JP4776385B2 - 指紋画像生成装置 - Google Patents
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Description
一度ある基準に基づいて隆線領域と谷線領域に二値化することにより、隆線幅を正確に算出することができる。
幅の広い汗腺孔の存在する可能性が高い、幅の広い隆線を含む多値指紋画像に対して隆線領域と判定し易い二値化閾値を設定することにより、隆線領域上に存在する幅の広い汗腺孔領域についても、誤って谷線領域とすることなく、二値指紋画像を作成することができる。
図2は、本発明を適用した第1の実施形態である指紋画像生成装置1の機能ブロック図である。図2に示すように、指紋画像生成装置1は、画像入出力部10及び画像生成部11を有する。そして、指紋画像生成装置1は、画像入出力部10から多値指紋画像Mを受け取る。そして、受け取った指紋画像は画像生成部11に送られる。画像生成部11は、受け取った多値指紋画像Mに基づいて二値指紋画像Bを生成する。そして生成された二値指紋画像Bは、画像入出力部10を通じて、外部の機器又は磁気ディスクなどの記録媒体に出力される。
なお本実施形態では、一例として、多値指紋画像は横200画素×縦240画素の大きさを有する。そして多値指紋画像の各画素は0−255の256階調で表され、指紋の隆線領域は画素値が低く、指紋の谷線領域は画素値が高く表現されるものとする。ここでいう画素値とは、画像上の各画素における輝度値に相当し、画素値が低い画素は低輝度、画素値が高い画素は高輝度で表される。
図3(b)に示すように、谷線領域300は、相対的に高い画素値を有する。一方、隆線領域310は、相対的に低い画素値を有する。また汗腺孔領域320は、隆線領域310内に含まれ、隆線領域310の他の部分と比較して高い画素値を有する。そのため、例えば、二値化閾値を指紋画像全体の平均画素値とすると、汗腺孔領域320は、二値化閾値よりも高い画素値を有する場合がある。そのため、この二値化閾値を用いて谷線領域と隆線領域に二値化すると、汗腺孔領域320を誤って谷線領域としてしまう可能性がある。一方、二値化閾値を不用意に高い画素値に設定すると、今度は谷線領域300の一部を隆線領域としてしまう問題が生じる。
そこで指紋画像生成装置1は、多値指紋画像の隆線領域の幅を算出し、その幅が所定の閾値よりも広い場合、再二値化を行う。再二値化を行う際には、上記の隆線候補領域に対する再二値化閾値を上記の二値化閾値よりもさらに高い値に設定する。そして指紋画像生成装置1は、再二値化閾値を用いて再度元の多値指紋画像に対して二値化を行う。最後に指紋画像生成装置1は、二値化の際、隆線領域に区分されず、谷線領域に区分された微小な汗腺孔領域を隆線領域に区分し直すために、多数決フィルタ処理を行って二値指紋画像において周囲を隆線領域で囲まれた谷線領域を示す画素を隆線領域を示す画素に変更する。
このように、指紋画像生成装置1は、隆線領域の幅が広い場合には、隆線候補領域内の画素に対する二値化閾値をさらに高めて二値化することにより、汗腺孔領域の幅が広い場合でも、汗腺孔領域を隆線領域に区分するように二値化することができる。
画像入出力部10は、指紋画像生成装置1と外部機器とを接続するインターフェースであり、イーサネット(登録商標)、USB、SCSI、RS−232Cなどの規格に準拠した通信ポート、電子回路及びドライバソフトウェアなどで構成される。そして画像入出力部10は、外部機器より送られてきた多値指紋画像Mをデジタルデータとして取得し、画像生成部11に渡す。また、画像生成部11で生成された二値指紋画像Bを外部機器又は磁気記録媒体などに出力する。
以下それぞれの手段について説明する。
図4を用いて、局所領域LAが隆線候補領域に相当するか否かの判定の原理を説明する。図4(a)は、隆線の幅が標準的な場合の多値指紋画像Mにおいて、汗腺孔領域320の画素を着目画素Cとして局所領域LAを設定した場合の様子を示す。また図4(b)は、図4(a)のC−C’における局所領域LAの画素値プロファイルの概略を示す。さらに図4(c)は、多値指紋画像Mの谷線領域の画素を着目画素Cとして局所領域LAを設定した場合の様子を示す。図4(d)は、図4(c)のD−D’における局所領域LAの画素値プロファイルの概略を示す。図4(b)及び図4(d)のグラフの横軸は位置座標を表し、縦軸は画素値を表す。
