CN102496014B - 用于活体手指识别的光学指纹采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于活体手指识别的光学指纹采集系统，该系统的活体手指检测模块包括感应端、频率发生装置和频率接收检测装置；感应端由粘接于棱镜采集面上的矩阵式网状导电层和附着在矩阵式网状导电层表面的透明绝缘层构成；当被测物接触透明绝缘层时，被测物表面与矩阵式网状导电层之间形成的耦合电容与频率发生装置共同作用使频率发生装置输出周期信号；若该周期信号的频率F与频率接收检测装置内部预设的基准频率F0’匹配，则频率接收检测装置输出控制信号使指纹采集模块处于工作状态；若F与F0’不匹配，则指纹采集模块处于非工作状态。本发明能够识别作假方式，同时可避免由人体或环境因素差异引起的误动作，具备精确的活体识别能力。

Description

用于活体手指识别的光学指纹采集系统

技术领域

本发明属于精密光学仪器技术领域，涉及一种高精度活体手指识别的光学指纹采集系统。

背景技术

基于光学成像原理的光学指纹采集仪在当今指纹识别系统中应用广泛，它利用光的全反射定律将指纹凹凸不齐的纹理成像为明暗相间的条纹，如中国专利公报公开的“一种活体指掌纹采集方法及装置”(申请号200510109314.6，公开日：2007.04.18)；然而，一些利用导电硅胶等其他材质制作的假指纹的出现，使指纹识别系统可靠性大大降低，其方法是分析用户的手指指纹纹理仿制出一个相同的假指纹；上述指纹采集仪不能将活体指纹与仿制指纹膜分辨开来，两者成像相同，如果不法分子仿制他人指模进行违法犯罪活动，将会给受害人带来不可估量的损失。为了避免假指纹的泛滥，目前已出现增加电容式检测模块进行活体指纹识别的系统，通过检测手指与感应电极形成电容量识别活体手指。

中国专利公报公开了“一种能够识别活体手指的光学指纹采集仪”(申请号201010273584.1，公开日：2011.01.09)。该采集仪由指纹采集模块和活体手指检测模块组成；其中活体手指检测模块通过检测手指与感应电极形成的电容量来识别活体手指。这种采集仪具有一定的缺陷和不足：其一；单纯电容式检测模块受温度、湿度、环境电场影响较大，从而产生误动作影响活体手指识别的能力，其二；在一定条件下利用类似导电硅胶材料做出的假指纹也同样可以得到指纹系统的识别，同样也不具备高精度活体指纹识别的能力。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是提供一种能够精确识别活体指纹的用于活体手指识别的光学指纹采集系统。

为了解决上述技术问题，本发明的用于活体手指识别的光学指纹采集系统包括指纹采集模块和活体手指检测模块；所述指纹采集模块包括棱镜、光源、镜头、图像传感器、图像存储与处理装置；活体手指检测模块包括感应端、频率发生装置和频率接收检测装置；感应端由粘接于棱镜采集面上的矩阵式网状导电层和附着在矩阵式网状导电层表面的透明绝缘层构成；当被测物接触透明绝缘层时，被测物表面与矩阵式网状导电层之间形成耦合电容C，该耦合电容C与频率发生装置共同作用使频率发生装置输出周期信号；频率接收检测装置接收该周期信号并检测其频率F，若F与频率接收检测装置内部预设的基准频率F0’匹配，则频率接收检测装置向图像存储与处理装置输出控制信号，使指纹采集模块处于工作状态；若F与F0’不匹配，则指纹采集模块处于非工作状态。

当活体手指接触透明绝缘层时，手指会吸收矩阵式网状导电层网状矩阵各交点处的部分电流，使得矩阵点之间密度增大，手指表面与感应端之间形成一个耦合电容C；使频率发生装置2.2产生谐振，谐振频率F0与频率接收检测装置内部预设的基准频率F0’匹配。此时，频率接收检测装置向图像存储与处理装置输出控制信号，允许系统通过指纹采集模块进行指纹采集工作。当其他被测物接触透明绝缘层时，由于矩阵式网状导电层的交点密度与活体手指直接接触感应端时不同，所吸收的电流和产生的电容C会存在差异性的变化，与频率发生装置组合后，频率发生装置产生的周期信号的频率F与F0’不匹配，故不会被频率接收检测装置所识别，此时指纹采集模块处于非工作状态。

