(57)【要約】【課題】  携帯型３次元加速度センサの検出信号を利用して個人認証を行うことができる動作認識装置を提供する。【解決手段】  この動作認識装置は、３次元加速度をセンシングする携帯型３次元加速度センサ１と、携帯型３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間的推移を特徴量として抽出する特徴量抽出手段２２と、３次元加速度の基準特徴量を保持する特徴量データベース２４と、特徴量抽出手段の抽出した特徴量と特徴量データベースに保持されている基準特徴量とのマッチングを実行するマッチング処理手段２３と、マッチング処理手段がマッチングに成功したら認証成立信号を出力する認証成立信号出力手段２５とを備えたものである。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次元加速度をセンシングする携帯型３次元加速度センサと、
前記携帯型３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間的推移を特徴量として抽出する特徴量抽出手段と、
３次元加速度の基準特徴量を保持する特徴量データベースと、
前記特徴量抽出手段の抽出した前記特徴量と前記特徴量データベースに保持されている基準特徴量とのマッチングを実行するマッチング処理手段と、
前記マッチング処理手段がマッチングに成功したときに認証成立信号を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする動作認識装置。
【請求項２】
前記携帯型３次元加速度センサを用いて任意のユーザが個人認識用に特殊な動きをさせたときに前記特徴量抽出手段が抽出した特徴量を、前記特徴量データベースに前記基準特徴量として登録する基準特徴量登録手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の動作認識装置。
【請求項３】
前記特徴量抽出手段が抽出する前記特徴量に対応した音列信号を生成する音信号生成手段と、当該音信号生成手段の生成する音列を可聴音にして出力するスピーカとを備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の動作認識装置。
【請求項４】
前記特徴量抽出手段は、前記携帯型３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間微分値の時間的推移を特徴量とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の動作認識装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯型３次元加速度センサを利用した動作認識装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１〜５に開示されているような３次元加速度センサを利用したコンピュータの入力装置が知られている。これらは、ｘｙｚ３軸方向の加速度検出信号を利用して入力装置の姿勢、位置、動作経路を認識したり、３次元加速度センサの出力に応じた画面操作をするものである。また、特許文献６に開示されているように、３次元加速度センサの信号に対応した楽音を出力させるようにしたものも知られている。
【０００３】
しかしながら、従来、３次元加速度センサを利用し、その検出信号の特徴量を解析し、これを個人認証に利用する技術は知られていない。
【特許文献１】特開２００３−２９９１５号公報
【特許文献２】特開２００２−１９６８６９号公報
【特許文献３】特開２００２−２９７２８４号公報
【特許文献４】特開平１１−８５３８７号公報
【特許文献５】特開平９−２１２２８８号公報
【特許文献６】特開２００３−７６３６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、このような従来の技術的課題に鑑みてなされたもので、携帯型３次元加速度センサの検出信号を利用して個人認証を行うことができる動作認識装置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】
【０００５】
