(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め記憶している登録指紋と入力指紋とを照合する指紋照合装置であって、
指紋画像を取得する指紋画像取得手段と、
指紋画像から隆線または谷線の端点又は分岐点などの特徴点を位置情報とともに抽出する特徴点抽出手段と、
前記特徴点抽出手段にて抽出した特徴点の所定領域内での密集度が閾値を超えていると、当該領域内に存在する特徴点を除外した位置特徴点を選択する位置特徴点選択手段と、
前記位置特徴点を用いて登録指紋と入力指紋の位置合わせを行うとともに、登録指紋と入力指紋の同一性を照合する照合手段と、
前記照合手段にて照合した結果を出力する出力部と、
を具備することを特徴とした指紋照合装置。
【請求項２】
前記位置特徴点選択手段は、所定領域を長方形状の領域窓を用いて指紋画像を走査し、当該領域窓内での特徴点数を計数して密集度とする請求項１に記載の指紋照合装置。
【請求項３】
前記位置特徴点選択手段は、前記密集度の閾値を前記領域内に入り得る隆線又は谷線の本数との相関をもって設定し、当該本数が少ないほど低くする請求項１または請求項２に記載の指紋照合装置。
【請求項４】
前記位置特徴点選択手段は、前記特徴点抽出手段にて抽出した特徴点のうち分岐点を除いて密集度を計算するとともに、当該密集度が閾値を超えている場合にも分岐点については除外せず位置特徴点として選択する請求項１乃至請求項３に記載の指紋照合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、予め登録された指紋と入力された指紋の同一性を照合する指紋照合装置に関し、特に、指紋画像から指紋の隆線または谷線の端点や分岐点を特徴点として抽出し、抽出した特徴点を照合に使用するいわゆる特徴点マッチング方式の指紋照合装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、指紋照合装置は、部屋への出入りを管理する出入管理装置における本人確認に利用されている。その他、コンピュータの利用者確認やＣＤ／ＡＴＭにおける本人確認などにも利用されている。このように広く利用されている指紋照合装置では、指紋画像を照合する方式として特徴点マッチング方式がある。かかる特徴点マッチング方式は、指紋の山（隆線）や谷（谷線）の端点や分岐点等の指紋の識別に役立つ特徴点を抽出し、かかる抽出された複数の特徴点の配置、特徴点が持つ方向などの特徴量を用いて照合するものである。特許文献１は、特徴点マッチング方式を用いた指紋照合装置の一例である。特許文献１の指紋照合装置では、指紋画像を細線化処理してから特徴点を抽出し、抽出された特徴点の座標が所定範囲内に隣接している特徴点を疑似特徴点として削除している。ここで、疑似特徴点とは、指の置き方が不適切な場合、乾燥指の場合、傷がある場合などの種々の原因で、指紋照合にあまり寄与しない特徴点のことである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−２６５５２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特徴点マッチング方式の指紋照合装置は、登録されている指紋の特徴点と入力された指紋の特徴点同士の配置や方向などの特徴量のマッチングをとっていくので、抽出された特徴点が多いと照合処理に時間がかかる。他方、抽出された特徴点が少ないと照合処理の時間は短くなる。このため、指紋照合装置の照合時間は、登録あるいは入力された指紋画像によって、照合処理の時間にばらつきが生じることになる。つまり、特徴点マッチング方式の指紋照合装置では、指紋を読み込ませてから照合結果が出るまでの時間が変動することになる。コンピュータへのログインや出入管理装置などの利用者確認に利用する場合は、利用者にとって、確認時間が大きく異なると心理的なストレスが大きくなり、好ましくない。特に、特徴点が多数抽出されて、照合時間が長時間かかってしまうと利用者の使い勝手が悪くなる。
【０００５】
