CN106203366A - 电容式指纹识别装置及其识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式指纹识别装置，解决了现有技术的不足，技术方案为：包括传感器阵列单元、AD转换器、处理器、存储器、总线接口和电脑，所述处理器通过地址线、数据线和控制线与所述传感器阵列单元电连接，所述传感器阵列单元再通过AD转换器与所述处理器电连接，所述处理器还与所述存储器电连接，所述处理器通过总线接口与所述电脑连接，所述传感器阵列单元包括传感器阵列、行解码器、采样保持阵列、列解码器和放大器，所述处理器通过行解码器与传感器阵列连接，处理器还依次通过列解码器和采样保持阵列与传感器阵列连接，所述采样保持阵列通过放大器与所述AD转换器的输入端连接。

Description

电容式指纹识别装置及其识别方法

技术领域

本发明涉及一种指纹识别器，特别涉及一种电容式指纹识别装置及其识别方法。

背景技术

目前大部分的国内指纹识别技术都是基于图像识别技术的，一般来说是以手指在识别器上进行拍摄的情况下，获取手指的图像然后进行对比形成。但是以光学形式的指纹识别需要的体积较大，需要用到的感应元件较多，成本也较高，识别率虽然高，但是在一些对元件体积有要求的地方，存在很多的问题，例如，现在手机指纹解锁就很难通过光学识别的方法达到正确识别的，一般情况下都难以做到如此下的体积，放在集成化程度高的手机情况下，体积要求这一条就很难达到厂商的相应要求，但是一般的压电式识别器，识别度较差、对于环境要求较高、识别速度更是较差，因此开发一种有较高识别度、较快识别速度，同时体积较小的自动调整处理的指纹识别器势在必行。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在光学形式的指纹识别需要的体积较大，需要用到的感应元件较多成本较高的问题，提供了电容式指纹识别装置及其识别方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电容式指纹识别装置，包括传感器阵列单元、AD转换器、处理器、存储器、总线接口和电脑，所述处理器通过地址线、数据线和控制线与所述传感器阵列单元电连接，所述传感器阵列单元再通过AD转换器与所述处理器电连接，所述处理器还与所述存储器电连接，所述处理器通过总线接口与所述电脑连接，所述传感器阵列单元包括传感器阵列、行解码器、采样保持阵列、列解码器和放大器，所述处理器通过行解码器与传感器阵列连接，处理器还依次通过列解码器和采样保持阵列与传感器阵列连接，所述采样保持阵列通过放大器与所述AD转换器的输入端连接。本发明整体体积较小，适用在手机的指纹解锁时，只需要在特定的部位添加感应表面即可达到相应的发明目的，能够获得有较高识别度、较快识别速度，同时体积较小。

作为优选，所述传感器阵列中的感应元件为电容式感应元件。

作为优选，行解码器包括第一行解码器和第二行解码器，所述第一行解码器位于所述传感器阵列的左侧，所述第二行解码器位于所述传感器阵列的右侧，所述第一行解码器和第二行解码器均与所述传感器阵列连接。

一种电容式指纹识别方法，适用于如权利要求3所述的电容式指纹识别装置，包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤一，每次重新启动自动调整处理的指纹识别器后都进行初始，初始化时进行传感器阵列单元的初始化调校；

步骤二，手指放置在传感器阵列单元上时，进行传感器阵列识别，在识别时对指纹图像进行捕获和存储；

步骤三，对存储的图像进行校正；

步骤四，对图像执行图像结合动作；

步骤五，合成图像。

本发明这样设置，步骤一，达到检测前先行完成调节，降低后续识别的运算时间，步骤二，在识别时对指纹图像进行捕获和存储；进行感应元件阵列直接参与此步骤，由步骤一调节下，感应元件阵列快速完成图像的读取，对存储的图像进行校正，可以分割进行，各部调节，调节完成度好，同时调节速度较为快，对图像执行图像结合动作对各个分割后的区域进行整体化调节，图像完成度高，分辨率好，图像质量好。

作为优选，在步骤一中，处理器自动读取当前传感器阵列获取的电压力值，同时将此电压力值转换为图像，并将传感器阵列获取的原始空置图像与空白图形进行对比，确定传感器阵列中各个感应元件输出信号与空白图形相应位置图像值的偏差值，并存储下偏差值，在传感器阵列单元增加压力，检测传感器阵列单元中传感器阵列，记录传感器阵列中未变化的区域的地址作为噪点地址进行存储。偏差值的设置，可以快速达到图像的初步处理，只用一次存储偏差值，就可以达到快速调节固有误差的目的，降低了整体识别时间。除了固有误差之外，通过消除感应元件老化的误差的调整，延长了本发明的使用时间，不会出现少部分阵列中的感应元件老化就必须报废的情况。

