JP2022002730A - Organism detection device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検知対象物が生体であるか否かを判定する生体検知装置に関する。 The present invention relates to a biological detection device that determines whether or not a detection target is a living body.
指紋認証や静脈認証などの生体認証技術は、本人しか持ち得ない情報を利用するため、従来のICカードやパスワードによる認証と比較し、利便性やセキュリティが高い。しかしながら、他者の生体情報を模擬した物理的な偽装物を用いた「なりすまし」被害が懸念されるため、生体認証技術に加えて、生体と偽装物を判別するための生体検知技術を併用することが重要である。 Since biometric authentication technologies such as fingerprint authentication and vein authentication use information that only the person can have, they are more convenient and secure than conventional IC card and password authentication. However, since there is a concern about "spoofing" damage using a physical camouflage that imitates the biometric information of another person, in addition to the biometric authentication technology, a biometric detection technology for discriminating between the living body and the camouflage is used together. This is very important.
そこで本発明の発明者の1人は、CSRR(Complementary Split-Ring Resonator:補対型(相補型)スプリットリング共振器)構造をマイクロストリップ線路の地板上に2組直列に配置したBPF(Band-pass Filter:帯域通過フィルタ)(CSRR−BPF)を生体検知センサとして用い、そのCSRR−BPFに被検体の検知対象部位を近接または当接させた際の電磁波応答特性を測定し、その測定値と生体の基準値から算出される平均差と類似度という2つの評価指標を用いて、検知対象部位が生体か偽装物かを判別する生体検知装置を既に報告している(特許文献1)。 Therefore, one of the inventors of the present invention is a BPF (Band-) in which two sets of CSRR (Complementary Split-Ring Resonator) structures are arranged in series on the main plate of a microstrip line. A pass filter) (CSRR-BPF) is used as a biological detection sensor, and the electromagnetic response characteristics when the detection target site of the subject is brought close to or in contact with the CSRR-BPF are measured, and the measured value and the measured value are measured. We have already reported a biological detection device that determines whether a detection target site is a living body or a fake object by using two evaluation indexes, an average difference and a similarity calculated from a reference value of a living body (Patent Document 1).
上述の生体検知装置は、一定の精度で生体か偽装物かを判定し得るものであった。しかし、人体指表面部の皮膚の電気定数を模擬した皮膚ファントムのような人体に近い特性を持つ薄い偽装物については、誤検知を完全に無くすことは出来ず、更なる誤検知の低減と検知精度の向上が必要とされていた。 The above-mentioned biological detection device can determine whether it is a living body or a fake with a certain accuracy. However, for thin camouflage with characteristics similar to the human body, such as a skin phantom that simulates the electrical constants of the skin on the surface of the human finger, false positives cannot be completely eliminated, and false positives are further reduced and detected. Improvements in accuracy were needed.
誤検知の要因としては、上述の生体検知装置において生体検知センサとして用いていたCSRR−BPFは2組のCSRR構造が直列に配置された構造であったため、検知対象部位である指または偽装物を添付した指でCSRR−BPFの載置領域であるCSRR部を覆う際、密着性の不完全さによるばらつきが出てしまうことがその一因であると考えられた。従って、生体検知センサの検知対象部位の載置領域を削減できれば、検知対象部位と生体検知センサとの密着性を安定的に確保することができ、誤検知の低減につながることが予想されたため、生体検知センサをより小型化することが求められていた。 As a factor of false detection, since the CSRR-BPF used as the biological detection sensor in the above-mentioned biological detection device has a structure in which two sets of CSRR structures are arranged in series, a finger or a fake object which is a detection target site is used. It was considered that one of the causes was that when the attached finger covered the CSRR portion, which is the placement area of the CSRR-BPF, the variation due to the imperfect adhesion was generated. Therefore, if the placement area of the detection target part of the biological detection sensor can be reduced, the adhesion between the detection target part and the biological detection sensor can be stably secured, and it is expected that false detection will be reduced. It has been required to make the biological detection sensor smaller.
また一方で、上述の生体検知装置において生体と偽装物の判別に用いていた平均差と類似度という2つの評価指標についても見直す必要があった。同一検体の同一の検知対象部位であっても上述のようにCSRR部を覆う際のばらつき等により電磁波応答特性の測定値は一定の分散を持つが、類似度はこの分散を許容しない評価指標であることが上述の誤検知の一因であると考えられた。従って、類似度に代えて、偽装物の添付がない場合の電磁波応答特性の分散を許容し、一方で偽装物を添付した場合の電磁波応答特性の変化を強調抽出することができるような新たな評価指標を導入することが必要であった。また、平均差についてもより判別精度が向上するように改善することが求められていた。 On the other hand, it was also necessary to review the two evaluation indexes of the mean difference and the degree of similarity used in the above-mentioned biological detection device for discriminating between the living body and the fake object. As described above, the measured value of the electromagnetic wave response characteristic has a certain variance due to the variation when covering the CSR part even in the same detection target part of the same sample, but the similarity is an evaluation index that does not allow this dispersion. It was considered that the existence was one of the causes of the above-mentioned false positives. Therefore, instead of the degree of similarity, it is possible to allow dispersion of the electromagnetic wave response characteristics when the camouflage is not attached, while emphasizing and extracting the change in the electromagnetic wave response characteristics when the camouflage is attached. It was necessary to introduce an evaluation index. In addition, it has been required to improve the average difference so as to further improve the discrimination accuracy.
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、測定時のばらつきを低減できるように生体検知センサをより小型化すること、また一方で、測定時のばらつきを許容できるような新たな評価指数を導入することで、従来よりも判別精度が向上した生体検知装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is to make the biometric detection sensor smaller so as to reduce the variation at the time of measurement, and on the other hand, to tolerate the variation at the time of measurement. By introducing the index, it is an object of the present invention to provide a biological detection device having improved discrimination accuracy as compared with the conventional case.
