JP4454335B2

JP4454335B2 - 指紋入力装置

Info

Publication number: JP4454335B2
Application number: JP2004035067A
Authority: JP
Inventors: 宗広池田
Original assignee: NEC Infrontia Corp
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-02-12
Also published as: US8285009B2; JP2005227966A; US20050180616A1

Description

本発明は、指紋を光学的に読み取る指紋入力装置、特に入力対象物である指よりも小さな面積の入力部分を有し、指紋画像を指全体に渡って得るためには指を移動させながら複数回にわたって入力する必要がある指紋入力装置に関する。

従来から、個人を識別するための重要な情報として指紋は利用されてきたが、近年、指紋を光学的に入力し画像情報として電子的に処理することが行われている。

これまで、指紋照合・認証装置における指紋入力部は、できるだけ小型であった方が実装上望ましい。しかし、指の大きさよりも小型化した指紋入力部は、指全体の指紋情報を一度に取得できない。よって、指を入力部分の上で動かすなどして指の異なる部分から部分的な指紋情報を複数回入力し、それら部分的な指紋情報が互いにどのような位置関係にあるのかを演算によって算出し、部分的指紋情報を全体指紋情報に再構成する必要がある。

図４は、従来の技術における指紋入力装置の構成を示すブロック図である。

従来技術における指紋入力装置１において、１１は、指から部分的指紋画像を取得するための指紋入力部、１２は、取得された部分的指紋画像を格納するための記憶領域１２１を有する記憶部である。１４は、通信部であり、記憶部１２に格納された部分的指紋画像を外部装置６に出力することができる。

このように指紋入力装置１は、演算部を持っていない。また、記憶部はないか、あるいはあったとしても部分的指紋画像の一時的な置き場として用いられるだけである。よって、指紋入力装置１から出力される信号は部分的指紋画像のみである。部分的指紋情報から全体指紋情報を再構成するための演算は、指紋入力装置に接続され、指紋入力装置とは別個に配置された外部装置６によって行う。演算とは具体的には、ある部分的指紋画像とその他の部分的指紋画像との位置関係、すなわち現在取得された部分的指紋画像と、過去に取得された部分的指紋画像との間に指が移動した距離、方向、回転角度を算出することである。２つの部分的指紋画像の相対的位置関係を算出するためには、互いの部分的指紋画像内に、指の同じ位置から取得された情報が含まれていなくてはならない。

一方、指紋入力部１１はできるだけ小型化したい。よって、一度に取得できる部分的指紋画像の面積は必然的に小さなものとなる。

この場合、実際的な指の移動速度に対応して相対的位置関係を算出するためには、部分的指紋画像の取得時間間隔は相当に短くなくてはならない。

図５は、指と指紋入力部との関係を示す図である。

例えば、入力部１１の縦の長さが図５に示したＨ[mm]、指５の移動速度が矢印の方向にＶ[mm/sec]であった場合、連続して取得した部分的指紋画像に指の同一部分からの情報が含まれるために必要な画像取得時間間隔上限Ｔ[sec]は、
Ｔ＝Ｈ／Ｖ
で計算できる。十分実用的に小さい入力部１１の長さＨは０．５[mm]程度と考えられる。また指の移動速度Ｖとしては２００〜３００[mm/sec]に対応できなければ実用的とはいえない。この場合の画像取得時間間隔上限Ｔは上式よりＴ＝２．５〜１．７[ms]である。

部分的指紋画像が得られるたびに逐次的に演算を行う場合、この時間Ｔの間に指紋画像の通信及び移動量の算出を行わなければならない。これには相当量の演算能力が必要とされる。このため、外部装置６は指紋入力の間他の処理を行うことができない。よって指紋画像を照合・認証のための情報へ変換する処理や、認証・照合を行うといった処理は、指紋入力が完全に終了した後に開始される。このため使用者は、認証・照合処理の結果を得るためにはこれらの処理が終わるまで待つ必要があり、使い勝手の悪い装置となっていた。

