JP2012238105A - 指紋採取装置及び指紋採取方法 - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲の指紋画像を高い精度で採取する指紋採取装置及び指紋採取方法を提供する。
【解決手段】指紋採取装置１００は撮影センサユニット１０１、合焦光学系１１２ｆ、光学系駆動機構１１３、制御部と１０２、画像処理部１０３を有する。撮影センサユニット１０１は被写体像を撮像する。合焦光学系１１２ｆは撮影センサユニットの受光面に被写体像を合焦させる。光学系駆動機構１１３は少なくとも合焦光学系１１２ｆを光軸に沿って変位させる。制御部１０２は合焦光学系の変位と撮像とを光学系駆動機構と撮影センサユニットとに交互に繰返し実行させる。画像処理部１０３は撮像画像を構成する複数の小領域の合焦度を別々に算出する。画像処理部１０３は小領域毎における部分画像を単一の撮像画像から抽出する。画像処理部１０３は抽出された部分画像を組合わせることにより全体画像を作成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、広範囲の指紋画像を高い精度で採取する指紋採取装置及び指紋採取方法に関するものである。

入退室管理や個人情報の利用の判別などのセキュリティー強化や犯罪捜査のために、指紋を用いて個人の認証が行われている。個人の認証を行うためには、指紋の画像を採取することが求められる。指紋画像を採取するための様々な装置が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。

特開２００７−０７９７７１号公報 特開２００２−１２３８２２号公報

指紋は隆線と隆線溝とによって形成される紋様であり、明確に認識可能な状態で採取するためにはコントラストが高くなるように撮像する必要があった。しかし、指の表面は湾曲しているため、指の全領域に対して合焦位置を一致させることは難しい。それゆえ、指のいずれかの位置においてはボケが生じ、広範囲の指紋を採取することが難しかった。したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明では、広範囲にボケの少ない指紋画像を採取する指紋採取装置および指紋採取方法を提供することを目的とする。

上述した諸課題を解決すべく、本発明の指紋採取装置は、
被写体像を撮像する撮影センサユニットと、
撮影センサユニットの受光面に被写体像を合焦させる合焦光学系と、
少なくとも合焦光学系を光軸に沿って変位させる光学系駆動機構と、
少なくとも合焦光学系の所定距離の変位と、被写体像の撮像とを光学系駆動機構と撮影センサユニットとに交互に繰返し実行させる制御部と、
制御部による繰返された被写体像の撮像により取得された複数の撮像画像毎に撮像画像を構成する複数の小領域の合焦度を別々に算出し、小領域毎における部分画像を複数の撮像画像の中において合焦度が最大値となる単一の撮像画像から抽出し、抽出された部分画像を組合わせることにより全体画像を作成する画像処理部とを備える
ことを特徴とするものである。

また、本発明の指紋採取方法は、
被写体像を撮像する撮影センサユニットの受光面に被写体像を合焦させる合焦光学系を光軸に沿って所定距離変位させる第１のステップと、
合焦光学系を所定距離変位させた状態で撮影センサユニットに被写体像を撮像させる第２のステップと、
第１、第２のステップを交互に繰返し実行する第３のステップと、
第３のステップにより繰返された被写体像の撮像により取得された複数の撮像画像毎に、撮像画像を構成する複数の小領域の合焦度を別々に算出する第４のステップと、
小領域毎における部分画像を複数の撮像画像の中において、合焦度が最大値となる単一の撮像画像から抽出する第５のステップと、
第５のステップにおいて抽出された部分画像を組合わせることにより全体画像を作成する第６のステップとを含む
ことを特徴とするものである。

上記のように構成された本発明に係る指紋採取装置及び指紋採取方法によれば、合焦光学系を変位させながら繰返し被写体像を撮像して、小領域毎にボケの少ない部分画像を選択して結合させるので、広範囲にボケの少ない指紋画像を採取可能である。

本発明の一実施形態に係る指紋採取装置の構成を概略的に示すブロック図である。 指紋採取装置において制御部およびＤＳＰにより実行される指紋採取機能において実行される処理を説明するための第１のフローチャートである。 指紋採取装置において制御部およびＤＳＰにより実行される指紋採取機能において実行される処理を説明するための第２のフローチャートである。 撮像素子の受光面の構成を示す正面図である。 指を撮影した場合における小領域が分類されるグループを説明する図である。 図５におけるVI−VI線から見た指の断面図である。

