指紋画像生成装置
【課題】隆線領域を表す隆線画素値と谷線領域を表す谷線画素値に二値化される二値指紋画像の生成において、汗腺孔領域を谷線領域とする誤りを抑制可能な指紋生成装置を提供する。
【解決手段】指紋画像生成装置１は、指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像の一部に局所領域を設定する局所領域設定手段１４と、局所領域に含まれる画素の値を代表する局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する隆線候補領域判定手段１５と、隆線候補領域と判定された局所領域に対する第１の二値化閾値を、隆線候補領域でないと判定された局所領域内に対する第２の二値化閾値よりも隆線領域と判定し易い値に設定する閾値設定手段１６と、局所領域に含まれる画素を第１又は第２の二値化閾値にて二値化する二値化手段１７を備える。
【解決手段】指紋画像生成装置１は、指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像の一部に局所領域を設定する局所領域設定手段１４と、局所領域に含まれる画素の値を代表する局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する隆線候補領域判定手段１５と、隆線候補領域と判定された局所領域に対する第１の二値化閾値を、隆線候補領域でないと判定された局所領域内に対する第２の二値化閾値よりも隆線領域と判定し易い値に設定する閾値設定手段１６と、局所領域に含まれる画素を第１又は第２の二値化閾値にて二値化する二値化手段１７を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指紋画像生成装置に関し、より詳しくは、多値の指紋画像から隆線領域と谷線領域に二値化される二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、入退室管理、情報機器へのアクセス、預貯金の引き出しなどにおけるセキュリティについて関心が高まっている。そのような中で、従来から用いられている鍵、パスワード認証などよりも確実で、より高度なセキュリティを提供できる個人認証方法として、バイオメトリクス認証（生体認証）が特に注目を集めている。
【０００３】
そのようなバイオメトリクス認証の一つである指紋認証では、指紋センサから得られる指紋の凹凸紋様を濃淡で表した指紋画像から特徴情報を抽出し、その特徴情報と、予め登録された特徴情報とを比較して一致度を求め、その一致度に基づいて個人認証を行う方法が知られている。
【０００４】
指紋画像から特徴情報を抽出する方法の一つとして、指紋センサから得た多値画像に対してノイズ除去、ムラ補正などの処理を行って画質を補正し、その後二値化した画像から指紋隆線の分岐点・端点を特徴点として得る方法がある。
【０００５】
一例として、指内部特性検出型光学式指紋センサで指紋画像を取得すると、凸部である隆線部が相対的に低画素値で、凹部である谷線部は相対的に高画素値となる多値指紋画像が得られる。したがって、上記の二値化処理では、隆線部が低画素値、谷線部が高画素値として二値化される。ここで、特徴情報を抽出するにあたっては、隆線部と谷線部が明瞭に区別できることが望ましい。しかし、指紋の隆線上には、凹部である汗腺孔が存在する。汗腺孔は、多値指紋画像上では谷線部と同様、相対的に高画素値となる。そのため、二値化処理において、例えば多値指紋画像全体の平均画素値を閾値として使用すると、汗腺孔領域も谷線領域と同様に高画素値となって谷線領域と区別がつかなくなる。その結果、特徴情報の抽出において擬似特徴点が抽出され、指紋認証の精度を低下させる要因となっていた。
【０００６】
この様子を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、指紋画像を二値化した二値指紋画像の一部を概略的に示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の二値指紋画像に対して細線化処理を行った細線化二値指紋画像を概略的に示す。図１（ａ）において、黒色で表される線状領域１００は隆線領域であり、白色で表される線状領域１１０は谷線領域である。また、線状領域１００に重なるように存在する白色領域１２０は、誤って谷線領域と同様に高画素値とされた汗腺孔領域である。図１（ａ）のように、汗腺孔領域１２０が隆線領域１００上に存在すると、この二値指紋画像を細線化処理した場合、図１（ｂ）に示すように、隆線領域１００が一本の線とならず、汗腺孔領域１２０に相当する部分がループ１５０として残ってしまう。このループ１５０によって生じた分岐点が、擬似特徴点として抽出されることにより、指紋認証の精度が低下する。
【０００７】
このような問題に対し、“汗腺孔とは小さいものであり、且つ隆線領域に囲まれているものである”という知識を前提とした判定処理を行って汗腺を一つ一つ検出する指紋認証装置が開発されている。例えば、特許文献１に記載された個人照合装置は、二値化され、細線化処理された指紋画像から抽出された分岐点が汗腺孔の存在により生じたものか否かを上記の判定処理を用いて識別し、汗腺孔に起因する分岐点を除去することで、汗腺孔に起因する特徴点の誤抽出を抑制している。また、特許文献２に記載された汗腺孔部分判別装置では、二値化された指紋画像について隆線領域に囲まれた領域に基づいて汗腺孔を示す領域を検出し、検出した領域を隆線と同値に置き換えることで汗腺を除去した指紋画像を生成している。
【０００８】
一方、指紋センサにおいて指紋を読み取る際の指押圧が高い場合、隆線が押し潰されて太く広がった指紋画像が生成される。上記のように、汗腺孔は隆線の領域内に存在するため、隆線が潰れて太くなったときは、汗腺孔領域も拡がってしまい、正常に指紋を読み取った場合と比べて汗腺孔領域が肥大化し、且つ歪んで現れた指紋画像となる。このような指紋画像を二値化すると、汗腺孔によって隆線の輪郭が削剥されてしまう場合がある（図１（ａ）の１３０を参照）。このような場合、細線化後の指紋画像には、削剥された部分が隆線の分岐１６０として出現し、本来存在しないはずの分岐点及び端点を生じさせてしまう。
【０００９】
しかしながら、上記のような指紋認証装置は、汗腺が隆線に囲まれていることを前提としているため、隆線の輪郭が削剥された領域が汗腺に起因したものか否かを識別することができない。したがって、正確な隆線紋様を表す指紋画像を得ることができず、指紋の一致・不一致を誤判定してしまい、認証精度が低下する可能性があった。
【００１０】
【特許文献１】特開平２−１７５７９号公報
【特許文献２】特開２００１−２４３４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、汗腺孔領域を谷線領域とする誤りを低減できる二値指紋画像の生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の問題に鑑み、本発明に係る指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像から隆線領域を表す隆線画素値と谷線領域を表す谷線画素値との二値で表された二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置は、多値指紋画像の全体領域内に局所領域を設定する局所領域設定手段と、局所領域に含まれる画素の値を代表する局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する隆線候補領域判定手段と、隆線候補領域と判定された局所領域に対する第１の二値化閾値を、隆線候補領域でないと判定された局所領域に対する第２の二値化閾値よりも隆線領域と判定し易い値に設定する閾値設定手段と、局所領域に含まれる画素を第１又は第２の二値化閾値にて二値化する二値化手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、多値指紋画像において、隆線領域である可能性が高い領域に含まれる画素については、他の領域と比べて隆線領域と判定し易くなる。よって、谷線領域を誤って隆線領域とすることなく、隆線領域上の汗腺孔領域を隆線領域とした二値指紋画像を作成することができる。なお、上記において多値指紋画像とは、指紋の濃淡を３段階以上の階調で表現する画像をいい、代表的には６４階調、２５６階調、又は１０２４階調などで指紋の濃淡を表現する画像である。
【００１４】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、局所領域設定手段は、多値指紋画像の着目画素を含む所定範囲を着目画素に対する局所領域として設定することが好ましい。多値指紋画像の各画素毎に最適な局所領域を設定できるので、より正確に隆線領域か谷線領域に二値化することができる。
【００１５】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、局所代表値は、局所領域に含まれる一部又は全ての画素の値に基づいて算出された平均画素値又は中央値であることが好ましい。平均画素値又は中央値を用いることにより、局所領域全体の画素値が高めか低めなのかを正確に知ることができるため、隆線候補領域を正確に設定することができる。
【００１６】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、基準値は、多値指紋画像の全体領域の平均画素値であることが好ましい。基準値を指紋領域全体の平均画素値に設定することにより、指紋画像取得時の条件の変動に影響を受け難くすることができる。
【００１７】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、閾値設定手段は、第１の二値化閾値を、基準値よりも隆線領域と判定し易い値に設定することが好ましい。係る構成により、隆線領域である可能性が高い領域に含まれる画素についてのみ、隆線領域と判定し易くなるため、谷線領域の画素を誤って隆線画素値とすることを防止できる。
【００１８】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、多値指紋画像は、指紋の凹部を高画素値、凸部を低画素値で表現するものであり、閾値設定手段は、第１の二値化閾値を基準値より高画素値に設定することが好ましい。
【００１９】
さらに上記の場合において、閾値設定手段は、隆線候補領域と判定された局所領域の局所代表値が基準値より低いほど、第１の二値化閾値を高画素値に設定することが好ましい。あるいは、閾値設定手段は、基準値と局所代表値との差分値を求め、差分値と基準値とを加算した値を第１の二値化閾値に設定することが好ましい。係る構成により、より隆線領域である可能性が高い領域ほど隆線領域と判定し易くなるため、適切な二値化閾値を設定できるため、正確に二値化を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、汗腺孔領域を谷線領域とする誤りを低減できる二値指紋画像の生成装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置について、図を参照しつつ説明する。
図２は、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置１の機能ブロック図である。図２に示すように、指紋画像生成装置１は、画像入出力部１１及び画像生成部１２を有する。そして、指紋画像生成装置１は、画像入出力部１１から多値指紋画像を受け取る。そして、受け取った指紋画像は画像生成部１２に送られる。画像生成部１２は、受け取った多値指紋画像に基づいて二値指紋画像を生成する。そして生成された二値指紋画像は、画像入出力部１１を通じて、外部の機器又は磁気ディスクなどの記録媒体に出力される。
【００２２】
まず、指紋画像生成装置１における二値化処理の概略を説明する。
なお本実施形態では、一例として、多値指紋画像は横２００画素×縦２４０画素の大きさを有する。そして多値指紋画像の各画素は０−２５５の２５６階調で表され、指紋の隆線領域は画素値が低く（若しくは黒く）、指紋の谷線領域は画素値が高く（若しくは白く）表現されるものとする。ここでいう画素値とは、画像上の各画素における輝度値に相当し、画素値が低い画素は低輝度、画素値が高い画素は高輝度で表される。
【００２３】
図３（ａ）は、多値指紋画像の一部領域の概略を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’における、隆線と谷線を横切る方向の画素値プロファイルの概略を示す。なお図３（ｂ）において、横軸は指紋画像上の位置、縦軸は画素値（輝度値）を表す。
図３（ｂ）に示すように、谷線領域３００は、相対的に高い画素値を有する。一方、隆線領域３１０は、相対的に低い画素値を有する。また汗腺孔領域３２０は、隆線領域３１０内に含まれ、隆線領域３１０の他の部分と比較して高い画素値を有する。そのため、例えば、二値化閾値を指紋画像全体の平均画素値とすると、汗腺孔領域３２０は、二値化閾値よりも高い画素値を有する場合がある。そのため、この二値化閾値を用いて谷線領域と隆線領域に二値化すると、汗腺孔領域３２０を誤って谷線領域としてしまう可能性がある。一方、二値化閾値を不用意に高い画素値に設定すると、今度は谷線領域３００の一部を隆線領域としてしまう問題が生じる。
【００２４】
そこで、指紋画像生成装置１は、まず多値指紋画像の指紋領域全体から、隆線領域３１０に相当する低画素値の部分を判別する基準値を求める。次に多値指紋画像の任意の場所に局所領域を設定する。そして局所領域の平均画素値を求める。その平均画素値が相対的に低ければ、局所領域は隆線領域を表す可能性が高いと考えられるため、指紋画像生成装置１は、局所領域を隆線候補領域とする。そして隆線候補領域に対して、指紋画像生成装置１は、基準値よりも高い画素値の二値化閾値を設定する。そして指紋画像生成装置１は、その二値化閾値を用いて二値化処理を行う。すなわち、隆線候補領域内の着目画素について、その画素値と二値化閾値との比較を行い、その画素値が二値化閾値より小さければ隆線領域と判定する。隆線候補領域では、二値化閾値が高めの画素値に設定されていることにより、隆線領域の他の部分よりも相対的に高い画素値を有する汗腺孔領域も隆線領域に区分されるように二値化することができる。
【００２５】
以下、指紋画像生成装置１の各部について詳細に説明する。
画像入出力部１１は、指紋画像生成装置１と外部機器とを接続するインターフェースであり、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＳＣＳＩ、ＲＳ−２３２Ｃなどの規格に準拠した通信ポート、電子回路及びドライバソフトウェアなどで構成される。そして画像入出力部１１は、外部機器より送られてきた多値指紋画像Ｍをデジタルデータとして取得し、画像生成部１２に渡す。また、画像生成部１２で生成された二値指紋画像Ｂを外部機器又は磁気記録媒体などに出力する。
【００２６】
