JP5233152B2 - 生体認証装置及び生体認証方法 - Google Patents

Description

本発明のいくつかの態様は、血管等を撮像して得られる生体情報を使用して、個人認証を行う生体認証装置及び生体認証方法に関する。

近年、正規使用者を認証するために、正規使用者の指紋、虹彩又は静脈パターンなどの生体情報を利用する生体認証が行われている（例えば、特許文献１参照。）。そして、生体認証を行うために、種々の生体情報取得装置が利用されている。これら生体情報取得装置の中には、光を照射する光源部と、光を受光する受光素子とを備えるものが知られている。そして、光源部からの光を生体に照射し、生体からの光を受光することにより、これら受光した光を電気信号に変換し、これにより生体情報を得ることができる。

ここで、携帯端末やパソコンなどの認証を必要とする電子機器が身の回りにあふれるようになった今日においては、大掛かりで消費電力の大きな生体情報取得装置は敬遠されてきている。その一方で、セキュリティ意識の高まりにより、認証の精度はますます高いものが要求されてきているため、生体情報の精度を向上させることも求められている。
特許第３５４９７９５号公報

ところで、生体認証を行う場合、あらかじめ登録してある生体組織の部位の特徴と、認証時に計測したデータを照合して、一致するか否かを判定する必要があるが、対象となる生体組織の部位の吸収特性、散乱特性に合わせて画質改善をする必要がある。しかしながら、不特定の利用者に対する画一的な画質改善の手法では、特定の個人の画像に適した画質改善を行うことができないという問題がある。また、あらかじめ登録してある生体組織の部位に対して、認証時に生体組織を計測する範囲が広い場合には、位置合わせを行なわないと、本人であるにもかかわらず、他人と認識してしまい、個人認証を確実に行うことができないという問題もある。

本発明のいくつかの態様は、このような事情に鑑みてなされたもので、血管を撮像して得られる生体情報を使用して、個人認証を行う場合に、正確かつ確実に個人の認証を行うことができる生体認証装置及び生体認証方法を提供することを目的とする。

本発明に係る生体認証装置は、生体の画像を撮像する画像撮像部と、前記画像撮像部により撮像された前記生体の第１の画像から抽出された、位置決めを行うための第１の位置決め特徴情報と、前記画像撮像部により撮像された前記生体の第２の画像から抽出された、生体認証を行うための第１の認証特徴情報とを記憶する認証情報記憶部と、認証時に、第１の光を前記生体に照射して、前記画像撮像部により撮像された第３の画像から抽出された、前記位置決めを行うための第２の位置決め特徴情報と前記第１の位置決め特徴情報とを照合することにより位置決めを行い、第２の光を前記生体に照射して、前記画像撮像部により撮像された第４の画像から抽出された、生体認証を行うための第２の認証特徴情報と前記第１の認証特徴情報とを照合する生体認証部とを備えることを特徴とする
この構成によれば、認証情報の照合前に位置決めを行うようにしたため、撮像エリアが小さい撮像素子を用いることが可能となる。また、画素数が少なく済むため、照合の画像処理量を少なくすることができ、処理速度を向上させることができるとともに、かつ精度の高い認証判定を行うことが可能となる。

上記の生体認証装置において、前記第１の光の極大波長と前記第２の光の極大波長とは互いに異なっていてもよい。
この構成によれば、２つの異なる生体情報（例えば、動脈と静脈）をより鮮明に抽出することができる。

上記の生体認証装置において、前記第３の画像と第４の画像のそれぞれについて画質改善を行ってもよい。
この構成によれば、得られた画像に対して画質改善を施すようにしたため、照合処理を確実かつ正確に行うことが可能となる。

上記の生体認証装置において、前記画像撮像部と前記生体との位置ずれが検出された場合に、位置ずれが発生していることを告知する位置ずれ告知部をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、位置ずれが発生していることを告知されるため、ユーザは、これに応じて、位置合わせを行うことができ、認証成功率の低下を防止することができる。

