CN104239869B - 一种智能指纹识别装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能指纹识别装置及方法。装置包括智能指纹识别控制单元、指纹识别模块、生理参数检测模块和供电单元，指纹识别模块用以进行常规的指纹识别，生理参数检测模块用以检测活体生理参数，包括血氧、心率等。生理参数检测模块可为光学反射式心率检测模块、光学反射式血氧检测模块、光学透射式心率检测模块、光学透射式血氧检测模块、心电图方式心率检测模块其中之一个或多个。方法包括：设置比对数据；生理参数检测；判定是否为有脉动信号的活体组织；指纹识别；判定是否符合设定指纹；执行设定动作。本发明在进行常规指纹识别之前先进行心率值或血氧饱和度值的识别，可避免切下的手指或仿制指纹膜验证通过，提高指纹识别装置的安全性。

Description

一种智能指纹识别装置及方法

技术领域

本发明涉及一种智能指纹识别装置及相应方法，更具体涉及一种结合生理参数识别指纹信息的装置及相应方法，属于数据识别技术领域。

背景技术

指纹识别技术广泛应用于安全门禁、出勤考核、考试身份识别、保险箱柜、U盘数据加密等领域。每个人的指纹在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现唯一性且终生不变。据此，将某个人的指纹和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证此人的真实身份，这就是指纹识别技术。指纹图像由具有一定宽度和走向的纹线（称为脊线）和纹线之间的凹陷部分（称为谷线）组成。

光学指纹识别技术是将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件（CCD）上，进而形成脊线呈黑色、谷线呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。由于光不能穿透皮肤表层，所以光学指纹机只能扫描到手指皮肤的表层，不能深入真皮层。

半导体硅电容感应技术是将传感器作为电容的一个极板，手指作为另一极板，利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成8位灰度图像。电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的真皮层，直接读取指纹图案，达到活体指纹识别。相对来说安全性更高。

超声波指纹采集则是利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波的原理，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹脊与谷所在的位置。超声波技术精度高，但其采集时间长，且价格昂贵，也并不能做到活体指纹识别，所以目前使用稀少。

历经几十年的发展，指纹识别技术从早先的光学识别技术，到温差感应式识别技术，到半导体硅电容感应技术，再到更先进的超声波技术，都存在着被破解的安全风险。现有技术的常规指纹识别装置只识别待测指纹图案，与系统中记录的指纹图案进行对比，若判定一致则判定该指纹图案验证通过。现在市场上出现了专门的仿制指纹膜技术。通过复制受试者的指纹图案，可在类似硅胶材料上复制指纹，因复制的指纹与受试者指纹相同，同样也能获得常规指纹识别装置的验证通过。测试者只要指尖套上仿制指纹膜，就可欺骗常规指纹识别装置。如2014年9月发生的黑龙江延寿3死刑犯越狱案件，越狱犯人就是砍下狱警的手指来验证光学指纹机，进而打开监狱门禁的。又如近期各大媒体曝光的，在淘宝网上花100元左右就可以买到一个硅胶指模，用以仿制指纹，可以轻易地通过光学指纹机验证，上班族用来代打指纹考勤。还有2014年发生的河南省高考替考事件，替考考生备有真正需参加高考考生的仿制指纹膜，可顺利通过指纹识别这关，使得原本打算利用人体指纹唯一性的特点进行身份验证的关卡形同虚设。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于避免智能指纹识别装置被切下来的手指或被仿制指纹膜欺骗通过的风险。为解决以上问题，本发明提供了一种智能指纹识别装置及一种智能指纹识别方法，在常规指纹识别的基础上增加了活体生理参数检测。

本发明的智能指纹识别装置包括智能指纹识别控制单元、指纹识别模块、生理参数检测模块和供电单元。智能指纹识别控制单元与指纹识别模块、生理参数检测模块相连，指纹识别模块用以进行常规的指纹识别，生理参数检测模块用以检测活体生理参数，包括血氧、心率等。生理参数检测模块可为光学反射式心率检测模块、光学反射式血氧检测模块、光学透射式心率检测模块、光学透射式血氧检测模块、心电图方式心率检测模块（采用ECG电流方式）其中之一个或多个。

