CN111368722A - 屏下指纹成像方法、系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种屏下指纹成像方法、系统，包括获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；根据信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向；计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置；采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；对第一屏幕获取图像和第二屏幕获取图像进行拼接。根据本申请实施例提供的技术方案，通过利用触摸屏输出手指触摸的各个点的信号矩阵，通过该信号矩阵等计算出手指按压在屏幕上图像的中心以及长轴的方向，进一步确定需要点亮的光源的位置并分别获取图像，保证获取的两次指纹信息叠加后为最大的成像范围，保证指纹识别的准确性。

Description

屏下指纹成像方法、系统
技术领域
本发明一般涉及触控显示领域，尤其涉及屏下指纹成像方法、系统。
背景技术
得益于OLED产能障壁的打破、技术成熟度以及可预见的成本下降，光学方案正式成为屏下指纹识别最重要的实现手段之一。目前新的光学指纹识别技术都主要是针对智能手机来做的，其抛弃了传统的光学指纹的光学系统，转而借用手机屏幕的光线来作为光源。目前主流的解决方案就是通过可以自发光的OLED屏来做光学指纹。最新的指纹成像方案抛弃了光路结构，这样不仅减小了整个成像系统的厚度，同时也降低了成像系统的成本。
点光源屏下指纹成像方案利用全反射原理进行成像，由于光学放大关系，其在传感器层上所成图像为正立放大的像，并且由于中心不成像区域的存在，因此需要至少两次拼接采能对指纹成足够大面积的图像。但这也造成了拼接图像会有一个长轴一个短轴。同时手指与屏幕的接触部分同样也可认为是一个椭圆区域，也存在长轴与短轴，若手指的长轴方向与成像的长轴方向垂直则会有部分环境光进入传感器层，由于成像放大的关系，就会造成部分指纹信息被淹没，最终造成指纹图像面积的减小，影响了指纹识别的准确性。
发明内容
鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种屏下指纹成像方法、系统。
第一方面，一种屏下指纹成像方法，包括步骤：获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；
根据所述信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θS；
计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置；
采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和采集点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；
对所述第一屏幕获取图像和所述第二屏幕获取图像进行拼接得到手指按压的指纹图像。
第二方面，一种屏下指纹成像系统，包括：触控单元，用于获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；
计算单元，用于根据所述信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θS；以及
计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置；
图像采集单元，用于采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和采集点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；
图像处理单元，用于对所述第一屏幕获取图像和所述第二屏幕获取图像进行拼接得到手指按压的指纹图像。
根据本申请实施例提供的技术方案，通过利用触摸屏输出手指触摸的各个点的信号矩阵，通过该信号矩阵等计算出手指按压在屏幕上图像的中心以及长轴的方向，进一步确定需要点亮的光源的位置并分别获取图像，保证获取的两次指纹信息叠加后为最大的成像范围，保证指纹识别的准确性。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本实施例中屏下指纹成像方法流程图；
图2为本实施例中屏下指纹成像示意图；
图3为本实施例中屏下指纹成像坐标示意图；
图4为本实施例中图像采集电路示意图；
图5为图4电路积分时序示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
请参考图1，本实施例提供一种屏下指纹成像方法，包括步骤：获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；
根据所述信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θS；
计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源S1和第二光源S2的位置；
采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和采集点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；
对所述第一屏幕获取图像和所述第二屏幕获取图像进行拼接得到手指按压的指纹图像。
本实施例中通过利用触摸屏输出手指触摸的各个点的信号矩阵，通过该信号矩阵等计算出手指按压在屏幕上图像的中心以及长轴的方向，该长轴方向即为手指按压的主方向，进一步确定屏幕上需要点亮的光源的位置并依次点亮光源后分别获取手指图像，保证获取的两次指纹图像信息叠加后为最大的成像范围，保证指纹识别的准确性。
本实施例中通过触摸屏获取手指按压的信号矩阵，并根据该信号矩阵以及其他信息进行计算，计算得出两次需要点亮的光源的位置，如图2所示，其中手指按压区域为1，两次需要点亮的光源为S1和S2，两次光源点亮的范围分别为范围2和范围3，使得两次点亮的范围之和能够最大程度的包括手指按压的区域，即范围2和范围3尽可能的覆盖范围1的区域，使得指纹识别更加准确。