上記の生体認証装置において、前記第１の位置決め特徴情報と、前記第１の認証特徴情報とを前記認証情報記憶部に登録する登録部をさらに備えていてもよい。
この構成によれば、認証に用いる認証情報の登録を生体認証情報の照合を行う装置と同一の装置で行うことができるため、ユーザの利便性を向上させることができる。

上記の生体認証装置において、前記第１の光の極大波長は、８００ｎｍより長波長であり、前記第２の光の極大波長は、８００ｎｍより短波長であってもよい。
この構成によれば、ヘモグロビンの吸収に応じて使用波長を選択したため、効率よく生体認証に用いる特徴情報を抽出することが可能となる。

上記の生体認証装置において、前記第１及び第２の位置決め特徴情報は、動脈または表皮のしわの位置情報であってもよい。
この構成によれば、位置決めを精度良く行うことが可能となる。

上記の生体認証装置において、前記第１及び第２の認証特徴情報は、静脈の位置情報であってもよい。
この構成によれば、精度良く個人認証判定を行うことが可能となる。

本発明に係る生体認証方法は、生体の第１の画像から抽出された、位置決めを行うための第１の位置決め特徴情報と、前記生体の第２の画像から抽出された、生体認証を行うための第１の認証特徴情報とを記憶する第１のステップと、前記生体に第１の光を照射することにより前記生体の第３の画像を取得する第２のステップと、前記生体に第２の光を照射することにより前記生体の第４の画像を取得する第３のステップと、前記第３の画像から抽出された、前記位置決めを行うための第２の位置決め特徴情報と前記第１の位置決め特徴情報を照合することにより位置決めを行うとともに、前記第４の画像から抽出された、前記生体認証を行うための第２の認証特徴情報と前記第１の認証特徴情報とを照合する第４のステップと、を含むことを特徴とする。
この構成によれば、認証情報の照合前に位置決めを行うようにしたため、撮像エリアが小さい撮像素子を用いることが可能となる。また、画素数が少なく済むため、照合の画像処理量を少なくすることができ、処理速度を向上させることができるとともに、かつ精度の高い認証判定を行うことが可能となる。

本発明に係る電子機器は、上記の生体認証装置を備えていてもよい。
この構成によれば、本人認証結果に基づいて電子機器の使用を制限することが可能となる。

以下、本発明の一実施形態による生体認証装置を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、符号１は、生体認証装置の処理動作を統括して制御する制御部である。符号２は、生体に対して照明を行う光源であり、発光の中心波長が７５０ｎｍであるＬＥＤ等で構成する。符号３は、光源２と同様に、生体に対して照明を行う光源であり、発光の中心波長が光源２より長波長である８８０ｎｍであるＬＥＤ等で構成する。符号４は、２つの光源２、３に対して、パルス信号を与えることにより生体に対する照明の状態を制御する照明制御部である。符号５は、光源２、３から発せられた光が生体において反射した光、または生体を透過した光を受光して、生体画像を得る画像センサである。画像センサ５は２次元のアレイ受光素子からなるＣＣＤ等で構成されており、ここでは、生体画像として、手首近傍の動脈画像と静脈画像とを得るものとして説明する。符号６は、画像センサ５によって得られた画像に対して画像処理を施すことにより特徴を抽出する特徴抽出部である。符号７は、特徴抽出部６が抽出した認証に必要な特徴情報を登録する登録部である。符号８は、登録部７が登録する特徴情報をテンプレートデータとして記憶するテンプレート記憶部である。符号９は、個人認証時において、特徴抽出部６が特徴情報と予めテンプレート記憶部８に登録されているテンプレートデータとを照合する照合部である。符号１０は、照合部９が特徴情報とテンプレートデータとの照合した結果に基づいて、認証の可否を判定する判定部である。符号１２は、ユーザに対して、情報の表示を行う表示部である。制御部１は、例えば図示しない通信手段等を介して、外部から認証要求を受けた場合に、認証処理を実行し、照明制御部４、特徴抽出部６、照合部９及び判定部１０に対して、認証処理の実行を指示し、判定部１０から得られた判定結果を、認証要求元に対して認証結果として返す。