本发明的智能指纹识别方法包括：设置比对数据；生理参数检测；判定是否为有脉动信号的活体组织；指纹识别；判定是否符合设定指纹；执行设定动作。

本发明的有益效果是，在进行常规指纹识别之前先进行心率值或血氧饱和度值的识别，可避免切下的手指或仿制指纹膜验证通过，有效防止指纹识别误判，提高指纹识别装置的安全性。另外，由于不同个体的生理参数存在一定差异，若冒名顶替者与真实个体的生理参数相差较大，则不会验证通过，在一定程度可打击冒名顶替的侥幸心理。并且，可以在进行指纹识别时同步做生理参数检测，用以评估测试个体的健康状况。

附图说明

下面结合附图和优选实施例对本发明进一步说明。

图1——本发明的一种智能指纹识别装置的系统框图。

图2——图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学反射式心率检测模块的结构示意图。

图3——图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学反射式心率检测模块和光学反射式血氧检测模块组合的结构示意图。

图4——图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学透射式心率检测模块的结构示意图。

图5——图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学透射式心率检测模块和光学透射式血氧检测模块组合的结构示意图。

图6——图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为心电图方式心率检测模块的结构示意图。

图7——图6所示本发明的智能指纹识别装置中生理参数检测模块3为心电图方式心率检测模块35其中的心率检测方法流程图。

图8——本发明的智能指纹识别方法的流程图。

图中：1——智能指纹识别控制单元；2——指纹识别模块；3——生理参数检测模块；4——供电单元；5——AC/DC适配器；6——锂电池； 7——第一路LED光源；8——第二路LED光源；9——光电探测器；31——光学反射式心率检测模块；32——光学反射式血氧检测模块；33——光学透射式心率检测模块；34——光学透射式血氧检测模块；35——心电图心率检测模块；10——第一个ECG电极；11——第二个ECG电极；A——生理参数检测；B—判断是否有脉动信号的活体组织；C——指纹识别；D——是否与设定指纹相同；E——执行设定动作。

具体实施方式

下面结合附图及最佳实施例，对本发明做进一步详细说明。

请参阅图1，为本发明的一种智能指纹识别装置的系统框图。如图1所示，本发明的智能指纹识别装置由智能指纹识别控制单元1、指纹识别模块2、生理参数检测模块3、供电单元4、AC/DC适配器5和锂电池6组成。智能指纹识别控制单元1与指纹识别模块2、生理参数检测模块3、供电单元4相连，用以控制指纹识别模块2和生理参数检测模块3。指纹识别模块2与智能指纹识别控制单元1、供电单元4相连，用以进行常规的指纹识别。生理参数检测模块3与智能指纹识别控制单元1、供电单元4相连，是本发明与现有技术的指纹识别装置的区别特征，用以检测活体生理参数，包括血氧、心率等。活体是指包含有血液流动的组织，目的是避免将能通过指纹验证的手指切下来或是用指纹膜复制技术做的假指纹模型来欺骗指纹识别装置。供电单元4与智能指纹识别控制单元1、指纹识别模块2、生理参数检测模块3相连，为它们供电。外部电源可由AC/DC适配器5或锂电池6两种方式其中之一提供给供电单元4。

根据本发明的不同实施例，生理参数检测模块3可为光学反射式心率检测模块31、光学反射式血氧检测模块32、光学透射式心率检测模块33、光学透射式血氧检测模块34、心电图方式心率检测模块35（采用ECG电流方式）其中之一个或多个。本发明的智能指纹识别装置将生理参数检测模块3集成到现有技术的指纹识别装置中，在进行常规指纹检测的基础上增加了血氧、心率等活体生理参数检测，从而提高了指纹识别装置的安全性。

请参阅图2，为图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学反射式心率检测模块31时的结构示意图。本实施例中，指纹识别模块2采用浙江中正智能科技有限公司生产的SM62U半导体指纹模块，光学反射式心率检测模块31采用Maxim公司的光学反射式心率探测芯片MAX86900。如图2所示，本装置还包括一路LED光源7和一路光电探测器9，置于待测手指同侧。其中光电探测器9可以为光敏电阻、光电二极管（PD）、光电三极管、光电倍增管等。在进行指纹识别之前，通过LED光源7照射手指。因手指含有丰富毛细血管，LED光源7发出的光学信号经过脉动血液调制，其反射信号被光电探测器9接收，光学反射式心率检测模块31检测该反射信号，经过相应算法处理后可获取心率值。智能指纹识别控制单元1将该心率值与阈值数据进行比对，若该心率值在正常范围内，则由指纹识别模块2进行常规指纹检测，若不在正常范围内，则判定为未验证通过。

