JP4969206B2 - 生体認証装置 - Google Patents
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Description
そのため、近年、生体認証による個人を特定する方法の採用が急激に増大している。
生体認証が増大している理由は、指紋や静脈は生涯不変とされ、個人を認証するには適しており、また、鍵やパスワードと違い紛失や盗難、忘れたりするといったことの心配もないからである。
指紋のコピーやレプリカに対応する方法として、指紋の認証を行う際にその検体が生体であるか判断する方法が特許文献2等に開示されている。
これらの各種装置における認証、識別のために、デジタルカメラ等の撮像装置のデジタル画像データが用いられる。
特に、デジタルカメラに象徴されるように撮像面は従来のフィルムに変わって固体撮像素子であるCCD(Charge Coupled Device),CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサが使用されているのが大半である。
このように、撮像素子にCCDやCMOSセンサを使った撮像レンズ装置は、被写体の映像を光学系により光学的に取り込んで、撮像素子により電気信号として抽出するものであり、デジタルスチルカメラの他、ビデオカメラ、デジタルビデオユニット、パーソナルコンピュータ、携帯電話機、携帯情報端末(PDA:Personal DigitalAssistant)等に用いられている。
この撮像レンズ装置1は、光学系2とCCDやCMOSセンサ等の撮像素子3とを有する。
光学系は、物体側レンズ21,22、絞り23、および結像レンズ24を物体側(OBJS)から撮像素子3側に向かって順に配置されている。撮像レンズ装置1においては、図30に示すように、ベストフォーカス面を撮像素子面上に合致させている。図31(A)〜(C)は、撮像レンズ装置1の撮像素子3の受光面でのスポット像を示している。
焦点を移動させることで焦点を合わせることは可能ではあるが、装置の大型化やコストアップ、さらには耐久性といった問題が生じてくることになる。
したがって、単焦点でのレンズであっても、その物体距離によってそのスポット像が変化する通常の光学系では、一定の(変化しない)PSFは実現できず、それを解決するには、レンズの光学設計の精度の高さやそれに伴うコストアップが原因となり採用するには大きな課題を抱えている。
また、物体距離やデフォーカス範囲を気にすることなく、レンズ設計を行うことができ、かつ精度の良いコンボリューション等の演算による画像復元が可能となる利点がある。
また、本発明によれば、光学系を簡単化でき、コスト低減を図ることができる。
図1は、本発明の第1の実施形態に係る生体認証装置の構成例を模式的に示す図である。
図1の生体認証装置100は、指紋認証動作、および/または静脈認証動作、と虹彩認証動作の異なる複数箇所の認証が可能な装置として構成されている。
このように、図1の生体認証装置100は、指紋認証動作、および/または静脈認証動作、と虹彩認証動作の異なる複数箇所の認証が可能な装置として構成されている。
生体認証装置100においては、図2に示すように、被検体OBJ1の表面(手の指紋のある面)側に撮像装置140を配置し、同じ側に指紋撮影を補助する目的で照明装置1102が配置されている。
また、図3に示すように、被検体OBJの裏面(指の爪のある面)側には静脈撮影を補助する目的で照明装置1103が配置されている。なお、図示しないが虹彩情報を取得するための第2情報取得部120にも、所定の照明光源が配置される構成もとることができる。
本実施形態においては、プリズム1301は、第1情報取得部110にて取得した指紋または静脈情報を含む第1情報光OP1を透過/反射面1301でそのまま透過して撮像装置140に入射させ(導入する)。
また、プリズム1301は、反射板1303に反射された虹彩情報を含む第2情報光を透過/反射面1301aで反射し撮像装置140に入射させ(導入する)。
なお、本実施形態では、略90度をもって2度光路を変更する場合について説明したがこれに限るものではない。
撮像装置140には、画像データを一時的に保管する格納部、画像データを比較照合するためのデータ変換部、他に登録されているデータの保管部および比較照合を行う処理部、さらには比較照合の結果に応じて指示を出す指示部を含んで構成される。