次に、図８を参照して、図１に示す生体認証装置を手首に装着するための構成を説明する。図８に示すように、生体認証装置は、矩形板状に形成された矩形基盤部１３と円形板状に形成された円形基盤部１４とを備えており、これら矩形基盤部１３と円形基盤部１４とがバンド部１５を介して互いに連結されている。このような構成のもと、図８に示すように、バンド部１５を手首に巻回し、生体認証装置を手首に装着することができるようになっている。矩形基盤部１３には、光源２、３が設けられ、円形基盤部１４には、画像センサ５が設けられている。矩形基盤部１３は、手の甲側に配置され、円形基盤部１４は、掌側に配置されるように、生体認証装置を手首に装着する。光源２、３から発せられた光は手首内を透過して、画像センサ５によって受光されるため、画像センサ５には、手首部分の動脈や静脈のパターン画像が得られることになる。

ここで、図５を参照して、血管内を流れるヘモグロビンの光吸収特性について説明する。図５は、動脈内を流れる酸化ヘモグロビンと静脈内を流れる還元ヘモグロビンの光吸収スペクトルを示す図である。酸化ヘモグロビンは、光波長が長くなると徐々に光吸収係数が増加し、一方、還元ヘモグロビンは、光波長が長くなると光吸収係数が減少する。そして、光波長が８００ｎｍにおいて、酸化ヘモグロビンと還元ヘモグロビンの吸収係数の値が逆転する。したがって、光波長が８００ｎｍより短い光源で手首内を照明すると、静脈パターンの画像を取得しやすくなり、光波長が８００ｎｍより長い光源で手首内を照明すると、動脈パターンの画像を取得しやすくなる。この原理を利用して、静脈パターン画像を取得する場合は、発光中心波長が７５０ｎｍの光源２で照明し、動脈パターン画像を取得する場合は、発光中心波長が８８０ｎｍの光源３で照明することにより、静脈パターンと動脈パターンを容易に分離することが可能となる。図１に示す生体認証装置においては、動脈パターンを画像センサ５の位置合わせに用いて、静脈パターンで個人認証を行うものである。

なお、還元ヘモグロビンの吸光係数と酸化ヘモグロビンの吸光係数は８００ｎｍ付近で逆転し、８００ｎｍ以上で還元型のヘモグロビンの吸光係数が酸化ヘモグロビンの吸光係数に比べて大きくなるが、１０００ｎｍ付近になると水の吸収が顕著になるので、静脈の光検出を行う際には、８００ｎｍ付近の波長から１０００ｎｍ付近の波長の光を用いることが好ましく、８００ｎｍ付近の波長から９００ｎｍ付近の波長の光を用いることがさらに好ましい。

次に、図２を参照して、テンプレート記憶部８にテンプレートデータ（認証特徴情報）を登録する動作を説明する。まず、制御部１は、外部から登録要求を受けると、照明制御部４に対して、位置決め用照明を発光させる指示を出す。これを受けて、照明制御部４は、光源３を発光させる（ステップＳ１）。照明制御部４は、特徴抽出部６に対して、光源３を発光させたことを通知する。これを受けて、特徴抽出部６は、画像センサ５が撮像した画像データを読み込む（ステップＳ２）。そして、特徴抽出部６は、画像センサ５の位置決めを行うための特徴抽出を行う（ステップＳ３）。この特徴抽出処理の詳細については後述する。ここで、特徴抽出部６は、図６に示すように、手首部分を流れる動脈の位置情報を抽出する。この動脈の位置情報が位置決め用の特徴情報となる。特徴抽出部６は、位置決め用の特徴情報が得られた時点で、照明制御部４に対して、位置決め用の特徴情報取得が終了したことを通知する。

