JP4671811B2 - 指認証装置 - Google Patents

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Description

本発明は生体を用いた個人認証装置に関し、特に指の静脈パターンに基づく生体個人認証装置に関する。

鍵等の携帯が不要で利便性が高く、遺失や盗難等による不正行使の恐れも少ないセキュリティ方式として、指紋や虹彩、静脈パターンといった個人の体の一部を鍵として用いる生体認証が注目されている。中でも、静脈パターンを用いた認証方法は、指紋のように犯罪捜査を連想させたり、虹彩のように直接眼球に光を照射したりすることがないので心理的抵抗感が少なく、また、容易に観測できる生体表面ではなく内部の特徴のため、残留性がなく、偽造も困難という利点がある。

このような生体内部の静脈パターンは、近赤外の光源によって対象部位を照らし、それを近赤外に感度のあるカメラもしくはイメージセンサなどの撮像系で撮影することで得られる(例えば特許文献1参照)。血液中のヘモグロビンは近赤外光を良く吸収するため、
血管部分で光が吸収され、周辺組織に比べて暗く写る。この明暗の差による紋様が静脈パターンとなる。

特開2004-265269号公報

このような光による静脈パターンの撮影方式においては、撮影用の近赤外光源以外からの光、すなわち外光の存在が、撮影される静脈パターン画像の品質に多大な影響を与える。そのため、これまでの光を用いる生体認証方式のほとんどが、外光下での使用条件に制約を設けてきた。例えば、晴れた屋外で使用した場合、自然に存在する太陽光の中には、近赤外波長の光も含まれると同時に、その強度は静脈パターン撮影用の光源の出力よりも遥かに高い。したがって、微小な光の明暗の差を紋様として最適に撮像できるように調整されたカメラでは、認証装置に太陽光が差し込んだ場合、強力な光のために、多くの画素の輝度が最大値で飽和した状態、すなわち白飛びした画像が得られることになる。このような白飛び画像においては、一様に輝度が最大値であるため、血管部分の明暗の差は現れず、正しい静脈パターンを得ることはできない
上記特許文献1記載の発明では、静脈パターンを鮮明に撮像するための方法として、様々な指の状態に応じて撮影用光源の明るさを調節する方法を開示する。しかし、屋内使用が前提で、外光変動の想定範囲も限られており、上記のような強い外光の下では光源の強さを最小としても白飛びを解消できないことも多い。また、上記のようなケースでは、指に照射される光が、静脈パターンを撮像するのに十分な量だけあるにも関わらず、それを適切に活用できていないことにより、撮像用の専用光源に対して不必要にエネルギーを供給していることにもなる。

上記課題の解決策として考えられるのは、撮像用のカメラの露出や絞りといった感度の調節も併用することで、白飛びを解消することである。一般的な写真撮影においても、所望の品質の画像を得るためには、写そうとする被写体や周囲の環境条件に応じて、カメラの露出や絞り等の感度を調節したり、ライトなどの照明の明るさを適宜変化させたりすることが行われている。基本的には、これを自動で行えばよい。カメラの中には、標準で、自動ゲイン制御(AGC:Auto Gain Control)と呼ばれる機構を備えているものも多い。AGCは、CCD(Charge−Coupled Devices)等のカメラ撮像素子の出力を、所定の電圧の範囲となるように増幅する機能である。具体的には、増幅器の倍率を自動調整し、撮像素子の出力が全体として低いときには、増幅率を上げ、逆に高いときには増幅率を下げることによって、撮像対象の明るさに応じた最適な画質を自動で得ることを可能にしている。

しかしながら、上記AGCを単に静脈撮影用のカメラに適用しただけでは、鮮明な静脈パターンを得ることはできない。静脈パターンは、適切な量の光を透過させることによって初めて得られるため、静脈パターン撮像用の光が十分に供給されていることをよく確かめた上で感度の調節を行うのでなければ、適切な撮像は不可能である。逆に、光量調節を一切行わずに固定とした場合、強い外光があっても無関係に光源から光が追加され続けるので、撮像領域の白飛びをさらに悪化させ、感度調節で解消できる範囲を逸脱させることにもなる。撮像するために照らす専用光源の光量調節とカメラの感度調節とを状況に応じてそれぞれ適切に制御し、撮像したい生体部位が常に一定の画質となるように調整する必要がある。そして、このような連携がなければ、それぞれが適切な画質に調整しようとして、互いに干渉しあい、結局適切な画質に収束しないことにもなる。また、一般的なAGCでは、撮像画像が全体として最適になるような画質調整が行われるため、撮影画像中の指の部分が必ずしも最適画質となるとは限らない。例えば、外光の当たり方によって指の内側と背景部分とで明るさに大きな差ができた場合や、撮像用光源の光の直射を受けた指の一部だけが局所的に明るいような場合には、その明るさに強く影響されて、ゲインが過剰に低く設定されるため、本来最適な画質が得られるべき指の部分が暗すぎる状態で映されてしまう。最適画質かどうかを判定する画像範囲を限定する方法も考えられるが、認証時には、指は置かれたり、離されたりするとともに、静止して置かれた場合にも、常に特定の同じ位置に置かれるとは限らないため、撮像される画像の明るさも、上記指の各状態に応じて千差万別である。