请参阅图3，为图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学反射式心率检测模块31和光学反射式血氧检测模块组合的结构示意图。本实施例中，指纹识别模块2采用浙江中正智能科技有限公司生产的SM62U半导体指纹模块，光学反射式心率检测模块31采用Maxim公司的光学反射式心率探测芯片MAX86900，光学反射式血氧检测模块32采用美国专利US6553242介绍的反射式血氧模组。如图3所示，本装置还包括两路LED光源LED7和LED8及一路光电探测器9，均置于待测手指同侧。其中LED光源8为660nm光源，对动脉血氧气浓度有特异性吸收。在进行指纹识别之前，通过LED光源7和LED光源8照射手指。因手指含有丰富毛细血管，LED光源7发出的光学信号经过脉动血液调制，其反射信号被光电探测器9接收，光学反射式心率检测模块31检测该反射信号，经过相应算法处理后可获取心率值；LED光源8对动脉血氧气浓度有特异性吸收，LED光源8发出的光学信号经过脉动血液调制，其反射信号被光电探测器9接收，光学反射式血氧检测模块32检测该反射信号，经过相应算法处理后可获取血氧饱和度值。智能指纹识别控制单元1分别将综合光学反射式心率检测模块31得到的心率值和光学反射式血氧检测模块32得到的血氧饱和度值与他们各自的阈值数据进行比对，若该心率值和该血氧饱和度值都在正常范围内，则由指纹识别模块2进行常规指纹检测，若其中之一不在正常范围内，则判定为未验证通过。

请参阅图4，为图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学透射式心率检测模块33的结构示意图。本实施例中，指纹识别模块2采用浙江中正智能科技有限公司生产的SM62U半导体指纹模块，光学反射式心率检测模块33采用MAX86900。如图4所示，本装置还包括一路LED光源LED7和和一路光电探测器9，分别位于待测手指两侧。在进行指纹识别之前，通过LED光源7照射手指。因手指含有丰富毛细血管，LED光源7发出的光学信号经过脉动血液调制，其透射信号穿过待测手指被光电探测器9接收，光学透射式心率检测模块33检测该透射信号，经过相应算法处理后可获取心率值。智能指纹识别控制单元1将该心率值与阈值数据进行比对，若该心率值在正常范围内，则由指纹识别模块2进行常规指纹检测，若不在正常范围内，则判定为未验证通过。

请参阅图5，为图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为光学透射式心率检测模块33和光学透射式血氧检测模块34组合的结构示意图。本实施例中，指纹识别模块2采用浙江中正智能科技有限公司生产的SM62U半导体指纹模块，光学透射式心率检测模块33采用傅立叶变换方法提取探测的PPG信号的心率值，光学透射式血氧检测模块34采用目前市面上成熟的Masimo公司生产的Masimo血氧模块。如图5所示，本装置还包括两路LED光源7和LED光源8及光电探测器9，其中LED光源8为660nm光源，对动脉血氧气浓度有特异性吸收，LED光源7和LED光源8位于待测手指一侧，光电探测器9位于待测手指另一侧。在进行指纹识别之前，通过LED光源7和LED光源8照射手指。因手指含有丰富毛细血管，LED光源7发出的光学信号经过脉动血液调制，其透射信号穿过待测手指被光电探测器9接收，光学透射式心率检测模块33检测该透射信号，经过相应算法处理后可获取心率值；LED光源8对动脉血氧气浓度有特异性吸收，LED光源8发出的光学信号经过脉动血液调制，其透射信号穿过待测手指被光电探测器9接收，光学透射式血氧检测模块34检测该透射信号，经过相应算法处理后可获取血氧饱和度值。智能指纹识别控制单元1分别将综合光学透射式心率检测模块33得到的心率值和光学透射式血氧检测模块34得到的血氧饱和度值与他们各自的阈值数据进行比对，若该心率值和该血氧饱和度值都在正常范围内，则由指纹识别模块2进行常规指纹检测，若其中之一不在正常范围内，则判定为未验证通过。