作为优选，在步骤一中，处理器根据记录的噪点地址，对噪点地址进行调节输出若干张背景噪声图像，一张背景噪声图像中所有噪点灰度均对应一个灰度值，噪点地址所指向的传感器阵列中未变化的感应元件的。噪点的产生最大可能是因为感应元件老化导致某个感应元件无法工作而产生的，此时去噪方式不能单纯的以减法形式进行，多存储几个背景噪声图像，根据原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值选用对应的背景噪声图像进行去噪可以达到去噪后灰度值相近的较好的图形质量。例如8bit的灰度值，强度范围0-255的灰度时，最多可以设置256个灰度值的背景噪声图像，一般可以设定范围值的形式存储即可，在校正时根据当前图像的灰度盘平均值选择相应的背景噪声图像进行降噪。

作为优选，在步骤二中，根据当前传感器阵列获取的电压力值，同时将此电压力值转换为识别后的原始指纹图像进行存储，根据原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值进行初步判断，若原始指纹图像不符合设定的阈值，则执行硬件调节增益后重新执行步骤二，若原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值符合设定的阈值，则执行步骤三，对原始指纹图像通过灰度值的变化度进行边界识别，选择将原始指纹图像分割为若干个区域分别作为对比区域，由处理器根据各个对比区域中平均灰度值判断是否进行增益调节，若无需增益调节则直接执行步骤四，若需要进行增添调节则选用亮度调节增益进行调节。本发明中采用了亮度增益调节和硬件增益调节双重调节，增加了背景噪声计算，通过对背景噪声计算的调节去除了背景噪声，通过亮度增益调节和硬件增益调节双重调节达到较好的指纹图像的获取和识别，有较快的获取速度和较好的图像质量，适应各种不同的场合，

作为优选，所述硬件调节增益包括以下步骤：存储器中存储有灵敏度变化表，灵敏度变化表中的变化数据分别对应对比区域中的灰度范围，所述变化数据包括传感器阵列地址、放电电压和放电时间，处理器根据对比区域灰范围确定变化数据后传输至传感器阵列，对传感器阵列进行控制。

作为优选，步骤五中，获取降噪后所有对比区域的图像之间存在对比度差异，确定对比区域的图像中所有灰度值的平均值并按照预设范围确定为基准灰度值，保持与基准灰度值相近的对比区域的整体灰度值，然后调整与基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并获得合成图像。

作为优选，获取降噪后所有对比区域的图像之间存在对比度差异，确定对比区域的图像中存在最多的灰度值平均值，根据预设将灰度值平均值扩展为范围数值并将此范围数值确定为基准灰度值，保持与基准灰度值相近的对比区域的整体灰度值，然后调整与基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并得到基准图形；同时，确定对比区域的图像中存在倒数第二少的灰度值平均值，根据预设将倒数第二少扩展为范围数值并将此范围数值确定为反基准灰度值，然后调整与反基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并形成反基准图形，基准图形和反基准图形均作为对比图像保存；当存储背景噪声图像的存储器区域满时，背景噪声图像按噪点的数量从少到多依次排序，新的噪点加设在数量最少的背景噪声图像上，所加噪点的灰度值等于加设的背景噪声图像上距离最近的三个噪点的平均灰度值，在选用背景噪声图像时，每个背景噪声图像通过平均灰度值归属于一个灰度值分段，计算原始空置图像的平均灰度值，处理器根据原始空置图像的平均灰度值在灰度值分段中的归属确定选用的背景噪声图像，处理器选用背景噪声图像进行去噪。本发明这样设置，得到了两个图形，一个是基准图形，一个是反基准图形。准要是用在安全性要求较高的地方，针对的是硅胶制成的假指纹或者是其他根据图形制得的平面形式的指纹装置，一般这样制造出来的假指纹在光学指纹识别仪或者其他指纹识别仪上都是可以识别的，但是在一个基准图形、一个反基准图形的识别情况下，基准图形识别这一块往往能够通过，但是反基准图形的识别就会出现问题，原因在于，正常的手指识别时，压电识别时，手指并不是一个平面，因此，在指纹存储的过程中，在按压的时候按压部位有较大的差异，存储时就存储一个反基准图形与一个基准图形，反基准图形与基准图形之间存在较大的差异，在指纹识别的时候，安全性得到了较高的提升，一般的手指进行指纹识别时，本实施例能够检测出存在较大的差异的反基准图形与基准图形，但是硅胶制成的假指纹，反基准图形与基准图形基本一致，差异度很小，识别出的反基准图形与存储好的反基准图形容易识别，安全性有了很大的提升。背景噪声图像这样设置，主要是为了背景噪声图像的数量不能无限增长，否则会影响计算速度，所以合理的安排背景噪声图像，达到较好的效果。

