JP4945505B2 - 生体情報処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、個人を認証するための生体情報処理装置に関し、特に、生体の静脈情報を用いて認証する技術に関する。

近年、個人情報に対するセキュリティが重要視されている。セキュリティを守る個人認証技術として、バイオメトリクス認証が注目されている。バイオメトリクス認証は、人間の生体情報を用いて認証する技術であり、利便性及び機密性に優れている。

従来のバイオメトリクス認証技術として、指紋、虹彩、音声、顔、手の甲の静脈又は指静脈を用いる認証が知られている。特に、静脈を用いるバイオメトリクス認証では、生体の内部情報を用いるため、耐偽造性に優れている。

以下、特に指静脈認証装置について記載する。

指静脈認証装置は、指に赤外光を照射する。赤外光は、指内部で散乱した後、外部へ透過する。そして、指静脈認証装置は、指の掌側から透過した赤外光を撮像する。

このとき、血液中のヘモグロビンは、周囲の組織に比べて赤外光をより多く吸収する。よって、指静脈認証装置が撮像した画像には、指の掌側の皮下に分布する血管（指静脈）が暗い影のパターン（指静脈パターン）として可視化される。

指静脈認証装置は、この指静脈パターンの特徴を予め登録しておき、認証時に提示された利用者の指静脈パターンと予め登録した特徴との相関を求めることによって、個人認証を行う。

しかし、従来の指静脈認証装置は指の側面に光源を設けていたために装置として高さが必要であった（例えば、特許文献１参照）。これに対し、光源と検出器とを測定対象である生体に対して同じ側に設け、測定したスペクトルを認証に用いるシステムがある（特許文献２参照）。
特開２００４−２６５２６９号公報 国際公開第２００６／１３４６６９号パンフレット

照合時に置かれた指の位置が登録時のものと異なる場合、撮影できるパターンが異なることから、それらを照合する場合に正しく認証できない。従って、認証精度を高めるためには、前述のような指の位置を規定する構造が必要となる。この点上記特許文献１記載の装置においては、指置き台等物理的な構成をもって指を設置箇所を規定する。

一方で、特許文献２に記載されるような構成にすれば装置の小型化を図ることが可能であるが生体の載置面をほぼ平面化しているために、指置き台のような物理的な構成を設けることは難しい。このため利用者は生体を置く位置が定まらず、登録した生体情報と認証時に提示する生体情報との位置ずれが生じ、認証できないという問題があった。

そこで、本発明は、前記の問題点に鑑みてなされたものであって、装置の小型化をはかりつつ利用者が生体を設置する際の位置ぶれによる認証率低下を抑制することを目的とする。

本発明で開示する代表的な発明は以下の通りである。すなわち、生体の一部を設置する載置面と、前記生体の一部に光を照射する光源と、前記光源から照射され該生体の一部を透過した光を繰り返し撮像し、登録画像候補として取得する撮像部と、前記撮像された登録画像候補から血管パターンを抽出する処理部と、前記生体の一部が前記載置面へ設置されたかを検知する検知部と、を有し、前記検知部は、前記登録画像候補が撮像された後に、前記生体の一部が前記載置面から離れたか、及び前記載置面へ設置されたかを検知し、前記処理部は、前記検出部により、前記生体の一部が前記載置面から離れたことを検知した後、所定時間内に前記生体の一部が前記載置面へ設置されたことを検知した場合に、該生体の一部と同一部位が再度設置されたと判定し、前記生体の一部を透過した光を撮像した画像を新たな前記登録画像候補とし、前記処理部は、該複数の抽出された血管パターン間の位置ずれを算出し、前記位置ずれと前記血管パターンの夫々の類似度に基づいて、該複数の撮像画像から互いの位置ずれが大きくなるような所定枚数の血管パターンを登録パターンとして決定することを特徴とする生体情報処理装置である。

特に、上記処理部は、更に上記登録画像候補から抽出した血管パターン間の位置ずれを算出し、該互いの位置ずれが最も大きくなる複数の血管パターンを登録パターンとすることを特徴とする。

本発明の静脈認証装置によれば、生体の設置面に生体を提示する際、厳密な位置合わせを不用とし、利便性を高めると同時に認識率を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。尚、本願実施例においては特に指の静脈認証装置について説明するが、その掌等他の生体を被対象物としても適応可能である。

第１図は、本発明の第１の実施の形態の認証システムの構成図である。

認証システムは、入力装置２、認証処理部１０、記憶装置１４、表示部１５、入力部１６、スピーカ１７及び画像入力部１８を含む。入力装置２は、光源２３及び撮像装置９を含む。

光源２３は、例えば、赤外線ＬＥＤであり、入力装置２の上に提示された指１に赤外光を照射する。撮像装置９は、入力装置２に提示された指１を撮像する。

画像入力部１８は、入力装置２の撮像装置９で撮像された画像を、認証処理部１０へ入力する。

認証処理部１０は、ＣＰＵ１１及びメモリ１２及び種々のインタフェース（ＩＦ）１３を含む。

ＣＰＵ１１は、メモリ１２に記憶されているプログラムを実行することによって各種処理を行う。メモリ１２は、第２図で後述するが、ＣＰＵが実行するプログラムを記憶する。また、メモリ１２は、画像入力部１８から入力された画像を一時的に記憶する。

インタフェース１３は、認証処理部１０の外部の装置と接続する。具体的には、インタフェース１３は、入力装置２、記憶装置１４、表示部１５、入力部１６、スピーカ１７又は画像入力部１８等と接続する。

記憶装置１４は、利用者の登録データを予め記憶している。登録データは、利用者を照合するための情報であり、例えば、指静脈パターンの画像等である。指静脈パターンの画像は、指の掌側の皮下に分布する血管（指静脈）を暗い影のパターンとして撮像した画像である。

表示部１５は、例えば、液晶ディスプレイ等であり、認証処理部１０から受信した情報を表示する。

入力部１６は、例えば、キーボード等であり、利用者から入力された情報を認証処理部１０に送信する。スピーカ１７は、認証処理部１０から受信した情報を、音声で発信する。

以下、本実施の形態の認証システムの認証処理について、第１図と第１０図のフローチャートを用いて説明する。

まず、認証を要求する利用者が、指１を入力装置２に提示する。すると、入力装置２に設置された光源２３は、指１に赤外光を照射する。この赤外光は、指１の内部であらゆる方向に散乱する。