请参阅图6，为图1所示本发明的智能指纹识别装置的其中一个实施例，生理参数检测模块3为心电图方式心率检测模块35的结构示意图。本实施例中，心电图方式心率检测模块35采用合肥华科电子技术研究所生产的HKD-10A心电模块。如图6所示，本装置还包括两个导电电极ECG电极10和ECG电极11，其中ECG电极10置于本装置的指纹识别传感区域，ECG电极11置于本装置的另外一个附件位置。进行智能指纹识别操作时，左右两手手指分别触碰ECG电极10和ECG电极11，即单导联心电图方式。

请参阅图7，为图6所示本发明的智能指纹识别装置中生理参数检测模块3为心电图方式心率检测模块35其中的心电图方式心率检测方法流程图。如图7所示，心电图方式心率检测方法按以下步骤进行：

71、心电信号采集；

72、滤波；

73、检测阈值；

74、检测QRS复波；

75、检测第一个R波与第二个R波间隔；

76、进行心率计算。

微电流信号在ECG电极10和ECG电极11之间通过人体导体流动，经心电图方式心率检测模块35检测并采用相应算法处理后可获取心率值。智能指纹识别控制单元1将该心率值与阈值数据进行比对，若该心率值在正常范围内，即可表明待测个体是活体组织，而不是没有生命的假体，则由指纹识别模块2进行常规指纹检测，若不在正常范围内，则判定为未验证通过。

根据本发明的智能指纹识别装置的另一个实施例，生理参数检测模块3可为图2所示光学反射式心率检测模块、图3所示光学反射式心率检测模块31和光学反射式血氧检测模块组合、图4所示光学透射式心率检测模块33、图5所示光学透射式心率检测模块33和光学透射式血氧检测模块34组合四个实施例其中之一再加上图6所示心电图方式心率检测模块35的组合。在这种情况下，本发明的智能指纹识别装置结合了光学检测方式与ECG电流检测方式检测活体生理参数，最大限度防止了仿制指纹膜引起的指纹识别误判。

市面上的仿制指纹膜通常是非透明及绝缘的材料。本发明的智能指纹识别装置在进行常规指纹识别之前先进行心率值或血氧饱和度值的识别，可避免这种指纹仿制膜验证通过，有效防止仿制指纹膜引起的指纹识别误判，提高了指纹识别装置的安全性。另外，不同个体的生理参数会存在一定差异，如通常运动员及男士的心率范围在50～80bpm之间，而通常女士的心率范围在70～100bpm之间，若冒名顶替者与真实个体的生理参数相差较大，超出设定范围，则本装置将提示验证未通过，须重新测试，或会引起旁边监督者的注意，这在一定程度可打击冒名顶替的侥幸心理。并且，可以在进行指纹识别时同步做生理参数检测，用以评估测试个体的健康状况。

请参阅图8，为本发明的一种智能指纹识别方法的流程图，本方法是与上文描述的指纹识别装置配套的使用操作方法。如图8所示，本方法按以下步骤进行：

A、设置比对数据。此步骤只需在有比对数据更新时执行，比对数据包括指纹识别数据库及对应个体生理参数参考范围数据，例如录入新的个体指纹及设置该个体对应的参考心率值上下限。比对数据将保存到智能指纹识别控制单元1内置的FLASH中。

B、生理参数检测。装置开机初始化后，系统进入指纹识别及生理参数待测状态，若有类似手指的物体正确放置在指纹识别传感区域，则首先启动生理参数检测模块3，进行生理参数检测。在整个流程完成之前，需维持待测手指在正确的指纹识别传感区域。

C、判定是否为有脉动信号的活体组织。智能指纹识别控制单元1将生理参数检测模块3检测到的生理参数如心率值或血氧饱和度值与步骤A中设定的比对数据进行比对，若在生理参数参考范围内，则进行下一步骤D，若不在参考范围内，则提示验证未通过，并返回步骤B，等待再次检测。

D、指纹识别。启动指纹识别模块2，进行指纹识别。

E、判定是否符合设定指纹。智能指纹识别控制单元1将指纹识别模块2检测到的指纹图像数据与步骤A中设定的指纹数据库进行比对，若与指纹数据库中的某一指纹数据一致，则提示验证通过，执行下一步骤F。