また、光量調節とAGC等の感度調節とが非同期に作動する状況下では、静脈パターンを得るために十分な強度を持った外光が指に当たっていても、それを十分に活用することができない。例えば、撮影用光源の光量が高いときにAGCが作動して最適画質に調整された場合、本来もっとゲインを上げていれば光量を下げることができた可能性がある。これは無駄なエネルギー消費であり、特にバッテリー等によるエネルギー供給の場合、バッテリーの持続時間を短くするほか、地球環境保全の見地からも問題がある。

本発明の目的は、通常の屋内環境から、著しく強い外光の存在する屋外環境に至るまで、かかる外部環境の違いがあっても、それに影響されることなく、常に最適な静脈パターンの品質が得られる撮像方式を提供することにある。また、外光を静脈パターン撮像用の光源のひとつとして積極的に活用し、省エネルギー性能を高めることにある。

上記の目的を達成するため、本願で開示する発明の代表例を概説すれば以下の通りである。
指を通過する光を照射する光源と、上記指を透過した光を撮像する撮像部と、上記指が所定位置に存在することを検知する指検知手段と、上記撮像部によって撮影された画像の中から上記指の占める領域を抽出する指領域抽出手段と、上記抽出された領域内部の特定部位の画質により上記撮像部における撮像素子の増幅率を変化させる利得変化手段とを有することを特徴とする個人認証装置。
より詳しくは、上記利得変化手段における特定部位を、上記光源の出力状態に応じて選択する手段、上記利得変化手段における増幅率の変化を、上記光源の光量変化と組み合わせて行う手段を設ける等の構成を開示する。

本発明によれば、認証装置の周囲の外光に関わらず、撮像用の光源の光量制御と撮像部の感度制御とを状況に応じて適応的に組み合わせることによって、撮像画像中の指部分が最適画質に調整されるので、撮像される静脈パターンが鮮明になり、また、認証の精度を向上させることができる。また、外光を撮像用の光源のひとつとして利用するので、認証にかかるエネルギー消費量を低減することができる。

以下、本発明の1実施例を詳細に説明する。
図1は、本発明を実現する認証装置100の概略図である。本体には、上面に、指102を置く場所を直感的に理解しやすい形で提示するガイド溝108があり、その左右に光源部104が配置されている。このガイド溝は指下半面分が隠れる程度の低い遮光壁として機能も持ち、低位置から指に差し込む外光については、それを物理的に遮ることができる。撮像したい静脈パターンは、指の下半面に存在し、左右の光源から照射された光が、指内部で散乱して指下面から出てくるときに、静脈の有無による光の吸収量の違いで明暗のコントラストによる紋様が形作られる。このとき、指の下半面に向けて直接強い外光が入り込んだ場合、指を透過した光源からの光が、その外光によって打ち消され、静脈パターンが不鮮明になる。遮光壁は、この不必要な外光の流入を抑制する。それと同時に、上方は完全に開放されているため、指を所定位置に置くことが容易で、かつ外光を積極的に指の上半面に導くことが可能になっている。指の上半面への光の入射はすべて、指下半面の静脈パターン撮像のための光源として利用可能であるからである。このように、外光の中に認証装置をそのまま曝すのではなく、有効な光は利用しやすい形に導き、不要な光は遮ることができる装置構造とすることで、積極的に外光を利用して省エネルギー性を高める特徴もある。

