JPWO2011152213A1 - 指紋認証システム、指紋認証方法および指紋認証プログラム - Google Patents

Abstract

指の表面に透明な薄膜を付けた偽指の判別精度を向上させる。指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割部３１と、小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析部３２と、周波数解析により得られる周波数成分から、小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出部３３と、隣接する小領域間の隆線候補同士を比較し、隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成部３４と、連続隆線候補群に対応する画像領域間に重なりが存在する場合に、画像に異常があると判定する判定部３５と、を備える。

Description

本発明は、指紋認証システム、指紋認証方法および指紋認証プログラムに関する。

近年、個人を識別する認証方式の一つとして指紋認証が注目されている。指紋は人によって異なり、年月が経過しても変化しないという特徴がある。したがって、指紋認証は、現在普及しているパスワード認証等よりも信頼性が高いとされている。一方、指紋認証では、他人の指紋を取り込んで偽造した偽指等を用いて他人になりすます不正行為を阻止する必要がある。このような不正行為を阻止する技術として、例えば、下記特許文献１、２では、光を照射した指の表面の色を基準にして偽指を検知している。また、下記特許文献３では、指の上方から光を照射し、指の内部を透過した光を撮影することで、偽指を検知している。さらに、下記特許文献４では、指の側方から光を照射し、指の内部を透過した光の拡散パターンを用いることで偽造指紋付きの薄膜を指の表面に付けた偽指を検知している。

また、指紋を照合するために、隆線と呼ばれる線を抽出する技術がある。例えば、下記特許文献５では、局所領域ごとに周波数解析を行い、周波数空間でのピークという形で隆線候補を選出し、隆線の連続性から隆線（ピーク）を決定することで、指紋に皺やノイズが含まれている場合であっても、安定して隆線を抽出できるようにしている。

特開２００３−５０９９３号公報 特許第２６３７２５３号公報 特開平９−１３４４１９号公報 特開２００７−２４９２９６号公報 特許第２７３９８５６号公報

上記特許文献１、２に記載された指の表面の色を基準にして偽指を検知する技術や、上記特許文献３に記載された指の上方から光を照射して偽指を検知する技術では、他人の指紋を複製等した透明な薄膜を指の表面に付けた偽指を検知することができない。これは、上記特許文献１、２では、透明な薄膜を付けた偽指の表面の色と皮膚の色とを区別することが困難となるためである。また、上記特許文献３では、透明な薄膜を透過する光の減衰率が低く、指内および薄膜を透過した光と指内のみを透過した光とを区別することが困難となるためである。

上記特許文献４に記載された指の側方から光を照射して偽指を検知する技術では、指の表面に付けた透明な薄膜に直接光が照射されない可能性があり、この場合、上記特許文献３と同様に偽指を検知することができない。例えば、指を指紋センサ面に押し着けたときに指の一部が薄膜の周囲を覆ってしまい、薄膜に照射されるはずの光が指の一部で遮断されることが考えられ、この場合には薄膜に直接光が照射されず、上記特許文献３と同様の状態となる。そして、このような状態では、指内および薄膜を透過した光と指内のみを透過した光とを区別することが困難となる。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、指の表面に透明（半透明を含む。以下同様。）な薄膜を付けた偽指の判別精度を向上させることができる指紋認証システム、指紋認証方法および指紋認証プログラムを提供することを目的とする。

本発明の指紋認証システムは、指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割部と、前記小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析部と、前記周波数解析により得られる周波数成分から、前記小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出部と、隣接する前記小領域間の前記隆線候補同士を比較し、前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の前記隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成部と、前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する判定部と、を備える。

本発明の指紋認証方法は、指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割ステップと、前記小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析ステップと、前記周波数解析により得られる周波数成分から、前記小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出ステップと、隣接する前記小領域間の前記隆線候補同士を比較し、前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の前記隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成ステップと、前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する判定ステップと、を含む。

本発明の指紋認証プログラムは、上記指紋認証方法に含まれる各ステップをコンピュータに実行させる。

本発明によれば、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指を判別することができる。

第１実施形態における指紋認証システムの概略構成を例示するブロック図である。 入力画像を格子状に分割した状態を例示する図である。 周波数解析の対象となる範囲を例示する図である。 指紋の隆線模様と二次元正弦波との関係を例示する図である。 二次元正弦波と周波数空間との関係を例示する図である。 指表面に透明な薄膜が貼られている領域の周波数空間を例示する図である。 連続隆線候補群の生成例を説明するための図である。 連続隆線候補群の統合例を説明するための図である。 一つの隆線候補が複数の連続隆線候補群に含まれるケースを例示する図である。 正しい隆線が複数の連続隆線候補群に分割されるケースを例示する図である。 皺の隆線候補からなる連続隆線候補群を例示する図である。 指紋隆線の連続隆線候補群と偽の隆線の連続隆線候補群とが薄膜部分で重なり合う状態を例示する図である。 第１実施形態における指紋認証システムで実行される偽指判定処理の処理手順を示すフローチャートである。 第２実施形態における指紋認証システムの概略構成を例示するブロック図である。 第２実施形態における指紋認証システムで実行される偽指判定処理の処理手順を示すフローチャートである。 指表面に透明な薄膜が貼られた状態を例示する図である。

指紋が存在する指表面を撮影した画像には、通常、指紋の隆線からなるパターンが含まれるとともに、皺やノイズ等も含まれる。したがって、このような画像に基づいて指紋認証を行う際には、例えば上記特許文献５に記載の手法等を用いて撮影画像から隆線のみを抽出し、登録パターンと照合する。