次に、特徴抽出部６から位置決め用の特徴情報取得が終了したことを通知を受けると、照明制御部４は、光源２を発光させる（ステップＳ４）。照明制御部４は、特徴抽出部６に対して、光源２を発光させたことを通知する。これを受けて、特徴抽出部６は、画像センサ５が撮像した画像データを読み込む（ステップＳ５）。そして、特徴抽出部６は、画像センサ５の認証用の特徴情報を取得するための特徴抽出を行う（ステップＳ６）。この特徴抽出処理の詳細については後述する。ここで、特徴抽出部６は、図７に示すように、手首部分を流れる静脈パターンの情報を抽出する。この静脈パターン情報が個人認証用の特徴情報となる。特徴抽出部６は、個人認証用の特徴情報が得られた時点で、制御部１に対して、個人認証用の特徴情報取得が終了したことを通知する。

次に、制御部１は、登録部７に対して、位置決め用特徴情報（動脈の位置情報）と個人認証用特徴情報（静脈パターン情報）の登録を指示する。これを受けて、登録部７は、特徴抽出部６から位置決め用特徴情報と個人認証用特徴情報とを読み出す。そして、登録部７は、位置決め用特徴情報である動脈の位置情報と、個人認証用特徴情報である静脈パターン情報との位置関係を定義して、この位置関係情報と、位置決め用特徴情報及び個人認証用特徴情報とをテンプレートデータを生成する（ステップＳ７）。続いて、登録部７は、ここで生成したテンプレートデータをテンプレート記憶部８に記憶することにより登録を行う（ステップＳ８）。これにより、テンプレート記憶部８には、ユーザを個人認証するためのテンプレートデータがテンプレート記憶部８に記憶されたことになる。

次に、図３を参照して、図１に示す特徴抽出処理（ステップＳ３、Ｓ６）の詳細動作を説明する。まず特徴抽出部６は、対象の生体組織の空間周波数に応じたセル数の初期値（例えば２×２）と係数α＝０．１をセットする（ステップＳ１１）。そして、特徴抽出部６は、画質改善を行う（ステップＳ１２）。すなわち、（１）式に示すように、原画像ａ（ｘ，ｙ）をｎ×ｎピクセル正方の平滑化処理によりぼかす。

そして、得られた原画像及び平滑化画像を最小値を０、最大値を１として規格化する。その後、原画像から平滑化画像の各画素値を減算処理することにより、処理画像ｂ（ｘ，ｙ）を得る。ここで、αは差分時の重みである。この状態で、特徴抽出部６は、画質が改善したか否かを判定する（ステップＳ１３）。この画質の判定は、コントラスト値とシャープネル値を参照して判定する。この判定の結果、画質が改善していなければ、特徴抽出部６は、セル数と係数αの値を増加させて調整する（ステップＳ１４）。セル数は、２のｎ乗（ｎは整数）のステップで増加させ、係数αは、０．１のステップで増加させる。そして、画質が改善するか、セル数と係数αが上限値（セル数が８、αが０．９）になるまでステップＳ１２の処理を繰り返し行う。特徴抽出部６は、画質が改善された画像を用いて特徴抽出を行い、対象の生体組織の特徴にマーキングする（ステップＳ１５）。特徴抽出部６は、登録時のセル数の値と係数αの値を内部に保持しておく。この処理によって適切な特徴抽出を行うことが可能となる。

次に、図４を参照して、図１に示す生体認証装置による認証時の動作を説明する。まず、外部から認証要求を受ける（ステップＳ２１）と、制御部１は、照明制御部４に対して、位置決め用照明を発光させる指示を出す。これを受けて、照明制御部４は、光源３を発光させる（ステップＳ２２）。照明制御部４は、特徴抽出部６に対して、光源３を発光させたことを通知する。これを受けて、特徴抽出部６は、画像センサ５が撮像した画像データを読み込む（ステップＳ２３）。そして、特徴抽出部６は、画像センサ５の位置決めを行うための特徴抽出を行う（ステップＳ２４）。ここで行う特徴抽出は、登録時（図３のフローチャート）と同様であるため、詳細な説明を省略する。ただし、認証時の特徴抽出は、図３に示すステップＳ１１においてセットする値は、登録時に保持しておいたセル数と係数αである。このように登録時の値を用いることで、画質改善を迅速に行うことが可能となる。

