本発明は、指静脈認証システムに関し、より具体的には、レベルセット曲率(level set curvature)を分析する方法により、低容量/高速で使用者の指静脈パターンを認識、照合および判別する指静脈認証システムに関する。

一般的に、バイオメトリックス(bio−metrics)とは、人間の生理学的あるいは行動学的特徴を利用して個人を認識する方法である。代表的なバイオ認識技術としては、指紋、顔、虹彩、指静脈、署名認識などがある。このようなバイオ認識方法のうち、指紋認識と指静脈認識は、高い認識性能を有し、使用者の抵抗感や不便がおさえられ、認識時間が速い長所を有している。

人間の指紋を利用して本人かどうかを判別することができるという概念は、昔から犯罪者を捜す目的で広く用いられており、人によって指紋の形状が異なるのは、すでに広く知られている事実である。しかし、指紋の該当指に外傷がある場合や乾いた指、あるいは濡れた指では、一般の指紋スキャナで表皮指紋のパターンを取得しづらい欠点がある。

これを解決するために、「Lumidigm」社では、可視光線を指に透過させて指の真皮指紋を取得し、これを認識に利用する方法を提案している。真皮指紋は、指に酷い傷がない限り、いかなる条件でも取得できるという長所がある。

また、「Yanagawa」の研究により、人間の指静脈でも、本人かどうかを判別できるという概念が立証されている。前記「Yanagawa」の研究によれば、各個人ごとに十本の指の指静脈パターンがすべて異なると、一つの指静脈パターンは、信頼度が非常に高い虹彩パターンと類似の自由度で個人認証に適するとされている。

このように、指の真皮指紋の取得および指静脈を取得して個人認証することで、表皮指紋のパターンがうまく取得されない欠点を解消するための研究が進められている。

本発明は、前述のような点を鑑みて案出されたものであって、レベルセット曲率(level set curvature)を分析する方法により、低容量/高速で使用者の指静脈パターンを認識、照合および判別することができる指静脈認証システムを提供することを目的とする。

前述した発明の目的を達成するために、本発明の好ましい一形態は、近赤外線の光を放出するように成された光源部と、前記光源部から入射された光のうち、特定の波長の光のみを透過させるように構成された光学フィルター部と、使用者の指が含まれた画像を撮像した後、その撮像された画像を電気的信号に変換するように構成されたCCDカメラ部と、レベルセット曲率(level set curvature)を利用して、前記指が含まれた画像の中から指静脈パターンを抽出する演算を行うレベルセット曲率プログラムを格納するメモリ部と、前記レベルセット曲率プログラムを駆動する制御部とを含む指静脈認証システムであって、前記レベルセット曲率プログラムは、前記制御部に対して、(a)前記CCDカメラ部で取得された前記指が含まれた画像からノイズを除去し;(b)ノイズが除去された前記指が含まれた画像の中から周辺部分を除去することで前記指部分のみの画像を分離し;(c)レベルセット曲率(level set curvature)を利用して前記指部分のみの画像の中から指静脈パターンを抽出し;(d)前記抽出された指静脈パターンを二進化処理し;(e)前記二進化処理された指静脈パターンを細線化(thinning)処理するように指示することを特徴とする指静脈認証システムを提供する。

好ましい実施例に従い、前記(c)における前記レベルセット曲率を利用して前記指静脈パターンを抽出することは、(c1)前記指部分のみの画像を構成するすべてのピクセルのそれぞれに対するピクセル強度を規定する第1の演算と、(c2)前記すべてのピクセルのうち、同じピクセル強度を有するピクセルを互いに連結して生成した閉曲線である等高線(level set)を一つ以上生成する第2の演算と、(c3)前記一つ以上の等高線を等高線セットとして規定する第3の演算と、(c4)前記等高線セットの外方を基準として曲率が最小となる、前記一つ以上の等高線のそれぞれのポイントを連結した線を一つ以上生成する第4の演算と、(c5)前記一つ以上の線を指静脈パターンとして認識して抽出する第5の演算により行われる。

好ましい実施例に従って、前記(c4)における前記曲率は、

の式により求められ、ここで、

は前記曲率であり、wは前記等高線セットのグラジエントベクトル(gradient vector)である。

好ましい実施例に従って、前記光学フィルター部は、近赤外線帯域通過フィルター(NIR Pass Filter)であり、使用者の指静脈に含まれたヘモグロビンのうち、オキシヘモグロビン(HbO₂)とデオキシヘモグロビン(Hb)の感知に適した630〜1,000nmの波長の光のみを透過させるように構成される。