なお、ここでは、装置が単独で示されている場合を例に説明をしているが、専用回線やインタネット等を利用してのネットワーク対応の構成も可能である。その場合は、登録データがネットワークのホストとなるサーバ等を有するシステム構成となる。
通常の光学系では、被写界深度を得るには絞りを小さくする、すなわち暗くすることが必要になる。
これに対して、後で詳述する本実施形態の「深度拡張光学系」においては、絞りを小さくする必要もなくなることから、通常の光学系と比べると必要光量が少なくてすむことになる。したがって、照明装置の光量を減らすことができる。
これはすなわち、照明装置のコストダウン、消費電力の軽減が可能になり、その結果、照明装置の耐久性向上を図ることができる。
逆に、被検体の温度が大きく変化している状態、たとえば冷えている状態で血流が悪くなっている場合や大きな怪我等で認証精度が落ちるような場合では、指紋認証を優先させる、といった方法を採用することが可能である。
なおここで、優先順位を切り換えるとは、各認証にあらかじめ重みを調整するようなことであって、一つの認証結果だけを採用するといったこととは異なる。
これにより、一つの認証より認証率を向上させることが可能で、複数の認証による認証率を低下させることなく精度の高い認証が可能となる。
装置140について詳細に説明する。
図4は、本実施形態に係る撮像装置を示すブロック構成図である。
本実施形態に係る撮像装置140は、ズーム光学系を有する撮像レンズ装置200と、画像処理装置300と、照射波長情報検出装置400と、を主構成要素として有している。
図5のズーム光学系210は、物体側OBJSに配置された物体側レンズ211と、撮像素子220に結像させるための結像レンズ212と、物体側レンズ211と結像レンズ212間に配置され、結像レンズ212による撮像素子220の受光面への結像の波面を変形させる、たとえば3次元的曲面を有する位相板(Cubic Phase Plate)からなる光波面変調素子(波面形成用光学素子:Wavefront Coding Optical Element)群213を有する。また、物体側レンズ211と結像レンズ212間には図示しない絞りが配置される。
図で示された位相板213aは、光学系により収束される光束を規則正しく分光する光学レンズである。この位相板を挿入することにより、撮像素子220上ではピントのどこにも合わない画像を実現する。
換言すれば、位相板213aによって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)を形成している。
この規則的に分光した画像をデジタル処理により、ピントの合った画像に復元する手段を波面収差制御光学系システムといい、この処理を画像処理装置300において行う。
図7は、位相板を含まないズーム光学系210の至近側のスポット像を示す図である。図8は、位相板を含むズーム光学系210の無限側のスポット像を示す図である。図9は、位相板を含むズーム光学系210の至近側のスポット像を示す図である。
このように、物体距離で異なるスポット像を持つ光学系においては、後で説明するH関数が異なる。
通常、光の波長によって焦点距離の移動が発生する。この焦点移動を光学素子の組合せによって緩和や補正は可能ではある。しかし、光学素子の材料問題や構成(配置や枚数)、製造上の問題等が発生する可能性が増し生産性やコストに影響が生じてくることが考えられる。そこで、本発明は、照射している波長によって光波面変調素子に起因する分散に対応した変換係数等を可変すること、あるいは光波面変調素子自体を可変することで焦点移動を考慮した変換が可能にしたことを特徴とする。これにより、認証精度を向上させることができる。
画像処理装置300は、図10に示すように、コンボリューション装置301、カーネル・数値演算係数格納レジスタ302、および画像処理演算プロセッサ303を有する。
図11に示すように、被写体の画像fが波面収差制御光学系システム光学系Hに入ることにより、g画像が生成される。
これは、次のような式で表すことができる。ここで、*はコンボリューションを表す。
また一方、所定の狭い範囲内に収差が生じない画像処理を施すことにより、所定の狭い範囲外の画像にぼけ味を出すことも可能になる。
前記の画像処理はコンボリューション演算により行うが、これを実現するには、たとえばコンボリューション演算の演算係数を共通で1種類記憶しておき、照射している波長に応じて補正係数を予め記憶しておき、この補正係数を用いて演算係数を補正し、補正した演算係数で適性なコンボリューション演算を行う構成をとることができる。
