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【発明の名称】 掌形認証方法
【発明者】 【氏名】中島 繁
【氏名】▲鶴▼ 浩二
【氏名】大谷 佳光
【氏名】永井 靖浩
【課題】固定した掌形で本人認証を行う方法では、手間と時間がかかるし、利便性、心理的な面で不向きとなる。また、大掛かりな装置になる。

【解決手段】ＣＣＤカメラにより検出した掌形画像（ｂ），（ｃ）は登録掌形ａに対する回転角度ずれを検出して角度補正し、両画像の横方向の各行毎にピクセル数をデータとしてプロットし（ｄ）、両画像間の誤差を基にして本人認証を行う。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 個人の掌形を基に本人の認証を行う掌形認証方法において、自由な向きに置いた非固定の掌形から掌形画像データを検出し、この掌形画像データから掌の回転角度を検出し、予め本人の掌形を検出して登録した登録掌形画像を同様に処理して得た登録掌の回転角度と前記検出した掌形画像の回転角度との位置ずれを補正し、前記位置ずれ補正した掌形画像と登録掌形画像との間の誤差を基にした照合で本人の認証を行うことを特徴とする掌形認証方法。
【請求項２】 上記回転角度の検出は、２値化した掌形画像に２次元フーリエ変換を施して直流成分を中心とした強度画像を得、この強度画像を極座標変換し、横軸角度、縦軸周波数の直交座標形の画像を得、この画像の各回転角度毎の強度値の最大強度累積値が得られる回転角度に対して垂直な角度方向を掌形の回転角度とすることを特徴とする請求項１に記載の掌形認証方法。
【請求項３】 上記照合は、検出した掌形画像の回転角度方向の掌端を掌の先端とし、掌の先端位置を基準としたときの掌幅変化、または掌幅変化が急峻になる特徴点間の距離の比率を基に本人の認証を行うことを特徴とする請求項１または２に記載の掌形認証方法。
【請求項４】 上記照合は、指を揃えた掌形を認証の対象とし、掌形の指が並ぶ方向に対して垂直な方向を掌形回転角度として検出し、指先部分の最先端位置を基準としたときの掌幅変化の特徴と、他の指先までの距離と、指・掌の長さと、指・掌の幅と、掌形に予め定める前記特徴点間の距離とを基に本人の照合を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の掌形認証方法。
【請求項５】 上記照合は、掌形の照合に対象の線対称性の影響を受けない照合アルゴリズムを用い、掌形回転角度に対して任意の回転角度方向成分における特徴点間の距離、指・掌の長さ、指・掌の幅を基に本人の照合を行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の掌形認証方法。
【請求項６】 上記照合は、検出した掌形の前記特徴点間の距離の比率を基に個人の照合を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の掌形認証方法。
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、個人の生体的身体特徴（バイオメトリクス）を基に本人性の確認を行うバイオメトリクス本人認証の分野に属し、特に非固定の掌形から検出する掌形特徴を基に本人の認証を行う掌形認証方法に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、掌形を用いた本人認証においては、数本のピンが配置されている台に指を滑りこませて掌を固定し、掌・指の形、掌の幅、掌の面積、指の長さなどを用いて認証を行う、固定式のものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、固定式の掌形認証では、掌形から特徴を抽出して認証する時間以外に、掌形を固定する時間と手間を要するため、本人の認証には多くの手間と時間とを要した。
【０００４】従って、小人数で利用する入退室管理などでは需要が多かったが、多くの人が通過するようなゲートシステムや料金徴収システムなどへの応用には不向きであった。