进一步的，所述“确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向”具体包括：根据所述信号矩阵确定手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT；
根据所述手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs。
本实施例中首先获取每个触控点的信号矩阵，根据该信号矩阵进行后面的计算，其中，首先根据信号矩阵确定手指按压在屏幕上形成的手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT，随后根据触控单元与屏幕之间的坐标关系进行屏幕获取图像上的中心点P等数据的确定。首先屏幕获取手指的触摸位置，随后对触摸位置的原始数据进行处理，例如去除相应的干扰等，随后进行该原始数据每个位置压力点的测算，形成的触摸区域数据即为该信号矩阵。
进一步的，所述“根据所述信号矩阵确定手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT”具体为：计算所述信号矩阵的重心，所述重心即为所述中心点P’；
根据所述信号矩阵的中心矩计算所述长轴方向。
本实施例中根据该信号矩阵，采用重心法进行手指按压图像中心点以及长轴方向的确定，具体为：
假设从触控单元获取的信号矩阵为T，其为m*n的二维矩阵，
则中心P’为：
Figure BDA0002398881830000041
其中x，y为信号矩阵的索引。
随后利用信号矩阵的二阶中心矩来求手指按压的主方向。
引入中心矩的概念，信号矩阵T的p+q阶中心矩为：
Figure BDA0002398881830000042
其中p，q为整数。
则手指按压图像对应的主轴方向可通过下式计算得到：
Figure BDA0002398881830000051
进一步的，“根据所述手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs”具体为：通过触摸屏与显示屏的坐标映射关系确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs。还需要进行屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs的计算，具体为：
得到手指按压图像中心点P’后，需要进行坐标映射才能得到对应的屏幕获取图像上位置，为了区分手指按压图像坐标与屏幕获取图像坐标，这里设定(Tx，Ty)为手指按压图像坐标，(Sx，Sy)为屏幕获取图像坐标，于是有：
Figure BDA0002398881830000052
对于触摸屏按下的手指按压图像坐标(Tx，Ty)与其在显示设备位置关系上匹配的点的屏幕获取图像坐标(Sx，Sy)之间的转换关系，可以通过下述坐标变换表示：
Figure BDA0002398881830000053
其中A1、B1、C1、A2、B2、C2为映射系数，可通过标定得到；通过上式即可求出手指按压中心对应在屏幕获取图像上的位置。
由于坐标映射关系的存在，由手指按压图像得到的手指主轴方向θT也和屏幕获取图像上对应的手指主轴方向θS(与x轴夹角)不一致，需要进行如下变换：θs＝θT-arcTan(B1/A1)。
进一步的根据上述P点和长轴方向进行第一光源和第二光源位置的确定，其中，所述第一光源和所述第二光源之间间距不小于2R，其中，R为点光源中间成像无效区的圆半径在手指与屏幕接触面的投影长度。
点光源成像的有效图像为一个圆环，圆环的中心圆区域认定为无法成像，因此所述第一图像和所述第二图像中分别包括有不成像区域，因此，形成的所述第一图像至少包括所述第二图像中的不成像区域，所述第二图像至少包括所述第一图像中的不成像区域。具体的如图3所示，根据屏幕获取图像中心点P(Scx，Scy)与主轴方向θs，即可在中心点两侧延主轴方向距离为D，屏幕坐标S1、S2处依次点亮两个亮点，坐标计算公式如下：
已知手指在屏幕获取图像坐标系上的主方向θS，可得在屏幕获取图像坐标系下斜率为ks＝tan(θs)，进而两个亮点的坐标为
Figure BDA0002398881830000061
其中，距离D的确定包括：
设中心无效区的圆半径在手指与屏幕接触面投影为R(R为实际物理尺寸，可通过成像图像、传感器像素间距与物象放大关系计算得到)，则在只需要保证两次亮点的间距大于2R即可，通常为了得到更高信噪比的图像，优选的选择两点间距为2R。则可轻易计算出屏幕上的距离D：D＝R/pitchs；其中，pitchs为屏幕上的像素间距。
上述实施例中通过手指触摸的各个点的信号矩阵计算出手指按压在屏幕上图像的中心以及长轴的方向，进一步确定需要点亮的光源的位置并分别获取图像，保证获取的两次指纹信息叠加后为最大的成像范围，保证指纹识别的准确性。
本实施例还提供一种屏下指纹成像系统，包括：触控单元，用于获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；
计算单元，用于根据所述信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs；以及
计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源S1和第二光源S2的位置；
图像采集单元，用于采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和采集点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；
图像处理单元，用于对所述第一屏幕获取图像和所述第二屏幕获取图像进行拼接得到触控单元与屏幕。
本实施例中通过触控单元获取屏幕上的手指按压点的信号矩阵，并根据该信号矩阵进行屏幕获取图像上中心点以及长轴方向的确定，进一步的确定随后进行指纹采集所需要点亮的两个光源的位置，使得点亮两个光源后采集的图像如图2所示，两次图像叠加后形成最大的成像范围，保证指纹识别的准确性。
进一步的，所述计算单元包括：第一计算模块，用于根据所述信号矩阵确定手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT；