次に、特徴抽出部６は、ここで抽出した位置決め用特徴情報に基づいて、位置決め照合データ（テンプレートと照合するべきデータ）を生成する（ステップＳ２５）。そして、特徴抽出部６は、この位置決め照合データを照合部９へ出力する。これを受けて、照合部９は、テンプレート記憶部８に記憶されている位置決め用の特徴データと、特徴抽出部６から出力された位置決め照合データとを照合する（ステップＳ２６）。照合部９は、この照合の結果、位置ずれが所定範囲内であるか否かを判定し（ステップＳ２７）、所定範囲内でなければ制御部１に対して位置ずれが発生していることを通知する。これを受けて、制御部１は、表示部１２に位置ずれが発生していることを表示する（ステップＳ２８）。この表示に代えて、警報音等を発するようにしてもよい。ユーザは、この位置ずれが発生した場合、手首に装着している生体認証装置を適切な位置に装着し直すことによって位置ずれを解消する。

一方、位置ずれが所定範囲内である場合、照合部９は、位置ずれが発生したいないことを特徴抽出部６に対して通知する。これを受けて、特徴抽出部６は、照明制御部４に対して、位置決めが終了したことを通知する。特徴抽出部６から位置決が終了したことを通知を受けると、照明制御部４は、光源２を発光させる（ステップＳ２９）。照明制御部４は、特徴抽出部６に対して、光源２を発光させたことを通知する。これを受けて、特徴抽出部６は、画像センサ５が撮像した画像データを読み込む（ステップＳ３０）。そして、特徴抽出部６は、画像センサ５の認証用の特徴情報を取得するための特徴抽出を行う（ステップＳ３１）。この特徴抽出処理は、前述した処理（ステップＳ２４）と同様であるため、詳細な説明を省略する。

次に、特徴抽出部６は、ここで抽出した認証用特徴情報に基づいて、認証照合データ（テンプレートと照合するべきデータ）を生成する（ステップＳ３２）。そして、特徴抽出部６は、この認証照合データを照合部９へ出力する。これを受けて、照合部９は、テンプレート記憶部８に記憶されている認証用の特徴データと、特徴抽出部６から出力された認証照合データとを照合する（ステップＳ３３）。照合部９は、この照合の結果を判定部１０へ出力する。これを受けて、判定部１０は、類似度等の値から認証用の特徴データと、認証照合データとが一致したか否かを判定する（ステップＳ３４）。この判定の結果、一致していると見なせれば、判定部１０は、制御部１に対して、認証できたことを通知し（ステップＳ３５）、一致していなければ認証できなかったことを制御部１に通知する（ステップＳ３６）。制御部１は、この判定結果に基づいて、認証要求元に対して認証結果を通知する。

なお、前述した説明においては、位置決めを動脈の位置情報を用いて行うようにしたが、表皮のしわ等を位置決めに用いるようにしてもよい。

このように認証情報の照合前に位置決めを行うようにしたため、撮像エリアが小さい撮像素子を用いることが可能となる。また、画素数が少なく済むため、照合の画像処理量を少なくすることができ、処理速度を向上させることができるとともに、かつ精度の高い認証判定を行うことが可能となる。また、得られた画像に対して画質改善を施すようにしたため、照合処理を確実かつ正確に行うことが可能となる。また、位置ずれが発生していることを告知されるため、ユーザは、これに応じて、位置合わせを行うことができ、認証成功率の低下を防止することができる。また、認証に用いる認証情報の登録を生体認証情報の照合を行う装置と同一の装置で行うことができるため、ユーザの利便性を向上させることができる。また、ヘモグロビンの吸収に応じて使用波長を選択したため、効率よく生体認証に用いる特徴情報を抽出することが可能となる。