本発明に係る生体検知装置は、被検体の検知対象部位に応じて所定の中心周波数に設計されたスプリットリング共振器を有する帯域通過フィルタと、電磁波を発生させ、前記検知対象部位を前記帯域通過フィルタに近接又は当接させた際の所定の周波数帯域の電磁波応答特性を測定する測定部と、前記測定部で測定された前記電磁波応答特性の測定値と、生体の電磁波応答特性の基準値とを用いて評価値を算出する評価値算出部と、前記評価値算出部で算出された前記評価値に基づいて、前記検知対象部位が生体であるか否かを判定する生体判定部と、を備える生体検知装置であって、前記評価値算出部が、前記測定部で測定された前記電磁波応答特性の測定値をS(f)、前記生体の電磁波応答特性の基準値をT(f)、T(f)の標準偏差をσ(f)、以下の式(2)で表される一致性指数をk(f)、k(f)に応じた重み関数をwv(k(f))、周波数毎の重み関数をwf(f)、評価に用いる周波数帯域の下限をfL、上限をfHとするとき、前記評価値として、以下の式(1)で表される第1の評価値αを算出することを特徴とする。 The biological detection device according to the present invention has a band-passing filter having a split ring resonator designed at a predetermined center frequency according to a detection target portion of a subject, generates an electromagnetic wave, and passes the detection target portion through the band. A measuring unit that measures the electromagnetic wave response characteristics in a predetermined frequency band when it is brought close to or in contact with a filter, the measured value of the electromagnetic wave response characteristics measured by the measuring unit, and the reference value of the electromagnetic wave response characteristics of a living body. An evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value using the above, and a biological determination unit that determines whether or not the detection target site is a living body based on the evaluation value calculated by the evaluation value calculation unit. A biological detection device including which, the evaluation value calculation unit sets the measured value of the electromagnetic wave response characteristic measured by the measuring unit as S (f), and the reference value of the electromagnetic wave response characteristic of the living body as T (f). The standard deviation of T (f) is σ (f), the concordance index expressed by the following equation (2) is k (f), and the weighting function corresponding to k (f) is w v (k (f)). When the weight function for each frequency is w f (f), the lower limit of the frequency band used for evaluation is f L , and the upper limit is f H , the first evaluation value is represented by the following equation (1). It is characterized in that the evaluation value α is calculated.
さらに、本発明に係る生体検知装置は、前記重み関数wv(k(f))が、所定のしきい値をpとするとき、以下の式(3)で表される関数であることを特徴とする。 Further, the biological detection device according to the present invention is a function represented by the following equation (3) when the weighting function w v (k (f)) is set to a predetermined threshold value. It is a feature.
また、本発明に係る生体検知装置は、前記評価値算出部が、前記評価値として、前記第1の評価値αに加えて、以下の式(4)で表される第2の評価値βを算出することを特徴とする。 Further, in the biological detection device according to the present invention, the evaluation value calculation unit uses the second evaluation value β represented by the following formula (4) in addition to the first evaluation value α as the evaluation value. Is characterized by calculating.
本発明に係る生体検知装置によれば、CSRR−BPFがCSRRを同軸上に2組配置された構造を有しているため、従来のCSRRが直列に2組配置された構造と比べ、検知対象部位によってCSRR部を覆う際の載置領域を削減できるため、電磁波応答特性を測定する際のばらつきが軽減し、それによって検知対象部位が生体か否かを判定する精度が向上する。 According to the biological detection device according to the present invention, since the CSRR-BPF has a structure in which two sets of CSRRs are arranged coaxially, a detection target is compared with a conventional structure in which two sets of CSRRs are arranged in series. Since the placement area when covering the CSRR portion can be reduced depending on the portion, the variation in measuring the electromagnetic wave response characteristics is reduced, and thereby the accuracy of determining whether or not the detection target portion is a living body is improved.
本発明に係る生体検知装置によれば、評価値算出部によって評価値として第1の評価値αを算出するが、この第1の評価値αは偽装物の添付がない生体の場合の電磁波応答特性の測定値のばらつきを許容し、一方で偽装物の添付がある場合の電磁波応答特性の測定値の変化を強調抽出する評価値であるため、従来の評価値である類似度と比べ、生体か否かを判定する精度が向上する。 According to the biological detection device according to the present invention, the evaluation value calculation unit calculates the first evaluation value α as an evaluation value, and the first evaluation value α is the electromagnetic wave response in the case of a living body without a fake object attached. Since it is an evaluation value that allows variation in the measured value of the characteristic and emphasizes and extracts the change in the measured value of the electromagnetic wave response characteristic when a fake object is attached, it is a living body compared to the conventional evaluation value of similarity. The accuracy of determining whether or not it is improved.
さらに、第1の評価値αの算出に用いる重み関数wv(k(f))を適切に設定することで、生体か否かを判定する精度が向上する。 Further, by appropriately setting the weight function w v (k (f)) used for calculating the first evaluation value α, the accuracy of determining whether or not it is a living body is improved.
また、評価値算出部によって評価値として、第1の評価値αに加えて、第2の評価値βを算出するが、この第2の評価値βは、従来の評価値である平均差に周波数毎の重み関数wf(f)を導入した評価値であり、想定する偽装物等によってwf(f)を適切に設定することで、生体か否かを判定する精度が向上する。 Further, the evaluation value calculation unit calculates a second evaluation value β in addition to the first evaluation value α as an evaluation value, and the second evaluation value β is an average difference which is a conventional evaluation value. It is an evaluation value in which a weighting function w f (f) for each frequency is introduced, and by appropriately setting w f (f) by an assumed camouflage or the like, the accuracy of determining whether or not it is a living body is improved.