第二计算模块，用于根据触摸层与显示层的坐标关系确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs。进一步的，所述计算单元还包括第三计算模块，用于计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置。
本实施例中通过多次计算得出两次点亮的光源的位置，其中首先进行信号矩阵的获取，根据该信号矩阵等参数确定手指按压图像上的中心点以及相应的长轴方向，随后根据两数据进行屏幕获取图像上相应数据的计算，使得该系统能够基于触摸屏上的触控信息进行指纹的识别，并且保证获取的指纹成像范围最大，保证准确的进行指纹识别，其具体的计算方式参见上述实施例。
进一步的，所述图像采集单元包括图像采集电路，所述图像采集电路包括阵列分布的传感器单元，每个所述传感器单元包括一个PIN光敏二极管和TFT开关，每个所述传感器单元中的所述PIN光敏二极管阴极连接至所述TFT开关的漏极；
每个所述PIN光敏二极管阳极连接至电压输入端，每一行所述TFT开关的栅极连接至门控信号线，每一列所述TFT开关的源极连接至积分器。
进一步的，所述图像采集电路工作时，每个所述PIN光敏二极管阳极均接入负电压。
如图4所述，本实施例还提供了一种图像采集电路，其中，传感器单元阵列分布进行信号采集，每一行由同一个门控信号控制，例如第一行由图中Gate1信号控制，依次类推，每一个传感器单元包含一个PIN光敏二极管和一个TFT开关，在进行指纹识别时，使用PIN光敏二极管的反偏特性，将PIN光敏二极管阳极共连，接入一个负电压，始终让PIN光敏二极管保持反偏特性；每一行门控信号控制每一行的TFT开关，当门控信号给高电位时，同行的TFT开关打开，其余行TFT开关关闭，此时TFT开关打开的像素单元将光转换的电信号传递到积分器中，实现一行数据的读取，行与行之间为滚动式扫描。
如图5所示为积分方案的时序图，每一帧时间内，所有的行都要开一遍，当第一行的门控信号为高电位时，读取第一行数据，当第二行的门控信号为高电位时，读取第二行数据，以此类推，将整个阵列全部采集完，即为一帧的时间，TFT开关打开时，同时会让TFT开关漏极电位复位到TFT开关源极端，将PIN光敏二极管的阴极电位复位到固定电位，实现每一帧数据的初始状态一致，去除不均一的可能性。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (10)

1.一种屏下指纹成像方法，其特征在于，包括步骤：获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；
根据所述信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs；
计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置；
采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和采集点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；
对所述第一屏幕获取图像和所述第二屏幕获取图像进行拼接得到手指按压的指纹图像。
2.根据权利要求1所述的屏下指纹成像方法，其特征在于，所述“确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向”具体包括：根据所述信号矩阵确定手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT；
根据所述手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs。
3.根据权利要求2所述的屏下指纹成像方法，其特征在于，所述“根据所述信号矩阵确定手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT”具体为：计算所述信号矩阵的重心，所述重心即为所述中心点P’；
根据所述信号矩阵的中心矩计算所述长轴方向。
4.根据权利要求2所述的屏下指纹成像方法，其特征在于，所述“根据所述手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs”具体为：通过触摸屏与显示屏的坐标映射关系确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs。
5.根据权利要求1所述的屏下指纹成像方法，其特征在于，所述第一光源和所述第二光源之间间距不小于2R，其中，R为点光源中间成像无效区的圆半径在手指与屏幕接触面的投影长度。
6.一种屏下指纹成像系统，其特征在于，包括：触控单元，用于获取手指在屏幕上按压的每个触控点的信号矩阵；
计算单元，用于根据所述信号矩阵计算屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs；以及
计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置；
图像采集单元，用于采集点亮第一光源后的第一屏幕获取图像，和采集点亮第二光源后的第二屏幕获取图像；
图像处理单元，用于对所述第一屏幕获取图像和所述第二屏幕获取图像进行拼接得到手指按压的指纹图像。
7.根据权利要求6所述的屏下指纹成像系统，其特征在于，所述计算单元包括：第一计算模块，用于根据所述信号矩阵确定手指按压图像的中心点P’以及长轴方向θT；
第二计算模块，用于根据触摸层与显示层的坐标关系确定屏幕获取图像的中心点P以及长轴方向θs。
8.根据权利要求7所述的屏下指纹成像系统，其特征在于，所述计算单元还包括第三计算模块，用于计算在屏幕获取图像的长轴上，中心点P的两侧第一光源和第二光源的位置。
9.根据权利要求6所述的屏下指纹成像系统，其特征在于，所述图像采集单元包括图像采集电路，所述图像采集电路包括阵列分布的传感器单元，每个所述传感器单元包括一个PIN光敏二极管和TFT开关，每个所述传感器单元中的所述PIN光敏二极管阴极连接至所述TFT开关的漏极；
每个所述PIN光敏二极管阳极连接至电压输入端，每一行所述TFT开关的栅极连接至门控信号线，每一列所述TFT开关的源极连接至积分器。
10.根据权利要求9所述的屏下指纹成像系统，其特征在于，所述图像采集电路工作时，每个所述PIN光敏二极管阳极均接入负电压。
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