毎に抽出した認証用波形の各々を前記重み係数で重み付けし、重み付けした後の登録波形と認証用波形の相互相関を求め、得られた相互相関値に基づいて認証の可否を判定する認証部と、
を具備する認証装置である。

本願の請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の認証装置の登録部は、複数の心電波形を平均した心電波形を登録波形として登録するとともに、各時刻における複数の心電波形と前記登録波形との偏差の２乗を算術平均した分散波形をばらつきとして登録するように構成されている。

本願の請求項４に記載の発明によれば、請求項１に記載の認証装置の認証部は、前記認証波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記登録部に登録されたばらつきと前記認証波形のばらつきとの相互相関をさらに求め、登録波形と認証用波形の相互相関値とともに、登録波形のばらつきと認証用波形のばらつきの相互相関値に基づいて認証の可否を判定するように構成されている。

また、本願の請求項５に記載の発明は、
登録工程において、取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記心電波形を登録波形として前記ばらつきとともに登録部に登録する登録ステップと、
認証工程において、前記登録部に登録されたばらつきに基づいて各時刻における重み係数を計算する重み係数計算ステップと、
前記登録部に登録された登録波形及び前記認証工程取得した心電信号から心拍毎に抽出した認証用波形の各々を前記重み係数計算ステップで求めた重み係数で重み付けする重み付けステップと、
前記重み付けステップで重み付けした後の登録波形と認証用波形の相互相関を求める相互相関計算ステップと、
前記相互相関計算ステップで得られた相互相関値に基づいて認証の可否を判定する判定ステップと、
を有する認証方法である。

また、本願の請求項６に記載の発明は、
請求項１に記載の認証装置を備え、
前記認証部が認証を許可したことに応じて所定の処理を起動する、
情報機器である。

また、本願の請求項７に記載の発明は、
登録工程において、取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記心電波形を登録波形として前記ばらつきとともに登録する登録部、
認証工程において、前記登録部に登録されたばらつきに基づいて各時刻における重み係数を計算し、前記登録部に登録された登録波形及び当該認証工程で前記心電信号取得部により取得した心電信号から心拍毎に抽出した認証用波形の各々を前記重み係数で重み付けし、重み付けした後の登録波形と認証用波形の相互相関を求め、得られた相互相関値に基づいて認証の可否を判定する認証部、
としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述したコンピューター・プログラムである。

本願の請求項７に係るコンピューター・プログラムは、コンピューター上で所定の処理を実現するようにコンピューター可読形式で記述されたコンピューター・プログラムを定義したものである。換言すれば、本願の請求項７に係るコンピューター・プログラムをコンピューターにインストールすることによって、コンピューター上では協働的作用が発揮され、本願の請求項２に係る認証装置と同様の作用効果を得ることができる。

本発明によれば、同一人物から得られる心電波形に生じるばらつきが生じていても、認証性能を低下させることなく、心電波形に基づいて個人を識別し認証することができる、優れた認証装置及び認証方法、電子機器、並びにコンピューター・プロクラムを提供することができる。

本発明によれば、登録工程において心電波形のばらつきを解析し、心電波形（登録波形）とともにばらつき情報を記録しておき、さらに認証の工程において相関係数を求める際に、登録波形の中でばらつきが大きいと記録されているサンプル点における相関係数への寄与度を下げて、演算を行なうようにしている。したがって、同一人物から得られた心電波形の中でばらつきが大きいサンプル点が存在する場合であっても、ばらつきの大きなサンプル点の相関係数への寄与度を下げることにより、ばらつきに影響されず、認証性能を保ちながら、個人の識別、認証を行なうことができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、心臓の発する微量な電気信号から心拍毎に切り出した心電波形を用いて個人を識別し、認証する認証装置１の構成を模式的に示した図である。 図２は、ディジタル処理部３０内の登録部３３の内部構成例を示した図である。 図３は、心電波形の各サンプル点における分散値からなる分散波形を示した図である。 図４は、ディジタル処理部３０内の認証部３４の内部構成例を示した図である。 図５は、分散データから求めた重み係数の一例を示した図である。 図６は、相互相関計算部４０４で求めた相関係数値ｒを、登録波形及び認証用波形にばらつき情報に基づく重み付けを行なわず、単純に相互相関をとる従来の方法で求めた相関係数値とともに示した図である。 図７は、認証部３４の変形例を示した図である。 図８Ａは、一定期間、同一人物から心電信号を取得し、心拍毎に切り出した心電波形をＲ波のピークで正規化し、重ねてプロットした、心電波形の一例を示した図である。 図８Ｂは、図８Ａにプロットしたすべての波形の平均波形を示した図である。 図９は、上記と同一人物から得た認証用波形を登録波形とともに示した図である。 図１０は、理想的な心電信号の波形の一例を示した図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には、心臓の発する微量な電気信号から心拍毎に切り出した心電波形を用いて個人を識別し、認証する認証装置１の構成を模式的に示している。図示の認証装置１は、電極部１０と、アナログ処理部２０と、ディジタル処理部３０で構成される。