以下、本発明の適用した指紋採取装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る指紋採取装置の構成を概略的に示すブロック図である。指紋採取装置１００は、撮影レンズユニット１１０、撮像素子１０１、制御部１０２、画像処理装置であるＤＳＰ１０３、ＤＲＡＭ１０４、およびモニタ１０５などによって構成される。

撮影レンズユニット１１０は、鏡筒１１１、撮影光学系１１２、レンズ駆動機構１１３、および位置規制体１１４によって構成される。撮影光学系１１２およびレンズ駆動機構１１３は鏡筒１１１内に設けられる。位置規制体１１４は、鏡筒１１１の物体側の端部に固定される。撮影光学系１１２は撮像素子１０１の受光面に光学的に結合される。撮影光学系１１２を透過する光学像が、撮影光学系１１２により撮像素子１０１の受光面に結像する。

撮影光学系１１２は、テレセントリックレンズ１１２ｔおよび合焦レンズ１１２ｆを含む複数のレンズ（図示せず）によって構成される。テレセントリックレンズ１１２ｔは物体側にテレセントリックであり、被写体と撮影光学系１１２との間の距離の変化に関わらず、同じ大きさの光学像を撮像素子１０１上に形成する。合焦レンズ１１２ｆは、レンズ駆動機構１１３により撮影光学系１１２の光軸ＬＸに沿って変位可能に支持される。合焦レンズ１１２ｆを変位させることにより、撮影光学系１１２からの距離が異なる物体面を撮像素子１０１の受光面上に合焦可能である。レンズ駆動機構１１３はモータ（図示せず）を有し、制御部１０２の制御に基づいて、合焦レンズ１１２ｆを光軸ＬＸに沿って変位させる。レンズ駆動機構１１３はエンコーダ（図示せず）を有し、合焦レンズ１１２ｆの変位位置を検出可能である。

位置規制体１１４は、撮影光学系１１２の光軸方向に沿った長さが定められる。撮影光学系１１２の光軸に沿った位置規制体１１４の先端位置近傍の物体面が、合焦レンズ１１２ｆの変位範囲内において、撮像素子１０１の受光面に合焦するように、位置規制体１１４の長さが定められる。

撮像素子１０１はＣＣＤエリアセンサやＣＭＯＳエリアセンサなどのエリアセンサであり、受光面に結像する光学像に相当する画像信号を生成する。生成される画像信号はＤＳＰ１０３に送信される。ＤＳＰ１０３はＤＲＡＭ１０４をワークメモリとして用い、受信する画像信号に所定の画像処理を施す。後述するように、所定の画像処理により合成される二次合成画像が信号としてモニタ１０５に送信され、表示される。また、二次合成画像は制御部１０２を介して接続される記録メディア（図示せず）に格納可能である。

制御部１０２は、合焦レンズ１１２ｆの変位、撮像素子１０１における撮像、およびＤＳＰ１０３による画像処理を制御する。また、制御部１０２は、指紋採取装置１００の各部位の様々な動作を制御する。制御部１０２には、ボタン（図示せず）、キーボード（図示せず）、マウスなどのポインティングデバイス（図示せず）によって構成される入力部１０６に接続される。使用者による入力部１０６への操作入力に基づいて、制御部１０２は指紋採取装置１００の各部位を制御する。

使用者が入力部１０６に指紋採取の操作を入力すると、以下に説明する指紋採取機能が実行される。図２、図３のフローチャートを用いて、制御部１０２およびＤＳＰ１０３により実行される指紋採取機能を説明する。

ステップＳ１００において、制御部１０２はレンズ駆動機構１１３を制御して、合焦レンズ１１２ｆを撮影開始位置に変位させる。なお、撮影開始位置は、例えば、撮像素子１０１側の合焦レンズ１１２ｆの変位限界位置である。合焦レンズ１１２ｆを撮影開始位置に変位させると、ステップＳ１０１に進む。

