JP4911317B2 - 指紋画像背景検出装置及び検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、指紋認証装置に用いられる指紋画像背景検出装置及び検出方法に関し、特に指紋画像から指紋特徴抽出を行う前に背景領域を除去する指紋画像背景検出装置及び検出方法に関する。

従来保安上の観点から、建造物の入退室、コンピュータへのアクセス時、金融機関の応対などには、本人の確認を行う必要がある。

このような本人の確認を行う従来の指紋認証装置において、光学的手段、静電容量的手段又は熱的手段の平面センサ又はライン状センサにより指紋画像を得ている。識別対象者の指の指紋を取り込んだ指紋隆線のモノクロ濃淡画像を指紋登録者の登録画像と比較し、識別対象者が、指紋登録者と同一であるか否かを判定する。

このような指紋認証装置における画像処理においては、採取した指紋画像に対して特徴抽出を行い、抽出した特徴量を用いて照合を行うが、指紋の特徴をより精度良く抽出するため、特徴抽出を行う前に指紋画像に対してノイズ除去や背景除去等の前処理を行うのが一般的である。前処理は、指紋特徴の誤検出や検出洩れによる照合精度低下の防止や、不要な処理を省いて計算量を削減することを目的に行われる。前処理のうちの背景除去を行うためには、対象となる指紋画像を、指紋が存在する押捺領域と背景領域に分離する必要がある。

しかし、従来の指紋画像の押捺領域と背景領域を分離する方法は、指紋入力装置からの入力画像に対して、隆線画素と隆線以外の画素の画素値（濃度値）に有意な差があることを前提にして、単純に指紋画像の画素値に対して閾値処理を行い、押捺領域と背景領域の判別を行うものがほとんどであった。

例えば、下記特許文献１に記載の方法においては、入力された画像の濃淡値を利用し、入力画像をガウス変換によりぼかした上で、一旦２値化することにより、濃い部分は画素１の黒い領域とし、淡い部分は画素０の白い領域とする。これにより、黒い領域が指紋画像部分として特定されるので、この部分をマスクして入力検出された画像に戻し、白い領域は背景情報としてカットする。背景分離処理を経た指紋画像を特徴抽出処理に供するものであるが、背景分離処理には、押捺領域と背景領域に画素値の分布に有意な差が存在することを前提としている。

また、特許文献２に記載の方法おいては、指紋ではなく掌紋を対象としているが、掌紋の輪郭を抽出することで押捺領域を求めている。掌紋の輪郭は、掌紋画像の上下左右の方向からの走査線により背景画素と掌紋画素との輝度差を基に境界とするものである。単純な閾値処理によって隆線画素とそれ以外の画素の判別を行っており、やはり、隆線の画素値と背景及び谷線の画素値の分布に明確な差が存在することが前提となっている。

一方、特許文献３に記載の方法においては、指紋画像を細分化し小領域（ブロック）に分割し、押捺領域と背景領域の画素値の分布に差が存在することを利用し小領域の画素値を比較する方法による欠点を解決したものである。すなわち、指紋画像を画素値の中間値による方法などで２値化を行った後細分化した小領域に対して、隆線と谷線の連続性から指紋の存在を判定し、背景画像が含まれていない、認証に適した画像と確認して照合処理に移行するものである。

図８は、特許文献３に記載の方法を説明するための一領域を示す図である。

一領域に複数の画素（例えば１０×１０）を含み、画素の１又は０が判定ラインに沿って所定個数連続したとき、隆線又は谷線と判定している。
特開２００３−４４８５６号公報 特開平１０−２５５０５１号公報 特開２００２−２９８１２６号公報

上記従来技術において、押捺領域と背景領域の分離に単純な閾値処理が使われていたのは、従来の指紋照合装置は低コストを追求する必要性が高くなく、質の良い指紋入力装置を使うことができていたので、高画質の指紋画像を得ることができていたためである。

しかし、近年指紋照合装置がパーソナル用途を含め多くの機器に搭載されるようになり、指紋入力装置の小型化・低価格化が求められるようになると、小型化やコストダウンの結果品質の低下が見られる指紋センサが増え、画質の悪い指紋画像を扱わなければならない場合が多くなった。

指紋画像の画質の悪化の例としては、インパルス状のごま塩ノイズ、一定方向の筋状ノイズなど、さまざまなノイズの増加が挙げられる。一枚の指紋画像内で画素値のレベルを一定に保てずに、背景や隆線の明るさにムラがある指紋画像も存在する。また、小型化を目指したライン状指紋センサで採取した指紋画像の場合は、指をセンサ上で滑らせて指紋画像を採取する際に汗や油脂等の付着物を引きずることにより、指紋画像の背景に筋や縞模様ができることもある。

図９は、指を滑らせて指紋を採取するライン状センサに生じる筋を模式的に表した図である。

センサ９１上に指９２を接触させて図の下方に滑らせる。指紋９３と汗や油脂等の付着物を引きずることによって指紋画像の背景に筋９４が生じる。

インパルス状ノイズや筋状のノイズが存在しても、ノイズによる画素値の変化量が小さい場合や、ノイズの直径や幅が隆線の幅と比較して非常に小さい場合あれば、従来も行われていたような、例えばガウシアンやメディアンフィルタ等の平滑化を行うことによって、ノイズの影響を大きく低減することができ、平滑化の後閾値処理を行うことで背景領域と押捺領域を分離することは可能である。