画像生成部１２は、取得した多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像Ｂを生成するものであり、中央演算装置（ＣＰＵ）、数値演算プロセッサ、ＲＯＭ又はＲＡＭのような半導体メモリなどで構成される。また画像生成部１２は、画像生成部１２が備える半導体メモリ又は図示しない磁気記録媒体などから読み込まれたプログラムにしたがって、所定の動作を実行する。また画像生成部１２は、基準値設定手段１３、局所領域設定手段１４、隆線候補領域判定手段１５、閾値設定手段１６及び二値化手段１７を有する。
以下それぞれの手段について説明する。
【００２７】
基準値設定手段１３は、多値指紋画像Ｍを受け取ると、その指紋領域全体の平均画素値ＩＡを基準値として算出する。なお、多値指紋画像Ｍ中に指紋以外の部分が含まれる場合もある（例えば、指紋画像を指紋センサで読み取る際に、指よりも指紋センサの読取り領域の方が大きい場合）。このような場合、指紋以外の部分に相当する領域は、以下の処理において不要である。そこでそのような領域を除去した残りの領域を指紋の全体領域として、以下の処理を行う。指紋以外の部分に相当する領域は、ほぼ最大画素値となり、谷線領域の画素値よりも高くなるため、そのような領域の除去は、最大画素値よりも僅かに低い閾値Ｔ１を用い、その閾値Ｔ１よりも高い画素値を有する画素を除去することで行われる。
【００２８】
局所領域設定手段１４は、多値指紋画像Ｍ中の任意の画素を着目画素Ｃとして設定する。そして局所領域設定手段１４は、着目画素Ｃを中心とする局所領域ＬＡを設定する。図４（ａ）に、この様子を示す。なお、局所領域ＬＡは、隆線１本の幅と略等しいか、それよりも若干広くなるような幅に設定することが好ましい。後述するように、局所領域ＬＡに含まれる画素から、局所領域ＬＡが隆線領域３１０と谷線領域３００の何れに相当するかを判断するための、局所領域ＬＡを代表する画素値情報（局所代表値）を取得するためである。局所領域ＬＡを拡げすぎると、どのように局所領域ＬＡを設定しても、局所領域ＬＡ中に含まれる隆線領域と谷線領域の比率がほぼ同等となり、局所領域ＬＡが隆線領域３１０に相当するのか、谷線領域３００に相当するのか分からなくなってしまう。逆に局所領域ＬＡを余りに狭く設定すると、局所領域ＬＡ中に含まれる画素が殆ど汗腺孔領域に相当する場合が生じ、隆線領域の画素値情報を正確に取得することができないため好ましくない。本実施形態では、標準的な指紋における隆線領域の幅が約３〜５画素、隆線が太い指紋における隆線領域の幅が６〜８画素となる多値指紋画像Ｍに対して、局所領域ＬＡを７×７画素の領域とした。
【００２９】
隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡに含まれる多値指紋画像Ｍの画素値に基づいて算出された局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、局所領域ＬＡが隆線領域である可能性が高い隆線候補領域であるか否かを判定する。
図４及び図５を用いて、局所領域ＬＡが隆線候補領域に相当するか否かの判定の原理を説明する。図４（ａ）は、多値指紋画像Ｍの汗腺孔領域の画素を着目画素Ｃとして局所領域ＬＡを設定した場合の様子を示す。また図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ’における局所領域ＬＡの画素値プロファイルの概略を示す。図４（ｂ）のグラフの横軸は位置座標を表し、縦軸は画素値を表す。同様に、図５（ａ）は、多値指紋画像Ｍの谷線領域の画素を着目画素Ｃとした局所領域ＬＡを設定した場合の様子を示す。また図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ’における局所領域ＬＡの画素値プロファイルの概略を示す。図５（ｂ）のグラフの横軸は位置座標を表し、縦軸は画素値を表す。
【００３０】
まず、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬを局所領域ＬＡの代表値（局所代表値）として算出する。そして隆線候補領域判定手段１５は、基準値である指紋画像の全体領域の平均画素値ＩＡと局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬとの差分値ＩＤ（＝ＩＡ−ＩＬ）を算出する。ここで差分値ＩＤが正の場合、すなわち局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬの方が、指紋領域全体の平均画素値ＩＡより低い場合、図４（ａ）に示すように、局所領域ＬＡは隆線領域３１０に設定されている可能性が高い。そのため、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡを隆線候補領域と判定する。
一方、差分値ＩＤが負の場合、すなわち局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬの方が、指紋領域全体の平均画素値ＩＡより高い場合、図５（ｂ）に示すように、局所領域ＬＡは谷線領域３００に設定されている可能性が高いと考えられる。そのため、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡを隆線候補領域ではない（谷線候補領域）と判定する。
【００３１】
閾値設定手段１６は、隆線候補領域と判定された局所領域ＬＡに含まれる多値指紋画像Ｍの画素に対する二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを、隆線候補領域でないと判定された局所領域ＬＡに含まれる多値指紋画像Ｍの画素に対する二値化閾値よりも隆線領域と判定し易い値に設定する。ここで、隆線領域と判定し易い値とは、二値化対象の画素の値が谷線領域よりの画素値であっても、その画素を隆線領域に分別する値を意味する。
【００３２】
具体的には、以下のように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを設定する。
まず、隆線候補領域判定手段１５が局所領域ＬＡが隆線候補領域であると判定した場合、閾値設定手段１６は、以下のように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを設定する。
ＴｈｄＢＩＮ ＝ ＩＡ＋ＩＤ （１）
（１）式より、差分値ＩＤが正の場合、すなわち、指紋全体領域の平均画素値ＩＡよりも局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬの方が低い場合は、図４（ｂ）に示すように、汗腺孔領域３２０に含まれる画素の画素値よりも高くなるように、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは指紋全体領域の平均画素値ＩＡよりも高めに設定される。特に、ＩＤが大きいほど、すなわち、局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬが低いほど、局所領域ＬＡは隆線領域３１０に相当する可能性が高いので、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮもより高い値に設定される。
【００３３】
一方、隆線候補領域判定手段１５は局所領域ＬＡが隆線候補領域ではないと判定した場合、閾値設定手段１６は、谷線領域に含まれる画素の画素値よりも低い値となるように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ＝ＩＡと設定する。このように、局所領域ＬＡが隆線候補領域の場合とそうでない場合とで二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを別の値に設定することで、汗腺孔領域３２０を隆線領域３１０に正しく区分することができ、且つ谷線領域３００を隆線領域３１０に誤って区分することを防止できる。
また、閾値設定手段１６は、差分値ＩＤが負の場合、すなわち、指紋全体領域の平均画素値ＩＡよりも局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬの方が高い場合にも、（１）式にしたがって二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを設定してもよい。この場合ＩＤ＜０であるため、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは平均画素値ＩＡよりも低く設定される。したがって、ノイズなどによって着目画素Ｃの値が理想的な場合よりも低い画素値を有する場合であっても、正しく谷線領域３００に区分することができる。
【００３４】
二値化手段１７は、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮと、着目画素Ｃの画素値ＩＣを比較する。そして二値化手段１７は、多値指紋画像Ｍの着目画素Ｃに対応する二値指紋画像Ｂの画素の画素値ＢＣを以下のように算出する。
ＩＣ≧ＴｈｄＢＩＮの場合、ＢＣ＝２５５
ＩＣ＜ＴｈｄＢＩＮの場合、ＢＣ＝０
ここで、二値指紋画像Ｂにおいては、画素値‘２５５’を谷線画素値とし、‘０’を隆線画素値とする。つまり、画素値ＢＣが‘２５５’であることは、その画素が谷線画素であることを示す。一方、画素値ＢＣが‘０’であることは、その画素が隆線画素であることを示す。
なお、画素値ＢＣは、‘０’と‘２５５’の組み合わせに限られず、二値指紋画像Ｂを表現するデータ形式で扱うことが可能な任意の二つの異なる値、例えば‘０’と‘１’を使用することができる。
【００３５】
画像生成部１２は、上記の局所領域設定手段１４、隆線候補領域判定手段１５、閾値設定手段１６及び二値化手段１７の処理を多値指紋画像Ｍに含まれる全ての画素を順次着目画素として実行することにより、二値指紋画像Ｂを生成する。
【００３６】
なお、上記において、指紋画像生成装置１では、予めムラ補正された多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像Ｂを生成することが好ましい。
また、隆線候補領域判定手段１５が、局所領域ＬＡが隆線候補領域か否かを判定する手順は上記に限られない。例えば、隆線候補領域判定手段１５は、指紋画像の全体領域の平均画素値ＩＡと局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬの比ＩＲ（＝ＩＡ／ＩＬ）を判定基準として用いてもよい。この場合、隆線候補領域判定手段１５は、ＩＲ＞１であれば局所領域ＬＡを隆線候補領域と判定する。一方、ＩＲ≦１であれば、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡを隆線候補領域ではないと判定する。
また、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは、上記のものに限られない。例えば、（１）式の代わりに、以下の式を使用することができる。
ＴｈｄＢＩＮ ＝ ＩＡ＋ＩＤ・Ｃｒ （２）
ここでＣｒは定数であり、例えば０．８〜１．５といった値を使用することができる。このように、差分値ＩＤに一定の定数を乗じることにより、谷線領域３００に含まれる画素を誤って隆線領域３１０としてしまう危険性を低下させたり（Ｃｒ＜１の場合）、逆に汗腺孔領域を誤って谷線領域３００としてしまう危険性を低下させることができる（Ｃｒ＞１の場合）。なお、Ｃｒの値は、指紋画像領域中の相対的な位置によって経験的に変化させてもよい。さらに二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは、ＩＤが正の場合、予め定めた所定値ＣＡ（ただしＣＡ＞０）をＩＡに加えるようにしてもよい。
【００３７】
また、上記では、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを決定するための判断基準として、局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬを局所代表値として使用したが、他の基準を用いて二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを決定してもよい。例えば、局所領域ＬＡ内の画素値の中央値ＩＭを、平均画素値ＩＬの代わりに局所代表値として使用することができる。あるいは、局所領域ＬＡ内の画素値を加重平均して算出した重み付き平均画素値ＩＷを平均画素値ＩＬの代わりに使用することができる。そのような重み付けは、経験的に適切なものを求めることができるが、例えばガウシアンフィルタ型の重み付けを使用することができる。さらに、ノイズによる悪影響を軽減するために、局所領域ＬＡ内の最大画素値及び最小画素値を除いた残りの画素値を用いて平均画素値ＩＬを算出するようにしてもよい。
【００３８】
同様に、指紋画像生成装置１は、基準値として指紋画像全体の平均画素値ＩＡを使用する代わりに、指紋画像の周辺部を除いた残りの領域の平均値ＩＡ’を使用することもできる。さらに、予め定めた一定の画素値を基準値として使用することもできる。ただし、予め定めた一定の画素値を基準値とてして使用する場合には、多値指紋画像Ｍが一定の許容範囲内の画素平均値及び分散を有するように正規化されていることが好ましい。
さらに、上記では、着目画素Ｃ毎に局所領域ＬＡを設定し、隆線候補領域か否か判定した上で二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを算出していたが、一度局所領域ＬＡを設定し、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを算出すると、局所領域ＬＡ内の複数の画素に対してその二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを用いるようにしてもよい。このようにすることで、平均画素値ＩＬの算出回数を減らせるため、二値化指紋画像Ｂの生成に要する時間を短縮することができる。
【００３９】
次に、図６及び図７を参照して、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置１の動作を説明する。
図６及び図７は、指紋画像生成装置１の二値指紋画像Ｂの生成についての動作フローチャートである。そして、指紋画像生成装置１は、画像生成部１２内のＣＰＵがプログラムにしたがって制御することにより、以下に説明する動作を実行する。
【００４０】
図６に示すように、指紋画像生成装置１の画像生成部１２は、まず、画像入出力部１１から多値指紋画像Ｍを取得する（ステップＳ１０１）。そして、取得した多値指紋画像Ｍを、画像生成部１２の構成要素であるＲＡＭに一時的に格納する。また、生成する二値指紋画像Ｂの大きさに相当するメモリ領域を確保し、初期化する。次に、画像生成部１２の基準値設定手段１３は、多値指紋画像Ｍの指紋領域全体の平均画素値ＩＡを算出し、画像生成部１２のＲＡＭに一時的に記憶する（ステップＳ１０２）。次に、画像生成部１２の局所領域設定手段１４は、多値指紋画像Ｍから着目画素Ｃを設定する（ステップＳ１０３）。さらにその着目画素Ｃを中心として局所領域ＬＡを設定する（ステップＳ１０４）。その後、画像生成部１２の隆線候補領域判定手段１５は、ＲＡＭに格納されている多値指紋画像Ｍのうち、局所領域ＬＡに相当する画素の値を参照して局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬを算出する（ステップＳ１０５）。そして隆線候補領域判定手段１５は、画像生成部１２のＲＡＭに格納されている指紋画像全体の平均画素値ＩＡを参照し、局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬとの差分値ＩＤ（＝ＩＡ−ＩＬ）を算出する（ステップＳ１０６）。