なお、図１に示す生体認証装置は、生体認証端末、汎用の小型生体認証モジュール、キーレスエントリーなどのコマンダー、リモコンなどにも応用することができる。

また、図１に示す生体認証装置は、コンピュータ、携帯電話、家電製品等の電子機器に備えられていてもよい。電子機器に生体認証装置を備えることによって、本人のみが電子機を使用できるようにするなどの使用制限を行うことが可能となる。

また、図１における処理部の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより生体認証処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（ＲＡＭ）のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

本発明の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す生体認証装置の動作を示すフローチャートである。 図１に示す生体認証装置の動作を示すフローチャートである。 図１に示す生体認証装置の動作を示すフローチャートである。 ヘモグロビンの吸収スペクトルを示す説明図である。 手首近傍の動脈の画像を示す説明図である。 手首近傍の静脈の画像を示す説明図である。 図１に示す生体認証装置を手首に装着した状態を示す説明図である。

符号の説明

１・・・制御部、２・・・光源（７５０ｎｍ）、３・・・光源（８８０ｎｍ）、４・・・照明制御部、５・・・画像センサ、６・・・特徴抽出部、７・・・登録部、８・・・テンプレート記憶部、９・・・照合部、１０・・・判定部、１２・・・表示部

Claims (6)

1. 生体の画像を撮像する画像撮像部と、
   前記画像撮像部により撮像された前記生体の第１の画像から抽出された、位置決めを行うための動脈の位置情報と、前記画像撮像部により撮像された前記生体の第２の画像から抽出された、生体認証を行うための静脈の位置情報とを記憶する認証情報記憶部と、
   認証時に、光の極大波長が８００ｎｍより長波長である光を前記生体に照射して、前記画像撮像部により撮像された第３の画像から抽出された、前記位置決めを行うための動脈の位置情報と前記認証情報記憶部に記憶された前記動脈の位置情報とを照合することにより前記画像撮像部と前記生体との位置決めを行い、光の極大波長が８００ｎｍより短波長である光を前記生体に照射して、前記画像撮像部により撮像された第４の画像から抽出された、生体認証を行うための静脈の位置情報と前記認証情報記憶部に記憶された前記静脈の位置情報とを照合する生体認証部と、
   を備えることを特徴とする生体認証装置。
2. 請求項１に記載の生体認証装置において、前記第３の画像と第４の画像のそれぞれについて画質改善を行うことを特徴とする生体認証装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の生体認証装置において、前記画像撮像部と前記生体との位置ずれが検出された場合に、位置ずれが発生していることを告知する位置ずれ告知部をさらに備えたことを特徴とする生体認証装置。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の生体認証装置において、前記動脈の位置情報と、前記静脈の位置情報とを前記認証情報記憶部に登録する登録部をさらに備えたことを特徴とする生体認証装置。
5. 生体の画像を撮像する画像撮像部と、前記画像撮像部により撮像された前記生体の第１の画像から抽出された、位置決めを行うための動脈の位置情報と、前記画像撮像部により撮像された前記生体の第２の画像から抽出された、生体認証を行うための静脈の位置情報とを記憶する認証情報記憶部とを備える生体認証装置が行う生体認証方法であって、
   認証時に、光の極大波長が８００ｎｍより長波長である光を前記生体に照射して、前記画像撮像部により撮像された第３の画像から抽出された、前記位置決めを行うための動脈の位置情報と前記認証情報記憶部に記憶された前記動脈の位置情報とを照合することにより前記画像撮像部と前記生体との位置決めを行い、光の極大波長が８００ｎｍより短波長である光を前記生体に照射して、前記画像撮像部により撮像された第４の画像から抽出された、生体認証を行うための静脈の位置情報と前記認証情報記憶部に記憶された前記静脈の位置情報とを照合する生体認証ステップ
   を含むことを特徴とする生体認証方法。
6. 請求項１から４のいずれかに記載の生体認証装置を備えた電子機器。

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