【０００５】また、固定式の掌形認証では、数本のピンが配置されている台に指を滑り込ませることに対して心理的抵抗感をともなうほか、お年寄りや掌が不自由な人などにとって利便性が悪い認証方法であった。
【０００６】さらに、固定式の掌形認証では、一般的な掌形を認証の対象としているため、幼児の掌や、極端に大きな掌など、一般的でない掌形に対して非対応であった。また、固定式の掌形認証機器は、掌を固定するためのピンを配置した台が必要となるため、認証機器が大掛かりになり、集積技術の発達で小型化した通信機器やネットワーク端末などに組み込むことが困難であった。
【０００７】さらにまた、個人の左右の掌形は一般に線対称な形状を有しており、且つ固定式の掌形認証装置では、登録した掌の逆掌を装置に固定する際には、登録した掌と裏返しにしなければ掌を固定することができないので、左右の掌形を区別することができなかった。掌形検出機器（ＣＣＤカメラなど）の仕様変更や、拡大・縮小倍率などの設定の変更、または掌形検出機器と掌形との距離の変動などの理由によって、登録された掌形に対する検出掌形の相対的なサイズに変化を伴う場合、同一掌形を正しく識別することができなかった。
【０００８】本発明の目的は、上記までの課題を解決した掌形認証方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、台に密着させて自由な向き（回転角度）に置かれた非固定の掌形を、カメラや三次元形状測定器などの非接触検出機器や、圧力センサなどの接触検出機器などを用いて検出することにより、掌を固定する時間と手間を省くことができるよにする。
【００１０】また、掌形認証において、掌の回転角度を検出し、検出した回転角度方向に最も体から離れた場所を掌の先端と定義し、その最先端位置を基準としたときの掌（指）幅変化や、その他の掌形の特徴点（掌幅変化が急峻になる点）間の距離を基に掌形の照合を行うことにより、一般的でない掌形対して対応可能とする。
【００１１】また、掌の先端部分に着目し、その最先端位置（通常中指の先端）を基準としたときの他の指先までの掌（指）幅変化の特徴と、他の指先までの距離と、指・掌の長さと、指・掌の幅と、その他の掌形における特徴点間の距離と、を基に掌形の照合を行うことにより、照合処理で扱う画像サイズを小さくして照合時間の短縮を図ること、および掌形検出装置を小型化することにより、小型の通信機器やネットワーク端末などへの組み込みも可能にする。
【００１２】また、指を揃えた掌を認証の対象とし、掌の指が並ぶ方向に対して垂直な方向を掌形回転角度として定義・検出して掌形の照合を行うことにより、掌形の変化を最小限に押さえ、非固定の掌形を用いた認証精度を向上させる。
【００１３】また、非固定の掌形認証では、ピンで掌を固定しないため、左右どちらの掌も裏返すことなく登録可能にする。
【００１４】また、掌形の照合に対象形状の線対称性の影響を受けない（線対称な形状に対して同様な結果が得られる）照合アルゴリズムを用い、掌形回転角度に対して任意の回転角度（計測角度）方向成分における特徴点間の距離、指・掌の長さ、指・掌の幅を基に照合を行うことにより、（ａ）計測角度を掌形回転角度と同角度に設定することにより、登録した掌の左右に関わらずどちらの掌を用いても本人の認証が可能とする（条件：個人の左右の掌形に線対称性が強く、本人の左右掌形間の照合誤差よりも、他人掌形間の照合誤差の方が大きい一般的な掌形を有する人の場合）。（ｂ）計測角度を掌形回転角度から適当にずらすことにより、同一人物における左右掌形の線対称性を崩した計測が可能になるので、同一人物の左右掌形を異なる掌として識別・登録することを可能とする。
【００１５】また、検出した掌の特徴点間の距離の比率を基に掌の照合・識別を行うことにより、照合に要する特徴データを削減し、登録データの容量を小さくする。また、掌形検出機器（ＣＣＤカメラなど）の仕様変更や、拡大・縮小倍率などの設定の変更、または掌形検出機器と掌形との距離の変動などの理由によって、登録された掌形に対する検出掌形の相対的なサイズに変化を伴う場合であっても、同一掌形を正しく識別することを可能にする。
