CN111368801A - 真假指纹识别装置及其识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了真假指纹识别装置及其识别方法，识别装置包括石英玻璃窗口、壳体、光源、光谱芯片、光谱数据处理模块和主控电路板，所述光源、光谱芯片、光谱数据处理模块和主控电路板置于壳体内，所述石英玻璃窗口固定在壳体开窗处，所述主控电路板固定在壳体内壁上，所述光源、光谱芯片和光谱数据处理模块固定在主控电路板上；该装置为独立模块，可安装于防盗门指纹锁、手机指纹锁、打卡机等指纹检测装置，进行活体指纹及假体指纹的识别，该装置应用于真假指纹的快速检测与分析，具有检测速度快、分类准确、对样品无损伤。可方便安装于指纹检测装置，并自动控制检测程序，结出检测结果，不增加用户的额外操作环节。
Description
技术领域
本发明涉及指纹识别领域，特别是塑料等不同材质的伪造指纹识别装置及其识别方法。
背景技术
手指指纹识别技术在近年来得到广泛应用，它是当今应用最为广泛的生物特征识别技术。不仅在门锁、手机、工作打卡、身份鉴别等领域，在安防、娱乐、医疗等领域也取了长足的发展。人体指纹由于其稳定性和唯一性，广泛应用于社会生活方方面面。传统指纹识别技术用户需要将手指与指纹采集器相互接触，指纹采集器利用手指指纹图像信息与指纹库中的指纹特征进行对比、匹配，并得出结论。在这种传统方式中，人工假体指纹通过指纹验证系统可能性极高。人工伪造的假体指纹通常是通过以一个人的指纹为模板，使用硅胶等塑料材料进行定型，以此制成可以破解传统光学指纹采集器的自动指纹识别系统。因此，传统指纹识别技术还有诸多不足之处，存在安全隐患，真假指纹识别技术有待解决。中国专利号CN 108596031 A公布了一种多光谱三维指纹及指静脉采集装置，将机器视觉和光学技术相结合应用于指纹识别，通过三台摄像机对手指指纹进行图像采集；中国专利号CN110046564 A公布了一种多光谱活体指纹识别设备及识别方法，提高活体指纹检测精确度。但这些检测装置及方法仍然以传统图像识别为主，部分改进检测装置及算法优化，传统真假指纹检测的问题并没有得到实质性的解决，有必要引入其它检测装置及方法对该领域的研究进行补充和有效促进。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的不足，提供一种真假指纹识别装置及其识别方法。
为实现以上目的，提供以下技术方案：
真假指纹识别装置，包括石英玻璃窗口、壳体、光源、光谱芯片、光谱数据处理模块和主控电路板，所述光源、光谱芯片、光谱数据处理模块和主控电路板置于壳体内，所述石英玻璃窗口固定在壳体开窗处，所述主控电路板固定在壳体内壁上，所述光源、光谱芯片和光谱数据处理模块固定在主控电路板上。
真假指纹识别装置的识别方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备待测样品，将待测样品分别靠近石英玻璃窗口，启动指纹检索程序，主控电路板接收指纹检测命令启动光源，光源发出350-950nm光对待测样品进行照明，同时启动光谱芯片和数据分析模块；
步骤S2：光谱芯片检测积分时间为1微秒到100毫秒，即1微秒到1毫秒间采集1帧光谱信号；光谱芯片在主控电路板发出指纹检测命令时即开始光谱信号采集工作，采集的光谱信号随检测时间的增加而逐渐累积，光谱芯片可对信号进行预处理，即去除第一帧光谱信号，将剩下的光谱信号利用最小二乘法对明显错误光谱进行剔除；同时，对光谱信号进行去噪声处理，利用信号处理算法：
Sn＝Sm-So
其中So为仪器背景噪声信号，Sm为所采集的每一帧光谱信号；
处理后有效光谱数据Sn均同步传输到数据分析模块；
步骤S3：数据分析模块对Sn光谱信号进行累积并平均，累积平均后的光谱信号更有利于提高光谱信号识别准确度。
分析得到待测样品的反射光谱数据和吸收光谱数据；
步骤S4：数据分析模块对处理后的光谱数据与光谱数据存储模块所存储的光谱数据进行匹配，预先存储的光谱数据有：预匹配的活体指纹数据库、以及假体指纹数据库，活体指纹指不同人个体的指纹光谱；假体指纹数据库指乳胶、塑胶、纸张及常用指纹假体材料的光谱数据；将待测样品的反射光谱数据与光谱数据存储模块的所有反射光谱数据即包括活体指纹数据库和假体指纹数据库的反射光谱数据，进行比对，将待测样品的吸收光谱数据与光谱数据存储模块的所有吸收光谱数据即包括活体指纹数据库和假体指纹数据库的吸收光谱数据，进行比对，三个数据的匹配度均到达98％及以上则为同一样品；
