CN109558799A - 一种指纹采集方法及装置、采用该指纹采集装置的产品 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种指纹采集方法及装置、采用该指纹采集装置的产品，其中所述指纹采集装置包括间距为微米级排列的压力传感器阵列，用于将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号；阵列驱动器，通过控制所述压力传感器阵列的驱动以及通道切换采集所述电信号；协处理器，将所述电信号处理成指纹数据。本发明检测精度高，成本低，操作环境比较要求不高，有较强的抗噪声能力。

Description

一种指纹采集方法及装置、采用该指纹采集装置的产品

技术领域

本发明涉及指纹采集装置，尤其涉及一种基于压敏电阻传感器阵列的指纹采集装置，以及采用了该指纹采集装置的产品。

背景技术

密码的使用在生活中无处不在，例如：手机解锁、网站用户登录、网上/移动支付等等。人们为了安全起见，往往在不同类型的账户中设置不同的密码，更有甚者还定期更换密码。时间久了以后，多个密码容易搞混淆或者忘记，非常不利于终端用户的日常使用。

为了解决这一问题，现有技术出现了指纹解密等通过生物特征来加解密的方法，因为每个人的生物特征基本都不一样，正常情况下难以复制，其它人也无法窃取。

目前，市场中应用的指纹图像的获取技术主要有5种类型：光学扫描技术、温差感应式指纹传感器技术、半导体电容指纹传感器技术、超声波指纹扫描技术，微光学式指纹识别技术：

1）光学扫描技术

光学扫描借助光学技术采集指纹的历史比较久远，也是目前使用最广泛的技术。将手指放在光学镜片上，手指在内置光源模块的照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件（CCD）上，进而形成脊线（指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线）呈黑色、谷线（纹线之间的凹陷部分）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。光学的指纹采集技术有明显的优点：它已经过较长时间的应用考验，一定程度上适应温度的变异，可达到500DPI的较高分辨率等，价格低廉，也有明显的缺点：由于要求足够长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面（潜在指印是手指在台板上按完后留下的），不但会降低指纹图像的质量，严重时还可能导致2个指印重叠，显然，难以满足实际应用需要。此外，台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗，可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层（死性皮肤层），所以只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。在这种情况下，手指表面的干净程度，直接影响到识别的效果。如果，用户手指上粘了较多的灰尘，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指，做一个指纹手模，也可能通过识别系统，对于用户而言，使用起来不是很安全和稳定。

2）温差感应式指纹传感器技术。

温差感应式指纹传感器技术是基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差，从而产生一个代表图像信息的电信号；再将该图像信息输出给指纹设备算法处理。它的优点是可在0.1s内获取指纹图像，而且传感器体积和面积最小，即目前通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。缺点是：受制于温度局限，时间一长，手指和芯片就处于相同的温度了。

3）半导体电容指纹传感器技术

基于半导体硅电容效应的技术也比较成熟，硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的嵴和峪相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成一个8bit的灰度图像；再将该图像信息输出给指纹设备算法处理。电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层（真皮层），直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。半导体指纹传感器包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等，其中，应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。半导体电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪，其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时，因为嵴是凸起、峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。嵴下的像素（电容量高）放电较慢，而处于峪下的像素（电容量低）放电较快。根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力，即使对比度差的图像（如手指压得较轻的区域）也能被有效检测到，并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度，生成高质量指纹图像。半导体电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，达到手指皮肤的活体层（真皮层），直接读取指纹图案，从而大大提高了系统的安全性。半导体硅感技术最重要的优点是能够达到活体指纹识别。还可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量，在1cm×1.5cm的表面上获得200-300线的分辨率（较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中）。体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在安全防范和高档消费类电子产品中使用，被称为光学以后的第二代指纹识别技术。但对于操作环境比较高，水滴影响比较严重。