しかし、画素値が隆線画素の画素値と同程度の大きさで、幅も隆線と同程度であるような筋状のノイズが乗っている場合もある。隆線の間隔と同程度の間隔で筋状ノイズが存在することも稀ではない。また、指を引きずることによって生じた汗や油脂等の付着物による筋や縞模様は、指をセンサ面に接触させて滑らせた時に、センサ面に接触している隆線の端がセンサ面上を動く際に、センサ面上に汗や油脂等の付着物を残すことによってできるので、筋の間隔、幅、画素値の全てが隆線と同程度になる。したがって、引きずりによる筋は、筋の間隔、幅、画素値によって隆線と区別することは困難である。隆線に似た筋状ノイズや引きずりによる筋が背景領域にある場合は、ガウシアンやメディアンフィルタ等を使用した平滑化を行うことでそれらを除去するのは難しく、背景領域と押捺領域を画素値の閾域値処理によって分離することは困難である。すなわち、上記特許文献２の方法においても、細分化画像に対して、隆線と谷線の連続性から指紋の存在を判定しているが、筋状ノイズ又は引きずりによる筋を含む背景領域を押捺領域として誤判定する可能性がある。

このように、背景に隆線に似た筋状ノイズや引きずりによる筋が存在するような場合は、従来の画素値による背景領域分離法では、正しく背景領域と押捺領域の分離が困難になると言う問題があった。

［発明の目的］
本発明は、隆線と区別しにくい筋状ノイズ又は引きずりによる筋が存在する場合でも、それらの存在に影響を受けることなく、背景領域と押捺領域を分離することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、ライン状センサ上で指を滑らす際に生じた筋の間隔が隆線とほぼ同じであるが、その方向は、センサの形状によって定まるほぼ一定方向であるのに対し、隆線の方向は指の部位によってさまざまであることに着目したものである。そして、筋の方向が一定であることを利用し、筋に平行な方向の画素値の変動量を利用することで、引きずりによる筋のある指紋画像においても背景除去を可能とした。

本発明の指紋画像背景検出装置は、入力指紋画像における背景領域と押捺領域を判別する指紋画像背景検出装置において、前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出手段と、前記押捺特徴抽出手段において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する仮押捺領域判定手段と、前記仮押捺領域判定手段で判定した押捺領域を凸状図形に整形し、押捺領域以外を背景領域として求める押捺領域整形手段とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の指紋画像背景検出方法は、入力指紋画像における背景領域と押捺領域を判別する指紋画像背景検出方法において、前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出工程と、前記押捺特徴抽出工程において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する仮押捺領域判定工程と、前記仮押捺領域判定工程で判定した押捺領域を凸状図形に整形し、押捺領域以外を背景領域として求める押捺領域整形工程とを有することを特徴とする。

本発明は、指紋隆線に似た幅や間隔を持つ一定方向の筋状ノイズや引きずりによる筋が存在するような質の悪い指紋画像が入力された場合、分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量から押捺領域を仮判定し、その後押捺領域の整形を行うことで背景領域を求めることにより、背景領域を押捺領域から精度よく分離することができる。また、本発明を指紋特徴抽出に適用したとき、誤検出を防ぎ、処理を効率よく行うことができる。

本発明における第１の実施形態の概略を示すブロック図 背景検出装置で行われる処理のおおまかな流れを表した図 本発明における第２の実施形態の概略を示すブロック図 本発明における第３の実施形態の概略を示すブロック図 本発明における第４の実施形態の概略を示すブロック図 本発明における第５の実施形態の概略を示すブロック図 本発明における第６の実施形態の概略を示すブロック図 特許文献３に記載の方法を説明するための一領域を示す図 指を滑らせて指紋を採取するライン状センサに生じる筋を模式的に表した図

符号の説明

１…入力装置
２…背景検出装置
３…出力装置
４…保存装置
５…指紋特徴抽出装置
６…照合装置
７…データ処理装置
８…背景検出プログラム
２１…画質改善手段
２２…押捺特徴抽出手段
２３…仮押捺領域判定手段
２４…押捺領域整形手段
５１…指紋特徴抽出手段
６１…照合手段
７ａ…第１のデータ処理装置
７ｂ…第２のデータ処理装置
７ｃ…第３のデータ処理装置
８ａ…背景検出プログラム
８ｂ…指紋特徴抽出プログラム
８ｃ…照合プログラム
８１…小領域に分割した指紋画像
８２…押捺特徴量を計算する小領域
８３…小領域に対して計算した押捺特徴量
８４…全ての小領域に対して計算した押捺特徴量
８５…押捺特徴量によって押捺領域・背景領域の判定を結果
８６…整形を行った結果
９１…センサ
９２…指
９３…指紋
９４…引きずりによる筋

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明における第１の実施形態の概略を示すブロック図である。

図１において、指紋スキャナ等の入力装置１と、プログラム制御によって動作するデータ処理装置等で実現される背景検出装置２と、ディスプレイ装置等の出力装置３と、検出した背景情報を保存しておく保存装置４によって構成される。データ処理装置は、演算装置とメモリ装置等によって構成される一般的なコンピュータシステムと、コンピュータシステム上で動作し、コンピュータシステムを制御するプログラムによって構成される。