好ましい実施例に従って、本発明に係る指静脈認証システムは、数字、文字、記号を含む多数個のキーから構成され、使用者が選択したキーに対応するキー信号を出力するキー入力部がさらに含まれる。

本発明の一実施形態に係る指静脈認証システムの外観を示す斜視図。

図1aの前記指静脈認証システムのうち、画像処理装置の内部構造を説明するための図面。

図1aの前記指静脈認証システムの内部構成を説明するためのブロック図。

図1aの前記指静脈認証システムが、レベルセット曲率プログラムの命令に従って静脈パターンを抽出する過程を示すアルゴリズムフローチャート。

レベルセット曲率プログラムに従い、ノイズが除去された指に関する画像とノイズ除去前の画像を比較して示した図面。

レベルセット曲率プログラムに従い、全体の画像の中から指部分のみの画像を分離した結果の画面を示す図面。

レベルセット曲率プログラムに従い、指の画像が等高線の形態に変換された様子を示す図面。

レベルセット曲率プログラムが、前記図6aの等高線を利用して指静脈パターンを判別する方式を示す図面。

レベルセット曲率の

値を8ビットグレーレベルで正規化して示した図面。

レベルセット曲率プログラムにより抽出された静脈の画像と従来方法による静脈の画像を比較して示した図面。

以下、本発明の好ましい実施例を添付の図面を参照して詳細に説明する。まず、各図面の構成要素に参照符号を付するにおいて、同一の構成要素については、たとえ他の図面に示されていたとしても、可能な限り同一符号を付するようにしていることに留意すべきである。また、本発明を説明するにあたって、関連する公知の構成または機能に対する具体的な説明が本発明の要旨を曖昧にさせると判断される場合には、その詳細な説明を省略する。

明細書の全体において、どの部分がどのような構成要素を「含む」とするとき、これに対しては、特に断りのない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに包含できることを意味する。また、明細書に記載された「…部」、「…器」、「モジュール」などの用語は、少なくとも一つの機能や動作を処理する単位を意味し、これは、ハードウェアやソフトウェアまたはハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせで具現することができる。

図1aは、本発明に係る指静脈認証システム1の外観を示す斜視図であり、図1bは、指静脈認証システム1のうち、指静脈画像処理装置10の内部構造を説明するための図面であり、図2は、前記の指静脈認証システム1の内部構成を説明するためのブロック図である。

本発明に係る指静脈認証システム1は、近赤外線の光を使用者の指に照射した画像を、CCDカメラでデジタル画像として獲得した後に、前記獲得された画像の中から指静脈パターンの特徴をレベルセット曲率プログラムを利用して抽出し、その抽出されたパターンの特徴と予め登録されている使用者情報を比較する方式で個々人を識別するシステムである。

例えば、指静脈認証システム1は、出入口の傍の壁面に設置され、使用者は、出入り認証のために、指静脈画像処理装置10の指安着部Sに指20を挿入(安着)する動作だけで容易く出入り認証を完了することができる。このとき、使用者の静脈パターンとシステム1に登録されている静脈パターンが一致しない場合には、出入り認証が拒否される。

一方、以下の説明では、使用者が静脈パターン認識だけで認証を完了する実施例を想定してこのシステム1を説明するが、他の実施例では、使用者が静脈パターンを認証した前後に、キー入力部210によりパスワードを入力する方式でセキュリティを強化できる。例えば、使用者は、パスワードをキー入力部210に入力した後に、さらに指静脈パターンを確認させる方式で認証を受けることもできる。

図1a、1b及び図2をあわせて参照すると、本発明に係る指静脈認証システム1は、大別して、指の画像を獲得する指静脈画像処理装置10と、前記獲得した画像から指静脈パターンを抽出して使用者認証処理を行う認証処理装置20とから構成される。また、指静脈画像処理装置10は、近赤外線の光を放出するように成されている光源部110と、入射された光のうち、特定の波長の光のみを透過させるように構成された光学フィルター部120と、指の画像を撮像した後、その撮像された画像を電気的信号に変換する動作を行うように構成されたCCDカメラ部130とから構成されている。また、認証処理装置20は、数字、文字、記号などの多数個のキーから構成され、使用者が選択したキーに対応するキー信号を出力するキー入力部210と、使用者認証に関する各種の入力画面および結果画面を外部に表示するディスプレイ部220と、レベルセット曲率プログラムを格納するメモリ部230と、前記レベルセット曲率プログラムを駆動する制御部240とから構成される。