光源114は装置内部にあり、上面がカバーされ、光源開口部106を通して、ガイド溝108上に置かれた指に向けて照射される。光源部上面のカバーは、所望の照射方向外に拡散した光が、認証指以外の指や掌に反射して、外乱光として撮像に影響を与えるのを抑える役割も果たす。ガイド溝108に合わせて指を置くと、指先にあたる部分にボタンスイッチ118があり、認証自体、もしくは認証と一緒に何らかの制御を行うためのタイミングを、ユーザが主体的に指示するために使用できる。このスイッチはタッチセンサー等であって、指がガイド部にのせられたことを検知して認証の中の所定処理開始を制御するものであっても良いし、逆に、一度検知した指に対して所定時間内に何度も認証処理を行うことで本人拒否を抑制する方式を採用するのであれば、スイッチを設けなくても構わない。また、指の第1、第2関節前後の部分に撮影開口部110が位置し、下に位置するカメラ(撮影部)112から指が撮影できるようになっている。一般に、指の腹側の静脈パターンは、指先側は細く不鮮明であることが多いため、上記部位を用いて認証を行ったほうが安定した認証結果が得られやすい。カメラ(撮影部)112には、近赤外領域の波長だけを通すバンドパスフィルタが装着され、可視光領域の光による撮像画像への影響を抑え、静脈パターンを鮮明に撮影する。光源114の波長は、人工的に作るものであるから静脈撮像に必要な成分しか含まないように選ぶことができる。一方で、外光を光源とする認証を行う場合にも、バンドパスフィルタにより幅広い波長域を持つ外光の中から、静脈撮像に有効な波長域の光だけを選択的に導き、114の波長特性に近づけることができる。これにより、114使用時との照明条件の差を縮めることができ、所定変動範囲内の安定した画質を常に維持しやすくする。光源114の光がカメラ112に漏れ出すのを防止するため、遮光隔壁116を設けている。撮影開口部110は、光源開口部106とともに、透明なガラスやアクリル板で覆われ、指を透過した光源からの光は通しつつ、認証装置内部に異物が入り込むのを防止する。上記ガラスやアクリル板の替わりに、近赤外域の光のみ通す光学フィルタの板を用いることで、装置保護と可視光除去の二つの機能を一枚の板にまとめることもできる。さらには、筐体を光源開口部や撮影開口部も含め、光学フィルタ素材で一体的に作っても構わない。カメラ112に近接する形でフォトダイオード/フォトトランジスタ等の近赤外域に高い感度を持つ光センサ120を設置し、カメラに差し込む物理的な光の強度を測定する。後述するように、この光センサでの測定結果に基づいて、外光の強さが変化しても常にカメラが所定の範囲の画質を維持できるように感度を調整する。補助光源122は、非接触で指が近づいたことを検知するために用いられ、開口部110に向けて光を照射するように配置する。

図2は、本発明を実現するシステム構成の概略ブロック図の一例である。光源114からの光が照射される位置に指102を挿入して、カメラ112で静脈パターンの画像信号を取得する。カメラ112の画像信号は、画像入力器200によってデジタルデータに変換され、コンピュータ202の入出力インタフェース204を介してメモリ208に格納される。スイッチ118も同様に入出力インタフェースを介して接続され、オン/オフの状態がCPU206に対して通知される。CPU206は、光センサ120や補助光源122などを制御しながら、カメラからの画像を定期的に処理して指を検知する。検知後は指部分の画質が最適となるように、カメラ112の感度や最適な光源114の光量を決めて、光量制御部216や感度制御部218の制御を行う。そして、最適画質が得られた時点で、静脈パターンを抽出、認証処理を実行する。そして、プログラムの処理結果に基づき、結果を表示器210に表示したり、制御対象214に適切な信号を送って扉を開閉したり、イモビライザーを解除してエンジンの始動を行ったりといった各種制御を行う。有料道路のETC(自動料金収受システム)向けなどの車載されたクレジットカード的機能を本人認証によって初めて有効にすることで、車が盗難に遭った場合でも不当な購買による二次被害を防ぐ使い方もできる。これらの他にも、撮像部により撮像された静脈の撮像パターンと登録パターンとの照合結果に応じて様々な処理をさせることも可能である。キーボード212は、例えば、暗証番号などの、認証に関する補助情報を入力するなどに用いることができる。暗証番号等の入力も要求することで更にセキュリティーレベルを上げることができる。又、暗証番号に認証に用いる登録画像を関連付けておけば、認証に用いる登録画像の枚数を減らすことができるために処理速度の向上を図ることができる。その他、必要に応じてICカード222等の外部情報機器をカードのリーダライタ220を経由して接続して登録パターンを耐タンパーなど安全性に優れたカード内に記憶して利用することも、もちろん可能である。特に,ICカードの場合には,上記認証処理の一部もしくは全部をカード内で行うことも可能であり,これによって,登録パターンをカード外部に出すことがなくなるため,個人情報保護の観点からも,より安全性を高めることが可能である。

図3は、上記ハードウェア、特にCPU206によって実行されるソフトウェアフローの一例を示している。処理300では、ハードウェア全体の初期化やプログラム実行に必要となる一時変数に初期値を代入する。初期状態への移行が完了すると、指が挿入されたかどうかをカメラ112からの入力画像をもとに検出を行う(302)。
ここで、ボタンスイッチ等の接触センサを用いずに、画像をもとに検出を行うため、装置に指が所定位置に到達しない段階で早めに検知することができる。これにより、カメラの感度や光量の制御の開始時期を早め、指が所定位置に到達したときには、最適なパラメータが設定された状態で円滑に特徴抽出処理に移行でき、ユーザの体感する認証応答時間を短縮できる。もちろん、認証の開始はボタンスイッチ118への接触によって開始する構成であっても良い。

カメラ画像に基づき、画像処理によって指の検知を行うには、基本的に、指が存在する場合と、存在しない場合での画像的な時間変化を検出するだけで良い。そこで、指検知用の光源である補助光源122を設け、この光の撮像画像の変化によって指の検知を行うことを考える。