ところで、他人の指紋を偽造した透明な薄膜が指の表面に貼り付けられている場合には、図１６に示すように、撮影画像には、皮膚表面Ｔの紋様と薄膜Ｆ上の紋様とが重畳した状態で写し出される。この場合、皮膚の表面上に薄膜が位置するため、薄膜上の紋様が皮膚表面の紋様よりも濃く描画される。したがって、例えば特許文献５等の一般的な手法で隆線を抽出すると、薄膜が貼られた部分では薄膜上の紋様が隆線として抽出されてしまい、他人になりすます不正行為が成立しかねない。本発明は、このような透明な薄膜が指の表面に存在するか否かを判定することで、偽指による不正行為を阻止する。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る指紋認証システム、指紋認証方法および指紋認証プログラムの好適な実施形態について説明する。

[第１実施形態]
まず、図１を参照して、第１実施形態における指紋認証システムの概略構成について説明する。図１は、第１実施形態における指紋認証システムの構成を示すブロック図である。第１実施形態における指紋認証システム１は、指紋を用いて登録者を認証する生体認証システムに適用される。

図１に示すように、指紋認証システム１は、撮像部１０と、光源部２０と、制御部３０と、出力部４０とを有する。撮像部１０は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラであり、所定の載置領域に載置された認証対象物を撮影する。載置領域は、例えば指紋認証システム１の天面に設けることができる。撮像部１０は、指が載置領域に載置された場合に、指紋が存在する指表面を撮影可能な位置に配置される。

光源部２０は、例えばＬＥＤ（Light-Emitting Diode）であり、撮像部１０によって認証対象物が撮影される際に、認証対象物に光を照射する。本実施形態では、撮像部１０と光源部２０とで指紋センサを構成する。光源部２０、撮像部１０および載置領域の配置は、光源部２０からの光を指表面で反射させた像を撮像部１０が撮影可能な範囲で設計する。

制御部３０は、各種制御処理を実行することで、指紋認証システム１全体を制御する。出力部４０は、例えば警報ランプであり、制御部３０で認証対象物が偽指であると判定された場合にランプを点灯させる。

なお、指紋認証システム１が有する撮像部１０、光源部２０、制御部３０および出力部４０の各構成要素は、原則として、従来の指紋認証システムが有する撮像部、光源部、制御部および出力部と同じである。ただし、制御部３０が偽指を判別する際の各種機能を有する点で従来の指紋認証装置とは異なる。

また、指紋認証システム１は、物理的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、撮像部と、光源部と、出力部とを含んで構成される。メモリには、例えば、ＣＰＵで処理されるプログラムやデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）と、主として制御処理のための各種作業領域として使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）とが含まれる。これらの要素は、互いにバスを介して接続されている。ＣＰＵが、ＲＯＭに記憶されたプログラムを実行し、撮像部によって撮影された画像データや、ＲＡＭに展開された各種のデータを用いて処理することで、後述する指紋認証システム１における各部の機能を実現することができる。

制御部３０は、例えば、画像分割部３１と、周波数解析部３２と、隆線候補抽出部３３と、連続隆線候補群生成部３４と、判定部３５と、を有する。

画像分割部３１は、撮像部１０で撮影された画像を入力画像とし、この入力画像を複数の小領域に分割する。分割の方法は、例えば図２に示すような格子状に重ならないように分割することができる。指紋隆線は直線ではないため、小領域が大きすぎると、後述する隣接小領域間での隆線の連続性評価が難しくなる。したがって、小領域内の指紋隆線ができる限り直線形状となるように小領域を分割することが好ましい。ただし、小領域を小さくし過ぎて、小領域数が増えてしまうと、処理時間が増大してしまうため、連続性評価と処理時間とのバランスを考慮して可能な限り小さくすることが好ましい。なお、小領域の形状は、格子状に限定せず、円や六角形等、任意の形状を用いることができる。また、小領域間に、重なりや隙間があってもよいが、後述する隣接小領域間での連続性評価を容易にするために、重なりや隙間は小さいほうが好ましい。

周波数解析部３２は、各小領域を周波数解析する。周波数解析としては、例えば、二次元フーリエ変換、二次元ウォルシュアダマール変換、離散コサイン変換等、周期性を扱うことができる任意の変換を用いることができる。本実施形態では、周波数解析として二次元フーリエ変換を用いる場合について説明する。なお、二次元フーリエ変換以外の他の周波数解析を用いた場合には、二次元フーリエ変換を用いた場合に準じて処理することができる。

周波数解析部３２は、各小領域の輝度値を二次元フーリエ変換することで、周波数空間における振幅成分や位相成分等の周波数成分に変換する。

なお、周波数解析を行う対象は小領域そのものでもよいが、図３に示すように、対象となる小領域Ｒｏの周辺も含めた領域Ｒａを、周波数解析の対象としてもよい。周波数解析の対象領域が小さすぎると領域内の指紋隆線の本数が少なくなり、周期性の判別が困難になるためである。一方、指紋隆線は曲線であるため、周波数解析の対象領域が大きすぎると領域内での指紋隆線の曲がりが大きくなり、周期性を捉えることが困難となる。そのため、周波数解析の対象領域の大きさは指紋隆線が３〜５本入るくらいの大きさが好ましい。また、周波数解析の対象に小領域の周辺を含めることで、周波数解析の安定性を保ったまま、小領域を小さくすることが可能となる。