あるいは、指紋入力中は画像の取得のみを行い、移動量の算出は入力終了後にまとめて行う処理方法も考えられる。しかし、この場合も情報変換、認証・照合を行うといった処理が指紋入力終了後にしか行えないことには変わりなく、使用者が処理終了まで待たされる点では同様である。さらにこの場合は、取得した部分的指紋画像を全て格納しておくための大きな格納領域が必要となる。格納領域の確保は外部装置の大型化、消費電力の増加を招くという問題がある。

また当然のことながら、外部装置６には画像比較演算や移動量算出のためのソフトウェアが必要であるためソフトウェアの複雑化を招き、更にこのソフトウェアを格納するための領域と、画像が全て得られた後にまとめて画像比較演算を行う時間が必要となるといった問題があった。

このような問題を解決するための公知例として、下記特許文献１、特許文献２で提案された手段がある。これらの手段は入力部に指を接触させるローラ、又は指台を固定したスライダといった、画像取得とは別の検知機構を設けて指の移動方向及び距離を測定しようとするものである。
特開２００１−１８４４９０号公報特開平１０−２５５０５０号公報

しかしながら、しかし上記特許文献１，２に開示されている手段は、検知機構の付加により指紋入力装置の大型化を招くため好ましくない。また、可動部を有することから故障の懸念が発生し、装置の信頼性を高めることができないという問題があった。

そこで、本発明は、可動部がなく、外部装置に部分的指紋画像の相対的位置演算のためのソフトウェア処理を不要にして装置の小型化、省電力化を達成することを目的とする。

上述の課題を解決するため、本発明の指紋入力装置は、指紋画像を得るために指を移動させながら複数回にわたって入力する指紋入力装置において、入力された複数の部分的指紋画像の共通部分を求め、前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出し、前記算出した相対的位置関係を複数の部分的指紋画像とともに外部装置に出力し、２つの部分的指紋画像間のＸ、Ｙ座標上のＸ、Ｙ方向のそれぞれの距離を示すΔｘ、Δｙの組を（Δｘ、Δｙ）とし、Δｘ、Δｙに回転角ｔを加えた組を（Δｘ、Δｙ、ｔ）とし、（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）のときの前記２つの部分的指紋画像間の重なった領域である共通部分の画像差分量をＤ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）としたとき、Ｄ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）を、種々の（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）で求め、その値が最も０に近い（Δｘ０、Δｙ０）又は（Δｘ０、Δｙ０、ｔ０）を探索することで前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出し、前記複数の部分的指紋画像は３つ以上であって、１つの部分的指紋画像を算出対象とし他の部分的指紋画像に対する相対的位置関係を算出し、算出した相対的位置関係に重み付けを行うことを特徴とする。

また、本発明の指紋入力装置は、指紋画像を得るために指を移動させながら複数回にわたって入力する指紋入力装置において、複数の部分的指紋画像を入力する入力部と、前記複数の部分的指紋画像に対応する複数の記憶領域を有する記憶部と、入力された複数の部分的指紋画像の共通部分を求め、前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出する演算部と、前記算出した相対的位置関係を前記複数の部分的指紋画像とともに外部装置に出力する通信部とを備え、前記演算部は、２つの部分的指紋画像間のＸ、Ｙ座標上のＸ、Ｙ方向のそれぞれの距離を示すΔｘ、Δｙの組を（Δｘ、Δｙ）とし、Δｘ、Δｙに回転角ｔを加えた組を（Δｘ、Δｙ、ｔ）とし、（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）のときの前記２つの部分的指紋画像間の重なった領域である共通部分の画像差分量をＤ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）としたとき、Ｄ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）を、種々の（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）で求め、その値が最も０に近い（Δｘ０、Δｙ０）又は（Δｘ０、Δｙ０、ｔ０）を探索することで前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出し、前記複数の部分的指紋画像は３つ以上であって、１つの部分的指紋画像を算出対象とし他の部分的指紋画像に対する相対的位置関係を算出し、算出した相対的位置関係に重み付けを行うことを特徴とする。

本発明により、第一の効果として、従来指の移動方向及び距離を検出するために指紋入力装置に設ける必要があった特別な機構が不要となり、より安価で小型の指紋入力装置を製造・供給することができる。