また、特許文献１の指紋照合装置のように、抽出された特徴点から単に疑似特徴点を削除する方法、すなわち、所定範囲内に隣接している特徴点の総てを特徴点から除去すると、抽出される特徴点が少ない人は、更に抽出される特徴点が減るので、照合精度に悪影響が出ることがある。また、所定範囲内に存在する特徴点であっても、必ずしも疑似特徴点とは限られず、照合に有用な特徴点も含まれることがある。更に、従来の指紋照合装置では、抽出された特徴点の数による照合時間の影響を考慮するものはなく、照合精度に悪影響を及ぼす疑似特徴点を削除することを主眼においている。
【０００６】
ところで、疑似特徴点には、指紋画像の外周部分や傷により生じる端点がある。これらの疑似特徴点は、略直線状に並ぶとともに所定領域内に密集度高く所在するという性質がある。他方、通常の特徴点は、略直線状に密集度高く並ぶことが少ない。そこで、本発明は、略直線状、且つ、高密集度に抽出された特徴点を照合対象から除外し、照合する特徴点の数を減らすことにより、照合の高速化を目的とする。更に、抽出される特徴点の数が少ない指紋では、照合対象から特徴点が除外されるのを防止することにより、照合精度の低下を防ぐことを目的とする
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、予め記憶している登録指紋と入力指紋とを照合する指紋照合装置であって、指紋画像を取得する指紋画像取得手段と、指紋画像から隆線または谷線の端点又は分岐点などの特徴点を位置情報とともに抽出する特徴点抽出手段と、前記特徴点抽出手段にて抽出した特徴点の所定領域内での密集度が閾値を超えていると、当該領域内に存在する特徴点を除外して位置特徴点を選択する位置特徴点選択手段と、位置特徴点を用いて登録指紋と入力指紋の位置合わせを行うとともに、登録指紋と入力指紋の同一性を照合する照合手段と、照合手段にて照合した結果を出力する出力部とを具備する指紋照合装置を提供する。
【０００８】
かかる構成により、本発明は、抽出された特徴点から所定領域内での特徴点の密集度が高い領域があると、その領域内の特徴点を照合対象から除外または照合の際の信頼度を低く設定している。このため、照合対象となる特徴点数が増加しないので照合時間の高速化が計られるとともに、抽出される特徴点数が少ない場合には特徴点が削除されないので照合精度が下がることがない。
【０００９】
また、好ましい態様としては、位置特徴点選択手段は、所定領域を長方形状の領域窓を用いて指紋画像を走査し、当該領域窓内での特徴点数を計数して密集度とする。これにより、密集度の基準が長方形状すなわち略直線状に並ぶ特徴点を対象とすることができる。
【００１０】
また、好ましい態様としては、密集度の閾値を前記領域内に入り得る隆線又は谷線の本数との相関をもって設定し、当該本数が少ないほど低くする。
【００１１】
更に、好ましい態様としては、位置特徴点選択手段は、特徴点抽出手段にて抽出した特徴点のうち分岐点を除いて密集度を計算するとともに、当該密集度が閾値を超えている場合にも分岐点については除外せず位置特徴点として選択する。これにより、疑似特徴点の可能性が低い分岐点を不用意に位置特徴点から除外するのを防止でき位置照合の精度低下を防止できる。
【発明の効果】
【００１２】
指紋照合装置の照合時間の高速化を実現しつつ、特徴点が少ない指紋からは特徴点を削除せず照合精度を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】指紋照合装置１の機能ブロック図
【図２】指紋照合装置１の全体処理フロー
【図３】位置特徴点選択手段の処理フロー
【図４】特徴点抽出手段にて抽出した特徴点を示す図
【図５】特徴点抽出手段にて選択された位置特徴点を示す図
【図６】縦長矩形窓の走査のイメージを示す図