入力装置２に設置された撮像装置９は、指の掌側から出てきた赤外光を撮像する。そして、撮像装置９は、撮像した画像を画像入力部１８を介して認証処理部１０に入力する。

すると、認証処理部１０は、入力された画像をメモリ１２に記憶する。そして、メモリ１２に記憶した画像に対し、静脈パターンの抽出処理（Ｓ２０２）を実施する。この処理は、後述の第５図の実施例にて示す静脈パターンの抽出処置（Ｓ１０４）などが利用できる。抽出する特徴量としては、静脈パターンの空間的な分布を画像情報として抽出しても良く、端点や分岐点のような、線の構造情報を抽出しても良い。これにより、指静脈の特徴データが抽出される。

次に、認証処理部１０は、記憶装置１４に予め記憶されている登録データを、記憶装置１４から取得する。なお、認証処理部１０は、入力部１６から入力された情報（例えば、利用者ＩＤ等）に対応する登録データのみを、記憶装置１４から取得してもよい。また、一つの生体に対する登録データは複数存在してもよい。次に、取得した認証情報をメモリ１２に記憶する。

次に、認証処理部１０は、抽出した特徴データと記憶装置１４から取得した登録データとの類似度計算を行う（Ｓ２０４）。この処理では、特徴パターン同士を画像として重ね合わせ、画素値の相違を総和することで類似度を評価する方法、あるいは線パターンからさらに分岐点や端点など構造上の特徴量を求めた上で、対応する特徴点の数や分岐数、方向などの一致度を評価する方法などを用いることができる。

そして、上記で求めた類似度が、同一のパターン同士と認められる程度に高いかどうかを判定する処理を実施する（Ｓ２０６）。このとき、一つの生体に対し複数の登録データがある場合は、最も類似度が高い照合結果をその登録者に対する照合結果とする。登録者として認められた場合は、認証システムに応じた認証処理（Ｓ２０８）を実施する。たとえば、ＰＣログインの実施、扉の鍵の開錠、ＡＴＭによる金銭の取引開始、などの処理を実施することができる。一方、登録されている全てのパターンにおいて類似度が低いと判定された場合、新たに装置に置かれている指の静脈画像を取り込んだ上でパターン抽出処理Ｓ２０２に戻る。このように連続的に認証処理を繰り返すことで、登録された本人を受け入れる確率が高められる。また、規定の回数を繰り返しても認証されない場合は照合処理を終了しても良い。これにより、登録していない他人が偶発的に認証される可能性を低く抑えることができる。
なお、一つの生体に対し複数枚の登録データがある場合、上述のように最も類似度の高い結果が閾値を超えた場合にのみ認証処理を実施しても良く、またいくつかの登録データにおいて閾値が超えた場合に認証処理を実施しても良い。前者の場合は本人が認証される確率が高められ、後者の場合は登録していない他人を受け入れてしまう確率を低くすることができる。これらは当該認証システムのセキュリティレベルに応じて設定可能である。以上のように、本実施の形態の認証システムは、利用者を認証する。

認証処理は、事前に登録された静脈パターンと提示された静脈パターンとが完全に一致した場合は正しく実行される。しかし、利用者は必ずしも同じ位置に生体を提示できるとは限らず、その場合は両パターンに位置ずれが生じる。これにより、一方のパターンに存在する特徴量が、もう一方のパターンには存在しない可能性がある。このようなパターン同士の照合では、両者の類似度は低下する。一般的に、位置ずれ量が大きくなるほど、その類似度は大きく低下する。

第２図は、本発明の第１の実施の形態の認証処理部１０のメモリ１２のブロック図である。

メモリ１２は、指検知プログラム１２１、光量制御プログラム１２２、特徴抽出プログラム１２３、特徴照合プログラム１２４、及び登録データ選択プログラム１２５等を記憶する。指検知プログラム１２１は、入力装置２に指１が置かれているか否かを判定する。光量制御プログラム１２２は、光源２３の光量を制御する。特徴抽出プログラム１２３は、撮像装置９によって撮像された画像から特徴データを抽出する。特徴照合プログラム１２４は、特徴抽出プログラム１２３によって抽出された特徴データと記憶装置１４に記憶されている登録データとを照合する。登録データ選択プログラム１２５は、複数獲得した特徴データの中から登録する特徴データの候補を複数個選び出す。

第３図（ａ）は、本発明の第１の実施の形態の入力装置２の平面図である。入力装置２の表面は、撮像対象の生体を設置する指載置面２５となっている。入力装置２の中央には指載置面２５により規定される開口部２７が存在する。開口部２７には、アクリル板３１が設置されている。アクリル板３１は、埃などの異物が装置内に進入することを防ぐと共に、赤外光のみを透過する素材とすることで、静脈パターンを撮影する際に太陽光や蛍光灯などの不要な外光を防ぐ効果が得られる。指載置面２５には、開口部２７の周囲に傾斜３３が設けられており、アクリル板３１は指載置面２５の高さに対しわずかに低く設置される。これにより、指１を入力装置２に置いた際に指１とアクリル板３１との接触が生じにくくなる。従って指１が圧迫されることよる血流の停止が防止でき、静脈パターンの欠落を防ぐことができる。このように、指載置面２５はわずかな傾斜を有する他は全体的に平面構造となっており、物理的制約あるいはデザイン的に凹凸形状が許されない機器、例えば携帯電話、ノート型ＰＣやＰＤＡなどの携帯端末、キーボードの表面、ＡＴＭ機器の操作パネル面などへの搭載を可能としている。