4）超声波指纹扫描技术

超声波技术所使用的超声波频率为1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在对人体无损的程度（与医学诊断的强度相同）。超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采集时间会明显地长于前述两类产品，而且价格昂贵，也并不能做到活体指纹识别，所以目前使用稀少。

5）微光学式指纹识别技术

基于MicroLED技术，单独的红外发射管与传感二极管连接作为驱动，选择电路用于创建子像素电路。由于其体积小，这些红外二极管可以与RGB LED嵌入显示基板，或者安装在微型芯片上后再集成到所述基板。在进行指纹识别操作时，集成有交互像素（所谓的“交互像素”，这种子像素排列可以将红、绿、蓝、红外发光二极管、红外探测器，以及其它颜色的阵列集成在分辨率非常高的面板）的屏幕的某一特定区域或者某几行扫描到用户的指纹信息。当该距离达到足以感应到的距离，将生成位图并通知系统近似定位数据。在某些情况下，位图包括入射光强度信息，允许对对象及其表面进行深层分析。例如，通过检查位图的暗点和亮点，样本系统可以检测用户指纹中相应的脊线和皱褶。从而实现指纹识别的功能。目前还未应用，价格比较贵。

发明内容

本发明为了解决现有技术中指纹识别要么不够准确，要么成本昂贵的技术问题，提出一种指纹采集装置。

为了达到上述目的，本发明提出了一种指纹采集装置，包括：间距为微米级排列的压力传感器阵列，用于将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号；阵列驱动器，通过控制所述压力传感器阵列的驱动以及通道切换采集所述电信号；协处理器，将所述电信号处理成指纹数据。

在一个具体实施例中，所述压力传感器阵列包括：相邻行横向相互错开或者是相邻列竖向相互错开使行列之间无共同电连接交点的发射接收点阵，位于每一个所述发射接收点上连接其发射端和接收端的压敏电阻，所述压敏电阻的电阻值随施加在其上的压力而发生变化。所述压敏电阻可以为相互分离的结构，例如，压敏电阻为相互分离的点阵结构。或者所述压敏电阻采用一个整体的平面结构。所述阵列控制器控制行列边缘控制器分时在所述压力传感器阵列的不同点的发射端上施加电压，使电流通过压敏电阻从接收端发出至数模信号转换器采集所述电信号。

在一个具体实施方式中，所述协处理器根据梯度算法生成指纹按压区域的压力值梯度分布，根据连续相邻的压力传感器对应的梯度压力值变化，判别指纹的脊线或谷线来生成指纹数据。所述梯度算法包括一阶梯度算法、二阶梯度算法和高阶梯度算法。

在一个实施例中，所述协处理器根据所述指纹数据通过压力变化定位指纹按压区域。在另一个实施例中，所述指纹按压区域预先设置在所述压力传感器阵列的指定位置。所述指纹按压区域可以为一个或多个。

优选的，还包括对所述指纹信息进行加密的加密引擎。

本发明还保护采用上述技术方案中的指纹采集装置的产品。所述产品具有主处理器，所述指纹采集装置将指纹数据加密后发送给所述主处理器进行指纹识别处理；或者所述指纹采集装置将指纹识别后的识别结果发送给所述主处理器进行响应。

在一较优实施例中，所述指纹采集装置计算所述压力传感器阵列所测量的压力值，对比预设的压力值范围，向主处理器发出不同的信号，所述主处理器根据所述信号分别进行不同的响应。

优选的，所述指纹采集装置在将对应的数据发送给所述主处理器后清除本次采集所生成的所有数据。例如在将指纹数据发送给主处理器后，清除之前扫描所产生的电信号以及指纹数据等等所有本次采集所产生的数据。又例如在将指纹识别结果发送给主处理器后，清除本次采集产生的电信号、指纹数据、识别结果等等所有本次指纹识别所产生的数据。

本发明还提出了一种指纹采集方法，包括步骤：

将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号并采集；

通过梯度算法将所述电信号处理为指纹数据。

本发明具有成像精度高，而且耗电量很小，对于操作环境比较要求不高，在水滴影响下也能形成有效地的压力数据，有较强的抗噪声能力。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明。