本发明的实质性效果是：本发明这样设置，步骤一，达到检测前先行完成调节，降低后续识别的运算时间，步骤二，在识别时对指纹图像进行捕获和存储；进行感应元件阵列直接参与此步骤，由步骤一调节下，感应元件阵列快速完成图像的读取，对存储的图像进行校正，可以分割进行，各部调节，调节完成度好，同时调节速度较为快，对图像执行图像结合动作对各个分割后的区域进行整体化调节，图像完成度高，分辨率好，图像质量好。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。

实施例1：

一种电容式指纹识别装置，包括传感器阵列单元、AD转换器、处理器、存储器、总线接口和电脑，所述处理器通过地址线、数据线和控制线与所述传感器阵列单元电连接，所述传感器阵列单元再通过AD转换器与所述处理器电连接，所述处理器还与所述存储器电连接，所述处理器通过总线接口与所述电脑连接，所述传感器阵列单元包括传感器阵列、行解码器、采样保持阵列、列解码器和放大器，所述处理器通过行解码器与传感器阵列连接，处理器还依次通过列解码器和采样保持阵列与传感器阵列连接，所述采样保持阵列通过放大器与所述AD转换器的输入端连接。所述传感器阵列中的感应元件为电容式感应元件。行解码器包括第一行解码器和第二行解码器，所述第一行解码器位于所述传感器阵列的左侧，所述第二行解码器位于所述传感器阵列的右侧，所述第一行解码器和第二行解码器均与所述传感器阵列连接。

一种电容式指纹识别方法，适用于如上所述的电容式指纹识别装置，其特征在于：包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤一，每次重新启动自动调整处理的指纹识别器后都进行初始，初始化时进行传感器阵列单元的初始化调校；

步骤二，手指放置在传感器阵列单元上时，进行传感器阵列识别，在识别时对指纹图像进行捕获和存储；

步骤三，对存储的图像进行校正；

步骤四，对图像执行图像结合动作；

步骤五，合成图像。

在步骤一中，处理器自动读取当前传感器阵列获取的电压力值，同时将此电压力值转换为图像，并将传感器阵列获取的原始空置图像与空白图形进行对比，确定传感器阵列中各个感应元件输出信号与空白图形相应位置图像值的偏差值，并存储下偏差值，在传感器阵列单元增加压力，检测传感器阵列单元中传感器阵列，记录传感器阵列中未变化的区域的地址作为噪点地址进行存储。

在步骤一中，处理器根据记录的噪点地址，对噪点地址进行调节输出若干张背景噪声图像，一张背景噪声图像中所有噪点灰度均对应一个灰度值，噪点地址所指向的传感器阵列中未变化的感应元件的。

在步骤二中，根据当前传感器阵列获取的电压力值，同时将此电压力值转换为识别后的原始指纹图像进行存储，根据原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值进行初步判断，若原始指纹图像不符合设定的阈值，则执行硬件调节增益后重新执行步骤二，若原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值符合设定的阈值，则执行步骤三，对原始指纹图像通过灰度值的变化度进行边界识别，选择将原始指纹图像分割为若干个区域分别作为对比区域，由处理器根据各个对比区域中平均灰度值判断是否进行增益调节，若无需增益调节则直接执行步骤四，若需要进行增添调节则选用亮度调节增益进行调节。

所述硬件调节增益包括以下步骤：存储器中存储有灵敏度变化表，灵敏度变化表中的变化数据分别对应对比区域中的灰度范围，所述变化数据包括传感器阵列地址、放电电压和放电时间，处理器根据对比区域灰范围确定变化数据后传输至传感器阵列，对传感器阵列进行控制。

步骤五中，获取降噪后所有对比区域的图像之间存在对比度差异，确定对比区域的图像中所有灰度值的平均值并按照预设范围确定为基准灰度值，保持与基准灰度值相近的对比区域的整体灰度值，然后调整与基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并获得合成图像。