照射波長に応じて、カーネルサイズやコンボリューションの演算係数自体を予め記憶しておき、これら記憶したカーネルサイズや演算係数でコンボリューション演算を行う構成、照射している波長に応じた演算係数を関数として予め記憶しておき、照射している波長によりこの関数より演算係数を求め、計算した演算係数でコンボリューション演算を行う構成等、を採用することが可能である。
変換係数記憶手段としてのレジスタ302に照射している波長に応じて少なくとも位相板213aに起因する収差に対応した変換係数を少なくとも2以上予め記憶する。画像処理演算プロセッサ303が、照射波長情報生成手段としての照射波長情報検出装置400により生成された情報に基づき、レジスタ302から照射されている波長に応じた変換係数を選択する係数選択手段として機能する。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置301が、係数選択手段としての画像処理演算プロセッサ303で選択された変換係数によって、画像信号の変換を行う。
そして、変換手段としてのコンボリューション装置301が、変換係数演算手段としての画像処理演算プロセッサ303で得られレジスタ302に格納された変換係数によって、画像信号の変換を行う。
照射波長情報検出装置400において、照射している波長が検出され、検出情報が画像処理演算プロセッサ303に供給される。画像処理演算プロセッサ303においては、照射している波長がnであるか否かの判定を行う。照射している波長がnであると判定すると、nに対応するカーネルサイズ、演算係数を求めてレジスタに格納する。照射している波長nでないと判定すると、照射している波長がn−1であるか否かの判定を行う。照射している波長がn−1であると判定すると、n−1に対応するカーネルサイズ、演算係数を求めてレジスタに格納する。
画像処理演算プロセッサ303においては、カーネル、数値演算係数格納レジスタ302に設定値が転送される。そして、撮像レンズ装置200で撮像され、コンボリューション装置301に入力された画像データに対して、レジスタ302に格納されたデータに基づいてコンボリューション演算が行われ、演算され変換されたデータS302が画像処理演算プロセッサ303に転送される。
図12(A)は焦点が0.2mmずれた場合(Defocus=0.2mm)、図12(B)が合焦点の場合(Best focus)、図12(C)が焦点が−0.2mmずれた場合(Defocus=−0.2mm)の場合の各スポット像を示している。
図12(A)〜(C)からもわかるように、本実施形態に係る撮像レンズ装置200においては、位相板213aを含む波面形成用光学素子213によって深度の深い光束(像形成の中心的役割を成す)とフレアー(ボケ部分)が形成される。
このように、本実施形態の撮像レンズ装置200において形成された1次画像FIMは、深度が非常に深い光束条件にしている。
本実施形態においては、高精細な最終画像は後段の、たとえばデジタルシグナルプロセッサ(Digital Signal Processor)からなる画像処理装置300の補正処理に任せるため、図13(A),(B)に示すように、1次画像のMTFは本質的に低い値になっている。
図14中曲線Bで示す特性は、たとえば本実施形態のように、波面形成用光学素子を用いずに波面を変形させない場合に得られる特性である。
なお、本実施形態における全ての補正は、空間周波数のパラメータによる。
たとえば、図14のMTF特性の場合、空間周波数に対するエッジ強調の曲線は、図15に示すようになる。
すなわち、空間周波数の所定帯域内における低周波数側および高周波数側でエッジ強調を弱くし、中間周波数領域においてエッジ強調を強くして補正を行うことにより、所望のMTF特性曲線Bを仮想的に実現する。
物点の1点から発散された球面波は結像光学系を通過後、収斂波となる。そのとき、結像光学系が理想光学系でなければ収差が発生する。波面は球面でなく複雑な形状となる。
幾何光学と波動光学の間を取り持つのが波面光学であり、波面の現象を取り扱う場合に便利である。
結像面における波動光学的MTFを扱うとき、結像光学系の射出瞳位置における波面情報が重要となる。
さらにその瞳関数はまさに射出瞳位置における波面情報(波面収差)そのものからであることから、その光学系210を通して波面収差が厳密に数値計算できればMTFが計算できることになる。
したがって、所定の手法によって射出瞳位置での波面情報に手を加えれば、任意に結像
面におけるMTF値は変更可能である。