背景検出装置２は、画質改善手段２１と、押捺特徴抽出手段２２と、仮押捺領域判定手段２３と、押捺領域整形手段２４を備える。画質改善手段２１は、ノイズ除去等の画質改善を行うものである。押捺特徴抽出手段２２は、押捺領域と背景領域を区別するための押捺特徴量を計算する。仮押捺領域判定手段２３は、押捺特徴抽出手段２２で計算した押捺特徴量から、小領域に分割した指紋画像の各領域が押捺領域であるか背景領域であるかを判定する。押捺領域整形手段２４は、仮押捺領域判定手段２３で押捺領域であると判定された小領域をグルーピングし、押捺領域の集合が指紋らしい形になるよう整形し、押捺領域以外の領域を背景領域であるとする。

次に、図１を参照して本実施形態の全体の動作について詳細に説明する。

入力装置１では、指紋画像をデジタル化されたデータとして取り込み、背景検出装置に送る。

画質改善手段２１は、入力装置１によって与えられたデジタル化された指紋画像に対するノイズの除去や、指紋画像に著しい明るさのムラが存在する場合に明るさのムラを軽減する画素値の平坦化などの画質の改善を行い、画質が改善された指紋画像を押捺特徴抽出手段２２に送る。この画質改善手段２１は、必要に応じて設けられ、省略することもできる。

押捺特徴抽出手段２２には、あらかじめ筋状ノイズや引きずりによる筋などの方向の情報が与えられていて、押捺特徴抽出手段２２では、受け取った指紋画像から、まず引きずりによる筋や筋状ノイズの筋に平行な方向の画素値の変動量を算出する。

指紋画像を分割した部分小領域に対して、それぞれの部分小領域毎に、その部分小領域の中心画素を含む近傍領域内の各画素の画素値の変動量から、各画素の画素値の変動量を引数とする関数を用いて部分小領域の押捺特徴量を算出する。部分小領域の押捺特徴量を算出するための関数としては、各画素の画素値の変動量の２乗和や絶対値の和などが考えられる。算出した部分小領域の押捺特徴量を仮押捺領域判定手段２３に送る。

仮押捺領域判定手段２３では、部分小領域の押捺特徴量に対して閾値処理を行うことで、その小領域が背景領域であるか押捺領域であるかの判定を行う。閾値はあらかじめ実験的に求めておいても、判別分析などを用いて算出してもよい。画像全体について、部分小領域が背景領域であるか押捺領域であるかの判定を行い、その結果を押捺領域整形手段２４に送る。

押捺領域整形手段２３は、隣接している押捺領域と判定された小領域をグルーピングして押捺領域の集まりを作成し、グルーピングしてできた押捺領域の集まりに対して穴埋めやノイズ除去等の整形を行い、指紋らしい形の押捺領域を生成し、押捺領域以外の領域を背景領域として出力する。

筋状ノイズや引きずりによる筋は、センサの性質や指紋採取法に依存し、センサとセンサの取り付け法、指紋採取法を決めると、採取した全ての画像で一定方向に決まるので、筋状ノイズや引きずりによる筋の方向は既知とする。指紋画像に筋状ノイズあるいは引きずりによる筋が存在しているとしても、筋の方向に平行な方向の画素値の変化量は無いかもしくは少ない。それに対し、指紋は、大まかに言うとほぼ一定間隔の同心楕円の集まりのような模様であり、仮に筋が上下方向に存在するとした時には、押捺領域の上端及び下端では、隆線は筋に垂直に近い方向を向く。したがって、筋に平行な方向における押捺領域の画素値の変化量は、押捺領域の上端及び下端で特に大きくなる。筋の方向がどのような方向であっても、筋の方向を上下方向として考えると同様のことが言える。

押捺領域は、指を平面に押し付けた形であるので、一般的に領域内に背景領域の無い丸みを帯びた閉領域になっている。小領域毎に押捺領域であるか判定を行った場合、押捺領域と判定された小領域の集合の形は、誤判定やノイズの影響などでいびつになることが多い。押捺領域の集合の内部に孤立して背景領域が存在する場合も多い。また、筋に平行な方向の画素値の変化量を使用しているので、筋に平行な隆線がある小領域は背景領域と判定される。例えば、上記のように上下方向に筋が存在するとした場合、指紋の左右端では隆線の方向は筋と平行になり背景領域と見なされてしまう。しかし、指紋は一般的に凸形状であるので、押捺領域内部で背景領域と判定された小領域は一般的に誤判定された押捺領域であり、凹状の押捺領域に挟まれた背景領域も押捺領域である可能性が高い。そこで、押捺領域整形手段２４では、押捺領域内の孤立背景領域や、凹状の押捺領域に挟まれた背景領域を押捺領域とする穴埋めや、背景領域内で孤立している面積の小さい押捺領域を背景領域にするノイズ除去等の処理を行う。

