KR20020028406A - 홍채 영상 포착 장치 및 고인식률의 홍채 인식 방법 - Google Patents

홍채 영상 포착 장치 및 고인식률의 홍채 인식 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 홍채 영상 포착 장치와 포착된 홍채 영상을 인식하는 방법에 관한 것으로서, 홍채 영상 포착 장치는 스트로빙 방식의 적외선 조명을 사용하며, 전동 팬/틸트 적외선 카메라를 이용하여 자동으로 눈의 위치를 포착하고, 전동 줌/포커스 렌즈를 이용하여 자동으로 최적 크기의 홍채 영상을 얻어내는 자동 홍채 영상 포착 장치와, 수동으로 카메라의 팬/틸트를 조절하여 광학윈도우에 눈의 위치를 정렬하고, 전동 줌/포커스 렌즈를 이용하여 자동으로 최적 크기의 홍채 영상을 얻어내는 반자동 홍채 영상 포착 장치와, 수동으로 광학윈도우에 눈의 위치를 정렬하고, 수동 조작으로 홍채 영상을 얻어내는 수동 홍채 영상 포착장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 홍채 인식 방법은 탄성체 모델을 사용하여 홍채 영역을 분할하고, 분할된 영역에 대해 주성분요소분석(Principal Component Analysis, PCA)과 독립성분요소분석(Independent Component Analysis, ICA) 및 웨이블릿(wavelet)을 이용하여 특징 추출 및 인식을 수행하는 것을 특징으로 한다. 따라서 사용자의 거부감을 최소화시키면서 보다 선명한 홍채 영상을 얻어 효과적인 홍채 인식을 수행하며, 수동 홍채 영상 포착 장치의 경우 장치의 소형화 및 간단화로 저가의 장치를 실현할 수 있다.

Description

홍채 영상 포착 장치 및 고인식률의 홍채 인식 방법{Iris image acquisition device and iris recognition method with high recognition rates}
본 발명은 홍채 인식을 위한 홍채 영상 포착 장치 및 홍채 인식 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 홍채 영상을 자동, 반자동 또는 수동으로 포착하기 위한 전동 팬/틸트, 줌/포커스 카메라 또는 CCD 카메라 부분과 주변 조명의 영향을 받지 않고 선명한 홍채 영상을 얻기 위한 적외선 조명 부분과 입력된 홍채 영상에서 고유 특징을 추출하고 이를 인식하는 홍채 인식 방법에 관한 것이다.
지금까지의 홍채 영상 포착 장치를 포함하는 홍채 인식 시스템과 홍채 인식 방법에 관한 특허는 미국 특허 제 5,572,596호(특허 1이라 칭함), 제 5,901,238호(특허 2라 칭함), 제 5,291,560호(특허 3이라 칭함), 제 5,956,122호(특허 4라 칭함) 등이 대표적이며, 국내 특허로는 출원번호 20-1998-0002949(특허 5라 칭함),출원번호 10-1999-0000418(특허 6이라 칭함), 출원번호 10-1998-0057393(특허 7이라 칭함), 출원번호 10-1999-7001528(특허 8이라 칭함) 등이 있다.
특허 1 및 4는 홍채 영상 포착 장치에서 저해상도 카메라를 이용하여 사용자의 눈의 위치를 파악한 뒤 고해상도 카메라로 홍채 영상을 포착하는 방식을 취하고 있으며 고해상도 카메라에 홍채를 위치시키기 위해 능동 거울(active mirror)을 사용하는 것을 특징으로 한다. 거울을 사용함으로써 포착된 홍채 영상의 선명도가 떨어지며, 상하로만 움직이는 거울을 사용하기 때문에 사용자가 눈의 위치를 맞춰줘야 하는 단점이 있다.
특허 2는 홍채 영상 포착을 위해 카메라의 광축에 사용자의 눈을 수동으로 정렬시켜야 하며, 가시광선을 조명으로 사용하기 때문에 사용자에게 거부감을 줄 수 있는 것이 단점이다.
특허 3은 홍채의 특징 추출 및 인식 방법에 관한 것으로 2D Gabor 웨이블릿을 이용한 특징 벡터들의 해밍 거리를 확률적 계산을 통해 인식하는 것을 특징으로 한다.