【００４１】
次に、図７に示すように、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡが主に隆線領域に相当するのか、谷線領域に相当するのかを判定するために、差分値ＩＤが正か否かを調べる（ステップＳ１０７）。そして隆線候補領域判定手段１５は、差分値ＩＤが正の場合、局所領域ＬＡは隆線領域上に設定されている可能性が高いため、隆線候補領域であると判定する。そして画像生成部１２の閾値設定手段１６は、上記の（１）式にしたがって、平均画素値ＩＡよりも高い値となるように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ（＝ＩＡ＋ＩＤ）を決定する（ステップＳ１０８）。一方、ステップＳ１０７において、隆線候補領域判定手段１５は、差分値ＩＤが０以下の場合、局所領域ＬＡは隆線候補領域ではないと判定する。そして画像生成部１２の閾値設定手段１６は、平均画素値ＩＡを二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ（＝ＩＡ）に決定する（ステップＳ１０９）。上述したように、隆線候補領域と同様、上記の（１）式にしたがって、平均画素値ＩＡよりも低い値となるように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを決定してもよい。
【００４２】
二値化閾値ＴｈｄＢＩＮが決定されると、画像生成部１２の二値化手段１７は、着目画素Ｃの画素値ＩＣと、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを比較する（ステップＳ１１０）。そして、着目画素Ｃの画素値ＩＣが二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ未満であれば、二値指紋画像Ｂにおける、着目画素Ｃに対応する画素の値ＢＣを隆線画素値に設定するため、画像生成部１２のＲＡＭに確保した二値指紋画像Ｂのメモリ領域の対応するメモリアドレスに値‘０’を書き込む（ステップＳ１１１）。一方、ステップＳ１１０において、着目画素Ｃの画素値ＩＣが二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ以上であれば、二値指紋画像Ｂにおける、着目画素Ｃに対応する画素の値ＢＣを谷線画素値に設定するため、ＲＡＭの対応するメモリアドレスに値‘２５５’を書き込む（ステップＳ１１２）。
【００４３】
その後、画像生成部１２は、多値指紋画像Ｍ中の全ての画素について、ステップＳ１０３〜Ｓ１１２の処理を終えたか否かを判定する（ステップＳ１１３）。何れかの画素について、処理が終了していなければ、制御をステップＳ１０３の前へ戻す。そして未だ処理を終えていない画素の何れかを新たに着目画素Ｃに設定する。
【００４４】
一方、ステップＳ１１３において、全ての画素について処理を終えていれば、画像生成部１２は、二値指紋画像Ｂの生成を終了する。そして、画像入出力部１１を通じて、二値指紋画像Ｂを出力する（ステップＳ１１４）。そして指紋画像生成装置１は処理を終了する。
【００４５】
以上説明してきたように、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置１は、多値指紋画像Ｍの指紋領域全体の画素値から求めた基準値と、隆線領域又は谷線領域の一部を含む局所領域ＬＡから求めた局所代表値との比較結果に基づいて、局所領域ＬＡが隆線領域に相当する可能性が高いか否かを判定する。そして、局所領域ＬＡが隆線領域に相当する可能性が高い（隆線候補領域である）場合には、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを基準値よりも高い値に設定し、一方局所領域ＬＡが隆線領域に相当しないと考えられる場合には、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを基準値（若しくは基準値以下）に設定することで、汗腺孔領域を正しく隆線領域に区分しつつ、谷線領域を誤って隆線領域に区分することのない二値指紋画像を生成することができる。
【００４６】
次に、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置について、図を参照しつつ説明する。
図８は、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２の機能ブロック図である。図８に示すように、指紋認証装置２は、操作・表示部２１、指紋入力部２２、記憶部２３、処理部２４及び出力部３２を有する。そして、指紋認証装置２は、操作・表示部２１において指紋認証を行う操作者に対する操作ガイダンス及び情報の表示を行い、そのガイダンスにしたがって指紋入力部２２に置かれた指から入力指紋を読み取って多値指紋画像Ｍを生成する。そして、生成した多値指紋画像Ｍは処理部２４に送られる。処理部２４は、受け取った多値指紋画像Ｍに対してムラ補正を行い、そのムラ補正済みの多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像を生成し、さらに二値指紋画像の細線化を行う。なお、二値指紋画像の生成については、上記の指紋画像生成装置１の画像生成部１２と同様の処理を行う。
【００４７】
その後、処理部２４は、細線化された二値指紋画像に基づいて特徴抽出を行って特徴点リスト（以下、入力特徴点リストという）Ｆｉを作成する。さらに処理部２４は、その指紋画像から作成した入力特徴点リストＦｉを、記憶部２３に予め登録されているその操作者の識別番号ＩＮと関連付けられた特徴点リスト（以下、登録特徴点リストという）Ｆｒと照合する。照合結果は出力部３２を介して出力される。出力部３２には、例えば電気錠の施解錠制御装置が接続される。そして、電気錠の施解錠制御装置は、出力部３２から受信した照合結果が認証に成功したことを示す信号であれば、電気錠の解錠を行い、逆に認証に失敗したことを示す信号であれば、電気錠の施錠を維持する。
【００４８】
本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２は、指紋画像全体の平均画素値ＩＡと局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬの差に基づいて二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを調節することにより、汗腺孔領域を誤って谷線領域に区別することなく、正しく隆線領域に区別した二値指紋画像を生成することができる。そのため指紋認証装置２は、擬似特徴点を抽出するリスクを低減することができる。その結果として、指紋認証装置２は、高い認証精度を達成することができる。
【００４９】
以下、指紋認証装置２の各部について詳細に説明する。
操作・表示部２１は、指紋認証装置２の操作者、すなわち被照合者が、識別番号ＩＮの入力、行いたい動作の選択（例えば、特定の部屋への入室）などの操作を行うものである。また操作・表示部２１は、操作のガイダンスを表示又は音声指示するものであり、タッチパネルディスプレイとスピーカで構成される。また、タッチパネルの代わりに、キーボード又はマウスのような入力デバイスと液晶ディスプレイのような単純な表示デバイスで構成してもよい。なお、ガイダンスの音声指示を行わない場合には、スピーカを省略してもよい。
操作・表示部２１で入力された識別番号ＩＮなどのデータは、処理部２４で呼び出す登録指紋データの特定などに使用される。
【００５０】
指紋入力部２２は、照合処理に使用する指紋画像を生成するものであり、載置された指を撮像してデジタル信号に変換するＣＣＤカメラをモジュール化した指紋センサ、指紋センサへの指の載置を検出する載置センサ、撮像時に指を照明するＬＥＤ、操作者に指の載置位置を正しく認識させるための指ガイド部材を有する。本実施形態では、一例として指紋センサとして指内部特性検出型光学式のものを使用した。しかし、本発明で使用可能な指紋センサはこれに限られない。例えば、指紋センサとして、全反射法光学式、光路分離法光学式、表面突起不規則反射式などの光学式センサ、静電容量式、電界式、感圧式、超音波方式などの非光学式センサを使用してもよい。
【００５１】
指紋入力部２２では、載置センサが指紋センサ上に指が載置されたことを検出すると、指紋センサがその指を撮像し、入力指紋の多値指紋画像Ｍを生成する。本実施形態では、上記の第１の実施形態の場合と同様に指紋画像の各画素は０−２５５の２５６階調で表され、指紋の隆線領域は画素値が低く（若しくは黒く）、指紋の谷線領域は画素値が高く（若しくは白く）表現される。
【００５２】
記憶部２３は、予め登録された操作者の識別番号ＩＮと登録特徴点リストＦｒを関連付けた登録指紋データを記憶するものであり、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリ、ハードディスクなどの磁気記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ／Ｗなどの光記録媒体を有する。
【００５３】
登録特徴点リストＦｒは、予め登録された利用者の指紋画像から作成した特徴点リストであり、隆線の分岐点、端点などの各特徴点の位置をリスト形式にしたものである。登録特徴点リストＦｒは、後述する処理部２４による入力特徴点リストＦｉの作成と同じ方法で作成される。特徴点リストの詳細及び作成方法については、後述する。
【００５４】
また記憶部２３は、処理部２４が使用するプログラム、各種設定ファイル、パラメータなども記憶する。これらは、指紋認証装置２の起動時など、所定のタイミングで必要に応じて処理部２４により読み出される。
【００５５】
処理部２４は、指紋入力部２２から取得した指紋画像と記憶部２３から取得した登録特徴点リストに基づいて指紋の照合を行うものであり、中央演算装置（ＣＰＵ）、数値演算プロセッサ、ＲＯＭ又はＲＡＭのような半導体メモリなどで構成される。また処理部２４は、記憶部２３から読み込まれたプログラムにしたがって、所定の動作を実行する。さらに処理部２４は、操作・表示部２１、指紋入力部２２、記憶部２３、及び出力部３２と接続されており、それら各部に所定の制御信号を出力して制御を行う。また処理部２４は、指紋の照合及び各部の制御を行うために、制御部２５、画像補正部２６、特徴抽出部３０及び照合部３１を有する。
【００５６】
処理部２４は、操作・表示部２１から操作者の識別番号ＩＮが入力されると、その識別番号ＩＮ（以下入力識別番号という）が記憶部２３に登録されているか否か探索する。そして処理部２４は、一致する識別番号ＩＮが登録されていれば、その識別番号ＩＮと関連付けられた登録特徴点リストＦｒを記憶部２３から読み出す。また処理部２４の画像補正部２６は、指紋入力部２２から取得した多値指紋画像Ｍに対してムラ補正を行った後、そのムラ補正済みの多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像Ｂを生成する。さらに画像補正部２６は、二値指紋画像Ｂに対して細線化を行い、細線化二値指紋画像ＢＴを生成する。そして処理部２４は、特徴抽出部３０において、細線化二値指紋画像ＢＴから入力指紋の入力特徴点リストＦｉを作成する。入力特徴点リストＦｉが作成されると、処理部２４の照合部３１は、入力特徴点リストＦｉと登録特徴点リストＦｒとに基づいて照合を行う。最後に処理部２４は、認証に成功したか否かに関する照合結果を操作・表示部２１に表示させ、また照合結果を示す信号を出力部３２を介して電気錠制御装置など外部の機器へ出力する。
【００５７】
以下、処理部２４の各部について詳細に説明する。
制御部２５は、記憶部２３から読み込まれたプログラム及び操作・表示部２１からの入力信号にしたがって、操作・表示部２１、指紋入力部２２、記憶部２３及び出力部３２の各部の制御、指紋画像など各種データの受け渡しなどを行う。また、制御部２５は、処理部２４内の画像補正部２６、特徴抽出部３０及び照合部３１による処理を制御する。
【００５８】
画像補正部２６は、操作者の指紋画像から照合に利用する入力特徴点リストＦｉを作成するために、多値指紋画像Ｍに前処理を施す。そのために、画像補正部２６は、多値指紋画像Ｍの濃度ムラを補正するためのムラ補正部２７、隆線領域と谷線領域とに二値化した二値指紋画像Ｂを生成する指紋二値化部２８及び二値指紋画像Ｂの隆線領域を細線化して細線化二値指紋画像ＢＴを生成する細線化部２９を有する。なお、指紋二値化部２８は、上記の指紋画像生成装置１の画像生成部１２と同様の構成を有し、同様の処理を行って二値指紋画像Ｂを生成する。
【００５９】
ムラ補正部２７は、指を指紋入力部２２に載置する際における、指の中央部の押圧力と周辺部の押圧力の差異などにより生じる多値指紋画像Ｍの濃度ムラを補正し、指紋画像全体の濃度を均一化する。
例えば、ムラ補正部２７は、多値指紋画像Ｍを３２×３２画素程度の部分領域に分割し、各部分領域について平均画素値及び画素値の分散を算出する。そして、ムラ補正部２７は、その平均画素値及び画素値の分散が、多値指紋画像Ｍ全体の平均画素値及び画素値の分散と略等しくなるように画素値を変換する（画像解析ハンドブックｐ．４７８、高木幹雄、東京大学出版を参照）。
【００６０】
指紋二値化部２８は、ムラ補正部２７でムラ補正が行われた多値指紋画像Ｍに基づいて、隆線領域と谷線領域に二値化した二値指紋画像Ｂを生成する。なお、上記のように、指紋二値化部２８は、指紋画像生成装置１の画像生成部１２と同様の構成を有し、同様の処理を行って二値指紋画像Ｂを生成するので、ここでは詳細を省略する。
なお以下では、説明の便宜上、二値指紋画像Ｂ及び細線化二値指紋画像ＢＴにおける隆線画素の値を‘０’、谷線画素の値を‘２５５’で表す。
【００６１】
細線化部２９は、指紋二値化部２８で生成された二値指紋画像Ｂに対して、隆線領域を細線化するように細線化処理を行う。そして隆線領域が１画素の幅で連続する線となる細線化二値指紋画像ＢＴを生成する。細線化部２９は、例えば、隣接する複数の画素が‘０’の値を有する所定のマスクパターンを複数準備し、それらマスクパターンを順次適用して、何れかのマスクパターンに当てはまれば、その画素の画素値を‘０’から‘２５５’へ変換する方法を使用することができる。しかし、細線化部２９は、上記の細線化方法に限られず、公知の種々の方法を使用することができる。
【００６２】
特徴抽出部３０は、画像補正部２６において生成された細線化二値指紋画像ＢＴに基づいて、特徴点を抽出し、入力特徴点リストＦｉを作成する。ここで特徴点とは、隆線領域の端点、分岐点などである。
【００６３】
図９は、細線化された指紋画像における特徴点の概略を示す。
図９において、黒く示された部分は細線化された隆線領域を表す。また、図９において、隆線領域の終端となっている部分９００及び９１０が、隆線の端点であり、隆線が１本から２本に分岐している部分９２０が分岐点である。これらの特徴点の位置、数は、個人毎に異なるため、指紋の照合を行うための非常に有益な情報となる。