本発明に係る生体検知装置の実施形態について、以下、図面を参照しつつ説明する。上述した特許文献1と同様に、本発明に係る生体検知装置1は、偽造物による「なりすまし」行為を防止するために、被検体となる人体の検知対象部位が生体であるか否かを判定するものであって、主に指紋認証や静脈認証等の生体認証装置と併用されるものである。本発明に係る生体検知装置1は、図1に示すように、CSRR(Complementary Split Ring Resonator:補対型(相補型)スプリットリング共振器)が配置されたBPF(Band Pass Filter:帯域通過フィルタ、以下ではCSRR−BPFとする)2と、検知対象部位をCSRR−BPF2に近接または当接させた際の電磁波応答特性を測定する測定部3と、測定部3によって測定された電磁波応答特性を用いて、生体判定のための演算処理等を行うコンピュータ4とを備えている。本発明に係るCSRR−BPF2は、図2及び図3に示すように、CSRRが同軸上に2組配置された構造を有することを特徴としている。CSRRは、大小2つのスプリットリング共振器(SRR)が内側と外側とでスプリット部が逆になるように同軸上に配置されたものであって、図3に示すように、SRR21とSRR22のペアが1組のCSRR23であり、SRR24とSRR25のペアが1組のCSRR26である。各CSRRにおいては、外側と内側のSRRの幅及びその2つのSRR間の幅が等しく、また、スプリットの幅も等しくなっている。例えば、CSRR23の場合では、a13、a14及びa15の寸法が等しく、また、a9及びa12の寸法が等しい。また、本実施形態では、図1に示すようにCSRR−BPF2を1つだけ配置した例を示しているが、複数配置することで、被検体の複数の検知対象部位の電磁波応答特性を同時に測定できるようにしたり、複数の被検体の検知対象部位の電磁波応答特性を同時に測定できるようにしてもよい。
An embodiment of the biological detection device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. Similar to
CSRR−BPF2は、被検体(人体)の検知対象部位の得たい情報に応じて所定の中心周波数に設計されるものであって、近接する媒質の影響を強く受けるCSRRを有している。CSRRに媒質を近接させると、その媒質の影響でCSRR−BPF2近傍の電磁界の分布が変化するため、その媒質の深さ方向に対する電磁界の応答、つまり電磁波応答特性を得ることが出来る。 The CSRR-BPF2 is designed to have a predetermined center frequency according to the desired information of the detection target site of the subject (human body), and has a CSRR strongly influenced by a nearby medium. When a medium is brought close to the CSR, the distribution of the electromagnetic field in the vicinity of the CSRR-BPF2 changes due to the influence of the medium, so that the response of the electromagnetic field to the depth direction of the medium, that is, the electromagnetic wave response characteristic can be obtained.
検知対象部位としては、例えば、静脈認証や指紋認証を行う人体指等がある。人体指は中心である骨の周りを筋肉、脂肪、及び皮膚が層状化された構造であると考えられる。各層の体積比を用いて近似的な均一媒質となる人体指を定義することで、その比誘電率と導電率を基に人体指の表皮深さを算出すると、6GHzでは約10mm、10GHzでは約5mm、16GHzでは約2.5mmとなり、高周波になるにつれて人体指の深さ方向に浸透する電磁界は減衰する。従って、静脈認証と併用する生体検知装置1のCSRR−BPF2を設計する場合、静脈認証は3次元分布する血管パターンを認証情報とし、偽装物はその血管パターンを模した立体的な構造物であると考えられるため、人体指全体の特徴を反映した電磁波応答特性を取得できる低周波側を中心周波数とするのが有効であると考えられる。一方で、指紋認証と併用するCSRR−BPF2を設計する場合、指紋認証は人体指先端の表面の紋様を認証情報とし、偽装物はその紋様を模した薄膜で、それを人体指の表面に装着して使用すると考えられるため、人体指の表面の特徴を反映した電磁波応答特性を取得できる高周波側を中心周波数とするのが有効であると考えられる。また、検知対象部位は指だけに限らず、他の部位でもよく、その場合、その部位で適切な特性を得ることができる周波数を中心周波数としてCSRR−BPF2を設計すればよい。
The detection target site includes, for example, a human finger that performs vein authentication or fingerprint authentication. The human finger is considered to have a layered structure of muscle, fat, and skin around the central bone. By defining a human body finger that is an approximate uniform medium using the volume ratio of each layer, the skin depth of the human body finger is calculated based on its relative permittivity and conductivity. At 5 mm and 16 GHz, it is about 2.5 mm, and the electromagnetic field penetrating in the depth direction of the human finger attenuates as the frequency increases. Therefore, when designing the CSRR-BPF2 of the