開口部２７の上下位置には、光照射口３５が設置されており、その中には光源２３が設置されている。光源２３は赤外線を発光する素子で構成されている。また光源２３を覆うように、光照射口３５に光源保護用アクリル板３７が設置されている。光源保護用アクリル板３７は赤外光に対して透明な材質で作られており、外部の応力に対し光源２３を保護する。また、指載置面２５の左右には、指の第一関節を合わせるための、関節位置規定印３９が示されている。これにより利用者は視覚的に指の位置合わせができる。さらに光源２３と開口部２７との間には、指載置位置印４１が設置されている。これは指載置面２５の表面にシボ加工などを施すことで肌触りに変化を与え、視覚的かつ触覚的に指の位置を確認できるようにしている。こうした構造より利用者は指の位置合わせが触覚で確認できるため利便性が高まる。さらに、指載置面２５の右上と左下にはガイド用ランプ４３が設置されている。たとえばこのランプにはＬＥＤなどが用いられる。このランプ４３を視覚的に遮らない位置に指１を置くことで、指１が直線上に置かれるように導くことができる。またこのランプ４３の、点灯や点滅の発光パターンや発光色などを種々組み合わせることで、利用者に認証装置の状態、例えば指提示の待ち状態や認証の成功・失敗の結果など、を示すことができる。

第３図（ｂ）には指１を指載置面２５に載せた入力装置２が示されている。上述の通り、指１は、第３図（ａ）で示した指載置位置印４１を覆い、ガイド用ランプ４３が視覚的に隠れない位置に置かれ、さらに指の第一関節が関節位置規定印３９に合わせて置かれている。

第４図には入力装置２の内部構造が示されている。装置内部にはミラー４５が斜めに設置されている。これにより、撮像装置９の光軸が開口部２７の中心を通るように折り曲げられる。従って、撮像装置９が開口部２７の真下に位置しなくとも開口部２７から装置外部を撮影でき、入力装置２の高さを抑えることが可能となる。第４図に示されるように、指１を指載置面２５に置いた状態では、指１と光源２３の光源保護用アクリル板３７とが密着する。また第３図（ｂ）に示されるように、指１はＬＥＤ２３を覆い隠すように設置される。これにより、指１の内部に入射しない漏れ光による不要な外乱光の発生を防ぐと共に、光源２３の光が指内部に効率よく進入することで静脈パターン撮影のための照射光のエネルギー効率が高まる。これにより撮影される静脈パターンの画質が向上し、認識率を高めることができる。

また、指載置面２５を構成する部材は、赤外光に対し不透明な材質、あるいはそのような材質のコーティングが施してあり、赤外光の透過と反射を共に防止している。さらに指載置面２５の内部は、光源２３と開口部２７、そして光源２３と撮像装置９との間が仕切られており、光源２３の光は光源保護用アクリル板３７以外からは外に放射されないように作られている。もし光源２３の光が開口部２７の方へ漏れ、そこから赤外光が放出すると、開口部２７の真上に位置する生体の表皮に赤外光が照射される。その結果、その光は表皮で反射し、撮像装置９に戻ることで生体表面の表皮が映像の中に映りこむ。このため生体内部の静脈パターンのコントラストが下がり、画質が低下する。本発明では上記のような材質、構造とすることにより、光源２３の光が撮像装置９に直接届くこともなく、さらには開口部２７から光源２３の光が内側から漏れ出すこともないため、このような問題が発生せず、鮮明な静脈パターンの撮影が実現できる。

本実施例における認証装置では、装置が小さく平面的であり、入力装置２を組み込む際の自由度が高いという利点がある。第３図あるいは第４図に示すように、撮像素子と同一面上に光源を設置し、かつ生体の載置面をほぼ平面化することで、高さを抑制し装置の小型化を実現している。本実施例のような装置において物理的な突起等を設けて設置位置を制限することは装置自体の高さが大きくなるので好ましくない。一方で、生体の位置を規定する物理的な構造物が無いため、登録時と照合時との生体の位置ずれが発生し、認識率の低下が問題となる。特に装置の小型化によって撮影する領域が小さく限定されるような場合では、その位置ずれの影響は大きい。本実施例においては上記のように視覚的な目印や接触面の触感を変化させる様な構成としているが、こうした構成だけでは利用者に毎回その指設置位置を限定させるには不十分である。従って、当該認証装置においては、認証精度を高めるために指の位置ずれを許容しながら認証を実施する手段を設けることを検討する。

本発明では、このような問題点に対し、登録する生体部位を複数回撮影し、それらの空間的な位置ずれを求め、複数枚の中で互いの位置ずれが大きくなる血管パターンを複数枚選び出して登録する。これにより、照合時に位置ずれが生じた場合でも、複数の登録データの中にはその位置ずれに近い状態で登録されたパターンが含まれる確率が高まるため、平面的なインタフェースでありながらも認証精度を高めることが可能となる。第６図は、複数回撮影して得られた静脈パターンの中から複数枚の登録データを選択する一実施例を示したフローチャートである。なお、ここでは、５回撮影して得られた静脈パターンの中から３枚の登録データを選択する方法について説明しているが、枚数は任意に設定することができる。

まず、５枚の静脈パターンをＰ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４、Ｐ５、とする。そして、これらの静脈パターンすべての組み合わせについて総当りで照合を実施する。照合は一般的なマッチングの手法を用いることができるが、お互いのパターンの類似度と共に、最も類似度が高くなるときの空間的な位置ずれ量も検出できる方法に基づく。具体的には互いの重複位置をずらしながら類似度を算出し、その最大値とその位置ずれとを求める。ここで、ｉとｊを１〜５の任意の自然数としたとき、パターンＰｉとパターンＰｊとの照合結果を、マッチングの類似度Ｓ（ｉ，ｊ）と、直接計算された位置ずれ量Ｄ１（ｉ，ｊ）に分けて格納しておく。この処理がステップＳ１２２に示されている。

ここで、指の長手方向とその直行方向の座標をそれぞれｙ座標、ｘ座標としたとき、指の位置ずれ量は、ｘ座標のみのずれ量と定義しても良く、ｙ座標のみのずれ量と定義しても良く、またｘ座標とｙ座標を組み合わせたずれ量と定義しても良い。特に第３図で示した認証装置では、指の長手方向における開口部２７の開口幅が指１の長さに対して短いため、指の長手方向の位置ずれの方が認証精度に与える影響は大きく、認証に失敗する確率が高くなる。従って、ここではｙ座標方向のみの位置ずれに注目するものとする。なお、指先から指の根元方向に向かう方向をｙ座標の正の方向と定義する。