そして、目的の波面形成を行えば、射出瞳からの射出光束は、図12(A)〜(C)に示す幾何光学的なスポット像からわかるように、光線の密な部分と疎の部分から形成される。
この光束状態のMTFは空間周波数の低いところでは低い値を示し、空間周波数の高いところまでは何とか解像力は維持している特徴を示している。
すなわち、この低いMTF値(または、幾何光学的にはこのようなスポット像の状態)であれば、エリアジングの現象を発生させないことになる。
つまり、ローパスフィルタが必要ないのである。
そして、後段のDSP等からなる画像処理装置300でMTF値を低くしている原因のフレアー的画像を除去すれば良いのである。それによってMTF値は著しく向上する。
図16は、従来の光学系の場合において物体が焦点位置にあるときと焦点位置から外れたときのMTFのレスポンス(応答)を示す図である。
この光学系によって結像された画像を、コンボリューションフィルタによる処理によって、MTFのレスポンスが向上する。
そして、本実施形態に係る撮像装置100は、デジタルカメラやカムコーダー等の民生機器の小型、軽量、コストを考慮されたズームレンズの波面収差制御光学系システムに使用することが可能である。
また、撮像レンズ装置200の光学系210の構成を簡単化でき、製造が容易となり、コスト低減を図ることができる。
画質向上のため、可能な限りコントラストを上げることが望ましいが、そのことは高性能なレンズ系を必要とする。
しかし、上述したように、CCDやCMOSセンサを撮像素子として用いた場合、エリアジングが発生する。 現在、エリアジングの発生を避けるため、撮像レンズ装置では、一軸結晶系からなるローパスフィルタを併用し、エリアジングの現象の発生を避けている。
このようにローパスフィルタを併用することは、原理的に正しいが、ローパスフィルタそのものが結晶でできているため、高価であり、管理が大変である。また、光学系に使用することは光学系をより複雑にしているという不利益がある。
しかし、本実施形態によれば、ローパスフィルタを用いることなく、エリアジングの現象の発生を避けることができ、高精細な画質を得ることが可能となる。
また、光学系210を構成するレンズは、図5の例に限定されることはなく、本発明は、種々の態様が可能である。
図19は、本実施形態の生体認証装置の虹彩と指紋の認証動作を説明するためのフローチャートである。
図20は、本実施形態の生体認証装置の指紋と静脈の認証動作を説明するためのフローチャートである。
制御系が認証開始信号を入力すると(ST101)、図示しない虹彩撮影用照明装置を点灯する(ST102)。
そして、撮像装置140により第1回目として、虹彩の撮影を行う(ST103)。
この場合、虹彩情報を含む第2情報光OP2が反射板1302,1303を介してプリズム1301に入射し、透過/反射面1301aで反射されて撮像装置140に入射する。
撮像装置140においては、波面収差制御光学系システムを含む画像処理装置300等における画像処理を行い(ST104)、撮影データを保管する(ST105)。
次に、虹彩撮影用照明装置を消灯し、指紋撮影用照明装置1102を点灯する(ST106)。
そして、撮像装置140により第2回目として、指紋の撮影を行う(ST107)。
撮像装置140においては、波面収差制御光学系システムを含む画像処理装置300等における画像処理を行い(ST108)、撮影データを保管する(ST109)。
そして、保管した虹彩データおよび指紋データに基づく照合を行う(ST110)。
この場合、指紋情報を含む第1情報光OP1がプリズム1301に入射し、透過/反射面1301a透過して撮像装置140に入射する。
撮像装置140においては、波面収差制御光学系システムを含む画像処理装置300等における画像処理を行い(ST114)、撮影データを保管する(ST115)。
次に、指紋撮影用照明装置120を消灯し、静脈撮影用照明装置130を点灯する(ST116)。
そして、撮像装置140により第2回目として、静脈の撮影を行う(ST117)。
この場合、静脈情報を含む第1情報光OP1がプリズム1301に入射し、透過/反射面1301a透過して撮像装置140に入射する。
撮像装置140においては、波面収差制御光学系システムを含む画像処理装置300等における画像処理を行い(ST118)、撮影データを保管する(ST119)。
そして、保管した指紋データおよび静脈データに基づく照合を行う(ST120)。
なお、虹彩と静脈の認証動作も同様に行われる。