【図７】横長矩形窓の走査のイメージを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図を参照して、本発明を適用した指紋照合装置１を説明する。図１は、指紋照合装置１の機能ブロックを示す。指紋照合装置１は、操作／表示部１１、指紋撮影部１２、指紋照合処理部１３、記憶部１４、出力部１５にて構成され、指紋撮影部にて撮影された入力指紋画像の指紋データと記憶部１４に予め登録されている登録指紋の指紋データとを指紋照合処理部１３にて照合し、その結果である照合ＯＫ又は照合ＮＧを出力部１５から出力する。
【００１５】
操作／表示部１１は、タッチパネル式の液晶パネルおよびその周辺回路にて構成され、利用者が指紋照合処理の開始操作や指紋撮影部１２にて指紋画像の撮影のためのガイダンス表示・照合結果表示などを行うインターフェースである。
【００１６】
指紋撮影部１２は、利用者が指を載せるための載置台を備えたプリズム及びプリズムを介して載置台に載せられた利用者の指の指紋画像を撮影するカメラなどから構成され、撮影した濃淡画像である指紋画像を指紋照合処理部１３に出力する。より詳細に説明すると、指紋撮影部１２は、指の指紋を鮮明に撮影するためのＬＥＤ（Light
Emitting Diode）照明と、指を載置台に安定して保持するためのガイド部材を更に有しており、画像センサにて鮮明且つ安定した指紋画像を所定の解像度で撮影し、撮像した指紋画像をデジタル画像信号にて指紋照合処理部１３に出力する。かかる指紋撮影部は、各種実用化されているものを適宜利用すれば良いので、ここでは詳細に説明しない。なお、本実施の形態では、光学式の画像センサを用いているが、静電容量式・感圧式・感熱式など他の画像センサを用いてもよい。
【００１７】
記憶部１４は、ＲＯＭ／ＲＡＭなど半導体記憶素子にて構成され、本指紋照合装置１にて認証対象である利用者の指紋データを予め記憶している。また、記憶部１４には、指紋照合装置１の動作プログラムや各種パラメータも記憶されており、指紋照合処理部１３での照合処理において適宜なタイミングで読み出されて利用される。記憶されている各種パラメータの例としては、後述する特徴点の密集度の基準となる窓サイズ（Ｗ／Ｈ）、密集度の閾値などである。
【００１８】
出力部１５は、扉に設置された電気錠の開閉制御を行う電気錠制御装置などの図示していない外部機器に対して、指紋照合処理部１３での照合結果を出力するインターフェースである。例えば、照合ＯＫとの出力を電気錠制御装置が受けると、対応する扉に設置された電気錠を解錠することになる。他方、照合ＮＧとの出力の場合は、電気錠を解錠しないこととなる。
【００１９】
指紋照合処理部１３は、ＣＰＵ／ＭＰＵなどの演算処理チップおよび周辺回路にて構成され、記憶部１４に記憶している各種プログラム及び各種パラメータ等を読み出す。そして、指紋照合処理部１３は、指紋撮影部１２にて撮影した入力指紋画像が記憶部１４に予め登録されている登録指紋画像との同一性を判定する。これにより、指紋画像を入力した利用者が、予め登録された人物か否かを認証する処理を行う。
【００２０】
具体的には、指紋照合処理部１３は、指紋撮影部１２から入力される入力指紋画像を取得する指紋画像取得手段１３１と、取得した入力指紋画像を処理して特徴点を抽出する特徴点抽出手段１３２と、特徴点抽出手段１３２が抽出した特徴点から位置照合に使用する位置特徴点を選択する位置特徴点選択手段１３３と、位置特徴点選択手段１３３が選択した位置照合特徴点を用いて記憶部１４に予め登録されている登録指紋画像の特徴点との位置照合を行った後、位置照合にて類似度が高かった複数の位置関係について、総ての特徴点における特徴量を用いて照合し、両指紋画像の同一性を判定する照合手段１３４から構成されている。
【００２１】
特徴点抽出手段１３２は、指紋画像取得手段１３１が取得した入力指紋画像に対し、撮影環境が変動することによる画像のコントラスト変動の影響を減らすためにコントラスト補正処理を行う。指紋における隆線と谷線を明確に区別するため、隆線部分を黒色に谷線部分を白色の二値に区別する二値化処理を行う。その後、黒色の画素の集合である隆線に対して細線化処理を行う。このようにして得られた入力指紋画像の隆線の端点および分岐点を特徴点として抽出する。この際、各特徴点は、入力指紋画像上における位置情報や隆線の流れている方向情報などの個々の特徴量を対応つけて抽出する。そして、位置特徴点選択手段１３３に出力する。本発明においては、特徴点やその特徴量の抽出方法は、一般的な方法を採用すればよいので、説明を簡単にするため詳細な内容の説明は省略する。