押捺領域であっても、指紋で隆線が筋と平行な領域では、筋と平行な方向の画素値の変化量の大きさは小さくなる。上記の筋が上下方向である場合の例で言うと、指紋の左右端付近では隆線の方向が筋の方向と平行に近くなるために、背景領域と判定される可能性が高く、押捺領域の集まりを作成した時に凹状になることが考えられる。しかし、指紋の上下端には、隆線が筋と垂直であるため押捺領域と判定される確率の非常に高いの領域があり、背景と判定される可能性が高い左右端の領域は上下端の領域に挟まれている。したがって、左右端が仮押捺領域判定手段２３によって背景領域と判定されても、押捺領域整形手段２４によって穴埋めされて押捺領域となる。筋が上下方向でない場合も、筋の方向を上記の説明の上下方向と考えれば同様のことが言える。

押捺領域中にある小領域が背景であると誤判定されて、押捺領域中に孤立背景領域が存在する場合も考えられるが、押捺領域中に孤立背景領域は押捺領域整形手段２４によって穴埋めされ、押捺領域とされる。

また、ノイズ等の影響により、背景領域中に押捺領域と誤判定された小領域が存在し、複数の独立した連結押捺領域が生成される場合も考えられる。しかし、一般に指紋センサは指のサイズに合わせて作られており、採取された指紋画像の大部分が押捺領域で占められるのが普通であり、真の押捺領域が存在している指紋画像内に、真の押捺領域より面積の大きいノイズの固まり等による連結領域が背景領域に存在する可能性は低い。押捺領域と判定された連結領域が独立して複数生成された場合、面積の最も大きい連結押捺領域が正しい押捺領域であると考えるのが合理的であり、面積が最大の連結領域以外はノイズ等によるものと考えて問題はない。従って、面積が最も大きい連結押捺領域以外を消去するノイズ除去処理を行うことによって、誤判定による押捺領域を除去し、真の押捺領域だけを残すことができる。以上の処理によって、最終的な押捺領域は指紋らしい形すなわち凸形状の領域になる。

図２は、背景検出装置で行われる処理のおおまかな流れを表した図である。

８１はノイズ除去等が行われた指紋画像を小領域に分割した指紋画像、８２は押捺特徴量を計算しようとしているj行ｉ列目の小領域、８３は８３のj行ｉ列目の小領域に対して計算した押捺特徴量、８４は全ての小領域に対して計算した押捺特徴量Ｖ_ｉｊ、８５は計算した押捺特徴量によって判定を行った整形前の押捺領域、８６は押捺領域を指紋らしい凸形状に整形した結果を表す。８５，８６では、背景領域は黒い小領域、押捺領域は白い小領域として描かれている。押捺領域整形手段２４によって押捺領域にされなかった領域は背景領域であると判定される。

背景領域の情報は、ディスプレイ装置等の出力装置３に送られて表示され、ディスク装置等の保存装置４に保存される。

第１の実施形態における更に具体的な態様を説明する。

図１を参照すると、入力装置１として、プリズム、半導体等を使用した指紋センサを搭載した指紋スキャナを、出力装置３としてはディスプレイ等の表示装置を備えている。背景検出装置２は、画質改善手段２１、押捺特徴抽出手段２２、仮押捺領域判定手段２３、押捺領域整形手段２４のそれぞれの機能専用の論理回路や、あるいはＤＳＰやコンピュータのような汎用演算装置と、それぞれの機能を実現するプログラムによって構成される。

前記画質改善手段２１では、入力装置１から入力されたデジタル化された指紋画像に対して、ガウシアンフィルタ、メディアンフィルタ等の平滑化の方法によってノイズ除去を行う。指紋画像に著しい明るさのムラすなわち画像の部位によって画素値のダイナミックレンジに大きな偏りがある場合は、画像全体に対して画素値の平坦化を行う。画素値の平坦化の方法としては、例えば画像の画素値のダイナミックレンジが縦方向についてはほぼ一定である場合は、画像のそれぞれの列毎に縦方向の画素値の平均値をとり、求まった平均値とあらかじめ決めておいた平均値の目標値の差に対して、あらかじめ決めておいた１以下の正の定数を掛けた値を、平均値を求めた列の全ての画素の画素値に加える方法が考えられる。定数や目標値は、センサ毎に適切な値を選択する。この方法で、画素値のダイナミックレンジが横方向についてほぼ一定である場合は、縦と横を入れ換えて同様の計算を行えばよい。縦方向・横方向のどちらについても、画素値のダイナミックレンジがほぼ一定とは言えない場合は、縦方向・横方向の両方向について平滑化処理を行えばよい。また、上記の平均値を計算するそれぞれの列の画素値の最小値と平均値が比例していない場合は、それぞれの列毎に、最小値とあらかじめ設定した最小値の目標値の差に定数を掛けた値を列の全画素から差し引いた後に、前記の平坦化処理を行えばよい。

押捺特徴抽出手段２２では、画質改善手段２１でノイズ除去や画素値の平坦化を行った指紋画像に対して、まず、あらかじめ与えられている筋状ノイズや引きずりによる筋の方向に平行な方向の画素値の変動量を算出する。特定方向の画素値の変動量としては、ソーベル（Sobel）フィルタなどの１次空間微分フィルタを、変動量を知りたい方向に作用させて得られる勾配の大きさが挙げられる。

