JP6987380B2

JP6987380B2 - 生体検知装置

Info

Publication number: JP6987380B2
Application number: JP2017163771A
Authority: JP
Inventors: 忠彦前田; 主匡飯島; 佑磨大矢
Original assignee: Ritsumeikan Trust
Current assignee: Ritsumeikan Trust
Priority date: 2017-08-28
Filing date: 2017-08-28
Publication date: 2021-12-22
Anticipated expiration: 2037-08-28
Also published as: JP7168259B2; JP2019037664A; JP2022002730A

Description

本発明は、検知対象物が生体であるか否かを判定する生体検知装置に関する。

指紋認証や静脈認証などの生体認証技術は、本人しか持ち得ない情報を利用するため、従来のＩＣカードやパスワードによる認証と比較し、利便性やセキュリティが高い。しかしながら、他者の生体情報を模擬した物理的な偽装物を用いた「なりすまし」被害が懸念されるため、生体認証技術に加えて、生体と偽装物を判別するための生体検知技術を併用することが重要である。

そこで本発明の発明者の１人は、ＣＳＲＲ（Complementary Split-Ring Resonator：補対型（相補型）スプリットリング共振器）構造をマイクロストリップ線路の地板上に２組直列に配置したＢＰＦ（Band-pass Filter：帯域通過フィルタ）（ＣＳＲＲ−ＢＰＦ）を生体検知センサとして用い、そのＣＳＲＲ−ＢＰＦに被検体の検知対象部位を近接または当接させた際の電磁波応答特性を測定し、その測定値と生体の基準値から算出される平均差と類似度という２つの評価指標を用いて、検知対象部位が生体か偽装物かを判別する生体検知装置を既に報告している（特許文献１）。

特開２０１５−２１１７９８

上述の生体検知装置は、一定の精度で生体か偽装物かを判定し得るものであった。しかし、人体指表面部の皮膚の電気定数を模擬した皮膚ファントムのような人体に近い特性を持つ薄い偽装物については、誤検知を完全に無くすことは出来ず、更なる誤検知の低減と検知精度の向上が必要とされていた。

誤検知の要因としては、上述の生体検知装置において生体検知センサとして用いていたＣＳＲＲ−ＢＰＦは２組のＣＳＲＲ構造が直列に配置された構造であったため、検知対象部位である指または偽装物を添付した指でＣＳＲＲ−ＢＰＦの載置領域であるＣＳＲＲ部を覆う際、密着性の不完全さによるばらつきが出てしまうことがその一因であると考えられた。従って、生体検知センサの検知対象部位の載置領域を削減できれば、検知対象部位と生体検知センサとの密着性を安定的に確保することができ、誤検知の低減につながることが予想されたため、生体検知センサをより小型化することが求められていた。

また一方で、上述の生体検知装置において生体と偽装物の判別に用いていた平均差と類似度という２つの評価指標についても見直す必要があった。同一検体の同一の検知対象部位であっても上述のようにＣＳＲＲ部を覆う際のばらつき等により電磁波応答特性の測定値は一定の分散を持つが、類似度はこの分散を許容しない評価指標であることが上述の誤検知の一因であると考えられた。従って、類似度に代えて、偽装物の添付がない場合の電磁波応答特性の分散を許容し、一方で偽装物を添付した場合の電磁波応答特性の変化を強調抽出することができるような新たな評価指標を導入することが必要であった。また、平均差についてもより判別精度が向上するように改善することが求められていた。

本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、測定時のばらつきを低減できるように生体検知センサをより小型化すること、また一方で、測定時のばらつきを許容できるような新たな評価指数を導入することで、従来よりも判別精度が向上した生体検知装置を提供することを目的とするものである。

被検体の検知対象部位に応じて所定の中心周波数に設計されたスプリットリング共振器を有する帯域通過フィルタと、電磁波を発生させ、前記検知対象部位を前記帯域通過フィルタに近接又は当接させた際の所定の周波数帯域の電磁場応答特性を測定する測定部と、前記測定部で測定された前記電磁場応答特性の測定値と、生体の電磁場応答特性の基準値と、を用いて評価値を算出する評価値算出部と、前記評価算出部で算出された前記評価値に基づいて、前記検知対象部位が生体であるか否かを判定する生体判定部と、を備える生体検知装置であって、前記帯域通過フィルタが、大小２つのスプリットリング共振器が同軸上に内側と外側と、でスプリット部が逆になるように配置された補対型（相補型）スプリットリング共振器を、２組同軸上に、内側に配置された補対型（相補型）スプリットリング共振器の幅、リング長、及びスプリットの幅が、外側に配置された補対型（相補型）スプリットリング共振器の幅、リング長、及びスプリットの幅よりそれぞれ狭くなるように配置した構造を有すること、を特徴とする。

本発明に係る生体検知装置によれば、ＣＳＲＲ−ＢＰＦがＣＳＲＲを同軸上に２組配置された構造を有しているため、従来のＣＳＲＲが直列に２組配置された構造と比べ、検知対象部位によってＣＳＲＲ部を覆う際の載置領域を削減できるため、電磁波応答特性を測定する際のばらつきが軽減し、それによって検知対象部位が生体か否かを判定する精度が向上する。

