JP2015026228A - 血管画像撮影装置及び端末 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、μbj、μdjはそれぞれ波長λjでの血液と皮膚における消滅係数(吸収係数と散乱係数の和)、Tbは血管層の厚さ、Vbは厚さTbの範囲で血管が真皮に占める体積比であり、0≦Vb≦1となる。また画像は2次元画像を取り扱うが、簡単のため座標系の記載は省略し、fj(x, y)をfjと記載する。また、ここでは血管部における光散乱は考慮しないものとする。尚、消滅係数は、吸収係数と散乱係数のうち、何れか一方によって定義してもよい。
ここで、皮下組織(真皮や表皮)での光の拡散の程度を示すPSF(Point spread function)をhj、画像のノイズ成分をnjとし、演算子「*」は畳み込み演算を表すものとする。皮下組織での散乱により、観測画像gjは真の血管像fjが減衰し、さらにぼかされた形で獲得される。光の拡散による血管像のぼけは血管像の精緻撮影の意味においては影響があるが、ここでは表皮像を除去することを目的とするため、光拡散の影響が表皮像の影響よりも十分に小さいものとし、このモデルを解析しやすい形に変形する。すなわち、PSFの畳み込み演算によって拡散を表現するのではなく、光の減衰のみを考慮したLambert-beer則で記述できるものとする。このとき、式(2)は以下のように記述できる。
≒ sj exp{ -μbjVbTb -μdj(1-Vb)Tb -μdjd -μcjVcTc } ・・・・・(3)
ここで、dは血管の深さ(皮膚の厚さ)、μcjは皮膚のしわでの消滅係数、Vcは皮膚のしわが表皮に占める体積比、Tcは皮膚のしわの層の厚さである。式(3)によると、観測画像gjは、生体内部の光分布sjが、血液量と皮膚の厚さと皮膚のしわに応じて減衰したものであることが分かる。
このとき、血液の体積比Vbがゼロとなる画素において両画像の輝度値が一致するようにg2に係数を掛けるものとすれば、以下が得られる。
このとき、式(4)においてj=1、2とした2式と、式(5)の3つの連立方程式により、未知数であるVbTbが得られる。変数VbTbを血液遮光係数Vbtと定義すると、Vbtは次のように記述できる。
このとき、Vb>0である領域がVb=0である領域と同じ輝度値となれば、観測画像g2より血液に起因する陰影が除去できる。すなわち、
β gj = gj (Vb=0) ・・・・・・・・(7)
となる係数βを求めれば良い。ただしgj (Vb=0)をgj (x、y)の画素(x、y)の近隣におけるVb=0の輝度値とする。式(7)を変形すると以下の通り式(8)が、そしてこれに式(4)と式(4)でVb=0とした式を代入すると、以下の式(9)が得られる。
∴β = exp{ μb2 -μd2 }Vbt ・・・・・・・(9)
以上を纏めると、観測画像g2より血管に起因する陰影を除去した画像g2eは次のように獲得できる。
= g2、 (otherwise) ・・・・・・・(11)
この処理結果が図6(b)に示されている。
なお、本実施例では比較的実装が容易で高速に動作するTop-hat変換に基づくしわ成分の除去を利用しているが、例えば独立成分分析やグラフカット、あるいは画像の特定周波数のフィルタリングなどに代表される一般的なノイズ除去手法を利用しても良い。
この様子を図6(d)に示す。以上より、血液に起因する陰影を残しながらも認証に不要となる皮膚のしわ成分を選択的に除去でき、真の血管像を有する認証用血管画像を取得することができる。これにより、皮膚のしわの有無の変動にロバストな指静脈認証が実現できる。
gj = fj * hj + nj ・・・・・・・・(14)
と記述でき、j=0とj=2との場合において、
h0 = h2 * h2 ・・・・・・・・(15)
が成立していることに相当する。このとき、真の血管像fについて解けば、
f = g2 + ( g0 - g2 ) * g2 * g0 -1 ・・・・・・・・(16)
となる。ただし、a * b-1 は画像aをbでデコンボリューションする演算であることを示す。
ln(gi) = ln(si) - μbi VbTb - μsi(1-Vb)Tb -μsiD ・・・・・・(17)