請求項１の発明の動作認識装置は、３次元加速度をセンシングする携帯型３次元加速度センサと、前記携帯型３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間的推移を特徴量として抽出する特徴量抽出手段と、３次元加速度の基準特徴量を保持する特徴量データベースと、前記特徴量抽出手段の抽出した前記特徴量と前記特徴量データベースに保持されている基準特徴量とのマッチングを実行するマッチング処理手段と、前記マッチング処理手段がマッチングに成功したときに認証成立信号を出力する出力手段とを備えたものである。
【０００６】
請求項２の発明は、請求項１の動作認識装置において、前記携帯型３次元加速度センサを用いて任意のユーザが個人認識用に特殊な動きをさせたときに前記特徴量抽出手段が抽出した特徴量を、前記特徴量データベースに前記基準特徴量として登録する基準特徴量登録手段を備えたものである。
【０００７】
請求項３の発明は、請求項１又は２の動作認識装置において、前記特徴量抽出手段が抽出する前記特徴量に対応した音列信号を生成する音信号生成手段と、当該音信号生成手段の生成する音列を可聴音にして出力するスピーカとを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
請求項４の発明は、請求項１〜３の動作認識装置において、前記特徴量抽出手段は、前記携帯型３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間微分値の時間的推移を特徴量とすることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間的推移を特徴量とし、特徴量データベースに保持されている基準特徴量とのマッチングを実行し、マッチングに成功したときに認証成立信号を出力することにより、当該動作認識装置を個人認証器、あるいは個人認証と共に入力確認音発生器として利用することができる。
【００１０】
また、携帯型３次元加速度センサの検出した３次元加速度の時間微分値の時間的推移を特徴量として利用することにより、重力加速度の影響を受けない特徴量を用いたマッチングが実施でき、マッチング精度を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳説する。図１は本発明の第１の実施の形態の動作認識装置のシステム構成図、図２は第１の実施の形態の動作認識装置の機能構成を示し、図３はそれに入力装置として利用する携帯型３次元加速度センサの構成を示している。
【００１２】
図１に示したように、本実施の形態の動作認識装置のシステム構成としては、後述するユーザが軽く手に持って任意に動かすことができるサイズ、重さの携帯型３次元加速度センサ１と、この３次元加速度センサ１の検出する３次元加速度信号を取り込み、認証処理を実施するためのソフトウェアが組み込まれているコンピュータシステム１００から構成される。なお、このコンピュータシステム１００の大きさは特に限定されるものではなく、ＣＰＵを内蔵し、種々のアプリケーションソフトウェアをインストールすることによって所望の動作をするものであれば、携帯電話、ＰＤＡ、ノート型パーソナルコンピュータ、卓上型パーソナルコンピュータ、ワークステーション等、用途によって任意のものが採用できる。
【００１３】
図２に示したように、本実施の形態の動作認識装置は、携帯型３次元加速度センサ１と、これと有線又は無線で接続された信号処理装置２から構成される。信号処理装置２はコンピュータシステム１００内にプログラムとして組み込まれるものであるが、ここでは説明の便宜のためにその処理機能をブロックに分けて示してある。
【００１４】
図３に詳しく示した携帯型３次元加速度センサ１は、ユーザが手に持って軽く、自在に動かせる大きさであり、その中には、本実施の形態では同じ仕様、性能の２個の２軸加速度センサ１１，１２が直行する位置関係で固定してある。携帯型３次元加速度センサ１内にはまた、これらの２個の２軸加速度センサ１１，１２の出力のフィルタリングするノイズフィルタ１３、ノイズフィルタ１３を経た加速度検出信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部１４、このＡ／Ｄ変換変換部１４のデジタル信号を信号処理装置２側に送信する通信インタフェース（Ｉ／Ｆ）１５、そして当該携帯型３次元加速度センサ１を制御するセンサ制御部１６が組み込まれている。通信Ｉ／Ｆ１５には例えばＲＳ２３２Ｃのようなシリアルインタフェースを利用することができるが、これに限定されない。また無線通信インタフェースであってもよい。