指紋画像を分割した小領域毎に、小領域を含む近傍領域に含まれる画素の画素値の変動量の和を計算し、計算された和の値をその小領域の押捺特徴量とする。画素値の変動量が正の値を取らないような場合も考えられるので、画素値の変動量の和ではなく、絶対値の和や、あるいは２乗和を押捺特徴量としてもよい。

小領域が隆線領域であるなら、隆線では画素値が大きく変化するので、小領域内には画素値の変動量が大きい画素が多く分布することになり、押捺特徴量の値は大きくなる。一方、小領域が隆線の無い背景領域であるなら、その小領域内には画素値の変動量が小さい画素が多く分布することになり、押捺特徴量の値は小さくなる。背景領域内に画質改善手段２１で除去されなかった孤立点状のノイズが残っている場合、ノイズの近傍では画素値の変動量の大きさは大きくなるが、小領域の大きさを適当に取れば、小領域内における画素値の変動量の大きい画素の割合は小さくなり、押捺特徴量の値も押捺領域と比較して小さくなる。筋状ノイズや引きずりによる筋が存在する場合、筋に平行な方向の画素値の変動量は、ノイズや方向のずれなどが存在するので完全にゼロにはならないが、押捺特徴量の値は押捺領域の値と比較すると小さい値になる。

仮押捺領域判定手段２３では、小領域の押捺特徴量Ｖ_ｉｊに対して閾値処理を行い、小領域毎に、その小領域が押捺領域であるか背景領域であるかの推定を行う。閾値処理の一つとしては、あらかじめ求めておいた閾値を基準に、押捺特徴量をその閾値比較し、その大小で小領域が押捺領域であるか、背景領域であるかを判定する方法がある。また、大津の２値化といった判別分析等によって入力画像毎に適切な閾値を決定し、決定した閾値を基準にして小領域が押捺領域であるか背景領域であるかを判定してもよい。

押捺領域整形手段２４では、まず、隣接する押捺領域と判定された小領域同士をマージして連結押捺領域を作成する。複数の連結押捺領域が出来た場合は、面積最大の連結押捺領域と比較して著しく小さい面積の連結押捺領域を、ノイズとして消去する。残った連結押捺領域に挟まれた背景領域があればその領域を押捺領域にする。このとき押捺領域中に背景領域がある場合も、この背景領域は押捺領域になり、仮押捺領域判定手段２３で求めた押捺領域は凸状図形に整形される。

最終的に背景領域と判定された領域を出力装置３に画像として出力する。保存が必要な場合は、ディスク装置等の保存装置４に保存を行う。

次に、本実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、筋状ノイズや引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変化量を使用することで、背景領域に存在する隆線に類似した筋状ノイズや引きずりによる筋の影響を排除し、隆線が存在する押捺領域の分離を精度よく行うことができる。

また、画質改善手段において、平滑化などの方法でインパルス状ノイズを除去あるいは軽減することで、インパルス状ノイズ画素の近傍における画素値の変化量を少なくすることができ、インパルス状ノイズによる誤判定を減少させることができる。

更に、指紋画像の明るさに大きなムラがあり、画像の部位によって画素値に大きな変動があるような場合であっても、ムラによる画素値の変化量の大きさは、隆線による画素値の変化量の大きさと比較すると非常に小さい値となる。したがって、画素値の変化量を使用することにより、指紋画像の激しい明るさのムラの影響を大きく低減することができる。

最終的な押捺領域は指紋らしい形すなわち凸形状の領域になるが、このことには次に示す効果がある。小領域単位で押捺領域かどうかの判定を行って近接した押捺領域の融合を行って連結領域の生成を行った場合、連結領域は凹部や穴のあるいびつな形状になる場合が少なくなく、その凹部や穴は真の押捺領域内にある小領域で誤判定によって背景領域と判定された領域であることが多い。指紋特徴がある押捺領域を、誤判定により背景として除去してしまった場合、指紋特徴は失われてしまう。連結領域の凹部や穴を埋める整形処理を行うことで、誤判定によって背景として除去される押捺領域を減らすことができる。整形処理にともなって、実際は背景であるのに押捺領域となる誤判定が生じることが考えられるが、背景領域全体の面積と比較すると少ない場合が多く、また、背景領域を押捺領域と誤判定することによって、押捺領域に対する指紋特徴抽出処理の処理時間が増えるが、指紋特徴が失われることと比較すると問題は少ない。

［第２の実施形態］
図３は、本発明における第２の実施形態の概略を示すブロック図である。

図３において、第２の実施形態は、第１の実施形態（図１）と同様、入力装置１、背景検出装置２、出力装置３を備え、背景検出装置２は画質改善手段２１、押捺特徴抽出手段２２、仮押捺領域判定手段２３、押捺領域整形手段２４によって構成される。本実施形態は、指紋特徴抽出装置５と保存装置４を備える点で第１の実施形態と異なる。

指紋特徴抽出装置５は、指紋特徴抽出手段５１を備え、プログラム制御によって動作するデータ処理装置で構成される。データ処理装置は、演算装置とメモリ装置等によって構成されるコンピュータシステムと、コンピュータシステム上で動作し、コンピュータシステムを制御するプログラムなどによって構成される。