第二の効果として、不要となった機構が有していた可動部がなくなるため、故障がなく信頼性の高い装置とすることができる。

第三の効果として、従来指紋入力装置に接続される外部装置が行っていた部分的指紋画像の相対的位置の演算を指紋入力装置で行うことによって、外部装置に必要とされていた部分的指紋画像の相対的位置演算のためのソフトウェア処理が不要となり、外部装置のソフトウェアを簡略化することができる。このためソフトウェアの格納容量を削減することができ、装置の小型化、省電力化を行うことができる。

第四の効果として、同じく外部装置が指紋入力時に行っていた処理を低減することができるため、余剰の処理能力を用いて他の処理、例えば従来では指紋が入力し終わった後に行われていた画像処理等を指紋入力中にも行うことができる。このため全体的な処理時間が短縮され、使用者が処理を待つ時間の短い、使い勝手の良い装置を構築することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

（実施形態１）
［構成］
図１は、本発明の実施形態１による指紋入力装置の構成を示すブロック図である。

本発明の指紋入力装置１１は、入力対象物である指よりも小さな面積の入力部分を有し、指紋画像を指全体にわたって得るためには指を移動させながら複数回にわたって入力するものである。１１は、指から部分的指紋画像を取得するための指紋入力部、１２は、取得された部分的指紋画像を格納するための記憶部である。記憶部１２は、複数の部分的指紋画像を格納できるだけの容量を有している。１３は演算部であり、記憶部１２に格納された位置関係算出対象の部分的指紋画像が、同じく記憶部１２に格納されている基準となる部分的指紋画像からみて、どの方向に、どれだけ離れた位置（距離）か、また、どれだけの角度回転したかという相対的位置関係を算出することができる。この指の移動方向、移動距離又は回転角度において、３者のうちいずれかに変化が生じないという前提であれば、残りの値を算出すればよい。また、時間を計測すれば指の移動速度及び回転角速度も算出することができる。

１４は通信部であり、記憶部１２に格納された部分的指紋画像と、演算部１３で算出された部分的指紋画像の相対的位置関係情報を外部装置２に出力することができる。

［動作］
図１、図２、図３を用いて実施形態１の動作を説明する。なお、指と指紋入力部との関係は、従来技術と同様に図５に示すとおりである。

入力部１１は、指紋画像を読み取るためのもので、枠によって画像の範囲が規定されている。しかし、入力部１１は図５に示すように指５よりも面積が小さいので、一回の入力で取得できる画像の範囲は指紋全体のうちの一部分のみである。

入力部１１に指紋が入力されると、入力一回分の部分的指紋画像が記憶部１２に格納される。記憶部１２は、少なくとも２つの部分的指紋画像が格納できるだけの容量を有している。図１の例では、記憶部１２の容量は部分的指紋画像２つ分である。片方の記憶領域１２１は、位置関係算出対象の部分的指紋画像を格納するための領域であり、ここでは最新の部分的指紋画像を格納している。もう一方の記憶領域１２２は、位置関係算出の基準となる部分的指紋画像を格納するための領域であり、２番目に新しい部分的指紋画像が格納されている。

図３は、２つの記憶領域に格納されている部分的指紋画像を示す図である。

実線５１は指紋の隆線を表している。図３の矩形３１，３２は、入力部１１に一回で入力される指紋の範囲を示しており、各々記憶領域１２１，１２２に格納された部分的指紋画像を示す。矩形３１,３２の位置がずれているのは、入力ごとに指５と入力部１１の相対的な位置がずれていくことを示している。

次に、演算部１３は、記憶領域１２１に格納された位置関係算出対象の部分的指紋画像３１と、記憶領域１２２に格納された位置関係算出基準である部分的指紋画像３２とを比較し、部分的指紋画像３１が部分的指紋画像３２に対してどのような相対的位置関係にあるのかを算出する。

位置関係の算出は、基準画像から得られる情報が、算出対象画像内ではどの位置にあるかを調べることで行う。画像から得られる情報とは、指紋隆線のベクトル分布、画像を構成する各ドットの濃淡分布、又は周波数分布等が考えられ、これらのどの方法を用いても良く、また他の方法であっても構わない。