【００１５】
なお、携帯型３次元加速度センサ１の各要素にはそれぞれの機能を有するワンチップマイコンが利用できる。２軸加速度センサ１１，１２には、例えば、Ａｎａｌｏｇ  Ｄｅｖｉｃｅｓ，  Ｉｎｃ．の加速度センサＡＤＸＬ２０２、センサ制御及びシリアル変換にはＭｉｃｒｏｃｈｉｐ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｉｎｃ．のワンチップマイコンＰＩＣ１６Ｆ８４を用いることができる。また、２軸加速度センサ２個に代えて３次元加速度センサを採用することも可能であり、また加速度検出方式も任意である。
【００１６】
図２に示したように、信号処理装置２は３次元加速度センサ１から通信インタフェースを介して送られてくる加速度検出信号のデジタル信号を受信し、後述する所定の信号処理を実施する加速度データ入力処理部２１、この加速度データ入力処理部２１の処理したデータ列に対して所定の演算処理によって特徴量を抽出し、基準特徴量登録モードでは抽出した特徴量を基準特徴量として特徴量データベース２４に登録する特徴量抽出部２２、動作認識モードでは特徴量抽出部２２の抽出した特徴量を特徴量データベース２４に保持されている基準特徴量に対してマッチング処理を実施する動作認識処理部２３、上述したようにユーザＩＤと対応付けて基準特徴量を保持する特徴量データベース２４、動作認識処理部２３がマッチングに成功した場合に認証成立信号を出力する認証成立信号出力部２５を備えている。
【００１７】
この信号処理装置２で個人認証が成立し、認証成立信号出力部２５が認証成立信号を出力した時、この信号はコンピュータのソフトウェアの認証確認処理部３に入力され、以後、当該ソフトウェアの実行を可能にする。例えば、コンピュータのユーザ認証、あるウェブサイトへのアクセス許可、オンラインショッピングのログイン許可等を可能にする。
【００１８】
なお、特徴量データベース２４には、パスワード情報と基準特徴量とを対応付けて登録しておき、後述するように例えば、あるユーザの「ＡＢＣＤ」というパスワードに当該ユーザが携帯型３次元加速度センサ１を持って自ら「○△□◇」を描く動作に対する特徴量とを対応付け、パスワード対応の基準特徴量として登録させる方式にすることも可能である。あるいは「ＡＢＣＤ」というパスワードに当該ユーザが携帯型３次元加速度センサ１を持って自ら「○」の丸記号を順に「時計回りに速く、時計回りに中くらい速く、反時計回り速く、反時計回りに中くらい速く」描く動作に対する特徴量とを対応付け、パスワード対応の基準特徴量として登録させる方式にすることも可能である。さらに、最初から「○△□◇」の動きの特徴量を基準特徴量として登録しておくことも可能である。
【００１９】
また、各処理部は必要に応じてメモリにデータを一時的に保存し、またそれを読み出して必要な処理を行うものである。さらに、本装置２では特徴量データベース２４の登録処理に際して、オペレータがキーボードやポインティングデバイスにより入力介入することができるものとする。
【００２０】
次に、上記構成の第１の実施の形態の動作認識装置の動作について説明する。携帯型３次元加速度センサ１は、これをユーザが手に持って任意に動かすことによって、３次元加速度を検出して出力する。本実施の形態の場合、互いに垂直に配置した２軸加速度センサ２個によって３次元加速度を求めるようにしているので、両方の２軸加速度センサ１１，１２それぞれの２軸ずつ合計４軸（本実施の形態ではｘ軸の加速度信号は２データ列となる）の加速度信号データ列を信号処理部２に送信する。
【００２１】
信号処理装置２の加速度データ入力処理部２１は、３次元加速度センサ１からの加速度信号データ列を受信し、共通の軸であるｘ軸の２のデータ列を用いて信号強度を揃え、これによって３次元各軸の加速度信号の信号強度を揃える。例えば、１方のｘｙ２軸加速度センサ１１におけるｘ軸の加速度信号に対して他方のｚｘ２軸加速度センサ１２におけるｘ軸の加速度信号の強度が１．１倍大きければ、このｚｘ２軸加速度センサ１２におけるｚ軸の加速度信号の強度を１／１．１に小さくすることで信号強度を揃えるのである。