ステップＳ１０１では、制御部１０２は撮像素子１０１に撮像を実行させ、１フレームの画像信号を生成させ、画像信号をＤＳＰ１０３に送信させる。また、ＤＳＰ１０３は受信した画像信号をＤＲＡＭ１０４に格納する。１フレームの画像信号の生成および格納後、ステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、制御部１０２はレンズ駆動機構１１３から合焦レンズ１１２ｆの変位位置を信号として受信する。さらに、制御部１０２は合焦レンズ１１２ｆの変位位置が撮影終了位置に達しているか否かを判別する。撮影終了位置に達していないときには、ステップＳ１０３に進む。撮影終了位置に達しているときには、ステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０３では、制御部１０２はレンズ駆動機構１１３を制御して、合焦レンズ１１２ｆを所定の変位量Δεだけ変位させる。合焦レンズ１１２ｆの変位後、ステップＳ１０１に戻る。以後、合焦レンズ１１２ｆが撮影終了位置に達していると判別されるまで、ステップＳ１０１〜ステップＳ１０３の処理を繰返す。したがって、撮影開始位置から撮影終了位置までの間の変位位置毎の撮影により生成された複数のフレームの画像信号がＤＲＡＭ１０４に格納される。

ステップＳ１０４では、ＤＳＰ１０３は小領域のコントラスト値を算出する。小領域について、以下に説明する。図４に示すように、撮像素子１０１の受光面には、複数の画素ｐｘが二次元状に配置される。各画素ｐｘでは、受光量に応じた画素信号が生成される。撮像素子１０１では、受光面が、内部にｍ×ｍ個（ｍは１以上の整数）の画素ｐｘを内包する複数の小領域ｓａに分割される。小領域ｓａ毎に、内包する全画素ｐｘの画素信号に基づいてコントラスト値が算出される。なお、小領域ｓａのコントラスト値は、ＤＲＡＭ１０４に格納された全フレームの画像信号に対して算出される。算出されたコントラスト値は、対応する画像信号のフレームと対応する小領域ｓａの座標と関連付けられてＤＲＡＭ１０４に格納される。コントラスト値の算出を終えると、ステップＳ１０５に進む（図２参照）。

ステップＳ１０５では、ＤＳＰ１０３は全フレームの画像信号における同一の小領域ｓａに対して算出されたコントラスト値の最大値を、小領域ｓａ毎に検出する。また、最大値として検出されたコントラスト値に対応する小領域ｓａと対応する画像信号のフレームを、ＤＳＰ１０３はＤＲＡＭ１０４に格納する。全小領域ｓａに対して、コントラスト値の最大値の検出を終えると、ステップＳ１０６に進む。

図３に示すように、ステップＳ１０６では、ＤＳＰ１０３は画像の一次合成を行う。一次合成においては、全フレームの画像信号の中から小領域ｓａ毎に単一のフレームの画像信号が選択される。次に、各小領域ｓａに対して選択されたフレームの画像信号における画素信号成分が抽出される。さらに、全画素ｐｘに対して抽出した画素信号成分を用いて、一次合成画像信号が生成される。なお、選択される単一のフレームの画像信号は、ステップＳ１０５において最大値として検出されたコントラスト値に対応するフレームの画像信号である。一次合成画像信号を生成すると、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、ＤＳＰ１０３は小領域ｓａを抽出したフレーム別に分類するグループ化を実行する。同じフレームの画像信号から抽出される複数の小領域ｓａは、合焦レンズ１１２ｆのある変位位置における合焦した物体面の部分画像に属する。すなわち、同じフレームに対応する複数の小領域ｓａは撮影光学系１１２からの距離が同じであることが一般的である。指紋採取装置１００における被写体である指は、中央付近が撮影光学系１１２に最も近く、中央付近から側部や先端側に向かうにつれ、撮影光学系１１２との距離が長くなる。それゆえ、同一のフレームの画像信号から抽出した小領域ｓａを結合させると、図５に示すように、楕円形または蹄形のグループに分類される。図５には、同じグループに分類された小領域ｓａの境界線ＢＬが形成される。なお、図５における縦方向をｙ方向、横方向をｘ方向とする。全小領域ｓａのグループ化を終えると、ステップＳ１０８に進む。