隆線候補抽出部３３は、各小領域に対する周波数解析で求められた周波数成分から、各小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する。具体的に、隆線候補抽出部３３は、二次元フーリエ変換により周波数空間上に表される周波数成分から極大点の組を抽出することで、各小領域に含まれる隆線候補を抽出する。一つの小領域に極大点の組が複数ある場合には、それぞれの組に対応する隆線候補を抽出する。

図４（ａ）に示すように、周波数解析の対象領域Ｒが十分に小さければ、指紋の隆線紋様は、図４（ｂ）に示す二次元正弦波で近似できる。図５（ａ）に示す二次元正弦波は、周波数空間でみると、図５（ｂ）に示す１組の原点対称の点（点Ｐａと点Ｐｂとの組）となる。つまり、指紋隆線を二次元フーリエ変換した周波数空間では、指紋隆線が、指紋隆線の方向と幅に対応する１組の点として表現される。したがって、周波数空間での１組の極大点が指紋隆線を表す周波数成分となる。

図１６に示すように、透明な薄膜Ｆが指表面Ｔに貼られている領域では、皮膚上の真の隆線パターンと薄膜上の偽の隆線パターンとが重畳するため、二つの二次元正弦波を重ねたようなパターンが観測される。図６（ａ）に示す領域Ｒは、周波数空間でみると、図６（ｂ）に示す２組の点（点Ｐａと点Ｐｂとの組、および点Ｐｃと点Ｐｄとの組）となる。このように複数の二次元正弦波が重なりあった画像では、それぞれの二次元正弦波に対応する点の組を、周波数空間での振幅の大きさの極大点の組として求めることで、図６（ｃ）および（ｄ）に示すような、各極大点の組に対応する二次元正弦波をそれぞれ求めることが可能となる。

隆線候補を探索する範囲は、周波数空間の全範囲としてもよいが、波長が特定の範囲に入るものに限定し、それ以外の範囲からは選択しないこととしてもよい。人間の指紋の隆線の間隔は、特定の範囲（例えば概ね０．２ｍｍ〜１．４ｍｍ程度）に収まることが知られている。したがって、探索する範囲を、上記特定の範囲に限定することで、ノイズなどの波長の短いものや、全体的な輝度変化などによる波長の長いもの等、指紋隆線に由来しないものを排除することができ、隆線候補の選択精度を向上させることができる。

また、極大点に該当しても、振幅の大きさが所定の大きさ未満のものは隆線候補から除外することとしてもよい。指紋隆線は完全な二次元正弦波ではないため、二次元正弦波との差分に応じて、周波数空間において二次元正弦波に対応する1組の極大点以外の場所にも極大点が算出され得るからである。また、撮影画像にはかすれ等のノイズも含まれるため、このノイズに対応する場所にも極大点が算出され得る。これらの余分な極大点は、通常、隆線に対応する極大点に比べて振幅が十分に小さいため、振幅の大きさが所定値未満のものを隆線候補から除外することで、ノイズ等の余分な隆線候補による影響を排除することができ、偽指の判定精度を向上させることが可能となる。上記所定値として、例えば、隆線に対応する極大点が取り得る大きさの最小値を用いることができる。

連続隆線候補群生成部３４は、隣接する小領域間の隆線候補同士を比較して連続性を評価し、同一の隆線に由来すると考えられる隆線候補を集めて連続隆線候補群を生成する。

指紋隆線は、完全な直線ではないとしても、指紋の中心にあるコアと呼ばれる部分や、指紋の横側にあるデルタと呼ばれる部分を除くと、隆線方向が急激に変わることはない。したがって、隣接する小領域間の隆線は、パターンが近似し易い。周波数空間における隆線候補が同じ隆線に由来するものである場合には、隆線候補の方向や幅、振幅が近い値になる。したがって、連続隆線候補群生成部３４は、図７に示すように、隣接する小領域Ｒ１、Ｒ２間の隆線候補同士で、隆線候補の方向や幅、振幅の大きさ等を比較して、それらの差が所定値未満となるもの同士を集めて連続隆線候補群Ｇ１、Ｇ２を生成する。上記所定値として、例えば、同一の隆線に由来する隆線候補間で取り得る値の最大値を用いることができる。

連続隆線候補群生成部３４は、複数の連続隆線候補群がある場合に、共通の隆線候補を含む連続隆線候補群同士を一つの連続隆線候補群に統合する。

例えば、図８に示すように、小領域Ｒ１の隆線候補Ｒ１１と小領域Ｒ１に隣接する小領域Ｒ２の隆線候補Ｒ２１とが連続隆線候補群Ｇ１を形成し、小領域Ｒ２の隆線候補Ｒ２１と小領域Ｒ２に隣接する小領域Ｒ３の隆線候補Ｒ３１とが連続隆線候補群Ｇ２を形成している場合に、共通な隆線候補Ｒ２１を含むため、隆線候補Ｒ１１、隆線候補Ｒ２１、隆線候補Ｒ３１を一つの連続隆線候補群Ｇ１に統合する。

同様に、小領域Ｒ２の隆線候補Ｒ２２と小領域Ｒ２に隣接する小領域Ｒ３の隆線候補Ｒ３２とが連続隆線候補群Ｇ３を形成し、小領域Ｒ３の隆線候補Ｒ３２と小領域Ｒ３に隣接する小領域Ｒ４の隆線候補Ｒ４１が連続隆線候補群Ｇ４を形成している場合に、共通な隆線候補Ｒ３２を含むため、隆線候補Ｒ２２、隆線候補Ｒ３２、隆線候補Ｒ４１を一つの連続隆線候補群Ｇ３に統合する。