具体的には、指静脈画像処理装置10には、指が挿入される構造であり、切開された円筒状の指安着部Sが形成されており、指安着部Sの上部の本体面には、光源部110が設置されており、また、指安着部Sの下部の本体の面には、光学フィルター部120およびCCDカメラ部130が設置されている。

例えば、使用者認証のために、使用者が指安着部Sに指を安着させた場合には、光源部110から放射された近赤外線の光が指安着部S上の指を透過した後に、光学フィルター部120を通過した後、CCDカメラ部130に到達する方式で指の画像が撮像される。その後、CCDカメラ部130で撮像された指の画像は、認証処理装置20の制御部240の制御に従い、メモリ部230に保存される。また、その後、制御部240は、レベルセット曲率プログラム231の命令に従い、前記指の画像の中の指静脈パターンと既存に予め登録されている前記使用者の指静脈パターンが一致するかどうかを判別する処理動作を行う。

光源部110は、例えば、630〜1,000nmの波長の近赤外線の光を放出する構造の一つまたは複数のLEDあるいはレーザーダイオードから構成される。好ましい実施例に従い、光源部110の後面には、PDMS(Polydimethylsiloxane)材質から構成された光導波路(Light Wave Guide)が取り付けられ、これにより、光が拡散せず指を向けて入射することができる。

光学フィルター部120は、例えば、近赤外線帯域通過フィルター(NIR Pass Filter)から構成される。光学フィルター部120は、使用者の指が可視光線に曝された状況でも、指静脈の画像のみが撮像できるようにする機能を行う。好ましい実施例に従って、光学フィルター部は、ヘモグロビンのうち、オキシヘモグロビン(HbO₂)とデオキシヘモグロビン(Hb)の感知に適した630〜1,000nmの波長の光のみを透過させるように構成される。

CCDカメラ部130は、光源部110から放射された近赤外線の光により撮像された指Fに関する画像を電気的信号に変換する動作を行う。また、CCDカメラ部130により取得された指Fに関する電気的信号画像は、制御部240の制御に従い、メモリ部230に保存される。

図3は、制御部240が、レベルセット曲率プログラム231の命令に従い、前記CCDカメラ部130から受信した指Fに関する画像の中から静脈パターンを抽出する過程を示すアルゴリズムフローチャートである。

図3を参照すると、認証処理装置20の制御部240は、メモリ部230に格納されている「レベルセット曲率(level set curvature)プログラム231」を駆動し、(a)CCDカメラ部130から取得された指に関する画像からノイズを除去する処理動作(S301)と、(b)ノイズが除去された前記指に関する画像の中から周辺部分を除去し、指部分のみの画像を分離する処理動作(S302)と、(c)レベルセット曲率(level set curvature)を利用して前記指部分のみの画像の中から指静脈パターンを抽出する処理動作(S303)と、(d)前記抽出された指静脈パターンを二進化する処理動作(S304)と、(d)二進化された指静脈パターンを細線化(thinning)する処理動作(S305)とを行う。

その後、制御部240は、レベルセット曲率プログラム231の命令に従い、前記細線化された指静脈パターンと前記使用者に関して既存に登録されている指静脈パターンが一致するかどうかを判断することもできるのは言うまでもない。

このようなレベルセット曲率プログラム231は、例えば、フレキシブルディスク、ハードディスク、光ディスク、光磁気ディスク、CD−ROM、CD−R、磁気テープ、不揮発性のメモリカード、ROMなどのような外部の記憶媒体を利用して指静脈認証システム1に供給することもできる。

以下、図4〜図8を参照して、レベルセット曲率(level set curvature)プログラム231が提供する指静脈抽出アルゴリズムを詳細に説明する。 [ノイズ除去処理(S301)] 本発明に係る指静脈認証システム1に適用されるレベルセット曲率プログラム231は、例えば、ガウシアンフィルタリング(gaussian filtering)方式を用いて、指に関する画像の中からノイズを除去する演算を行う。

例えば、レベルセット曲率プログラム231は、指に関する画像を所定のサイズ、つまりMライン×Nピクセルのサイズのブロックに分割する演算過程と、前記分割された各ブロックに関する画素値に対する標準偏差を算出する演算過程と、この中で最も小さい標準偏差を選択して、これを整数値に量子化された最小標準偏差(σmin)を算出する演算過程と、前記最小標準偏差(σmin)と所定の範囲内の標準偏差を有するブロック(

)を選択する演算過程とを行う。 このとき、ブロック(

)は、次の数学式1を用いて導出可能である。 [数学式1]