と記述できる。ここでμbi、μsi はそれぞれ血液と皮膚の消滅係数である。2波長撮影によりg1とg2を獲得し、血管のない(すなわちVb=0)位置においてα1 g1 = α2 g2(=定数)となる係数αiを掛けると、
ln(α1s1) - μs1 (Tb + D ) = ln(α2s2) - μs2 (Tb + D ) ・・・・・(18)
となる。式(17)のi={1、2}と式(18)より、VbTb(= Vbtとする)は、
Vbt = (ln(α1g1) - ln(α2g2))÷(μb2-μb1 + μs1 - μs2) ・・・・・(19)
と求められる。最終的に、式(19)を式(17)(ただしi=2)に代入すると次式の通り血管深さDが導かれる。
D = ( ln(α2s2) - μs2Tb - ln(α2g2) + (μs2-μb2)Vbt )÷μs2 ・・・・・(20)
ここで、内部光 s2や血管層の厚さTbは観測できないため D は確定できない。一方、g2に係数α2を掛けているため、内部光の項ln(α2s2)は場所によらず固定値とみなせる。また、Tbも指によらず一様と仮定すると、ln(α2s2) - μs2Tb (=C) を固定値とできる。このときのDを血管の相対深さ分布Drと定義する。すなわち固定値Cだけバイアスを持った相対的な血管深さが獲得できる。ただし、光は減衰するという物理的な制約により、C>ln(α2g2) とする。以上より、平面的な血管構造のみを利用する従来手法に対して個人認証に有用な情報量が増加するため認証精度の向上が期待できる。
+α2×血管の深さの差がThHより大きい血管同士の重なり数
−α3×血管の深さの差がThLより小さい血管同士の重なり数}/全血管画素数
・・・・・(21)
ただし、αi(i=1、2、3)は各ミスマッチ数に対する重みである。例えば、波長λ0=690[nm]、λ1=870[nm]、α1=α2=α3=1、ThL=16、ThH=80、とすることができる。特に、波長の選定については本実施例のように、血液による吸光度の差が大きい波長同士を選ぶことで安定した血管の深さ情報の抽出を可能とする。
上述の図2に示した実施例では光源が指先前方のみに取りつけられていたが、本実施例では指の周囲に光源3が多数配置されている。また、開口部を規定するアクリル板22は上述の実施例よりも広く取られており、指の第一関節付近まで撮影することが可能となっている。そのため、指1の側面にも光源が配置されており、指先前方の光源では照射できない部分を照射する。なお、これらの光源は上述の実施例と同様、複数の波長の光を照射できるように、各波長の光源を交互に配置している。また圧力センサ23−a、23−b、23−c、23−dはアクリル板22の直下に設置されている。さらにはアクリル板22は指先の前方方向に傾斜しており、これに合わせてカメラ9も斜めに設置されている。このような傾斜を設けることにより、指1がアクリル板22に対して水平に提示されやすくなり、カメラ9が指1の正面を撮影しやすくなるという効果が得られる。さらに、指先前方付近の光源3が指1の甲側を照射しやすくなり、完全な透過光映像が得られるため血管のコントラストが高まりやすくなる。
Claims (15)
- 指が設置される設置領域と、
前記設置領域に提示された指に光を照射する光源と、
前記指を透過した前記光源からの光を撮影する撮像部と、
前記提示領域に設置された指からの圧力を検知する圧力検知部と、
前記撮像部によって撮像された画像を処理する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記画像に含まれる、前記指からの圧力が所定の圧力値以上となる圧迫領域の位置を取得し、
予め記憶された複数の登録画像の夫々に含まれる登録圧迫領域の位置と、前記圧迫領域の位置との類似度を算出し、
前記算出された類似度に基づいて、前記複数の登録画像のうち、前記画像と照合を行う登録画像を選択することを特徴とする血管画像取得装置。 - 前記画像処理部は、
前記画像に含まれる前記指の輪郭を抽出し、
前記輪郭の基準点から前記圧迫領域までの圧力ベクトル値を算出し、
前記圧力ベクトル値を、前記圧迫領域の位置として取得し、
前記複数の登録画像の夫々に含まれる、輪郭の基準点から圧迫領域までの登録圧力ベクトル値を、前記登録圧迫領域の位置として取得することを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。 - 少なくとも4つの前記圧力検知部を有し、
