JPH0471079A - 画像の位置合わせ方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば指紋照合システム等に適用され、隆線
を含む画像同士の位置合わせの方法に関する。

〔従来の技術］ 従来の指紋照合において、分岐点、端点、曲率等の特徴
を照合すべきパラメタとして採用しており、その前提と
して、画像の２値化、芯線化が必要であった。また、照
合すべきサンプル画像とマスク画像は対応点が重なり合
うように位置合わせする必要があるが、従来法では上記
特徴点相互を重ね合わせの基準としており、特徴点を明
瞭に抽出しなければならなかった。従って、従来は、隆
線のくびれ、途切れ、雑音等の画質低下により、照合精
度が悪化した。すなわち、従来の指紋照合では、ミクロ
な特徴データの影響を受は易く、画像入力に関する制限
が厳しかった。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明はこのような従来の問題点を解消すべく創案され
たもので、サンプル画像の入力に対スる制約を大幅に緩
和し得る、図形隆線を含む画像の位置合わせ方法を提供
することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明に係る画像の位置合わせ方法は、被検査画像およ
び基準画像の各画素の濃度値を求め、被検査画像および
基準画像の各画素に関してそれぞれ、第１および第２の
方向に沿って隣接する画素との間の濃度値の変化を求め
、被検査画像および基準画像について、第１および第２
の方向に沿った濃度値の変化のヒストグラムを求め、第
１、第２の方向に関するヒストグラムにおける極値をと
る点を特徴点として採用し、この特徴点が相互に一致す
るように被検査画像および基準画像の位置合わせを行う
ことを特徴としている。

［作用］ 本発明に係る画像の位置合わせ方法において、入力画像
を濃淡画像のまま処理し、かつ大局的に基づいて位置合
わせするので、ミクロな特徴の影響をうけにくい。

〔実施例］ 以下図示実施例に基づいて本発明に係る画像の比較画像
を説明する。

第２図は本発明の画像比較方法を用いた指紋照合システ
ムを示す。指紋照合システムは画像入力装置１０および
照合処理装置２ｏを備え、画像入力装置１０において撮
影した画像を照合処理装置２０において比較処理する。

画像入力装置１ｏは直角プリズム１１に光源１２がら照
明光を入射し、その全反射光をＣＣＤカメラ１３で検出
する。プリズム１２はその斜面１４が検出面とされ、指
紋を検出すべき指ＦＩＮはこの斜面１４に接触させる。

指ＦＩＮを接触させない状態では、照明光は全て全反射
され、ＣＣＤカメラ１３では白一色の映像が検出される
。

そして第３図に示すように、指の接触面ＦＩＮ１（指紋
の山）においては、プリズム界面の屈折率が変化するた
め、照明光は全反射せずに界面を通過する。従って、指
紋の山の部分が濃淡を持つ暗線としてＣＣＤカメラに入
力される。

照合処理装置２０は画像処理部２１とカードリーダ２２
を有し、被検者がＩＤカード２３をカードリーダ２２に
挿入することにより、マスターデータが読み出され、画
像入力装置１０から取り込んだデータとの比較が行われ
る。この比較はコンピュータ２３によって行われ、比較
結果が表示部２４に表示されるとともに、比較結果が合
格（指紋一致）であったときには、アクチュエータ２５
を作動して、扉２６を解錠する。

なお、マスターデータの特定は、被検者がキーボードか
らＩＤ番号を入力する等積々の態様を採用し得る。

第４図は指紋の隆線の大局的方向を矢印で示したもので
ある。この大局的方向を示す指標として、発明者は各画
素の濃度値の偏微分値が最小となる方向のヒストグラム
を採用した。例えば領域Ｉに含まれる各画素の濃度値の
変化は、水平方向から反時計周りに４５°回転した方向
において、最小となる傾向が強いため、この領域の各画
素の濃度値の偏微分値はこの４５°の方向において最小
となる頻度が高い。したがって領域Ｉにおける画素の濃
度値の変化に関して第５図（１）に示すヒストグラムが
得られる。また領域■に含まれる各画素の濃度値の変化
は、水平方向から反時計周りに９０°回転した方向にお
いて、最小となる傾向が強いため、この領域の各画素の
濃度値の偏微分値はこの９０″の方向において最小とな
る頻度が高く、領域■における画素の濃度値の変化に関
しては、第５図（ＩＩ）に示すヒストグラムが得られる
。

このようなヒストグラムを得るため、次のような処理が
実行される。

まず、入力された指紋画像すなわちサンプル画像の各画
素について濃度値が求められる。一方、このサンプル画
像と比較される基準となる指紋画像すなわちマスター画
像については予め各西素毎に濃度値が求められ、コンピ
ュータ２３のメモリに記憶されている。