特に、補助光源122は指を置くべき所定位置から,その上方にかけての空間に向けて照射するように設定すると、より画像的な変化を際立たせることができる。指が近づいた場合には、その照射された光によって指が明るく照らされ、指がないか、もしくは遠い場合には光が届かないので暗いままで撮影されるためである。さらに、補助光源122を点滅させれば、指がある場合には、122点灯時に撮像画像中に明るく照らされた領域が見つかり、122消灯時に同領域が暗くなるという変化が明確に表れる。指がないか遠い場合には、光源の点滅にかかわらず、暗いままで変化は少ない。これを利用して、指を比較的精度良く検知することが可能である。尚、静脈パターン撮像用の光源114を指検知用に共用することも可能であり、部品コストを低減させることができる。一方で、光源114は指が所定位置に置かれたときに最適に指が照らされるように、光の向きを設定しなくてはならないため、指が所定位置に来るまでは光の照射による画像としての変化が現れ難い。したがって、指が近づく途中では反応しないため、指の検知が遅れ、ユーザにとっての体感的な処理時間が長く感じられることになる。補助光源を別に設けて、指の所定設置位置に至るまでに通過する箇所に向けて照射するようにしておくことで、より早い時点の指検知が可能となる。ここで、指検知用の光源を設定し微小な明暗の差を検出できる感度にカメラが調整された状態では、カメラの撮像範囲が強力な外光に曝されると、指の有無や補助光源の点灯・消灯に関わらず、常に輝度が最大値で飽和した白飛び画像となる恐れがある。こうなると、指の有無による画像変化が生じなくなる。一方で過度にゲインを下げた場合には逆に、指の有無や補助光源の点滅に関わらず、常に輝度が最低値となる黒つぶれ画像となり、結局、指の有無による画像変化は得られない。そこで本実施例においては、外光の照射等の装置の置かれている環境に適切なゲイン値を求める構成も設け、カメラのゲイン制御を行う(306)。

ゲイン値を求める方法として本発明では、カメラに近接して配置した光センサ120を用いる。光センサを介してカメラに差し込む光の物理的な絶対量を求め、その絶対量から、指検知のために最適なゲイン値を計算する。具体的には、フォトダイオードやフォトトランジスタ等の光の強さによって電気特性の変化する素子を用いて回路を作り、その出力電圧の変化をA/D変換器を通してデジタル値に変換してCPUにデータとして取り込む。CPUは、そのデータをもとに、ルックアップテーブル、もしくは所定の関数式に基づいて、設定すべきゲイン値を求め、カメラを設定する。これによって、瞬時に最適ゲイン値を求めることができる。このとき、補助光源122を消灯させているときにのみゲイン設定を行うようにタイミングを制御する。補助光源122が点灯している場合には、補助電源の光が光センサ120に影響を与えて、正しい外光状態が取得できないためである。尚、光センサの出力データとゲイン設定値との関係式を求める場合には、一般のAGC機能とは異なり、画質の優劣ではなく、指の有無によって画像変化が最大となるかどうかを基準にする。指の画像取得を容易にするためである。
画像を判定しながら適切なゲイン値を探索するには、最適値までの収束に幾枚かの画像を検証する必要が生じ、その間に指の出入り等の変化が生じた場合、適切なゲイン値を求めることができない可能性がある。が、上記本願構成によれば設定時間は短くこのような恐れもない。

また、指の検出を行う他の実施例として光センサの出力値をそのまま用いることができる。カメラに差し込む外光が強い場合には、指がなく、光が直射で入ってきた場合と、指がかざされていて、指が傘のように直射を遮る形になっている場合とで、光センサの出力値が大きく変化する。この変化を指検知に利用する。もちろん、このときも、補助光源が消灯されているときのみの出力値の変化を用いることが望ましい。但し、外光が弱いときには、指の有無による光センサへの入射光量の変化が少なく、センサの出力値の変化が、周囲の照明変化等によるものと区別がつきにくいため、画像による指検知の方が適している。

上記のセンサ利用型の指検知方法と、カメラ画像による指検知方法とは互いに組み合わせて利用することも可能である。例えば、強烈な外光下においてカメラの感度が十分に低く調節しきれなかった場合、指の接近を画像で検知することはできないが、センサで変化を感知することで、指の接近を検知することができる。また、それに基づいて改めて感度を下げるように再調整することで、指を的確に撮像できるように修正することもできる。

さらに、上記の例では、撮像素子とは別に光センサを配置したが、CCD等の撮像素子(112)の出力そのものを用いることも可能である。この場合、撮像素子が設定されたゲインに関係なく光強度の絶対値を取得することができる経路を新たに設けることで、この光センサの機能をある程度代用することができる。これによって、新たにセンサを設ける必要がなく、コスト的にも有利になる。さらに、処理時間に余裕がある場合には、認証用の画像取り込みの合間に、ゲインを0、すなわち全く増幅しないときの画像の取り込みも行い、この画像から光センサの出力値に対応する情報を計算する方法も考えられる。この方法であれば、認証用画像の取り込み間隔は長くなってしまうが、新しいハードウェア構成は不要となる。