특허 5는 현금자동입출금기(ATM) 등에 적용되어 눈동자의 홍채를 인식할 때 안경 또는 콘택트 렌즈 등과 같이 빛을 반사시키는 기구의 착용을 무시할 수 있도록 조명 광원의 방사 각도를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하나 많은 수의 카메라를 사용하며, 광원의 방향 직접 조절해야하므로 동작 시간이 오래 걸린다는 단점이 있다.
특허 6은 광학 이미저의 내부 케이스를 회전 가능하도록 하여 사용자가 카메라의 광축에 자신의 홍채를 위치시키게 하며, 거리 센서를 이용하여 조명 및 줌/포커스를 조절하는 것을 특징으로 한다. 이는 사용자의 개입이 필요하게되어 사용시 거부감을 유발시킬 수 있으며, 거리 센서의 부정확으로 인해 조명 및 홍채 영상 포착에 오류가 나타날 수 있는 단점이 있다.
특허 7은 움직임 감지 시스템을 이용하여 항상 일정한 크기의 홍채 영상을 포착할 수 있는 것이 특징이나, 움직임 등을 처리하기 위한 처리 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
특허 8은 특허 1과 4와 유사하나 반사 거울을 팬/틸트 구동기를 이용해 자유롭게 움직여 사람의 위치에 상관없이 카메라에 눈을 위치시킬 수 있으며, 다양한 주파수 대역의 적외선 조명을 사용하여 주변광의 영향에 관계없이 일정한 홍채 영상을 포착할 수 있는 것을 특징으로 한다. 그러나 2대 이상의 적외선 카메라와 많은 수의 조명들을 이용해 시스템 구성 비용이 고가이며, 또한 반사 거울을 사용함으로써 홍채 영상의 선명도가 다소 떨어지는 단점을 가지고 있다.
본 발명은 상기 선행 기술들의 단점을 보완하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 사용자의 거부감을 최소화하면서 주변 조명의 영향에 관계없이 인식에 최적인 크기의 홍채 영상을 자동, 또는 수동으로 포착할 수 있는 홍채 영상 포착 장치와 포착된 홍채 영상에서 고유 특징을 빠르고 정확하게 추출하여 효과적으로 인식할 수 있게 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시 예로 홍채 영상 포착 장치의 자동형 구성을 보인 도면
도 2는 본 발명의 제1실시 예로 홍채 영상 포착 장치인 자동형 구성 블록도
도 3은 본 발명의 제2실시 예로 홍채 영상 포착 장치의 반자동형 구성을 보인 도면
도 4는 본 발명의 제2실시 예로 홍채 영상 포착 장치의 반자동형 구성 블록도
도 5는 본 발명의 제3실시 예로 홍채 영상 포착 장치의 수동형 구성을 보인 도면
도 6은 본 발명의 제3실시 예로 홍채 영상 포착 장치의 수동형 구성 블록도
도 7은 본 발명에 따른 홍채 인식 방법인 플로우챠트
도 8은 본 발명에서 사용되는 탄성체 모델을 보인 도면
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 저조도 적외선 조명판 2 : 스트로빙용 적외선 조명판
3 : 광각 적외선 카메라 4 : 전동 줌/포커스 적외선 카메라
5 : 전동 팬/틸트 장치 6 : 수동 팬/틸트 회전구
7 : 회전 지지대 8 : 광학 윈도우
9 : 반사 거울 10 : CCD 카메라
11 : 조명용 LED 12 : 동작 스위치
13 : 손잡이 14 : 콜드 거울
15 : 외부 지시기 16 : 조명판 구동기
17 : 스트로빙 구동기 18 : 외부지시기 구동기
19 : LED 구동기
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 홍채 영상 포착 장치는 스트로빙 방식의 적외선 조명을 사용하며, 전동 팬/틸트 적외선 카메라를 이용하여 자동으로 눈의 위치를 포착하고, 전동 줌/포커스 렌즈를 이용하여 자동으로 최적 크기의 홍채 영상을 얻어내는 자동 홍채 영상 포착 장치와, 수동으로 카메라의 팬/틸트를 조절하여 광학 윈도우에 눈의 위치를 정렬하고, 전동 줌/포커스 렌즈를 이용하여 자동으로 최적 크기의 홍채 영상을 얻어내는 반자동 홍채 영상 포착 장치와, 수동으로 광학 윈도우에 눈의 위치를 정렬하고, 수동 조작으로 홍채 영상을 얻어내는 수동 홍채 영상 포착 장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 또한 홍채 인식 방법은 탄성체 모델을 사용하여 홍채 영역을 분할하고, 분할된 영역에 대해 주성분요소분석과 독립성분요소분석 및 웨이블릿을 이용하여 특징 추출 및 인식을 수행하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 예로서 홍채 영상 포착 장치의 자동형 구성의 예이며, 도 2는 홍채 영상 포착 장치의 자동형 구성 블록도이다. 