このように、共通に含まれる隆線候補を有する連続隆線候補群を順次統合していくことで、隆線候補をいくつかの連続隆線候補群にまとめる。

なお、図８では、横に並んだ小領域間を比較する場合について説明しているが、比較する際の隣接の範囲には、横だけではなく、縦横の４近傍や斜め方向を加えた８近傍も任意に含めることができ、同様に処理することができる。

連続隆線候補群生成部３４は、一つの隆線候補が複数の連続隆線候補群に含まれないようにする。連続隆線候補群を作成する場合に、一つの隆線候補が隣接する小領域の複数の隆線候補と連続していると評価される可能性がある。例えば、図９に示す小領域Ｒ２の隆線候補Ｒ２１が、小領域Ｒ２に隣接する小領域Ｒ３の隆線候補Ｒ３１および隆線候補Ｒ３２の双方と連続していると評価されることがある。このような場合に、連続隆線候補群生成部３４は、小領域Ｒ２と小領域Ｒ３との間の連続関係を取り消し、隆線候補Ｒ１１および隆線候補Ｒ２１を含む連続隆線候補群Ｇ１と、隆線候補Ｒ３１および隆線候補Ｒ４１を含む連続隆線候補群Ｇ２と、隆線候補Ｒ３２および隆線候補Ｒ４２を含む連続隆線候補群Ｇ３との三つの連続隆線候補群を生成する。

通常、指紋隆線は連続しているため、正しい隆線からなる全体で一つの連続隆線候補群を生成することが理想的である。しかしながら、上述した複数の隆線候補との連続関係の他に、比較的曲率の高い部分や、皺やノイズ等により分割されることがある。このような場合には、正しい隆線に対応する連続隆線候補群が、例えば図１０に示すように、複数の連続隆線候補群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４に分割されることになる。

画像のかすれ等のノイズによる隆線候補は、隣接する小領域で連続して表れることは少ないため、これらの隆線候補からなる連続隆線候補群はサイズが小さいという傾向がある。したがって、連続隆線候補群生成部３４は、連続隆線候補群に含まれる隆線候補数（連続隆線候補群のサイズ)が、所定数よりも少ない連続隆線候補群については、ノイズにより生成された連続隆線候補群であると判定し、連続隆線候補群から除外することとしてもよい。

図１１に示すように、皺に由来する隆線候補からなる連続隆線候補群Ｇｗは、皺の伸びる方向には長くなるが、皺の伸びる方向と垂直な方向には長くならないという特徴がある。したがって、連続隆線候補群生成部３４は、連続隆線候補群に含まれる隆線候補の方向と垂直な方向の幅が、所定値よりも小さい連続隆線候補群については、皺により生成された連続隆線候補群であると判定し、連続隆線候補群から除外することとしてもよい。

判定部３５は、連続隆線候補群に対応する画像領域間に、所定サイズ（面積）以上の重なりが存在する場合に、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指が撮影されていると判定する。一方、判定部３５は、連続隆線候補群に対応する画像領域間に、所定サイズ以上の重なりが存在しない場合に、人体指が撮影されていると判定する。上記所定サイズとして、例えば、指の表面に透明な薄膜が貼られた場合に想定され得るサイズの最小値を用いることができる。

通常の指紋の場合、正しい隆線に由来する連続隆線候補群が複数に分割されたとしても、図１０に示すように、連続隆線候補群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４が重なり合うことはない。これに対して、指の表面に透明な薄膜が貼られた場合には、図１６に示すように、薄膜Ｆ部分で真の指紋による隆線パターンと薄膜による偽の隆線パターンとが重畳する。この場合、図１２に示すように、薄膜部分で、真の指紋隆線に由来する連続隆線候補群Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３、Ｇ４と、薄膜による偽の隆線に由来する連続隆線候補群Ｇｆとが重なり合うことになる。したがって、連続隆線候補群間の重なりを検査することで、指の表面に透明な薄膜が貼られているか否かを判定することが可能となる。

なお、画像領域の重複度合の判定基準として、所定関数を用いることとしてもよい。所定関数としては、例えば、引数として与えられる重複サイズが大きい程大きな値（偽指が存在する最もらしさ）を返す関数や、引数として与えられる重複サイズが小さい程大きな値（正当な指らしさ）を返す関数を用いることができる。

次に、図１３を参照して第１実施形態における指紋認証システムで実行される偽指判定処理について説明する。図１３は、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指を判定する際の処理手順を示すフローチャートである。

最初に、指紋認証システム１の載置領域に認証対象物が載置されると、光源部２０は、認証対象物に光を照射し、撮像部１０は、認証対象物を撮影する（ステップＳ１０１）。

続いて、画像分割部３１は、撮像部１０によって撮影された画像を、複数の小領域に分割する（ステップＳ１０２）。

続いて、周波数解析部３２は、小領域ごとに、画像の輝度値を二次元フーリエ変換して周波数解析を実行する（ステップＳ１０３）。

続いて、隆線候補抽出部３３は、二次元フーリエ変換により周波数空間上に表される周波数成分から極大点の組を抽出することで、各小領域に含まれる隆線候補を抽出する（ステップＳ１０４）。

続いて、連続隆線候補群生成部３４は、隣接する小領域間の隆線候補同士を比較して連続性を評価し、同一の隆線に由来すると考えられる隆線候補を集めて連続隆線候補群を生成する（ステップＳ１０５）。

