JP2926069B2

JP2926069B2 - 指紋照合方法

Info

Publication number: JP2926069B2
Application number: JP2209053A
Authority: JP
Inventors: 山本　　誠
Original assignee: TAKATORI IKUEIKAI KK; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: TAKATORI IKUEIKAI KK; Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1990-08-07
Filing date: 1990-08-07
Publication date: 1999-07-28
Anticipated expiration: 2014-07-28
Also published as: JPH0495176A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、例えば予め登録された人のみに対してドア
を開放可能にするセキューリティシステムに適用され、
被検査指紋と予め登録されている基準指紋とを照合する
方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種のセキューリティシステム等に適用され
る指紋照合方法では、まず指紋隆線を含む画像が２値化
され、この２値化された画像が細線化されて隆線パター
ンが求められる。そしてこの隆線パターンから分岐点、
端点、曲率が主な特徴として抽出され、これらの特徴に
基づいて、マスター画像（基準指紋の画像）とサンプル
画像（被検査指紋の画像）の比率が行われる。分岐点等
の特徴は指紋の全体に現れるため、従来の指紋照合方法
においては、できるだけ指の広範囲にわたって指紋を得
ることが好ましい。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、指紋の下部すなわ指の関節の部分は通常、水
平方向に延びる隆線が多いために特徴が少なく、また指
紋が乱れていることが多いので、指紋照合にとって有用
なデータが少ない。したがって、このような部分の指紋
も照合に利用すると、データとしてノイズが多くなるた
めに正確な照合が困難になり、また入力データが多くな
るために照合システムのメモリ容量を大きくする必要が
生じるという問題が生じる。

本発明はこのような問題点を解消すべく創案されたも
ので、少ないデータにより精度の高い指紋照合を実施す
ることを可能ならしめる指紋照合方法を提供することを
目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る指紋照合方法は、指紋画像を２方向につ
いて濃度偏微分し、両方向について偏微分値のヒストグ
ラムの極値が生じる点を特徴中心と定め、この特徴中心
よりも上側の部分に関するデータのみを用いて指紋照合
を行うことを特徴としている。

また本発明に係る第２の指紋照合方法は、指紋画像の
フィレ中心を特徴中心と定め、この特徴中心を含むブロ
ックに関するデータのみを用いて指紋照合を行うことを
特徴としている。

〔作用〕

指紋の特徴中心よりも下側の部分については照合に使
用されず、上側の部分のデータのみが照合に使用され
る。指紋の特徴は特徴中心よりも上側に多く現れるの
で、特徴が有効に用いられ、高精度な指紋照合が可能に
なる。

〔実施例〕

以下図示実施例に基づいて本発明に係る画像の比較画
像を説明する。

第２図は本発明の画像比較方法を用いた指紋照合シス
テムを示す。指紋照合システムは画像入力装置10および
照合処理装置20を備え、画像入力装置10において撮像し
た画像を照合処理装置20において比較処理する。画像入
力装置10は直角プリズム11に光源12から照明光を入射
し、その全反射光をCCDカメラ13で検出する。プリズム1
2はその斜面14が検出面とされ、指紋を検出すべき指FIN
はこの斜面14に接触させる。指FINを接触させない状態
では、照明光は全て全反射され、CCDカメラ13では白一
色の映像が検出される。

そして第３図に示すように、指の接触面FIN1（指紋の
山）においては、プリズム界面の屈折率が変化するた
め、照明光は全反射せずに界面を通過する。従って、指
紋の山の部分が濃淡を持つ暗線としてCCDカメラに入力
される。

照合処理装置20は画像処理部21とカードリーダ22を有
し、被検者がIDカード23をカードリーダ22に挿入するこ
とにより、マスターデータが読み出され、画像入力装置
10から取り込んだデータとの比較が行われる。この比較
はコンピュータ23によって行われ、比較結果が表示部24
に表示されるとともに、比較結果が合格（指紋一致）で
あったときには、アクチュエータ25を作動して、扉26を
解錠する。