本発明の実施形態に係る生体検知装置の一例を示す概略ブロック図である。本発明の実施形態に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦの一例を示す概略模式図であって、（ａ）は上面側を示しており、（ｂ）は底面側を示している。本発明の実施形態に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦの一部を示す拡大模式図であって、（ａ）は図２における二点鎖線で囲ったＡ部を示しており、（ｂ）は図２における二点鎖線で囲ったＢ部を示している。本発明の実施形態に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦ及び従来の２組のＣＳＲＲが直列に配置されたＣＳＲＲ−ＢＰＦの通過特性｜Ｓ２１｜を示すグラフである。本発明の実施形態に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦと、従来の２組のＣＳＲＲが直列に配置されたＣＳＲＲ−ＢＰＦを比較するために行った実験結果を示すグラフである。（ａ）が本発明の実施形態に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦに関するグラフであり、（ｂ）が従来の２組のＣＳＲＲが直列に配置されたＣＳＲＲ−ＢＰＦに関するグラフである。本発明の実施形態に係る第１の評価値αと、従来の評価値である類似度を比較するために行った実験結果を示すグラフである。（ａ）が本発明の実施形態に係る第１の評価値αに関するグラフであり、（ｂ）が従来の評価値である類似度に関するグラフである。本発明の実施形態に係る第２の評価値βと、従来の評価値である平均差を比較するために行った実験結果を示すグラフである。（ａ）が本発明の実施形態に係る第２の評価値βに関するグラフであり、（ｂ）が従来の評価値である平均差に関するグラフである。

本発明に係る生体検知装置の実施形態について、以下、図面を参照しつつ説明する。上述した特許文献１と同様に、本発明に係る生体検知装置１は、偽造物による「なりすまし」行為を防止するために、被検体となる人体の検知対象部位が生体であるか否かを判定するものであって、主に指紋認証や静脈認証等の生体認証装置と併用されるものである。本発明に係る生体検知装置１は、図１に示すように、ＣＳＲＲ（Complementary Split Ring Resonator：補対型（相補型）スプリットリング共振器）が配置されたＢＰＦ（Band Pass Filter：帯域通過フィルタ、以下ではＣＳＲＲ−ＢＰＦとする）２と、検知対象部位をＣＳＲＲ−ＢＰＦ２に近接または当接させた際の電磁波応答特性を測定する測定部３と、測定部３によって測定された電磁波応答特性を用いて、生体判定のための演算処理等を行うコンピュータ４とを備えている。本発明に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦ２は、図２及び図３に示すように、ＣＳＲＲが同軸上に２組配置された構造を有することを特徴としている。ＣＳＲＲは、大小２つのスプリットリング共振器（ＳＲＲ）が内側と外側とでスプリット部が逆になるように同軸上に配置されたものであって、図３に示すように、ＳＲＲ２１とＳＲＲ２２のペアが１組のＣＳＲＲ２３であり、ＳＲＲ２４とＳＲＲ２５のペアが１組のＣＳＲＲ２６である。各ＣＳＲＲにおいては、外側と内側のＳＲＲの幅及びその２つのＳＲＲ間の幅が等しく、また、スプリットの幅も等しくなっている。例えば、ＣＳＲＲ２３の場合では、ａ１３、ａ１４及びａ１５の寸法が等しく、また、ａ９及びａ１２の寸法が等しい。また、本実施形態では、図１に示すようにＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を１つだけ配置した例を示しているが、複数配置することで、被検体の複数の検知対象部位の電磁波応答特性を同時に測定できるようにしたり、複数の被検体の検知対象部位の電磁波応答特性を同時に測定できるようにしてもよい。

ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２は、被検体（人体）の検知対象部位の得たい情報に応じて所定の中心周波数に設計されるものであって、近接する媒質の影響を強く受けるＣＳＲＲを有している。ＣＳＲＲに媒質を近接させると、その媒質の影響でＣＳＲＲ−ＢＰＦ２近傍の電磁界の分布が変化するため、その媒質の深さ方向に対する電磁界の応答、つまり電磁波応答特性を得ることが出来る。

検知対象部位としては、例えば、静脈認証や指紋認証を行う人体指等がある。人体指は中心である骨の周りを筋肉、脂肪、及び皮膚が層状化された構造であると考えられる。各層の体積比を用いて近似的な均一媒質となる人体指を定義することで、その比誘電率と導電率を基に人体指の表皮深さを算出すると、６ＧＨｚでは約１０ｍｍ、１０ＧＨｚでは約５ｍｍ、１６ＧＨｚでは約２．５ｍｍとなり、高周波になるにつれて人体指の深さ方向に浸透する電磁界は減衰する。従って、静脈認証と併用する生体検知装置１のＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を設計する場合、静脈認証は３次元分布する血管パターンを認証情報とし、偽装物はその血管パターンを模した立体的な構造物であると考えられるため、人体指全体の特徴を反映した電磁波応答特性を取得できる低周波側を中心周波数とするのが有効であると考えられる。一方で、指紋認証と併用するＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を設計する場合、指紋認証は人体指先端の表面の紋様を認証情報とし、偽装物はその紋様を模した薄膜で、それを人体指の表面に装着して使用すると考えられるため、人体指の表面の特徴を反映した電磁波応答特性を取得できる高周波側を中心周波数とするのが有効であると考えられる。また、検知対象部位は指だけに限らず、他の部位でもよく、その場合、その部位で適切な特性を得ることができる周波数を中心周波数としてＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を設計すればよい。