次に、５枚のパターンの相対位置を調べるための、間接的に計算された位置ずれ量Ｄ２を定義する。以降の処理において、先に計算したＤ１からＤ２を決定していく。Ｄ２は空に初期化されているものとし、計算を進めるにつれて値が代入されていく。ステップＳ１２４ではＤ２が空でないことを判定し、全要素が埋められている場合は最終処理としてステップＳ１３４に進む。

ここで、Ｄ１からＤ２を改めて計算する理由について述べる。全パターンそれぞれの位置ずれ量はＤ１に格納されているため、ＰｉとＰｊとの位置ずれ量はＤ１（ｉ，ｊ）を調べれば求められる。しかしながら、ＰｉとＰｊとの位置ずれが大きく、両者に共通領域が含まれない場合、その位置ずれ量を直接に正確に求めることは難しい。一方、ＰｉとＰｊの部分領域を共に含んだ別のパターンＰｋが存在すれば、ＰｉとＰｋとの位置ずれ量Ｄ１（ｉ，ｋ）と、ＰｋとＰｊとの位置ずれ量Ｄ１（ｋ，ｊ）とを合成することで、ＰｉとＰｊとの正確な位置ずれ量が求められ可能性が高い。この理由により、本実施例においては位置ずれ量を間接的に求めることとする。
次に、全Ｓ（ｉ，ｊ）の中の最大値を求め、そのときのｉ，ｊをそれぞれｉｍ，ｊｍと決める。以降の繰り返し処理で再度同じＳ（ｉ，ｊ）が選ばれないように、Ｓ（ｉｍ，ｊｍ）の値を負数に塗り替えておく（Ｓ１２６）。

次に、もしＤ２（ｉｍ，ｊｍ）が空であったときは、Ｄ１（ｉｍ，ｊｍ）の値を代入する（Ｓ１２８）。ただし、行と列とを転置して得られる要素は、位置ずれ量の正負が異なるだけであり、このときに転置の要素についても値を代入しておく。

次に、現時点でＤ２に格納された値を用いて、Ｄ２の空の要素を埋める処理を実施する（Ｓ１３０）。上述の通り、ＰｉとＰｊとの位置が、共通の静脈パターンを含まないほど大きくずれている場合、それらのパターンの類似度は極めて低くなる。従って、ＰｉとＰｊとの位置ずれ量を正確に求めるには、直接Ｄ１（ｉ，ｊ）を調べるのではなく、中間的な位置にあるＰｋを介し、Ｄ１（ｉ，ｋ）とＤ１（ｋ，ｊ）とを利用して求めた方がよい。このとき、Ｄ２には類似度の高いＤ１の値が優先的に格納されているため、ある要素Ｄ２（ｋ，ｊ）が空の場合は、Ｄ１（ｋ，ｊ）を代入するよりＤ２に存在する値から生成した方が精度が高まる。生成方法としては、
Ｄ２（ｉ，ｊ）＝Ｄ２（ｉ，ｋ）−Ｄ２（ｋ，ｊ）
となるｋを見つけることによる。Ｄ２の全ての空要素に対してこの処理を行う。当然、右辺が空である場合は代入が成立しない。前述と同様、転置の要素に対しても同時に同様の代入を実施する。

次に、１つ前のステップ（Ｓ１３０）において代入が発生したかどうかを調べる（Ｓ１３２）。代入が発生した場合は繰り返し処理を実施することで新たな要素への代入が実施できる可能性があり、代入ができなくなるまで前ステップを繰り返すことになる。代入ができなくなった場合は、終了判定であるステップＳ１２４に戻る。

終了判定Ｓ１２４でＤ２がすべて埋められたと判定された場合、最終ステップを実施する。まずはＤ２（１，ｉ）の横一列で得られる位置ずれ量を元に、Ｐｉを数直線上に並べる（Ｓ１３４）。そして、最も端に位置するパターンＰｒとＰｌの２つ、そして中間点に最も近い所に位置するパターンＰｍの、全三つを、登録パターンとして選び出し、登録パターン選択処理を終了する。

第７図は、第６図のフローにおけるＳ１２２の処理過程の一例を示している。全パターンＰ１〜Ｐ５において、類似度Ｓと、直接計算した位置ずれ量Ｄ１が格納されている。ただし、点線が埋められている要素には何らかの数値が埋められていることを示しており、説明上具体的数値は取り上げないものとする。たとえば、Ｓの中で最も大きな値は９８であり、Ｐ１とＰ２とを照合した場合の類似度を示している。またそれらの位置関係はＤ１に示される通り、Ｐ２はＰ１から指先方向に２画素ほどずれた位置に存在していることがわかる。

第８図はＤ１から生成される間接的に計算された位置ずれ量Ｄ２の計算例である。ただし、ＳとＤ１は第７図に示された値を持つとする。第８図（ａ）は、第６図におけるステップＳ１２８とＳ１３０とで生成されるＤ２の途中経過を示す。はじめに、Ｓの中で最大値となる、Ｓ（１，２）を探し、これに対応するＤ１（１，２）の値がＤ２（１，２）にそのまま格納される。次に、２番目に大きいＳ（１，４）を探し、Ｄ１（１，４）の値がＤ２（１，４）に格納される。この時点で、Ｐ１はＰ２とＰ４の間に位置するという位置関係が分かる。従って、Ｄ２（２，４）にはＤ２（１，４）−Ｄ２（１，２）の値として、＋４が代入される。ここで、第７図（ｂ）を見ると、Ｄ１（２，４）には＋８という値が入っており、今計算したＤ２（２，４）とは大きく異なる。しかし、第７図（ａ）のＳ（２，４）を見ると、類似度が２６と極めて低く、Ｄ１（２，４）は信頼性が低い。従って、第８図（ａ）のようにＤ２内の値を参考にして計算した方が正確な位置ずれ量が得られる。
このようにして、最終的には第８図（ｂ）のように全てのＤ２の要素が埋まる。この状態で、Ｐ１の行に注目することで、５つのパターンの相対位置が分かる。