【００１６】以上のことから、本発明は、以下の掌形認証方法を特徴とする。
【００１７】個人の掌形を基に本人の認証を行う掌形認証方法において、自由な向きに置いた非固定の掌形から掌形画像データを検出し、この掌形画像データから掌の回転角度を検出し、予め本人の掌形を検出して登録した登録掌形画像を同様に処理して得た登録掌の回転角度と前記検出した掌形画像の回転角度との位置ずれを補正し、前記位置ずれ補正した掌形画像と登録掌形画像との間の誤差を基にした照合で本人の認証を行うことを特徴とする。
【００１８】また、上記回転角度の検出は、２値化した掌形画像に２次元フーリエ変換を施して直流成分を中心とした強度画像を得、この強度画像を極座標変換し、横軸角度、縦軸周波数の直交座標形の画像を得、この画像の各回転角度毎の強度値の最大強度累積値が得られる回転角度に対して垂直な角度方向を掌形の回転角度とすることを特徴とする。
【００１９】また、上記照合は、検出した掌形画像の回転角度方向の掌端を掌の先端とし、掌の先端位置を基準としたときの掌幅変化、または掌幅変化が急峻になる特徴点間の距離の比率を基に本人の認証を行うことを特徴とする。
【００２０】また、上記照合は、指を揃えた掌形を認証の対象とし、掌形の指が並ぶ方向に対して垂直な方向を掌形回転角度として検出し、指先部分の最先端位置を基準としたときの掌幅変化の特徴と、他の指先までの距離と、指・掌の長さと、指・掌の幅と、掌形に予め定める前記特徴点間の距離とを基に本人の照合を行うことを特徴とする。
【００２１】また、上記照合は、掌形の照合に対象の線対称性の影響を受けない照合アルゴリズムを用い、掌形回転角度に対して任意の回転角度方向成分における特徴点間の距離、指・掌の長さ、指・掌の幅を基に本人の照合を行うことを特徴とする。
【００２２】また、上記照合は、検出した掌形の前記特徴点間の距離の比率を基に個人の照合を行うことを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】以下に詳細に説明する実施形態では、指を揃えて自由に差し出した非固定の掌形をＣＣＤカメラなどで掌形画像として検出し、検出した非固定の掌形と登録掌形とを照合して本人の認証を行う掌形認証方法とする。
【００２４】また、掌形検出には計測角度方向を画像の列（縦）方向とすることで、主に計算機による照合処理を容易にする。また、照合には、照合対象形状の線対称性の影響を受けない照合アルゴリズムを用い、線対称性を有する同一人物の左右掌形を識別するために、登録掌形の掌形回転角度を計測角度からずらして登録する。
【００２５】（第１の実施形態）図１に、第１の実施形態における掌形認証方法の具体的な認証処理手順を示す。図１中に（ａ）、（ｂ）で示すように、ＣＣＤカメラにより検出した掌形（検出掌形）は予め登録している掌形（登録掌形）に対して回転角度ずれを伴う。そこで、本実施形態では、画像照合処理を行う前に、検出掌形の登録掌形に対する回転角度ずれ検出し、これを補正する画像の前処理を行う。前処理は回転角度ずれ補正以外に必要に応じて、画像のノイズ除去、平滑化、エッジ強調、細線化、位置ずれ補正などを施すのが一般的である。画像に前処理を施すことによって、認証精度の向上を計ることができるほか、画像照合時に取り扱う画像サイズや、計算コストを大幅に削減することができるので、認証時間の短縮にもつながる。
【００２６】本実施形態では、まず、ＣＣＤカメラで撮影したＲＧＢ２５６階調の検出画像から特定色成分を抽出し濃淡値によるグレースケール画像に変換する。これは背景画像から指部分のみを効率良く抽出するためである。
【００２７】次に、グレースケール画像を２値化する。これは手のしわや背景の影響などを避け、指の並んでいる方向成分のみを強調するためである。
【００２８】次に、２値化した画像に２次元メディアンフィルタを施す（図１の（ｂ））。これは、２値化により生じるインパルス性の雑音を除去するためである。