より具体的には、通常の光学系のように、被写界深度を得るには絞りを小さくする、すなわち暗くすることが不要となり、絞りを小さくする必要もなくなることから、通常の光学系と比べると必要光量が少なくてすむことになる。これにより、照明装置の光量を減らすことができる。
したがって、照明装置のコストダウン、消費電力の軽減が可能になり、その結果、照明装置の耐久性向上を図ることができる。
一方、被検体を置く位置としては定点ではなくても、焦点の合った画像を得ることができることから、ある程度の範囲は決める必要はあるものの、装置に触れることなく認証が可能となる。
以下に、光形成部および光学系の他の構成例について説明する。
図21の生体認証装置100Aが図1の生体認証装置100と異なる点は、光路形成部103Aにおいて、2つの情報光OP1、OP2を撮像装置140に導入する情報導入部をプリズムで形成する代わりに、図中に設定した直交座標系のX方向に移動可能な反射板(面)群1304を設けたことにある。
さらに、図21の光路形成部103Aは、第1情報取得部110による指紋または静脈情報を含む第1情報光OP1を反射する反射板1305を設けている。
そして、反射板群1304は、反射板1305による第1情報光OP1の反射光路および反射板1303による第2情報光OP2の反射光路上に配置されている。これに伴い撮像装置140も反射板群134の近傍に配置されている。
反射板群1304は、第1情報光OP1を撮像装置140に導入させる場合には、図22の実線で示す第1状態に移動して反射板13041で第1情報光OP1を反射して撮像装置140に導入可能な状態に制御される。
一方、第2情報光OP2を撮像装置140に導入させる場合には、図22の破線で示す状態に移動して(第1状態から図中の左X方向に移動して)反射板13042で第2情報光OP2を反射して撮像装置140に導入可能な状態に制御される。
光学系210Aは、第1レンズとしての物体側レンズ211と、第2レンズとしてのレンズと光波面変調素子を含む光波面変調素子群213との間の光路にプリズム1301を設け、第1情報光OP1用の広角光学系WDと第2情報光OP2用の望遠光学系TELとを備えるように構成することも可能である。
また、第2情報光OP2のプリズム1301の透過/反射面1301aに至る光路に望遠光学系の物体側レンズ214が配置されている。
この例では、プリズム1301から撮像素子220までの光学部品は広角光学系と望遠光学系とで共有する形態となっている。
図23(B)の構成の場合、2つの光波面変調素子213a−1,213a−2は、各々の光学系に適した位相変調面にすることが好ましい。これにより、より良い画像を得ることが可能となる。
なお、図23(A),(B)の例においては、プリズム1301に光波面変調素子を設けた場合について説明したが、第1情報光OP1および第2情報光の両方、あるいはプリズム1301から撮像素子220までの間に設ければよい。
本第3の実施形態に係る生体認証装置100Bは、図22と図23(A)の構成を組み合わせて形成されている。
ただし、図24の光学系210Bにおいて、図22の光波面変調素子群213の光波面変調素子213aをプリズム1301に配置し、レンズのみを第2レンズ群213bとして光波面変調素子213aと結像レンズ212との間に配置している。
さらには、被写界深度拡張光学系を用いていることから、たとえば虹彩認証の際の位置(距離)に柔軟性を持たせることができる。
また、反射板(面)群1304Aと撮像素子220の間の光学部品は共通としている。
反射板群1304Aは、第1情報光OP1を撮像素子220に導入させる場合には、図25(A)で示す第1状態に移動して反射板13041Aで第1情報光OP1を反射して撮像素子220に導入可能な状態に制御される。
一方、第2情報光OP2を撮像素子220に導入させる場合には、図25(B)で示す状態に移動して(第1状態から図中の左X方向に移動して)反射板13042Aで第2情報光OP2を反射して撮像素子220に導入可能な状態に制御される。
なお、反射板群1304Aの各反射面から撮像素子220に至る光路のおける光学系の構成は図24と同様である。
この場合、光波面変調板群2130は、図25の反射板群1304Aの2つの反射板の配置位置に光波面変調素子2131と2132を形成して構成されている。
光波面変調板群2130においては、第1情報光OP1を撮像素子220に導入させる場合には、図26(A)で示す第1状態に移動して光波面変調板2131で第1情報光OP1を反射して撮像素子220に導入可能な状態に制御される。