本実施形態では、特許文献１と同様に、指紋認証と併用する生体検知装置１を想定し、中心周波数を１０ＧＨｚとしてＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を設計した。その構造を図２に示す。図２（ａ）は上面側から見た図であり、図２（ｂ）は底面側から見た図である。また、図３は、図２におけるＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の一部を拡大した図であって、図３（ａ）は図２（ａ）における二点鎖線で囲ったＡ部を示した図であり、図３（ｂ）は図２（ｂ）における二点鎖線で囲ったＢ部を示した図である。上述のように、１０ＧＨｚにおける人体指の表皮深さは約５ｍｍで、人体指の厚さを約１０ｍｍと仮定したときにその半分程度となるため、中心周波数を１０ＧＨｚで設計したＣＳＲＲ−ＢＰＦ２では、人体指の表面から半分程度までの深さ方向の構造の影響を反映した電磁波応答特性を取得できると考えられる。人体指は層状構造であるため、人体指の半分までの深さまでの電磁波応答特性であっても、表面の皮膚から脂肪、筋肉、そして中心の骨までが含まれるため、これらの人体指特有の構造の影響が反映された電磁波応答特性が取得することが期待できる。従って、中心周波数を１０ＧＨｚで設計したＣＳＲＲ−ＢＰＦ２は、表面部分の影響を比較的強く受けつつ、人体指特有の影響も反映した電磁波応答特性を取得できるため、指紋認証と併用するのに適する。

このＣＳＲＲ−ＢＰＦ２は、例えば、特許文献１のＣＳＲＲ−ＢＰＦと同様に、基板として誘電体基板であるガラス硬化性ＰＰＯ樹脂Ｒ−４７２６（比誘電率ε_γ＝３．４、誘電正接ｔａｎδ＝０．００５、基板厚：１．０ｍｍ）を用いることが出来る。この誘電体基板の表面には両面に銅箔が張り付けられており、図２に示すように伝送線路とＣＳＲＲ構造を切削することで作製できる。図２及び図３のハッチングを施している部分が銅箔である。また、本実施形態における中心周波数を１０ＧＨｚとして設計したＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の各部の寸法の一例は、図２及び図３において、ａ１＝２６．０ｍｍ、ａ２＝１９．５ｍｍ、ａ３＝１０．６ｍｍ、ａ４＝４．８ｍｍ、ａ５＝１０．６ｍｍ、ａ６＝７．３５ｍｍ、ａ７＝４．８ｍｍ、ａ８＝７．３５ｍｍ、ａ９＝０．４ｍｍ、ａ１０＝０．２ｍｍ、ａ１１＝０．２ｍｍ、ａ１２＝０．４ｍｍ、ａ１３＝０．４ｍｍ、ａ１４＝０．４ｍｍ、ａ１５＝０．４ｍｍ、ａ１６＝０．３ｍｍ、ａ１７＝０．２ｍｍ、ａ１８＝０．２ｍｍ、ａ１９＝０．２ｍｍ、ｂ１＝１１．６ｍｍ、ｂ２＝１１．６ｍｍ、ｂ３＝８．５５ｍｍ、ｂ４＝２．４ｍｍ、ｂ５＝８．５５ｍｍ、ｂ６＝０．４ｍｍ、ｂ７＝１．２ｍｍ、ｂ８＝１．２ｍｍ、ｂ９＝１．６ｍｍ、ｂ１０＝１．６ｍｍである。電磁波応答特性を測定する際、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２のＣＳＲＲ部を検知対象部位で覆う必要があるが、従来の特許文献１に記載されているＣＳＲＲが２組直列に配置された構造を有するＣＳＲＲ−ＢＰＦの場合は、本実施形態と同様に中心周波数が１０ＧＨｚの設計では、２組のＣＳＲＲの端から端までの長さが６．３ｍｍであるのに対して、本実施形態では、１か所の４．８ｍｍ四方の正方形の中に２組のＣＳＲＲが収まっており、従来よりもＣＳＲＲ部つまり載置領域は２４％の削減となっている。載置領域の削減は、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２に媒質を近接させた際の影響の差異を局所的に取得することを可能とし、媒質の密着不足に起因する誤検知の低減と検知精度の向上につながる。