图1为本发明的一具体实施例的系统框架图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的指纹采集装置包括压力传感器阵列、协处理器、内部存储器、加密引擎、阵列控制器以及行列边缘控制驱动器。其基于的方法原理在于：将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号并采集，通过梯度算法将所述电信号处理为指纹数据。

在一个具体实施例中，高密度的压力传感器阵列集成在一个基板上，压力传感器阵列中的每一个压力传感器的尺寸都十分微小，且基板上每一个压力传感器可通过硬件或软件确定唯一地址，同时将压力传感器之间的排列间隔距离从毫米级降低至微米级，以满足指纹的脊线和谷线的识别距离要求。

在一个较优实施例中，压力传感器采用基于压敏电阻的压力传感器，能够根据压敏电阻感受到的指纹脊线和谷线生成丰富的压力数据，通过压力数据生成用户指纹图像，同时能够很方便地嵌入到用户交互式的屏幕下方，方便实现触屏类设备（或者触屏类电子产品）的指纹触控，以实现触控位置检测。具体的，压力传感器阵列包括发射接受点阵和压敏电阻，发射接受点阵中的相邻行横向相互错开行列之间无共同电连接交点（相邻列竖向错开也可以达到相同的效果），位于每一个发射接收点上的压敏电阻连接该点的发射端和接收端，压敏电阻的电阻值会随施加在其上的压力而发生变化。压敏电阻可以为相互分离的结构，例如，压敏电阻为相互分离的点阵结构。或者所述压敏电阻采用一个整体的平面结构。

协处理器、内部存储器、阵列控制器以及行列边缘控制驱动器用于对压力传感器进行控制完成指纹的扫描和识别。

协处理器配置阵列控制器开始执行扫描动作，协处理器用于执行固件指令或操作系统，用于配置压敏电阻传感器阵列，运行压力扫描代码，定位功能代码，生成指纹位图代码，指纹识别算法代码。阵列控制器自动配置行列边缘控制驱动器（如图所示，也可以分别使用行边缘控制驱动器和列边缘控制驱动器），阵列控制器指定扫描方案，扫描方案包括行列扫描的方式、行列扫描的频率和扫描精度等等。行列扫描的方式包括逐行/列进行扫描、间隔行/列进行扫描、并行/列进行扫描等。在做实际的指纹扫描时，控制行列边缘控制驱动器来执行，为了降低和平衡功耗，还可以调整阵列控制器的配置以控制扫描频率和扫描精度，在普通情况下，采用低精度扫描及低频率扫描，在特殊情况下，可以采用高精度扫描和高频率扫描。在一个具体实施例中，首先配置需要扫描的第一列，并关闭其它需要扫描的列，使位于各行上的压力传感器的各点所产生的模拟值的电信号（如电压或电流的值）通过模数信号转换器转换成数字电信号，从而实现将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号并被采集到，并通过协处理器存储在内部存储器中。具体的阵列控制器通过行列边缘控制驱动器分时在压力传感器阵列的不同点的发射端上施加电压，使电流通过压敏电阻从接收端发出至模数信号转换器；接着配置需要扫描的第二列，并关闭其它需要扫描的列，将位于各行上的压力传感器的模拟值通过模数信号转换器转换成数字电信号，并交与协处理器存储下来；依次类推，阵列控制器完成所有行列扫描，协处理器得到所有传感器阵列的压力数据并存放在内部存储中，内部存储器用于存储临时生成的各种数据，例如压力数据、指纹位图数据和真正的指纹数据等等。

