顔認識における狭帯域フィルタの応用

顔認識技術は、顔の特徴によって人物を識別するもので、生体認証の一種です。画像取得装置を使用して顔を含む画像またはビデオ ストリームをキャプチャし、画像内の顔を自動的に検出して追跡し、顔の特徴を見つけて抽出します。これらの特徴を比較することで、異なる個人を識別します。顔認識の計算プロセスは膨大であり、初期の画像品質とアルゴリズムのパフォーマンスの両方が認識効率に決定的な影響を及ぼします。ここでは、顔認識システムの画像取得装置で使用される狭帯域フィルターの分析に焦点を当てています。目的は、ユーザーが狭帯域フィルターの役割と使用法をよりよく理解し、適切な技術仕様を適切に選択できるようにすることです。

光源

顔認識用画像取得装置では、光源として主に850nmと940nmの波長を持つ高出力赤外線ダイオードが一般的に使用されています。認識効率と光の利用率を向上させるには、光源の選択から全体の設計を検討する必要があります。市販されているLEDの公称値は850nmまたは940nmですが、特定のLED製品の中心波長を測定すると、偏差が発生することがよくあります。たとえば、850nmと表示されているLEDの場合、実際の中心波長は835nmまたは865nmにある場合があります。顔認識システムの光源は複数の高出力LEDアレイで構成されているため、各LEDの中心波長が異なると、重ね合わせた後に合計スペクトル帯域幅が広がります。単一の850nm LEDの帯域幅は約50nmですが、中心波長が異なると、複数のLEDの合計スペクトル帯域幅はさらに広くなります。これは、狭帯域フィルタ帯域幅の選択、エネルギー利用率、および信号対雑音比の向上にとって不利です。したがって、選択した LED 光源の中心波長が一貫している必要があります。さらに、LED 光源の動作温度が上昇すると、その中心波長はより長い波長にドリフトし、10°C 上昇するごとに約 1nm シフトします。さらに、動作温度が上昇すると、LED の発光効率は急速に低下します。温度が約 85°C に達すると、LED の出力効率は約 50% に低下します。したがって、LED 光源の放熱性が良好であることが不可欠です。また、LED エミッターの発散角を選択するときは、光源のエネルギー利用率を向上させるために、角度が小さい方が望ましいです。

受信機

顔認識システムでは、CCD イメージ センサーが基本的に受信機として使用されます。CCD は、小型、軽量、低歪み、低消費電力、低電圧駆動、衝撃、振動、強力な電磁干渉に対する耐性などの点で好まれています。そのため、さまざまな画像取得システムに広く適用されています。顔認識システムで使用される CCD は通常、シリコン ベースで、スペクトル応答範囲は 400nm から 1100nm です。これは、狭帯域フィルターで考慮する必要があるスペクトル範囲でもあります。

バンドパスフィルタの選択

狭帯域フィルターは主に、干渉光を遮断し、信号光を通過させ、有用な情報を強化し、干渉を低減し、その後の画像処理と認識の基礎を築くために使用されます。現在、顔認識は主にさまざまな出席およびアクセス制御システムに使用されています。室内の照明が暗い場所に設置されているものもあれば、明るい場所に設置されているものもあります。状況によって干渉光の強度が異なり、狭帯域フィルターに対する要件も異なります。

干渉光を遮断するフィルターとして、可視光を遮断し、赤外線を通過させる赤外線ガラスがよく使用されていることが分かっています。これは確かにある程度効果的です。しかし、通常の赤外線ガラスは可視光と紫外線部分の光を遮断するだけで、赤外線を遮断しません。実際の干渉光には可視光から赤外線までのスペクトルが存在します。これは、太陽光のスペクトルが非常に広く、拡散または散乱した太陽光が主な干渉源であるためです。したがって、良好な干渉防止効果を得るには、狭帯域フィルターを使用する必要があります。吸収型赤外線ガラスと狭帯域フィルターの透過性能の比較を下図に示します。図からわかるように、どのタイプの赤外線ガラスを使用しても、可視光のみを遮断し、赤外線を遮断する効果はありませんが、狭帯域フィルターは信号スペクトルの範囲外のすべての干渉光を効果的に遮断します。