一方、差分値IDが負の場合、すなわち局所領域LA内の平均画素値ILの方が、指紋領域全体の平均画素値IAより高い場合、図4(c)に示すように、局所領域LAは谷線領域300に設定されている可能性が高いと考えられる。そのため、隆線候補領域判定手段14は、局所領域LAを隆線候補領域ではない(谷線候補領域)と判定する。
まず、隆線候補領域判定手段14が局所領域LAが隆線候補領域であると判定した場合、閾値設定手段15は、以下のように二値化閾値ThdBINを設定する。
ThdBIN = IA+ID (1)
(1)式より、差分値IDが正の場合、すなわち、指紋全体領域の平均画素値IAよりも局所領域LAの平均画素値ILの方が低い場合は、図4(b)に示すように、汗腺孔領域320に含まれる画素の画素値よりも高くなるように、二値化閾値ThdBINは指紋全体領域の平均画素値IAよりも高めに設定される。特に、IDが大きいほど、すなわち、局所領域LAの平均画素値ILが低いほど、局所領域LAは隆線領域310に相当する可能性が高いので、二値化閾値ThdBINもより高い値に設定される。
また、閾値設定手段15は、差分値IDが負の場合、すなわち、指紋全体領域の平均画素値IAよりも局所領域LAの平均画素値ILの方が高い場合にも、(1)式にしたがって二値化閾値ThdBINを設定してもよい。この場合ID<0であるため、二値化閾値ThdBINは平均画素値IAよりも低く設定される。したがって、ノイズなどによって着目画素Cの値が理想的な場合よりも低い画素値を有する場合であっても、正しく谷線領域300に区分することができる。
IC≧ThdBINの場合、BC=255
IC<ThdBINの場合、BC=0
ここで、二値指紋画像Bにおいては、画素値‘255’を谷線画素値とし、‘0’を隆線画素値とする。つまり、BCの値が‘255’であることは、その画素が谷線画素であることを示す。一方、BCの値が‘0’であることは、その画素が隆線画素であることを示す。
なお、BCの値は、‘0’と‘255’の組み合わせに限られず、二値指紋画像Bを表現するデータ形式で扱うことが可能な任意の二つの異なる値、例えば‘0’と‘1’を使用することができる。
隆線幅取得手段16は、係る判定を行うために、二値指紋画像Bを複数の分割領域Di(i=1,2,...,n)に分割し、各分割領域Di毎に平均隆線幅Wiを算出する。そして隆線幅取得手段16は、それら各分割領域Di毎に算出した平均隆線幅Wiをさらに平均して隆線幅Wを算出する。なお各分割領域Diは、複数の隆線を含むように局所領域LAよりも大きい領域を有する。また、各分割領域Diは、その領域に含まれる隆線が略平行な直線となる程度の大きさとする。本実施形態では、各分割領域Diを32×32画素の大きさに設定した。
図6(a)は、分割領域を垂直方向に走査して平均隆線幅Wvを算出する場合の様子を示し、図6(b)は、分割領域を水平方向に走査して平均隆線幅Whを算出する場合の様子を示す。
図6(a)及び図6(b)において、610は隆線領域(すなわち画素値‘0’)である。隆線幅取得手段16は、最初に隆線画素連続合計数Nsum及び隆線合計数Nrを0に初期化する。そして隆線幅取得手段16は、図6(a)の矢印に示すように、分割領域Diの上端から下端までの走査を1回の走査として、分割領域Diを画像左端から画像右端まで順に走査する。隆線幅取得手段16は、各回の走査において、画素値‘0’の画素を連続して検出すると、その連続する画素値‘0’の画素数を隆線画素連続合計数Nsumに加算する。また、画素値‘0’の連続が終了したときに隆線合計数Nrを1インクリメントする。走査が終了すると、隆線幅取得手段16は、隆線画素連続合計数Nsum及び隆線合計数Nrから、分割領域Diにおける垂直方向の平均隆線幅Wv(=Nsum/Nr)を算出する。
最後に隆線幅取得手段16は、各分割領域Diの平均隆線幅Wiをさらに平均して二値指紋画像Bの隆線幅W(=ΣWi/n)を算出し、閾値ThdWと比較する。隆線幅Wが閾値ThdW未満であれば、隆線幅取得手段16は、再二値化は必要なしと判断する。一方、隆線幅Wが閾値ThdW以上であれば、隆線幅取得手段16は、再二値化が必要と判断する。なお、閾値ThdWは、幅の広い汗腺孔の存在する隆線の幅が二値指紋画像B上でどれだけの幅を有するかに基づいて経験的に決定される。本実施形態では、閾値ThdWを6とした。