第９図は、第８図（ｂ）におけるＰ１の行の値から、５つのパターンを数直線上に並べたときの概念図の一例を示す。Ｐ１を数直線上の０に配置したとき、Ｐ２からＰ５をそれぞれの位置に配置する。この図より、最も指先側のパターンを撮影したものはＰ２、根元側のパターンはＰ３であることが分かる。また、中心位置に最も近いパターンはＰ４であることが分かる。このように、端の２つと中央の１つを取り出すことで、最も広い範囲をカバーするような登録データセット１４２が得られる。これらを登録することで、登録者の指の置き方が指の長軸方向に位置ずれが生じても、この３つのパターンのうちどれか１つのパターンで照合が成功する可能性が高まる。従って、認識率を高められると共に、位置を厳密に合わせなくとも認証が可能となり、利便性が高められる。

なお、本実施例では5回撮影したうちの3枚を登録する手法を示したが、Ｎ回撮影したうちのＭ枚を登録する場合においても、なるべく撮像位置が離れているものを残すように登録するパターンを選択する。つまり、３枚の画像から抽出された血管パターンについて、第１と第２のパターン間の位置ずれと第１と第３のパターン間の位置ずれと、第２と第３のパターン間の位置ずれとを比較し、位置ずれが最も大きい組の２枚が選択されることになる。具体的には、同様の手法で上記数直線上に登録候補データを並べ、最も端に位置するパターンを選択して更にその中間を選択する処理を繰り返して選択する、又は、所定のＭ枚になるように等間隔にデータを選び出すなどにより対応可能である。又、隣接する位置関係にある撮像画像とのずれが予め定めた所定値以上あれば登録するようにしても良い。

なお、登録時に複数回提示された生体の位置ずれ量が小さい場合、上記Ｄ２を用いずに登録候補を選択しても良い。このような状況は、全登録候補について総当りで求めた全類似度が高く、かつ全位置ずれ量が小さいことを判定することで検知できる。その場合、第６図における初めの処理（Ｓ１２２）を実施した直後に、獲得した特徴パターンを数直線に並べる処理（Ｓ１３６）へ遷移し、その間にある処理を省略する。ただしＳ１３６で用いられているＤ２の代わりにＤ１を用いる。このような処理フローとすることで、登録処理が簡略化できる。

上記本願のフローによって複数種類の照合パターンを登録した場合の照合フローを説明する。

本実施例においては第１０図における照合処理（Ｓ２０４）及びその判定処理（Ｓ２０６）に特徴がある。前述の通り、登録された静脈パターンは１つの指に対してＭ枚存在する。従って、抽出された静脈パターンと登録されたＭ個の登録パターンとの照合を実施する。

次に、計算した類似度を評価する処理（Ｓ２０６）を実施する。事前に、同一の静脈パターンであると統計的に判定できる場合の照合結果を数値化しておく。このとき、Ｍ個の登録パターンにおける最も高い類似度をその登録者に対する照合結果とする。そして、この照合結果が同一パターンと判定できる閾値よりも高い類似度であった場合、利用者はその登録者として認められる。そうでない場合は本フローの先頭に戻る。

なお、すべての登録者の登録データと比較照合する１−Ｎ認証を実施する場合、一人あたりの登録データ数がＭ枚となるため、登録人数とＭの値とが大きい場合は照合処理に時間がかかり、利便性が低下することがある。この点について、次のような照合処理の高速化手法を利用できる。

まず、すべての登録データに対し、特徴量を間引いたデータを事前に生成し、本来の登録データと共に保持しておく。間引きは、空間的に特徴パターンを縮小してもよく、端点・分岐点などの構造的な特徴データであれば、特徴点に優先順位を付け、順位の低い特徴点を除去してもよい。このとき、元データに対する間引きの割合を変え、複数の間引きデータを生成してもよい。また、登録データだけでなく、認証時に提示された生体の静脈データについても同様に間引きデータを生成する。

次に、全登録データとの照合を、最も間引き率の高いデータを用いて実施する。データ量が小さく圧縮されているため、高速に照合が実施できる。一方このときの照合結果は、間引きのないデータを使用した場合に比べ、詳細な特徴量が省かれているため同一指と別指とを正確に分離する確率が低下する。しかし、明らかに異なったパターン同士の照合では、間引きデータを用いた場合でも類似度は相対的に極めて低くなる。そこで、明らかに異なったパターンであると判定できる閾値を事前に統計評価しておき、この閾値よりも小さな類似度を生じた登録データはこの時点で別指であると判定し、以降は照合処理の対象から外す。

その後、照合処理の対象として残った登録データに対し、二番目に間引き率の高いデータを用いて、上記と同様に照合処理を実施する。前段階の照合処理で、登録データの一部が対象から外れているため、調査すべき登録データ数が小さく絞られ、照合時間の短縮が期待できる。そして同様に、明らかに別指であると判定できる登録データを照合の対象から外す。このように、間引き率の高い方から低い方へ照合データを変えながら、徐々に照合処理の対象となる登録データを絞り込んでいく。

最終的に、間引きを実施していないデータを用いて、前段階の照合までに絞り込まれた登録データとの照合を実施する。１回の照合処理は最も時間が掛かるが、対象となるデータ数は前段階までに十分小さく絞り込まれているため、照合時間は小さく済む。

このように、高速照合できるデータを使って照合対象を絞り込むことで、全体的な照合時間を短縮することが可能となる。

上述のように、位置ずれに強い認証を実現するためには、生体の位置ずれを網羅した、複数の登録データを獲得することが重要となる。従って、登録時に生体を複数提示する際には、照合時に置きうる範囲で生体の位置ができるだけばらつくように撮影する必要がある。また登録者にできるだけ負担をかけることなく撮影できることが好ましい。そこで、位置の異なる複数の生体情報を獲得して認証精度を向上させるため登録データ収集手法について、以下の実施例で述べる。

第５図は、本認証装置における登録フローの別の実施例を示している。本実施例では複数データを撮影する際に指の置き直しを促すことで、できるだけ利用者が本装置に提示しうる、かつ、互いに異なる位置における画像を取得するようにしている。これにより、認証時に指の位置が自然にばらついた場合でも登録データがそのばらつきを吸収するため、正しい認証が可能となる。