また、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の両端に設けられるポートＰ１及びＰ２には、コネクタ（不図示）がそれぞれ設けられており、図１に示すように、同軸ケーブル５を介して、測定部３に接続されている。また、摩耗等によるＣＳＲＲの段差の平坦化、及び銅箔の腐食防止のために、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２上に厚さ０．２ｍｍ程度のポリプロピレンフィルムを設置するようにしてもよい。

測定部３は、例えば、ベクトルネットワークアナライザ等で構成されるものであって、測定のための電磁波を発生させてＣＳＲＲ−ＢＰＦ２に入射し、検知対象部位をＣＳＲＲ−ＢＰＦ２に近接または当接させた際の電磁波応答特性を測定する。電磁波応答特性としては、本実施形態のようにＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の入出力端子がＰ１とＰ２の２ポートの場合、ポートＰ１に入射してポートＰ２へ通過する通過特性Ｓ２１と、ポートＰ２に入射してポートＰ１へ通過する通過特性Ｓ１２と、ポートＰ１に入射してポートＰ１へ反射する反射特性Ｓ１１と、ポートＰ２に入射してポートＰ２へ反射する反射特性Ｓ２２との４つを取得することが出来る。

測定部３で測定される電磁波応答特性の測定値は、コンピュータ４へと入力される。コンピュータ４は、入力された電磁波応答特性の測定値を用いて、検知対象部位が生体であるか否かの生体判定のための演算処理等を行うものであり、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）６と、記憶部７と、演算処理部８と、表示部１０と、操作部１１等を備えている。またこれら各部は、図１に示すように、システムバス１２に接続され、このシステムバス１２を介して種々のデータ等が入出力されて、ＣＰＵ６の制御の下、種々の処理が実行される。

記憶部７は、測定部３から入力される電磁波応答特性の測定値を記憶することが可能であり、また、検知対象部位が生体であるか否かの生体判定を行うための処理プログラム等を格納している。本実施形態では記憶部７を備えているが、他の外部のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体を用いてもよい。

演算処理部８は、記憶部７に格納される処理プログラムに基づいて、ＣＰＵ６の制御の下、検知対象部位が生体であるか否かの判定を行うための演算処理等を行うものである。演算処理部８の評価値算出部８１で、検知対象部位の電磁波応答特性の測定値と、生体の基準値とを用いて評価値を算出し、その算出された評価値に基づいて演算処理部８の生体判定部８２で検知対象部位が生体であるか否かの判定を行う。

表示部１０は、例えば、液晶ディスプレイ等から構成されるものであって、生体判定結果等を表示するものである。表示部１０の代わりに、または、表示部１０と共に音声により生体判定結果を知らせるようにしてもよい。操作部１１は、マウスやキーボード等で構成されており、操作者が種々のデータ及び操作指令等の入力を行うために使用されるものである。尚、表示部１０と操作部１１をタッチパネルとして一体的に構成してもよい。

以下、この生体検知装置１による生体検知処理の流れについて説明する。まず、検知対象となる被検体が検知対象部位をＣＳＲＲ−ＢＰＦ２に近接または当接させる。その際、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２のＣＳＲＲ部を検知対象部位で覆うようにする。そして測定部３によって所定の周波数帯域における電磁波応答特性Ｓ（ｆ）を測定する。本実施形態では、指紋認証用に中心周波数を１０ＧＨｚで設計したＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を用い、検知対象部位は右手人差し指の第１関節から先の部分とし、電磁波応答特性には３ＧＨｚ〜１６ＧＨｚにおける通過特性Ｓ２１の絶対値｜Ｓ２１｜を用いる。ただそれに限らず検知対象部位にはどの指を用いてもよいし、指紋認証用でなければ指でない部分でもよい。その場合は得たい情報に応じた中心周波数でＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を設計すればよい。また、電磁波応答特性は通過特性｜Ｓ２１｜に限らず、他の通過特性｜Ｓ１２｜、反射特性｜Ｓ１１｜または反射特性｜Ｓ２２｜を用いるようにしてもよい。また、これらの複数を用いるようにしてもよい。また、電磁波応答特性を測定する周波数帯域についても、設計したＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の特性に応じて変更してもよい。

測定部３によって測定された電磁波応答特性の測定値Ｓ（ｆ）は、コンピュータ４へと入力される。コンピュータ４の演算処理部８の評価値算出部８１では、入力された測定値Ｓ（ｆ）と、生体の電磁波応答特性の基準値Ｔ（ｆ）とを用いて評価値を算出する。