【００６４】
特徴点を表す情報は、特徴点の種類（端点か分岐点か）、位置、方向、信頼度の各要素を有する。ここで端点Ｐｅは、例えば、隆線画素（すなわち、画素値‘０’）のうちで、且つ隣接する８近傍画素のうち、１画素だけが隆線画素である画素とすることができる。また分岐点Ｐｂは、隆線画素のうちで、隣接する８近傍画素のうち、３画素が隆線画素であり、且つそれら８近傍画素中の隆線画素同士が隣接していない画素とすることができる。また特徴点の位置は、端点Ｐｅ又は分岐点Ｐｂの細線化二値指紋画像ＢＴ上の座標値（Ｘｔ，Ｙｔ）で表される。ただしＸｔは細線化二値指紋画像ＢＴ上の水平方向座標値、Ｙｔは細線化二値指紋画像ＢＴ上の垂直方向座標値である。
【００６５】
特徴点の方向θｔは、その特徴点における隆線の方向を表す。また特徴点の方向θｔは、図９に示すように、例えば細線化二値指紋画像ＢＴの水平方向軸と時計回りの方向になす角で表される。特徴点が端点Ｐｅの場合、特徴点の方向θｔは、その端点Ｐｅと隣接する隆線画素を結んだ直線と、細線化二値指紋画像ＢＴの水平方向軸とのなす角として求めることができる。また特徴点が分岐点Ｐｂの場合、分岐点Ｐｂと、分岐点Ｐｂから２画素の距離にある隆線画素との線分を求める（そのような線分は３本あるはずである）。次に、それぞれの線分同士のなす角を求める。そして、最もなす角が狭い２本の線分の２等分線を求める。その２等分線と細線化二値指紋画像ＢＴの水平方向軸とのなす角を特徴点の方向θｔとすることができる。なお、特徴点の方向θｔの求め方は、上記に限られるものではなく、他の公知の方法を用いてもよい。
【００６６】
特徴点の信頼度Ｔは、その特徴点の存在、位置、方向の信頼性を示す値である。例えば、指紋画像では、局所的に見ると複数の隆線が略平行に並んでいる。そのため、複数の特徴点が含まれる局所的な領域を考えると、その領域内では、それぞれの特徴点の方向θｔは、ほぼ同じ方向となる。そこで、以下のように信頼度Ｔを設定することができる。まず、着目する特徴点を中心とした局所的な領域（例えば、３２×３２画素程度）を設定する。次に、その局所的な領域中に含まれる各特徴点の方向θｔの平均値θａｖを算出する。そして、その平均値θａｖと、着目特徴点の方向θｔとの差の絶対値を信頼度とする。
なお、抽出する特徴量は、上記のものに限られない。例えば、各特徴点間の位置関係、隣接する特徴点間の間に存在する隆線又は谷線の本数などを特徴量として抽出してもよい。
特徴抽出部３０は、上記のように一つの細線化二値指紋画像ＢＴから抽出した特徴点のそれぞれについて、その特徴点の情報を予め定められた形式にしたがってリストとして作成する。
【００６７】
照合部３１は、操作者の指紋画像から特徴抽出部３０において抽出した入力特徴点リストＦｉと、記憶部２３から読み出した登録特徴点リストＦｒとを照合する。照合の具体的な方法として、特徴量の類似度を算出する公知の方法、例えばマニューシャ・マッチング法を使用することができる。具体的には、まず、入力特徴点リストＦｉに含まれている幾つかの特徴点について、登録特徴点リストＦｒに含まれている特徴点のいずれかとの位置の差の平均が最小となるような、座標値の平行移動量Δｄ及び回転補正角Δθを求める。そして、入力特徴点リストＦｉに含まれる各特徴点に対して、その平行移動量Δｄ及び回転補正角Δθを加えて、入力特徴点リストＦｉと登録特徴点リストＦｒとを位置合わせする。
【００６８】
次に、入力特徴点リストＦｉに含まれる各特徴点について、登録特徴点リストＦｒに含まれる各特徴点のうち、特徴点の種類が同じで、位置が最も近いものとの距離、方向の差の絶対値、信頼度に基づいて得点を算出する。この得点は、距離が近いほど高くなるように設定する。同様に、方向の差の絶対値が小さいほど、また信頼度が高いほど得点は高くなるように設定する。
【００６９】
各特徴点についての得点が算出されると、照合部３１は、その得点の合計を類似度Ｓｉとして算出する。そして、照合部３１は、算出された類似度Ｓｉが予め定められた照合閾値ＴｈｄＶを超えていれば、認証に成功したと判定し（すなわち、操作者の指紋（入力指紋）は、登録されている指紋と一致する）、逆に算出された類似度Ｓｉが予め定められた照合閾値ＴｈｄＶ以下であれば、認証に失敗したと判定する（すなわち、操作者の指紋は、登録されている指紋と一致しない）。
【００７０】
出力部３２は、指紋認証装置２と外部の機器（例えば、電気錠の施解錠制御装置）を接続し、信号の入出力を行うインターフェースであり、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＳＣＳＩ、ＲＳ−２３２Ｃなどの規格に準拠した通信ポート、電子回路及びドライバソフトウェアなどで構成される。
出力部３２は、処理部２４の照合結果を示す信号などを外部機器に出力する。
【００７１】
次に、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２の動作を説明する。
図１０は、指紋認証装置２における、指紋認証の動作を示すフローチャートである。なお、以下に説明する指紋認証装置２の動作は、処理部２４に読み込まれたプログラムにしたがって、処理部２４の制御部２５により実行される。
【００７２】
まず、指紋認証装置２は、例えば図示しない近赤外線センサなどにより、操作者の接近を検知すると、所定のガイダンスを操作・表示部２１に表示し、操作者にそのガイダンスにしたがって指紋認証作業を行うよう促すとともに、指紋認証動作を開始する。
【００７３】
最初に、指紋認証装置２は、操作・表示部２１から操作者の入力識別番号ＩＮを取得する（ステップＳ２０１）。なお、操作者が識別番号ＩＮを入力する前に、指紋入力部２２の載置センサが指を検知した場合には、指紋認証装置２は、操作・表示部２１を通じて識別番号の入力を促すメッセージを表示する。次に、指紋認証装置２は、取得した入力識別番号ＩＮが記憶部２３に登録されているか否か検索する（ステップＳ２０２）。入力識別番号ＩＮが記憶部２３に登録されている場合、指紋認証装置２は、操作者の指紋画像を取得するために、指を指紋入力部２２の所定位置に置くように操作・表示部２１を通じて操作者に対するガイダンスを行う（ステップＳ２０３）。一方、ステップＳ２０２において、取得した入力識別番号ＩＮが登録されていなければ、指紋認証装置２は、操作・表示部２１を通じて識別番号未登録のエラーメッセージを表示する（ステップＳ２０４）。そして、制御を最初に戻す。
【００７４】
ステップＳ２０３の後、指紋入力部２２の載置センサが指を検知すると指紋入力部２２は操作者の多値指紋画像Ｍを取得する（ステップＳ２０５）。多値指紋画像Ｍを取得すると、処理部２４の画像補正部２６は、その多値指紋画像Ｍに対するムラ補正を行う（ステップＳ２０６）。その後、処理部２４の画像補正部２６は、二値指紋画像Ｂを生成する（ステップＳ２０７）。なお、二値指紋画像Ｂの生成手順は、上記の図６及び図７に示す指紋画像生成装置１の動作フローと同様である。その際、上記のように画像補正部２６に含まれる指紋二値化部２８が、多値指紋画像Ｍ中の隆線領域と谷線領域を区別するように二値化し、特に汗腺孔領域を隆線領域とするように二値化する。二値指紋画像Ｂが生成されると、画像補正部２６の細線化部２９は、隆線領域が細線化された細線化二値指紋画像ＢＴを生成する（ステップＳ２０８）。
【００７５】
ステップＳ２０８において、細線化二値指紋画像ＢＴが生成されると、処理部２４の特徴抽出部３０は、その細線化二値指紋画像ＢＴから隆線領域の端点Ｐｅ、分岐点Ｐｂなどの特徴点を抽出し、入力特徴点リストＦｉを作成する（ステップＳ２０９）。そして、入力特徴点リストＦｉが作成されると、処理部２４は、記憶部２３から入力識別番号ＩＮに関連付けられた登録特徴点リストＦｒを読み出し、照合部３１で入力特徴点リストＦｉと登録特徴点リストＦｒの類似度Ｓｉを算出する（ステップＳ２１０）。
【００７６】
そして照合部３１は、ステップＳ２１０において算出された類似度Ｓｉと所定の照合閾値ＴｈｄＶを比較する（ステップＳ２１１）。ステップＳ２１１において、類似度Ｓｉが照合閾値ＴｈｄＶ以下の場合、処理部２４は、認証に失敗したと判定する。そして指紋認証装置２は、操作・表示部２１に認証に失敗したことを示すメッセージを表示する（ステップＳ２１２）。そして、再度操作者の指紋画像を取得するために、制御をステップＳ２０３の前に戻す。この後、しばらく経っても指の載置を検出できないときは、処理を終了させて待機状態に戻る。
【００７７】
一方、類似度Ｓｉが照合閾値ＴｈｄＶよりも大きい場合、処理部２４の照合部３１は、認証に成功したと判定する。そして指紋認証装置２は、操作・表示部２１に認証に成功したことを示すメッセージを表示するとともに、必要に応じて照合結果を示す信号を出力部３２を通じて外部機器に送信する（ステップＳ２１３）。そして指紋認証装置２は、動作を終了する。
【００７８】
なお、所定回数連続して認証に失敗した場合、指紋認証装置２は、操作・表示部２１を通じて操作者に警告メッセージを表示するようにしてもよい。さらに指紋認証装置２は、そのような場合、出力部３２を通じて、監視センタ（図示せず）などに指紋認証装置２自身の識別情報及び警告情報を通知するようにしてもよい。
【００７９】
以上説明してきたように、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２は、隆線領域上に存在する汗腺孔領域を正確に隆線領域に含めるように二値化した二値指紋画像Ｂを生成し、その二値指紋画像Ｂを細線化した細線化二値指紋画像ＢＴに基づいて特徴点の抽出を行うので、誤って抽出される擬似特徴点の数を減らすことができる。また、擬似特徴点の数が少ないため、高い認証精度を達成することができる。
【００８０】
なお、上記の実施形態では、指紋の隆線領域は画素値が低く（若しくは黒く）、指紋の谷線領域は画素値が高く（若しくは白く）表現されることとしたが、指紋センサとして光路分離法光学式を使用した場合のように、指紋の隆線領域は画素値が高く（若しくは白く）、指紋の谷線領域は画素値が低く（若しくは黒く）表現される場合でも本発明を適用することができる。この場合、上記の説明において画素値の大小を逆にする（例えば、〜以上という表現は〜以下と置き換える）ことで同様に取り扱うことができる。
【００８１】
また、上記の実施形態では、指紋の照合を特徴点ベースの類似度に基づいて判定したが、本発明の指紋画像生成装置は、別の方法で指紋の照合を行う場合にも適用することができる。例えば、指紋の照合を指紋画像同士のパターンマッチングに基づいて行う場合にも本発明の指紋画像生成装置を適用することができる。この場合、入力指紋画像から本発明の指紋画像生成装置を適用して隆線と谷線に分離した二値画像を生成し、生成した二値画像を、予め登録された者の二値指紋画像とパターンマッチングを行い、一致度が所定の閾値を超えれば認証に成功したと判定することができる。
以上のように、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】（ａ）は、指紋画像を二値化した二値化画像の一部を概略的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の二値化画像に対して細線化処理を行った細線化画像を概略的に示す図である。
【図２】本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置の機能ブロック図である。
【図３】（ａ）は多値指紋画像の一部領域の概略を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’における、隆線と谷線を横切る方向の画素値プロファイルの概略を示す図である。
【図４】（ａ）は、多値指紋画像の隆線領域とほぼ一致するように局所領域を設定した場合の様子を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’における局所領域の画素値プロファイルの概略を示す図である。
【図５】（ａ）は、多値指紋画像の谷線領域とほぼ一致するように局所領域を設定した場合の様子を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’における局所領域の画素値プロファイルの概略を示す図である。
【図６】本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置における、細線化二値画像生成の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置における、細線化二値画像生成の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置の機能ブロック図である。
【図９】細線化された指紋画像における特徴点の概略を示す図である。
【図１０】本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置における、指紋認証の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
１ 指紋画像生成装置
１１ 画像入出力部
１２ 画像生成部
１３ 基準値設定手段
１４ 局所領域設定手段
１５ 隆線候補領域判定手段
１６ 閾値設定手段
１７ 二値化手段
２ 指紋認証装置
２１ 操作・表示部
２２ 指紋入力部
２３ 記憶部
２４ 処理部
２５ 制御部
２６ 画像補正部
２７ ムラ補正部
２８ 指紋二値化部
２９ 細線化部
３０ 特徴抽出部
３１ 照合部
３２ 出力部
１００ 隆線領域
１１０ 谷線領域
１２０、１３０ 汗腺孔領域
１４０ 隆線領域
１５０、１６０ 擬似特徴点
３００ 谷線領域
３１０ 隆線領域
３２０ 汗腺孔領域
９００、９１０ 特徴点（端点）
９２０ 特徴点（分岐点）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、指紋画像生成装置に関し、より詳しくは、多値の指紋画像から隆線領域と谷線領域に二値化される二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、入退室管理、情報機器へのアクセス、預貯金の引き出しなどにおけるセキュリティについて関心が高まっている。そのような中で、従来から用いられている鍵、パスワード認証などよりも確実で、より高度なセキュリティを提供できる個人認証方法として、バイオメトリクス認証（生体認証）が特に注目を集めている。
【０００３】
そのようなバイオメトリクス認証の一つである指紋認証では、指紋センサから得られる指紋の凹凸紋様を濃淡で表した指紋画像から特徴情報を抽出し、その特徴情報と、予め登録された特徴情報とを比較して一致度を求め、その一致度に基づいて個人認証を行う方法が知られている。
【０００４】
指紋画像から特徴情報を抽出する方法の一つとして、指紋センサから得た多値画像に対してノイズ除去、ムラ補正などの処理を行って画質を補正し、その後二値化した画像から指紋隆線の分岐点・端点を特徴点として得る方法がある。
【０００５】