次に、各画素について、隣接する画素との間の濃度値に
関する偏微分値が求められる。なおここで、隣接する画
素とは、偏微分の対象となる画素に直接隣合う画素だけ
でなく、数個だけ離れた画素も含むものとする。偏微分
は、第６図に示すように、水平方向（番号ｌ）、水平方
向から反時計方向に２２．５°ずつ回転した方向（番号
２．３．４．５）、また水平方向から時計方向に２２．
５°ずつ回転した方向（番号６．７．８）に関して、す
なわち１５７．５″の範囲にわたって行われる。

ここで水平方向にＸ座標、垂直方向にＸ座標をとり、ま
た濃度値の変化量をΔｄとすると、偏微分値２は、 Δｄ Δχ＋Δｙ となる。

デジタル画像における偏微分は離散的であり、特に距離
要素に関しては、偏微分方向により比較的大きな距離を
採用する必要が生じる。しかし、距離が過大になると、
指紋の谷を越えて、すなわち、指紋の山から山に跨る微
分が行われ、指紋隆線の特徴が失われる。従って、距離
値としては、方向の精度を極力高めつつ微小量を採用す
べきである。また第２図の画像入力装置１０は、指紋を
斜め４５°の方向から観察するため、ＣＣＤカメラ１３
に入力される画像においてＸ方向の成分についての補正
を要する。この補正を考□慮した偏微分の距離として、
０°　（Δｘ＝２、Δｙ＝０）、２２．５°　（Δｘ＝
２、Δｙ＝１）、４５°　（Δｘ＝２、Δｙ＝２）、６
７．５°　（Δｘ＝２、Δｙ＝３）を用いて良好な結果
を得ている。

各画素について番号１〜８（第６図）の各方向に関する
偏微分値を計算する際、既に求められている偏微分値と
新しく求められた偏微分値とを比較して小さい方をメモ
リに記憶させておく。しかして、各方向についての偏微
分を行いつつ小さい方をメモリに記憶させていくと、８
方向についての計算が終了した時点でメモリには最小偏
微分値が格納されることとなる。この処理を全画素につ
いて行うことにより、全画素について最小偏微分値が求
められる。

次いで、再び各画素について番号１〜８の各方向に関す
る偏微分値を計算し、この偏微分値を既に求められてい
る最小偏微分値と比較する。そして、今求められた偏微
分値が最小偏微分値と一致した時、その時の偏微分値の
「方向１に対応する番号（第６図の番号１〜８）を画像
処理部のメモリに格納する。しかして、全画素について
偏微分値が最小となる方向が求められ、画像全体につい
て偏微分値が最小となる方向の分布が得られる。

このように濃淡画像から直接画像各部の方向成分を抽出
するので、原画像の情報を最大限に活用し得る。

さて、サンプル画像について最小偏微分値となる方向の
分布が得られると、これにより指紋の隆線の傾向が把握
可能であり、この方向の分布をマスター画像のものと比
較することによって指紋照合を行い得る。すなわち、各
画素毎に得られた最小偏微分値となる方向のデータを、
サンプル画像とマスター画像との間において、対応する
画像毎に比較する。しかし本実施例では、後述するよう
に画像を複数のブロックに分割し、各ブロックについて
最小となる方向に基づいた指標を求め、サンプル画像と
マスター画像について、この指標を用いて比較を行って
いる。これは、サンプル画像とマスター画像の比較を大
局的に行うためである。

なお、このように指紋画像をブロックに分割するのでは
なく、各画像毎に比較してもよい。すなわち、例えば８
０％以上の画素において上記方向が一致していれば、サ
ンプル画像とマスター画像が相互に一致していると判断
してもよい。

サンプル画像とマスター画像の比較に先立ち、これらの
画像の位置合わせが行われる。この位置合わせを第１図
を参照して説明する。

この図において指紋の隆線ＦＰは渦巻き状を呈しており
、したがって同じ濃度値の画素がこの渦巻きに沿って並
んでいる。ここで横方向をＸ方向、縦方向をＸ方向とす
る。隣接する画素間の濃度値の変化量をＸ方向に沿って
偏微分し、Ｘ方向における濃度値の変化率を求めると、
例えば符号Ｐの部分のように隆線がＸ方向に延びている
部分において大きく、また符号Ｑの部分のように隆線が
Ｘ方向に延びている部分において小さい。したがって濃
度値のＸ方向の偏微分値は、符号Ｒで示すように中央に
おいて最大となるヒストグラムを有する。同様に、Ｘ方
向における濃度値の変化率を求めると、符号Ｐの部分の
ように隆線がＸ方向に延びている部分において小さく、
また符号Ｑの部分のように隆線がＸ方向に延びている部
分において大きい。したがって濃度値のＸ方向の偏微分
値は、符号Ｓで示すように中央において最大となるヒス
トグラムを有する。