図5を用いてこの様子を説明する。図5(a)は、隆線の幅が太い場合の多値指紋画像Mにおいて、汗腺孔領域の画素を着目画素Cとして局所領域LAを設定した場合の様子を示し、図5(b)は、図5(a)のE−E’における局所領域LAの画素値プロファイルの概略を示す。図5(b)のグラフの横軸は位置座標を表し、縦軸は画素値を表す。なお図3、図4と同様に、図5(a)において、300は谷線領域、310は隆線領域、330は幅の広い汗腺孔領域を示す。
ThdBIN = IA+t×ID (2)
ここでIAは多値指紋画像Mの指紋領域全体の平均画素値であり、IDは平均画素値IAとその局所領域LAの平均画素値ILとの差(ID=IA−IL)であり、tは1よりも大きい定数である。なお、局所領域LAが隆線候補領域であると判断された場合とは、二値化閾値ThdBINを設定する場合と同様、ID>0の場合である。
(2)式より、図5(b)に示すように、(1)式により算出された二値化閾値ThdBINでは、幅の広い汗腺孔領域330に含まれる画素の画素値を上回ることができない場合でも、IAに加算する値をさらに高めた再二値化閾値ThdBINRであれば、その画素値よりも高くなるように設定することができる。そのため、幅の広い汗腺孔領域330についても、正しく隆線領域に区分することが可能となる。
なお、(2)式における定数tは、t>2であることが好ましい。幅の広い汗腺孔領域330が局所領域中に含まれると、相対的に局所領域中の平均画素値ILの値が高くなって指紋領域全体の平均画素値IAとの差IDが小さくなり、tの値が小さいと再二値化閾値ThdBINRを十分に高く設定することができないためである。またtの上限については特に制限はないが、再二値化閾値ThdBINRが多値指紋画像Mにおける指紋領域内の最大画素値を超える場合、全ての画素が再二値化閾値ThdBINRよりも低い画素値を有することになるため、実質上隆線候補領域=隆線領域とすることになる。本実施形態では、t=5とした。
さらに、(2)式の定数tは、隆線領域の幅が広くなるにつれて高い値となるように、隆線の幅Wの関数としてもよい。
再二値化閾値ThdBINRが算出されると、二値化手段18は二値化閾値ThdBINの代わりに再二値化閾値ThdBINRを用いて、着目画素Cに相当する二値指紋画像B中の対応画素の画素値BCを決定する。そして再度二値指紋画像Bを生成する。
上記に説明したように、図5に示す如く隆線が太いことに起因して汗腺孔領域330の画素値が高く、二値化閾値ThdBINによる二値化では汗腺孔領域330を隆線領域に区分できない場合であっても、再二値化処理によって汗腺孔領域330を隆線領域310に正しく区分することができ、且つ谷線領域を誤って隆線領域310に区分することを防止できる。
具体的には、穴埋め手段19は、二値指紋画像B内の任意の谷線画素(すなわち、画素値=255の画素)を着目画素C’とする。そして、着目画素C’を中心とする8近傍のうち、n画素以上が隆線画素(すなわち、画素値=0の画素)である場合、着目画素C’の画素値を隆線画素値に修正する。なお、本実施形態においては、一例としてn=5とした。これは、2〜3画素程度の集団で孤立した谷線画素も隆線画素に修正できるようにするためである。しかし、nの値として5よりも大きい他の値も使用することができる。
なお、穴埋め手段19は、多数決フィルタ処理を行う代わりに、モルフォロジー演算のクロージング演算をおこなってもよい。
また、隆線候補領域判定手段14が、局所領域LAが隆線候補領域か否かを判定する手順は上記に限られない。例えば、隆線候補領域判定手段14は、指紋画像の全体領域の平均画素値IAと局所領域LAの平均画素値ILの比IR(=IA/IL)を判定基準として用いてもよい。この場合、隆線候補領域判定手段14は、IR>1であれば局所領域LAを隆線候補領域と判定する。一方、IR≦1であれば、隆線候補領域判定手段14は、局所領域LAを隆線候補領域ではないと判定する。
また、二値化閾値ThdBINは、上記のものに限られない。例えば、二値化閾値ThdBINは、IDが正の場合、予め定めた所定値CA(ただしCA>0)をIAに加えるようにしてもよい。