一方、第2情報光OP2を撮像素子220に導入させる場合には、図26(B)で示す状態に移動して(第1状態から図中の左X方向に移動して)光波面変調板2132で第2情報光OP2を反射して撮像素子220に導入可能な状態に制御される。
あるいは第1情報光OP1および第2情報光OP2の両方の光路に光波面変調素子を配置した構成としても良い。
また、図22乃至図26のように光学系の内部に設け、たとえば広角光学系と望遠光学系の2系統の光学系を構成すれば認証の形態が異なる場合でも容易に対応が可能となる。たとえば、指紋認証と静脈認証では被写体の大きさや距離がほぼ同じことから一つの画角の光学系で問題は生じない。
撮像レンズ装置200は、撮像対象物体(被写体)OBJの映像を光学的に取り込む光学系210と、光学系210で取り込んだ像が結像され、結像1次画像情報を電気信号の1次画像信号FIMとして画像処理装置300に出力するCCDやCMOSセンサからなる撮像素子220とを有する。図27においては、撮像素子220を一例としてCCDとして記載している。
このような構成を採用すると、たとえば撮影情報が撮影モードに関する情報であって、たとえばマクロ(近接)モードに場合には、位相板を光路に挿入(位置)させ、少しボケた画像にするモードの場合には、位相板を配置していな部分を光路に挿入(位置)させるといった態様が可能となる。
すなわち、光波面変調素子と画像処理によってピントのあった画像を得る事を目的とした深度拡張光学系を用いながらも従来光学系の様なボケのある画像をも得ることができる。
さらに、ひとつの位相板の光波面変調素子を光路上に固定させ、別の位相板等の光波面変調素子を光路に挿入あるいは退避させるように構成することも可能である。
110…第1情報取得部
120…第2情報取得部
130…光路形成部
140…撮像装置
200…撮像レンズ装置
211…物体側レンズ
212…結像レンズ
213…波面形成用光学素子
213a…位相板
300…画像処理装置
301…コンボリューション装置
302…カーネル、数値演算係数格納レジスタ
303…画像処理演算プロセッサ
400…照射波長情報検出装置
Claims (7)
- 異なる複数箇所の認証を行う生体認証装置であって、
光学系および光波面変調素子と、前記光学系および光波面変調素子を通過した被写体分散像を撮像する撮像素子と、前記撮像素子からの分散画像信号より分散のない画像信号を生成する変換手段と、少なくとも2以上の波長を有していずれかの波長で前記異なる複数個所を照射する照射手段と、前記照射手段により照射している波長情報を生成する照射波長情報生成手段と、を備え、前記変換手段は、前記照射波長情報生成手段により生成される照射している波長情報に基づいて前記分散画像信号より分散のない画像信号を生成することを特徴とする生体認証装置。 - 前記照射している波長に応じて少なくとも前記光波面変調素子に起因する分散に対応した変換係数を少なくとも2以上を記憶する変換係数記憶手段と、前記照射波長情報生成手段により生成された波長情報に基づき変換係数を選択する係数選択手段と、を備え、
前記変換手段は、前記係数選択手段で選択された変換係数によって、前記分散画像信号の変換を行うことを特徴とする請求項1に記載の生体認証装置。 - 前記照射波長情報生成手段により生成された波長情報に基づき変換係数を演算する変換係数演算手段、を備え、前記変換手段は、前記変換係数演算手段から得られた変換係数によって、前記分散画像信号の変換を行うことを特徴とする請求項1に記載の生体認証装置。
- 前記変換係数演算手段は、前記被写体分散像のカーネルサイズを変数として含むことを特徴とする請求項3に記載の生体認証装置。
- 記憶手段を有し、前記変換係数演算手段は、求めた変換係数を前記記憶手段に格納し、前記変換手段は、前記記憶手段に格納された変換係数によって、前記分散画像信号の変換を行い分散のない画像信号を生成することを特徴とする請求項3に記載の生体認証装置。
- 前記変換手段は、前記変換係数に基づいてコンボリューション演算を行うことを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載の生体認証装置。
- 前記光波面変調素子を複数有し、前記照射手段により照射している波長情報に基づいて前記光波面変調素子の各々を、前記光学系の光路上に挿入、退避させる選択切替手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の生体認証装置。
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