本実施例においては、Ｘ方向に沿った濃度値の変化に関
するヒストグラム（符号Ｓ）の最大値となる点（符号Ｔ
）をこの画像の中心点のＸ座標とし、またＸ方向に沿っ
た濃度値の変化に関するヒストグラム（符号Ｒ）の最大
値となる点（符号Ｕ）をこの画像の中心点のＸ座標とし
ている。このようにして得られた中心点は、図形そのも
のの中心ではなく、この画像の特徴の中心（以下これを
特徴点という）である。

サンプル画像とマスター画像の位置合わせに際しては、
この特徴点を一定の許容差をもって相互に重ね合わせる
。この許容差のとり方としては、サンプル画像、マスタ
ー画像を第７図のように領域分けし、１６Ｘ１６画素の
領域単位で、両画像の特徴点が含まれた領域相互を重ね
合わせる。なお、特徴点はその測定条件により座標値に
誤差を生じ、マスター画像と同一のサンプル画像を入力
したときに特徴点が重なり合わないことがある。

そこで、以下の一致度の評価の結果、サンプル画像とマ
スター画像が不一致であったときには、前記１６Ｘ１６
画素領域を上下左右に一個ずつシフトして一致度を評価
し直す。この再評価において一致度が所定値を越えたと
きには、その時点で「一致」の判断を行い、全方向のシ
フトで不一致と判断されたときには、サンプル画像はマ
スター画像と不一致であるという最終判断を行う。

第７図は、指紋画像４１をブロックに分割する方法を示
す。この画像４１は１５個のブロックＡ〜０に分割され
、各ブロックＡ〜０はさらに、１６×１６画素から成る
１６個の領域ａ　−ｐに分割されている。本実施例では
、各ブロックＡ〜０について、以下の特徴量を算出しサ
ンプル画像とマスター画像の比較を行う。

まず各領域ａ　−ｐ毎に全分散を算出する。全分散とは
本来、次の式によって定義されるものである。すなわち
、 全分散＝クラス間分散子クラス内分散 ＝ｓｉｎ”（θ／２　）＋（Ｖｍ十Ｖ　ｓ　）　／また
だし、θは各領域におけるマスター画像とサンプル画像
の最小偏微分値となる方向のずれの角度、Ｖｍはマスタ
ー画像の各領域におけるクラス内分散、Ｖｓはサンプル
画像の各領域におけるクラス内分散を示す。さて本実施
例では全分散ＲＥを、■から上記式によって定義される
全分散をひいたものとして定義している。すなわち本実
施例において、全分散ＲＥは、 ＲＥ　＝　１−５ｉｎ”（θ／２　）−（Ｖｍ＋Ｖ　ｓ
　）　／２＝ｃｏｓ”（θ／２）−（Ｖｍ＋Ｖｓ）／２
　　（１）と定義される。これによって、−政変が高い
程全分散が増加する傾向が得られる。

（１）式によって定義される全分散を求めるために、ま
ずマスター画像およびサンプル画像についてクラス内分
散Ｖｍ、Ｖｓを求める。これを第８図および第９図を用
いて説明する。第８図は方向コードに対する画素数のヒ
ストグラムを示し、第９図は方向コードの定義を示す。

すなわち、垂直上方を向く方向のコードを「１」と定め
、これから時計周りに２２．５°ずっ回転変位する毎に
方向コードは「２」、「３」　・・・　「８」と増加す
るものとする。

まず方向コード「１」を仮の中心点とし、各方向コード
毎に方向コード「１」に対する方向ずれを求める。すな
わち方向ずれは、方向コード「２」、「３」、「４」、
「５」、「６」、「７」、「８」に対して、それぞれ１
．２．３．４．３．２．１（第８図において括弧で示さ
れる数）となる。なお、方向コード「２」と「８」、「
３」と「７」、「４」と「６」において、それぞれ方向
ずれが同じであるのは、方向ずれが時計周りであるか反
時計周りであるかを考慮しないからである。

次に、各方向コードにおける画素数に、方向ずれの大き
さに応じた重みをかけ、その総和Ｔを求める。ここで重
みは、方向ずれの角度をθとすると、ｓｉｎ”θであり
、方向ずれがない場合は０．０、方向ずれが１の場合は
０，１５、方向ずれが２の場合は０．５、方向ずれが３
の場合は０．８５、方向ずれが４の場合は１．０である
。このように各方向コードの画素数に重みを乗じるのは
、クラス内分散に対する画素数の影響が仮中心点から離
れているものほど強くなると考えられるからである。