指紋特徴抽出手段５１は、背景検出装置２の画質改善手段２１でノイズ除去等が行われて画質が改善された指紋画像と、背景検出装置２によって出力された背景領域の情報を受け取り、指紋画像の押捺領域に対して特徴抽出処理を行う。抽出された指紋特徴データはディスプレイ装置等によって構成される出力装置３に送られて表示され、また、保存装置４に送られて保存される。

本実施の形態の動作を、図面を参照して詳細に説明する。

図３の本実施形態における入力装置１、背景検出装置２を構成する画質改善手段２１、押捺特徴抽出手段２２、仮押捺領域判定手段２３、押捺領域整形手段２４の動作は第１の実施形態の入力装置１、背景検出装置２を構成する画質改善手段２１、押捺特徴抽出手段２２、仮押捺領域判定手段２３、押捺領域整形手段２４の動作と同一であるため、説明は省略する。

指紋特徴抽出手段５１は、背景領域検出装置２によって検出された背景領域を参照して、画質改善手段２１から受け取ったノイズ除去等の処理が行われた指紋画像に対して、背景領域と判定された領域に対しては特徴抽出は行わず、押捺領域と判定された領域のみを対象に特徴抽出を行って指紋特徴を抽出し、出力装置３に出力する。また、指紋特徴データを保存装置４に保存する。

第２の実施形態における更に具体的な態様を説明する。

本実施形態は、背景領域の情報を利用した指紋特徴抽出システムである。

本実施形態の背景検出装置の構成は、第１の実施形態の構成と同じであるが、本実施形態は、指紋特徴抽出装置を有し、画質を改善した指紋画像が画質改善手段から指紋特徴抽出装置に送られる点と、背景の検出結果が背景検出装置から指紋特徴抽出装置に送られる点、指紋特徴抽出装置では指紋画像と背景検出結果から指紋特徴を抽出する点が異なる。

指紋特徴抽出装置は、指紋特徴抽出手段の機能専用の論理回路や、コンピュータやDSPと言った汎用演算装置と指紋特徴抽出手段の機能を実現するプログラムによって構成される。背景検出装置と指紋特徴抽出装置は、それぞれ別の機器であってもよいし、それぞれの装置の機能専用の論理回路を内部に備えた一つの機器として構成されていてもよい。また、一つの汎用演算装置と、背景検出装置の各機能や指紋特徴抽出装置の機能を実現するプログラムで構成されていてもよい。

背景検出装置は、画質改善手段でノイズ除去を行った画像及び検出した背景領域の情報を指紋特徴抽出装置に送る。

指紋特徴抽出手段では、受け取った背景領域の情報を利用し、指紋画像の押捺領域のみに対して指紋特徴の抽出処理を行う。指紋特徴抽出のアルゴリズムは任意である。抽出した指紋特徴は、必要ならディスク装置などの保存装置に送って保存し、ディスプレイ装置等の出力装置に送って表示する。

本実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、第１の実施形態と同様に、筋状ノイズや引きずりにより生じる隆線に類似した形状の筋が存在するような指紋画像であっても、背景領域と押捺領域を精度よく分離することができる。本実施形態では、更に、押捺領域のみに対して指紋特徴抽出処理を行い、背景領域に対する指紋特徴抽出処理を省くことができる。よって、背景に存在する筋状ノイズや引きずりによる筋を隆線と誤認したり、その他の文様やノイズ等を指紋特徴と誤認することによる指紋特徴の誤検出を防止すると同時に、背景領域に対する指紋特徴抽出処理を行わないようにすることで無駄な処理を省いて処理時間の短縮を行うことができる。

［第３の実施形態］
図４は、本発明における第３の実施形態の概略を示すブロック図である。

図４において、第３の実施形態は、第２の実施形態と同様、入力装置１、背景検出装置２、指紋特徴抽出装置５、保存装置４、出力装置３を備える。背景検出装置２は画質改善手段２１、押捺特徴抽出手段２２、仮押捺領域判定手段２３、押捺領域整形手段２４によって構成される。本実施形態は、照合装置６を備える点で第２の実施形態と異なる。

照合装置６は、指紋特徴抽出装置５で抽出された指紋特徴データと、保存装置４に保存されている指紋特徴データとの照合を行い、照合結果を出力装置３で表示する。

照合装置６は、プログラム制御によって動作するデータ処理装置などによって構成され、照合手段６１を備える。データ処理装置は、演算装置とメモリ装置等によって構成されるコンピュータシステムと、コンピュータシステム上で動作し、コンピュータシステムを制御するプログラムなどによって構成される。

