指静脈認証技術の研究

三浦 直人

アイテムタイプ

学位論文 / Thesis or Dissertation

言語

日本語

その他のタイトル

Biometric authentication with finger vein patterns

著者

三浦直人

著者所属

東京大学大学院情報理工学系研究科電子情報学専攻
Department of Information and Communication Engineering, Graduate School of Information Science and Technology, The University of Tokyo

Abstract

近年の情報化社会の発展や防犯意識の向上に伴い，データアクセスや区域管理を厳密に実施するための個人認証の必要性が高まっている．現在でも，鍵やIC カードなどの所有物，暗証番号やパスワードなどの知識による個人認証が広く用いられている．しかしながら，所有物は盗難や紛失の可能性があり，また知識は漏えいや推測などのリスクが伴うことから，他人の成りすましの危険性が問題視されている．さらに所有物は常に携帯しなければならず，また知識は常に記憶していなければならないため，本人の利便性が低下するものでもあった．これに対し，近年では人の身体特徴に基づく生体認証が注目されている．生体認証は盗難や紛失が生じにくく，またパスワード入力のような煩わしい操作も不要となるため，信頼性や利便性の高い個人認証が実現できる．これまでに，指紋，顔，静脈などに基づく様々な生体認証が提案され，研究開発が行われてきた．その中でも，指の皮下に分布する静脈を利用した指静脈認証技術は，パターンが複雑で秘匿性にも優れているため，高い認証精度と耐偽造性を有する生体認証の実現が期待できる．また，指を用いる方式であることから装置の操作性も高めやすく，実用面において多くの利点を持つ方式であると考えられる．本研究は，次世代の生体認証技術である指静脈認証技術の基本原理の確立と実用化を目的とし，静脈パターンの精緻獲得と生体の変動に頑健な認証を実現するための認識技術と計測技術とを提案する．初めに，不鮮明でノイズの多い指静脈画像の中から指静脈パターンの特徴のみを抽出する手法を提案する．指静脈画像は，指の手の甲側から赤外線を照射し，手のひら側に到達した透過光を撮影することにより得ることができる．この画像には，ヘモグロビンによる光の吸収により暗い影として観測された指静脈パターンが含まれるが，指の厚みや関節の有無などの不均一性により指静脈パターン以外の輝度変化も含まれている．これに対し，指静脈パターンが指の長手方向に走行する線構造である特性を利用し，暗線を辿る処理を反復的に行うことで指静脈パターンとそれ以外のノイズ情報とを統計的に分離する技術を提案した．次に，抽出された指静脈パターンの変形や途切れなどの変動に対してロバストに照合する手法を提案する．指を提示する際の位置ずれや画像ノイズなどにより，指静脈パターンにはゆがみやかすれなどの変動が含まれる．このとき，同一指同士の照合でありながらも一致率が低下し，認証精度が劣化する課題があった．これに対し，指静脈パターンの抽出結果を指静脈らしさの信頼度と捉え，静脈領域，背景領域，そしてそれらの中間的な信頼度となる曖昧領域の3 値に分類し，曖昧領域を照合計算から除外することで変形やかすれの影響を吸収する照合手法を提案した．続いて，血流量の変化に伴う血管幅の変動にロバストな認証処理手法を提案する．指に流れる血流量はそのときの体調や気温，身体の姿勢などによって変動する．このとき，指静脈パターンの見かけ上の血管幅が変化する場合がある．そのため，血管幅の変化に応じて特徴抽出の結果が変動する特徴抽出処理を適用すると，その変化によって認証精度が劣化する．これに対し，指静脈画像の断面輝度プロファイルの曲線に対して曲率を計算し，曲線が輝度の谷を呈する領域の中で曲率が極大となる位置を血管中心とみなし，この位置をあらゆる位置と方向の血管に対して求め，それらを線パターンとして接続することにより，血管幅が正規化された指静脈パターンを獲得する手法を提案した．さらに，皮膚のしわの影響や光の拡散によるぼけの影響を含む指静脈画像から真の血管像を獲得する手法を提案する．指静脈画像には，指静脈パターンだけではなく，皮膚の肌荒れや付着物の影響によって皮膚のしわのパターンが重畳される場合があり，さらには生体内部の光の拡散により血管像がぼける．そのため，登録時の皮膚の状態が変化すると認証精度が劣化することや，像のぼけにより血管のコントラストが低下して血管抽出精度が低下するという課題があった．これに対し，血液中のヘモグロビンの光吸収特性や皮膚での光拡散特性が波長によって異なることを活用し，3 つの異なる波長の光源を用いて3 枚の指静脈画像を撮影し，生体内部の真の血管像を獲得する技術を提案した．この手法では，ある1 枚の画像が残りの2 枚の画像に対して血液吸収率が低いことを活用し，残りの2 枚の画像中の皮膚のしわパターンのみを除去すると共に，しわ除去された2 枚の画像のぼけの相違を活用して観測されている血管像のぼけを除去し，真の血管像を獲得する．最後に，認証に活用できる情報の更なる抽出に向けて，赤外透過画像から血管の深さ情報を推定する手法を提案する．認証装置の小型化や高精度化においては認証に活用できる更なる情報を獲得することが望まれるが，これまで2 次元平面的に獲得していた指静脈パターンに対し，3 次元的な指静脈パターンを獲得することが有用であると考えられる．そこで，生体内の光の拡散と血管の深さとの関係性をモデル化した点広がり関数（PSF；point spread function）を利用して，当PSF の逆畳み込み演算と映像の鮮鋭度の評価とに基づいて血管の深さを推定する技術を提案した．以上の通り，本研究では指静脈認証技術の確立に必要な課題を明確化すると共に，赤外透過画像から血管構造を精緻に抽出する技術と，生体の変動に頑健な特徴量に基づく照合技術とを提案することで，指静脈認証の基本原理の確立と実用化を達成することができた．そしてこれらの提案技術が，将来の技術トレンドである認証システムの大規模化と認証装置の小型化を推進するための有効な手法であることを示すことができた．従って本研究は，安全で安心な社会の実現に向けた情報・物理インフラの安全性や機密性を高めるセキュリティ技術の革新に大きく貢献するものである．そして提案した生体計測・認識技術は，指静脈認証に限らず今後の生体認証技術の更なる発展に寄与するものと考える．

発行年

2013-03-25

学位名

博士(情報理工学)

学位

doctoral

学位分野

Information Science and Technology (情報理工学)

学位授与機関

University of Tokyo (東京大学)

研究科・専攻

Department of Information and Communication Engineering, Graduate School of Information Science and Technology (情報理工学系研究科電子情報学専攻)

学位授与年月日

2013-03-25

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