上記ゲイン制御によって指が正しく検知された場合には(304)、引き続き静脈パターンが最も鮮明に得られるように、光源114の光量制御を行う(308)モードAと、カメラの感度制御を行う(314)モードB、2つのモードを状況に応じて適切に組み合わせた画質制御を行う。具体的には、次の2段階で制御を行う。まずはカメラの感度を十分に高い状態に保ち、モードAによる画質制御を優先的に行う(308)。ここで、光量を0にしてもなお光が多過ぎ、十分な画質が得られなかったときに(310〜312)、はじめてカメラの感度を調節する(314)。このような優先順位付けによって、十分な量の光を指に透過させることで静脈パターンを鮮明に映し出すと同時に、必要以上にカメラの感度を下げることがなくなり、画像にノイズが載りやすくなるのを防げるほか、同じ画質を得るために供給すべき光源の強さを抑えられるので省電力化に貢献する。上記制御によって、最適な画質が得られた場合には、得られた画像を用いて特徴抽出(316)を行い、得られた特徴パターンと予め登録されている特徴パターンとの照合(318)を行う。登録された特徴パターンと一致した場合には(320)、認証成功処理326に進んで、開錠などの対応処理を行う。一致しなかった場合は、308に戻って画質制御から再度繰り返す。更に、指が検知されてからの時間経過を計測し、所定時間内に認証が成功しなかった場合には(322)、認証失敗処理324に進み、警報等の対応処理を行うようにしても良い。これにより、正常に処理が行われていない場合に別途対応することが可能となる。

以下、画質制御の詳細について記述する。ここでは最初に、指検知用に最適化されたカメラのゲインを特徴抽出用に変更する。この時点では、指検知後であるから、指が確実に存在することを前提として良い。よって、補助光源122が点灯しているときに、指が存在していれば補助光源からの光の照射によって強烈な反射光を発しているべき画像中の領域が所定の明るさになり、消灯のときには同じ領域が所定の暗さになるようゲインを調節する。これを調整の初期状態とする。

図1に示したような開放型の指認証装置においては、通常外光下での指の静脈パターンが鮮明に映るような光量調節の方法は、特許文献1(特開2004-265269号公報)に示されている。基本的には、指の左右に配置された光源を、左側の光源が強く右側の光源が弱くなるように設定して取得した画像と、逆に右が強く左が弱い画像の2枚を撮影し、それぞれの画像から左半面と右半面を選び合成する。これによって、それぞれの撮像画像の光源に近い半面が白飛びしていても、もう半面は鮮明に映っているため、両者を用いて生成又は合成された画像としては全体が鮮明なものが得られる。図4は、左側の光源114が点灯し、右側の光源が消灯している例である。指102の左側である領域400中に明るく白飛びした領域が生じているが、右側ほど暗くなり、右半面には白飛びのない状態となっている。但し、指には個人差があるため、同じ光量でも太い指の場合には、光源側ではない半面の明るさが不足したり、細い指の場合に、逆に明る過ぎたり、といった問題が生じる。これを光源の出力を調節することで解消している。
ここで、強い外光が指に照射されている場合、外光が光源と同じ役割を果たし、光源が点灯しているのと同様の状態になる。外光の強さや当たり方によっては、左右の光源のうち一方を完全に消灯させた状態であっても、点灯させた光源の側とは反対の半面まで、明るく白飛びした領域となって、静脈パターンの抽出が困難になる。そこで、本実施例においては光量とカメラの感度とを適応的に組み合わせて調節することで画質の改善を図る。調節にあたっては、撮像画像の画質と設定光量値との間でフィードバック制御を行う必要があるが、撮像画像の全体を画質判定の対象とした場合には、指以外の背景部分の明るさに影響されて、指部分が正しい画質に調整されるとは限らない。そのため、画像中から指の占める領域を抽出し、その領域のみを画質判定の対象とする(310)。そこで、まずカメラ112で撮像した画像の画像処理によって指の輪郭線を抽出する。輪郭抽出については、従来から様々な手法が知られているので、ここでは詳しく言及しない。そして、抽出された輪郭線の内側で、点灯中の光源から遠い側の領域402を画質判定の対象とする。つまり、最も光源の光が届きにくい箇所を選択する。具体的には、指の中心線と輪郭線との間の中線と輪郭線との間付近の領域を選ぶと良い。特に、指先と付け根付近は光源から遠く光が届かない場合もあるので、さらにその付近の領域を除いた領域を利用すると所望の性能が得られやすい。ここで輪郭付近を選択するのは、指の厚さが薄く外光が指を透過する際に失われる量が少ないため、外光が強いと最初に白飛びし、静脈パターンに問題が生じやすい領域であるためである。もし、領域402に白飛びが生じていた場合には、外光が強いということなので、まず点灯中の光源の光量を下げる。そして、カメラの感度を優先的に制御するモード(モードB)に入る。