步骤S5：待测样品离开石英玻璃窗口，关闭检测程序，主控电路板对光源和光谱芯片发出停止工作指令，随后光源关闭，光谱芯片停止光谱信号采集，同时去除最后一帧光谱信号；光谱芯片停止光谱采集后，光谱信号与数据分析模块的数据传输也同时中断。
有益效果：
1、本发明利用真假指纹材质光谱信息的不同，利用光谱信息对假指纹进行鉴别，从根本上杜绝了假指纹制造和使用的可能。
2、该装置为独立模块，可安装于防盗门指纹锁、手机指纹锁、打卡机等指纹检测装置，应用于真假指纹的快速检测与分析，具有检测速度快、不增加用户的额外操作环节。
附图说明
图1为真假指纹识别装置示意图；
图2为手指及1-6号假体指纹的反射光谱图；
图3为手指及1-6号假体指纹的吸收光谱图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中附图，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。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。
需要注意的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
另外，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示的真假指纹识别装置，包括石英玻璃窗口10、壳体20、光源30、光谱芯片40、光谱数据处理模块50和主控电路板60，所述光源30、光谱芯片40、光谱数据处理模块50和主控电路板60置于壳体20内，所述石英玻璃窗口10固定在壳体20开窗处，所述主控电路板60固定在壳体20内壁上，所述光源30、光谱芯片40和光谱数据处理模块50固定在主控电路板60上。
光源30的波长范围在350-950nm，提供近紫外到近红外的光源照明，光源用于对活体指纹及假体指纹的照明；其开启及关闭受主控电路板控制；
光谱芯片40探测范围在350-950nm之间，能同时检测紫外到近红外的光谱信息，用来采集经光源照射手指指纹或假体指纹的光谱信息；光谱芯片40负责采集所述光谱照射待测样品后的反射光，其光谱检测功能的开启与关闭由所述主控电路板60所控制，当接到主控电路板60工作信号时，开启光谱采集功能，连续采集多帧光谱数据，直到主控电路板60发出关闭信号采集指令为止，并由所述主控电路板60将所得光谱信号传输给所述分析模块进行处理、分析。
光谱芯片40包括光学聚焦微透镜阵列、光谱调制模块、探测器、控制电路。
其中，所述光学聚焦镜头用于会聚所述光源发散光于被测样品表面，同时接收实测样品表面对光源的散射光谱信号；
所述光谱调制模块用于调制所接收光谱信号的强度信息及对应像素的位置；
所述探测器用以接收经光谱调制模块调制后的光谱强度信息；
所述控制电路用于接受主控电路板对光谱芯片的开启及关闭信号，并对光谱芯片进行控制。
光谱数据处理模块50包括光谱数据存储模块和分析模块，所述光谱数据存储模块包括不同肤质、肤色、年龄、性别的手指指纹的光谱数据信息，该光谱数据信息包括不同激发波长下不同皮肤表面特征的手指指纹吸收光谱反射光谱波长及强度信息；以及不同材质手指假体在不同激发波长下吸收光谱、反射光谱的波长及强度信息；数据分析模块对光谱芯片所采集的光谱数据经处理后，与光谱数据存储模块的光谱数据信息进行对比、分析及给出最终分析结果，其检测结果传递给主控电路板。
主控电路板60通过数据线70连接在主装置上，所述主装置可以为指纹锁，并带有显示屏，为该装置提供电能，数据线70与壳体20连接处安装有密封圈进行防水处理，并由指纹锁主装置进行工作电流的供给；所述壳体完全密闭，内部为真空环境。
真假指纹识别装置的识别方法，包括以下步骤：
步骤S1：准备待测样品,将待测样品分别靠近石英玻璃窗口，启动指纹检索程序，主控电路板接收指纹检测命令启动光源，光源发出350-950nm光对待测样品进行照明，同时启动光谱芯片和数据分析模块；
步骤S2：光谱芯片检测积分时间1微秒到100毫秒，到1毫秒间采集1帧光谱信号；光谱芯片在主控电路板发出指纹检测命令时即开始光谱信号采集工作，采集的光谱信号随检测时间的增加而逐渐累积，光谱芯片可对信号进行预处理，即去除第一帧光谱信号，将剩下的光谱信号利用最小二乘法对明显错误光谱进行剔除；同时，对光谱信号进行去噪声处理，利用信号处理算法：
Sn＝Sm-So
其中So为仪器背景噪声信号，Sm为所采集的每一帧光谱信号；
处理后有效光谱数据Sn均同步传输到数据分析模块；Sn光谱信号越多，数据处理后得到的光谱价值越高，准确率也高；
步骤S3：数据分析模块对Sn光谱信号进行累积并平均，累积平均后的光谱信号更有利于提高光谱信号识别准确度.