なお、マスターデータの特定は、被検者がキーボード
からID番号を入力する等種々の態様を採用し得る。

第４図は指紋の隆線の大局的方向を矢印で示したもの
である。この大局的方向を示す指標として、発明者は各
画素の濃度値の偏微分値が最小となる方向のヒストグラ
ムを採用した。例えば領域Ｉに含まれる各画素の濃度値
の変化は、水平方向から反時計周りに45゜回転した方向
において、最小となる傾向が強いため、この領域の各画
素の濃度値の偏微分値はこの45゜の方向において最小と
なる頻度が高い。したがって領域Ｉにおける画素の濃度
値の変化に関して第５図（Ｉ）に示すヒストグラムが得
られる。また領域IIに含まれる各画素の濃度値の変化
は、水平方向から反時計周りに90゜回転した方向におい
て、最小となる傾向が強いため、この領域の各画素の濃
度値の偏微分値はこの90゜の方向において最小となる頻
度が高く、領域IIにおける画素の濃度値の変化に関して
は、第５図（II）に示すヒストグラムが得られる。

このようなヒストグラムを得るため、次のような処理
が実行される。

まず、入力された指紋画像すなわちサンプル画像の各
画素について濃度値が求められる。一方、このサンプル
画像と比較される基準となる指紋画像すなわちマスター
画像については予め各画素毎に濃度値が求められ、コン
ピュータ23のメモリに記憶されている。

次に、各画素について、隣接する画素との間の濃度値
に関する偏微分値が求められる。なおここで、隣接する
画素とは、偏微分の対象となる画素に直接隣合う画素だ
けでなく、数個だけ離れた画素も含むものとする。偏微
分は、第６図に示すように、水平方向（番号１）、水平
方向から反時計方向に22.5゜ずつ回転した方向（番号
２、３、４、５）、また水平方向から時計方向に22.5゜
ずつ回転した方向（番号６、７、８）に関して、すなわ
ち157.5゜の範囲にわたって行われる。ここで水平方向
にｘ座標、垂直方向にｙ座標をとり、また濃度値の変化
量をΔｄとすると、偏微分値ｚは、となる。

デジタル画像における偏微分は離散的であり、特に距
離要素に関しては、偏微分方向により比較的大きな距離
を採用する必要が生じる。しかし、距離が過大になる
と、指紋の谷を越えて、すなわち、指紋の山から山に跨
る微分が行われ、指紋隆線の特徴が失われる。従って、
距離値としては、方向の精度を極力高めつつ微小量を採
用すべきである。また第２図の画像入力装置10は、指紋
を斜め45゜の方向から観察するため、CCDカメラ13に入
力される画像においてＹ方向の成分についての補正を要
する。この補正を考慮した偏微分の距離として、０゜
（Δｘ＝２、Δｙ＝０）、22.5゜（Δｘ＝２、Δｙ＝
１）、45゜（Δｘ＝２、Δｙ＝２）、67.5゜（Δｘ＝
２、Δｙ＝３）を用いて良好な結果を得ている。

各画素について番号１〜８（第６図）の各方向に関す
る偏微分値を計算する際、既に求められている偏微分値
と新しく求められた偏微分値とを比較して小さい方をメ
モリに記憶させておく。しかして、各方向についての偏
微分を行いつつ小さい方をメモリに記憶させていくと、
８方向についての計算が終了した時点でメモリには最小
偏微分値が格納されることとなる。この処理を全画素に
ついて行うことにより、全画素について最小偏微分値が
求められる。

次いで、再び各画素について番号１〜８の各方向に関
する偏微分値を計算し、この偏微分値を既に求められて
いる最小偏微分値と比較する。そして、今求められた偏
微分値が最小偏微分値と一致した時、その時の偏微分値
の『方向』に対応する番号（第６図の番号１〜８）を画
像処理部のメモリに格納する。しかして、全画素につい
て偏微分値が最小となる方向が求められ、画像全体につ
いて偏微分値が最小となる方向の分布が得られる。この
ように濃淡画像から直接画像各部の方向成分を抽出する
ので、原画像の情報を最大限に活用し得る。

さて、サンプル画像について最上偏微分値となる方向
の分布が得られると、これにより指紋の隆線の傾向が把
握可能であり、この方向の分布をマスター画像のものと
比較することによって指紋照合を行い得る。すなわち、
各画素毎に得られた最小偏微分値となる方向のデータ
を、サンプル画像とマスター画像との間において、対応
する画像毎に比較する。しかし本実施例では、後述する
ように画像を複数のブロックに分割し、特徴中心よりも
上側のブロックについて偏微分値が最小となる方向に基
づいた指標を求め、サンプル画像とマスター画像につい
て、この指標を用いて比較を行っている。これは、特徴
中心よりも上側に指紋の多くの特徴が現れるからであ
る。