本実施形態では、特許文献1と同様に、指紋認証と併用する生体検知装置1を想定し、中心周波数を10GHzとしてCSRR−BPF2を設計した。その構造を図2に示す。図2(a)は上面側から見た図であり、図2(b)は底面側から見た図である。また、図3は、図2におけるCSRR−BPF2の一部を拡大した図であって、図3(a)は図2(a)における二点鎖線で囲ったA部を示した図であり、図3(b)は図2(b)における二点鎖線で囲ったB部を示した図である。上述のように、10GHzにおける人体指の表皮深さは約5mmで、人体指の厚さを約10mmと仮定したときにその半分程度となるため、中心周波数を10GHzで設計したCSRR−BPF2では、人体指の表面から半分程度までの深さ方向の構造の影響を反映した電磁波応答特性を取得できると考えられる。人体指は層状構造であるため、人体指の半分までの深さまでの電磁波応答特性であっても、表面の皮膚から脂肪、筋肉、そして中心の骨までが含まれるため、これらの人体指特有の構造の影響が反映された電磁波応答特性が取得することが期待できる。従って、中心周波数を10GHzで設計したCSRR−BPF2は、表面部分の影響を比較的強く受けつつ、人体指特有の影響も反映した電磁波応答特性を取得できるため、指紋認証と併用するのに適する。
In the present embodiment, as in
このCSRR−BPF2は、例えば、特許文献1のCSRR−BPFと同様に、基板として誘電体基板であるガラス硬化性PPO樹脂R−4726(比誘電率εγ=3.4、誘電正接tanδ=0.005、基板厚:1.0mm)を用いることが出来る。この誘電体基板の表面には両面に銅箔が張り付けられており、図2に示すように伝送線路とCSRR構造を切削することで作製できる。図2及び図3のハッチングを施している部分が銅箔である。また、本実施形態における中心周波数を10GHzとして設計したCSRR−BPF2の各部の寸法の一例は、図2及び図3において、a1=26.0mm、a2=19.5mm、a3=10.6mm、a4=4.8mm、a5=10.6mm、a6=7.35mm、a7=4.8mm、a8=7.35mm、a9=0.4mm、a10=0.2mm、a11=0.2mm、a12=0.4mm、a13=0.4mm、a14=0.4mm、a15=0.4mm、a16=0.3mm、a17=0.2mm、a18=0.2mm、a19=0.2mm、b1=11.6mm、b2=11.6mm、b3=8.55mm、b4=2.4mm、b5=8.55mm、b6=0.4mm、b7=1.2mm、b8=1.2mm、b9=1.6mm、b10=1.6mmである。電磁波応答特性を測定する際、CSRR−BPF2のCSRR部を検知対象部位で覆う必要があるが、従来の特許文献1に記載されているCSRRが2組直列に配置された構造を有するCSRR−BPFの場合は、本実施形態と同様に中心周波数が10GHzの設計では、2組のCSRRの端から端までの長さが6.3mmであるのに対して、本実施形態では、1か所の4.8mm四方の正方形の中に2組のCSRRが収まっており、従来よりもCSRR部つまり載置領域は24%の削減となっている。載置領域の削減は、CSRR−BPF2に媒質を近接させた際の影響の差異を局所的に取得することを可能とし、媒質の密着不足に起因する誤検知の低減と検知精度の向上につながる。
This CSRR-BPF2 is, for example, a glass curable PPO resin R-4726 (relative permittivity ε γ = 3.4, dielectric loss tangent tan δ = 0) which is a dielectric substrate as a substrate, like the CSRR-BPF of
また、CSRR−BPF2の両端に設けられるポートP1及びP2には、コネクタ(不図示)がそれぞれ設けられており、図1に示すように、同軸ケーブル5を介して、測定部3に接続されている。また、摩耗等によるCSRRの段差の平坦化、及び銅箔の腐食防止のために、CSRR−BPF2上に厚さ0.2mm程度のポリプロピレンフィルムを設置するようにしてもよい。
Further, connectors (not shown) are provided at the ports P1 and P2 provided at both ends of the CSRR-BPF2, respectively, and as shown in FIG. 1, they are connected to the measuring
測定部3は、例えば、ベクトルネットワークアナライザ等で構成されるものであって、測定のための電磁波を発生させてCSRR−BPF2に入射し、検知対象部位をCSRR−BPF2に近接または当接させた際の電磁波応答特性を測定する。電磁波応答特性としては、本実施形態のようにCSRR−BPF2の入出力端子がP1とP2の2ポートの場合、ポートP1に入射してポートP2へ通過する通過特性S21と、ポートP2に入射してポートP1へ通過する通過特性S12と、ポートP1に入射してポートP1へ反射する反射特性S11と、ポートP2に入射してポートP2へ反射する反射特性S22との4つを取得することが出来る。
The measuring
測定部3で測定される電磁波応答特性の測定値は、コンピュータ4へと入力される。コンピュータ4は、入力された電磁波応答特性の測定値を用いて、検知対象部位が生体であるか否かの生体判定のための演算処理等を行うものであり、例えば、CPU(Central Processing Unit:中央処理装置)6と、記憶部7と、演算処理部8と、表示部10と、操作部11等を備えている。またこれら各部は、図1に示すように、システムバス12に接続され、このシステムバス12を介して種々のデータ等が入出力されて、CPU6の制御の下、種々の処理が実行される。
The measured value of the electromagnetic wave response characteristic measured by the measuring
記憶部7は、測定部3から入力される電磁波応答特性の測定値を記憶することが可能であり、また、検知対象部位が生体であるか否かの生体判定を行うための処理プログラム等を格納している。本実施形態では記憶部7を備えているが、他の外部のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を用いてもよい。
The
演算処理部8は、記憶部7に格納される処理プログラムに基づいて、CPU6の制御の下、検知対象部位が生体であるか否かの判定を行うための演算処理等を行うものである。演算処理部8の評価値算出部81で、検知対象部位の電磁波応答特性の測定値と、生体の基準値とを用いて評価値を算出し、その算出された評価値に基づいて演算処理部8の生体判定部82で検知対象部位が生体であるか否かの判定を行う。
The
表示部10は、例えば、液晶ディスプレイ等から構成されるものであって、生体判定結果等を表示するものである。表示部10の代わりに、または、表示部10と共に音声により生体判定結果を知らせるようにしてもよい。操作部11は、マウスやキーボード等で構成されており、操作者が種々のデータ及び操作指令等の入力を行うために使用されるものである。尚、表示部10と操作部11をタッチパネルとして一体的に構成してもよい。
The