電極部１０は、個人の体表面に接触し、心臓の発する微量な電気信号を心電信号として取得する。心電信号の波形には、Ｐ波、Ｑ波、Ｒ波、Ｓ波、Ｔ波などの特徴的な波形が周期的（心拍毎）に表れることが知られている。理想的な心電信号の波形の一例を、図１０に示しておく。

アナログ処理部２０は、心電信号を増幅する増幅部２１と、不要帯域のノイズを除去するフィルター部２２と、アナログ心電信号をディジタル信号に変換するＡＤ変換部２３を備えている。

ディジタル処理部３０は、前処理部３１と、特徴抽出部３２と、登録部３３と、認証部３４を備えている。

前処理部３１は、入力された心電信号の帯域内のノイズを除去するフィルターや、心電信号から心拍毎に心電波形を切り出す機能を有する。前処理部３１は、例えば、心電波形をＲ波のピークで正規化する。

特徴抽出部３２は、波形の特徴情報を抽出する。後段の登録部３３や認証部３４では、抽出された特徴情報を用いて登録、識別を行なうことができる。

登録部３３は、当該認証装置１を使用するユーザーの登録を行なう工程において、入力された心電波形を、登録波形として記憶し保持する機能を有する。

認証部３４は、当該認証装置１を使用するユーザーの認証を行なう工程において、認証のために入力された心電波形を認証用波形として、登録部３３で登録済みの登録波形を照合し、照合結果を出力する。本実施形態では、認証部３４は、認証用波形と登録波形を照合するために、２つの波形の相互相関関数を用いる。得られた相関係数は２つの波形の類似度を表すことから、相関係数の値が大きければ認証を許可し、相関係数の値が小さければ認証を拒否する。

ここで、同一人物から安静な状態で取得した心電波形であっても、必ずしも安定した波形パターンを得られるとは限らない、という問題がある（図８Ａを参照のこと）。このため、同一人物を識別し認証できないおそれがある（図９を参照のこと）。

同一人物から取得した心電波形にズレがあるという現象があって、なお本人拒否率を低く維持するようにするには、本人か否かの判定基準となる相関係数値の閾値を下げざるを得ない。しかしながら、閾値を下げることで他人を認証してしまうリスクが高まるという問題が生じる。

そこで、本実施形態に係る認証装置１では、登録部３３で心電波形を登録する登録工程において、心電波形のばらつきを解析し、心電波形とともにばらつき情報を記録するようにしている。また、その後の認証部３４における認証工程では、相関係数を求める際に、登録波形の中でばらつきが大きいと記録されているサンプル点は相関係数への寄与度を下げて、演算を行なうようにしている。

したがって、同一人物から得られた心電波形の中でばらつきが大きいサンプル点が存在する場合であっても、ばらつきの大きなサンプル点の相関係数への寄与度を下げることにより、ばらつきに影響され難くなる。

図２には、ディジタル処理部３０内の登録部３３の内部構成例を示している。図示の登録部３３は、平均計算部２０１と、分散計算部２０２と、格納部２０３を備えている。

登録部３３の前段には前処理部３１があり（前述並びに図１を参照のこと）、前処理部３１は、登録工程において、心電信号から心電波形を切り出し、心電波形をＲ波のピークで正規化した後に、登録部３３へ出力する（図１に示す例では、さらに特徴抽出部３２で心電波形から特徴抽出された後に、登録部３３へ入力される）。

心電波形が、登録部３３に入力されると、心電波形における心電電位のばらつきの解析が行なわれる。具体的には、まず平均計算部２０１で、複数の心電波形ｘ_i（ｔ）をバッファーし、登録波形としての平均心電波形ｍ_x（ｔ）を、下式（１）のように算出する。但し、ｉは演算に用いる心電波形の周期（拍数）番号であり、１〜Ｎの正の整数とする。

次に、分散計算部２０２では、心電波形の各サンプル点（時刻ｔ）の分散を求める。分散は、各サンプル点における、平均値ｍ_x（ｔ）と各波形ｘ_i（ｔ）の偏差を２乗し、それを算術平均して得られる（周知）。登録分散波形ｖ_x（ｔ）は下式（２）にように表される。