【００２２】
加速度データ入力処理部２１は加速度センサの加速度信号は重力加速度の影響を受けているので、さらに３次元各軸の加速度データ列に対して所定のサンプリング時間毎に時間微分を実施し、加速度の時間変化率を時系列的に求め、これを特徴量抽出のための３次元加速度データ列として出力する。
【００２３】
特徴量抽出部２２は、加速度データ入力処理部２１の求めた加速度変化の時系列データを元に周波数成分を求め、特徴量とする。なお、３次元速度変化率のデータ列そのものを特徴量とすることも可能である。
【００２４】
特徴量抽出部２２は、抽出した特徴量データを、基準特徴量登録モードであれば特徴量データベース２４にユーザの識別情報（ＩＤ）と対応付けて登録する。例えば、Ａ氏の個人認証用にＡ氏が携帯型３次元加速度センサ１を持って「○△□◇」を順に描いた時の加速度変化率データ列を当該Ａ氏の個人認証用のいわばパスワードとして登録するのである。あるいは、「ＡＢＣＤ」という文字パスワードをＡ氏が登録し、これをＡ氏が空中で３次元加速度センサ１を持って「ＡＢＣＤ」と文字を書くように動かした時の特徴量をこのＡ氏のパスワード「ＡＢＣＤ」と対応付けて登録することも可能である。
【００２５】
特徴量抽出部２２は、動作認証モードであれば抽出した特徴量のデータ列をそのまま動作認識処理部２３に出力する。
【００２６】
動作認識処理部２３は、特徴量抽出部２２からの特徴量データ列に対して、特徴量データベース２４を参照し、マッチング処理を実施し、マッチングが成立すれば認証成立とする。このマッチング処理には、例えばＡ氏の個人認証であれば、最初に入力されるＡ氏のＩＤをキーにして特徴量データベース２４に登録されているＡ氏の基準特徴量データ列を読出し、この基準特徴量データ列と入力された特徴量データ列との３次元距離を演算し、一致度が所定の閾値以下であれば認証成立とし、それ以外であれば否認する。認証成立信号出力部２５は動作認識処理部２３が動作認証成立と判断した時に認証成立信号を認証確認処理部３に出力する。
【００２７】
認証確認処理部３は認証成立信号を受信すれば、例えば、コンピュータのユーザ認証、あるウェブサイトへのアクセス許可、オンラインショッピングのログイン許可等、コンピュータで起動中のソフトウェアにおける個人認証成立に続く処理を続行することになる。
【００２８】
一般に同じ○、△、◇などの図形を空中で描くとしても、個人個人によって力の入れ具合や描く速度が異なり、また速く描くにしても遅く描くにしても個人個人でその速度に違いがあり、３次元加速度信号波形は個々人によって異なるものである。したがって、携帯型３次元加速度センサ１を持たせて所定の図形や文字を空中で描かせ、その３次元加速度波形の特徴量を、あらかじめ同じ図形や文字を描かせて特徴量データベース２４に登録してある基準特徴量とマッチング処理すれば、同じ個人であればマッチングが成立するが、ユーザが異なれば同じ図形や文字を描かせてもマッチングが成立することはない。もちろん同じユーザであっても、基準特徴量登録操作時と異なる動きをさせたり、描く早さや強さを極端に異ならせたりすればマッチングは成立しないことになる。
【００２９】
図４は携帯型３次元加速度センサ１を持ってあるユーザが空中である図形を描いたときの３次元加速度センサの検出信号の処理結果をコンピュータシステム１００に画面表示させたものである。メインウィンドウ１０１に表示されている図形は３次元加速度の変化を表示しており、測定値表示ウィンドウ１０２には３次元加速度の時間変化率の変動を基準特徴量と対比してグラフ表示している。なお、加速度変化は敏感なので、ここでは移動平均をとって変化率を緩やかにしており、特徴量認証にもこの移動平均値の変化を利用している。ウィンドウ１０３は加速度ウィンドウ、ウィンドウ１０４は加速度変化率ウィンドウ、ウィンドウ１０５は特徴抽出結果ウィンドウである。
【００３０】
この事象を利用した本実施の形態の動作認証装置によれば、ユーザの個人認証のためにキーボードから文字入力させる場合よりもいわばパスワードの入力が容易であり、また指紋、声紋等による個人認証よりもコスト的に安価な用品を用いた製品を提供することができる。
【００３１】