さらに、上記では、着目画素C毎に局所領域LAを設定し、隆線候補領域か否か判定した上で二値化閾値ThdBINを算出していたが、一度局所領域LAを設定し、二値化閾値ThdBINを算出すると、局所領域LA内の複数の画素に対してその二値化閾値ThdBINを用いるようにしてもよい。このようにすることで、平均画素値ILの算出回数を減らせるため、二値化指紋画像Bの生成に要する時間を短縮することができる。
図7〜図10は、指紋画像生成装置1の二値指紋画像Bの生成についての動作フローチャートである。そして、指紋画像生成装置1は、画像生成部11内のCPUがプログラムにしたがって制御することにより、以下に説明する動作を実行する。
次に、図9に示すように、画像生成部11の隆線幅取得手段16は、一旦生成された二値指紋画像Bに基づいて隆線の幅Wを算出する(ステップS114)。隆線の幅Wが算出されると、隆線幅取得手段16は、隆線の幅Wと所定の閾値ThdWを比較する(ステップS115)。隆線幅Wが閾値ThdW未満であれば、隆線幅取得手段16は、再二値化は必要なしと判断し、生成された二値指紋画像Bを最終的な出力画像とする。そして画像生成部11は、画像入出力部10を通じて、二値指紋画像Bを出力する(ステップS116)。その後指紋画像生成装置1は処理を終了する。
この場合、画像生成部11は、ステップS103〜S113と同様の処理であるステップS117〜S127を実行し、二値化閾値を変えて二値化をやり直す。すなわち、画像生成部11の局所領域設定手段13は、多値指紋画像Mから着目画素Cを設定し(ステップS117)、着目画素Cを中心として局所領域LAを設定する(ステップS118)。次に、局所領域LA内の平均画素値ILを算出する(ステップS119)。そして指紋画像全体の平均画素値IAと、局所領域LA内の平均画素値ILとの差分値ID(=IA−IL)を算出する(ステップS120)。
さらに、隆線の幅Wが広い場合には、隆線候補領域に対してのみ、より高い再二値化閾値ThdBINRを適用して再度二値化を行うことで、幅の広い汗腺孔領域が存在する場合にも、谷線領域を誤って隆線領域に区分することなく、汗腺孔領域を正しく隆線領域に区分することができる。
図11は、本発明を適用した第2の実施形態である指紋認証装置2の機能ブロック図である。図11に示すように、指紋認証装置2は、操作・表示部21、指紋入力部22、記憶部23、処理部24及び出力部32を有する。そして、指紋認証装置2は、操作・表示部21において指紋認証を行う操作者に対する操作ガイダンス及び情報の表示を行い、そのガイダンスにしたがって指紋入力部22に置かれた指から入力指紋を読み取って多値指紋画像Mを生成する。そして、生成した多値指紋画像Mは処理部24に送られる。処理部24は、受け取った多値指紋画像Mに対してムラ補正を行い、そのムラ補正済みの多値指紋画像Mに基づいて二値指紋画像を生成し、さらに二値指紋画像の細線化を行う。なお、二値指紋画像の生成については、上記の指紋画像生成装置1の画像生成部11と同様の処理を行う。
操作・表示部21は、指紋認証装置2の操作者、すなわち被照合者が、識別番号INの入力、行いたい動作の選択(例えば、特定の部屋への入室)などの操作を行うものである。また操作・表示部21は、操作のガイダンスを表示又は音声指示するものであり、タッチパネルディスプレイとスピーカで構成される。また、タッチパネルの代わりに、キーボード又はマウスのような入力デバイスと液晶ディスプレイのような単純な表示デバイスで構成してもよい。なお、ガイダンスの音声指示を行わない場合には、スピーカを省略してもよい。
操作・表示部21で入力された識別番号INなどのデータは、処理部24で呼び出す登録指紋データの特定などに使用される。
制御部25は、記憶部23から読み込まれたプログラム及び操作・表示部21からの入力信号にしたがって、操作・表示部21、指紋入力部22、記憶部23及び出力部32の各部の制御、指紋画像など各種データの受け渡しなどを行う。また、制御部25は、処理部24内の画像補正部26、特徴抽出部30及び照合部31による処理を制御する。
例えば、ムラ補正部27は、多値指紋画像Mを32×32画素程度の部分領域に分割し、各部分領域について平均画素値及び画素値の分散を算出する。そして、ムラ補正部27は、その平均画素値及び画素値の分散が、多値指紋画像M全体の平均画素値及び画素値の分散と略等しくなるように画素値を変換する(画像解析ハンドブックp.478、高木幹雄、東京大学出版を参照)。