このようにして得られた総和Ｔ＠領域内の画素数２５６
で割った値がクラス内分散である。このクラス内分散は
、全ての方向コードを仮中心点として算出され、すなわ
ちひとつの領域について８個のクラス内分散が得られる
。次に、これらのクラス内分散の最小値を求め、この最
小値となるクラス内分散をその領域におけるクラス内分
散とする。また、この最小値となるクラス内分散に対応
する方向コードをその領域における方向コードとする。

しかして各領域ａ　−ｐ毎にクラス内分散と方向コード
が求まる。

次に、各領域ａ〜ｐのクラス内分散の平均値をとり、こ
れを対応するブロックＡ〜０のクラス内分散とする。こ
のようにして得られたクラス内分散が、上記（１）式に
おいて使用されるマスター画像およびサンプル画像のク
ラス内分散Ｖｍ、Ｖｓである。同様にして、各領域ａ−
ｐの方向コードの平均値をとり、これを対応するブロッ
クＡ〜○の方向コードとする。この方向コードが次に述
べるように、上記（１）式において使用される方向コー
ドである。

次に上記（１）式におけるｃｏｓ２（θ／２）、すなわ
ち方向ずれ度を算出する。これは、各ブロック毎に、マ
スター画像とサンプル画像の方向コードの差を求め、こ
の差に対応する角度をθとして計算する。

例えば、マスター画像とサンプル画像の方向コードの差
が１であれば、θは２２．５°であるから、方向ずれ度
は０．９６となる。同様に、差が２であれば、θは４５
°であるから、方向ずれ度は０゜８５、差が３であれば
、θは６７．５°であるから、方向ずれ度は０．６９、
差が４であれば、θは９０°であるから、方向ずれ度は
０．５となる。

以上のようにして得られた方向ずれ度（クラス間分散）
とクラス内分散Ｖｍ、ＶＳを用いて、上記（１）式から
各ブロックＡ〜０毎に全分散ＲＥが求められる。この全
分散ＲＥは、０と１の間で変化し、サンプル画像とマス
ター画像とのＷ４４Ｄの度合いが強いほど１に近くなる
。例えば、サンプル画像とマスター画像とがほぼ一致し
ている場合、全てのブロックＡ〜０について、全分散Ｒ
Ｅは０゜８以上の値となる。これに対し、サンプル画像
とマスター画像とが非類似の場合、多くのブロックＡ−
０において、全分散ＲＥは０．７未満の値となる。また
、サンプル画像とマスター画像とがほとんど一致してい
るが一部において類似していない場合、全分散ＲＥは、
はとんどのブロックにおいて、０．８以上の値となるが
一部のブロックにおいては０．７未満の数値となる。

次いで、各ブロックＡ−０毎に相互相関を算出する。こ
こに相互相関は次の式によって定義される。

ΣＸ　（θ１）ＸＸ（θｉ） ただしＣＯＲは相互相関、Ｘ（θ１）はサンプル画像に
おけるθｉ　（ｄｅｇ）方向の画素数、Ｘ（θｉ）はマ
スター画像におけるθｉ　（ｄｅｇ）方向の画素数であ
る。

この相互相関においても全分散の場合と同様に、まず各
領域ａ　−ｐ毎に算出し、その平均値を対応するブロッ
クの相互相関とする。相互相関は０と１の間で変化し、
サンプル画像とマスター画像との類似の度合いが強いほ
ど１に近くなる。

さらに、各ブロックＡ〜０毎にクラス間距離を算出する
。ここにクラス間距離は次の式により定義される。

Σ　（Ｘ　　（θ１）−Ｘ（θｉ））まただしＤＣはク
ラス間距離、Ｘ（θｉ）はサンプル画像におけるθｉ　
（ｄｅｇ）方向の画素数、Ｘ（θｉ）はマスター画像に
おけるθｉ　（ｄｅｇ）方向の画素数である。

このクラス間距離も全分散および相互相関と同様に、ま
ず各領域ａ−ｐ毎に算出し、その平均値を対応するブロ
ックのクラス間距離とする。クラス間距離は１と０の間
で変化し、サンプル画像とマスター画像との類（以の度
合いが強いはど０に近くなる。