図３には、図８Ａで示した心電波形ｘ_i（ｔ）の各サンプル点における分散値からなる分散波形ｖ_x（ｔ）を例示している。

そして、各個人について得られた平均心電波形ｍ_x（ｔ）と分散波形ｖ_x（ｔ）をセットにして、格納部２０３に格納する。平均心電波形ｍ_x（ｔ）は、登録波形に相当する。また、分散波形ｖ_x（ｔ）は、心電波形における心電電位のばらつきを示すばらつき情報である。ばらつき情報は、各サンプル点における登録波形の値ｍ_x（ｔ）の信頼度を表す。

図４には、ディジタル処理部３０内の認証部３４の内部構成例を示している。図示の認証部３４は、重み係数計算部４０１と、入力波形重み付け部４０２と、登録波形重み付け部４０３と、相互相関計算部４０４と、閾値判定部４０５を備えている。

認証部３４は、登録部３３と同様に、前段に前処理部３１がされている（図１に示す例では、さらに特徴抽出部３２で心電波形から特徴抽出された後に、認証部３４へ入力される）。前処理部３１は、認証工程において、心電信号から心電波形を切り出し、心電波形をＲ波のピークで正規化した後に、認証部３４へ出力する。

認証部３４で、入力された心電波形（認証用波形）の認証を行なう際、まず、登録部３３内の格納部２０３に記録されている、登録波形としての登録平均波形ｍ_x（ｔ）、並びに、ばらつき情報としての登録分散波形ｖ_x（ｔ）を読み出す。

そして、重み係数計算部４０１は、ばらつき情報（分散データ）としての登録分散波形ｖ_x（ｔ）を基に、ばらつきの大きい（すなわち、分散値の大きい）サンプル点に対しては小さく、ばらつきの小さい（すなわち、分散値の小さい）サンプル点に対しては大きな値を持つような重み係数ｗ（ｔ）を求める。

図５には、分散データから求めた重み係数の一例を示している。同図は、図３に示した分散データを基に、分散値ｖ_x（ｔ）が０．００４以下となる時刻ｔのサンプル点における重み係数ｗ（ｔ）を１とし、分散値ｖ_x（ｔ）が０．００４を超える時刻ｔのサンプル点における重み係数ｗ（ｔ）を０としたシンプルな例である。

但し、本発明の要旨は、このような重み係数ｗ（ｔ）の計算方法に限定されるものではない。分散値ｖ_x（ｔ）が小さな値となる時刻ｔは、ばらつきが少なく、信頼度の高いサンプル点である。逆に、分散値ｖ_x（ｔ）が大きな値となる時刻ｔは、ばらつきが少なく、信頼度の低いサンプル点である。分散値ｖ_x（ｔ）などのばらつきで表わされる信頼度に応じた重み係数ｗ（ｔ）を設定する、さまざまな重み係数ｗ（ｔ）の計算方法を適用することができる。

そして、入力波形重み付け部４０２は、前段の前処理部３１から認証用に入力される複数の心電波形ｙ_i（ｔ）をバッファーし、認証用波形としての認証平均波形ｍ_y（ｔ）を下式（４）のように算出し、これに重み係数ｗ（ｔ）を乗算することにより重み付けして、重み付け後の認証用平均波形ｗｍ_y（ｔ）を得る。

また、登録波形重み付け部４０３は、登録部３３内の格納部２０３から読み出した登録平均波形ｍ_x（ｔ）に重み係数ｗ（ｔ）を乗算することにより重み付けして、重み付け後の登録平均波形ｗｍ_y（ｔ）を得る。

続いて、相互相関計算部４０４は、重み付け後の認証用平均波形ｗｍ_y（ｔ）と重み付け後の登録平均波形ｗｍ_y（ｔ）の相互相関を行ない、相関係数を求める。

ここで、心拍周期のうち、相関の計算に用いるサンプルをｊ＝１〜ｎとすると、正規化相互相関ｒは、下式（７）のように表わされる。

最後に、閾値判定部４０５は、相関係数があらかじめ決められた閾値より高いか否かを判定する。そして、閾値より高ければ登録波形と認証用波形は同一人物から取得された心電波形であると判断し、認証を許可する。閾値より低ければ異なる人物と判断し、認証を拒否する。

図６には、本実施形態において相互相関計算部４０４で求めた相関係数値ｒを、登録波形及び認証用波形にばらつき情報に基づく重み付けを行なわず、単純に相互相関をとる従来の方法で求めた相関係数値とともに示している。同図から明らかであるように、登録波形及び認証用波形にばらつき情報に基づく重み付けを行なうことによって、相関係数値が向上したことが分かる。