なお以下では、説明の便宜上、二値指紋画像B及び細線化二値指紋画像BTにおける隆線画素の値を‘0’、谷線画素の値を‘255’で表す。
図12において、黒く示された部分は細線化された隆線領域を表す。また、図12において、隆線領域の終端となっている部分900及び910が、隆線の端点であり、隆線が1本から2本に分岐している部分920が分岐点である。これらの特徴点の位置、数は、個人毎に異なるため、指紋の照合を行うための非常に有益な情報となる。
なお、抽出する特徴量は、上記のものに限られない。例えば、各特徴点間の位置関係、隣接する特徴点間の間に存在する隆線又は谷線の本数などを特徴量として抽出してもよい。
特徴抽出部30は、上記のように一つの細線化二値指紋画像BTから抽出した特徴点のそれぞれについて、その特徴点の情報を予め定められた形式にしたがってリストとして作成する。
出力部32は、処理部24の照合結果を示す信号などを外部機器に出力する。
図13は、指紋認証装置2における、指紋認証の動作を示すフローチャートである。なお、以下に説明する指紋認証装置2の動作は、処理部24に読み込まれたプログラムにしたがって、処理部24の制御部25により実行される。
以上のように、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
10 画像入出力部
11 画像生成部
12 基準値設定手段
13 局所領域設定手段
14 隆線候補領域判定手段
15 閾値設定手段(第2の閾値設定手段)
16 隆線幅取得手段
17 閾値再設定手段(第1の閾値設定手段)
18 二値化手段
19 穴埋め手段
2 指紋認証装置
21 操作・表示部
22 指紋入力部
23 記憶部
24 処理部
25 制御部
26 画像補正部
27 ムラ補正部
28 指紋二値化部
29 細線化部
30 特徴抽出部
31 照合部
32 出力部
100 隆線領域
110 谷線領域
120、130 汗腺孔領域
140 隆線領域
150、160 擬似特徴点
300 谷線領域
310 隆線領域
320、330 汗腺孔領域
610 隆線領域
900、910 特徴点(端点)
920 特徴点(分岐点)
Claims (4)
- 指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像から隆線領域を表す隆線画素値と谷線領域を表す谷線画素値との二値で表された二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置であって、
前記多値指紋画像に対応する隆線幅を取得する隆線幅取得手段と、
前記多値指紋画像の少なくとも一部の画素に対する第1の二値化閾値を、前記隆線幅が大きいほど前記多値指紋画像における谷線の画素値に近い値に設定する第1の閾値設定手段と、
前記多値指紋画像を前記第1の二値化閾値にて二値化する二値化手段と、
を備えることを特徴とする指紋画像生成装置。 - さらに前記多値指紋画像を隆線画素値と谷線画素値の何れかに判定するための第2の二値化閾値を設定する第2の閾値設定手段を有し、
前記二値化手段は、前記多値指紋画像を前記第2の二値化閾値にて二値化して仮の二値指紋画像を生成し、
前記隆線幅取得手段は、前記仮の二値指紋画像に基づいて前記隆線幅を算出する、請求項1に記載の指紋画像生成装置。 - 前記第1の閾値設定手段は、前記隆線幅が所定値以上の場合、前記多値指紋画像の少なくとも一部の画素に対する前記第1の二値化閾値を、前記第2の二値化閾値よりも前記多値指紋画像における谷線の画素値に近い値に設定する、請求項2に記載の指紋画像生成装置。
- さらに前記多値指紋画像の全体領域に設定した局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する判定手段を有し、
前記第1の閾値設定手段は、前記隆線候補領域に含まれる画素を前記一部の画素として前記第1の二値化閾値を設定する、請求項1〜3の何れか一項に記載の指紋画像生成装置。
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