먼저 사람이 접근하여 홍채 인식을 시도하면, 조명판 구동기(16)를 통하여 저조도 적외선 조명판(1)을 작동시킨 뒤 콜드 거울(14)을 통해 들어오는 사람 전체에 대한 적외선 영상을 광각 적외선 카메라(3)로 입력받는다. 입력된 전체 사람 영상은 인식기(독립 PC)로 전해지며, 전체 사람 영상으로부터 눈의 위치를 추출하게 된다. 추출된 눈의 위치를 바탕으로 카메라의 팬/틸트 각도를 계산한 뒤, 팬/틸트 제어 신호를 전동 팬/틸트 장치(5)로 전달한다. 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)가 사람의 눈을 향해 움직인 뒤, 콜드 거울(14)을 통해 들어오는 사람 눈의 적외선 영상을 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)를 입력받는다. 입력받은 눈 영상은 다시 인식기(독립 PC)로 전해지며, 입력된 눈 영상에서 홍채 영역의 크기를 측정한 뒤 홍채 영역의 크기를 바탕으로 카메라의 줌/포커스 정도를 계산한다. 계산된 줌/포커스 제어 신호를 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)로 전달하면 카메라는 홍채를 중심으로 줌/포커스를 조절한다. 이 과정에서 홍채 영역의 크기를 계속적으로 측정하여, 인식의 최적 크기가 될 때까지 줌/포커스를 조절한다. 홍채 영역의 크기가 인식의 최적 크기 이상이 되면, 조명판 구동기(16)를 차단하여 저조도 적외선 조명판(1)을 오프시킨 다음, 스트로빙 제어 신호를 스트로빙 구동기(17)에 전달하여 스트로빙용 적외선 조명판(2)을 동작시킴과 동시에 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)로부터 홍채 영상을 포착한다. 포착된 홍채 영상을 이용하여 인식을 수행한 뒤 인식 결과를 외부 지시기 구동기(18)로 전달하여 외부지시기에 인식 결과를 표시한다. 이 구성은 출입문의 출입 통제 장치와 같이 사용자가 별 다른 조작을 할 필요가 없는 경우에 사용될 수 있는 고가 사양의 구성이다.
도 3은 본 발명의 제2실시 예로서, 홍채 영상 포착 장치의 반자동형 구성의 예이며, 도 4는 홍채 영상 포착 장치의 반자동형 구성 블록도이다. 먼저 사용자가 접근하여 홍채 인식을 시도하면, 조명판 구동기(16)가 저조도 적외선 조명판(1)을 작동시킨다. 사용자는 수동 팬/틸트 회전구(6)를 회전시켜 광학 윈도우(8)에 표시된 영역에 눈을 위치시킨다. 이때 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)로부터 영상을 입력받는다. 입력받은 영상으로부터 홍채 영역의 크기를 측정하여 줌/포커스 정도를 계산한다. 계산된 줌/포커스 제어 신호를 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)로 전달하면 카메라는 홍채를 중심으로 줌/포커스를 조절한다. 홍채 영역의 크기를 계속적으로 측정하여, 인식의 최적 크기가 될 때까지 줌/포커스를 조절한다. 이 과정에서 홍채 영역의 크기가 인식의 최적 크기 이상이 되면, 조명판 구동기(16)를 차단하여 저조도 적외선 조명판(1)을 오프시킨 다음, 스트로빙 제어 신호를 스트로빙 구동기(17)에 전달하여 스트로빙용 적외선 조명판(2)을 동작시킴과 동시에 전동 줌/포커스 적외선 카메라(4)로부터 홍채 영상을 포착한다. 포착된 홍채 영상을 이용하여 인식을 수행한 뒤 인식 결과를 외부 지시기 구동기(18)로 전달하여 외부지시기에 인식 결과를 표시한다. 이 구성은 현금자동입출금기와 같이 적당한 사용자 개입이 동반되는 경우에 적용될 수 있는 중가 사양의 구성이다.