例として、画像内各ドットの濃淡分布を用い、算出対象画像が部分的指紋画像３１、基準画像が部分的指紋画像３２である場合の相対的位置関係の算出について説明する。

ここで、２つの部分的指紋画像の画像差分量Ｄを式１で定義する。

Ｐ_１（Ｘ，Ｙ），Ｐ_２（Ｘ，Ｙ）は、部分的指紋画像３１、及び３２内で座標（Ｘ，Ｙ）によって指定されるドットの濃淡データである。ここでは、部分的指紋画像が、方向と距離が変化している、すなわち、平行移動しているという前提である。つまり画像差分Ｄ（Δｘ，Δｙ）とは、部分的指紋画像３１を部分的指紋画像３２に対して（Δｘ，Δｙ）だけずらして重ね、重なった領域において対応する各ドットの差分の総和、すなわち足し合わせたものである。

図３に示すように、重なった領域３ａは部分的指紋画像３１と部分的指紋画像３２に含まれる共通部分である。図３では、部分的指紋画像３１の部分的指紋画像３２に対する相対位置を（Δｘ_０，Δｙ_０）としている。よって、Ｄ（Δｘ_０，Δｙ_０）の値は、理想的には０となる。

このように、Ｄ（Δｘ，Δｙ）を種々の（Δｘ，Δｙ）において求め、その値が０となる（Δｘ，Δｙ）の組を検索することによって、部分的指紋画像３２に対する部分的指紋画像３１の相対位置を求めることができる。実際の部分的指紋画像には一定量のノイズが含まれるためＤ（Δｘ_０，Δｙ_０）は必ずしも０とはならないが、Ｄ（Δｘ，Δｙ）の絶対値が最も小さい（Δｘ，Δｙ）の組を検索することで（Δｘ_０，Δｙ_０）を得ることができる。

また、上記の例では説明の簡素化のために部分的指紋画像３１が部分的指紋画像３２に対して回転していない場合を説明したが、上記Ｄ（Δｘ，Δｙ）のパラメータに回転角ｔを加えてＤ（Δｘ，Δｙ，ｔ）とし、Ｄが最も０に近い（Δｘ_０，Δｙ_０，ｔ_０）の組を同様に検索することで回転角の算出も可能である。

次に、通信部１４は、部分的指紋画像３１と、上記によって算出された部分的指紋画像３１の部分的指紋画像３２に対する相対的位置関係（Δｘ_０，Δｙ_０）とを受け取り、外部装置２に出力する。指紋入力装置１と外部装置２との通信手段に限定はなく、有線パラレル、有線シリアル、又は無線でもよく、またこれらに限定されない。部分的指紋画像の通信手段と相対的位置関係の通信手段が異なっていても良い。

その後、部分的指紋画像３２は記憶領域１２２から棄却され、部分的指紋画像３１が記憶領域１２１から１２２に移される。続いて入力される最新の部分的指紋画像は記憶領域１２１に格納され、上と同様に記憶領域１２１と１２２に格納された部分的指紋画像の間の相対的位置関係が演算される。

以上の動作が、入力部１１からの入力がなくなるまで繰り返される。

（実施形態２）
図１に示した実施形態１では記憶部１２が部分的指紋画像２つ分の容量であったが、実施形態２では、部分的指紋画像３つ分以上としている。

図２は、本発明の実施形態２による指紋入力装置の構成を示すブロック図である。

この例では、最新の部分的指紋画像を記憶領域１２１に、その前の部分的指紋画像を記憶領域１２２に、というように、新しい方から過去の５画像までが記憶部１２に格納されている。

このように３つ以上の部分的指紋画像が記憶部１２に格納されている場合、必ずしも最新の部分的指紋画像を位置関係算出対象とする必要はない。本実施形態では、記憶領域１２３に格納されている部分的指紋画像を算出対象とし、その他を基準画像として用いる。

図１の実施形態１で示したのと同様の方法で、記憶領域１２３に格納された部分的指紋画像と、記憶領域１２５，１２４，１２２，１２１に格納された部分的指紋画像との相対的位置関係を算出する。これにより４つの相対的位置関係が得られる。最終的にこれら４つの位置関係に所定の重み付けを行い、記憶領域１２３に格納された部分的指紋画像と、その直前に取得され、記憶領域１２４に格納されている部分的指紋画像との相対的位置関係を得る。このように算出対象の部分的指紋画像の過去・未来両方の部分的指紋画像を基準画像として用いることで、演算の誤差が低減され実施形態１よりも正確な結果を得ることができる。