ここで、

は前記選択されたブロックを示し、

はFLOOR関数として、与えられた値よりも小さい、或いは同じ最大整数値を求める関数をいう。

その後、レベルセット曲率プログラム231は、選択されたブロック(

)に対してガウシアン(Gaussian)フィルタリングをするためのフィルター係数を算出し、このとき、フィルター係数は、量子化された最小標準偏差(σmin)から次の数学式2により算出できる。 [数学式2]

次いで、レベルセット曲率プログラム231は、前記算出されたフィルター係数によって、前記選択されたブロック(σmin)に対するフィルタリングを行う。 次いで、レベルセット曲率プログラム231は、選択されたブロックの値と、その選択されたブロックをガウシアンフィルタリングした値の差の標準偏差をノイズ測定値(

)として算出し、これは次の数学式3のように表れる。 [数学式3]

このようなプロセスにより、レベルセット曲率プログラム231は、指に関する画像の中から指部分と無関係なノイズを算出することができ、これを除去できる。

図4は、レベルセット曲率プログラム231に従い、ノイズが除去された指に関する画像をノイズ除去前の画像と比較して示したものである。 [指部分のみの画像を分離する処理(S302)] 本発明に係る指静脈認証システム1に適用されるレベルセット曲率プログラム231は、指に関する画像の中から指部分のみの画像を分離する演算を行う。

CCDカメラ部130により撮像された画像には、指部分に対する画像だけでなく、周囲の物体に対する画像も一緒に含まれている。 好ましい実施例に従って、レベルセット曲率プログラム231は、グラジエントの発散(divergence of gradient)を利用したエッジ検出関数(edge detect function)を利用して、全体画像から指部分のみの画像を分離する演算を行うことができる。

例えば、グラジエントの発散を利用したエッジ検出関数は、次の数学式4を利用できる。 [数学式4]

図5は、レベルセット曲率プログラム231に従い、全体の画像の中から指部分のみの画像を分離した結果の画面を示している。

[レベルセット曲率を利用して指静脈パターンを抽出する処理(S303)] 本発明に係る指静脈認証システム1に適用されるレベルセット曲率プログラム231は、レベルセット曲率(level set curvature)を利用して指部分の画像から指静脈パターンを抽出する演算を行う。

ここで、レベルセット(level set)とは、画像の各ピクセル値を強度関数(intensity function)とみなしたとき、同じ強度を有するピクセルの集合を指す。

したがって、もし強度関数が連続関数であれば、一つのレベルセットをなす点は一つの等高線を形成することとなる。 具体的には、レベルセット曲率プログラム231は、(c1)指の画像を構成するすべてのピクセルのそれぞれに対するピクセル強度を規定する第1の演算と、(c2)前記すべてのピクセルのうち、同一のピクセル強度を有するピクセルを互いに連結して生成した閉曲線である等高線(level set)を一つ以上生成する第2の演算と、(c3)前記一つ以上の等高線を等高線セットとして規定する第3の演算と、(c4)前記等高線セットの外方を基準として曲率が最小となる、前記一つ以上の等高線のそれぞれのポイントを連結した線を一つ以上生成する第4の演算と、(c5)前記一つ以上の線を指静脈パターンとして認識して抽出する第5の演算によって行うことで、前記指の画像の中から指静脈パターンを抽出するプロセスを行う。

図6aは、レベルセット曲率プログラム231に従い、指の画像が等高線セット形態に変換された様子を示し、図6bは、レベルセット曲率プログラム231が、前記図6aの等高線セットの曲率を利用して指静脈パターンを判別する方式を示している。

まず、図6aを参照すると、指の画像の中の指部分のみの画像を構成するすべてのピクセルのそれぞれに対するピクセル強度を規定する演算と、前記すべてのピクセルのうち、同一のピクセル強度を有するピクセルを互いに連結して生成した閉曲線である等高線(level set)を一つ以上生成する演算とにより等高線セットが作られる。

次に、図6bを参照すると、レベルセット曲率プログラム231は、前記等高線セットの外方を基準として曲率が最小となる、前記一つ以上の等高線のそれぞれのポイントを連結した線を一つ以上生成する演算と、前記一つ以上の線を指静脈パターンとして認識して抽出する演算とにより指の画像の中から指静脈パターンを抽出する。