以上のようにして、マスター画像とサンプル画像につい
て、各プロ・ンクＡ〜０毎に全分散、相互相関およびク
ラス間距離が算出される。マスター画像とサンプル画像
が実質的に一致していると判断されるためには、全ての
ブロックについて、例えば、全分散が０．７以上、相互
相関が０．９６以上、クラス間距離が０．１以下である
ことが必要である。換言すれば、ひとつのプロ・ンクで
もこれらの基準から外れていれば、サンプル画像はマス
ター画像とは異なるものであると判断される。

前述したように、サンプル画像とマスター画像が異なる
ものであると判断された場合、次にサンプル画像とマス
ター画像の相対位置が１領域分（第７図のａ−ｐ）だけ
横方向に変位せしめられ、そして上述したのと同様な方
法により、サンプル画像とマスター画像の比較が行われ
る。それでもこれらの画像が異なるものであると判断さ
れた場合、サンプル画像とマスター画像の相対位置が最
初の位置から反対方向に１領域分だけ変位せしめられ、
再び同様な方法によりサンプル画像とマスター画像の比
較が行われる。このようにサンプル画像とマスター画像
を相対的に横方向に変位させても、なおこれらの画像が
異なると判断された場合、今度はサンプル画像とマスタ
ー画像を最初の位置から相対的に縦方向に１領域分だけ
変位させて、比較が行われる。

しかしてサンプル画像とマスター画像の比較は、相互に
中心点を合致させて行い、この結果これらの画像が異な
るものであると判断された場合、最初の中心合わせの位
置から左右にそれぞれｌ領域分だけ一方の画像を変位さ
せ、また最初の中心合わせの位置から上下にそれぞれ１
領域分だけ一方の画像を変位させて、同様な比較を行う
。すなわち画像の比較は、中心点を左右および上下にず
らせて、最大５回まで行い、５回とも異なる画像である
と判断された場合、サンプル画像はマスター画像と一致
していないと判断される。

このような比較方法が第２図に示すような指紋照合シス
テムに適用された場合、被検査指紋（サンプル画像）が
基準指紋（マスター画像）に一致していると判断された
時、扉２６が開錠される。

また被検査指紋が基準指紋に一致していないと判断され
た時には、扉２６を解錠することなく、再度の指紋入力
を被検者に要求するか、入場拒否のメツセージを出力す
ることになる。

なお、指紋は常に全てのブロックＡ〜０内に押捺される
とは限らず、例えば角に位置するブロック等において、
ある領域３−ｐの画素データが２５６　（１６Ｘ１６画
素）に満たない場合もあり得る。このような場合、その
領域における画素データを無視してそのブロックの全分
散、相互相関およびクラス間距離を算出すべきである。

ただし、この無効ブロックの割合が所定値以上に達した
ときには、被検者に対し直ちに指紋再入力を要求する。

また、これらの指標、すなわち全分散、相互相関および
クラス間距離を全て利用する必要はなく、これらのうち
の１あるいは２の指標を画像の比較に用いるようにして
もよい。

［発明の効果］ 以上のように本発明は、画像を濃淡画像のまま処理対象
とし、第１、第２の方向の濃度変化のヒストグラムとい
う大局的特徴を基礎に位置合わせを行うので、画質の影
響を最小限に抑えうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る位置合わせ方法を説明するための
図、 第２図は指紋照合システムを示すブロック図、第３図は
直角プリズムの斜面上指との接触部分を拡大して示す図
、 第４図は指紋の隆線パターンの一例を示す図、第５図（
１）は第４図の領域Ｉにおける画素の濃度値の変化に関
するヒストグラムを示す図、第５図（ｎ）は第４図の領
域■における画素の濃度値の変化に関するヒストグラム
を示す図、第６図は偏微分の方向を示す図、 第７図は指紋画像をブロックに分割する方法を説明する
ための図、 第８図は方向コードに対する画素数のヒストグラムを示
す図、 第９図は方向コードの定義を示す図である。 Ａ〜○・・・ブロック

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）隆線を有する２つの画像の中心位置を相互に合わ
   せる方法であって、以下の［１］〜［４］のステップを
   備えることを特徴とする画像の位置合わせ方法。 ［１］被検査画像および基準画像の各画素の濃度値を求
   め、 ［２］上記被検査画像および基準画像の各画素に関して
   それぞれ、第１および第２の方向に沿って隣接する画素
   との間の濃度値の変化を求め、 ［３］上記被検査画像および基準画像について、上記第
   １および第２の方向に沿った濃度値の変化のヒストグラ
   ムを求め、 ［４］上記第１および第２の方向に関するヒストグラム
   において極値をとる点を上記被検査画像および基準画像
   の特徴点として定め、この特徴点が相互に一致するよう
   に上記被検査画像および基準画像の位置合わせを行う。