ステップＳ１０８では、ＤＳＰ１０３は各グループに属する小領域ｓａを構成する画素信号に対して平面化を施す。平面化について、以下に説明する。図５におけるVI−VI線の断面図である図６において、図５におけるグループ分けした少領域ｓａの境界線ＢＬは、ｙ方向に平行で且つ等間隔に形成される。境界線ＢＬの間隔は、合焦レンズ１１２ｆの単位変位量、すなわち所定の変位量Δεに対応する合焦する物体面の変位量に等しい。図６における、第５グループｇ５に分類された小領域ｓａは指ｆｉｎの先端側において、ｘｙ平面に対して傾斜しており、先端側における第５グループｇ５を形成する両境界線ＢＬ間の距離は、実際の物体における距離ＲＬよりも、撮影光学系１１２に投影される距離ＰＬよりも長い。一次合成画像は撮影光学系１１２への投影画像であり、ｘｙ平面に対して傾斜した物体面の画像は実物体よりも狭く表示される。そこで、平面化を施すことにより、境界線ＢＬにより挟まれたグループの幅が外側に広げられる。

平面化処理の実行の前に、最も撮影光学系１１２に近い第１グループの小領域ｓａが検出される。第１グループに属する小領域ｓａには平面化処理が施されずに、第２グループとの境界線ＢＬが検出される。第１グループの小領域ｓａの検出後、第２グループの小領域ｓａが検出される。第２グループの小領域ｓａに属する画素に対して平面化処理が施される。第２グループの平面化処理においては、第１グループ側の境界線ＢＬは固定のまま、第３グループとの境界線ＢＬが外側に広げられる。外側に広げられた境界線ＢＬが新たな第２、第３グループの境界線に定められる。第２グループの小領域ｓａの平面化処理を終えると、第３グループの小領域ｓａに属する画素ｐｘに対して平面化処理が施される。第２グループに対する平面化処理と同様に、新たに定められた第２、第３グループの境界線ＢＬを固定したまま、第４グループとの境界線ＢＬが外側に広げられるように、第３グループに対する平面化処理が行われる。以後、同様に、全グループの平面化処理が順番に実行される。全グループの平面化処理を終えると、ステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、ＤＳＰ１０３は画像の二次合成を行う。画像の二次合成では、ステップＳ１０８で平面化処理を施した各グループの小領域ｓａの画素ｐｘが結合される。二次合成画像に相当する二次合成画像信号が生成される。二次合成画像信号が生成されるとステップＳ１１０に進む。

ステップＳ１１０では、ＤＳＰ１０３はモニタ１０５に二次合成画像信号を送信し、モニタ１０５に二次合成画像を表示させる。また、ＤＳＰ１０３は記録メディアに二次合成画像信号を格納する。モニタ１０５における二次合成画像の表示および記録メディアへの二次合成画像信号の格納を終えると、指紋採取機能を終了する。

以上のような構成の本実施形態の指紋採取装置によれば、合焦レンズ１１２ｆを変位させながら指を複数回撮像し、得られた複数の撮像画像の中から小領域毎に最も合焦性の高い小領域画像を選択して合成するので、広範囲にボケが少なく、明確な指紋画像を採取可能である。

また、本実施形態では、平面化処理を施すことにより、使用目的により適した指紋を採取することが可能である。物品などに付着した指紋と照合するために、様々な個人の手指の広範囲におよぶ指紋画像を予め採取する必要がある。指紋採取装置は、指紋画像の事前の採取に用いられることがある。このような目的においては、指紋採取装置により採取された指紋と、付着した指紋間において、必ずしも同じ部位の指紋を採取できるとは限らない。

例えば、物品などに付着し後に採取される指紋が指先のみである場合には、後に採取される指紋の画像は指先の表面の法線方向から撮影した画像となる。そのため、予め記憶させる指紋とは撮影方向が異なることになる。平面化を行わなければ、予め採取される指紋と後に採取される指紋とを比較することが困難となる。それゆえ、本実施形態のように、平面化を施すことにより、後に採取される指紋がどのような部位に対しても比較に適した指紋の事前の採取が可能である。

本発明を諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

例えば、本実施形態では、レンズ駆動機構１１３は合焦レンズ１１２ｆのみを光軸ＬＸに沿って変位させる構成であるが、撮像素子１０１が合焦レンズ１１２ｆに対して相対的に変位するように撮像素子１０１と合焦レンズ１１２ｆを変位させ、合焦させる物体面の位置を変化させる構成であってもよい。