生体の電磁波応答特性の基準値Ｔ（ｆ）は、評価値算出部８１で算出され、本実施形態では、測定値Ｓ（ｆ）と同様の測定条件で事前に複数回測定して記憶部７に記憶させておいた被検体の検知対象部位の電磁波応答特性の測定値を用いて、それらを周波数毎に平均化したものを基準値Ｔ（ｆ）として算出する。この時、基準値Ｔ（ｆ）の標準偏差σ（ｆ）も同時に算出する。基準値Ｔ（ｆ）の算出には、決まった一定回数の電磁波応答特性の測定値を用いてもよいが、用いる測定値の数が増えるほど基準値Ｔ（ｆ）の信頼性が上がって誤検知の低減につながると考えられるので、生体判定を行う毎に、生体判定後に生体であると判定された場合、その測定値Ｓ（ｆ）を記憶部７に記憶させて、次回以降の基準値Ｔ（ｆ）の算出に用いる測定値に加えていってもよい。その際、例えば、指紋認証と併用する場合、指紋認証で指紋が一致したと判定された後に生体検知装置１によって生体であるか否かの判定が行われると考えられるので、その指紋データに電磁波応答特性の測定値を紐づけして記憶部７に記憶させる等しておいてもよい。また、ここでは基準値Ｔ（ｆ）は電磁波応答特性の測定値を平均値化したものを用いているが、それに限定されず、中央値等の他の統計値を用いてもよい。また、ここでは基準値Ｔ（ｆ）の算出に、事前に測定しておいた被検体の検知対象部位の測定値を用いているが、検知対象部位以外の部位、例えば検知対象部位が右手人差し指であれば、その他の中指や薬指等の電磁波応答特性の測定値を用いてもよい。この場合は、記憶部７に基準値Ｔ（ｆ）算出のための測定値を記憶させておかずに、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２を複数配置して、検知対象部位の電磁波応答特性Ｓ（ｆ）の測定と同時に、基準値Ｔ（ｆ）に用いる非検知対象部位の電磁波応答特性を測定できるようにして基準値Ｔ（ｆ）を算出するようにしてもよい。また、被検体とは異なる複数人の検知対象部位の電磁波応答特性を事前に測定して測定値を記憶部７に記憶させておき、それらの測定値を用いて基準値Ｔ（ｆ）を算出してもよい。ただ、判別精度を向上させるためには、本実施形態のように同一被検体の同一検知対象部位の電磁波応答特性の測定値を用いて基準値Ｔ（ｆ）を算出することが好ましい。

評価値算出部８１では、評価値として下記の式（１）で表される第１の評価値αを算出する。ここで、ｋ（ｆ）は式（２）で表される基準値Ｔ（ｆ）と測定値Ｓ（ｆ）の差を基準値Ｔ（ｆ）の標準偏差σ（ｆ）で割った一致性指数であり、ｗ_ｖ（ｋ（ｆ））は式（３）で表される一致性指数ｋ（ｆ）に応じた重み付けを行う重み関数であり、ｐは所定のしきい値であり、ｗ_ｆ（ｆ）は周波数毎の重み付けを行う重み関数であり、ｆ_Ｌは使用する周波数帯域における下限、ｆ_Ｈは上限である。まず、式（２）及び式（３）によって一致性の重みｗ_ｖ（ｋ（ｆ））が算出される。一致性の重み関数ｗ_ｖ（ｋ（ｆ））は０から１までの値をとり、１に近いほど測定値Ｓ（ｆ）が基準値Ｔ（ｆ）に近いことを示す関数であって、測定値Ｓ（ｆ）と基準値Ｔ（ｆ）との差が、基準値Ｔ（ｆ）の標準偏差σ（ｆ）のｐ倍の範囲内であれば、一致性があるとして一致性の重みｗ_ｖ（ｋ（ｆ））＝１とし、それを超えると一致性がないとしてｗ_ｖ（ｋ（ｆ））＝０とする。同一被検体の同一検知対象部位であっても電磁波応答特性の測定値は完全に一致することはなく、測定時の発汗状態等の被検体のコンディションや検知対象部位のＣＳＲＲ−ＢＰＦ２への近接のさせ方等によって一定の分散を持つ。従って、測定値Ｓ（ｆ）が、基準値Ｔ（ｆ）と同一の被検体の同一の検知対象部位によるものであったとしても、基準値Ｔ（ｆ）から離れた値となることがあり、どの程度離れた範囲までの値を基準値Ｔ（ｆ）と同一であるとみなすかを決めるのがしきい値ｐである。本実施形態においてはｐ＝２．７を用いる。この値は、基準値Ｔ（ｆ）の算出に用いる複数回の被検体の検知対象部位の電磁波応答特性の測定値が正規分布に従うとした場合、測定値Ｓ（ｆ）が基準値Ｔ（ｆ）と同一の被検体及び検知対象部位であれば、その測定値Ｓ（ｆ）は９９．３％の確率でｗ_ｖ（ｋ（ｆ））＝１となる範囲に入ることを意味する。このしきい値ｐの値は、大きくしすぎた場合は偽装物の測定値Ｓ（ｆ）を基準値Ｔ（ｆ）と一致しているとみなしてしまう確率が上がり、小さくしすぎた場合は生体の測定値Ｓ（ｆ）を基準値Ｔ（ｆ）と不一致であるとみなしてしまう確率が上がるので、ｐ＝２．０から３．０までの値にするのが好ましい。また、本実施形態では一致性の重み関数ｗ_ｖ（ｋ（ｆ））の算出に式（３）を用いたが、それに限らず想定される偽装物の種類や厚さ等によって適切に設定することで判別精度の向上を図ることができる。そして式（１）によって、一致性の重みｗ_ｖ（ｋ（ｆ））に周波数毎の重みｗ_ｆ（ｆ）を乗じて使用する周波数帯域で相加平均した値を第１の評価値αとして算出する。ここで、周波数毎の重み付けを行う重み関数ｗ_ｆ（ｆ）は、生体と偽装物とで電磁波応答特性の差異があまり見られない周波数帯において評価値に与える影響を軽減して偽装物による差異を強調するために用いられ、想定される偽装物の種類や厚さ等によって適切に設定することで判別精度の向上を図ることができる。ｗ_ｆ（ｆ）は０から１までの値をとり、例えば、差異を強調したい周波数帯ではｗ_ｆ（ｆ）＝１、差異が小さく評価値に対する影響を無くしたい周波数帯ではｗ_ｆ（ｆ）＝０のようにすればよい。一致性の重み関数ｗ_ｖ（ｋ（ｆ））及び周波数毎の重み関数ｗ_ｆ（ｆ）は共に０から１までの値をとる関数であるため、第１の評価値αも０から１までの値をとる評価値であり、１に近い値となるほど測定値Ｓ（ｆ）が生体によるものである可能性が高いことを示す。