一例として、指内部特性検出型光学式指紋センサで指紋画像を取得すると、凸部である隆線部が相対的に低画素値で、凹部である谷線部は相対的に高画素値となる多値指紋画像が得られる。したがって、上記の二値化処理では、隆線部が低画素値、谷線部が高画素値として二値化される。ここで、特徴情報を抽出するにあたっては、隆線部と谷線部が明瞭に区別できることが望ましい。しかし、指紋の隆線上には、凹部である汗腺孔が存在する。汗腺孔は、多値指紋画像上では谷線部と同様、相対的に高画素値となる。そのため、二値化処理において、例えば多値指紋画像全体の平均画素値を閾値として使用すると、汗腺孔領域も谷線領域と同様に高画素値となって谷線領域と区別がつかなくなる。その結果、特徴情報の抽出において擬似特徴点が抽出され、指紋認証の精度を低下させる要因となっていた。
【０００６】
この様子を図１を用いて説明する。図１（ａ）は、指紋画像を二値化した二値指紋画像の一部を概略的に示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）の二値指紋画像に対して細線化処理を行った細線化二値指紋画像を概略的に示す。図１（ａ）において、黒色で表される線状領域１００は隆線領域であり、白色で表される線状領域１１０は谷線領域である。また、線状領域１００に重なるように存在する白色領域１２０は、誤って谷線領域と同様に高画素値とされた汗腺孔領域である。図１（ａ）のように、汗腺孔領域１２０が隆線領域１００上に存在すると、この二値指紋画像を細線化処理した場合、図１（ｂ）に示すように、隆線領域１００が一本の線とならず、汗腺孔領域１２０に相当する部分がループ１５０として残ってしまう。このループ１５０によって生じた分岐点が、擬似特徴点として抽出されることにより、指紋認証の精度が低下する。
【０００７】
このような問題に対し、“汗腺孔とは小さいものであり、且つ隆線領域に囲まれているものである”という知識を前提とした判定処理を行って汗腺を一つ一つ検出する指紋認証装置が開発されている。例えば、特許文献１に記載された個人照合装置は、二値化され、細線化処理された指紋画像から抽出された分岐点が汗腺孔の存在により生じたものか否かを上記の判定処理を用いて識別し、汗腺孔に起因する分岐点を除去することで、汗腺孔に起因する特徴点の誤抽出を抑制している。また、特許文献２に記載された汗腺孔部分判別装置では、二値化された指紋画像について隆線領域に囲まれた領域に基づいて汗腺孔を示す領域を検出し、検出した領域を隆線と同値に置き換えることで汗腺を除去した指紋画像を生成している。
【０００８】
一方、指紋センサにおいて指紋を読み取る際の指押圧が高い場合、隆線が押し潰されて太く広がった指紋画像が生成される。上記のように、汗腺孔は隆線の領域内に存在するため、隆線が潰れて太くなったときは、汗腺孔領域も拡がってしまい、正常に指紋を読み取った場合と比べて汗腺孔領域が肥大化し、且つ歪んで現れた指紋画像となる。このような指紋画像を二値化すると、汗腺孔によって隆線の輪郭が削剥されてしまう場合がある（図１（ａ）の１３０を参照）。このような場合、細線化後の指紋画像には、削剥された部分が隆線の分岐１６０として出現し、本来存在しないはずの分岐点及び端点を生じさせてしまう。
【０００９】
しかしながら、上記のような指紋認証装置は、汗腺が隆線に囲まれていることを前提としているため、隆線の輪郭が削剥された領域が汗腺に起因したものか否かを識別することができない。したがって、正確な隆線紋様を表す指紋画像を得ることができず、指紋の一致・不一致を誤判定してしまい、認証精度が低下する可能性があった。
【００１０】
【特許文献１】特開平２−１７５７９号公報
【特許文献２】特開２００１−２４３４６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の問題点に鑑み、本発明の目的は、汗腺孔領域を谷線領域とする誤りを低減できる二値指紋画像の生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の問題に鑑み、本発明に係る指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像から隆線領域を表す隆線画素値と谷線領域を表す谷線画素値との二値で表された二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置は、多値指紋画像の全体領域内に局所領域を設定する局所領域設定手段と、局所領域に含まれる画素の値を代表する局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する隆線候補領域判定手段と、隆線候補領域と判定された局所領域に対する第１の二値化閾値を、隆線候補領域でないと判定された局所領域に対する第２の二値化閾値よりも隆線領域と判定し易い値に設定する閾値設定手段と、局所領域に含まれる画素を第１又は第２の二値化閾値にて二値化する二値化手段と、を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記構成によれば、多値指紋画像において、隆線領域である可能性が高い領域に含まれる画素については、他の領域と比べて隆線領域と判定し易くなる。よって、谷線領域を誤って隆線領域とすることなく、隆線領域上の汗腺孔領域を隆線領域とした二値指紋画像を作成することができる。なお、上記において多値指紋画像とは、指紋の濃淡を３段階以上の階調で表現する画像をいい、代表的には６４階調、２５６階調、又は１０２４階調などで指紋の濃淡を表現する画像である。
【００１４】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、局所領域設定手段は、多値指紋画像の着目画素を含む所定範囲を着目画素に対する局所領域として設定することが好ましい。多値指紋画像の各画素毎に最適な局所領域を設定できるので、より正確に隆線領域か谷線領域に二値化することができる。
【００１５】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、局所代表値は、局所領域に含まれる一部又は全ての画素の値に基づいて算出された平均画素値又は中央値であることが好ましい。平均画素値又は中央値を用いることにより、局所領域全体の画素値が高めか低めなのかを正確に知ることができるため、隆線候補領域を正確に設定することができる。
【００１６】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、基準値は、多値指紋画像の全体領域の平均画素値であることが好ましい。基準値を指紋領域全体の平均画素値に設定することにより、指紋画像取得時の条件の変動に影響を受け難くすることができる。
【００１７】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、閾値設定手段は、第１の二値化閾値を、基準値よりも隆線領域と判定し易い値に設定することが好ましい。係る構成により、隆線領域である可能性が高い領域に含まれる画素についてのみ、隆線領域と判定し易くなるため、谷線領域の画素を誤って隆線画素値とすることを防止できる。
【００１８】
また本発明に係る指紋画像生成装置において、多値指紋画像は、指紋の凹部を高画素値、凸部を低画素値で表現するものであり、閾値設定手段は、第１の二値化閾値を基準値より高画素値に設定することが好ましい。
【００１９】
さらに上記の場合において、閾値設定手段は、隆線候補領域と判定された局所領域の局所代表値が基準値より低いほど、第１の二値化閾値を高画素値に設定することが好ましい。あるいは、閾値設定手段は、基準値と局所代表値との差分値を求め、差分値と基準値とを加算した値を第１の二値化閾値に設定することが好ましい。係る構成により、より隆線領域である可能性が高い領域ほど隆線領域と判定し易くなるため、適切な二値化閾値を設定できるため、正確に二値化を行うことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、汗腺孔領域を谷線領域とする誤りを低減できる二値指紋画像の生成装置を提供することが可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置について、図を参照しつつ説明する。
図２は、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置１の機能ブロック図である。図２に示すように、指紋画像生成装置１は、画像入出力部１１及び画像生成部１２を有する。そして、指紋画像生成装置１は、画像入出力部１１から多値指紋画像を受け取る。そして、受け取った指紋画像は画像生成部１２に送られる。画像生成部１２は、受け取った多値指紋画像に基づいて二値指紋画像を生成する。そして生成された二値指紋画像は、画像入出力部１１を通じて、外部の機器又は磁気ディスクなどの記録媒体に出力される。
【００２２】
まず、指紋画像生成装置１における二値化処理の概略を説明する。
なお本実施形態では、一例として、多値指紋画像は横２００画素×縦２４０画素の大きさを有する。そして多値指紋画像の各画素は０−２５５の２５６階調で表され、指紋の隆線領域は画素値が低く（若しくは黒く）、指紋の谷線領域は画素値が高く（若しくは白く）表現されるものとする。ここでいう画素値とは、画像上の各画素における輝度値に相当し、画素値が低い画素は低輝度、画素値が高い画素は高輝度で表される。
【００２３】
図３（ａ）は、多値指紋画像の一部領域の概略を示し、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ’における、隆線と谷線を横切る方向の画素値プロファイルの概略を示す。なお図３（ｂ）において、横軸は指紋画像上の位置、縦軸は画素値（輝度値）を表す。
図３（ｂ）に示すように、谷線領域３００は、相対的に高い画素値を有する。一方、隆線領域３１０は、相対的に低い画素値を有する。また汗腺孔領域３２０は、隆線領域３１０内に含まれ、隆線領域３１０の他の部分と比較して高い画素値を有する。そのため、例えば、二値化閾値を指紋画像全体の平均画素値とすると、汗腺孔領域３２０は、二値化閾値よりも高い画素値を有する場合がある。そのため、この二値化閾値を用いて谷線領域と隆線領域に二値化すると、汗腺孔領域３２０を誤って谷線領域としてしまう可能性がある。一方、二値化閾値を不用意に高い画素値に設定すると、今度は谷線領域３００の一部を隆線領域としてしまう問題が生じる。
【００２４】
そこで、指紋画像生成装置１は、まず多値指紋画像の指紋領域全体から、隆線領域３１０に相当する低画素値の部分を判別する基準値を求める。次に多値指紋画像の任意の場所に局所領域を設定する。そして局所領域の平均画素値を求める。その平均画素値が相対的に低ければ、局所領域は隆線領域を表す可能性が高いと考えられるため、指紋画像生成装置１は、局所領域を隆線候補領域とする。そして隆線候補領域に対して、指紋画像生成装置１は、基準値よりも高い画素値の二値化閾値を設定する。そして指紋画像生成装置１は、その二値化閾値を用いて二値化処理を行う。すなわち、隆線候補領域内の着目画素について、その画素値と二値化閾値との比較を行い、その画素値が二値化閾値より小さければ隆線領域と判定する。隆線候補領域では、二値化閾値が高めの画素値に設定されていることにより、隆線領域の他の部分よりも相対的に高い画素値を有する汗腺孔領域も隆線領域に区分されるように二値化することができる。
【００２５】
以下、指紋画像生成装置１の各部について詳細に説明する。
画像入出力部１１は、指紋画像生成装置１と外部機器とを接続するインターフェースであり、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＳＣＳＩ、ＲＳ−２３２Ｃなどの規格に準拠した通信ポート、電子回路及びドライバソフトウェアなどで構成される。そして画像入出力部１１は、外部機器より送られてきた多値指紋画像Ｍをデジタルデータとして取得し、画像生成部１２に渡す。また、画像生成部１２で生成された二値指紋画像Ｂを外部機器又は磁気記録媒体などに出力する。
【００２６】
画像生成部１２は、取得した多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像Ｂを生成するものであり、中央演算装置（ＣＰＵ）、数値演算プロセッサ、ＲＯＭ又はＲＡＭのような半導体メモリなどで構成される。また画像生成部１２は、画像生成部１２が備える半導体メモリ又は図示しない磁気記録媒体などから読み込まれたプログラムにしたがって、所定の動作を実行する。また画像生成部１２は、基準値設定手段１３、局所領域設定手段１４、隆線候補領域判定手段１５、閾値設定手段１６及び二値化手段１７を有する。
以下それぞれの手段について説明する。
【００２７】
基準値設定手段１３は、多値指紋画像Ｍを受け取ると、その指紋領域全体の平均画素値ＩＡを基準値として算出する。なお、多値指紋画像Ｍ中に指紋以外の部分が含まれる場合もある（例えば、指紋画像を指紋センサで読み取る際に、指よりも指紋センサの読取り領域の方が大きい場合）。このような場合、指紋以外の部分に相当する領域は、以下の処理において不要である。そこでそのような領域を除去した残りの領域を指紋の全体領域として、以下の処理を行う。指紋以外の部分に相当する領域は、ほぼ最大画素値となり、谷線領域の画素値よりも高くなるため、そのような領域の除去は、最大画素値よりも僅かに低い閾値Ｔ１を用い、その閾値Ｔ１よりも高い画素値を有する画素を除去することで行われる。
【００２８】
局所領域設定手段１４は、多値指紋画像Ｍ中の任意の画素を着目画素Ｃとして設定する。そして局所領域設定手段１４は、着目画素Ｃを中心とする局所領域ＬＡを設定する。図４（ａ）に、この様子を示す。なお、局所領域ＬＡは、隆線１本の幅と略等しいか、それよりも若干広くなるような幅に設定することが好ましい。後述するように、局所領域ＬＡに含まれる画素から、局所領域ＬＡが隆線領域３１０と谷線領域３００の何れに相当するかを判断するための、局所領域ＬＡを代表する画素値情報（局所代表値）を取得するためである。局所領域ＬＡを拡げすぎると、どのように局所領域ＬＡを設定しても、局所領域ＬＡ中に含まれる隆線領域と谷線領域の比率がほぼ同等となり、局所領域ＬＡが隆線領域３１０に相当するのか、谷線領域３００に相当するのか分からなくなってしまう。逆に局所領域ＬＡを余りに狭く設定すると、局所領域ＬＡ中に含まれる画素が殆ど汗腺孔領域に相当する場合が生じ、隆線領域の画素値情報を正確に取得することができないため好ましくない。本実施形態では、標準的な指紋における隆線領域の幅が約３〜５画素、隆線が太い指紋における隆線領域の幅が６〜８画素となる多値指紋画像Ｍに対して、局所領域ＬＡを７×７画素の領域とした。
【００２９】
隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡに含まれる多値指紋画像Ｍの画素値に基づいて算出された局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、局所領域ＬＡが隆線領域である可能性が高い隆線候補領域であるか否かを判定する。
図４及び図５を用いて、局所領域ＬＡが隆線候補領域に相当するか否かの判定の原理を説明する。図４（ａ）は、多値指紋画像Ｍの汗腺孔領域の画素を着目画素Ｃとして局所領域ＬＡを設定した場合の様子を示す。また図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ’における局所領域ＬＡの画素値プロファイルの概略を示す。図４（ｂ）のグラフの横軸は位置座標を表し、縦軸は画素値を表す。同様に、図５（ａ）は、多値指紋画像Ｍの谷線領域の画素を着目画素Ｃとした局所領域ＬＡを設定した場合の様子を示す。また図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ’における局所領域ＬＡの画素値プロファイルの概略を示す。図５（ｂ）のグラフの横軸は位置座標を表し、縦軸は画素値を表す。
