技術名称 1-3-3-1-1 パターンマッチング方式 技術内容 パターンマッチング方式は 2 値化や細線化された登録指紋の画像と照合指紋の画像を 位置ずれや回転を補正しながら黒画素数の一致性を調べ 閾値を超えるか否かで本人か判定する方式である この方式は 特徴抽出処理を行わないため高速であるが 一般に画像の局所的な変形に弱い 図 1 にパターンマッチング ( イメージマッチング ) の原理を示す あらかじめ雑音除去した照合指紋の 2 値化画像の黒画素と テンプレートに登録されている画像の黒画素とマッチングする 具体的には まず 回転 水平 垂直移動は各々下限値と上限値を定め 刻み幅を予め決めておく 次に 照合指紋と最も良く一致する位置を検索するために 登録画像について回転角度 水平 垂直の各刻み幅において 全ての組み合わせで座標変換を行って一致する黒画素数を求め その黒画素数で最も良く一致する位置を求める そしてその位置における一致しない画素数をカウントして 2 つの画像間の差とし この差が閾値を超えたら不一致と判断する 実際には まず水平 垂直の各刻み幅で全ての組み合わせを行い 不一致と判断されたとき 次に回転角度を刻み幅分ずらして 再度 水平 垂直の各刻み幅で全ての組み合わせを行う なお 指紋の揺らぎを考慮し 位置を検索する処理において不一致の場合は その近傍の画素 ( 例えば 8 画素 ) もチェック対象とする また 処理量の軽減のため 次のような工夫もなされている 登録指紋は細線化してテンプレートに登録し 登録情報を座標変換することで 2 値化を座標変換するより処理量を減らす 位置合わせにおいては テンプレート情報全体を比較して行うのではなく テンプレート情報の一部を使って行う 図 図 1 イメージマッチングの原理 出典 : 4. 指紋認証システム 映像情報メディア学会誌 Vol.58 No.6 2004 年 6 月 1 日 鷲見和彦著 社団法人映像情報メディア学会発行 761 頁図 5 イメージマッチングの原理 出典/ 参考資料 4. 指紋認証システム 映像情報メディア学会誌 Vol.58 No.6 2004 年 6 月 1 日 鷲見和彦著 社団法人映像情報メディア学会発行 759 762 頁 細線化画像パターンマッチングによる指紋照合 電子情報通信学会論文誌 D-Ⅱ Vol.J79-D-Ⅱ- NO.3 1996 年 3 月小林哲二著 330-340 頁
技術名称 1-3-3-1-2 位相限定相関法 技術内容 位相限定相関法 (Phase Only Correlation:POC) は フーリエ変換を用いて照合画像と登録画像の相関 ( 類似性 ) を計算する過程において 振幅成分を取り除き 位相成分にのみを用いるように修正した パターンマッチングの一つの手法である 図 1 に処理の流れを示す 位相限定相関法は 照合画像と登録画像をフーリエ変換して振幅データと位相データに分解し この 2 つの情報のうち 形状情報 ( 変化成分 ) が含まれる位相データのみを利用して 照合画像と登録画像の相関を算出する 位置ずれ ( 水平 垂直方向 ) のある画像を位相限定相関法で処理した例を図 2 に示す 位置ずれがない場合には中央の位置に生ずるデルタ関数の位置が 位置ずれがある場合にはずれに相当する部分だけ移動しているだけで 識別性能が位置ずれに依存しないことがわかる この方式は照合する指紋画像全体を比べており 面積的に微小な特定データの影響を余り受けないことから かすれ指や汚れた指 傷で変化した指紋でも安定した照合結果が得られ 位置ずれの影響も受けない ただし 回転ずれに対しては 照合画像を小刻みに回転させて複数回パターンマッチングを行う必要がある また 繰り返しフーリエ変換を多用するので演算量は多い 図 図 1 位相限定相関の処理の流れ 出典 : 回転不変位相限定相関を用いた住宅用指紋照合装置 山武技術研究報告 Savemation Review Vol.18 No.2 2 0 00 年 8 月 1 日 小林孝次 中島寛 森川誠 勝亦敦著 株式会社山武広報室発行 36 頁図 1 位相限定相関の処理の流れ