また、本実施形態では、コントラスト値に基づいて小領域ｓａの合焦の度合いを検知する構成であるが、小領域ｓａにおける画像の合焦の度合いに応じて変わるいかなる変数を用いてもよい。

また、本実施形態では、ｍ×ｍの画素ｐｘにより小領域ｓａが形成される構成であるが、小領域ｓａを形成する画素ｐｘの数は列方向および行方向に異なっていてもよい。ただし、コントラストの算出のためには、小領域ｓａに複数の画素ｐｘが含まれる必要があるので、小領域ｓａを形成する画素ｐｘの数は列方向および行方向の少なくとも一方において２以上であることが必要である。

また、本実施形態では、撮影光学系１１２にテレセントリックレンズ１１２ｔが含まれる構成であるが、テレセントリックレンズ１１２ｔを設けなくても広範囲にボケの少ない指紋画像を作成することは可能である。テレセントリックレンズ１１２ｔを省くことにより製造コストの低減化を図ることが可能である。

また、本実施形態では、一次合成画像に対して平面化を行う構成であるが、平面化を行わなくても、広範囲にボケの少ない明確な指紋画像を採取可能である。平面化を省略することによりＤＳＰ１０３における処理の負担を軽減化することが可能である。

また、本実施形態では、撮像素子１０１はエリアセンサであるが、ラインセンサを用いた走査により２次元画像を撮像する構成であってもよい。

１００ 指紋採取装置
１０１ 撮像素子
１０２ 制御部
１０３ ＤＳＰ
１１０ 撮影レンズユニット
１１２ 撮影光学系
１１２ｆ 合焦レンズ
１１２ｔ テレセントリックレンズ
１１３ レンズ駆動機構
ＢＬ 境界線
ｐｘ 画素
ｓａ 小領域

Claims (4)

1. 被写体像を撮像する撮影センサユニットと、
   前記撮影センサユニットの受光面に前記被写体像を合焦させる合焦光学系と、
   少なくとも前記合焦光学系を光軸に沿って変位させる光学系駆動機構と、
   少なくとも前記合焦光学系の所定距離の変位と、前記被写体像の撮像とを前記光学系駆動機構と前記撮影センサユニットとに交互に繰返し実行させる制御部と、
   前記制御部による繰返された前記被写体像の撮像により取得された複数の撮像画像毎に前記撮像画像を構成する複数の小領域の合焦度を別々に算出し、前記小領域毎における部分画像を前記複数の撮像画像の中において前記合焦度が最大値となる単一の撮像画像から抽出し、抽出された前記部分画像を組合わせることにより全体画像を作成する画像処理部とを備える
   ことを特徴とする指紋採取装置。
2. 請求項１に記載の指紋採取装置において、前記合焦光学系に光学的に接続され、物体側にテレセントリックなテレセントリック光学系を備えることを特徴とする指紋採取装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の指紋採取装置において、互いに隣接し同じ前記撮像画像から抽出される複数の前記部分画像の幅と、前記所定距離の変位による前記合焦光学系の合焦位置の変位量に対応する物体面の変位量とに基づいて、前記複数の部分画像に平面化処理を施す平面化処理部を備えることを特徴とする指紋採取装置。
4. 被写体像を撮像する撮影センサユニットの受光面に前記被写体像を合焦させる合焦光学系を光軸に沿って所定距離変位させる第１のステップと、
   前記合焦光学系を前記所定距離変位させた状態で前記撮影センサユニットに前記被写体像を撮像させる第２のステップと、
   前記第１、第２のステップを交互に繰返し実行する第３のステップと、
   前記第３のステップにより繰返された前記被写体像の撮像により取得された複数の撮像画像毎に、前記撮像画像を構成する複数の小領域の合焦度を別々に算出する第４のステップと、
   前記小領域毎における部分画像を前記複数の撮像画像の中において、前記合焦度が最大値となる単一の撮像画像から抽出する第５のステップと、
   前記第５のステップにおいて抽出された前記部分画像を組合わせることにより全体画像を作成する第６のステップとを含む
   ことを特徴とする指紋採取方法。

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