本実施形態の動作を図面を用いて詳細に説明する。

図４における入力装置１、背景検出装置２、指紋特徴抽出装置５の動作は第２の実施形態（図３）の各装置と同一であるため、説明は省略する。保存装置４には、あらかじめ指紋特徴抽出装置５で抽出した複数の指紋特徴データが格納されている。照合手段６１では、保存装置４に保存されている指紋特徴データと、指紋特徴抽出装置５で抽出されて照合手段６１に送られて来た指紋特徴データの照合を行う。１対１照合を行う場合は、特定の指紋特徴データを保存装置から読み出し、指紋特徴抽出装置５から送られて来た指紋特徴データとの照合を行い、同じ指の指紋であるか違う指の指紋であるかを判定し、結果を出力装置３で表示する。１対多の照合を行う場合は、保存装置４から照合の対象となる複数の指紋特徴データを読み出し、それぞれのデータと指紋特徴抽出装置５から送られて来た指紋特徴データとの照合を行い、同じ指であると判定される指紋画像を探す。同じ指と判定された指紋画像がある場合は、特徴が最もよく合致した指紋が検索対象の指紋画像の指と同一指であると判定し、結果を出力装置３に表示する。

第３の実施形態における更に具体的な態様を説明する。

本実施形態の構成は、第２の実施形態の構成に加えて指紋照合装置を有し、出力装置で指紋照合結果の表示を行う点で第２の実施形態の構成と異なる。

本実施形態では、指紋を登録する場合、指紋特徴抽出装置によって抽出された指紋特徴はデータとしてディスク装置等の保存装置に保存される。

指紋の認証を行う場合は、指紋特徴抽出装置によって抽出された指紋特徴と、ディスクから読みだした照合の対象となる指紋特徴に対して、指紋照合装置において照合を行う。指紋照合のアルゴリズムは任意である。

ディスプレイ装置等の出力装置には照合結果が表示される。

本実施形態の効果について説明する。

本実施形態では、第２の実施形態の効果に加え、更に、指紋特徴の誤検出を削減することができるので、指紋照合時には指紋特徴の誤検出が原因の誤判定が削減され、本人拒否比率や他人受け入れ率を低減することができる。

すなわち、照合処理において精度低下の原因となる誤検出による指紋特徴が減少し、照合精度が向上する。また、背景領域に対しては指紋特徴抽出処理を行わないので指紋特徴抽出の処理時間が減少し、背景領域で誤検出される指紋特徴を除去できるので照合処理に使われる指紋特徴の量が減り、照合の処理時間が減少する。

［第４の実施形態］
図５は、本発明における第４の実施形態の概略を示すブロック図である。

図５において、本発明の第４の実施形態は、第１の実施形態に対応し、入力装置１、出力装置３、保存装置４、及びデータ処理装置７を備える。

背景検出用プログラム８は、データ処理装置７に読み込まれ、データ処理装置７の動作を制御する。背景検出用プログラムの制御によって、データ処理装置７は第１の実施形態における背景検出装置２による処理と同一の処理を実行する。

［第５の実施形態］
図６は、本発明における第５の実施形態の概略を示すブロック図である。

図６において、本発明の第５の実施形態は、第２の実施形態に対応し、入力装置１、出力装置３、保存装置４、第１のデータ処理装置７ａ及び第２のデータ処理装置７ｂを備える。

背景検出プログラム８ａは、第１のデータ処理装置７ａに読み込まれ、第１のデータ処理装置７ａの動作を制御する。背景検出プログラムの制御によって、第１のデータ処理装置７ａは第２の実施形態における背景検出装置２による処理と同一の処理を実行する。

指紋特徴抽出プログラム８ｂは、第２のデータ処理装置７ｂに読み込まれ、第２のデータ処理装置７ｂの動作を制御する。指紋特徴抽出プログラムの制御によって、第２のデータ処理装置７ｂは、第２の実施形態における指紋特徴抽出装置５による処理と同一の処理を実行する。

第１のデータ処理装置７ａ及び第２のデータ処理装置７ｂは、別々のデータ処理装置であってもよいし、同じデータ処理装置であってもよい。

［第６の実施形態］
図７は、本発明における第６の実施形態の概略を示すブロック図である。

図７において、本発明の第６の実施形態は、第３の実施形態に対応し、入力装置１、出力装置３、保存装置４を備え、第１のデータ処理装置７ａ、第２のデータ処理装置７ｂ及び第３のデータ処理装置７ｃを備える。

背景検出プログラム８ａは、第１のデータ処理装置７ａに読み込まれ、第１のデータ処理装置７ａの動作を制御する。背景検出プログラム８ａの制御によって、第１のデータ処理装置７ａは、第３の実施形態における背景検出装置２による処理と同一の処理を実行する。

指紋特徴抽出プログラム８ｂは、第２のデータ処理装置７ｂに読み込まれ、第２のデータ処理装置７ｂの動作を制御する。指紋特徴抽出プログラム８ｂの制御によって、第２のデータ処理装置７ｂは、第３の実施形態における指紋特徴抽出装置５による処理と同一の処理を実行する。

照合プログラム８ｃは、第３のデータ処理装置７ｃに読み込まれ、第３のデータ処理装置７ｃの動作を制御する。照合プログラム８ｃの制御によって、第３のデータ処理装置７ｃは、第３の実施形態における照合装置６による処理と同一の処理を実行する。