この処理を具体的に示すフローチャートは図6のようになる。図6は、図3の308〜314をより詳細に解説した例である。まず指の輪郭を抽出し、指の内側の領域を確定する(600)。そして,基本的には,光量調節を優先的に制御するモード(モードA)に遷移し,処理616に進む。但し,指の内部に、一方の光源が消灯しているにも関わらず、消灯している光源側に白飛びが見られる場合や光センサ120の出力値が外光の強いことを示しているなど,明らかに外光の影響が強い場合には,光量を設定しうる最低値として,カメラ感度調整モードに遷移し,処理606の側に進むようにしてもよい。このような短絡経路を用意することによって,画質制御を高速に行うことができる。また,光センサ使用の場合,例えば、光センサの出力値に応じて、外光強弱を示すパラメータを仮定して制御すれば、画質制御の収束がさらに高速化される。

処理616から始まる光量調整モードでは、先述の光量調整の手法に則り、撮像画像が最適になるよう光源出力を調整する。まず、上記で処理310として説明したように,指の領域402の平均輝度が目標範囲内であるかチェックし(616)、目標より低ければ(618)、光量を下げる(620)。目標より高ければ、さらに光量を下げられるかチェックし(622)、下げられるようならば下げる(624)。光源の光量を最低出力としてもなお白飛びが見られる、より具体的には、指の輪郭線付近に集中的に飽和輝度の画素が見られる場合には、感度調整モードに遷移して、次にさらにカメラの感度を下げる(610)。

カメラ感度調整モードでは、光量調整モードと同様に処理310で説明した方法で,点灯している光源と反対側の指領域(402)の平均輝度が目標範囲内であるかチェックし(606)、目標より高ければ(608)、カメラの感度を下げる(610)。目標より低ければ、さらに感度を上げられるかチェックし(612)、上げられるようならば上げる(614)。カメラの感度を設定しうる最高値に設定してなお目標値に達しないならば、感度調整では撮像に限界があるので、光源の光量を上げて(620)、光量調整モードに遷移する。

ここで,上記フローでは,カメラの感度調節範囲に上限を設け,上限を超える場合,光量調節に遷移するようにしている。これは画質を確保するための工夫である。カメラの感度を高めることで,光源を強くするのと同程度の平均輝度に調整することは可能である。しかし,同じ平均輝度で,光源を強くした場合と,カメラの感度を高めた場合とを比較した場合,光源を強くした場合のほうが高い画質が得られることが多い。少ない光を増幅して撮影するよりも,十分な光を適度に使って撮影したほうが,明らかに撮像画像に生ずるノイズが少ないからである。これが,上記フローの処理600から,光量制御モードの処理616に優先的に進むようにしている一つの理由でもある。

更に、そもそも感度が指検知後の初期状態設定の際などに非常に低く設定されてしまい、光量を最大にしても光量が足りない場合がありうる。この場合には620から612へ移行するステップをさらに設けて、対応することもできる。又,同様に上記感度調整範囲に上限を設けたことによって,光量を最大にしてもまだ目標範囲に到達しないケースもありうる。その場合にも,光量調節モードにおいて,光量を最大にしても目標に達していないことを判定した上で,カメラの感度調節範囲の上限を,カメラとして機構的に設定しうる上限,もしくは高感度撮影に伴うノイズによる画質の劣化が認証精度に悪影響を及ぼさない上限,まで一時的に引き上げた上で,感度調節モードに遷移する経路を新たに設けても良い。これによって,光を通しにくい指などの個人差も含めて,さらに画質の調整範囲を広げることが可能である。以上を繰り返し、指の明るさが目標範囲内となった時点で、画質制御を終了する(626)。

上記フローによって,指に必要十分な光量が供給されるならば,外光を撮像用の光源として優先的に用いることになり、光源のエネルギー消費を低減することが可能になる。カメラの感度を調節する方法としては、撮像素子の出力の増幅率、すなわちゲインを調節するほかに、撮像素子の露光時間を調節する方法もある。レンズを制御できる場合には、光学的に絞りを調節してもよい。

以上の説明では、図4で左側の光源が点灯している場合を想定したが、逆に左側の光源が消灯し、右側が点灯している場合には、領域400を画質判定の対象として上記と同様の処理を行う。これによって、外光の強度によらずに、常に最適な画質で指を撮像することができ、鮮明な静脈パターンが得られる。尚、カメラの感度が十分に高く、外光が必要十分な量だけ存在する場合には、光源114を一切用いずにカメラの感度調整だけで静脈パターンを取得することも可能である。したがって、外光が常時照射される環境下での使用が想定される場合においては、光源114を装置に最初から組み込まない構成も可能である。例えば、認証装置に常時強いスポットライトが当てられているような環境では、このような使い方も可能である。