F、执行设定动作。当待测个体的生理参数与指纹都验证通过时，装置将执行设定动作。如门禁应用中电子门锁将打开，考勤应用中相应个体的考勤数据如名字、时间等将上传至考勤系统报表中。

虽然之前的说明和附图描述了本发明的实施例，应当理解在不脱离权利要求书所界定的本发明原理的精神和保护范围的前提下可以有各种增补、修改和替换。本领域技术人员应该理解，本发明在实际应用中可根据具体的环境和工作要求在不背离发明准则的前提下在形式、结构、布局、比例、材料、元素、组件及其它方面有所变化。因此，在此披露的实施例仅用于说明而非限制，本发明的保护范围由权利要求书中技术方案及其合法等同物界定，而不限于此前的描述。

Claims (3)

1.一种智能指纹识别装置，包括智能指纹识别控制单元（1）、指纹识别模块（2）、供电单元（4），所述智能指纹识别控制单元（1）、指纹识别模块（2）、供电单元（4）两两相连，其特征在于，还包括生理参数检测模块（3），所述生理参数检测模块（3）与所述智能指纹识别控制单元（1）、供电单元（4）相连，用以检测活体生理参数；

所述生理参数检测模块（3）包括光学反射式心率检测模块（31），所述装置还包括位于待测手指同侧的第一路LED光源（7）及光电探测器（9），所述第一路LED光源（7）发出光学信号，所述光学信号照射待测手指后的反射信号被所述光电探测器（9）接收，所述光学反射式心率检测模块（31）根据所述反射信号计算心率值所述生理参数检测模块（3）还包括光学反射式血氧检测模块（32），所述装置还包括与所述第一路LED光源（7）及光电探测器（9）同侧的第二路LED光源（8），所述第二路LED光源（8）发出660nm光学信号，对动脉血氧气浓度有特异性吸收，所述660nm光学信号照射待测手指后的660nm反射信号被所述光电探测器（9）接收，所述光学反射式心率检测模块（31）根据所述660nm反射信号计算血氧饱和度值；

所述生理参数检测模块（3）包括心电图方式心率检测模块（35），所述装置还包括第一个ECG电极（10）和第二个ECG电极（11），所述第一个ECG电极（10）置于所述装置的指纹识别传感区域，所述第二个ECG电极（11）置于所述装置的另外一个附件位置。

2.一种智能指纹识别装置，包括智能指纹识别控制单元（1）、指纹识别模块（2）、供电单元（4），所述智能指纹识别控制单元（1）、指纹识别模块（2）、供电单元（4）两两相连，其特征在于，还包括生理参数检测模块（3），所述生理参数检测模块（3）与所述智能指纹识别控制单元（1）、供电单元（4）相连，用以检测活体生理参数，所述生理参数检测模块（3）为光学透射式心率检测模块（33），所述装置还包括位于待测手指一侧的第一路LED光源（7）及位于待测手指另一侧的光电探测器（9），所述第一路LED光源（7）发出光学信号，所述光学信号照射待测手指后穿过待测手指后的透射信号被所述光电探测器（9）接收，所述光学透射式心率检测模块（33）根据所述透射信号计算心率值；

所述生理参数检测模块（3）还包括光学透射式血氧检测模块（34），所述装置还包括与所述第一路LED光源（7）同侧的第二路LED光源（8），所述第二路LED光源（8）发出660nm光学信号，对动脉血氧气浓度有特异性吸收，所述660nm光学信号照射待测手指后穿过待测手指后的660nm透射信号被所述光电探测器（9）接收，所述光学透射式心率检测模块（34）根据所述660nm透射信号计算血氧饱和度值；

所述生理参数检测模块（3）包括心电图方式心率检测模块（35），所述装置还包括第一个ECG电极（10）和第二个ECG电极（11），所述第一个ECG电极（10）置于所述装置的指纹识别传感区域，所述第二个ECG电极（11）置于所述装置的另外一个附件位置。

3.一种采用1或2所述的智能指纹识别装置的智能指纹识别方法，其特征在于，其步骤为：设置比对数据；生理参数检测；判定是否为有脉动信号的活体组织；指纹识别；判定是否符合设定指纹；执行设定动作。