このような等高線セットの外方を基準として曲率が最小となるポイントを連結した線は、地理学の観点からみると、等高線中の谷を見つける方式と類似する。 具体的には、本レベルセット曲率プログラム231は、指の画像に含まれた等高線セットを構成する各等高線において、等高線セットの外方を基準として計算したとき、曲率が最大となる点を連結した線が稜線(ridge)となり、最小となる点を連結した線が谷(valley)となり、なお、指の画像の中で静脈血管が分布するところは、等高線セット上で谷のパターンに対応するようになるという原理に基づいたものである。

このような曲率が最小となるポイントは、次の数学式5をもって、それぞれの等高線において

が最も小さい点を見つけることにより求められる。 [数学式5]

ここでは、

は曲率であり、wはグラジエントベクトルであり、指静脈に該当する部分は明らかに低い

値を有する。

このように、レベルセット曲率は、正規化されたグラジエント(normalized gradient)の発散(divergence)を利用して求められ、このとき、前述した等高線中の稜線部分ではグラジエントベクトルが集まり、谷の部分ではグラジエントベクトルが発散することを直観的に確認できる。 図7は、

値を8ビットグレーレベルとして正規化して示したもので、静脈の中心線に該当する部分が明らかに小さい値を有することを確認できる。

[レベルセットの曲率を二進化する処理(S304)と細線化する処理(S305)] 本発明に係る指静脈認証システム1に適用されるレベルセット曲率プログラム231は、レベルセット曲率(level set curvature)を利用して抽出された指静脈パターンを二進化する演算(S304)と、その二進化された画像を細線化(thinning)する演算(305)とを行う。

ここで、レベルセット曲率プログラム231が行う二進化処理は、メモリ部230の容量を考慮して、抽出された静脈パターンの保存空間を省くためのものであり、かつ、後続の処理過程であるマッチング(matching)時間を省くためのものである。

また、レベルセット曲率プログラム231が行う細線化は、厚い静脈表示を薄い静脈表示に変換し、より多くの量の静脈情報を歪みなく保存できるようにするためのことである。

図8は、レベルセット曲率プログラム231に従い、指の画像の中から静脈パターンを抽出し、その抽出されたパターンを二進化および細線化した最終の静脈の画像と、既存のライントラッキング(line tracking)方式による第1の静脈の画像および既存のローカルしきい値(local threshold)方式による第2の静脈の画像とを比較して示した図面である。

図8から分かるように、本発明に係るレベルセット曲率プログラム231に従って得られた静脈の画像の形態が、既存の静脈の画像よりも遥かに鮮明であり、これにより境界面での誤差が少ないのは明らかである。

本発明により、指静脈認証システム1に適用されるレベルセット曲率プログラム231は、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録することもできる。このようなコンピュータで読み取り可能な記録媒体の例としては、ROM、RAM、CD−ROM、磁気テープ、フロッピー(登録商標)ディスク、光データ保存装置などがあり、かつ、キャリアウェーブ(例えば、インターネットを通じた伝送)の形で具現されるものも含まれる。また、コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、ネットワークで連結されたコンピュータシステムに分散され、分散方式でコンピュータが読み取ることができるコードが保存されて、実行されることもできる。また、本実施例を具現するための機能的な(Functional)プログラム、コードおよびコードセグメントは、本実施例の属する技術分野のプログラマにより容易に推論できるはずである。

なお、以上で、本発明の実施例を構成するすべての構成要素が一つに結合されて動作するものとして説明されたとして、本発明は必ずしもこのような実施例に限定されるものではない。すなわち、本発明の目的の範囲内であれば、そのすべての構成要素が一つ以上で選択的に結合して動作することもできる。また、そのすべての構成要素が、各々一つの独立したハードウェアとして具現できるが、各構成要素の一部または全部が選択的に結合され、一つまたは複数個のハードウェアで結合された一部または全部の機能を行うプログラムモジュールを有するコンピュータプログラムとして具現することもできる。

以上の説明は、本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎないものであって、本発明が属する技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の本質的な特性から逸脱しない範囲で様々な修正および変形が可能である。したがって、本発明に開示された実施例は、本発明の技術思想を限定するためのものではなく、説明するためのものであり、これらの実施例により本発明の技術思想の範囲が限定されるものではない。本発明の保護範囲は、以下の特許請求の範囲により解釈されるべきであり、それと同等の範囲内のすべての技術思想は、本発明の権利範囲に含まれるものとして解釈されるべきである。

1:指静脈認証システム、10:指静脈画像処理装置、20:認証処理装置、110:光源部、120:光源フィルター部、130:CCDカメラ部、210:キー入力部、220:ディスプレイ部、230:メモリ部、231:レベルセット曲率プログラム、240:制御部