本实施例调节速度较为快，对图像执行图像结合动作对各个分割后的区域进行整体化调节，合成的图像完成度高，分辨率好，图像质量好。偏差值的设置，可以快速达到图像的初步处理，只用一次存储偏差值，就可以达到快速调节固有误差的目的，降低了整体识别时间。除了固有误差之外，通过消除感应元件老化的误差的调整，延长了本发明的使用时间，不会出现少部分阵列中的感应元件老化就必须报废的情况，同时也提高了图像识别度。例如8bit的灰度值，强度范围0-255的灰度时，最多可以设置256个灰度值的背景噪声图像，一般可以设定范围值的形式存储即可，在校正时根据当前图像的灰度盘平均值选择相应的背景噪声图像进行降噪。本实施例确定了亮度增益调节和硬件增益调节的方式，通过软件增益调节即可达到相应效果时可以降低硬件变动，延长使用寿命，否则通过调节硬件增益，使得检测范围扩大，适应各种情况的指纹。本实施例中噪点的产生最大可能是因为感应元件老化导致某个感应元件无法工作而产生的，此时去噪方式不能单纯的以减法形式进行，多存储几个背景噪声图像，根据原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值选用对应的背景噪声图像进行去噪可以达到去噪后灰度值相近的较好的图形质量。为了背景噪声图像的数量不能无限增长，否则会影响计算速度，所以合理的安排背景噪声图像，达到较好的效果。

实施例2：

本实施例与实施例1基本相同，不同之处在于：获取降噪后所有对比区域的图像之间存在对比度差异，确定对比区域的图像中存在最多的灰度值平均值，根据预设将灰度值平均值扩展为范围数值并将此范围数值确定为基准灰度值，保持与基准灰度值相近的对比区域的整体灰度值，然后调整与基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并得到基准图形；同时，确定对比区域的图像中存在倒数第二少的灰度值平均值，根据预设将倒数第二少扩展为范围数值并将此范围数值确定为反基准灰度值，然后调整与反基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并形成反基准图形，基准图形和反基准图形均作为对比图像保存；当存储背景噪声图像的存储器区域满时，背景噪声图像按噪点的数量从少到多依次排序，新的噪点加设在数量最少的背景噪声图像上，所加噪点的灰度值等于加设的背景噪声图像上距离最近的三个噪点的平均灰度值，在选用背景噪声图像时，每个背景噪声图像通过平均灰度值归属于一个灰度值分段，计算原始空置图像的平均灰度值，处理器根据原始空置图像的平均灰度值在灰度值分段中的归属确定选用的背景噪声图像，处理器选用背景噪声图像进行去噪。

本实施例中，得到了两个图形，一个是基准图形，一个是反基准图形。准要是用在安全性要求较高的地方，针对的是硅胶制成的假指纹或者是其他根据图形制得的平面形式的指纹装置，一般这样制造出来的假指纹在光学指纹识别仪或者其他指纹识别仪上都是可以识别的，但是在一个基准图形、一个反基准图形的识别情况下，基准图形识别这一块往往能够通过，但是反基准图形的识别就会出现问题，原因在于，正常的手指识别时，压电识别时，手指并不是一个平面，因此，在指纹存储的过程中，在按压的时候按压部位有较大的差异，存储时就存储一个反基准图形与一个基准图形，反基准图形与基准图形之间存在较大的差异，在指纹识别的时候，安全性得到了较高的提升，一般的手指进行指纹识别时，本实施例能够检测出存在较大的差异的反基准图形与基准图形，但是硅胶制成的假指纹，反基准图形与基准图形基本一致，差异度很小，识别出的反基准图形与存储好的反基准图形容易识别，安全性有了很大的提升。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种电容式指纹识别装置，其特征在于：包括传感器阵列单元、AD转换器、处理器、存储器、总线接口和电脑，所述处理器通过地址线、数据线和控制线与所述传感器阵列单元电连接，所述传感器阵列单元再通过AD转换器与所述处理器电连接，所述处理器还与所述存储器电连接，所述处理器通过总线接口与所述电脑连接，所述传感器阵列单元包括传感器阵列、行解码器、采样保持阵列、列解码器和放大器，所述处理器通过行解码器与传感器阵列连接，处理器还依次通过列解码器和采样保持阵列与传感器阵列连接，所述采样保持阵列通过放大器与所述AD转换器的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电容式指纹识别装置，其特征在于：所述传感器阵列中的感应元件为电容式感应元件。