登録処理は、静脈認証プログラムが起動された後、登録権限を持つと認められた場合に、登録モードに切り替えられることで開始する。登録の権限は、登録者用パスワードの提示、あるいは事前に登録管理者として静脈パターンが登録されている人物による生体の提示などによる。

登録処理が開始されると、まずはじめに指が装置の上に置かれたこと確認する処理（Ｓ１０１）を実施する。本実施例では、光源２３を高速に点滅させ、点灯しているときの画像と消灯している画像との差分を計算する。もし指が置かれている場合に点灯すると指の部分が明るく光り、逆に消灯した場合は暗く映る。一方、背景部分に関しては、光源の点灯、消灯に関わらず、画像に変化は起こらない。これを利用して、点灯・消灯の両画像の差分の絶対値を計算し、その値が大きい領域を指の領域と判定する。この領域の広さが予め設定する一般的な指の大きさと判断できる場合、指が置かれたと判定する。指があると判定された場合は次の処理に進み、そうでない場合はこの処理を繰り返す（Ｓ１０２）。本方式によれば静脈パターン撮影用の光源２３だけで指検知が実現できるため、装置のコストを抑えると共に装置の小型化が実現できる。なおＳ１０１の処理は、指の接触を検知するセンサを入力装置２に設置し、物理的に指の有無を判定しても良い。

次に、静脈パターンの抽出処理（Ｓ１０４）を実施する。本処理においてはまず第２図における光量制御プログラム１２２による光量調整も行って静脈パターンの抽出を行う。光源２３の光強度を適切に調節すると、静脈パターンが暗い線として撮影される。この暗線を抽出し、さらに不要な背景を除去することで、静脈パターンが抽出できる。この処理は、例えばマッチドフィルタなどのエッジ強調フィルタにより線成分を強調する方法、反復的に線追跡を繰り返して統計的に線成分を抽出する方法、Top-hat変換などのモルフォロジ演算により暗線を検出する方法、画像の輝度プロファイルに着目して局所的な輝度値の窪みを検出し、暗線の幅あるいは窪みの曲率などに応じて窪みの中心位置を強調する方法、などを用いることができる。

なお、第２図における光量制御プログラム１２２によって実施される光量調整の方法として、静脈パターンが鮮明に見えるときの画像上の平均輝度値を事前に調べておき、目標となる平均輝度値になるように光量を制御する方法、画像から静脈パターンを抽出してその線パターンの適正度や鮮明度を評価し、これを最適になるように光強度を決定する方法などを用いることができる。特に前者は計算コストが低く高速処理が可能となる。

また、最適光量を得るためには、画像を常に監視しながら光量を制御する必要がある。本実施例では、以下の手順により光量を調整する。まず、画像上の平均輝度値が光強度の関数として記述できると仮定し、直線あるいはｎ次曲線など実体に最も近い関数にモデル化しておく。次に、ある光量を実際に与え、そこで得られる画像の平均輝度値を計算し、モデル化された関数のオフセット値や傾きなどのパラメータを決定する。最後に、目標となる平均輝度値を得るための光強度を、モデル化した関数から逆算し、得られた光強度を照射する。この方法により、目標輝度値への収束が高速に完了する。なお、画像を指の先端側と指根元側に分割し、それぞれに対応する領域に対して最適な光量を照射するため、指の先端側の光源２３と、指根元側の光源２３とを独立に制御しても良い。これにより、全体的に鮮明な静脈パターンが撮影できる。

次に、指が外されたことを確認する処理（Ｓ１０６）を実施する。具体的にはＳ１０１で用いた技術によって確認を行う。この処理は指が外されるまで繰り返し実施される。その間、利用者が指を外す必要があることを把握できるように、表示部１５やスピーカ１７、ガイドランプ４３などにより指を外すように指示しても良い。従って、登録者は登録する指を提示する度に置き直すことになる。通常、置き直しを実施することで、指の置かれる位置が自然に変動する。このことにより、指が同じ位置に置かれ続けることを防止し、かつ、その登録者がこの装置に対して置き得る互いに位置が異なる複数の静脈パターンが獲得できる。従って、これら複数のデータを登録データとすれば、新たに入力される撮像画像が自然な位置ずれを有していても、複数の登録データのうちのどれかと合致する確率が高まり、認識率が向上する。

次に、Ｓ１０４にて抽出したパターンを登録データの候補として記憶する処理（Ｓ１１０）を実施する。そして、登録データの候補が予め設定される値Ｎだけ揃ったかを判定する（Ｓ１１２）。ここでＮは２以上である。もし登録データの候補がＮ個未満の場合は処理Ｓ１０２に戻り、上記の処理を繰り返す。なお、登録候補として記憶する処理Ｓ１１０はパターン抽出処理Ｓ１０４の直後に実施しても同様である。

次に、獲得したＮ個の登録候補パターンの中から、実際に登録するパターンをＭ個選び出す処理（Ｓ１１４）を実施する（ただしＭ≦Ｎ）。選び出す基準として、Ｍ個のパターンの撮影位置が互いにより異なるものを選ぶようにする。これによって、指の位置ずれが広く吸収できるようになり認識率が向上する。また、有効なデータを残してその他を削減するため、登録データ量が削減され照合処理を高速化できる。この具体的な実施例に関しては前述の第６図から第９図で示した通りである。

最後に、上述の処理で選ばれたＭ個の登録パターンをその登録者の生体情報としてデータベースに格納する処理（Ｓ１１６）を実施する。但し、本実施例においては上記のように登録候補として撮像する過程において指の置き直しがなされていることが判定され、登録者提示する可能性のある複数の位置における画像が取得されているためＳ１１４，１１６のステップは省略して、登録候補を登録パターンとしても良い。

又、本実施例で示したＮとＭの値は予め所定の値を設定しておいても良いし、利用者が自由に選択できるように可変としてもよい。またＭの値については、Ｎ個のデータ間で類似性を算出し、該類似性が所定の範囲内にあるもの同士をグループに纏め、そのグループ数を目安として毎回システム側で自動的に決定しても良い。これにより、登録作業で獲得した複数の静脈パターンに対し、不要なパターンの登録を防ぐと共に必要なパターンの排除を防止できる。さらにこの場合、Ｍの値が予め設定しておく最小値より低いと判定された場合は引き続き登録作業を実施し、十分な枚数が得られるまで登録者にパターンの提示を促すことができる。