なお、上記の変形例として、図３に表したような分散データを、複数の認証用波形から取得し、登録分散データと認証用波形の分散データの相互相関をとる方法も可能である。この場合の認証部３４の構成例を図７に示している。認証部３４は、分散計算部４０６と第２の相互相関計算部４０７をさらに備えている。分散計算部４０６は、前処理部３１から入力される認証用波形の分散を計算する。また、第２の相互相関計算部４０７は、登録部３３内の格納部２０３から読み出された登録分散波形と、分散計算部４０６で認証用波形から求めた認証用分散波形の相互相関値を求める。そして、閾値範囲手部４０５は、心電波形の相互相関値と分散波形の相互相関値の２つを用いて認証を判定する。

上述したように、認証装置１は、登録工程で心電波形のばらつき情報を心電波形とともに記録する。そして、認証工程では、ばらつき情報を基に設定した重み係数を用いて認証用波形と登録波形の重み付けを行ない、重み付け後の２つの波形の相互相関を行なう。この結果、相互相関値は心電波形のばらつきに影響されにくくなり、安定した認証性能を実現することができる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本発明に係る認証処理装置並びに認証方法は、パーソナル・コンピューターを始め各種情報機器のセキュリティー、ＡＴＭ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｔｅｌｌｅｒ Ｍａｃｈｉｎｅ）、出入管理、自動車や金庫などの機器組み込みなど、さまざまな分野に適用することができる。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

１…認証装置
１０…電極部
２０…アナログ処理部
２１…増幅部
２２…フィルター部
２３…ＡＤ変換部
３０…ディジタル処理部
３１…前処理部
３２…特徴抽出部
３３…登録部
３４…認証部
２０１…平均計算部
２０２…分散計算部
２０３…格納部
４０１…重み係数計算部
４０２…入力波形重み付け部
４０３…登録波形重み付け部
４０４…相互相関計算部
４０５…閾値判定部
４０６…分散計算部
４０７…第２の相互相関計算部

Claims (7)

1. 個人の体から取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求めるばらつき情報取得部と、
   前記心電波形を前記情報取得部で求めたばらつきとともに格納する格納部と、
   を具備する認証装置。
2. 個人の体から心電信号を取得する心電信号取得部と、
   登録工程において、前記心電信号取得部で取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記心電波形を登録波形として前記ばらつきとともに登録する登録部と、
   認証工程において、前記登録部に登録されたばらつきに基づいて各時刻における重み係数を計算し、前記登録部に登録された登録波形及び当該認証工程で前記心電信号取得部により取得した心電信号から心拍毎に抽出した認証用波形の各々を前記重み係数で重み付けし、重み付けした後の登録波形と認証用波形の相互相関を求め、得られた相互相関値に基づいて認証の可否を判定する認証部と、
   を具備する認証装置。
3. 前記登録部は、複数の心電波形を平均した心電波形を登録波形として登録するとともに、各時刻における複数の心電波形と前記登録波形との偏差の２乗を算術平均した分散波形をばらつきとして登録する、
   請求項２に記載の認証装置。
4. 前記認証部は、前記認証波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記登録部に登録されたばらつきと前記認証波形のばらつきとの相互相関をさらに求め、登録波形と認証用波形の相互相関値とともに、登録波形のばらつきと認証用波形のばらつきの相互相関値に基づいて認証の可否を判定する、
   請求項２に記載の認証装置。
5. 登録工程において、取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記心電波形を登録波形として前記ばらつきとともに登録部に登録する登録ステップと、
   認証工程において、前記登録部に登録されたばらつきに基づいて各時刻における重み係数を計算する重み係数計算ステップと、
   前記登録部に登録された登録波形及び前記認証工程取得した心電信号から心拍毎に抽出した認証用波形の各々を前記重み係数計算ステップで求めた重み係数で重み付けする重み付けステップと、
   前記重み付けステップで重み付けした後の登録波形と認証用波形の相互相関を求める相互相関計算ステップと、
   前記相互相関計算ステップで得られた相互相関値に基づいて認証の可否を判定する判定ステップと、
   を有する認証方法。
6. 請求項１に記載の認証装置を備え、
   前記認証部が認証を許可したことに応じて所定の処理を起動する、
   情報機器。
7. 登録工程において、取得した心電信号から心拍毎に抽出した心電波形の各時刻における心電電位のばらつきを求め、前記心電波形を登録波形として前記ばらつきとともに登録する登録部、
   認証工程において、前記登録部に登録されたばらつきに基づいて各時刻における重み係数を計算し、前記登録部に登録された登録波形及び当該認証工程で前記心電信号取得部により取得した心電信号から心拍毎に抽出した認証用波形の各々を前記重み係数で重み付けし、重み付けした後の登録波形と認証用波形の相互相関を求め、得られた相互相関値に基づいて認証の可否を判定する認証部、
   としてコンピューターを機能させるようにコンピューター可読形式で記述したコンピューター・プログラム。
   

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