指紋画像復元を行なうアナログ反応拡散チップに関する研究
加藤 博武
2001 年度 卒 ／修士（工学）
修士論文の概要
本論文は、生命,自然現象に現れる形態生成能力を利用して、欠陥やかすれを有する指紋画像の復元・修復処理を行なうアナログ集積回路の研究に関するものである。
現在の指紋照合システムは主に入力された指紋画像を細線化処理し、その画像とあらかじめ登録された原画像の端点や分岐点とのマッチング, または入力画像と登録原画像とのマッチングを行なうことによって照合を行なう。しかし入力画像に欠陥やかすれ等があると精度の劣化が生じるため、高精度の判定を行なうには入力指紋画像の復元･修復処理が重要となる。逐次処理型の通常のコンピュータを用いた場合このような処理は非常に負荷がかかるため、並列処理型の新しい情報処理システムの開発が期待されている。
反応拡散系は自然・化学反応における反応拡散現象を表す系であり、実時間で処理を行なう並列システムの一種である。本研究では反応拡散系を人工的に模擬したデバイスを開発し、反応拡散系のもつパターン生成能力, 自己修復機能, 並列性を利用した新しい並列画像処理システムを構築する。さらに反応拡散系に見られる縞状の空間パターンの発生原理を利用して、かすれや欠損を有する指紋画像を復元・修復を行なうアルゴリズムを提案する。さらにこのアルゴリズムを適用できるデバイスを構成し、指紋画像の復元・修復処理を行なう。
本研究では反応拡散系を人工的に模擬するために、反応拡散モデルをシリコンチップ上に具現化した「反応拡散チップ」を提案する。反応拡散系は化学反応と反応物質の拡散を表す偏微分方程式(反応拡散方程式)によって記述することができる。提案する反応拡散チップはリアルタイムに反応拡散方程式を解くものである。反応拡散チップは反応拡散系における物質濃度をチップ内部の物理量(電位や電荷量など)で表し、反応拡散現象をチップにおける物理量の分布で表す。反応拡散チップは化学反応を模擬する反応回路と反応物質の拡散を模擬する拡散デバイスを基本要素回路とする。反応拡散チップを用いて情報処理を行なう場合、入力する情報(例えば画像など)の大きさに応じて、模擬する反応拡散系の空間規模を大きくする必要がある。チップが模擬する反応拡散系の空間規模はチップに搭載する反応回路, 拡散デバイスの数によって決まるため、大きな空間規模を持つ反応拡散系を模擬するためには多くの反応回路, 拡散デバイスが必要である。このためこれらの回路をコンパクトに構成する必要がある。反応回路をアナログCMOS回路の持つ非線形性を巧く取り入れて回路実装し、非常にコンパクトな回路構成を実現した。
本論文で提案する指紋画像の復元・修復アルゴリズムは、反応拡散系の有する縞状パターンの生成能力を利用したものである。そこで縞状パターンを発生する反応拡散系をアナログ回路実装し反応拡散チップを設計した。縞状パターンを発生する反応拡散チップの構成方法として、まずWilson-Cowan神経振動子モデル(大脳皮質内の神経細胞モデル)を反応モデルとして反応拡散系を構成し、縞状のパターンを生成する反応拡散チップを構成した。Wlison-Cowanモデルを回路化して構成した反応拡散チップに指紋画像の復元・修復処理アルゴリズムを適用し、欠陥やかすれのある指紋画像の復元・修復処理を行なう。本研究ではまず始めに2つの手法により、Wilson-Cowanモデルをコンパクトな構成で回路化した。Wilson-Cowan回路の基本動作をシミュレーションと試作チップにより確認した。さらにWilson-Cowanモデルを用いて反応拡散系を構成すると、系が縞状のパターンを発生し、指紋画像の復元・修復能力アルゴリズムが適用できることをシミュレーションによって確認した。これらのシミュレーションおよび測定結果から、Wilson-Cowan回路を用いて反応拡散チップを構成すると指紋画像の復元・修復処理が可能となることが分かった。
また指紋画像の復元・修復処理を行なう反応拡散チップを構成するもう一つの反応モデルとして、Volterraモデル(生体の競合における反応拡散系のモデル)の回路化を行なった。Volterraモデルを反応モデルとして反応拡散系を構成した場合もWilson-Cowanモデルと同様に縞模様を生成することができる。Volterraモデルを回路化して反応拡散チップを構成し、指紋画像の復元・修復処理を行なう。Volterraモデルを回路化はMOSトランジスタの持つ非線形電流特性を用いることで容易となる。この回路の基本動作を試作チップによって確認した。またVolterra回路を用いて反応拡散チップを構成すると、初期値に応じて縞状の定常パターンが発生することをシミュレーションおよび試作チップによって確認した。
これらの結果より提案したWilson-Cowan反応拡散チップは欠損やかすれのある指紋画像を初期パターンとして入力した場合、輪郭を強調し欠陥やかすれを除去した定常パターンを発生することが分かった。また、Volterra反応拡散チップは微小な差のある初期電位分布から縞状のパターンを発生することが分かった。この性質を利用すると縞状のパターンを入力した場合、縞模様を強調した定常パターンを発生すると考えられる。以上のことから、これら2つの反応拡散チップは指紋のような縞画像の復元・修復処理を行なう並列情報処理システムに適用可能であることが分かった。提案した反応拡散チップは、高速の指紋照合システムを実現する上で非常に有用となる指紋原画像の復元を行なうプロセッサとなりうる。