自動指紋識別システム（AFIS）の仕組みと応用

自動指紋識別システム – モジュールと応用

指紋識別システムの概要

指紋識別システムまたは指紋学は、個人の指紋印象を比較することによる識別のユニークなプロセスです。二人の個人が同一の指紋パターンを持たないという事実を利用しています。個人の詳細を取得するための最も広く使用されている技術の一つであり、人を識別する簡単で便利な方法です。

図1：指紋の種類

すべての人間の指の皮膚には、暗い線（隆線）とその間の白い線（谷線）のパターンがあります。隆線の構造が変化する点を微細点（ミニュシャ）と呼びます。各人の指には異なる隆線パターンがあります。これらのパターンは、弓状紋（アーチ）（隆線が同じ側で出入り）、環状紋（ループ）（隆線が一方の側で入り、もう一方の側で出る）、渦状紋（ワール）（円形または異なるパターンの混合）に分類されます。

指紋は2つの方法で採取できます – 化学的方法と自動識別法

前者では、シアノアクリレート、ニンヒドリン、磁性粉末などの様々な化学薬品を表面に噴霧し、透明テープで指紋パターンを採取します。後者では、静電容量センサー（指紋隆線の静電容量に基づく画素値取得）、光学スキャナー（プリズムを使用し、各隆線・谷線による光反射率の変化を検出）、サーマルスキャナー（時間経過に伴う温度差を測定しデジタル画像を作成）などの様々なセンサーで指紋画像を取得します。

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指紋識別システムにおけるデジタル画像処理

指紋識別におけるデジタル画像処理の基本ステップは、指紋データの取得、格納、分析です。

最初のステップは、光学センサーや静電容量センサーなどの様々なセンサーから指紋画像を取得することです。光学スキャナーのCCD（電荷結合素子）は、光に敏感なダイオードで構成され、照明されると電気信号を発します。これらの微小なドットがターゲットスポットに当たると画素を形成し、画素の配列が画像を形成します。指をモニターに置くと、指の隆線を照明することで画像が取得されます。

2番目のステップは、以下の手順で画像を格納・処理することです。

• 画像セグメンテーション：取得画像から不要な特徴を除去します。手順は閾値処理で、特定の閾値より強度（グレーレベル値）が大きい画素を採用し、閾値未満の画素を削除します。
• 画像正規化：画像全体で均一な強度パターンを得ます。これにより画像画素が望ましいグレー値の範囲に収まります。
• 画像方向付け：各点での方向を計算して画像を形成します。方向は、各画素のX方向およびY方向の勾配に直交するベクトルの平均を計算することで決定されます。
• 画像フィルタリング：ガボールフィルタやバターワースフィルタなどの技術を用いて不要なノイズを除去します。
• 画像二値化：フィルタリングされた画像を閾値処理により二値画像に変換し、コントラストを改善します。グローバル閾値処理を利用し、閾値より大きい画素値を1、小さい画素値を0に設定します。
• 画像細線化：隆線の接続性を保持し、前景画素を除去します。

3番目のステップは、処理済み画像から微細点の詳細を抽出し、それらを既に格納されているテンプレートの詳細と比較することで画像を分析することです。これは、8近傍の画素ペア間の交差数（差分の和の半分）を計算することで達成されます。これにより、指紋の各特徴に対するユニークな識別が得られます。

指紋モジュール

マイクロコントローラーを使用して指紋識別を実現するには、2種類の指紋モジュール – SM630とR305 – を使用できます。

それぞれについて簡単に説明します。

a. R305：

図2：R305指紋スキャナー

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4ピン、トランジスタ・トランジスタ・ロジック（TTL）互換モジュールで、シリアルUART通信でマイクロコントローラーと通信します。TDピンはマイクロコントローラーのRXDピンに、RDピンはTXDピンに接続します。デフォルトボーレート57600bps（許容範囲9600～115200bps）で半二重非同期シリアル通信をサポートします。

転送フレームは、ローレベルのスタートビット、8ビットのコマンドまたはデータ、ストップビットで構成される10ビットフレームです。電源投入後、初期化に約500ミリ秒かかります。システムリソースは、メモ帳として設定された512バイトメモリと、2つの512バイトキャラクタファイルバッファで構成されます。

b. SM630：

図3：SM630指紋スキャナー

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ピン構成と通信技術はR305と同様です。独自開発の指紋アルゴリズム、自己適応パラメータ調整機構、低コスト・低消費電力、使いやすくポータブルな一体型設計が特徴です。768個の指紋テンプレートで構成されます。

ここではSunromのR305指紋センサーをインターフェースボード1125に接続して使用します。このボードにはADD、EMPTY、SEARCHの3つのボタンがあり、これらのボタンを使用するか、マイクロコントローラーから外部コマンドを送信できます。

以下の回路では、指紋センサーボードを8051マイクロコントローラーAT89S51にシリアル通信でインターフェースし、識別プロセスの結果をLCDに表示します。

マイクロコントローラーからADDコマンドを送信すると、指紋がデータベースに追加され、対応するIDがマイクロコントローラーに返送されLCDに表示されます。エラーの場合、コード（0xFF）が送信されエラーメッセージがLCDに表示されます。

マイクロコントローラーからEMPTYコマンドを送信すると、追加されたすべての指紋がデータベースから削除されます。応答コード0xCCは実行成功、0xFFはエラーを示します。

マイクロコントローラーからSEARCHコマンドを送信すると、指紋に一致するIDが応答コードとしてマイクロコントローラーから送信され、IDがLCDに表示されます。エラーの場合、応答コード0xFFが返されます。

指紋識別システムの応用

1. 犯罪現場：指紋識別システムの主要な応用は、犯罪に関与した犯人の特定です。犯罪現場で見つかった物品の指紋が最も重要な証拠の一つとして捜索されます。これにより指紋に基づいて犯人を特定できます。
2. 組織：この技術は、組織のメンバーを固有のID番号に基づいて識別するために使用されます。これにより、許可された人物のみが組織のセキュリティエリアに入室でき、不審者の侵入を防止します。また、個人の出退勤記録と滞在時間の管理も可能です。
3. 食料品店：この技術は、登録済みユーザーのクレジットカードまたはデビットカードの認識と決済に役立ちます。

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