カメラ部への外光の差し込みが強い場合には、図1に示した装置の内部構成では、外光が内部機構部品で反射して、特徴抽出に問題を生じさせる恐れがある。例えば、開口部110から差し込んだ外光において、カメラのレンズ鏡筒の先端で反射して指に戻る光と、カメラ底部で反射して指に戻った光とでは、機構部品の表面反射率や光路長が異なるため、明暗の差が生じ、指に光の紋様を映し出す。この紋様が静脈パターンと類似しているため、抽出されたパターンに含まれ、通常外光下で登録された静脈パターンと異なってしまい、認証に失敗することがある。図5は、装置100の内部において、開口部110とカメラとの間に隔壁500を設けた例である。隔壁500は、該隔壁で囲まれる空間内から開口部110とカメラの開口以外の内部機構部品を排除する。この段差や突起のない滑らかな面形状によって外光反射による紋様の発生を防ぐことができる。本実施例においては、カメラの開口(レンズ)は、隔壁にあけられた指の必要部分を撮影するに十分なだけの大きさの穴502に段差なく密着される。更に隔壁内部は、近赤外線を吸収する素材もしくは塗料で覆うことで、反射自体を抑制する。また、レンズの鏡筒内には、集光性能を高めるため等の理由で、年輪状の段差が設けられることがあるが、この段差も明暗の紋様を生む原因となるため、設けないことが望ましい。さらには、レンズ内にも赤外線の吸光特性の高い素材や塗料によるコーティングを施すと、さらに良い。

また、太陽光のエネルギー強度は非常に大きいため、カメラの受容できる光エネルギーの範囲を超えてしまい、感度調整すらできないことがある。図7は、地表面における太陽光のエネルギー強度を波長別に凡そ表したグラフであるが、様々な波長に渡ってエネルギーが分散しているのがわかる。静脈撮像のために必要な波長範囲は、700nmから1000nmの間に限定される。これは生体組織がこの波長域の光のみよく通し、血液中のヘモグロビンがこの波長域の光をよく吸収するため、血管部分と他の生体組織の差が明瞭に映し出され、それが静脈パターンを形成するためである。よって、その波長の範囲だけを通すバンドパスフィルタをカメラに装着することによって、カメラに入射するエネルギー総量を減らすことができる。帯域を制限しても、必要な波長域のエネルギー量は変わらないので、画質が劣化することはない。帯域を絞るほど、エネルギー総量を減らすこととなるが、外光がなく、あまりに暗い環境でも認証が行える必要があり、そのときには光源を点灯させて撮像する必要があるので、その際に光源の有効波長域、特にエネルギー強度が高い波長域をカットしてしまわないようにフィルタの帯域を設定することが望ましい。これによって、強い太陽光の下でも、暗い夜であっても、オールラウンドに感度調整が可能になる。

図8は、強い外光の影響を抑制するための、別のフィルタの例である。このフィルタには、箱の中に格子状に仕切り板が設けられたような形状をしている。図では非常に大きく高い格子になっているが、肉眼では区別できないような微小の格子が多数並んでいる形態とすることで、撮像画像に格子状の線がそのままの形で写り込んでしまうのを防ぐこができる。この格子状の板の存在によって、フィルタに対して鉛直方向の光だけを通し、それ以外の斜め方向からの光をカットすることができる。このフィルタをカメラと指の間に装着することで、指から出た静脈パターンを撮像するための光のみを通し、斜めからの光や装置内で反射した光などの外光をカメラまで到達させないようにすることができる。尚、本フィルタとしては、携帯電話の画面を横から見られないようにするために用いられているようなのフィルムと原理的に同じのものが使え、入手も容易である。

図9は、本装置100を自動車のインパネ902に取り付けた例である。エンジンのスタートボタン900と静脈認証の開始ボタン118とが共用され、エンジンスタートを指示する操作で、そのまま本人認証ができ、認証が成功すれば、イモビライザーが解除され、エンジンが始動する。認証が成功しなければ、エンジンはかからない。エンジンスタートの自然な操作の中で認証ができるので、ユーザにとって負担も少ない。また、カーナビゲーションシステム904と連携して、通信ネットワークによってサービスを受けたり、商品を購買したりといったモバイルコマースを行う際に、決済をより安全確実に行う本人認証手段として本装置を利用することも可能である。例えば、従来の暗証番号入力の替わりに、本装置に指をかざす形で認証を行う。また、カーナビの画面を用いて、本装置の認証方法のガイダンスを表示するといった連携の仕方も可能である。