図 2 位置ずれを含むときの識別特性 出典 : 回転不変位相限定相関を用いた住宅用指紋照合装置 山武技術研究報告 Savemation Review Vol.18 No.2 2 000 年 8 月 1 日 小林孝次 中島寛 森川誠 勝亦敦著 株式会社山武広報室発行 36 頁図 2 位置ずれを含むときの識別特性 出典/ 参考資料 回転不変位相限定相関を用いた住宅用指紋照合装置 山武技術研究報告 Savemation Review Vol.18 No.2 2 000 年 8 月 1 日 小林孝次 中島寛 森川誠 勝亦敦著 株式会社山武広報室発行 34-39 頁
技術名称 1-3-3-1-3 光相関手法 技術内容 光相関手法は 光の特徴 特に超並列性を利用して光アナログ演算で照合画像と登録画像の相関 ( 似ている度合 ) を求める方式で パターンマッチングの一つの手法である この方式は 指紋の全情報を用いるため濃淡修正などの前処理が不要である また 指紋全体を一度に比較するので 一致時も不一致時も同じ速度で判定する ただし 対象像の大きさの変化や回転に対しては識別不可能となるので 指紋画像採取時に指のガイドを設けるなどの工夫が必要となる 光アナログ演算は レンズやミラーによる光学像の並列的な伝送と処理とを極めて自然な形で行うもので 図 1 に示すようにレーザーのような干渉性の高い光を入力像に照射し これをレンズを通して観測すると その焦点面では物体の空間的なフーリエ変換像が得られる このフーリエ変換面で適当なフィルタを通過させ再度レンズでフーリエ変換することにより 様々な画像処理を行うことが出来る 例えば フーリエ変換面のフィルタとして比較したい参照画面 ( 登録指紋画像 ) のフーリエ変換ホログラムを使えば 入力像 ( 照合指紋 ) とフーリエ変換ホログラムに記録された画像との間の相関演算ができる 図 図 1 フーリエ変換光学系 出典 : 光学的相関手法を用いた指紋の照合 応用物理第 65 巻第 5 号 1 9 96 年 5 月 10 日 原勉 小林祐二著 社団法人応用物理学会発行 506 頁 図 5 フーリエ変換光学系 出典 / 参考資料 光学的相関手法を用いた指紋の照合 応用物理第 65 巻第 5 号 1996 年 5 月 10 日 原勉 小林祐二著 社団法人応用物理学会発行 504-506 頁
技術名称 1-3-3-1-4 JTC ( 合同フーリエ変換器 ) 技術内容 パターンマッチングの一つの手法である光相関に用いられる光アナログ演算の一つに JTC (Joint Transform Correlator) と呼ばれる合同フーリエ変換器がある これは図 1 のように 比較したい 2 つの画像パターンを同時にレンズでフーリエ変換して合同フーリエ変換像を取得し これを強度 ( パワースペクトル ) に変換した後 再度フーリエ変換することで 2 つの入力像間の相関信号を得ることが出来る 図 1 において合同フーリエ変換面および入力面に空間光変調器 (SLM) を用いることによって 実時間の演算が可能となる 図 2 に指紋照合装置の原理を示す 照合指紋のパターンと登録指紋のパターンを同時に液晶パネルに表示する 半導体レーザー光でこのパターンを読み出した後 レンズでフーリエ変換されて合同フーリエ変換像となり PAL-SLM( 位相変調型液晶空間光変調器 ) に書き込まれる この像を再びフーリエ変換することで 光検出器に相関ピークを得ることが出来る 照合指紋と登録指紋の 2 つの指紋パターンの相関 ( 似ている度合 ) は この相関ピークの光の強度に対応している 図 図 1 合同フーリエ変換相関器 (JTC) 出典 : 光学的相関手法を用いた指紋の照合 応用物理第 65 巻第 5 号 1 9 96 年 5 月 10 日 原勉 小林祐二著 社団法人応用物理学会発行 506 頁図 7 合同フーリエ変換相関器 (JTC)