单一电容式活体手指识别系统，通过在一定条件下利用类似导电硅胶材料做出的假指纹的方法同样可以得到指纹系统的识别，存在一定弊端；本发明采用电容与电感共同作用识别活体手指，能够识别以上作假方式，同时可完全避免由人体或环境因素差异引起的误动作，具备精确的活体识别能力。

附图说明

图1是本发明的用于活体手指识别的光学指纹采集系统结构示意图。

图2a、2b、2c、2d是频率发生装置的电路图。

图3是活体指纹与假指纹识别的频率曲线图。

图4是活体手指触摸感应端时感应端矩阵式网状导电层的形态示意图。

图5是利用导电硅胶假指纹套触摸感应端时感应端矩阵式网状导电层的形态示意图。

图6是其他导电物体触摸感应端时感应端矩阵式网状导电层的形态示意图。

图7是无任何物体触摸感应端时感应端矩阵式网状导电层的形态示意图。

图8是矩阵式网状导电层矩阵面示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的用于活体手指识别的光学指纹采集系统包括指纹采集模块和活体手指检测模块；所述指纹采集模块包括棱镜1.1、光源1.2、镜头1.3、图像传感器1.4、图像存储与处理装置1.5；所述活体手指检测模块包括感应端2.1、频率发生装置2.2和频率接收检测装置2.3。

所述棱镜1.1，材料为K9玻璃，包括一光入射面、一图像采集面1.11及一图像输出面；所述光源1.2与采集棱镜1.1的光入射面紧邻，且与主控板相连接；图像传感器1.4通过主控板与图像存储与处理装置1.5相连接，为CMOS传感器或CCD传感器；现有技术的指纹仪中，图像存储与处理装置一般采用FPGA、DSP、RAM、USB等芯片来处理图像数据。

所述图像存储与处理装置1.5、频率发生装置2.2及频率接收检测装置2.3包含于一块主控板内。

所述感应端2.1包括透明的矩阵式网状导电层2.13和透明绝缘层2.12；矩阵式网状导电层2.13与棱镜1.1的采集面1.11通过光学胶严密胶粘；矩阵式网状导电层2.13与棱镜的折射率大致相等；透明绝缘层2.12附着在矩阵式网状导电层2.13上表面，与棱镜材料相同，为1mm厚K9保护玻璃，工作时与手指接触；矩阵式网状导电层2.13通过主控板与频率发生装置2.2相连接。

所述矩阵式网状导电层2.13与手机矩阵式触摸屏结构类似，也可以采用参数相符的手机矩阵式触摸屏作为所述矩阵式网状导电层。

所述频率发生装置2.2为LC谐振电路，所述矩阵式网状导电层2.13的引线连接到LC谐振电路中电容与电感的调节端。LC谐振电路的输出连接到频率接收检测装置2.3。

频率发生装置2.2可以采用如图2a所示的电路结构，由电容C₁₁和电感L₁₁构成，矩阵式网状导电层2.13的引线连接到电容C₁₁和电感L₁₁的调节端。谐振电路的输出Uf连接到频率接收检测装置2.3的模拟输入，或通过A/D模数转换器连接到频率接收检测装置2.3的数字输入。

频率发生装置2.2可以采用如图2b所示的电路结构，由电容C₂₁和电感L₂₁构成，矩阵式网状导电层2.13的引线连接到电容C₂₁和电感L₂₁的调节端。谐振电路的输出Uf连接到频率接收检测装置2.3的输入，或通过A/D模数转换器连接到频率接收检测装置2.3的数字输入。

频率发生装置2.2可以采用如图2C所示的电路结构，由电容C₃₁、电感L₂₁和电感L₂₂构成，矩阵式网状导电层2.13的引线连接到电容C₃₁和电感L₃₂的调节端。谐振电路的输出Uf连接到频率接收检测装置2.3的输入，或通过A/D模数转换器连接到频率接收检测装置2.3的数字输入。

频率发生装置2.2可以采用如图2d所示的电路结构，由电容C₄₁、C₄₂及电感L₄₁构成，矩阵式网状导电层2.13的引线连接到电容C₄₂和电感L₄₁的调节端。谐振电路的输出Uf连接到频率接收检测装置2.3的输入，或通过A/D模数转换器连接到频率接收检测装置2.3的数字输入。