続いて、判定部３５は、連続隆線候補群に対応する画像領域間に、所定サイズ以上の重なりが存在するか否かを判定する（ステップＳ１０６）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ１０６；ＮＯ）に、判定部３５は、認証対象物が人体指であると判定する（ステップＳ１０７）。そして、偽指判定処理を終了する。なお、指紋認証システム１は、この後、指紋認証処理を実行する。

一方、上記ステップＳ１０６の判定で連続隆線候補群に対応する画像領域間に所定サイズ以上の重なりが存在すると判定した場合（ステップＳ１０６；ＹＥＳ）に、判定部３５は、認証対象物が、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指であると判定する（ステップＳ１０８）。そして、偽指判定処理を終了する。

上述した第１実施形態における指紋認証システム１によれば、認証対象物の撮影画像を分割した小領域ごとに二次元フーリエ変換を行って周波数空間上の極大点を求め、この極大点を用いて同一の隆線に由来すると考えられる隆線候補からなる連続隆線候補群を生成し、この連続隆線候補群に対応する画像領域間に重なりが存在する場合に、認証対象物が指の表面に透明な薄膜を付けた偽指であると判定することができる。これにより、認証対象物として、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指が用いられた場合であっても、真の隆線パターンとは異なるパターンを有する薄膜が指の表面に付されていれば、偽指であることを検出できる。それゆえに、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指の判別精度を向上させることが可能となる。

[第２実施形態]
本発明の第２実施形態について説明する。図１４は、第２実施形態における指紋認証システムの構成を示すブロック図である。第２実施形態における指紋認証システム１が、上述した第１実施形態における指紋認証システム１と相違する点は、制御部３０の機能の一部が異なる点である。具体的には、隆線候補抽出部３３が、第１隆線候補抽出部３３ａおよび第２隆線候補抽出部３３ｂとなる点、連続隆線候補群生成部３４が、第１連続隆線候補群生成部３４ａおよび第２連続隆線候補群生成部３４ｂとなる点、判定部３５の機能が異なる点、である。それ以外の構成については、第１実施形態における指紋認証システムの各構成と同様であるため、各構成要素には同一の符合を付し、その説明は省略するとともに、以下においては、主に第１実施形態との相違点について説明する。

第１隆線候補抽出部３３ａおよび第２隆線候補抽出部３３ｂは、二次元フーリエ変換を行い周波数空間上に表される周波数成分から極大点の組を抽出することによって、各小領域に含まれる隆線候補を抽出する点については、上述した第１実施形態の隆線候補抽出部３３と共通するが、以下の点については異なる。

第１隆線候補抽出部３３ａは、各小領域に含まれる隆線候補のうち振幅が大きな隆線候補を抽出する。第２隆線候補抽出部３３ｂは、各小領域に含まれる隆線候補のうち振幅が小さな隆線候補を抽出する。振幅の大きさは、周波数空間上の極大点の大きさにより判定することができる。したがって、例えば、極大点の大きさが所定値以上である場合には振幅が大きいと判定し、極大点の大きさが所定値未満である場合には振幅が小さいと判定することができる。上記所定値として、例えば、小領域ごとに、周波数空間において隆線に相当する波長の範囲に収まる極大点の最大値をそれぞれ求め、それらの平均値や、この平均値に所定の係数を乗算した値を用いることができる。

ここで、正しい指紋の隆線のみが存在する小領域では、隆線が明瞭となり、周波数空間での振幅が大きくなる。これに対して、正しい指紋の隆線と透明な薄膜による偽の隆線とが混在する小領域では、それぞれの隆線が不明瞭となるため、正しい指紋の隆線のみが存在する場合に比べ、周波数空間での振幅が小さくなる。特に、指表面の指紋パターンは、透明な薄膜を通して撮像されるため、光が薄膜内で減衰し、偽の指紋パターンよりも周波数空間での振幅が小さくなる。

第１隆線候補抽出部３３ａと第２隆線候補抽出部３３ｂとを備えることで、振幅の大きさに応じて隆線候補を以下のように区別して抽出することができる。正しい指紋の隆線のみが存在する小領域では、第１隆線候補抽出部３３ａによって、正しい指紋の隆線に対応する極大点を隆線候補として抽出させることができる。正しい指紋の隆線と透明な薄膜による偽の隆線とが混在する小領域では、第２隆線候補抽出部３３ｂによって、正しい指紋の隆線に対応する極大点を隆線候補として抽出させることができる。一方、透明な薄膜による偽の隆線に対応する極大点については、偽指の状態等によって、第１隆線候補抽出部３３ａか第２隆線候補抽出部３３ｂのいずれか一方で隆線候補として抽出されることになる。

第１連続隆線候補群生成部３４ａおよび第２連続隆線候補群生成部３４ｂは、隣接する小領域間の隆線候補同士を比較して連続性を評価し、同一の隆線に由来すると考えられる隆線候補を集めて連続隆線候補群を生成する点や、複数の連続隆線候補群がある場合に、共通の隆線候補を含む連続隆線候補群同士を一つの連続隆線候補群に統合する点、一つの隆線候補が複数の連続隆線候補群に含まれないようにする点については、上述した第１実施形態の連続隆線候補群生成部３４と共通するが、以下の点については異なる。

第１連続隆線候補群生成部３４ａは、第１隆線候補抽出部３３ａにより抽出された隆線候補同士を比較して第１連続隆線候補群を生成する。第２連続隆線候補群生成部３４ｂは、第２隆線候補抽出部３３ｂにより抽出された隆線候補同士を比較して第２連続隆線候補群を生成する。

判定部３５は、連続隆線候補群に対応する画像領域間に所定サイズ以上の重なりが存在するか否かに基づいて指の表面に透明な薄膜を付けた偽指が撮影されているか否かを判定する点については、上述した第１実施形態の判定部３５と共通するが、以下の点については異なる。