一方、従来は特許文献１に記載されているように、評価値として類似度を算出して用いていた。類似度（Similarity）は、下記の式（５）によって算出される。ここでＳ（ｆ）は測定部３で測定した電磁波応答特性の測定値、Ｔ（ｆ）は基準値、ｆ_Ｈは使用する周波数帯域の上限、ｆ_Ｌは下限であり、上述の第１の評価値αで用いたものと同様である。Ｓ_ｎｏｒｍ（ｆ）は、式（６）で表され、Ｓ_ｎｏｒｍ（ｆ）の最小値と基準値Ｔ（ｆ）の最小値が一致するように測定値Ｓ（ｆ）を正規化した値であり、Ｄ_ｎは、式（７）で表され、測定値Ｓ（ｆ）と基準値Ｔ（ｆ）との使用する周波数帯域における最小値の差である。これらの式からも分かるように、類似度は、基準値Ｔ（ｆ）の算出に用いる電磁波応答特性の測定値のばらつきが考慮されていないため、極めて薄い偽装物の場合、生体との差異が現れにくい評価値であった。それに対して本発明で算出する第１の評価値αは、上述のように、偽装物の添付がない生体の場合の電磁波応答特性の測定値のばらつきを許容し、一方で偽装物の添付がある場合の電磁波応答特性の測定値の変化を強調抽出する評価値となっているため、極めて薄い偽装物に対しても判別精度が向上している。

また、評価値算出部８１は、第１の評価値αに加えて、下記の式（４）で表される第２の評価値βを評価値として算出する。第２の評価値βは、特許文献１に記載のように従来評価値として用いられていた下記の式（８）で表される平均差（Mean Difference, ＭＤ）に周波数毎の重み関数ｗ_ｆ（ｆ）を導入したものである。平均差は、測定値Ｓ（ｆ）と基準値Ｔ（ｆ）におけるグラフ曲線の差異を平均的に判定する評価値であり、０に近い値であるほど測定値Ｓ（ｆ）は生体によるものである可能性が高く、大きな値であるほど測定値Ｓ（ｆ）は偽装物によるものである可能性が高いことを示す。

生体判定部８２では、評価値算出部８１で算出された第１の評価値αと、第２の評価値βとの２つの評価値に基づいて、検知対象部位が生体であるか否かの判定を行う。生体判定部８２では、例えば、第１の評価値α及び第２の評価値βに対して、それぞれしきい値を設定しておき、それぞれのしきい値内に第１の評価値αと第２の評価値βが入っているか否かを判定することにより生体であるか否かを判定する。つまり、評価値算出部８１で算出された第１の評価値αと第２の評価値βが共にしきい値内にある場合には、検知対象部位が生体であると判定し、それ以外の場合には、検知対象部位が生体でないと判定する。尚、第１の評価値αと第２の評価値βの一方だけを用いて生体判定を行うようにしてもよいが、より判別精度を向上させるためには、第１の評価値αと第２の評価値β等の２つの評価値を用いることが好ましい。

以上が本実施形態に係る生体検知装置１による生体検知処理の流れであるが、以下、従来の特許文献１に記載の生体検知装置からの改良点である、本発明に係る生体検知装置１のＣＳＲＲ−ＢＰＦ２、及び評価値算出部８１で算出する第１の評価値αと第２の評価値βによって、従来と比べてどれだけ判別精度が向上するか評価するための実験を行ったのでその結果を示す。