【００３０】
まず、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬを局所領域ＬＡの代表値（局所代表値）として算出する。そして隆線候補領域判定手段１５は、基準値である指紋画像の全体領域の平均画素値ＩＡと局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬとの差分値ＩＤ（＝ＩＡ−ＩＬ）を算出する。ここで差分値ＩＤが正の場合、すなわち局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬの方が、指紋領域全体の平均画素値ＩＡより低い場合、図４（ａ）に示すように、局所領域ＬＡは隆線領域３１０に設定されている可能性が高い。そのため、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡを隆線候補領域と判定する。
一方、差分値ＩＤが負の場合、すなわち局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬの方が、指紋領域全体の平均画素値ＩＡより高い場合、図５（ｂ）に示すように、局所領域ＬＡは谷線領域３００に設定されている可能性が高いと考えられる。そのため、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡを隆線候補領域ではない（谷線候補領域）と判定する。
【００３１】
閾値設定手段１６は、隆線候補領域と判定された局所領域ＬＡに含まれる多値指紋画像Ｍの画素に対する二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを、隆線候補領域でないと判定された局所領域ＬＡに含まれる多値指紋画像Ｍの画素に対する二値化閾値よりも隆線領域と判定し易い値に設定する。ここで、隆線領域と判定し易い値とは、二値化対象の画素の値が谷線領域よりの画素値であっても、その画素を隆線領域に分別する値を意味する。
【００３２】
具体的には、以下のように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを設定する。
まず、隆線候補領域判定手段１５が局所領域ＬＡが隆線候補領域であると判定した場合、閾値設定手段１６は、以下のように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを設定する。
ＴｈｄＢＩＮ ＝ ＩＡ＋ＩＤ （１）
（１）式より、差分値ＩＤが正の場合、すなわち、指紋全体領域の平均画素値ＩＡよりも局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬの方が低い場合は、図４（ｂ）に示すように、汗腺孔領域３２０に含まれる画素の画素値よりも高くなるように、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは指紋全体領域の平均画素値ＩＡよりも高めに設定される。特に、ＩＤが大きいほど、すなわち、局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬが低いほど、局所領域ＬＡは隆線領域３１０に相当する可能性が高いので、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮもより高い値に設定される。
【００３３】
一方、隆線候補領域判定手段１５は局所領域ＬＡが隆線候補領域ではないと判定した場合、閾値設定手段１６は、谷線領域に含まれる画素の画素値よりも低い値となるように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ＝ＩＡと設定する。このように、局所領域ＬＡが隆線候補領域の場合とそうでない場合とで二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを別の値に設定することで、汗腺孔領域３２０を隆線領域３１０に正しく区分することができ、且つ谷線領域３００を隆線領域３１０に誤って区分することを防止できる。
また、閾値設定手段１６は、差分値ＩＤが負の場合、すなわち、指紋全体領域の平均画素値ＩＡよりも局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬの方が高い場合にも、（１）式にしたがって二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを設定してもよい。この場合ＩＤ＜０であるため、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは平均画素値ＩＡよりも低く設定される。したがって、ノイズなどによって着目画素Ｃの値が理想的な場合よりも低い画素値を有する場合であっても、正しく谷線領域３００に区分することができる。
【００３４】
二値化手段１７は、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮと、着目画素Ｃの画素値ＩＣを比較する。そして二値化手段１７は、多値指紋画像Ｍの着目画素Ｃに対応する二値指紋画像Ｂの画素の画素値ＢＣを以下のように算出する。
ＩＣ≧ＴｈｄＢＩＮの場合、ＢＣ＝２５５
ＩＣ＜ＴｈｄＢＩＮの場合、ＢＣ＝０
ここで、二値指紋画像Ｂにおいては、画素値‘２５５’を谷線画素値とし、‘０’を隆線画素値とする。つまり、画素値ＢＣが‘２５５’であることは、その画素が谷線画素であることを示す。一方、画素値ＢＣが‘０’であることは、その画素が隆線画素であることを示す。
なお、画素値ＢＣは、‘０’と‘２５５’の組み合わせに限られず、二値指紋画像Ｂを表現するデータ形式で扱うことが可能な任意の二つの異なる値、例えば‘０’と‘１’を使用することができる。
【００３５】
画像生成部１２は、上記の局所領域設定手段１４、隆線候補領域判定手段１５、閾値設定手段１６及び二値化手段１７の処理を多値指紋画像Ｍに含まれる全ての画素を順次着目画素として実行することにより、二値指紋画像Ｂを生成する。
【００３６】
なお、上記において、指紋画像生成装置１では、予めムラ補正された多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像Ｂを生成することが好ましい。
また、隆線候補領域判定手段１５が、局所領域ＬＡが隆線候補領域か否かを判定する手順は上記に限られない。例えば、隆線候補領域判定手段１５は、指紋画像の全体領域の平均画素値ＩＡと局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬの比ＩＲ（＝ＩＡ／ＩＬ）を判定基準として用いてもよい。この場合、隆線候補領域判定手段１５は、ＩＲ＞１であれば局所領域ＬＡを隆線候補領域と判定する。一方、ＩＲ≦１であれば、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡを隆線候補領域ではないと判定する。
また、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは、上記のものに限られない。例えば、（１）式の代わりに、以下の式を使用することができる。
ＴｈｄＢＩＮ ＝ ＩＡ＋ＩＤ・Ｃｒ （２）
ここでＣｒは定数であり、例えば０．８〜１．５といった値を使用することができる。このように、差分値ＩＤに一定の定数を乗じることにより、谷線領域３００に含まれる画素を誤って隆線領域３１０としてしまう危険性を低下させたり（Ｃｒ＜１の場合）、逆に汗腺孔領域を誤って谷線領域３００としてしまう危険性を低下させることができる（Ｃｒ＞１の場合）。なお、Ｃｒの値は、指紋画像領域中の相対的な位置によって経験的に変化させてもよい。さらに二値化閾値ＴｈｄＢＩＮは、ＩＤが正の場合、予め定めた所定値ＣＡ（ただしＣＡ＞０）をＩＡに加えるようにしてもよい。
【００３７】
また、上記では、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを決定するための判断基準として、局所領域ＬＡの平均画素値ＩＬを局所代表値として使用したが、他の基準を用いて二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを決定してもよい。例えば、局所領域ＬＡ内の画素値の中央値ＩＭを、平均画素値ＩＬの代わりに局所代表値として使用することができる。あるいは、局所領域ＬＡ内の画素値を加重平均して算出した重み付き平均画素値ＩＷを平均画素値ＩＬの代わりに使用することができる。そのような重み付けは、経験的に適切なものを求めることができるが、例えばガウシアンフィルタ型の重み付けを使用することができる。さらに、ノイズによる悪影響を軽減するために、局所領域ＬＡ内の最大画素値及び最小画素値を除いた残りの画素値を用いて平均画素値ＩＬを算出するようにしてもよい。
【００３８】
同様に、指紋画像生成装置１は、基準値として指紋画像全体の平均画素値ＩＡを使用する代わりに、指紋画像の周辺部を除いた残りの領域の平均値ＩＡ’を使用することもできる。さらに、予め定めた一定の画素値を基準値として使用することもできる。ただし、予め定めた一定の画素値を基準値とてして使用する場合には、多値指紋画像Ｍが一定の許容範囲内の画素平均値及び分散を有するように正規化されていることが好ましい。
さらに、上記では、着目画素Ｃ毎に局所領域ＬＡを設定し、隆線候補領域か否か判定した上で二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを算出していたが、一度局所領域ＬＡを設定し、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを算出すると、局所領域ＬＡ内の複数の画素に対してその二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを用いるようにしてもよい。このようにすることで、平均画素値ＩＬの算出回数を減らせるため、二値化指紋画像Ｂの生成に要する時間を短縮することができる。
【００３９】
次に、図６及び図７を参照して、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置１の動作を説明する。
図６及び図７は、指紋画像生成装置１の二値指紋画像Ｂの生成についての動作フローチャートである。そして、指紋画像生成装置１は、画像生成部１２内のＣＰＵがプログラムにしたがって制御することにより、以下に説明する動作を実行する。
【００４０】
図６に示すように、指紋画像生成装置１の画像生成部１２は、まず、画像入出力部１１から多値指紋画像Ｍを取得する（ステップＳ１０１）。そして、取得した多値指紋画像Ｍを、画像生成部１２の構成要素であるＲＡＭに一時的に格納する。また、生成する二値指紋画像Ｂの大きさに相当するメモリ領域を確保し、初期化する。次に、画像生成部１２の基準値設定手段１３は、多値指紋画像Ｍの指紋領域全体の平均画素値ＩＡを算出し、画像生成部１２のＲＡＭに一時的に記憶する（ステップＳ１０２）。次に、画像生成部１２の局所領域設定手段１４は、多値指紋画像Ｍから着目画素Ｃを設定する（ステップＳ１０３）。さらにその着目画素Ｃを中心として局所領域ＬＡを設定する（ステップＳ１０４）。その後、画像生成部１２の隆線候補領域判定手段１５は、ＲＡＭに格納されている多値指紋画像Ｍのうち、局所領域ＬＡに相当する画素の値を参照して局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬを算出する（ステップＳ１０５）。そして隆線候補領域判定手段１５は、画像生成部１２のＲＡＭに格納されている指紋画像全体の平均画素値ＩＡを参照し、局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬとの差分値ＩＤ（＝ＩＡ−ＩＬ）を算出する（ステップＳ１０６）。
【００４１】
次に、図７に示すように、隆線候補領域判定手段１５は、局所領域ＬＡが主に隆線領域に相当するのか、谷線領域に相当するのかを判定するために、差分値ＩＤが正か否かを調べる（ステップＳ１０７）。そして隆線候補領域判定手段１５は、差分値ＩＤが正の場合、局所領域ＬＡは隆線領域上に設定されている可能性が高いため、隆線候補領域であると判定する。そして画像生成部１２の閾値設定手段１６は、上記の（１）式にしたがって、平均画素値ＩＡよりも高い値となるように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ（＝ＩＡ＋ＩＤ）を決定する（ステップＳ１０８）。一方、ステップＳ１０７において、隆線候補領域判定手段１５は、差分値ＩＤが０以下の場合、局所領域ＬＡは隆線候補領域ではないと判定する。そして画像生成部１２の閾値設定手段１６は、平均画素値ＩＡを二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ（＝ＩＡ）に決定する（ステップＳ１０９）。上述したように、隆線候補領域と同様、上記の（１）式にしたがって、平均画素値ＩＡよりも低い値となるように二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを決定してもよい。
【００４２】
二値化閾値ＴｈｄＢＩＮが決定されると、画像生成部１２の二値化手段１７は、着目画素Ｃの画素値ＩＣと、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを比較する（ステップＳ１１０）。そして、着目画素Ｃの画素値ＩＣが二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ未満であれば、二値指紋画像Ｂにおける、着目画素Ｃに対応する画素の値ＢＣを隆線画素値に設定するため、画像生成部１２のＲＡＭに確保した二値指紋画像Ｂのメモリ領域の対応するメモリアドレスに値‘０’を書き込む（ステップＳ１１１）。一方、ステップＳ１１０において、着目画素Ｃの画素値ＩＣが二値化閾値ＴｈｄＢＩＮ以上であれば、二値指紋画像Ｂにおける、着目画素Ｃに対応する画素の値ＢＣを谷線画素値に設定するため、ＲＡＭの対応するメモリアドレスに値‘２５５’を書き込む（ステップＳ１１２）。
【００４３】
その後、画像生成部１２は、多値指紋画像Ｍ中の全ての画素について、ステップＳ１０３〜Ｓ１１２の処理を終えたか否かを判定する（ステップＳ１１３）。何れかの画素について、処理が終了していなければ、制御をステップＳ１０３の前へ戻す。そして未だ処理を終えていない画素の何れかを新たに着目画素Ｃに設定する。
【００４４】
一方、ステップＳ１１３において、全ての画素について処理を終えていれば、画像生成部１２は、二値指紋画像Ｂの生成を終了する。そして、画像入出力部１１を通じて、二値指紋画像Ｂを出力する（ステップＳ１１４）。そして指紋画像生成装置１は処理を終了する。
【００４５】