第１のデータ処理装置７ａ、第２のデータ処理装置７ｂ及び第３のデータ処理装置７ｃは、別々のデータ処理装置であってもよいし、同じデータ処理装置であってもよい。

本発明は、ドアコントロール装置やゲートコントロール装置において、ロックを解除するための認証に指紋照合を使用する本人認証装置や、本人認証装置を実現するプログラムに適用できる。また、ＰＤＡや携帯電話と言った携帯端末、ＰＣなどのコンピュータ装置や端末において、暗証番号やパスワード等の認証手段の代わりに指紋照合を使用することで、ログインやロック解除するため、あるいはＥＣなどを利用する際の認証を行うための本人認証装置や、本人認証装置を実現するプログラムに適用できる。銀行や郵便局、コンビニなどに設置されているＡＴＭにおいて、本人認証を行うための認証装置や認証装置を実現するプログラムにも適用できる。

Claims (17)

1. 入力指紋画像における背景領域と押捺領域を判別する指紋画像背景検出装置において、
   前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出手段と、
   前記押捺特徴抽出手段において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する仮押捺領域判定手段と、
   前記仮押捺領域判定手段で判定した押捺領域を凸状図形に整形し、押捺領域以外を背景領域として求める押捺領域整形手段とを備えたことを特徴とする指紋画像背景検出装置。
2. 前記押捺領域整形手段において、押捺領域が独立して複数存在するとき最大の押捺領域以外を背景領域とすることを特徴とする請求項１に記載の指紋画像背景検出装置。
3. 前記押捺領域整形手段において、押捺領域に挟まれて背景領域が存在するとき該背景領域を押捺領域とすることを特徴とする請求項２に記載の指紋画像背景検出装置。
4. 前記入力指紋画像に対するノイズの除去又は軽減を行う画質改善手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の指紋画像背景検出装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の指紋画像背景検出装置及び指紋特徴抽出手段を備えた指紋特徴抽出システムであって、
   前記指紋特徴抽出手段は、前記入力指紋画像又は前記画質改善手段で求めた指紋画像と前記押捺領域整形手段で求めた背景領域から、押捺領域の指紋特徴抽出を行うことを特徴とする指紋特徴抽出システム。
6. 請求項５に記載の指紋特徴抽出システム及び照合手段を備えた指紋認証システムであって、
   前記照合手段は、前記指紋特徴抽出手段で求めた指紋特徴データと、保存装置に保存された指紋特徴データとの照合を行うことを特徴とする指紋認証システム。
7. 入力指紋画像における背景領域と押捺領域を判別する指紋画像背景検出方法において、
   前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出工程と、
   前記押捺特徴抽出工程において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する仮押捺領域判定工程と、
   前記仮押捺領域判定工程で判定した押捺領域を凸状図形に整形し、押捺領域以外を背景領域として求める押捺領域整形工程とを有することを特徴とする指紋画像背景検出方法。
8. 請求項７に記載の指紋画像背景検出方法をコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
9. 入力指紋画像における押捺領域を判別する指紋画像判別装置において、
   前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出手段と、
   前記押捺特徴抽出手段において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する押捺領域判定手段と、
   を備えたことを特徴とする指紋画像判別装置。
10. 請求項９記載の指紋画像判別装置を備えた指紋特徴抽出装置であって、
    前記入力指紋画像の押捺領域から指紋特徴データを抽出する指紋特徴抽出手段を
    さらに備えたことを特徴とする指紋特徴抽出装置。
11. 請求項１０記載の指紋特徴抽出装置を備えた指紋認証装置であって、
    前記抽出された指紋特徴データとあらかじめ準備されている指紋特徴データとを照合する照合手段を
    さらに備えたことを特徴とする指紋認証装置。
12. 入力指紋画像における押捺領域を判別する指紋画像判別方法において、
    前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出工程と、
    前記押捺特徴抽出工程において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する押捺領域判定工程と、
    を有することを特徴とする指紋画像判別方法。
13. 請求項１２記載の指紋画像判別方法を備えた指紋特徴抽出方法であって、
    前記入力指紋画像の押捺領域から指紋特徴データを抽出する指紋特徴抽出工程を
    さらに備えたことを特徴とする指紋特徴抽出方法。
14. 請求項１３記載の指紋特徴抽出方法を備えた指紋認証方法であって、
    前記抽出された指紋特徴データとあらかじめ準備されている指紋特徴データとを照合する照合工程を
    さらに備えたことを特徴とする指紋認証方法。
15. 入力指紋画像における押捺領域を判別する指紋画像判別処理をコンピュータに実行させる指紋画像判別プログラムであって、
    前記指紋画像判別処理は、
    前記入力指紋画像を分割した小領域毎に、筋状ノイズ又は引きずりによる筋に平行な方向の画素値の変動量を求める押捺特徴抽出処理と、
    前記押捺特徴抽出処理において求めた小領域毎の画素値の変動量を閾値と比較して押捺領域と判定する押捺領域判定処理と、
    を備えることを特徴とする指紋画像判別プログラム。
16. 請求項１５記載の指紋画像判別プログラムを備えた指紋特徴抽出プログラムであって、
    前記入力指紋画像の押捺領域から指紋特徴データを抽出する指紋特徴抽出処理を
    さらに備えたことを特徴とする指紋特徴抽出プログラム。
17. 請求項１６記載の指紋特徴抽出プログラムを備えた指紋認証プログラムであって、
    前記抽出された指紋特徴データとあらかじめ準備されている指紋特徴データとを照合する照合処理を
    さらに備えたことを特徴とする指紋認証プログラム。

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