また、上記の手順において、指が置かれること、指が外されることなどへの待ち処理に対し、タイムアウトを設定し登録処理をリセットすることも可能である。これにより、登録処理実施中に作業を中断した場合、光源２３が長時間に渡り点滅を繰り返し続けることを防止し、消費電力を抑えることが可能となる。また、部外者の指が不用意に登録されてしまうことを防ぐことができる。

以上のように、本実施例では、指の置き直しを要求することで、照合時に起こりうる自然な位置ずれを発生させ、その中で位置ずれを最も広くカバーできるパターンを選択し、登録データに反映させている。また置き直し動作は照合時の動作の感覚を掴むためにも有効で、操作練習の効果を有する。従って照合時のパターンを強く反映したパターンが登録時に獲得でき、認識率が高まる。

第１１図は、本認証装置における登録フローの他の実施の形態を示している。前記第１の実施の形態における、第５図に示される登録フローとの相違は、指が無いことを判定する処理が、指の位置ずれが発生したことを判定する処理（Ｓ３０６）に置き換えられた点である。

位置ずれに強い認証を実現するためには、生体の位置ずれを網羅した、複数の登録データを獲得することが重要となる。よって本実施例においては、指を装置上に置いたまま自由に移動してもらう、あるいはシステムの指示に合わせて移動してもらうなどにより、利用者に指のあらゆる位置を提示してもらうことなどで、位置の異なる複数の指画像を獲得できる。これらの複数の画像から、お互いに位置ずれ量の大きなパターンを選び出すことで、位置ずれの許容範囲が広い認証が実現できる。

本実施例では、認証処理部１０には、指１の位置ずれ量を測定する手段が含まれている。システムは登録者に異なる位置に指を設置するように要求する。この場合、登録者は実施例１のように毎回置きなおしても良いし、置いたまま位置をずらして提示しても良い。その間、認証処理部１０は連続的に静脈パターンを複数枚撮影する。指１を移動させることを促すメッセージは表示部１５やスピーカ１７などに示してもよく、また指の位置をどの方向にどれだけずらせば良いかを図示することなどにより視覚的に示し、登録者はその指示に合わせて提示できるようにしても良い。

例えば本実施例においては、指の長さ方向の位置ずれを考慮しているために、指の長さ方向に例えば根元から爪の先に向かって徐々に指をずらすように登録者に要求する。このすれば効率よく認証時に設置される可能性のある指長さ方向に異なる位置の複数の画像を取得することができる。もちろん、登録者に位置のずらし方については任せるようにし、該登録者がこの装置に提示しうる範囲での画像を取得を重視するような構成としても良い。

本実施例においては、認証処理部１０には、指１の位置ずれ量を測定する手段が含まれている。提示されたパターンが移動したかどうかを判定する方法として、特徴パターンを連続的に抽出し、時系列的に照合を行う。このときのパターンの位置ずれ量を計測し、位置がずれたかどうかを判定する。また、指載置部２５の表面にロータリーエンコーダなどの移動検出部を具備し、指１の移動を検出してもよい。特に前者の方法では、指の移動を検知するセンサを不用とし、装置コストを下げることができる。第１１図の複数枚の登録画像を連続的に取得するフローの途中に、Ｓ３０５とＳ３０６で示される、指位置が移動しているかを評価し判定するステップを設ける。よって、全く指の位置が動かされていない場合には登録フローの途中で登録者に指を移動させるように警告することができる。よって、複数枚の画像を取得した後に、Ｓ１１４の選択処理の結果、登録できる画像が所定数Ｍに到達しないという事態を事前に防止することが可能となる。又、本実施例では、指の置き直しを登録者に要求しないために、登録者は指を指載置部２５に置いたまま移動させるだけとなり、登録処理が高速化される。また又、本実施例によれば必ず異なった位置における画像を撮影することが可能となり、認証時の偶発的な指位置のばらつきをより広く吸収できる。

特許請求の範囲に記載した以外の本発明の観点の代表的なものとして、次のものがあげられる。

（１）生体を設置する載置面と、
上記生体に光を照射する光源と、
該生体を透過した光を撮像し登録画像候補として取得する撮像部と、
上記撮像された登録画像候補の画像から血管パターンを抽出する処理部とを有し、
上記処理部は該複数の抽出された血管パターン間の位置ずれを算出し、該複数の撮像画像から互いの位置ずれの大きくなるような所定枚数の血管パターンを登録パターンとして決定することを特徴とする生体情報処理装置。

（２）複数の生体の撮像画像を取得する入力部と、
上記複数の生体の撮像画像から血管パターンを抽出する処理部とを有し、
第１の上記撮像画像から得られた第１の血管パターンと第２の上記撮像画像から得られた第２の血管パターンとの位置ずれと、第１の上記撮像画像から得られた第１の血管パターンと第３の上記撮像画像から得られた第３の血管パターンとの位置ずれと、第２の上記撮像画像から得られた第２の血管パターンと第３の上記撮像画像から得られた第３の血管パターンとの位置ずれとを比較し、該位置ずれが最大となる組の上記２つの血管パターンを認証用の登録パターンとして登録することを特徴とする生体情報処理装置。

（３）前記生体が設置されたかを検知する検知部を有し、
前記処理部は、前回の登録画像候補の撮像後に前記検知部によって該生体が該設置面から離れたかを判定し、
該生体が離れたと判定後に再度設置された生体を透過した光を撮像した画像を新たな上記登録画像候補とすることを特徴とする（１）に記載の生体情報処理装置。

（４）前記処理部は、撮像された画像から抽出された血管パターンが前回の撮像された登録画像候補からの血管パターンの位置とずれているか判定し、ずれていると判定された場合に該画像を新たな登録画像候補とすることを特徴とする（１）に記載の生体情報処理装置。