以上説明してきたように、本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置１は、多値指紋画像Ｍの指紋領域全体の画素値から求めた基準値と、隆線領域又は谷線領域の一部を含む局所領域ＬＡから求めた局所代表値との比較結果に基づいて、局所領域ＬＡが隆線領域に相当する可能性が高いか否かを判定する。そして、局所領域ＬＡが隆線領域に相当する可能性が高い（隆線候補領域である）場合には、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを基準値よりも高い値に設定し、一方局所領域ＬＡが隆線領域に相当しないと考えられる場合には、二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを基準値（若しくは基準値以下）に設定することで、汗腺孔領域を正しく隆線領域に区分しつつ、谷線領域を誤って隆線領域に区分することのない二値指紋画像を生成することができる。
【００４６】
次に、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置について、図を参照しつつ説明する。
図８は、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２の機能ブロック図である。図８に示すように、指紋認証装置２は、操作・表示部２１、指紋入力部２２、記憶部２３、処理部２４及び出力部３２を有する。そして、指紋認証装置２は、操作・表示部２１において指紋認証を行う操作者に対する操作ガイダンス及び情報の表示を行い、そのガイダンスにしたがって指紋入力部２２に置かれた指から入力指紋を読み取って多値指紋画像Ｍを生成する。そして、生成した多値指紋画像Ｍは処理部２４に送られる。処理部２４は、受け取った多値指紋画像Ｍに対してムラ補正を行い、そのムラ補正済みの多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像を生成し、さらに二値指紋画像の細線化を行う。なお、二値指紋画像の生成については、上記の指紋画像生成装置１の画像生成部１２と同様の処理を行う。
【００４７】
その後、処理部２４は、細線化された二値指紋画像に基づいて特徴抽出を行って特徴点リスト（以下、入力特徴点リストという）Ｆｉを作成する。さらに処理部２４は、その指紋画像から作成した入力特徴点リストＦｉを、記憶部２３に予め登録されているその操作者の識別番号ＩＮと関連付けられた特徴点リスト（以下、登録特徴点リストという）Ｆｒと照合する。照合結果は出力部３２を介して出力される。出力部３２には、例えば電気錠の施解錠制御装置が接続される。そして、電気錠の施解錠制御装置は、出力部３２から受信した照合結果が認証に成功したことを示す信号であれば、電気錠の解錠を行い、逆に認証に失敗したことを示す信号であれば、電気錠の施錠を維持する。
【００４８】
本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２は、指紋画像全体の平均画素値ＩＡと局所領域ＬＡ内の平均画素値ＩＬの差に基づいて二値化閾値ＴｈｄＢＩＮを調節することにより、汗腺孔領域を誤って谷線領域に区別することなく、正しく隆線領域に区別した二値指紋画像を生成することができる。そのため指紋認証装置２は、擬似特徴点を抽出するリスクを低減することができる。その結果として、指紋認証装置２は、高い認証精度を達成することができる。
【００４９】
以下、指紋認証装置２の各部について詳細に説明する。
操作・表示部２１は、指紋認証装置２の操作者、すなわち被照合者が、識別番号ＩＮの入力、行いたい動作の選択（例えば、特定の部屋への入室）などの操作を行うものである。また操作・表示部２１は、操作のガイダンスを表示又は音声指示するものであり、タッチパネルディスプレイとスピーカで構成される。また、タッチパネルの代わりに、キーボード又はマウスのような入力デバイスと液晶ディスプレイのような単純な表示デバイスで構成してもよい。なお、ガイダンスの音声指示を行わない場合には、スピーカを省略してもよい。
操作・表示部２１で入力された識別番号ＩＮなどのデータは、処理部２４で呼び出す登録指紋データの特定などに使用される。
【００５０】
指紋入力部２２は、照合処理に使用する指紋画像を生成するものであり、載置された指を撮像してデジタル信号に変換するＣＣＤカメラをモジュール化した指紋センサ、指紋センサへの指の載置を検出する載置センサ、撮像時に指を照明するＬＥＤ、操作者に指の載置位置を正しく認識させるための指ガイド部材を有する。本実施形態では、一例として指紋センサとして指内部特性検出型光学式のものを使用した。しかし、本発明で使用可能な指紋センサはこれに限られない。例えば、指紋センサとして、全反射法光学式、光路分離法光学式、表面突起不規則反射式などの光学式センサ、静電容量式、電界式、感圧式、超音波方式などの非光学式センサを使用してもよい。
【００５１】
指紋入力部２２では、載置センサが指紋センサ上に指が載置されたことを検出すると、指紋センサがその指を撮像し、入力指紋の多値指紋画像Ｍを生成する。本実施形態では、上記の第１の実施形態の場合と同様に指紋画像の各画素は０−２５５の２５６階調で表され、指紋の隆線領域は画素値が低く（若しくは黒く）、指紋の谷線領域は画素値が高く（若しくは白く）表現される。
【００５２】
記憶部２３は、予め登録された操作者の識別番号ＩＮと登録特徴点リストＦｒを関連付けた登録指紋データを記憶するものであり、フラッシュメモリなどの不揮発性メモリ、ハードディスクなどの磁気記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−Ｒ／Ｗなどの光記録媒体を有する。
【００５３】
登録特徴点リストＦｒは、予め登録された利用者の指紋画像から作成した特徴点リストであり、隆線の分岐点、端点などの各特徴点の位置をリスト形式にしたものである。登録特徴点リストＦｒは、後述する処理部２４による入力特徴点リストＦｉの作成と同じ方法で作成される。特徴点リストの詳細及び作成方法については、後述する。
【００５４】
また記憶部２３は、処理部２４が使用するプログラム、各種設定ファイル、パラメータなども記憶する。これらは、指紋認証装置２の起動時など、所定のタイミングで必要に応じて処理部２４により読み出される。
【００５５】
処理部２４は、指紋入力部２２から取得した指紋画像と記憶部２３から取得した登録特徴点リストに基づいて指紋の照合を行うものであり、中央演算装置（ＣＰＵ）、数値演算プロセッサ、ＲＯＭ又はＲＡＭのような半導体メモリなどで構成される。また処理部２４は、記憶部２３から読み込まれたプログラムにしたがって、所定の動作を実行する。さらに処理部２４は、操作・表示部２１、指紋入力部２２、記憶部２３、及び出力部３２と接続されており、それら各部に所定の制御信号を出力して制御を行う。また処理部２４は、指紋の照合及び各部の制御を行うために、制御部２５、画像補正部２６、特徴抽出部３０及び照合部３１を有する。
【００５６】
処理部２４は、操作・表示部２１から操作者の識別番号ＩＮが入力されると、その識別番号ＩＮ（以下入力識別番号という）が記憶部２３に登録されているか否か探索する。そして処理部２４は、一致する識別番号ＩＮが登録されていれば、その識別番号ＩＮと関連付けられた登録特徴点リストＦｒを記憶部２３から読み出す。また処理部２４の画像補正部２６は、指紋入力部２２から取得した多値指紋画像Ｍに対してムラ補正を行った後、そのムラ補正済みの多値指紋画像Ｍに基づいて二値指紋画像Ｂを生成する。さらに画像補正部２６は、二値指紋画像Ｂに対して細線化を行い、細線化二値指紋画像ＢＴを生成する。そして処理部２４は、特徴抽出部３０において、細線化二値指紋画像ＢＴから入力指紋の入力特徴点リストＦｉを作成する。入力特徴点リストＦｉが作成されると、処理部２４の照合部３１は、入力特徴点リストＦｉと登録特徴点リストＦｒとに基づいて照合を行う。最後に処理部２４は、認証に成功したか否かに関する照合結果を操作・表示部２１に表示させ、また照合結果を示す信号を出力部３２を介して電気錠制御装置など外部の機器へ出力する。
【００５７】
以下、処理部２４の各部について詳細に説明する。
制御部２５は、記憶部２３から読み込まれたプログラム及び操作・表示部２１からの入力信号にしたがって、操作・表示部２１、指紋入力部２２、記憶部２３及び出力部３２の各部の制御、指紋画像など各種データの受け渡しなどを行う。また、制御部２５は、処理部２４内の画像補正部２６、特徴抽出部３０及び照合部３１による処理を制御する。
【００５８】
画像補正部２６は、操作者の指紋画像から照合に利用する入力特徴点リストＦｉを作成するために、多値指紋画像Ｍに前処理を施す。そのために、画像補正部２６は、多値指紋画像Ｍの濃度ムラを補正するためのムラ補正部２７、隆線領域と谷線領域とに二値化した二値指紋画像Ｂを生成する指紋二値化部２８及び二値指紋画像Ｂの隆線領域を細線化して細線化二値指紋画像ＢＴを生成する細線化部２９を有する。なお、指紋二値化部２８は、上記の指紋画像生成装置１の画像生成部１２と同様の構成を有し、同様の処理を行って二値指紋画像Ｂを生成する。
【００５９】
ムラ補正部２７は、指を指紋入力部２２に載置する際における、指の中央部の押圧力と周辺部の押圧力の差異などにより生じる多値指紋画像Ｍの濃度ムラを補正し、指紋画像全体の濃度を均一化する。
例えば、ムラ補正部２７は、多値指紋画像Ｍを３２×３２画素程度の部分領域に分割し、各部分領域について平均画素値及び画素値の分散を算出する。そして、ムラ補正部２７は、その平均画素値及び画素値の分散が、多値指紋画像Ｍ全体の平均画素値及び画素値の分散と略等しくなるように画素値を変換する（画像解析ハンドブックｐ．４７８、高木幹雄、東京大学出版を参照）。
【００６０】
指紋二値化部２８は、ムラ補正部２７でムラ補正が行われた多値指紋画像Ｍに基づいて、隆線領域と谷線領域に二値化した二値指紋画像Ｂを生成する。なお、上記のように、指紋二値化部２８は、指紋画像生成装置１の画像生成部１２と同様の構成を有し、同様の処理を行って二値指紋画像Ｂを生成するので、ここでは詳細を省略する。
なお以下では、説明の便宜上、二値指紋画像Ｂ及び細線化二値指紋画像ＢＴにおける隆線画素の値を‘０’、谷線画素の値を‘２５５’で表す。
【００６１】
細線化部２９は、指紋二値化部２８で生成された二値指紋画像Ｂに対して、隆線領域を細線化するように細線化処理を行う。そして隆線領域が１画素の幅で連続する線となる細線化二値指紋画像ＢＴを生成する。細線化部２９は、例えば、隣接する複数の画素が‘０’の値を有する所定のマスクパターンを複数準備し、それらマスクパターンを順次適用して、何れかのマスクパターンに当てはまれば、その画素の画素値を‘０’から‘２５５’へ変換する方法を使用することができる。しかし、細線化部２９は、上記の細線化方法に限られず、公知の種々の方法を使用することができる。
【００６２】
特徴抽出部３０は、画像補正部２６において生成された細線化二値指紋画像ＢＴに基づいて、特徴点を抽出し、入力特徴点リストＦｉを作成する。ここで特徴点とは、隆線領域の端点、分岐点などである。
【００６３】
図９は、細線化された指紋画像における特徴点の概略を示す。
図９において、黒く示された部分は細線化された隆線領域を表す。また、図９において、隆線領域の終端となっている部分９００及び９１０が、隆線の端点であり、隆線が１本から２本に分岐している部分９２０が分岐点である。これらの特徴点の位置、数は、個人毎に異なるため、指紋の照合を行うための非常に有益な情報となる。
【００６４】
特徴点を表す情報は、特徴点の種類（端点か分岐点か）、位置、方向、信頼度の各要素を有する。ここで端点Ｐｅは、例えば、隆線画素（すなわち、画素値‘０’）のうちで、且つ隣接する８近傍画素のうち、１画素だけが隆線画素である画素とすることができる。また分岐点Ｐｂは、隆線画素のうちで、隣接する８近傍画素のうち、３画素が隆線画素であり、且つそれら８近傍画素中の隆線画素同士が隣接していない画素とすることができる。また特徴点の位置は、端点Ｐｅ又は分岐点Ｐｂの細線化二値指紋画像ＢＴ上の座標値（Ｘｔ，Ｙｔ）で表される。ただしＸｔは細線化二値指紋画像ＢＴ上の水平方向座標値、Ｙｔは細線化二値指紋画像ＢＴ上の垂直方向座標値である。
【００６５】
特徴点の方向θｔは、その特徴点における隆線の方向を表す。また特徴点の方向θｔは、図９に示すように、例えば細線化二値指紋画像ＢＴの水平方向軸と時計回りの方向になす角で表される。特徴点が端点Ｐｅの場合、特徴点の方向θｔは、その端点Ｐｅと隣接する隆線画素を結んだ直線と、細線化二値指紋画像ＢＴの水平方向軸とのなす角として求めることができる。また特徴点が分岐点Ｐｂの場合、分岐点Ｐｂと、分岐点Ｐｂから２画素の距離にある隆線画素との線分を求める（そのような線分は３本あるはずである）。次に、それぞれの線分同士のなす角を求める。そして、最もなす角が狭い２本の線分の２等分線を求める。その２等分線と細線化二値指紋画像ＢＴの水平方向軸とのなす角を特徴点の方向θｔとすることができる。なお、特徴点の方向θｔの求め方は、上記に限られるものではなく、他の公知の方法を用いてもよい。
【００６６】
特徴点の信頼度Ｔは、その特徴点の存在、位置、方向の信頼性を示す値である。例えば、指紋画像では、局所的に見ると複数の隆線が略平行に並んでいる。そのため、複数の特徴点が含まれる局所的な領域を考えると、その領域内では、それぞれの特徴点の方向θｔは、ほぼ同じ方向となる。そこで、以下のように信頼度Ｔを設定することができる。まず、着目する特徴点を中心とした局所的な領域（例えば、３２×３２画素程度）を設定する。次に、その局所的な領域中に含まれる各特徴点の方向θｔの平均値θａｖを算出する。そして、その平均値θａｖと、着目特徴点の方向θｔとの差の絶対値を信頼度とする。
なお、抽出する特徴量は、上記のものに限られない。例えば、各特徴点間の位置関係、隣接する特徴点間の間に存在する隆線又は谷線の本数などを特徴量として抽出してもよい。
特徴抽出部３０は、上記のように一つの細線化二値指紋画像ＢＴから抽出した特徴点のそれぞれについて、その特徴点の情報を予め定められた形式にしたがってリストとして作成する。
【００６７】
照合部３１は、操作者の指紋画像から特徴抽出部３０において抽出した入力特徴点リストＦｉと、記憶部２３から読み出した登録特徴点リストＦｒとを照合する。照合の具体的な方法として、特徴量の類似度を算出する公知の方法、例えばマニューシャ・マッチング法を使用することができる。具体的には、まず、入力特徴点リストＦｉに含まれている幾つかの特徴点について、登録特徴点リストＦｒに含まれている特徴点のいずれかとの位置の差の平均が最小となるような、座標値の平行移動量Δｄ及び回転補正角Δθを求める。そして、入力特徴点リストＦｉに含まれる各特徴点に対して、その平行移動量Δｄ及び回転補正角Δθを加えて、入力特徴点リストＦｉと登録特徴点リストＦｒとを位置合わせする。
【００６８】
次に、入力特徴点リストＦｉに含まれる各特徴点について、登録特徴点リストＦｒに含まれる各特徴点のうち、特徴点の種類が同じで、位置が最も近いものとの距離、方向の差の絶対値、信頼度に基づいて得点を算出する。この得点は、距離が近いほど高くなるように設定する。同様に、方向の差の絶対値が小さいほど、また信頼度が高いほど得点は高くなるように設定する。
【００６９】