【００２２】
図４は、特徴点抽出手段１３２にて抽出した特徴点を指紋画像に重ねて示している。同図において、黒色の線状の部分が隆線、白色の部分が谷線を示している。そして、△にて表示しているのが特徴点であり、位置情報および隆線方向の情報も備えている。指紋画像の輪郭部分や傷部分は、多数の特徴点が高密度に略直線状に抽出されていることが見て取れる。このような特徴点が抽出されるのは、指紋画像の輪郭部分において、隆線が途切れてしまっているからである。
【００２３】
位置特徴点選択手段１３３は、特徴点抽出手段１３２にて得られた特徴点から入力指紋画像と登録指紋画像との位置合わせ処置にあまり寄与しないものを除外した特徴点である位置特徴点を選択する。ここで、位置合わせ処理とは、登録指紋画像及び入力指紋画像のそれぞれの抽出された特徴点の位置関係が相互に類似している類似度合いを求めて登録指紋画像と入力指紋画像の位置合わせを行うことをいう。そして、この位置特徴点とその他の特徴点とを区別して照合手段１３４に出力する。位置特徴点選択手段１３３の詳細な処理については、指紋照合装置１の動作フローの説明の際に、図３を参照して詳細に説明する。
【００２４】
図５は、位置特徴点選択手段１３３にて抽出された位置特徴点を指紋画像に重ねて示している。図４と比較すると明確なように、指紋画像の輪郭部分や傷部分に多数抽出されていた特徴点が除外されていることが見て取れる
【００２５】
照合手段１３４は、記憶部１４に予め登録されている登録指紋画像の特徴点を読み出す。そして、照合手段１３４は、読み出された登録指紋画像の特徴点と、位置特徴点選択手段１３３からの位置特徴点およびその他の特徴点を用いて、登録指紋画像と入力指紋画像との照合を実行する。具体的には、照合手段１３４は、先ず、位置特徴点選択手段１３３にて選択された位置特徴点と登録指紋の特徴点を用いて、位置合わせ処理を実行する。この際、位置が合致した程度を示す類似度を求める。次に、求めた類似度が高い、換言すると特徴点の位置の合致度合いが高い上位の複数の位置関係を求める。
【００２６】
そして、照合手段１３４は、かかる上位の位置関係について、登録指紋画像の特徴点と、入力指紋画像の特徴点抽出手段１３２にて抽出した特徴点を用いて、隆線方向等の特徴量を考慮して類似度を求める。この類似度が同一性を認証できる程度であれば、照合ＯＫと判定する。他方、類似度が同一性を認証できる程度でなければ照合ＮＧと判定する。なお、上位の位置関係の中で、一つでも照合ＯＫと判定されれば、登録指紋画像と入力指紋画像が同一性を有するとし、照合ＯＫとなる。なお、本実施の形態では、特徴点抽出手段１３２にて抽出した総ての特徴点を用いて照合しているが、更なる高速化を望む場合は位置特徴点のみを使用して照合しても良い。
【００２７】
一般的に、指紋照合処理では、特徴点どうしの位置関係の類似度を求める処理が最も負荷が高く、照合時間に長時間を要する。特徴点の位置関係の類似度は、一つの指紋画像における多数の特徴点どうしの総ての組み合わせを洗い出し、洗い出した特徴点どうしの位置関係について、登録指紋画像と入力指紋画像にて比較することになる。このため、特徴点の数が増加すると、指数関数的に組み合わせ数も増加するので、位置合わせ処理に使用する特徴点の数を減らすと、照合処理のスピードが大きく改善される。
【００２８】
次に、このように構成された指紋照合装置１の動作について、図２及び図３を参照して説明する。図２は、指紋照合装置１の全体の動作フローであり、図３は、位置特徴点選択手段１３３における処理フローである。
【００２９】