次に、本発明の第２の実施の形態の動作認証装置について、図５を用いて説明する。第２の実施の形態の動作認証装置は、ユーザが携帯型３次元加速度センサ１を持って認証操作するときに、動作認証装置側がセンサ１の動きに対応した音を出力することでユーザの行っている動きが登録動作と一致するものであるか否かを確認させながら認証動作を行えるようにした点に特徴を有している。
【００３２】
本実施の形態において、携帯型３次元加速度センサ１は第１の実施の形態のものと共通である。そして信号処理装置２については、第１の実施の形態と同様の加速度データ入力処理部２１、特徴量抽出部２２、動作認識処理部２３、特徴量データベース２４及び認証成立信号出力部２５を備えると共に、音信号生成部２６とスピーカ２７を追加的に備えている。
【００３３】
次に、第２の実施の形態の動作認証装置の動作について説明する。ユーザが携帯型３次元加速度センサ１を持って動かすことでその３次元加速度又は３次元加速度の変化率を特徴量とし、基準特徴量登録モードではこれを特徴量データベース２４に基準特徴量としてユーザの識別情報（ＩＤ）と対応付けて登録し、個人認証モードでは特徴量データベース２４に登録されている該当ユーザの基準特徴量とのマッチング処理により個人認証する処理は、第１の実施の形態と同様である。
【００３４】
そして本実施の形態では、特徴量抽出部２２が特徴量抽出すれば、その特徴量に対応した音を音信号生成部２６が生成し、これをスピーカ２７を通じて可聴音にして出力する。音信号と特徴量との対応付けは予め設定しておくものであるが、例えば、加速度又は加速度変化率の周波数と音周波数とを対応付け、加速度又は加速度変化率信号の振幅と音の強弱とを対応付ける。
【００３５】
これにより、第２の実施の形態の動作認証装置によれば、ユーザが基準特徴量登録モードにおいて第１の実施の形態のように、例えば「○△□◇」を順に描いた時の加速度変化率データ列を当該Ａ氏の個人認証用のいわばパスワードとして登録するときにスピーカ２７からリアルタイムに出る音列をユーザが覚えておくと、次に当該ユーザが個人認証のために同じ「○△□◇」を順に描くと、それに対応した音列がリアルタイムに出力されるので、ユーザは自分の描く個人認証のための図形が登録時のものと同じであるか否かを画面１０１の表示と共にセンサ１を動かせている時にリアルタイムに出る音列が登録時のものとほぼ同じものか否かによって確認することができる。例えば、登録時の音よりも高い音や低い音が出れば図形を間違えていると判断し、また音が大き過ぎれば速く書き過ぎていると判断するといったことができるのである。また、基準特徴量の登録時にセンサ１を動かしている時に出た音列が「ピッ、ポッ、パッ、ピッ」であったのに、個人認証のためにセンサ１を動かす時に出る音列が「ポッ、ピッ、ピッ、パッ」であったとすれば、この音列の違いでセンサ１を動かして描いく図形そのものやその図形の順番が間違っていることを音列のフィードバックによってユーザに直感的に理解させることができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施の形態の動作認証装置のシステム構成を示すブロック図。
【図２】上記第１の実施の形態の機能構成を示すブロック図。
【図３】上記第１の実施の形態における携帯型３次元加速度センサの内部構成を示すブロック図。
【図４】上記第１の実施の形態による個人認証画面の説明図。
【図５】本発明の第２の実施の形態の動作認証装置の機能構成を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３７】
１  ３次元加速度センサ
２  信号処理装置
３  認証確認処理部
１１，１２  ２軸加速度センサ
１３  ノイズフィルタ
１４  Ａ／Ｄ変換器
１５  通信インタフェース
１６  制御部
２１  加速度データ入力処理部
２２  特徴量抽出部
２３  動作認識処理部
２４  特徴量データベース
２５  認証成立信号出力部
２６  音信号生成部
２７  スピーカ
１００  コンピュータシステム
【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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