接着协处理器通过压力变化定位出指纹的具体位置范围，同时生成该位置范围内的压力梯度分布（具体涉及梯度分布的算法有一阶梯度、二阶梯度算法，其他高阶梯度算法等，本发明不作限定，由具体指纹识别算法决定），然后根据连续的相邻的压力传感器上对应的梯度压力值变化，来判别指纹的脊线或谷线，简单举例如下：如形如小-大-小规律，则认为是指纹的脊线，否则即为指纹的谷线；由具体算法决定，本发明不作限定。除了通过压力变化定位出指纹的具体位置，也可以在设计及预制的传感器阵列时，指定固定的指纹识别区域，并提示用户在此区域按压指纹，以减少不必要的具体位置的扫描定位时间，进一步减少功耗，由具体的应用设计决定。不管用哪种方式来确定指纹的具体位置，这些具体位置都不限于是一个，还可以是多个，以便支持多指纹扫描和识别。

如此，协处理器即可根据指纹的脊线或谷线来生成指纹位图并得到指纹数据；然后协处理器将该指纹数据输出给指纹识别模块，指纹识别模块将该指纹数据与预设的指纹数据进行对比，从而对采集到的指纹数据进行识别。

将本发明的指纹采集装置应用在具体的产品上时，可以不设置指纹识别模块，通过加密引擎将指纹数据加密以后再发送给产品的主处理器进行进一步的指纹识别处理。或者，指纹采集装置可以对指纹数据进行识别后，得出是否是正确的指纹，仅仅只发给主处理器识别结果，而不传送相关指纹数据，即指纹数据通过加密引擎加密后只保留在指纹采集装置的本地内部存储器中，提高安全性。

进一步的，协处理器还可以根据扫描到的压敏电阻阵列所检测到的压力值，与预定义的压力范围进行比较，然后发出不同的信号给主处理器提供相应的提示或响应，以提供更友好的用户交互体验，例如，轻点给出一个相应的响应，重按给出一个相应的响应等等。

上述实施例中，位于基板上的基于压敏电阻的压力传感器阵列，可选地预制在各种触摸屏幕下方或其它基板上方，对于基板的类型以及材料，本发明不作限定，本领域内技术人员根据需要自行选择即可，例如压力传感器阵列可以预知在柔性可弯曲或者硬固的平面基板上。而且压力传感器阵列的形状也不做限定，可以进一步预制成各种形状，如椭圆形、方形、圆形等等。对于各种形状的微缩化和矩阵化后的压力传感器阵列的预制排列方式本发明同样也不做限定。

本发明所采用的模数信号转换器可以是一个或者是多个，具体根据处理的数据大小以及效率来决定，模数信号转换器提供模拟的电压或电流信号到数字信号的转换，方便指纹协处理器进行压力数据处理。

在图示中，本发明的行列边缘控制驱动器分别采用了两个边缘控制驱动器，分别称之为行边缘控制驱动器和列边缘控制驱动器，在布局压敏电阻传感器阵列时，通过优化行列边缘控制驱动器，增加插值功能，可减少不要的扫描线数，以进一步减少功耗。行列边缘控制驱动器也可以增加并行扫描功能，同时输出多行多列的传感器压力数据，由具体的系统设计决定，本发明不作限定。

图1中示例的各部件中，除压力传感器阵列和主处理器外，其它各部件如阵列控制器，行边缘控制驱动器，列边缘控制驱动器，模数信号转换器，指纹协处理器，加密引擎，内部存储器，可以是以一体化的芯片形态存在，也可以是以分离的组件形态硬件存在。

本发明的压力传感器采用压敏电阻，能够根据压敏电阻感受到的指纹脊线和谷线生成丰富的压力数据，通过压力数据生成用户指纹图像；同时能够很方便地嵌入到用户交互式的屏幕下方，方便实现触屏设备的指纹触控，以实现触控位置检测，本发明具有成像精度高，而且耗电量很小，对于操作环境比较要求不高，在水滴影响下也能形成有效地的压力数据，有较强的抗噪声能力。