频率接收检测装置2.3可以采用单片机、FPGA或DDS等电路。

频率接收检测装置2.3通过主控板连接到图像存储与处理装置1.5的USB口。

具体工作原理：当活体手指接触感应端2.1时，矩阵式网状导电层2.13的交点密度增大并形成一定值的耦合电容C，该耦合电容C与频率发生装置2.2组合产生了谐振，谐振频率为F0；频率接收检测装置2.3检测到F0’-3KHz≤F0≤+3KHz，则发出指令使指纹采集模块开始工作。当戴有假指纹的手指按压在采集面1.11上时，因为假指纹使得活体手指与矩阵式网状导电层2.13之间的距离增加，且矩阵式网状导电层2.13的交点密度增幅比活体手指直接接触感应端2.1时要小，所产生的耦合电容c与频率发生装置2.2组合，使频率发生装置2.2输出周期信号，该周期信号频率为F，F＜F0’-3KHz或F＞F0’+3KHz，则频率接收检测装置2.3认为不属于活体指纹，便不发送控制信号，此时光学指纹采集模块处于非工作状态。

对于单一电容式活体手指识别系统，在一定条件下利用类似导电硅胶材料做出的假指纹，系统无法分别该假指纹与活体指纹间的区别，存在一定弊端。本发明采用电容与电感共同作用识别活体手指，能够识别以上作假方式，更加精确。因此，基于电感与电容复合式传感器对活体手指进行判定是一种更加安全可靠的检测手段。

电容C与电感L组合时产生的谐振频率F为：

F＝1/(2×3.14(L×C)^0.5)

由上述公式可知，谐振频率F范围由电容C和电感L所界定，当电容C与电感L组合相当时会产生一个特定的谐振频率F。所产生的频率信号被频率接收检测装置2.3所接收并分析，得到正确的频率信号后则被频率接收检测装置2.3识别为纯活体手指。

无触摸时，耦合电容C的值处在原始状态，与频率发生装置2.2组合后不产生与基准频率F0’相匹配的谐振频率F0，故也不会被频率接收检测装置2.3所识别。利用其他物体触摸感应端或导电硅胶假指纹触摸感应端上绝缘层时，矩阵式网状导电层2.13的交点密度与活体手指直接接触感应端2.1时不同，且所吸收的电流和产生的电容C会存在差异性的变化，与频率发生装置2.2组合后也同样不会产生与基准频率F0’相匹配的谐振频率F0，故也不会被频率接收检测装置2.3所识别。

矩阵式网状导电层2.13矩阵点面积S与矩阵点密度ρ、导电层与绝缘层之间的厚度δ产生的耦合电容C为：

C＝S×ρ/δ

由上述公式可知，耦合电容C的大小由矩阵点面积S、矩阵点密度ρ和导电层与绝缘层之间的厚度δ所界定。当纯活体手指触摸感应端2.1时，手指将矩阵式网状导电层2.13矩阵点之间的密度增大，此时产生了一个一定值的耦合电容C。当无任何导电体触摸感应端2.1时，即不产生电容。当利用其他物体或导电硅胶假指纹触摸感应端2.1时，将产生一个与电感L不匹配的电容Cc1。

电容Cc1与电感L组合时产生的谐振频率F1为：

F1＝1/(2×3.14(L×Cc1)^0.5)

由上述公式可知，谐振频率F1不在规定的频率内，且不被频率接收检测装置2.3所识别。由于频率发生装置2.2设定为需接收到符合活体响应的谐振频率F才能发出信号被频率接收检测装置2.3识别，活体手指与假手指触摸矩阵感应端时存在密度与距离的差异，所产生的电容不同其频率也就不同。

详细解析如图3～7所示，当纯活体手指触摸感应端时，矩阵式网状导电层2.13的交点密度增大如图4所示，谐振电容值为Cc0，谐振频率为F0，被频率接收检测装置2.3识别为活体指纹。公式如下：

F0＝1/(2×3.14(L×Cc0)^0.5)

当利用导电硅胶制作的假指纹触摸感应端2.1时，矩阵式网状导电层2.13的交点密度增幅比活体手指直接接触感应端2.1时要小如图5所示，谐振电容值为Cc1，频率发生装置2.2输出的信号频率为F1，被频率接收检测装置2.3识别为假指纹。公式如下：