【００２９】次に、２値化した画像に２次元フーリエ変換を施し、直流成分を中心とした強度（パワースペクトル）画像を得る（位相情報を使用しない）。これは掌の位置ずれや照明環境の変化に関わらず、画像の空間周波数を基に掌の回転角度を検出するためである。
【００３０】次に、強度画像を極座標変換し、横軸角度、縦軸周波数の直交座標形の画像を得る。これは画像の空間周波数を回転角度毎に評価するためである。
【００３１】本実施形態では、各回転角度毎に強度値を累積（パワースペクトルを周波数積分）して、最大強度累積値が得られた回転角度に対して垂直な角度方向を掌形回転角度（指が伸びている角度）として検出する。同様に、登録掌形（図１の（ａ））の掌形回転角度を検出し、検出掌形の掌形回転角度との差を計算することで、登録掌形に対する検出掌形の回転角度ずれを検出し、検出掌形の補正を行う（図１の（ｃ））。
【００３２】以上までが回転角度ずれ補正処理手順である。実施形態で示した手順以外に、フーリエ変換時における窓関数の適用など、信号理論的立場から必要な処理を施すことによって回転角度ずれの補正精度を向上させることができる。前処理を施した検出掌形（図１の（ｃ））と登録掌形（図１の（ａ））とを用いて、掌形の照合処理を行う。
【００３３】本実施形態における照合処理では、掌形画像の列（縦）方向における掌幅の変化を検出することにより掌形照合を行う。掌幅の変化は、各指の幅と長さの情報を含む。掌部分は画像の２値化により白ピクセルとして表現されているので、列（縦）方向における掌幅変化を検出するために、画像の横方向の各行毎に白ピクセル数をカウントする。カウントした行数を横軸に、各行毎の白ピクセル数を縦軸にとり、検出した掌幅変化をプロットする。図１の（ｄ）は、掌の先端部分を基準として登録掌形と検出掌形とのの照合を行うために、初めて白ピクセルがカウントされた行を１行目として掌幅変化をプロットした結果である。白ピクセル数は指の幅を表し、ピクセルの増加が急峻なポイントは、新たに指が現れたポイントであることが分かる。
【００３４】次に、登録掌形と検出掌形とから得られた掌幅変化データの誤差を計算する。本実施形態では、データ間の平均二乗誤差（ＭＳＥ：ＭｅａｎＳｑｕａｒｅｄＥｒｒｏｒ）と、行毎の差の絶対値と、行毎の差の絶対値の最大値を計算する。図１の（ｅ）、（ｆ）は計算された行毎の差の絶対値を図１の（ｄ）で得られる図面に重ねて“＋”でプロットした結果である。図１の（ｅ）は、本実施形態に従って掌形認証を行った際の本人間の掌で検出される誤差の例で、図１の（ｆ）は同様に他人間の掌で検出される誤差の例である。他人間の掌では、指の幅や、最長の指から次の指が現れるまでのタイミングなどが異なるため、大きな誤差が検出される。
【００３５】本人の同一掌間で得られる誤差の分散や、本人の異なる掌間や他人掌間で得られる誤差との分散などを基に、本人を識別するために適切な誤差の許容値を定め、本人認証に用いる。例えば、本実施形態における誤差許容値を、ＭＳＥ＜３０、行毎の差の絶対値の最大値＜１５と定めれば、図１の（ｅ）を「本人」、図１の（ｆ）を「他人」と識別することができる。
【００３６】本手法を用いて実際に掌形認証を行う際は、許容される誤差範囲を適切に設定することにより、掌形認証システムに要求される他人受入率（ＦＡＲ：ＦａｌｓｅＡｃｃｅｐｔＲａｔｅ）と本人拒否率（ＦＲＲ：ＦａｌｓｅＲｅｊｅｃｔＲａｔｅ）とを調節する。ＦＲＲは本人認証システムの使い易さに係る指標であり、ＦＡＲはシステムの安全性、信頼性に係る指標である。ＦＲＲとＦＡＲとは、互いにトレードオフの関係にあるので、通常アプリケーションの性質に応じて適切な値に設定する。例えば、多くの人が通過するゲートシステムでは、１回の認証で通過できるようＦＲＲを小さく設定し、逆に金融系のシステムでは安全性を重視してＦＡＲを小さく設定するとともに複数回の認証を許すようにする。
【００３７】（第２の実施形態）本実施形態では、第１の実施形態の手順と同様に、検出画像の２値化、回転角度ずれ補正、画像の横方向の各行毎の白ピクセル数をカウントしてプロットした後、図２に示すように、白ピクセルが急峻に増加するポイントを、プロットデータの微分係数を計算することにより検出し、検出したポイント間の距離（行数）の比率を基に掌形の認証を行う。