図10は、本装置100を自動車のドアハンドル1000に取り付けた例である。ドアを開ける際に、本装置による静脈認証を行うことでドアの開錠を行う。認証開始ボタン118は、ドアの施錠ボタンとも共用されており、施錠の際は118を押すことでドアの施錠を行う。施錠の場合、セキュリティ上、特に本人認証を行う必要がないので、ボタン118を押すだけで、認証に成功しなくても施錠できるようにしてもよい。逆に、正しく認証できる形で118を押し、本人確認ができた場合には、最新の登録データの一つとして、通常の登録データと合わせて記憶するようにしてもよく、次に開錠する際に参照する登録データとして扱えるようにすることもできる。これにより、車の置かれた環境や、本人の健康状態の極端な変化や怪我、指の置き方の変化、などがあって、登録時とは得られる特徴が食い違いやすい不安定な環境となっても、最新のデータも合わせて参照できるので、本人認証の安定性を高めることができる。また、認証装置にはカバー1002を装着することもでき、屋外に置かれ、風雨に晒されやすい環境下にあっても、汚れや埃などで装置が傷んで認証が不安定になるのを抑制することができる。

尚、上記では、外光を最も取り込みやすい形態をとる開放型の指静脈認証装置を例に説明したが、外光に応じて、撮像用光源の制御と撮像系の感度制御とを統合制御することによって、撮像画質の安定化と光源のエネルギー消費の低減を実現する上記手法は、他の形態の指静脈認証装置や、光によって生体を撮像して個人認証を行う他の生体認証方式にも適用可能であることは言うまでもない。

本発明を実現する装置形態の一例である。 本発明を実現する装置システム構成の一例である。 本発明を実現するソフトウェアフローの一例である。 指の画質判定を行うための最適部位を示した一例である。 装置内部の反射を抑制する構造体の一例である。 図3のフローの一部をさらに詳細に示したフローチャートの一例である。 太陽光の波長別相対エネルギー強度を示したグラフである。 斜め方向からの外光の侵入を抑制するフィルタの一例である。 本発明の認証装置を自動車のインパネに装着した一例である。 本発明の認証装置を自動車のドアハンドルに装着した一例である。

符号の説明

100…認証装置筐体、102…指、104…認証装置光源部、106…光源開口部、108…ガイド溝、110…撮影開口部、112…カメラ、114…近赤外光源、116…遮光板、118…ボタンスイッチ、120…光センサ、122…補助光源、200…画像入力器、202…コンピュータ、204…入出力インタフェース、206…中央演算装置
、208…メモリ、210…表示器、212…キーボード、214…制御対象、216…光量制御部、218…感度制御部、220…カードリーダライタ,222…カード,400…画質判定最適部位1、402…画質判定最適部位2、500…遮光隔壁、502…レンズ穴。

Claims (9)

  1. 指に対して光を照射できる光源と、
    外光のみ、もしくは当該外光及び上記光源による光の照射によって、上記指を透過した光を撮像するべく、上記透過した光を上記撮像部内へ入射させるための開口を有する撮像部と、
    上記光源と上記撮像部とを内部に有する筐体と、
    上記光源の光量を変化させる光量制御部と、
    上記筐体の表面上に形成される開口部と、
    上記筐体内に、上記撮像部の開口と上記開口部以外の内部構成部品を排した空間を形成する隔壁と、
    を備え、
    当該隔壁は、上記空間内部に向けて上記撮像部の開口を露出させる穴を有することを特徴とする個人認証装置
  2. 上記個人認証装置は、撮像部における撮像素子の増幅率を変化させる感度制御部と、
    上記光量制御部及び上記感度制御部を制御可能な演算部と、
    を備えることを特徴とする請求項1に記載の個人認証装置。
  3. 上記演算部は、上記撮像部で撮像された画像から血管パターンを抽出して個人認証が可能であることを特徴とする請求項2に記載の個人認証装置
  4. 上記演算部は、上記撮像部による撮像画像の時間変化から上記指の存在を検知することを特徴とする請求項2に記載の個人認証装置。
  5. 車の一部にとりつけられ、上記個人認証が成功すると該車の制御が可能となることを特徴とする請求項1に記載の個人認証装置。
  6. 上記個人認証に用いない指部位に対して上記外光を導き、上記個人認証に用いる指部位には上記外光の流入を防ぐ遮光壁を有することを特徴とする請求項1に記載の個人認証装置。
  7. 指に対して光を照射できる光源と、
    上記照射された指を透過した光を撮像するべく、上記透過した光を上記撮像部内へ入射させるための開口を有する撮像部と、
    上記筐体の表面上に形成される開口部と、
    を備え、
    上記撮像部の開口と上記開口部以外の内部構成部品を排した空間を形成する隔壁と、
    を備え、
    当該隔壁は、上記空間内部に向けて上記撮像部の開口を露出させる穴を有することを特徴とする個人認証装置。
  8. 前記隔壁の内部が、光を吸収する素材あるいは塗料で覆われていることを特徴とする請求項1または7の何れかに記載の個人認証装置。
  9. 前記撮像部の開口が、赤外線の吸収特性の高い素材あるいは塗料で覆われていることを特徴とする請求項1または7の何れかに記載の個人認証装置。
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