以下、この生体検知装置1による生体検知処理の流れについて説明する。まず、検知対象となる被検体が検知対象部位をCSRR−BPF2に近接または当接させる。その際、CSRR−BPF2のCSRR部を検知対象部位で覆うようにする。そして測定部3によって所定の周波数帯域における電磁波応答特性S(f)を測定する。本実施形態では、指紋認証用に中心周波数を10GHzで設計したCSRR−BPF2を用い、検知対象部位は右手人差し指の第1関節から先の部分とし、電磁波応答特性には3GHz〜16GHzにおける通過特性S21の絶対値|S21|を用いる。ただそれに限らず検知対象部位にはどの指を用いてもよいし、指紋認証用でなければ指でない部分でもよい。その場合は得たい情報に応じた中心周波数でCSRR−BPF2を設計すればよい。また、電磁波応答特性は通過特性|S21|に限らず、他の通過特性|S12|、反射特性|S11|または反射特性|S22|を用いるようにしてもよい。また、これらの複数を用いるようにしてもよい。また、電磁波応答特性を測定する周波数帯域についても、設計したCSRR−BPF2の特性に応じて変更してもよい。
Hereinafter, the flow of the biological detection process by the
測定部3によって測定された電磁波応答特性の測定値S(f)は、コンピュータ4へと入力される。コンピュータ4の演算処理部8の評価値算出部81では、入力された測定値S(f)と、生体の電磁波応答特性の基準値T(f)とを用いて評価値を算出する。
The measured value S (f) of the electromagnetic wave response characteristic measured by the measuring
生体の電磁波応答特性の基準値T(f)は、評価値算出部81で算出され、本実施形態では、測定値S(f)と同様の測定条件で事前に複数回測定して記憶部7に記憶させておいた被検体の検知対象部位の電磁波応答特性の測定値を用いて、それらを周波数毎に平均化したものを基準値T(f)として算出する。この時、基準値T(f)の標準偏差σ(f)も同時に算出する。基準値T(f)の算出には、決まった一定回数の電磁波応答特性の測定値を用いてもよいが、用いる測定値の数が増えるほど基準値T(f)の信頼性が上がって誤検知の低減につながると考えられるので、生体判定を行う毎に、生体判定後に生体であると判定された場合、その測定値S(f)を記憶部7に記憶させて、次回以降の基準値T(f)の算出に用いる測定値に加えていってもよい。その際、例えば、指紋認証と併用する場合、指紋認証で指紋が一致したと判定された後に生体検知装置1によって生体であるか否かの判定が行われると考えられるので、その指紋データに電磁波応答特性の測定値を紐づけして記憶部7に記憶させる等しておいてもよい。また、ここでは基準値T(f)は電磁波応答特性の測定値を平均値化したものを用いているが、それに限定されず、中央値等の他の統計値を用いてもよい。また、ここでは基準値T(f)の算出に、事前に測定しておいた被検体の検知対象部位の測定値を用いているが、検知対象部位以外の部位、例えば検知対象部位が右手人差し指であれば、その他の中指や薬指等の電磁波応答特性の測定値を用いてもよい。この場合は、記憶部7に基準値T(f)算出のための測定値を記憶させておかずに、CSRR−BPF2を複数配置して、検知対象部位の電磁波応答特性S(f)の測定と同時に、基準値T(f)に用いる非検知対象部位の電磁波応答特性を測定できるようにして基準値T(f)を算出するようにしてもよい。また、被検体とは異なる複数人の検知対象部位の電磁波応答特性を事前に測定して測定値を記憶部7に記憶させておき、それらの測定値を用いて基準値T(f)を算出してもよい。ただ、判別精度を向上させるためには、本実施形態のように同一被検体の同一検知対象部位の電磁波応答特性の測定値を用いて基準値T(f)を算出することが好ましい。
The reference value T (f) of the electromagnetic wave response characteristic of the living body is calculated by the evaluation
評価値算出部81では、評価値として下記の式(1)で表される第1の評価値αを算出する。ここで、k(f)は式(2)で表される基準値T(f)と測定値S(f)の差を基準値T(f)の標準偏差σ(f)で割った一致性指数であり、wv(k(f))は式(3)で表される一致性指数k(f)に応じた重み付けを行う重み関数であり、pは所定のしきい値であり、wf(f)は周波数毎の重み付けを行う重み関数であり、fLは使用する周波数帯域における下限、fHは上限である。まず、式(2)及び式(3)によって一致性の重みwv(k(f))が算出される。一致性の重み関数wv(k(f))は0から1までの値をとり、1に近いほど測定値S(f)が基準値T(f)に近いことを示す関数であって、測定値S(f)と基準値T(f)との差が、基準値T(f)の標準偏差σ(f)のp倍の範囲内であれば、一致性があるとして一致性の重みwv(k(f))=1とし、それを超えると一致性がないとしてwv(k(f))=0とする。同一被検体の同一検知対象部位であっても電磁波応答特性の測定値は完全に一致することはなく、測定時の発汗状態等の被検体のコンディションや検知対象部位のCSRR−BPF2への近接のさせ方等によって一定の分散を持つ。従って、測定値S(f)が、基準値T(f)と同一の被検体の同一の検知対象部位によるものであったとしても、基準値T(f)から離れた値となることがあり、どの程度離れた範囲までの値を基準値T(f)と同一であるとみなすかを決めるのがしきい値pである。本実施形態においてはp=2.7を用いる。この値は、基準値T(f)の算出に用いる複数回の被検体の検知対象部位の電磁波応答特性の測定値が正規分布に従うとした場合、測定値S(f)が基準値T(f)と同一の被検体及び検知対象部位であれば、その測定値S(f)は99.3%の確率でwv(k(f))=1となる範囲に入ることを意味する。このしきい値pの値は、大きくしすぎた場合は偽装物の測定値S(f)を基準値T(f)と一致しているとみなしてしまう確率が上がり、小さくしすぎた場合は生体の測定値S(f)を基準値T(f)と不一致であるとみなしてしまう確率が上がるので、p=2.0から3.0までの値にするのが好ましい。また、本実施形態では一致性の重み関数wv(k(f))の算出に式(3)を用いたが、それに限らず想定される偽装物の種類や厚さ等によって適切に設定することで判別精度の向上を図ることができる。そして式(1)によって、一致性の重みwv(k(f))に周波数毎の重みwf(f)を乗じて使用する周波数帯域で相加平均した値を第1の評価値αとして算出する。ここで、周波数毎の重み付けを行う重み関数wf(f)は、生体と偽装物とで電磁波応答特性の差異があまり見られない周波数帯において評価値に与える影響を軽減して偽装物による差異を強調するために用いられ、想定される偽装物の種類や厚さ等によって適切に設定することで判別精度の向上を図ることができる。wf(f)は0から1までの値をとり、例えば、差異を強調したい周波数帯ではwf(f)=1、差異が小さく評価値に対する影響を無くしたい周波数帯ではwf(f)=0のようにすればよい。一致性の重み関数wv(k(f))及び周波数毎の重み関数wf(f)は共に0から1までの値をとる関数であるため、第1の評価値αも0から1までの値をとる評価値であり、1に近い値となるほど測定値S(f)が生体によるものである可能性が高いことを示す。
The evaluation