【００３８】白ピクセル数が急峻に増加するポイントは、新たに指が現れるポイントなので、第２の実施形態では各指の先端部分の位置関係（計測角度方向に対する距離の比率）を基に掌形の認証を行うことを意味する。ポイント間の比率を計算するためには、最低３つポイントが必要なので、掌形の登録時には３つのポイントが検出されるまで行毎に白ピクセルをカウントしながら微分係数を計算する。
【００３９】第２の実施形態において、掌形の認証を行うために予め登録しておくデータは、最低各ポイント間の距離の比率のみで良いことから、登録データ容量を大幅に削減することができる。また、図２（ｂ）に示す通り、掌形検出機器（ＣＣＤカメラなど）の仕様変更や、拡大・縮小倍率などの設定の変更、または掌形検出機器と掌形との距離の変動などの理由によって、登録された掌形に対する検出掌形の相対的なサイズに変化を伴う場合であっても、検出されるポイント間の比率は同一掌形で常に一定となるため、正しい識別が可能になる。
【００４０】本手法を用いれば、認証を行うために用意する掌形の検出装置は、掌形の相対的なサイズに変動を伴う範囲内で自由に選択することができるので、掌形認証装置を設置する現場の環境や利便性、コストなどを考慮した仕様の変更が可能なことや、装置開発メーカの参入が容易になることなど利点が多い。
【００４１】本手法を用いて実際に掌形認証を行う際は、第１の実施形態と同様に、許容される誤差範囲を適切に設定することにより、掌形認証システムに要求される他人受入率（ＦＡＲ）と本人拒否率（ＦＲＲ）とを調節する。
【００４２】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の掌形認証方法を用いれば、次のような効果がある。
【００４３】（１）非固定の掌形を用いた掌形認証により、掌を固定する時間と手間とを省くことができるので、多くの人が通過するようなゲートシステムや料金徴収システムなどへ応用することが可能になる。
【００４４】（２）本人認証時における利用者の心理的負担を軽減することができ、お年寄りや掌が不自由な人などにとって利便性が高い認証方法である。
【００４５】（３）小さすぎる掌や、大きすぎる掌、負傷や奇形のある掌、あるいは人以外の動物の掌など、一般的でない掌形対して対応しており、成人以外の赤ちゃんや幼児の認証や、人に関わらず幅広い個体を認証できる。
【００４６】（４）掌の先端部分に着目した認証により、照合時間の短縮と、小型の通信機器やネットワーク端末などへの組み込みが実現できる。
【００４７】（５）指を揃えた掌を認証の対象とすることにより、非固定の掌形を用いた認証精度を向上させることができる。
【００４８】（６）左右どちらの掌も裏返すことなく同一の掌として登録し、本人認証に利用することができる。
【００４９】（７）登録情報の変更により、同一人物の左右掌形を異なる掌として識別・登録することができる。
【００５０】（８）指が出現するポイント間の距離の比率を照合に利用することにより、登録しておく特徴データ容量を小さくしたり、掌形撮影機器（ＣＣＤカメラなど）と検出対象（掌）との距離や掌形撮影機器の拡大・縮小倍率に変化を伴い、検出される掌形サイズが相対的に変化する掌形画像を用いて掌形認証を実現することができる。
【出願人】 【識別番号】０００００４２２６
【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
【出願日】 平成１２年１０月５日（２０００．１０．５）
【代理人】 【識別番号】１０００６２１９９
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 富士弥 （外１名）
【公開番号】 特開２００２−１１７４０５（Ｐ２００２−１１７４０５Ａ）
【公開日】 平成１４年４月１９日（２００２．４．１９）
【出願番号】 特願２０００−３０５６６４（Ｐ２０００−３０５６６４）