（５）前記生体が指であることを特徴とする（１）乃至（４）の何れかに記載の生体情報処理装置。

（６）前記位置ずれ量は前記指の長手方向の位置ずれ量であることを特徴とする（５）に記載の生体情報処理装置。

（７）上記処理部は、前記登録画像候補を取得すると、該生体を前記載置置面に置き直す旨の指示を出力することを特徴とする（３）に記載の生体情報処理装置。

（８）前記処理部は、前記複数の登録画像候補から抽出した血管パターンから、互いに最も位置が離れている一対の血管パターンと、該一対の血管パターンの中間に最も近く位置する血管パターンとを前記登録パターンとして決定することを特徴とする（１）、（３）、（４）、（５）乃至（７）の何れかに記載の生体情報処理装置。

（９）上記処理部は、新たに取得した生体の撮像画像から抽出された血管パターンと上記複数の登録パターン各々とを照合することで個人認証を行うことを特徴とする（１）乃至（８）の何れかに記載の生体情報処理装置。

（１０）装置に提示された生体に光を照射し、
該生体を透過した光を撮像することで複数の撮像画像を取得し、
上記複数の撮像画像から血管パターンを抽出し、
上記血管パターンを用いて上記複数の撮像画像間の位置ずれ量を算出し、
互いの上記位置ずれ量が大きくなるような所定枚数の血管パターンを選択し、
該選択された血管パターンを個人認証に用いる登録データとして記録することを特徴とする生体情報処理プログラム。

（１１）装置に提示された生体に光を照射し、
該生体を透過した光を撮像することで撮像画像を取得し、
該撮像画像取得後に上記生体が該装置から離れて再度提示されたことを検知し、
上記検知後に該生体を透過した光を撮像することで新たな撮像画像を取得し、
上記複数の撮像画像から血管パターンを抽出し、
上記血管パターンを個人認証に用いる登録データとして記録することを特徴とする生体情報処理プログラム。

（１２）前記撮像画像取得の際に、前記生体が装置から離れたかを判定してから新たな撮像画像を取得することを特徴とする（１０）に記載の生体情報処理プログラム。

（１３）前記撮像画像取得の際に、前記生体の該装置への設置位置がずれたかを判定してから新たな撮像画像を取得することを特徴とする（１０）に記載の生体情報処理プログラム。

本発明は、ＰＣ、携帯端末、ＡＴＭ、自動車又は入退室管理等に搭載される個人認証装置に利用できる。

本発明の第１の実施の形態の認証システムの構成図である。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部のメモリのブロック図である。 本発明の第１の実施の形態の入力装置の正面図である。 本発明の第１の実施の形態の入力装置の側面図である。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部の登録処理のフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部の登録データ選択処理のフローチャートである。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部の登録データ選択処理の説明図である。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部の登録データ選択処理の説明図である。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部の登録データ選択処理の説明図である。 本発明の第１の実施の形態の認証処理部の認証処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施の形態の認証処理部の登録処理のフローチャートである。

符号の説明

１・・・指
２・・・入力装置
９・・・撮像装置
１０・・・認証処理部
１１・・・ＣＰＵ
１２・・・メモリ
１３・・・インタフェース
１４・・・記憶装置
１５・・・表示部
１６・・・入力部
１７・・・スピーカ
１８・・・画像入力部
２３・・・光源
２５・・・指載置面
２７・・・開口部
３１・・・アクリル板
３３・・・傾斜部
３５・・・光照射口
３７・・・光源保護用アクリル板
３９・・・関節位置規定印
４１・・・指載置位置印
４３・・・ガイド用ランプ
４５・・・ミラー
１２１・・・指検知プログラム
１２２・・・光量制御プログラム
１２３・・・特徴抽出プログラム
１２４・・・特徴照合プログラム
１２５・・・登録データ選択プログラム
１４２・・・登録データセット

Claims (8)

1. 生体の一部を設置する載置面と、
   前記生体の一部に光を照射する光源と、
   前記光源から照射され該生体の一部を透過した光を繰り返し撮像し、登録画像候補として取得する撮像部と、
   前記撮像された登録画像候補から血管パターンを抽出する処理部と、
   前記生体の一部が前記載置面へ設置されたかを検知する検知部と、を有し、
   前記検知部は、前記登録画像候補が撮像された後に、前記生体の一部が前記載置面から離れたか、及び前記載置面へ設置されたかを検知し、
   前記処理部は、
   前記検出部により、前記生体の一部が前記載置面から離れたことを検知した後、所定時間内に前記生体の一部が前記載置面へ設置されたことを検知した場合に、該生体の一部と同一部位が再度設置されたと判定し、前記生体の一部を透過した光を撮像した画像を新たな前記登録画像候補とし、
   前記処理部は、該複数の抽出された血管パターン間の位置ずれを算出し、
   前記位置ずれと前記血管パターンの夫々の類似度に基づいて、該複数の撮像画像から互いの位置ずれが大きくなるような所定枚数の血管パターンを登録パターンとして決定することを特徴とする生体情報処理装置。
2. 前記血管パターンのうち、第一の血管パターンと第二の血管パターンとの位置ずれと、前記第一の血管パターンと第三の血管パターンとの位置ずれと、第二の血管パターンと第三の血管パターンとの位置ずれとを比較し、該位置ずれが最大となる組の二つの血管パターンを前記登録パターンとして決定することとを特徴とする請求項１に記載の生体情報処理装置。
3. 前記処理部は、前記複数の登録画像候補から抽出した血管パターンから、互いに最も位置が離れている一対の血管パターンと、該一対の血管パターンの中間の最も近くに位置する血管パターンとを前記登録パターンとして決定することを特徴とする請求項１に記載の生体情報処理装置。
4. 前記生体の一部が指であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の生体情報処理装置。
5. 前記位置ずれの量は前記指の長手方向の位置ずれ量であることを特徴とする請求項４に記載の生体情報処理装置。
6. 前記処理部は、前記登録画像候補を取得すると、該生体を前記載置面に置き直す旨の指示を出力することを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の生体情報処理装置。
7. 前記処理部は、新たに取得した生体の撮像画像から抽出された血管パターンと前記複数の登録パターン各々とを照合することで個人認証を行うことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の生体情報処理装置。
8. 前記光源は、前記載置面よりも下方に設置されることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の生体情報処理装置。