先ず、指紋照合装置１には、正規の利用者から取得した登録指紋画像や当該指紋画像の特徴点等が記憶部１４に登録されており、照合処理のための準備が整っているとする。ステップＳ２０では、利用者が操作／表示部１１のタッチパネルから照合開始の旨の操作がされるまで待機している。ここで、本実施の形態では、操作／表示部１１での操作信号をトリガとしているが、本指紋照合装置１へ利用者が近づいてきたことを赤外線センサにて検出したことをトリガとしても良いし、指紋撮影部１２に指が置かれたことをトリガとしても良い。
【００３０】
利用者が操作／表示部１１の操作をすると、指紋照合処理部１３の図示していないガイダンス手段から利用者への照合のためのガイダンスを操作／表示部に表示する（Ｓ２１）。具体的には、利用者に指を指紋撮像部１２の載置台に置くように促す。
【００３１】
次に、指紋撮像部１２にて、置かれた指の指紋画像を撮影した指紋画像を指紋照合処理部１３へ出力する（Ｓ２２）。この指紋画像を指紋画像取得手段１３１にて取得すると、特徴点抽出手段１３２にて取得した指紋画像の特徴点を抽出する（Ｓ２３）。各特徴点は、
隆線又は谷線の端点又は分岐点である特徴点の位置、その位置での隆線の方向、 特徴点の信頼度の３つの特徴量を持っている。
【００３２】
ステップＳ２４は、位置特徴点選択手段１３３の処理であり、図３に示す処理を実行する。図３において、ステップＳ３０にて、特徴点の中から位置合わせに使用する位置特徴点の密集度の基準となる領域として使用する探索窓を縦長矩形または横長矩形のいずれかを選択する。なお、本実施の形態では、縦長矩形と横長矩形の２種類を用意しているが、どちらか一方でも良く、矩形の幅、高さの異なる３以上の窓を用意しても良い。この場合、窓サイズの縦横比4.0以上とすることが好ましい。これは、疑似特徴点が直線的に並ぶという性質を利用するためである。
【００３３】
ここで、窓とは、特徴点の密集度を判定するための所定領域を既定するもので、窓サイズ幅と高さで定めている。本実施の形態では、指紋撮影部１２にて撮像した指紋画像の解像度が５００dpiなので、幅１０ピクセル×高さ２４０ピクセルの縦長矩形と幅２４０ピクセル×高さ１０ピクセルの横長矩形の２種類の窓を用いている。この２種類の窓は、記憶部１４に記憶されている。縦長矩形と横長矩形を用いるのは、疑似特徴点が直線的に並ぶと性質を有しているからである。ステップＳ３０は、先ず縦長矩形の窓を選択する。
【００３４】
そして、選択した縦長矩形窓６１を指紋画像の左上位置に設定し（Ｓ３１）、その設定位置において、窓内に所在する特徴点の数を計数する（Ｓ３２）。ここで、縦長矩形窓の設定位置について、図６を参照して説明する。図６は、縦長矩形窓６１を左上に設定された状態を示しており、符号６２に示す順路にて左から順に右方向へ走査し、右端に到達すると下方向にずらして、右から左方向に走査する。左端まで到達すると更に下へずらしし、右から左方向へ走査をする。このようにして、指紋画像全体を走査することになる。同様に、図７には、横長矩形窓７１を順路７２の通りに走査する。図６と同様な走査を行うので、繰り返しの説明は省略する。
【００３５】
計数した特徴点数が、所定閾値を越えているか否かを判断し（Ｓ３３）、所定閾値を越えていれば窓内に所在している特徴点を削除候補に設定する（Ｓ３４）。他方、所定閾値を越えていなければ、削除候補に設定せずに、ステップＳ３１の窓位置設定に進む。
【００３６】
ここで、所定閾値について説明する。所定閾値は、窓内に所在する特徴点の密集度を判断するためのものである。例えば、５００dpiの解像度で取得した指紋画像において、窓として、幅１０ピクセル×高さ１２０ピクセルの場合、隆線の本数が１０本程度あるので、その半分である５個程度より少ないことが好ましい。これは、指紋画像の解像度によって、指紋画像にて抽出できる特徴点の数が影響を受けること、すなわち、同じサイズの窓を使用する場合に解像度が高いほど窓内に入る隆線の本数が少なくなり結果的に特徴点の数が少なく抽出され、解像度が低いと窓内に入る隆線の本数が多くなり結果的に抽出される特徴点の数が多くなる。また、窓サイズによっても、窓内に入る隆線の本数が異なり、特徴点が抽出される数も異なる。
【００３７】