判定部３５は、第１連続隆線候補群に対応する画像領域と第２連続隆線候補群に対応する画像領域との間に所定サイズ以上の重なりが存在する場合、または、第２連続隆線候補群に対応する画像領域間に所定サイズ以上の重なりが存在する場合に、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指が撮影されていると判定する。一方、判定部３５は、上記双方の条件において、ともに所定サイズ以上の重なりが存在しない場合に、人体指が撮影されていると判定する。

このように判定することができるのは、以下の理由による。第１隆線候補抽出部３３ａによって抽出される隆線候補には、正しい指紋の隆線のみが存在する小領域における正しい指紋の隆線に対応する極大点と、正しい指紋の隆線と透明な薄膜による偽の隆線とが混在する小領域における透明な薄膜による偽の隆線に対応する極大点とが含まれ得る。一方、第２隆線候補抽出部３３ｂによって抽出される隆線候補には、正しい指紋の隆線と透明な薄膜による偽の隆線とが混在する小領域における正しい指紋の隆線に対応する極大点と、正しい指紋の隆線と透明な薄膜による偽の隆線とが混在する小領域における透明な薄膜による偽の隆線に対応する極大点とが含まれ得る。

つまり、正しい指紋の隆線と透明な薄膜による偽の隆線とが混在する小領域での正しい指紋の隆線と偽の隆線との重なりは、第１連続隆線候補群に対応する画像領域と第２連続隆線候補群に対応する画像領域との間、または、第２連続隆線候補群に対応する画像領域間に出現し得ることとなるためである。このように判定することで、第１連続隆線候補群に対応する画像領域間の重なり判定を省略することができる。

次に、図１５を参照して第２実施形態における指紋認証システムで実行される偽指判定処理について説明する。図１５は、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指を判定する際の処理手順を示すフローチャートである。なお、図１５に示すステップＳ２０１〜ステップＳ２０３は、図１３に示すステップＳ１０１〜ステップＳ１０３と、それぞれ同様の処理内容であるため、以下においてはそれらの説明を省略する。ここでは、図１３と相違するステップＳ２０４以降の処理内容について主に説明する。

図１５のステップＳ２０３で小領域ごとに周波数解析を行うと、第１隆線候補抽出部３３ａは、二次元フーリエ変換により周波数空間上に表される周波数成分から、極大点の大きさが所定値以上となる極大点の組を抽出することで、各小領域に含まれる隆線候補のうち振幅が大きな隆線候補を抽出する（ステップＳ２０４）。

続いて、第２隆線候補抽出部３３ｂは、二次元フーリエ変換により周波数空間上に表される周波数成分から、極大点の大きさが所定値未満となる極大点の組を抽出することで、各小領域に含まれる隆線候補のうち振幅が小さな隆線候補を抽出する（ステップＳ２０５）。

続いて、第１連続隆線候補群生成部３４ａは、上記ステップＳ２０４で抽出した振幅の大きな隆線候補のうち、隣接する小領域間の隆線候補同士を比較して連続性を評価し、同一の隆線に由来すると考えられる隆線候補を集めて第１連続隆線候補群を生成する（ステップＳ２０６）。

続いて、第２連続隆線候補群生成部３４ｂは、上記ステップＳ２０５で抽出した振幅の小さな隆線候補のうち、隣接する小領域間の隆線候補同士を比較して連続性を評価し、同一の隆線に由来すると考えられる隆線候補を集めて第２連続隆線候補群を生成する（ステップＳ２０７）。

続いて、判定部３５は、第１連続隆線候補群に対応する画像領域と第２連続隆線候補群に対応する画像領域との間に所定サイズ以上の重なりが存在するか、または、第２連続隆線候補群に対応する画像領域間に所定サイズ以上の重なりが存在するか否かを判定する（ステップＳ２０８）。この判定がＮＯである場合（ステップＳ２０８；ＮＯ）に、判定部３５は、認証対象物が人体指であると判定する（ステップＳ２０９）。そして、偽指判定処理を終了する。なお、指紋認証システム１は、この後、指紋認証処理を実行する。

一方、上記ステップＳ２０８の判定で少なくともいずれか一方の条件がＹＥＳに該当する場合（ステップＳ２０８；ＹＥＳ）に、判定部３５は、認証対象物が、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指であると判定する（ステップＳ２１０）。そして、偽指判定処理を終了する。

上述した第２実施形態における指紋認証システム１によれば、上述した第１実施形態における指紋認証システム１が奏する効果に加え、さらに以下の効果を奏することができる。連続隆線候補群同士の重なり度合を判定する際に、第１連続隆線候補群に対応する画像領域間の重なり判定を省略することができるため、偽指判定処理の処理時間を短縮することが可能となる。また、隆線候補の連続性を評価する際に、振幅の大きな隆線候補と小さな隆線候補との間の評価を行わないため、たまたま方向等が似ている真の隆線に対応する候補と偽の隆線に対応する候補とが同一の連続隆線候補群に含まれてしまう事態を低減させることができる。

[変形例]
なお、上述した各実施形態は、単なる例示に過ぎず、各実施形態に明示していない種々の変形や技術の適用を排除するものではない。すなわち、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な形態に変形して実施することができる。

例えば、上述した実施形態では、指紋を用いて登録者を認証する生体認証システムに本発明を適用する場合について説明しているが、これに限定されない。例えば、犯罪者データベースに指紋を照会するシステム等のように、指紋認証を用いる任意のシステムに適用することができる。