一方、従来は特許文献1に記載されているように、評価値として類似度を算出して用いていた。類似度(Similarity)は、下記の式(5)によって算出される。ここでS(f)は測定部3で測定した電磁波応答特性の測定値、T(f)は基準値、fHは使用する周波数帯域の上限、fLは下限であり、上述の第1の評価値αで用いたものと同様である。Snorm(f)は、式(6)で表され、Snorm(f)の最小値と基準値T(f)の最小値が一致するように測定値S(f)を正規化した値であり、Dnは、式(7)で表され、測定値S(f)と基準値T(f)との使用する周波数帯域における最小値の差である。これらの式からも分かるように、類似度は、基準値T(f)の算出に用いる電磁波応答特性の測定値のばらつきが考慮されていないため、極めて薄い偽装物の場合、生体との差異が現れにくい評価値であった。それに対して本発明で算出する第1の評価値αは、上述のように、偽装物の添付がない生体の場合の電磁波応答特性の測定値のばらつきを許容し、一方で偽装物の添付がある場合の電磁波応答特性の測定値の変化を強調抽出する評価値となっているため、極めて薄い偽装物に対しても判別精度が向上している。
On the other hand, conventionally, as described in
また、評価値算出部81は、第1の評価値αに加えて、下記の式(4)で表される第2の評価値βを評価値として算出する。第2の評価値βは、特許文献1に記載のように従来評価値として用いられていた下記の式(8)で表される平均差(Mean Difference, MD)に周波数毎の重み関数wf(f)を導入したものである。平均差は、測定値S(f)と基準値T(f)におけるグラフ曲線の差異を平均的に判定する評価値であり、0に近い値であるほど測定値S(f)は生体によるものである可能性が高く、大きな値であるほど測定値S(f)は偽装物によるものである可能性が高いことを示す。
Further, the evaluation
生体判定部82では、評価値算出部81で算出された第1の評価値αと、第2の評価値βとの2つの評価値に基づいて、検知対象部位が生体であるか否かの判定を行う。生体判定部82では、例えば、第1の評価値α及び第2の評価値βに対して、それぞれしきい値を設定しておき、それぞれのしきい値内に第1の評価値αと第2の評価値βが入っているか否かを判定することにより生体であるか否かを判定する。つまり、評価値算出部81で算出された第1の評価値αと第2の評価値βが共にしきい値内にある場合には、検知対象部位が生体であると判定し、それ以外の場合には、検知対象部位が生体でないと判定する。尚、第1の評価値αと第2の評価値βの一方だけを用いて生体判定を行うようにしてもよいが、より判別精度を向上させるためには、第1の評価値αと第2の評価値β等の2つの評価値を用いることが好ましい。
In the
以上が本実施形態に係る生体検知装置1による生体検知処理の流れであるが、以下、従来の特許文献1に記載の生体検知装置からの改良点である、本発明に係る生体検知装置1のCSRR−BPF2、及び評価値算出部81で算出する第1の評価値αと第2の評価値βによって、従来と比べてどれだけ判別精度が向上するか評価するための実験を行ったのでその結果を示す。
The above is the flow of the biological detection process by the
まず、本発明に係るCSRRが2組同軸上に配置された構造を有するCSRR−BPF2についての実験結果を示す。本発明のCSRR−BPF2の構造は図2及び図3に示す通りである。従来のCSRRが2組直列に配置された構造を有するCSRR−BPFでは、検知対象部位の電磁波応答特性を測定する際に、直列に並んだ2組のCSRRの両方を検知対象部位で覆うようにしなければならなかったが、本発明に係るCSRR−BPF2では2組のCSRRが1か所に配置されているため、検知対象部位で覆いやすくなっている。また、上述したように、本発明の中心周波数を10GHzで設計したCSRRが2組同軸上に配置された構造を有するCSRR−BPF2(同軸型10GHzCSRR−BPF2)のCSRR部の寸法は4.8mm四方であるのに対して、従来の中心周波数を10GHzで設計したCSRRが2組直列に配置された構造を有するCSRR−BPF(直列型10GHzCSRR−BPF)では2組のCSRR部の端から端までの寸法は6.3mmであり、検知対象部位の載置領域は約24%の削減となった。 First, the experimental results for CSRR-BPF2 having a structure in which two sets of CSRRs according to the present invention are arranged coaxially are shown. The structure of the CSRR-BPF2 of the present invention is as shown in FIGS. 2 and 3. In the conventional CSRR-BPF having a structure in which two sets of CSRRs are arranged in series, when measuring the electromagnetic wave response characteristics of the detection target part, both of the two sets of CSRRs arranged in series are covered with the detection target part. However, in the CSRR-BPF2 according to the present invention, since the two sets of CSRRs are arranged in one place, it is easy to cover the detection target portion. Further, as described above, the dimensions of the CSRR portion of the CSRR-BPF2 (coaxial type 10GHz CSRR-BPF2) having a structure in which two sets of CSRRs designed with the center frequency of the present invention at 10 GHz are arranged coaxially are 4.8 mm square. On the other hand, in the CSRR-BPF (series type 10GHz CSRR-BPF) having a structure in which two sets of CSRRs designed at a conventional center frequency of 10 GHz are arranged in series, two sets of CSRR portions are arranged from one end to the other. The size is 6.3 mm, and the placement area of the detection target site is reduced by about 24%.