今回、位置合わせに使用する位置特徴点の数を位置合わせの精度に影響が少ない程度にて極力減らしたい。他方、位置特徴点を減らしすぎると、位置合わせの精度が低下することとなる。そこで、これらを考慮して、所定の閾値を定めるのであるが、隆線１本あたり、１個の特徴点が抽出されるのは異常に多い。隆線２本に特徴点１個程度、つまり隆線の本数に対して５割程度の数が存在している場合は、疑似特徴点である可能性が極めて高いことが経験則上、判明している。したがって、所定閾値は、少なくとも５割程度より小さく、位置合わせの精度を維持できる程度に適宜決定することができる。
【００３８】
ステップＳ３１の窓位置設定処理では、最初の左上位置から右方向に窓幅の半分程度ずつずらしていく。図５に、窓による指紋画像の走査の順を示している。左図は、縦長矩形の窓を走査する際の走査を示している。縦長矩形の窓での指紋画像全体の走査が終了するまで、Ｓ３１からＳ３４の処理を繰り返すこととなる。
【００３９】
次に、縦長矩形の窓での走査が終了すると、ステップＳ３５において、総ての窓についての処理が終了したか判定する。本実施の形態の場合、横長矩形の窓での走査が残っているので、ステップＳ３０に戻り、同様の処理を行う。図５の右図は、横長矩形の窓を走査の状況を示している。そして、総ての窓での走査が終了すると、ステップＳ３６にて削除候補とされた特徴点を除いた特徴点を位置特徴点として選択する。そして、位置特徴点および位置特徴点でないその他の特徴点を識別可能にして照合手段１３４に出力する。
【００４０】
図２に戻って、ステップＳ２５では、照合手段１３４にて照合処理を実行する。すなわち、照合手段１３４は、記憶部１４に予め登録されている登録指紋の特徴点を読み出す。そして、照合手段１３４は、読み出された登録指紋の特徴点と、位置特徴点選択手段１３３からの位置特徴点およびその他の特徴点を用いて、登録指紋画像と入力指紋画像との照合を実行する。
【００４１】
そして、ステップＳ２６では、照合手段１３４が照合ＯＫと判定すると（Ｓ２６  ＹＥＳ）、出力部１５から照合ＯＫ信号を出力し（Ｓ２７）、照合手段１３４が照合ＮＧと判定すると（Ｓ２６  ＮＯ）、出力部１５から照合ＮＧ信号を図示していない外部機器に出力する（Ｓ２８）。そして、ステップＳ２０に戻り、次の照合操作があるまで待機する。
【００４２】
本実施の形態では、ステップＳ３１にて、窓を正立した状態で直線的に走査させたが、各窓位置にて±３０度程度まで回転させつつ走査するようにしても良い。
【００４３】
また、本実施の形態では、位置特徴点とその他の特徴点の両方を照合に使用したが、位置特徴点のみを使用するようにしても良い。この場合、照合処理の処理スピードは更に向上される。
【００４４】
本実施の形態では、特徴点抽出手段１３２において抽出された特徴点の数によらず、総ての場合に特徴点選択手段１３３を動作させたが、抽出された特徴点数が照合時間に影響を及ぼす程度の多数抽出された場合に限り、特徴点選択手段１３３を動作させることとしても良い。これにより、照合時間が長くなりそうな場合にのみ、疑似特徴点を削除できるので処理時間の安定化を図ることができる。
【００４５】
本実施の形態では、特徴点として、端点と分岐点の区別なく説明したが、指紋画像の外周部分や傷により生じる疑似特徴点には、通常の場合、分岐点が含まれない。このため、特徴点の内分岐点は、ステップＳ３２及びステップＳ３４での計数および削除候補にならないようにしておくと、無用に特徴点が削除されることを防止できる。
【符号の説明】
【００４６】
１・・・指紋照合装置
１１・・・操作部／表示部
１２・・・指紋撮影部
１３・・・指紋照合処理部
１３１・・・指紋画像取得手段
１３２・・・特徴点抽出手段
１３３・・・位置特徴点選択手段
１３４・・・照合手段
１４・・・記憶部
１５・・・出力部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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