FWHMの決定

狭帯域フィルタの帯域幅は、狭すぎても広すぎてもいけません。環境や使用する光源に合わせて決定する必要があります。850nm 赤外線 LED の帯域幅は約 50nm です。狭帯域フィルタを選択するときは、光エネルギーの利用率を考慮する必要があるため、フィルタの帯域幅を狭くしすぎないようにしてください。LED 光源の場合、15nm 未満の帯域幅は適切ではありません。一方で、帯域幅が非常に狭いと、LED からの強い信号光の大部分が除去されます。他方、帯域幅が非常に狭いと、フィルタの有効使用角度が非常に小さくなり、中央が明るく、端が暗い画像になる可能性があります。実際のテストにより、LED 光度利用のしきい値を約 70% に設定すると、キャプチャされた画像のコントラストがかなり良好であることがわかりました。したがって、狭帯域フィルタの帯域幅は、約 30nm、またはより高い干渉耐性要件の場合は 20nm に選択できます。

狭帯域フィルタの中心波長の決定

理論的には、狭帯域フィルタの中心波長は、選択した LED の中心波長と一致させることが最善の選択です。ただし、前述のように、狭帯域フィルタの中心波長の選択にわずかな調整をもたらす可能性がある 2 つの要因があります。それは、入射角の影響と LED 自体の発熱です。

入射角の影響

実際のカメラの動作では、人の顔から反射した光は、±10°以内など、一定の角度範囲でフィルターに到達します。そのため、フィルターに入射する光は0°だけでなく、0°～10°の範囲になります。狭帯域フィルターが斜めから入射する光に遭遇すると、狭帯域フィルターの中心波長は短波長方向にシフトします。たとえば、0°で入射したときに中心波長が850nmの狭帯域フィルターの場合、入射角が10°のときに中心波長は847nmにシフトします。

熱効果

LED の温度が 10℃ 上昇すると、LED の中心波長は長波長方向に 1nm シフトします。この 2 つの影響要因により、狭帯域フィルタの中心波長を決定する際に、使用プロセスの変化要因を考慮する必要があります。したがって、狭帯域フィルタの中心波長は、事前に LED の中心波長より約 5nm 高く設定する必要があります。これは、0° から 10° の角度での入射条件と、温度上昇により LED の中心波長が上方にシフトする場合の両方を考慮に入れています。

カットオフ範囲の決定

狭帯域フィルタのカットオフ範囲は、主に受信機自体の応答範囲と受信機が配置されている環境の干渉源の波長範囲によって決まります。受信機の CCD の応答範囲は 400 ～ 1100 nm です。顔認識アプリケーションでは、主な干渉源は拡散または散乱した太陽光と周囲の人工光源であり、紫外線から近赤外線までの広い波長範囲にわたります。この 2 つの理由から、顔認識に使用される狭帯域フィルタのカットオフ範囲は 400 ～ 1100 nm と決定できます。

カットオフ深度の決定

理論的には、カットオフ範囲内の透過率は低いほど良いですが、製造コストと実際のニーズを考慮すると、カットオフ深度は妥当な値に選択する必要があります。顔認識システムでは、狭帯域フィルタのカットオフ透過率が1％未満の場合、干渉光の遮断効果が大幅に反映されます。顔認識用の狭帯域フィルタのカットオフ透過率は0.5％未満である必要があり、使用効果は非常に良好です。環境内の干渉光の強度が特に強いアプリケーションでは、お客様のニーズを満たすために、より高いカットオフ深度の製品を提供できます。