3.根据权利要求1所述的电容式指纹识别装置，其特征在于：行解码器包括第一行解码器和第二行解码器，所述第一行解码器位于所述传感器阵列的左侧，所述第二行解码器位于所述传感器阵列的右侧，所述第一行解码器和第二行解码器均与所述传感器阵列连接。

4.一种电容式指纹识别方法，适用于如权利要求3所述的电容式指纹识别装置，其特征在于：包括以下步骤：

包括以下步骤：

步骤一，每次重新启动自动调整处理的指纹识别器后都进行初始，初始化时进行传感器阵列单元的初始化调校；

步骤二，手指放置在传感器阵列单元上时，进行传感器阵列识别，在识别时对指纹图像进行捕获和存储；

步骤三，对存储的图像进行校正；

步骤四，对图像执行图像结合动作；

步骤五，合成图像。

5.根据权利要求4所述的电容式指纹识别方法，其特征在于：在步骤一中，处理器自动读取当前传感器阵列获取的电压力值，同时将此电压力值转换为图像，并将传感器阵列获取的原始空置图像与空白图形进行对比，确定传感器阵列中各个感应元件输出信号与空白图形相应位置图像值的偏差值，并存储下偏差值，在传感器阵列单元增加压力，检测传感器阵列单元中传感器阵列，记录传感器阵列中未变化的区域的地址作为噪点地址进行存储。

6.根据权利要求5所述的电容式指纹识别方法，其特征在于：在步骤一中，处理器根据记录的噪点地址，对噪点地址进行调节输出若干张背景噪声图像，一张背景噪声图像中所有噪点灰度均对应一个灰度值，噪点地址所指向的传感器阵列中未变化的感应元件的。

7.根据权利要求6所述的电容式指纹识别方法，其特征在于：在步骤二中，根据当前传感器阵列获取的电压力值，同时将此电压力值转换为识别后的原始指纹图像进行存储，根据原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值进行初步判断，若原始指纹图像不符合设定的阈值，则执行硬件调节增益后重新执行步骤二，若原始指纹图像的灰度值范围和平均灰度值符合设定的阈值，则执行步骤三，对原始指纹图像通过灰度值的变化度进行边界识别，选择将原始指纹图像分割为若干个区域分别作为对比区域，由处理器根据各个对比区域中平均灰度值判断是否进行增益调节，若无需增益调节则直接执行步骤四，若需要进行增添调节则选用亮度调节增益进行调节。

8.根据权利要求7所述的电容式指纹识别方法，其特征在于：所述硬件调节增益包括以下步骤：存储器中存储有灵敏度变化表，灵敏度变化表中的变化数据分别对应对比区域中的灰度范围，所述变化数据包括传感器阵列地址、放电电压和放电时间，处理器根据对比区域灰范围确定变化数据后传输至传感器阵列，对传感器阵列进行控制。

9.根据权利要求8所述的电容式指纹识别方法，其特征在于：步骤五中，获取降噪后所有对比区域的图像之间存在对比度差异，确定对比区域的图像中所有灰度值的平均值并按照预设范围确定为基准灰度值，保持与基准灰度值相近的对比区域的整体灰度值，然后调整与基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并获得合成图像。

10.根据权利要求8所述的电容式指纹识别方法，其特征在于：获取降噪后所有对比区域的图像之间存在对比度差异，确定对比区域的图像中存在最多的灰度值平均值，根据预设将灰度值平均值扩展为范围数值并将此范围数值确定为基准灰度值，保持与基准灰度值相近的对比区域的整体灰度值，然后调整与基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并得到基准图形；同时，确定对比区域的图像中存在倒数第二少的灰度值平均值，根据预设将倒数第二少扩展为范围数值并将此范围数值确定为反基准灰度值，然后调整与反基准灰度值相远的对比区域的整体灰度值，将所有对比区域的图像的灰度值调整一致后进行合并形成反基准图形，基准图形和反基准图形均作为对比图像保存；当存储背景噪声图像的存储器区域满时，背景噪声图像按噪点的数量从少到多依次排序，新的噪点加设在数量最少的背景噪声图像上，所加噪点的灰度值等于加设的背景噪声图像上距离最近的三个噪点的平均灰度值，在选用背景噪声图像时，每个背景噪声图像通过平均灰度值归属于一个灰度值分段，计算原始空置图像的平均灰度值，处理器根据原始空置图像的平均灰度值在灰度值分段中的归属确定选用的背景噪声图像，处理器选用背景噪声图像进行去噪。