まず、本発明に係るＣＳＲＲが２組同軸上に配置された構造を有するＣＳＲＲ−ＢＰＦ２についての実験結果を示す。本発明のＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の構造は図２及び図３に示す通りである。従来のＣＳＲＲが２組直列に配置された構造を有するＣＳＲＲ−ＢＰＦでは、検知対象部位の電磁波応答特性を測定する際に、直列に並んだ２組のＣＳＲＲの両方を検知対象部位で覆うようにしなければならなかったが、本発明に係るＣＳＲＲ−ＢＰＦ２では２組のＣＳＲＲが１か所に配置されているため、検知対象部位で覆いやすくなっている。また、上述したように、本発明の中心周波数を１０ＧＨｚで設計したＣＳＲＲが２組同軸上に配置された構造を有するＣＳＲＲ−ＢＰＦ２（同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２）のＣＳＲＲ部の寸法は４．８ｍｍ四方であるのに対して、従来の中心周波数を１０ＧＨｚで設計したＣＳＲＲが２組直列に配置された構造を有するＣＳＲＲ−ＢＰＦ（直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ）では２組のＣＳＲＲ部の端から端までの寸法は６．３ｍｍであり、検知対象部位の載置領域は約２４％の削減となった。

また、本発明の同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２と従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦの通過特性｜Ｓ２１｜の測定結果を図４に示す。実線が本発明の同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の測定結果であり、帯域幅はおおよそ４ＧＨｚ〜１６ＧＨｚの１２ＧＨｚである。点線が従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦの測定結果であり、帯域幅はおおよそ８ＧＨｚ〜１２ＧＨｚの４ＧＨｚである。動作周波数帯が広域化していることが分かる。

さらに、本発明の同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２及び従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦを用いた生体検知実験の結果を図５に示す。２０名の被検体に対して、人体指として偽装物の添付のない右手人差し指を用いて１名につき１０回ずつ測定し、偽装指として偽装物である人体指表面部の皮膚の電気定数を模擬した厚さ０．３ｍｍの皮膚ファントムをシート状に加工したものを右手人差し指に貼り付けて１名につき５回ずつ測定した。ここで、評価値算出部８１で算出する評価値には、従来の類似度と平均差を用いた。これは本発明によるＣＳＲＲ−ＢＰＦ２によってどれだけ判別精度が向上するかを従来のものと比較評価するためである。また基準値Ｔ（ｆ）には全被検体の人体指の５回の測定値を平均化した値を用い、検知対象の測定値Ｓ（ｆ）には基準値Ｔ（ｆ）の算出に用いなかった５回の人体指の測定値と偽装指の測定値を使用した。また、図４より本発明の同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２は１６ＧＨｚにおいて通過特性｜Ｓ２１｜が最小であったため、類似度の算出に使用する最小値を検索する周波数帯域を５〜１６ＧＨｚとして計算した。本発明及び従来のどちらもＣＳＲＲ−ＢＰＦの表面に厚さ０．２ｍｍのポリプロピレンフィルムを配置して測定を行った。図５（ａ）が本発明の同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２による結果であり、縦軸に類似度、横軸に平均差をとり、中抜きのプロットが人体指、黒塗りのプロットが偽装指を示す。図５（ｂ）が従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦによる結果であり、縦軸に類似度、横軸に平均差をとり、中抜きのプロットが人体指、黒塗りのプロットが偽装指を示す。図５を見ると、本発明の同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の方が、従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦよりも人体指と偽装指のプロットが分離されていることが分かるが、より定量的に評価を行うため、偽装物を生体と判定する割合（False Acceptance Rate, ＦＡＲ）を０％とした際の生体を偽装物と判定する割合（False Rejection Rate, ＦＲＲ）と、ＦＲＲを０％とした際のＦＡＲと、ＦＡＲとＦＲＲが等しくなる値（Equal Error Rate, ＥＥＲ）を用いて評価した。その結果を以下の表１に示す。ここで、ＦＡＲを０％とした際のＦＲＲというのは、測定に用いた偽装指を全て受け入れないしきい値を設けた際に、人体指が受け入れられない割合を示す。具体的には、偽装指の平均差の最小値及び類似度の最大値をしきい値とし、偽装指の平均値の最小値以下かつ類似度の最大値以上の領域に入らない人体指の割合である。また、ＦＲＲを０％とした際のＦＡＲというのは、測定に用いた人体指を全て受け入れるしきい値を設けた際に、偽装指を受け入れてしまう割合を示す。具体的には、人体指の平均差の最大値及び類似度の最小値をしきい値として、人体指の平均差の最大値以下かつ類似度の最小値以上の領域に入ってしまう偽装物の割合である。これらの指標は低ければ低いほど判別精度が高いことを示す。表１より、本発明による同軸型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦ２の方が従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦよりもＦＲＲ（ＦＡＲ＝０％）、ＦＡＲ（ＦＲＲ＝０％）、ＥＥＲの全てにおいて有意性のある結果が得られ、判別精度が向上していることが分かる。