また、本発明の同軸型10GHzCSRR−BPF2と従来の直列型10GHzCSRR−BPFの通過特性|S21|の測定結果を図4に示す。実線が本発明の同軸型10GHzCSRR−BPF2の測定結果であり、帯域幅はおおよそ4GHz〜16GHzの12GHzである。点線が従来の直列型10GHzCSRR−BPFの測定結果であり、帯域幅はおおよそ8GHz〜12GHzの4GHzである。動作周波数帯が広域化していることが分かる。
Further, FIG. 4 shows the measurement results of the passage characteristics | S21 | of the
さらに、本発明の同軸型10GHzCSRR−BPF2及び従来の直列型10GHzCSRR−BPFを用いた生体検知実験の結果を図5に示す。20名の被検体に対して、人体指として偽装物の添付のない右手人差し指を用いて1名につき10回ずつ測定し、偽装指として偽装物である人体指表面部の皮膚の電気定数を模擬した厚さ0.3mmの皮膚ファントムをシート状に加工したものを右手人差し指に貼り付けて1名につき5回ずつ測定した。ここで、評価値算出部81で算出する評価値には、従来の類似度と平均差を用いた。これは本発明によるCSRR−BPF2によってどれだけ判別精度が向上するかを従来のものと比較評価するためである。また基準値T(f)には全被検体の人体指の5回の測定値を平均化した値を用い、検知対象の測定値S(f)には基準値T(f)の算出に用いなかった5回の人体指の測定値と偽装指の測定値を使用した。また、図4より本発明の同軸型10GHzCSRR−BPF2は16GHzにおいて通過特性|S21|が最小であったため、類似度の算出に使用する最小値を検索する周波数帯域を5〜16GHzとして計算した。本発明及び従来のどちらもCSRR−BPFの表面に厚さ0.2mmのポリプロピレンフィルムを配置して測定を行った。図5(a)が本発明の同軸型10GHzCSRR−BPF2による結果であり、縦軸に類似度、横軸に平均差をとり、中抜きのプロットが人体指、黒塗りのプロットが偽装指を示す。図5(b)が従来の直列型10GHzCSRR−BPFによる結果であり、縦軸に類似度、横軸に平均差をとり、中抜きのプロットが人体指、黒塗りのプロットが偽装指を示す。図5を見ると、本発明の同軸型10GHzCSRR−BPF2の方が、従来の直列型10GHzCSRR−BPFよりも人体指と偽装指のプロットが分離されていることが分かるが、より定量的に評価を行うため、偽装物を生体と判定する割合(False Acceptance Rate, FAR)を0%とした際の生体を偽装物と判定する割合(False Rejection Rate, FRR)と、FRRを0%とした際のFARと、FARとFRRが等しくなる値(Equal Error Rate, EER)を用いて評価した。その結果を以下の表1に示す。ここで、FARを0%とした際のFRRというのは、測定に用いた偽装指を全て受け入れないしきい値を設けた際に、人体指が受け入れられない割合を示す。具体的には、偽装指の平均差の最小値及び類似度の最大値をしきい値とし、偽装指の平均値の最小値以下かつ類似度の最大値以上の領域に入らない人体指の割合である。また、FRRを0%とした際のFARというのは、測定に用いた人体指を全て受け入れるしきい値を設けた際に、偽装指を受け入れてしまう割合を示す。具体的には、人体指の平均差の最大値及び類似度の最小値をしきい値として、人体指の平均差の最大値以下かつ類似度の最小値以上の領域に入ってしまう偽装物の割合である。これらの指標は低ければ低いほど判別精度が高いことを示す。表1より、本発明による同軸型10GHzCSRR−BPF2の方が従来の直列型10GHzCSRR−BPFよりもFRR(FAR=0%)、FAR(FRR=0%)、EERの全てにおいて有意性のある結果が得られ、判別精度が向上していることが分かる。
Further, FIG. 5 shows the results of a biological detection experiment using the
次に、本発明に係る評価値算出部81で算出する第1の評価値αを評価するための実験の結果を図6に示す。ここでは本発明の第1の評価値αと、従来の評価値である類似度の比較を行い、第1の評価値αによってどれだけ判別精度が向上するか評価するため、CSRR−BPF2には従来と同様の直列型10GHzCSRR−BPFを用いた。第1の評価値αは上述のように式(1)から式(3)によって算出され、ここではしきい値pはp=2.7、周波数毎の重みwf(f)は使用する周波数帯域全域においてwf(f)=1とした。人体指に装着する偽装物としては、22.0mm×14.0mmの寸法に加工した0.5mm厚の皮膚ファントムを使用した。図6(a)が本発明の第1の評価値αを用いた結果であり、縦軸に第1の評価値αを、横軸に平均差をとった。図6(b)が従来の評価値である類似度を用いた結果であり、縦軸に類似度、横軸に平均差をとった。図6の中抜きのプロットは人体指、黒塗りのプロットは偽装指を示す。図6より、従来の評価値である類似度では、人体指はほぼ1に近い値であるのに対して、偽装指は最大値が0.988で、さらにほとんどが0.9以上の値になっているが、本発明の第1の評価値αでは、人体指はほぼ1に近い値であるのに対して、偽装指は最大値でも0.692となり、非常によく人体指と偽装指の区別が出来ており、判別精度が向上していることが分かる。
Next, FIG. 6 shows the results of an experiment for evaluating the first evaluation value α calculated by the evaluation
次に、本発明に係る評価値算出部81で算出する第2の評価値βを評価するための実験の結果を図7に示す。こちらもCSRR−BPF2には従来の直列型10GHzCSRR−BPFを用いて測定した。上述したように、第2の評価値βは式(4)によって算出され、従来の評価値である平均差に、周波数毎の重みwf(f)を導入した評価値である。人体指に装着する偽装物としては、22.0mm×14.0mmの寸法に加工したシリコンゴムを使用した。特に0.1mm厚のシリコンゴムを偽装物として用いる場合は、通過特性|S21|の高域において人体指との差異が小さくなる。このため12GHz以下の周波数帯域での偽装物による差異を強調するために、12−16GHzにおいてwf(f)=0とし、5−12GHzにおいてwf(f)=1とした。図7(a)が本発明の第2の評価値βを用いた結果であり、横軸に第2の評価値βを、縦軸には第1の評価値αをとった。図7(b)が従来の評価値である平均差を用いた結果であり、横軸に平均差を、縦軸には第1の評価値αをとった。図7を見ただけでは一見差異が分かりづらいので、定量的な評価を行うため、上述したFRRを0%とした際のFAR、及びFARを0%とした際のFRRを用いて評価した。その結果を以下の表2に示す。本発明による第2の評価値βを用いて適切な重みwf(f)を導入することで、FRR(FAR=0%)が5.2%から1.7%まで改善し、判別精度が向上していることが分かる。
Next, FIG. 7 shows the results of an experiment for evaluating the second evaluation value β calculated by the evaluation