サンプル画像とマスター画像の比較に先立ち、これら
の画像の位置合わせが行われる。この位置合わせを第７
図を参照して説明する。

この図において指紋の隆線FPは渦巻き状を呈してお
り、したがって同じ濃度値の画素がこの渦巻きに沿って
並んでいる。ここで横方向をＸ方向、縦方向をＹ方向と
する。隣接する画素間の濃度値の変化量をＹ方向に沿っ
て偏微分し、Ｙ方向における濃度値の変化率を求める
と、例えば符合Ｐの部分のように隆線がＸ方向に延びて
いる部分において大きく、また符号Ｑの部分のように隆
線がＹ方向に延びている部分において小さい。したがっ
て濃度値のＹ方向の偏微分値は、符号Ｒで示すように中
央において最大となるヒストグラムを有する。同様に、
Ｘ方向における濃度値の変化率を求めると、符号Ｐの部
分のように隆線がＸ方向に延びている部分において小さ
く、また符号Ｑの部分のように隆線がＹ方向に延びてい
る部分において大きい。したがって濃度値のＸ方向の偏
微分値は、符号Ｓで示すように中央において最大となる
ヒストグラムを有する。

本実施例においては、Ｘ方向に沿った濃度値の変化に
関するヒストグラム（符号Ｓ）の最大値となる点（符号
Ｔ）をこの画像の中心点のＹ座標とし、またＹ方向に沿
った濃度値の変化に関するヒストグラム（符号Ｒ）の最
大値となる点（符号Ｕ）をこの画像の中心点のＸ座標と
している。このようにして得られた中心点は、図形その
ものの中心ではなく、この画像の特徴の中心（例えば渦
巻の中心）である。しかして濃度偏微分値のヒストグラ
ムの極値が生じる点が、特徴中心として定められる。

マスター画像とサンプル画像は共に、第１図に示すよ
うに例えば15のブロックＡ〜Ｏに分割されており、上述
した手法によって得られた特徴中心を含むブロックが相
互に一致するようにして、サンプル画像とマスター画像
の位置合わせが行われる。

次にサンプル画像とマスター画像の比較との比較判断
について具体的に説明する。

第１図は、指紋画像41をブロックに分割する方法を示
す。この画像41は15個のブロックＡ〜Ｏに分割され、各
ブロックＡ〜Ｏはさらに、16×16画素から成る16個の領
域ａ〜ｐに分割されている。本実施例では、各ブロック
Ａ〜Ｏのうち、特徴中心よりも上側のブロックＡ〜Ｉに
関するデータのみを用いて、サンプル画像とマスター画
像の比較を行う。

まず、ブロックＡ〜Ｉ毎に各領域ａ〜ｐ毎に全分散を
算出する。全分散とは本来、次の式によって定義される
ものである。すなわち、全分散＝クラス間分散＋クラス内分散＝sin²（θ/2）＋（Vm＋VS）/2 ただし、θは各領域におけるマスター画像とサンプル
画像の最小偏微分値となる方向のずれの角度、Vmはマス
ター画像の各領域におけるクラス内分散、Vsはサンプル
画像の各領域におけるクラス内分散を示す。さて本実施
例では全分散REを、１から上記式によって定義される全
分散をひいたものとして定義している。すなわち本実施
例において、全分散REは、 RE＝１−sin²（θ/2）−（Vm＋Vs）/2 ＝cos²（θ/2）−（Vm＋Vs）/2 （１）と定義される。これによって、一致度が高い程全分散が
増加する傾向が得られる。

（１）式によって定義される全分散を求めるために、
まずマスター画像およびサンプル画像についてクラス内
分散Vm、Vsを求める。これを第８図および第９図を用い
て説明する。第８図は方向コードに対する画素数のヒス
トグラムを示し、第10図は方向コードの定義を示す。す
なわち、垂直上方を向く方向のコードを「１」と定め、
これから時計周りに22.5゜ずつ回転変位する毎に方向コ
ードは「２」、「３」・・・「８」と増加するものとす
る。