在做实际的指纹扫描时，通过软件或硬件扫描整个指纹扫描平面区域，得到整个压敏电阻传感器阵列的所有压力扫描数据，在所有的压力扫描数据中，进一步通过算法定位出指纹的具体位置，并获得用户指纹的脊线和谷线针对压力传感器的压力大小，生成指纹位图并通知系统近似成像数据，再将该图像信息输出给指纹识别算法处理，提取出相应的用户指纹信息（指纹数据），在加密处理后，供主处理器侧的指纹安全系统进一步处理，在实际扫描时，为了降低功耗，可以调整扫描频率和扫描精度，在普通情况下，一般采用低精度及低扫描频率，在特殊情况下，可以支持高精度扫描。同时，在完成扫描将有关数据发送给后，用户的指纹信息及扫描配置将全部清除，以防止相关信息被盗。

以上具体实施例仅用以举例说明本发明的结构，本领域的普通技术人员在本发明的构思下可以做出多种变形和变化，这些变形和变化均包括在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种指纹采集装置，其特征在于，包括：

间距为微米级排列的压力传感器阵列，用于将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号；

阵列驱动器，通过控制所述压力传感器阵列的驱动以及通道切换采集所述电信号；

协处理器，将所述电信号处理成指纹数据。

2.如权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述压力传感器阵列包括：相邻行横向相互错开或者是相邻列竖向相互错开使行列之间无共同电连接交点的发射接收点阵，位于每一个所述发射接收点上连接其发射端和接收端的压敏电阻，所述压敏电阻的电阻值随施加在其上的压力而发生变化。

3.如权利要求2所述的指纹采集装置，其特征在于，所述压敏电阻为相互分离的结构，或者所述压敏电阻采用一个整体的平面结构。

4.如权利要求3所述的指纹采集装置，其特征在于，所述压敏电阻为相互分离的点阵结构。

5.如权利要求2所述的指纹采集装置，其特征在于，所述阵列控制器控制行列边缘控制器分时在所述压力传感器阵列的不同点的发射端上施加电压，使电流通过压敏电阻从接收端发出至数模信号转换器采集所述电信号。

6.如权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，所述协处理器根据梯度算法生成指纹按压区域的压力值梯度分布，根据连续相邻的压力传感器对应的梯度压力值变化，判别指纹的脊线或谷线来生成指纹数据。

7.如权利要求6所述的指纹采集装置，其特征在于，所述梯度算法包括一阶梯度算法、二阶梯度算法和高阶梯度算法当中的一种或其组合。

8.如权利要求5所述的指纹采集装置，其特征在于，所述协处理器通过压力变化定位所述指纹按压区域。

9.如权利要求5所述的指纹采集装置，其特征在于，所述指纹按压区域预先设置在所述压力传感器阵列的指定位置。

10.如权利要求6所述的指纹采集装置，其特征在于，所述指纹按压区域为一个或多个。

11.如权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，还包括对所述指纹数据进行加密的加密引擎。

12.如权利要求1所述的指纹采集装置，其特征在于，还包括用于将所述指纹数据与预设的指纹数据进行对比进行指纹识别的指纹识别模块。

13.采用如权利要求1至12任意一项所述的指纹采集装置的产品，其特征在于，所述产品具有主处理器，所述指纹采集装置将指纹数据加密后发送给所述主处理器进行指纹识别处理；或者所述指纹采集装置将指纹识别后的识别结果发送给所述主处理器进行响应。

14.如权利要求13所述的产品，其特征在于，所述指纹采集装置计算所述压力传感器阵列所测量的压力值，对比预设的压力值范围，向主处理器发出不同的信号，所述主处理器根据所述信号分别进行不同的响应。

15.如权利要求13或14所述的电子产品，其特征在于，所述指纹采集装置在将对应的数据发送给所述主处理器后清除本次采集所生成的所有数据。

16.一种指纹采集方法，其特征在于，包括步骤：

将指纹的脊线、谷线在按压时所产生的不同的压力转化为电信号并采集；

通过梯度算法将所述电信号处理为指纹数据。