前記4つの圧力検知部は、前記設置領域の中心に対して四方に夫々配置され、
前記圧迫領域の位置は、少なくとも前記4つの圧力検知部によって検知された夫々の圧力値に基づいて算出されることを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。 - 前記撮像部は、筐体内の底部に配置され、
前記少なくとも4つの圧力検知部は、前記底部に配置されることを特徴とする請求項4記載の血管画像取得装置。 - 前記光源は、
第1波長の光と、前記第1波長と波長の異なる第2波長の光とを夫々照射し、
前記撮像部は、
前記第1波長の光から第1画像を撮影し、前記第2波長の光から第2画像を撮影し、
前記画像処理部は、
前記第1画像の輝度値と前記第2画像の輝度値を比較して、前記血管画像における前記血管領域の情報を分離し、
前記血管領域の情報を用いて、前記第1画像から前記血管領域の情報が除去された血管除去画像を作成し、
前記血管除去画像に含まれるノイズ情報を抽出し、
前記ノイズ情報を用いて、前記第1画像から前記ノイズ情報を除去して認証用血管画像を取得することを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。 - 前記認証用血管画像及び前記ノイズ情報と、予め登録された登録データとの照合を行うことを特徴とする請求項5記載の血管画像取得装置。
- 前記第2波長の光は、前記第1波長の光よりも血液による光の吸収率が小さい光であって、
前記画像処理部は、
前記第認証用血管画像と前記第2画像とを比較して、前記認証用血管画像に含まれる血管パターンの三次元方向の形状を算出することを特徴とする請求項5記載の血管画像取得装置。 - 前記複数の登録画像は、夫々の登録画像と対応する登録圧力値と共に予め記憶されており、
前記画像処理部は、
前記複数の登録圧力値のうち、前記圧力検知部によって検知された圧力値と対応する登録圧力値を検出し、
前記検出された登録圧力値と対応する登録画像に含まれる前記圧迫領域の位置と、前記圧迫領域の位置との類似度を算出することを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。 - 前記光源は、
第1波長の光を照射する複数の第1光源及び、前記第1波長と波長の異なる第2波長の光を照射する複数の第2光源であって、
前記複数の第1光源及び前記複数の第2光源は、前記設置領域の周囲に円状に配置されることを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。 - 前記複数の第1光源及び前記複数の第2光源は、交互に配置されることを特徴とする請求項9記載の血管画像取得装置。
- 端末を操作する操作部と、
前記操作部に配置される、第1波長の光を照射する複数の第1光源及び、前記第1波長と波長の異なる第2波長の光を照射する複数の第2光源と、
前記指を透過した前記光源からの光を撮影する撮像部と、
前記操作部に設置された指からの圧力を検知する検知部と、
前記撮像部によって撮像された画像を処理する画像処理部と、
を備え、
前記画像処理部は、
前記画像に含まれる、前記指からの圧力が所定の圧力値以上となる圧迫領域の位置を取得し、
予め記憶された複数の登録画像の夫々に含まれる登録圧迫領域の位置と、前記圧迫領域の位置との類似度を算出し、
前記算出された類似度に基づいて、前記複数の登録画像のうち、前記画像と照合を行う登録画像を選択することを特徴とする端末。 - 前記複数の第1光源及び前記複数の第2光源は、前記操作部に交互に、かつ円状に配置されることを特徴とする請求項11記載の端末。
- 前記照合結果に基づいて、個人の認証を実行することを特徴とする請求項11記載の端末。
- 前記画像処理部は、
前記圧迫領域の形状と、前記登録圧迫領域の形状との類似度を算出することを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。 - 前記画像に含まれる血管パターンと、前記選択された登録画像に含まれる血管パターンとを照合し、個人の認証を実行することを特徴とする請求項1記載の血管画像取得装置。
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