まず方向コード「１」を仮の中心点とし、各方向コー
ド毎に方向コード「１」に対する方向ずれを求める。す
なわち方向ずれは、方向コード「２」、「３」、
「４」、「５」、「６」、「７」、「８」に対して、そ
れぞれ１、２、３、４、３、２、１（第８図において括
弧で示される数）となる。なお、方向コード「２」と
「８」、「３」と「７」、「４」と「６」において、そ
れぞれ方向ずれが同じであるのは、方向ずれが時計周り
であるか反時計周りであるかを考慮しないからである。

次に、各方向コードにおける画素数に、方向ずれの大
きさに応じた重みをかけ、その総和Ｔを求める。ここで
重みは、方向ずれの角度をθとすると、sin²θであり、
方向ずれがない場合は0.0、方向ずれが１の場合は0.1
5、方向ずれが２の場合は0.5、方向ずれが３の場合は0.
85、方向ずれが４の場合は1.0である。このように各方
向コードの画素数に重みを乗じるのは、クラス内分散に
対する画素数の影響が仮中心点から離れているものほど
強くなると考えられるからである。

このようにして得られた総和Ｔを領域内の画素数256
で割った値がクラス内分散である。このクラス内分散
は、全ての方向コードを仮中心点として算出され、すな
わちひとつの領域について８個のクラス内分散が得られ
る。次に、これらのクラス内分散の最小値を求め、この
最小値となるクラス内分散をその領域におけるクラス内
分散とする。また、この最小値となるクラス内分散に対
応する方向コードをその領域における方向コードとす
る。しかして各領域ａ〜ｐ毎にクラス内分散と方向コー
ドが求まる。

次に、各領域ａ〜ｐのクラス内分散の平均値をとり、
これを各ブロックＡ〜Ｉ毎にクラス内分散として求め
る。このようにして得られたクラス内分散が、上記
（１）式において使用されるマスター画像およびサンプ
ル画像のクラス内分散Vm、Vsである。同様にして、各領
域ａ〜ｐの方向コードの平均値をとり、これを各ブロッ
クＡ〜Ｉ毎に方向コードとして求める。この方向コード
が次に述べるように、上記（１）式において使用される
方向コードである。

次に上記（１）式におけるcos²（θ/2）、すなわち方
向ずれ度を算出する。これは、ブロックＡ〜Ｉに関し
て、マスター画像とサンプル画像の方向コードの差を求
め、この差に対応する角度をθとして計算する。例え
ば、マスター画像とサンプル画像の方向コードの差が１
であれば、θは22.5゜であるから、方向ずれ度は0.96と
なる。同様に、差が２であれば、θは45゜であるから、
方向ずれ度は0.85、差が３であれば、θは67.5゜である
から、方向ずれ度は0.69、差が４であれば、θは90゜で
あるから、方向ずれ度は0.5となる。

以上のようにして得られた方向ずれ度（クラス間分
散）とクラス内分散Vm、Vsを用いて、上記（１）式から
ブロックＡ〜Ｉにおける全分散REが求められる。この全
分散REは、０と１の間で変化し、サンプル画像とマスタ
ー画像との類似の度合いが強いほど１に近くなる。例え
ば、サンプル画像とマスター画像とがほぼ一致している
場合、ブロックＡ〜Ｉについて、全分散REは0.8以上と
値となる。これに対し、サンプル画像とマスター画像と
が非類似の場合、ブロックＡ〜Ｉのいずれかにおいて、
全分散REは0.7未満の値となる。

次いで、ブロックＡ〜Ｉにおける相互相関を算出す
る。ここに相互相関は次の式によって定義される。

ただしCORは相互相関、ｘ（θｉ）はサンプル画像に
おけるθｉ（deg）方向の画素数、Ｘ（θｉ）はマスタ
ー画像におけるθｉ（deg）方向の画素数である。

この相互相関においても全分散の場合と同様に、まず
各領域ａ〜ｐ毎に算出し、その平均値を対応するブロッ
クＡ〜Ｉの相互相関とする。相互相関は０と１の間で変
化し、サンプル画像とマスター画像との類似の度合いが
強いほど１に近くなる。

さらに、ブロックＡ〜Ｉに関してクラス間距離を算出
する。ここにクラス間距離は次の式により定義される。

ただしDGはクラス間距離、ｘ（θｉ）はサンプル画像
におけるθｉ（deg）方向の画素数、Ｘ（θｉ）はマス
ター画像におけるθｉ（deg）方向の画素数である。

このクラス間距離も全分散および相互相関と同様に、
まず各領域ａ〜ｐ毎に算出し、その平均値を対応するブ
ロックＡ〜Ｉのクラス間距離とする。クラス間距離は１
と０の間で変化し、サンプル画像とマスター画像との類
似の度合いが強いほど０に近くなる。