その他の動作については実施形態１と同様であるため説明を省略する。

本発明の実施形態１による指紋入力装置の構成を示すブロック図本発明の実施形態２による指紋入力装置の構成を示すブロック図２つの記憶領域に格納されている部分的指紋画像を示す図従来の技術における指紋入力装置の構成を示すブロック図指と指紋入力部との関係を示す図

符号の説明

１…指紋入力装置
２，６…外部装置
３ａ…重なった領域
５…指
３１，３２…部分的指紋画像
５１…指紋の隆線
１１…指紋入力部
１２…記憶部
１３…演算部
１４…通信部

Claims

指紋画像を得るために指を移動させながら複数回にわたって入力する指紋入力装置において、
入力された複数の部分的指紋画像の共通部分を求め、前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出し、前記算出した相対的位置関係を複数の部分的指紋画像とともに外部装置に出力し、
２つの部分的指紋画像間のＸ、Ｙ座標上のＸ、Ｙ方向のそれぞれの距離を示すΔｘ、Δｙの組を（Δｘ、Δｙ）とし、Δｘ、Δｙに回転角ｔを加えた組を（Δｘ、Δｙ、ｔ）とし、（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）のときの前記２つの部分的指紋画像間の重なった領域である共通部分の画像差分量をＤ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）としたとき、Ｄ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）を、種々の（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）で求め、その値が最も０に近い（Δｘ０、Δｙ０）又は（Δｘ０、Δｙ０、ｔ０）を探索することで前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出し、
前記複数の部分的指紋画像は３つ以上であって、１つの部分的指紋画像を算出対象とし他の部分的指紋画像に対する相対的位置関係を算出し、算出した相対的位置関係に重み付けを行うことを特徴とする指紋入力装置。
指紋画像を得るために指を移動させながら複数回にわたって入力する指紋入力装置において、
複数の部分的指紋画像を入力する入力部と、前記複数の部分的指紋画像に対応する複数の記憶領域を有する記憶部と、入力された複数の部分的指紋画像の共通部分を求め、前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出する演算部と、前記算出した相対的位置関係を前記複数の部分的指紋画像とともに外部装置に出力する通信部とを備え、
前記演算部は、２つの部分的指紋画像間のＸ、Ｙ座標上のＸ、Ｙ方向のそれぞれの距離を示すΔｘ、Δｙの組を（Δｘ、Δｙ）とし、Δｘ、Δｙに回転角ｔを加えた組を（Δｘ、Δｙ、ｔ）とし、（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）のときの前記２つの部分的指紋画像間の重なった領域である共通部分の画像差分量をＤ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）としたとき、Ｄ（Δｘ、Δｙ）又はＤ（Δｘ、Δｙ、ｔ）を、種々の（Δｘ、Δｙ）又は（Δｘ、Δｙ、ｔ）で求め、その値が最も０に近い（Δｘ０、Δｙ０）又は（Δｘ０、Δｙ０、ｔ０）を探索することで前記複数の部分的指紋画像の相対的位置関係を算出し、
前記複数の部分的指紋画像は３つ以上であって、１つの部分的指紋画像を算出対象とし他の部分的指紋画像に対する相対的位置関係を算出し、算出した相対的位置関係に重み付けを行うことを特徴とする指紋入力装置。
前記相対的位置関係は、移動方向、移動距離又は回転角度の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載の指紋入力装置。
前記共通部分は、画像を構成する各ドットの濃淡分布に基づき求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の指紋入力装置。
前記共通部分は、画像を構成する各ドットについて濃度の差の総和が最小になることを検知して求めることを特徴とする請求項４に記載の指紋入力装置。
前記共通部分は、画像を構成する指紋隆線のベクトル分布に基づき求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の指紋入力装置。
前記共通部分は、画像を構成する周波数分布に基づき求めることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の指紋入力装置。