また、上述した実施形態では、連続隆線候補群生成部３４（第１連続隆線候補群生成部３４ａおよび第２連続隆線候補群生成部３４ｂを含む。）が、連続隆線候補群を生成する際に、隆線候補の方向や幅、振幅の大きさ等の差が所定値未満となるもの同士を集めているが、これに限定されない。例えば、隆線候補の方向や幅、振幅の大きさ等の比が所定値未満となるもの同士を集めて連続隆線候補群を生成することとしてもよい。差を用いた場合には、絶対値が大きくなるほど差が大きくなる傾向にあるため、同じ閾値（所定値）で判定すると精度が低下してしまう。例えば、同じ０．１ｍｍの差であっても、隆線の幅が０．２ｍｍである場合と、隆線の幅が１．４ｍｍである場合とでは、差による影響は０．２ｍｍ幅の方が大きくなるためである。したがって、比を用いることで、判定精度を向上させることができる。また、隆線候補の方向や幅、振幅の大きさ等の値に応じて閾値を変えることとしてもよい。

また、連続隆線候補群を生成する際に、隆線候補の方向、幅、振幅の大きさのうちの一部を比較して連続性を評価することとしてもよい。例えば、隆線の振幅は、指紋センサの配置等によってはノイズや押捺圧の影響を受けて変動することがある。したがって、振幅の大きさが不安定なときには振幅の大きさを用いずに方向と幅だけを用いることで、連続性の評価精度を向上させることが可能となる。さらに、隆線候補の方向、幅、振幅の大きさに加え、隆線候補の周波数空間における位相(フェーズ)を用いることもできる。例えば、隆線候補同士が隆線の方向と垂直な方向に隆線幅の半分だけずれている場合には、方向、幅および振幅の大きさが同一であったとしても、連続な隆線に該当する可能性は極めて低いと考えられる。このような場合には、位相を用いることで、位相がπ／２ずれていると判定できるため、隆線候補同士の連続性を否定することが可能となる。

また、上述した実施形態では、光源部２０からの光を指表面で反射させた像を撮像部１０で撮影し、この反射光画像を入力画像としているが、これに限定されない。例えば、光源部２０からの光が指の内部で透過した像を撮像部１０で撮影し、この透過光画像を入力画像とすることができる。この場合には、光源部２０、撮像部１０および載置領域の配置を、光源部２０からの光が指内部を透過した像を撮像部１０が撮影可能なように設計する。

また、撮像部１０はＣＣＤカメラに限定されず、光源の波長域を撮影できる撮像装置であればよい。撮像部１０は指紋認証に用いる指紋画像を撮影する撮像装置と共通化してもよいし、それぞれ別個の撮像装置としてもよい。また、光源部２０は、ＬＥＤに限定されず、白色や赤外線等指で反射(反射光画像を撮影する場合)または透過(透過光画像を撮影する場合)する波長を含む光を発光する光源を採用することができる。

また、出力部４０は、警報ランプに限定されず、例えば、ディスプレイ等の表示装置を採用し、認証対象物が偽指であると判定された場合には、その旨を示すメッセージや色、明るさ等を表示装置に表示することとしてもよい。また、偽指であることを警報ランプや表示装置に出力することには限定されず、例えば、ネットワークを介して接続される他の認証システムに判定結果を含む信号を出力することとしてもよい。そして、認証対象物が偽指であると判定された場合には、他の認証システムで認証を行わないように構成することができる。また、偽指であることを出力することには限定されず、例えば、判定部で偽指が存在する尤もらしさを表す尤度を求め、この尤度に応じて警報音の長さや、色、明るさ等を変えることとしてもよい。

また、上述した実施形態では、指の表面に透明な薄膜が貼られている偽指を検出する際に、本発明を適用する場合について説明しているが、これに限定されない。例えば、以前に指紋認証した利用者の指紋が指紋センサの表面に残っている場合に、その残留指紋の存在を検出する場合についても本発明を適用することができる。残留指紋が存在する場合には、真の指紋による隆線パターンと残留指紋による隆線パターンとが重畳して観測されるため、上述した実施形態における透明な薄膜が存在する場合と同様の画像が入力されることになる。したがって、上述した実施形態における偽指判定処理と同様の処理を実行することで、残留指紋の有無を判定することができる。このように、本発明は、登録者の隆線パターンとは異なるパターンが含まれていることを異常として検出する指紋認証システムに適用することができる。

また、上述した実施形態における指紋認証システムは、図１または図１４に示す各構成要素を備えているが、指紋認証システムは、必ずしもこれら全ての要素を備える必要はない。例えば、指紋認証システムは、少なくとも、制御部３０を備えていればよい。この場合に、撮像部１０、光源部２０および出力部４０は、指紋認証システムの外部に別途備えることとすればよい。

最後に、上記実施形態の一部または全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、本発明を以下に限定するものではない。

（付記１）指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割部と、前記小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析部と、前記周波数解析により得られる周波数成分から、前記小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出部と、隣接する前記小領域間の前記隆線候補同士を比較し、前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の前記隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成部と、前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する判定部と、を備えることを特徴とする指紋認証システム。

（付記２）前記周波数解析部は、前記周波数解析として二次元フーリエ変換を行い、前記隆線候補抽出部は、前記二次元フーリエ変換により周波数空間上に表される極大点の組を前記隆線候補に対応する周波数成分として抽出する、ことを特徴とする付記１記載の指紋認証システム。