図 2 JTC を用いた指紋照合装置 出典 : 光学的相関手法を用いた指紋の照合 応用物理第 65 巻第 5 号 1 9 96 年 5 月 10 日 原勉 小林祐二著 社団法人応用物理学会発行 506 頁 図 8 JTC を用いた指紋照合装置 出典 / 参考資料 光学的相関手法を用いた指紋の照合 応用物理第 65 巻第 5 号 1996 年 5 月 10 日 原勉 小林祐二著 社団法人応用物理学会発行 504-507 頁
技術名称 1-3-3-1-5 周波数解析方式 技術内容 周波数解析方式は 指紋画像の濃淡変化を時系列信号とみなして x,y 方向にスペクトルとして抽出した特徴 ( 群遅延スペクトル ) から登録パターンと照合パターンの照合距離を算出し この距離が閾値を超えるか否かで本人かを判定する方式である この距離を算出する方式の一つに 離散出力分布型 HMM(Hidden Markov Model: 隠れマルコフモデル ) を適用する方式がある この方式は スペクトルレベルでの 1 次元処理で行っているため マニューシャ方式のような細線化処理などが不要で計算量が少なく またマニューシャを抽出するためのルール生成も不要である そのため 鍵の代用となる照合装置を考えた場合には設計が比較的容易で小型化に適している 反面 指紋の部分的欠落に弱く また学習サンプルを必要とするなどの問題がある 図 1 に離散出力分布型 HMM による指紋照合手順を示す 群遅延スペクトル (GDS) に変換されたスペクトル ( 特徴ベクトル ) を 予め作成しておいたコードブックを参照して ベクトル量子化によりシンボル系列へ変換する 照合 判定には このベクトル量子化された特徴量をシンボル系列として扱う離散出力分布型 HMM を用いる なお 参照するコードブックは 他人データとして使用するデーターセットの特徴ベクトルを 2 分割アルゴリズムを用いてクラスタリングしたときの代表ベクトルで構成されている 図 2 に 5 状態 4 グループの HMM を示す HMM は 三つのパラメータ ( 状態 S0 S4 状態遷移確率 aij シンボル出力確率 bij(k)) より構成される非決定性有限オートマンであり 状態遷移はモデルごとに定められたパラメータに依存するが 出力シンボル系列によって一意に常態遷移先が決定されない 指紋照合を行う場合 登録者の登録指ごとに図 2 のような HMM を設計し 指紋の 2 つの方向 (x,y) に対して HMM の学習 ( モデルの遷移確率 aij と出力確率の推定 bij(k)) をする必要がある 指紋照合時の距離計算には Viterbi アルゴリズムにより算出された HMM 受理確率を用いる この手法では HMM 受理確率は 動的計画法を用いて最も可能性の高い状態遷移系列 ( 最適パス ) を探索し そのパス上での生起確率とする 指紋画像を x,y 両方向に分析した GDS のシンボル系列に対し 最終状態 ( 図 2 では S4) におけるそれぞれの HMM 受理確率 fx,fy を求め αを定数 ( 例えば 0.5) として αfx+(1-α)fy を照合時の距離とする 予め設定した閾値と比較し 確率が高いとき本人とする なお 閾値は各個人ごとに他人棄却率が 100% になるように設定する
図 図 1 照合処理手順 出典 : スペクトルの遷移確率を利用した指紋照合法 電子情報通信学会論文誌 D-Ⅱ Vol.J80-D- Ⅱ No.5 1 9 97 年 5 月 25 日 藤吉弘亘 梅崎太造 竹内英世 佐分利伸 鈴村宣夫著 社団法人電子情報通信学会発行 1170 頁図 1 照合処理手順 図 2 5 状態 4 グループの HMM 出典 : スペクトルの遷移確率を利用した指紋照合法 電子情報通信学会論文誌 D-Ⅱ Vol.J80-D- Ⅱ No.5 1 9 97 年 5 月 25 日 藤吉弘亘 梅崎太造 竹内英世 佐分利伸 鈴村宣夫著 社団法人電子情報通信学会発行 1172 頁図 7 5 状態 4 グループの HMM 出典/ 参考資料 スペクトルの遷移確率を利用した指紋照合法 電子情報通信学会論文誌 D-Ⅱ Vol.J80-D-Ⅱ No.5 1 9 97 年 5 月 25 日 藤吉弘亘 梅崎太造 竹内英世 佐分利伸 鈴村宣夫著 社団法人電子情報通信学会発行 1169-1177 頁