以上より、本発明に係る生体検知装置1のCSRR−BPF2、及び評価値算出部81で算出する第1の評価値αと第2の評価値βの全てにおいてそれぞれが、従来の特許文献1に記載の生体検知装置で用いられていたものよりも判別精度の向上に寄与しており、本発明に係る生体検知装置1を用いることで判別精度の高い生体検知を行うことができる。
Based on the above, the CSR-BPF2 of the
尚、本発明の実施の形態は上述のものに限らず、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが出来る。 The embodiment of the present invention is not limited to the above, and can be appropriately changed without departing from the scope of the idea of the present invention.
本発明に係る生体検知装置は、例えば、指紋認証や静脈認証等の個人生体認証技術に組み合わせて用いることで、信頼性の高い情報セキュリティ技術として有効に利用することができる。 The biometric detection device according to the present invention can be effectively used as a highly reliable information security technology by using it in combination with personal biometric authentication technology such as fingerprint authentication and vein authentication, for example.
1 生体検知装置
2 CSRR−BPF
3 測定部
7 記憶部
81 評価値算出部
82 生体判定部
1
3
Claims (3)
電磁波を発生させ、前記検知対象部位を前記帯域通過フィルタに近接又は当接させた際の所定の周波数帯域の電磁波応答特性を測定する測定部と、
前記測定部で測定された前記電磁波応答特性の測定値と、生体の電磁波応答特性の基準値とを用いて評価値を算出する評価値算出部と、
前記評価値算出部で算出された前記評価値に基づいて、前記検知対象部位が生体であるか否かを判定する生体判定部と、を備える生体検知装置であって、
前記評価値算出部が、
前記測定部で測定された前記電磁波応答特性の測定値をS(f)、前記生体の電磁波応答特性の基準値をT(f)、T(f)の標準偏差をσ(f)、以下の式(2)で表される一致性指数をk(f)、k(f)に応じた重み関数をwv(k(f))、周波数毎の重み関数をwf(f)、評価に用いる周波数帯域の下限をfL、上限をfHとするとき、
前記評価値として、以下の式(1)で表される第1の評価値αを算出することを特徴とする生体検知装置。
A measuring unit that generates electromagnetic waves and measures the electromagnetic wave response characteristics in a predetermined frequency band when the detection target portion is brought close to or in contact with the band pass filter.
An evaluation value calculation unit that calculates an evaluation value using the measured value of the electromagnetic wave response characteristic measured by the measurement unit and a reference value of the electromagnetic wave response characteristic of a living body.
A biological detection device including a biological determination unit that determines whether or not the detection target site is a living body based on the evaluation value calculated by the evaluation value calculation unit.
The evaluation value calculation unit
The measured value of the electromagnetic wave response characteristic measured by the measuring unit is S (f), the reference value of the electromagnetic wave response characteristic of the living body is T (f), the standard deviation of T (f) is σ (f), and the following. The concordance index represented by the equation (2) is k (f), the weight function corresponding to k (f) is w v (k (f)), the weight function for each frequency is w f (f), and the evaluation is performed. When the lower limit of the frequency band used is f L and the upper limit is f H ,
A biological detection device characterized in that a first evaluation value α represented by the following equation (1) is calculated as the evaluation value.
所定のしきい値をpとするとき、
以下の式(3)で表される関数であることを特徴とする請求項2に記載の生体検知装置。
When the predetermined threshold is p,
The biological detection device according to claim 2, wherein the function is represented by the following equation (3).
前記評価値として、前記第1の評価値αに加えて、以下の式(4)で表される第2の評価値βを算出することを特徴とする請求項2または3に記載の生体検知装置。
The biological detection according to claim 2 or 3, wherein as the evaluation value, a second evaluation value β represented by the following formula (4) is calculated in addition to the first evaluation value α. Device.
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