以上のようにして、マスター画像とサンプル画像につ
いて、特徴中心を含むブロックＨよりも上側のブロック
Ａ〜Ｉに関し全分散、相互相関およびクラス間距離が算
出される。マスター画像とサンプル画像が実質的に一致
していると判断されるためには、ブロックＡ〜Ｉについ
て、例えば、全分散が0.7以上、相互相関が0.96以上、
クラス間距離が0.1以下であることが必要である。

サンプル画像とマスター画像が異なるものであると判
断された場合、次にサンプル画像とマスター画像の相対
位置が１領域分（第１図のａ〜ｐ）だけ横方向に変位せ
しめられ、そして上述したのと同様な方法により、サン
プル画像とマスター画像の比較が行われる。それでもこ
れらの画像が異なるものであると判断された場合、サン
プル画像とマスター画像の相対位置が最初の位置から反
対方向に１領域分だけ変位せしめられ、再び同様な方法
によりサンプル画像とマスター画像の比較が行われる。
このようにサンプル画像とマスター画像を相対的に横方
向に変位させても、なおこれらの画像が異なると判断さ
れた場合、今度はサンプル画像とマスター画像を最初の
位置から相対的に縦方向に１領域分だけ変位させて、比
較が行われる。

しかしてサンプル画像とマスター画像の比較は、相互
に特徴中心を合致させて行い、この結果これらの画像が
異なるものであると判断された場合、最初の中心合わせ
の位置から左右にそれぞれ１領域分だけ一方の画像を変
位させ、また最初の中心合わせの位置から上下にそれぞ
れ１領域分だけ一方の画像を変位させて、同様な比較を
行う。すなわち画像の比較は、中心点を左右および上下
にずらせて、最大５回まで行い、５回とも異なる画像で
あると判断された場合、サンプル画像はマスター画像と
一致していないと判断される。

このような比較方法が第２図に示すような指紋照合シ
ステムに適用された場合、被検査指紋（サンプル画像）
が基準指紋（マスター画像）に一致していると判断され
た時、扉26が開錠される。また被検査指紋が基準指紋に
一致していないと判断された時には、扉26を解錠するこ
となく、再度の指紋入力を被検者に要求するか、入場拒
否のメッセージを出力することになる。

本発明の他の実施例として、第10図に示すように、指
紋画像を囲む矩形Ｗの中心であるフィレ中心Ｚを特徴中
心として定め、これを含むブロックＨ′よりも上側のブ
ロックに関するデータのみを用いて指紋照合を行っても
よい。

なお、これらの指標、すなわち全分散、相互相関およ
びクラス間距離を全て利用する必要はなく、これらのう
ちの１あるいは２の指標を画像の比較に用いるようにし
てもよい。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、少ないデータにより精
度の高い指紋照合を実施することが可能になるという効
果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は指紋画像をブロックに分散した状態を示す図、第２図は指紋照合システムを示すブロック図、第３図は直角プリズムの斜面と指との接触部分を拡大し
て示す図、第４図は指紋の隆線パターンの一例を示す図、第５図（Ｉ）は第４図の領域Ｉにおける画素の濃度値の
変化に関するヒストグラムを示す図、第５図（II）は第４図の領域IIにおける画素の濃度値の
変化に関するヒストグラムを示す図、第６図は偏微分の方向を示す図、第７図は画像の中心点を求める方法を説明するための
図、第８図は方向コードに対する画素数のヒストグラムを示
す図、第９図は方向コードの定義を示す図、第10図はフィレ中心を示す図である。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】指紋画像を２方向について濃度偏微分し、
両方向について当該偏微分値のヒストグラムの極値が生
じる点を特徴中心と定め、当該特徴中心よりも上側の部
分に関するデータのみを用いて指紋照合を行うことを特
徴とする指紋照合方法。
【請求項２】指紋画像のフィレ中心を特徴中心と定め、
当該特徴中心よりも上側の部分に関するデータのみを用
いて指紋照合を行うことを特徴とする指紋照合方法。