次に、本発明に係る評価値算出部８１で算出する第１の評価値αを評価するための実験の結果を図６に示す。ここでは本発明の第１の評価値αと、従来の評価値である類似度の比較を行い、第１の評価値αによってどれだけ判別精度が向上するか評価するため、ＣＳＲＲ−ＢＰＦ２には従来と同様の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦを用いた。第１の評価値αは上述のように式（１）から式（３）によって算出され、ここではしきい値ｐはｐ＝２．７、周波数毎の重みｗ_ｆ（ｆ）は使用する周波数帯域全域においてｗ_ｆ（ｆ）＝１とした。人体指に装着する偽装物としては、２２．０ｍｍ×１４．０ｍｍの寸法に加工した０．５ｍｍ厚の皮膚ファントムを使用した。図６（ａ）が本発明の第１の評価値αを用いた結果であり、縦軸に第１の評価値αを、横軸に平均差をとった。図６（ｂ）が従来の評価値である類似度を用いた結果であり、縦軸に類似度、横軸に平均差をとった。図６の中抜きのプロットは人体指、黒塗りのプロットは偽装指を示す。図６より、従来の評価値である類似度では、人体指はほぼ１に近い値であるのに対して、偽装指は最大値が０．９８８で、さらにほとんどが０．９以上の値になっているが、本発明の第１の評価値αでは、人体指はほぼ１に近い値であるのに対して、偽装指は最大値でも０．６９２となり、非常によく人体指と偽装指の区別が出来ており、判別精度が向上していることが分かる。

次に、本発明に係る評価値算出部８１で算出する第２の評価値βを評価するための実験の結果を図７に示す。こちらもＣＳＲＲ−ＢＰＦ２には従来の直列型１０ＧＨｚＣＳＲＲ−ＢＰＦを用いて測定した。上述したように、第２の評価値βは式（４）によって算出され、従来の評価値である平均差に、周波数毎の重みｗ_ｆ（ｆ）を導入した評価値である。人体指に装着する偽装物としては、２２．０ｍｍ×１４．０ｍｍの寸法に加工したシリコンゴムを使用した。特に０．１ｍｍ厚のシリコンゴムを偽装物として用いる場合は、通過特性｜Ｓ２１｜の高域において人体指との差異が小さくなる。このため１２ＧＨｚ以下の周波数帯域での偽装物による差異を強調するために、１２−１６ＧＨｚにおいてｗ_ｆ（ｆ）＝０とし、５−１２ＧＨｚにおいてｗ_ｆ（ｆ）＝１とした。図７（ａ）が本発明の第２の評価値βを用いた結果であり、横軸に第２の評価値βを、縦軸には第１の評価値αをとった。図７（ｂ）が従来の評価値である平均差を用いた結果であり、横軸に平均差を、縦軸には第１の評価値αをとった。図７を見ただけでは一見差異が分かりづらいので、定量的な評価を行うため、上述したＦＲＲを０％とした際のＦＡＲ、及びＦＡＲを０％とした際のＦＲＲを用いて評価した。その結果を以下の表２に示す。本発明による第２の評価値βを用いて適切な重みｗ_ｆ（ｆ）を導入することで、ＦＲＲ（ＦＡＲ＝０％）が５．２％から１．７％まで改善し、判別精度が向上していることが分かる。

以上より、本発明に係る生体検知装置１のＣＳＲＲ−ＢＰＦ２、及び評価値算出部８１で算出する第１の評価値αと第２の評価値βの全てにおいてそれぞれが、従来の特許文献１に記載の生体検知装置で用いられていたものよりも判別精度の向上に寄与しており、本発明に係る生体検知装置１を用いることで判別精度の高い生体検知を行うことができる。

尚、本発明の実施の形態は上述のものに限らず、本発明の思想の範囲を逸脱しない範囲で適宜変更することが出来る。

本発明に係る生体検知装置は、例えば、指紋認証や静脈認証等の個人生体認証技術に組み合わせて用いることで、信頼性の高い情報セキュリティ技術として有効に利用することができる。

１生体検知装置
２ＣＳＲＲ−ＢＰＦ
３測定部
７記憶部
８１評価値算出部
８２生体判定部

Claims

被検体の検知対象部位に応じて所定の中心周波数に設計されたスプリットリング共振器を有する帯域通過フィルタと、
電磁波を発生させ、前記検知対象部位を前記帯域通過フィルタに近接又は当接させた際の所定の周波数帯域の電磁場応答特性を測定する測定部と、
前記測定部で測定された前記電磁場応答特性の測定値と、生体の電磁場応答特性の基準値と、を用いて評価値を算出する評価値算出部と、
前記評価算出部で算出された前記評価値に基づいて、前記検知対象部位が生体であるか否かを判定する生体判定部と、を備える生体検知装置であって、
前記帯域通過フィルタが、大小２つのスプリットリング共振器が同軸上に内側と外側と、でスプリット部が逆になるように配置された補対型（相補型）スプリットリング共振器を、２組同軸上に、内側に配置された補対型（相補型）スプリットリング共振器の幅、リング長、及びスプリットの幅が、外側に配置された補対型（相補型）スプリットリング共振器の幅、リング長、及びスプリットの幅よりそれぞれ狭くなるように配置した構造を有すること、を特徴とする生体検知装置。