F1＝1/(2×3.14(L×Cc1)^0.5)

当利用其他导电物体触摸感应端时，矩阵式网状导电层2.13的交点密度不变(如图6所示)，谐振电容值为Cc2，频率发生装置2.2输出的谐振频率为F2，被频率接收检测装置2.3识别为假指纹或不识别。公式如下：

F2＝1/(2×3.14(L×Cc2)^0.5)

当无任何物体触摸感应端时，矩阵式网状导电层2.13的交点密度不变(如图7所示)，谐振电容值为Cc3其谐振频率为F3，不被主控板所识别。公式如下：

F3＝1/(2×3.14(L×Cc3)^0.5)

综上所述：利用电感与电容复合式矩阵式网状导电层多点检测的方式，可使每个人的活体手指与感应端之间都能产生同样大小的耦合电容，如图3所示，矩阵点与矩阵点之间的距离在1-5mm之间，绝缘层厚度范围在0.5-3mm，此方法可完全避免由人体或环境因素差异引起的误动作，同样也具备了精确活体的识别能力，弥补了单一电容式活体检测指纹仪的缺陷。

本发明是基于电感与电容复合式多点感测技术来实现活体识别，所述的谐振频率变化及其他参数是可以进行灵活调整的，以便于相互匹配并达到精确识别活体指纹进行光学指纹采集的要求。

本发明基于电感与电容复合式多点感测技术来实现活体识别：工作时导电的手指与绝缘体层上表面接触，矩阵式网状导电层与绝缘层下表面接触，三者形成具有一定大小的耦合电容。耦合电容与频率发生装置内部的电感共同作用产生谐振，最后通过频率接收检测装置识别活体手指。由于生物体是导电体，手指触摸感应端时会吸收部分电流并产生一定值的耦合电容，同时耦合电容与频率发生装置共同作用产生谐振；不同介质触摸感应端时产生的电容大小与谐振频率各不相同。

本发明在不脱离权利要求书确定的精神和范围的条件下，还可以对以上内容进行各种各样的修改。因此本发明的范围并不仅限于以上的说明，而是由权利要求书的范围来确定的。

Claims (5)

1.一种用于活体手指识别的光学指纹采集系统，包括指纹采集模块和活体手指检测模块；所述指纹采集模块包括棱镜（1.1）、光源（1.2）、镜头（1.3）、图像传感器（1.4）、图像存储与处理装置（1.5）；其特征在于活体手指检测模块包括感应端（2.1）、频率发生装置（2.2）和频率接收检测装置（2.3）；感应端（2.1）由粘接于棱镜采集面（1.11）上的矩阵式网状导电层（2.13）和附着在矩阵式网状导电层(2.13)表面的透明绝缘层(2.12)构成；当被测物接触透明绝缘层（2.12）时，被测物表面与矩阵式网状导电层(2.13)之间形成耦合电容C，该耦合电容C与频率发生装置（2.2）共同作用使频率发生装置(2.2)输出周期信号；频率接收检测装置(2.3)接收该周期信号并检测其频率F，若F与频率接收检测装置(2.3)内部预设的基准频率F0’匹配，则频率接收检测装置(2.3)向图像存储与处理装置(1.5)输出控制信号，使指纹采集模块处于工作状态；若F与F0’不匹配，则指纹采集模块处于非工作状态。

2.根据权利要求1所述的用于活体手指识别的光学指纹采集系统，其特征在于所述矩阵式网状导电层(2.13)与棱镜(1.1)的折射率相等。

3.根据权利要求1所述的用于活体手指识别的光学指纹采集系统，其特征在于所述透明绝缘层(2.12)材料为K9玻璃。

4.根据权利要求1、2或3所述的用于活体手指识别的光学指纹采集系统，其特征在于所述频率发生装置（2.2）为LC谐振电路，矩阵式网状导电层（2.13）的引线连接到LC谐振电路中电容与电感的调节端；LC谐振电路的输出连接到频率接收检测装置（2.3）的模拟输入。

5.根据权利要求1、2或3所述的用于活体手指识别的光学指纹采集系统，其特征在于所述频率发生装置（2.2）为LC谐振电路，矩阵式网状导电层（2.13）的引线连接到LC谐振电路中电容与电感的调节端；LC谐振电路的输出通过A/D模数转换器连接到频率接收检测装置（2.3）的数字输入。

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