ピーク透過率の決定

一般的に、狭帯域フィルタのピーク透過率は高いほど良いと誰もが考えています。ほとんどの場合、これは正しいです。ただし、顔認識アプリケーションでは、必ずしもそうではありません。顔認識デバイスが直射日光下にある場合、干渉光の強度は非常に強く、信号光と同じ波長の干渉光も非常に強くなります。この干渉光は、狭帯域フィルタでは除去できません。このとき、耐干渉能力を向上させるには、LED光の入射強度をさらに高めて、信号光の強度を干渉光の強度より数倍強くする必要があります。LED光源の強度を上げることは、LEDの数を増やすだけで比較的簡単に実装できます。ただし、LED光のエネルギーが一定の値に達すると、LEDと同じ波長の干渉光のエネルギーと相まって、CCD受信機の応答が飽和しやすく、深刻な画像歪みが発生します。ソフトウェアで露出を減らしても、この問題を解決できない場合があります。このとき、狭帯域フィルタは、遮断領域で干渉光を除去しながら、信号光帯域で一定の減衰の役割を果たす必要があります。実際の状況に応じて、狭帯域フィルタのピーク透過率は 40%、60%、またはその他の値にする必要があります。

フィルターの厚さの選択

コスト要因を考慮すると、顔認識システムで使用される CCD レシーバーと対応するレンズ グループは現在、ほとんどが既製の汎用品であり、Web カメラや携帯電話のカメラで広く使用されています。これらの汎用カメラのズーム範囲は比較的小さいです。CCD の前にフィルターを配置すると、過度のパス差が発生し、画像がぼやけます。パス差が小さい場合は、フォーカスを微調整することで画像を鮮明にすることができますが、フィルターの厚さが大きい場合は、導入されたパス差も大きくなり、フォーカスを調整して補正することができず、画像がぼやけてしまう可能性があります。そのため、多くの人は、フィルターを CCD センサーの前ではなく、CCD カメラのレンズの前に配置します。この配置は、フィルターがイメージング パスを妨げないことと同等であるためです。しかし、レンズの前に置くフィルターはサイズが大きく、取り付けが不便で、見た目も美しくないため、フィルターのサイズを小さくしてカメラに内蔵されたCCDセンサーの前に置くことを望む人が多くいます。そうすれば、フィルターのコストを節約でき、外観にも影響しません。フィルターをカメラ内に置くには、フィルターを非常に薄くする必要があります。実際には、厚さ0.55mmまたは0.7mmのフィルターが適していることがわかりました。

広角フィールド撮影時の注意点

広角視野が必要な場合、狭帯域フィルタを CCD または CMOS にできるだけ近づけて配置する必要があり、つまり、狭帯域フィルタをカメラに組み込む必要があります。フィルタをカメラ レンズの正面に配置すると、撮影角度は通常 20° 以内になります。

大角度干渉光に関する注意事項

広角視野を必要としない場合でも、広角干渉光がある場合、特に信号光よりわずかに波長の短い干渉光がある場合は、フィルターをカメラ内部の CCD または CMOS の近く、レンズの後ろに配置することも推奨されます。これは、広角視野での干渉光を低減するのに効果的です。

二重像干渉の除去

サイズ認識や顔認識など、高品質の初期画像が求められる用途では、従来のフィルターは通過帯域の波長に対して比較的高い反射率を持っています。内蔵の超薄型フィルターの場合、一般的には2つの表面がコーティングされており、前面と背面のガラス表面が連携して広いカットオフタスクを完了します。つまり、ガラス基板の両面にカットオフ機能を持つ複雑な多層膜がコーティングされています。このように、通過帯域内の2つの表面は比較的大きな残留反射を生成しがちです。たとえば、前面の通過帯域透過率が95％で、背面の通過帯域透過率も95％の場合、2つの表面にそれぞれ5％の残留反射があり、2つの表面間で多重反射が発生します。この現象により、CCDまたはCMOS画像の二重画像が発生し、画像輪郭の鮮明さが低下します。