도 5는 본 발명의 제3실시 예로 홍채 영상 포착 장치의 수동형 구성을 보인 예이며, 도 6은 홍채 영상 포착 장치의 수동형 구성의 블록도이다. 사용자가 홍채 인식을 시도하기 위해 수동형 홍채 영상 포착 장치를 눈에 가까이하고 광학 윈도우(9)의 표시 영역에 홍채 영역을 일치시킨다. 다음으로, 사용자가 동작 스위치(12)를 누르면, LED 구동기(17)를 작동시켜 조명용 LED(11)를 동작시킨 다음, CCD 카메라(10)로부터 홍채 영상을 포착한다. 포착된 홍채 영상을 이용하여 인식을 수행한다. 인식된 결과는 인식기(독립 PC)에서 음성 등으로 출력할 수 있다. 이 구성은 PC 사용자 보안이나 인터넷의 전자상거래 사용자 인증 등에 사용될 수 있는 저가 사양의 구성이다.
도 7은 상기 홍채 영상 포착 장치를 사용하여 포착된 홍채 영상을 인식하는방법을 나타낸 플로우챠트이다. 먼저 사용자가 인식을 시도하게되면 상기 홍채 영상 포착 장치의 실시 예에서 설명된 것과 같이 홍채 영상을 포착하게된다(S1단계). 포착된 홍채 영상은 홍채를 중심으로 안구를 모두 포착한 형태이므로 인식에 필요한 홍채 영역의 추출(분할)이 필요하다. 이를 위해 도 8에서 보이는 바와 같은 탄성체 모델을 적용하여 홍채 영역을 추출(분할)해 낸다(S2∼S3단계). 이러한 탄성체 모델은 홍채 근육의 움직임은 선형 변형을 한다는 가정하에 모델링하는 방법으로서, 서로 다른 홍채 근육 움직임에 의한 정보 변형을 보정 가능하다는 특징을 가지고 있다. 따라서 탄성체 모델을 적용함으로써 홍채 근육의 움직임이나 기울어진 촬영 각도에 의한 홍채 영역의 변형을 보상할 수 있다. 추출된 홍채 패턴의 특징을 분석하기 위하여 실시간 주성분요소분석을 수행한다(S4단계). 주성분요소분석은 다량의 입력 데이터로부터 특징을 추출시 통계적인 정보를 사용하는 대표적인 방법으로서, 입력 데이터의 정보를 최대한 보존하면서, 데이터의 차원을 효율적으로 줄이는 방법이다. 이 방법을 사용하여 복잡한 홍채 패턴을 특징지을 수 있는 적은 수의 특징 코드를 얻어낼 수 있다. 주성분요소분석을 통하여 얻어진 특징 코드를 PCA DB와 비교하여 일치하는 특징 코드를 검색한다(S5단계). 이때, PCA DB는 효율적인 검색을 위해 대량의 홍채 패턴을 자기조직화모형(Self Organizing Map), LVQ(Learning Vector Quantization), K-Nearest Neighbor 등의 다양한 방법으로 구성되는 계층적 분류 모형을 사용하여 분류한다. 일치하는 특징 코드, 즉 입력된 홍채가 등록되어 있다면, 승인 단계를 수행한다(S6단계). 그러나, 일치하는 코드가 없을 경우는 거부되며(S7단계), 이때 입력된 홍채 코드를 이용하여 PCA DB를 갱신하여 통계적인 정보를 갱신한다(S8단계). 만약 코드의 유사관계가 결정하기 모호한 경우 오프라인 독립성분요소분석을 수행하게된다(S9단계). 독립성분요소분석은 주성분요소분석 외의 다른 선형 변환 방법으로써, 성분간의 통계적인 의존도를 최소화하는 방법이다. 주성분요소분석 보다 높은 특징 선별력을 가지나, 계산시간의 문제로 오프라인으로 계산한다. 독립성분요소분석을 통하여 얻어진 특징 코드를 ICA DB와 비교하여 일치하는 특징 코드를 검색한다(S10단계). 이때, ICA DB도 PCA DB와 동일한 계층적 분류 모형을 사용하여 분류한다. 일치하는 특징 코드, 즉 입력된 홍채가 등록되어 있다면, 승인 단계를 수행한다(S6단계). 그러나, 일치하는 코드가 없을 경우는 거부되며(S11단계), 이때 입력된 홍채 코드를 이용하여 PCA DB를 갱신하여 통계적인 정보를 갱신한다(S12단계).