各特徴点についての得点が算出されると、照合部３１は、その得点の合計を類似度Ｓｉとして算出する。そして、照合部３１は、算出された類似度Ｓｉが予め定められた照合閾値ＴｈｄＶを超えていれば、認証に成功したと判定し（すなわち、操作者の指紋（入力指紋）は、登録されている指紋と一致する）、逆に算出された類似度Ｓｉが予め定められた照合閾値ＴｈｄＶ以下であれば、認証に失敗したと判定する（すなわち、操作者の指紋は、登録されている指紋と一致しない）。
【００７０】
出力部３２は、指紋認証装置２と外部の機器（例えば、電気錠の施解錠制御装置）を接続し、信号の入出力を行うインターフェースであり、イーサネット（登録商標）、ＵＳＢ、ＳＣＳＩ、ＲＳ−２３２Ｃなどの規格に準拠した通信ポート、電子回路及びドライバソフトウェアなどで構成される。
出力部３２は、処理部２４の照合結果を示す信号などを外部機器に出力する。
【００７１】
次に、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２の動作を説明する。
図１０は、指紋認証装置２における、指紋認証の動作を示すフローチャートである。なお、以下に説明する指紋認証装置２の動作は、処理部２４に読み込まれたプログラムにしたがって、処理部２４の制御部２５により実行される。
【００７２】
まず、指紋認証装置２は、例えば図示しない近赤外線センサなどにより、操作者の接近を検知すると、所定のガイダンスを操作・表示部２１に表示し、操作者にそのガイダンスにしたがって指紋認証作業を行うよう促すとともに、指紋認証動作を開始する。
【００７３】
最初に、指紋認証装置２は、操作・表示部２１から操作者の入力識別番号ＩＮを取得する（ステップＳ２０１）。なお、操作者が識別番号ＩＮを入力する前に、指紋入力部２２の載置センサが指を検知した場合には、指紋認証装置２は、操作・表示部２１を通じて識別番号の入力を促すメッセージを表示する。次に、指紋認証装置２は、取得した入力識別番号ＩＮが記憶部２３に登録されているか否か検索する（ステップＳ２０２）。入力識別番号ＩＮが記憶部２３に登録されている場合、指紋認証装置２は、操作者の指紋画像を取得するために、指を指紋入力部２２の所定位置に置くように操作・表示部２１を通じて操作者に対するガイダンスを行う（ステップＳ２０３）。一方、ステップＳ２０２において、取得した入力識別番号ＩＮが登録されていなければ、指紋認証装置２は、操作・表示部２１を通じて識別番号未登録のエラーメッセージを表示する（ステップＳ２０４）。そして、制御を最初に戻す。
【００７４】
ステップＳ２０３の後、指紋入力部２２の載置センサが指を検知すると指紋入力部２２は操作者の多値指紋画像Ｍを取得する（ステップＳ２０５）。多値指紋画像Ｍを取得すると、処理部２４の画像補正部２６は、その多値指紋画像Ｍに対するムラ補正を行う（ステップＳ２０６）。その後、処理部２４の画像補正部２６は、二値指紋画像Ｂを生成する（ステップＳ２０７）。なお、二値指紋画像Ｂの生成手順は、上記の図６及び図７に示す指紋画像生成装置１の動作フローと同様である。その際、上記のように画像補正部２６に含まれる指紋二値化部２８が、多値指紋画像Ｍ中の隆線領域と谷線領域を区別するように二値化し、特に汗腺孔領域を隆線領域とするように二値化する。二値指紋画像Ｂが生成されると、画像補正部２６の細線化部２９は、隆線領域が細線化された細線化二値指紋画像ＢＴを生成する（ステップＳ２０８）。
【００７５】
ステップＳ２０８において、細線化二値指紋画像ＢＴが生成されると、処理部２４の特徴抽出部３０は、その細線化二値指紋画像ＢＴから隆線領域の端点Ｐｅ、分岐点Ｐｂなどの特徴点を抽出し、入力特徴点リストＦｉを作成する（ステップＳ２０９）。そして、入力特徴点リストＦｉが作成されると、処理部２４は、記憶部２３から入力識別番号ＩＮに関連付けられた登録特徴点リストＦｒを読み出し、照合部３１で入力特徴点リストＦｉと登録特徴点リストＦｒの類似度Ｓｉを算出する（ステップＳ２１０）。
【００７６】
そして照合部３１は、ステップＳ２１０において算出された類似度Ｓｉと所定の照合閾値ＴｈｄＶを比較する（ステップＳ２１１）。ステップＳ２１１において、類似度Ｓｉが照合閾値ＴｈｄＶ以下の場合、処理部２４は、認証に失敗したと判定する。そして指紋認証装置２は、操作・表示部２１に認証に失敗したことを示すメッセージを表示する（ステップＳ２１２）。そして、再度操作者の指紋画像を取得するために、制御をステップＳ２０３の前に戻す。この後、しばらく経っても指の載置を検出できないときは、処理を終了させて待機状態に戻る。
【００７７】
一方、類似度Ｓｉが照合閾値ＴｈｄＶよりも大きい場合、処理部２４の照合部３１は、認証に成功したと判定する。そして指紋認証装置２は、操作・表示部２１に認証に成功したことを示すメッセージを表示するとともに、必要に応じて照合結果を示す信号を出力部３２を通じて外部機器に送信する（ステップＳ２１３）。そして指紋認証装置２は、動作を終了する。
【００７８】
なお、所定回数連続して認証に失敗した場合、指紋認証装置２は、操作・表示部２１を通じて操作者に警告メッセージを表示するようにしてもよい。さらに指紋認証装置２は、そのような場合、出力部３２を通じて、監視センタ（図示せず）などに指紋認証装置２自身の識別情報及び警告情報を通知するようにしてもよい。
【００７９】
以上説明してきたように、本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置２は、隆線領域上に存在する汗腺孔領域を正確に隆線領域に含めるように二値化した二値指紋画像Ｂを生成し、その二値指紋画像Ｂを細線化した細線化二値指紋画像ＢＴに基づいて特徴点の抽出を行うので、誤って抽出される擬似特徴点の数を減らすことができる。また、擬似特徴点の数が少ないため、高い認証精度を達成することができる。
【００８０】
なお、上記の実施形態では、指紋の隆線領域は画素値が低く（若しくは黒く）、指紋の谷線領域は画素値が高く（若しくは白く）表現されることとしたが、指紋センサとして光路分離法光学式を使用した場合のように、指紋の隆線領域は画素値が高く（若しくは白く）、指紋の谷線領域は画素値が低く（若しくは黒く）表現される場合でも本発明を適用することができる。この場合、上記の説明において画素値の大小を逆にする（例えば、〜以上という表現は〜以下と置き換える）ことで同様に取り扱うことができる。
【００８１】
また、上記の実施形態では、指紋の照合を特徴点ベースの類似度に基づいて判定したが、本発明の指紋画像生成装置は、別の方法で指紋の照合を行う場合にも適用することができる。例えば、指紋の照合を指紋画像同士のパターンマッチングに基づいて行う場合にも本発明の指紋画像生成装置を適用することができる。この場合、入力指紋画像から本発明の指紋画像生成装置を適用して隆線と谷線に分離した二値画像を生成し、生成した二値画像を、予め登録された者の二値指紋画像とパターンマッチングを行い、一致度が所定の閾値を超えれば認証に成功したと判定することができる。
以上のように、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】（ａ）は、指紋画像を二値化した二値化画像の一部を概略的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の二値化画像に対して細線化処理を行った細線化画像を概略的に示す図である。
【図２】本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置の機能ブロック図である。
【図３】（ａ）は多値指紋画像の一部領域の概略を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’における、隆線と谷線を横切る方向の画素値プロファイルの概略を示す図である。
【図４】（ａ）は、多値指紋画像の隆線領域とほぼ一致するように局所領域を設定した場合の様子を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’における局所領域の画素値プロファイルの概略を示す図である。
【図５】（ａ）は、多値指紋画像の谷線領域とほぼ一致するように局所領域を設定した場合の様子を示す図であり、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ’における局所領域の画素値プロファイルの概略を示す図である。
【図６】本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置における、細線化二値画像生成の動作を示すフローチャートである。
【図７】本発明を適用した第１の実施形態である指紋画像生成装置における、細線化二値画像生成の動作を示すフローチャートである。
【図８】本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置の機能ブロック図である。
【図９】細線化された指紋画像における特徴点の概略を示す図である。
【図１０】本発明を適用した第２の実施形態である指紋認証装置における、指紋認証の動作を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００８３】
１ 指紋画像生成装置
１１ 画像入出力部
１２ 画像生成部
１３ 基準値設定手段
１４ 局所領域設定手段
１５ 隆線候補領域判定手段
１６ 閾値設定手段
１７ 二値化手段
２ 指紋認証装置
２１ 操作・表示部
２２ 指紋入力部
２３ 記憶部
２４ 処理部
２５ 制御部
２６ 画像補正部
２７ ムラ補正部
２８ 指紋二値化部
２９ 細線化部
３０ 特徴抽出部
３１ 照合部
３２ 出力部
１００ 隆線領域
１１０ 谷線領域
１２０、１３０ 汗腺孔領域
１４０ 隆線領域
１５０、１６０ 擬似特徴点
３００ 谷線領域
３１０ 隆線領域
３２０ 汗腺孔領域
９００、９１０ 特徴点（端点）
９２０ 特徴点（分岐点）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像から隆線領域を表す隆線画素値と谷線領域を表す谷線画素値との二値で表された二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置であって、
前記多値指紋画像の全体領域内に局所領域を設定する局所領域設定手段と、
前記局所領域に含まれる画素の値を代表する局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、前記局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する隆線候補領域判定手段と、
前記隆線候補領域と判定された局所領域に対する第１の二値化閾値を、前記隆線候補領域でないと判定された局所領域に対する第２の二値化閾値よりも前記隆線領域と判定し易い値に設定する閾値設定手段と、
前記局所領域に含まれる画素を前記第１又は第２の二値化閾値にて二値化する二値化手段と、
を備えることを特徴とする指紋画像生成装置。
【請求項２】
前記局所領域設定手段は、前記多値指紋画像の着目画素を含む所定範囲を該着目画素に対する局所領域として設定する、請求項１に記載の指紋画像生成装置。
【請求項３】
前記局所代表値は、前記局所領域に含まれる一部又は全ての画素の値に基づいて算出された平均画素値又は中央値である、請求項１又は２に記載の指紋画像生成装置。
【請求項４】
前記基準値は、前記多値指紋画像の全体領域の平均画素値である、請求項１〜３の何れか一項に記載の指紋画像生成装置。
【請求項５】
前記閾値設定手段は、前記第１の二値化閾値を、前記基準値よりも前記隆線領域と判定し易い値に設定する、請求項１〜４の何れか一項に記載の指紋画像生成装置。
【請求項６】
前記多値指紋画像は、指紋の凹部を高画素値、凸部を低画素値で表現するものであり、前記閾値設定手段は、前記第１の二値化閾値を前記基準値より高画素値に設定する、請求項５に記載の指紋画像生成装置。
【請求項７】
前記閾値設定手段は、前記隆線候補領域と判定された局所領域の局所代表値が前記基準値より低いほど、前記第１の二値化閾値を高画素値に設定する、請求項６に記載の指紋画像生成装置。
【請求項８】
前記閾値設定手段は、前記基準値と前記局所代表値との差分値を求め、該差分値と該基準値とを加算した値を前記第１の二値化閾値に設定する、請求項６に記載の指紋画像生成装置。
【請求項１】
指紋の凹凸が多値で表された多値指紋画像から隆線領域を表す隆線画素値と谷線領域を表す谷線画素値との二値で表された二値指紋画像を生成する指紋画像生成装置であって、
前記多値指紋画像の全体領域内に局所領域を設定する局所領域設定手段と、
前記局所領域に含まれる画素の値を代表する局所代表値と所定の基準値との比較結果に基づいて、前記局所領域が隆線候補領域であるか否かを判定する隆線候補領域判定手段と、
前記隆線候補領域と判定された局所領域に対する第１の二値化閾値を、前記隆線候補領域でないと判定された局所領域に対する第２の二値化閾値よりも前記隆線領域と判定し易い値に設定する閾値設定手段と、
前記局所領域に含まれる画素を前記第１又は第２の二値化閾値にて二値化する二値化手段と、
を備えることを特徴とする指紋画像生成装置。
【請求項２】
前記局所領域設定手段は、前記多値指紋画像の着目画素を含む所定範囲を該着目画素に対する局所領域として設定する、請求項１に記載の指紋画像生成装置。
【請求項３】
前記局所代表値は、前記局所領域に含まれる一部又は全ての画素の値に基づいて算出された平均画素値又は中央値である、請求項１又は２に記載の指紋画像生成装置。
【請求項４】
前記基準値は、前記多値指紋画像の全体領域の平均画素値である、請求項１〜３の何れか一項に記載の指紋画像生成装置。
【請求項５】
前記閾値設定手段は、前記第１の二値化閾値を、前記基準値よりも前記隆線領域と判定し易い値に設定する、請求項１〜４の何れか一項に記載の指紋画像生成装置。
【請求項６】
前記多値指紋画像は、指紋の凹部を高画素値、凸部を低画素値で表現するものであり、前記閾値設定手段は、前記第１の二値化閾値を前記基準値より高画素値に設定する、請求項５に記載の指紋画像生成装置。
【請求項７】
前記閾値設定手段は、前記隆線候補領域と判定された局所領域の局所代表値が前記基準値より低いほど、前記第１の二値化閾値を高画素値に設定する、請求項６に記載の指紋画像生成装置。
【請求項８】
前記閾値設定手段は、前記基準値と前記局所代表値との差分値を求め、該差分値と該基準値とを加算した値を前記第１の二値化閾値に設定する、請求項６に記載の指紋画像生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２０６８７３（Ｐ２００７−２０６８７３Ａ）
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２３４３９（Ｐ２００６−２３４３９）
【出願日】平成１８年１月３１日（２００６．１．３１）
【出願人】（０００１０８０８５）セコム株式会社 (596)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月１６日（２００７．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１月３１日（２００６．１．３１）
【出願人】（０００１０８０８５）セコム株式会社 (596)
【Ｆターム（参考）】
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