（付記３）前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件は、前記隆線候補の方向、幅、振幅、位相のうち少なくとも一部の値の差または比が所定値未満である、ことを特徴とする付記１または２記載の指紋認証システム。

（付記４）前記連続隆線候補群生成部は、一の前記隆線候補が複数の前記連続隆線候補群に含まれないようにする、ことを特徴とする付記１〜３のいずれかに記載の指紋認証システム。

（付記５）前記判定部は、前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間で重なり合うサイズが所定サイズ以上である場合に、前記画像に異常があると判定する、ことを特徴とする付記１〜４のいずれかに記載の指紋認証システム。

（付記６）前記異常とは、指の表面に薄膜を付けた偽指が撮影されている場合である、ことを特徴とする付記１〜５のいずれかに記載の指紋認証システム。

（付記７）前記隆線候補抽出部は、振幅が大きいと判定した前記隆線候補を抽出する第１隆線候補抽出部と、振幅が小さいと判定した前記隆線候補を抽出する第２隆線候補抽出部と、を含み、前記連続隆線候補群生成部は、前記第１隆線候補抽出部により抽出された前記隆線候補同士を比較して第１連続隆線候補群を生成する第１連続隆線候補群生成部と、前記第２隆線候補抽出部により抽出された前記隆線候補同士を比較して第２連続隆線候補群を生成する第２連続隆線候補群生成部と、を含み、前記判定部は、前記第１連続隆線候補群に対応する前記画像領域と前記第２連続隆線候補群に対応する前記画像領域との間に重なりが存在する場合、または、前記第２連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する、ことを特徴とする付記１〜６のいずれかに記載の指紋認証システム。

（付記８）指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割ステップと、前記小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析ステップと、前記周波数解析により得られる周波数成分から、前記小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出ステップと、隣接する前記小領域間の前記隆線候補同士を比較し、前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の前記隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成ステップと、前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する判定ステップと、を含むことを特徴とする指紋認証方法。

（付記９）付記８に記載の各ステップをコンピュータに実行させるための指紋認証プログラム。

この出願は、２０１０年６月４日に出願された日本出願特願２０１０−１２９０５９を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明に係る指紋認証システム、指紋認証方法および指紋認証プログラムは、指の表面に透明な薄膜を付けた偽指の判別精度を向上させることに適している。

１…指紋認証システム、１０…撮像部、２０…光源部、３０…制御部、３１…画像分割部、３２…周波数解析部、３３…隆線候補抽出部、３３ａ…第１隆線候補抽出部、３３ｂ…第２隆線候補抽出部、３４…連続隆線候補群生成部、３４ａ…第１連続隆線候補群生成部、３４ｂ…第２連続隆線候補群生成部、３５…判定部、４０…出力部。

Claims (9)

1. 指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割部と、
   前記小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析部と、
   前記周波数解析により得られる周波数成分から、前記小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出部と、
   隣接する前記小領域間の前記隆線候補同士を比較し、前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の前記隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成部と、
   前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する判定部と、
   を備えることを特徴とする指紋認証システム。
2. 前記周波数解析部は、前記周波数解析として二次元フーリエ変換を行い、
   前記隆線候補抽出部は、前記二次元フーリエ変換により周波数空間上に表される原点対称の極大点の組を前記隆線候補に対応する周波数成分として抽出する、
   ことを特徴とする請求項１記載の指紋認証システム。
3. 前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件は、前記隆線候補の方向、幅、振幅、位相のうち少なくとも一部の値の差または比が所定値未満である、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の指紋認証システム。
4. 前記連続隆線候補群生成部は、一の前記隆線候補が複数の前記連続隆線候補群に含まれないようにする、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の指紋認証システム。
5. 前記判定部は、前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間で重なり合うサイズが所定サイズ以上である場合に、前記画像に異常があると判定する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の指紋認証システム。
6. 前記異常とは、指の表面に薄膜を付けた偽指が撮影されている場合である、
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の指紋認証システム。
7. 前記隆線候補抽出部は、振幅が大きいと判定した前記隆線候補を抽出する第１隆線候補抽出部と、振幅が小さいと判定した前記隆線候補を抽出する第２隆線候補抽出部と、を含み、
   前記連続隆線候補群生成部は、前記第１隆線候補抽出部により抽出された前記隆線候補同士を比較して第１連続隆線候補群を生成する第１連続隆線候補群生成部と、前記第２隆線候補抽出部により抽出された前記隆線候補同士を比較して第２連続隆線候補群を生成する第２連続隆線候補群生成部と、を含み、
   前記判定部は、前記第１連続隆線候補群に対応する前記画像領域と前記第２連続隆線候補群に対応する前記画像領域との間に重なりが存在する場合、または、前記第２連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する、
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の指紋認証システム。
8. 指紋認証の対象となる認証対象物を撮影した画像を複数の小領域に分割する画像分割ステップと、
   前記小領域ごとに周波数解析を行う周波数解析ステップと、
   前記周波数解析により得られる周波数成分から、前記小領域の隆線候補に対応する周波数成分を抽出する隆線候補抽出ステップと、
   隣接する前記小領域間の前記隆線候補同士を比較し、前記隆線候補同士が連続していると判定可能な要件を満たしている場合に、双方の前記隆線候補を含む連続隆線候補群を生成する連続隆線候補群生成ステップと、
   前記連続隆線候補群に対応する前記画像領域間に重なりが存在する場合に、前記画像に異常があると判定する判定ステップと、
   を含むことを特徴とする指紋認証方法。
9. 請求項８に記載の各ステップをコンピュータに実行させるための指紋認証プログラム。

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