이상에서와 같이 본 발명에 따른 홍채 영상 포착 장치 및 홍채 인식 방법을 통하여, 사용자의 거부감을 최소화시키면서 보다 선명한 홍채 영상을 얻어 효과적인 홍채 인식을 수행할 수 있으며, 사용자의 요구 수준에 따른 다양한 사양의 홍채 영상 포착 장치를 구성하여, 사용자의 거부감을 최소화시키고 편리함을 극대화시킨 고가사양(자동 홍채 영상 포착 장치)에서부터, 소형이며 일반인이 손쉽게 사용할 수 있는 저가의 장치를 폭넓게 실현할 수 있다.

Claims (8)

  1. 홍채 영상의 포착을 위하여, 홍채 부분을 표현할 수 있는 해상도가 충분한 적외선 카메라와,
    전체 사람 영상을 찍기 위한 저해상도 카메라와,
    선택적으로 밝혀질 수 있는 복수개의 발광소자로 이루어진 하나 이상의 조명판으로,
    구성되는 것을 특징으로 하는 자동 홍채 영상 포착 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 전체 사람을 비추기 위해 배치되어있는 저조도 적외선 조명판을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자동 홍채 영상 포착 장치.
  3. 제 1 항에 있어서 홍채 부분을 표현할 수 있는 고해상도 적외선 카메라를 홍채의 방향으로 움직일 수 있는 전동 팬/틸트 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자동 홍채 영상 포착 장치.
  4. 홍채 영상의 포착을 위하여, 카메라의 팬/틸트를 수동으로 움직일 수 있게 하는 팬/틸트 회전구와,
    홍채 부분을 적외선 카메라의 광축과 정렬시키기 위한 광학 윈도우와,
    홍채 부분을 표현할 수 있는 해상도가 충분한 적외선 카메라와,
    선택적으로 밝혀질 수 있는 복수개의 발광소자로 이루어진 하나 이상의 조명판으로
    구성되는 것을 특징으로 하는 반자동 홍채 영상 포착 장치.
  5. 제 1, 4항에 있어서 주변 조명의 영향에 관계없이 홍채 부분을 포착하기 위해 충분한 조명을 비추기 위한 스트로빙 방식의 적외선 조명을 사용하는 것을 특징으로 하는 자동 또는 반자동 홍채 영상 포착 장치.
  6. 제 1, 4항에 있어서 홍채 영역을 인식에 최적인 크기로 포착하기 위해 고해상도 적외선 카메라의 줌/포커스를 전동으로 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 자동 또는 반자동 홍채 영상 포착 장치
  7. 홍채 영상의 포착을 위하여, 홍채 부분을 카메라의 광축과 정렬시키기 위한 광학 윈도우와,
    선택적으로 밝혀질 수 있는 복수개의 발광소자로 이루어진 조명판과,
    홍채 부분을 표현할 수 있는 해상도가 충분한 카메라로
    구성되는 것을 특징으로 하는 수동 홍채 영상 포착 장치
  8. 홍채 인식을 위해, 탄성체 모델을 사용하여 홍채 영역을 분할하고,
    분할된 영역에 대해 주성분요소분석과 독립성분요소분석 및 웨이블릿을 이용하여 특징 추출하고,
    자기조직화모형, LVQ, K-Nearest Neighbor 등의 다양한 방법으로 구성되는 계층적 분류 모형을 사용하여 분류하여,
    인식을 수행하는 것을 특징으로 하는 홍채 인식 방법
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