分析得到待测样品的反射光谱数据和吸收光谱数据；
步骤S4：数据分析模块对处理后的光谱数据与光谱数据存储模块所存储的光谱数据进行匹配，如图2-图3所示预先存储的光谱数据有：预匹配的活体指纹数据库、以及假体指纹数据库，活体指纹指不同人个体的指纹光谱；假体指纹数据库指乳胶、塑胶、纸张及常用指纹假体材料的光谱数据；本实施例采用预匹配的活体指纹A一例及1-6号假体指纹的散射光谱数据、反射光谱数据以及吸收光谱数据，该6个假体指纹1-5号材质为不同成分配比的塑料材质，6号为硅胶材料，该处举例仅为目前假体指纹材料的少部分，该专利不局限于这些材质，随着仿真技术的提高，后续增加的假体材料也会不断的补充进光谱数据存储模块；将待测样品的反射光谱数据与光谱数据存储模块的所有反射光谱数据进行比对，将待测样品的吸收光谱数据与光谱数据存储模块的所有吸收光谱数据进行比对，三个数据的匹配度均到达98％及以上则为同一数据；由于活体指纹A与假体指纹在反射光谱及吸收光谱增多有较大差异，在反射光谱中，活体手指指纹光谱在700nm处有明显的，单一的反射峰，与其它不同材质的假体材料均有较大差异；在吸收光谱中，活体手指指纹在420、520、580nm处有三个主要特征吸收峰，而其它假体材料与之均有差异；
以欧氏距离为例，光谱数据存储模块中各活体手指指纹光谱为A(i,j)，i为输入指纹数据个数，j为光谱检测波长，j最终检测总数量与微型光谱仪检测精度有关，如微型光谱仪检测精度为1nm，j取值为350，351，352.....950nm。待识别指纹光谱为B(i,j)，欧式距离表达式为：
识别过程中，需要将待识别指纹光谱B(i,j)分别与光谱数据存储模块中多组手指指纹光谱为A(i,j)进行欧式距离比对，d值用来分析待测指纹光谱与光谱数据存储模块中活体手指指纹光谱和假体光谱的相似程度，如果谱线与活体指纹的相似度达到98％，则可以认为是活体手指，如果与假体手指光谱的相似度达到98％，则认为是假手指；相似度接近时，重新测量；
此处所用微型光谱仪检测精度不限于1nm，检测精度在20nm以上的光谱仪均在此专利的保护范围；此处不限于欧氏距离法，只要是类似的方法，均在本专利的保护范围以内；其中活体指纹及假体指纹均随时增加至光谱数据存储模块中，因此，已有假体指纹材质及末知假体指纹材质均在本专利保护范围以内。
步骤S5：待测样品离开石英玻璃窗口，关闭检测程序，主控电路板对光源和光谱芯片发出停止工作指令，随后光源关闭，光谱芯片停止光谱信号采集，同时去除最后一帧光谱信号；光谱芯片停止光谱采集后，光谱信号与数据分析模块的数据传输也同时中断；并将最终结果通过主控电路板上的连接线传输给显示装置进行显示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.真假指纹识别装置，其特征在于，包括石英玻璃窗口、壳体、光源、光谱芯片、光谱数据处理模块和主控电路板，所述光源、光谱芯片、光谱数据处理模块和主控电路板置于壳体内，所述石英玻璃窗口固定在壳体开窗处，所述主控电路板固定在壳体内壁上，所述光源、光谱芯片和光谱数据处理模块固定在主控电路板上。
2.根据权利要求1所述的真假指纹识别装置，其特征在于，光源的波长范围在350-950nm，提供近紫外到近红外的光源照明，光源用于对活体指纹及假体指纹的照明；
光谱芯片探测范围在350-950nm之间，能同时检测紫外到近红外的光谱信息，用来采集经光源照射手指指纹或假体指纹的光谱信息；
光谱数据处理模块包括光谱数据存储模块和分析模块，所述光谱数据存储模块包括不同肤质、肤色、年龄、性别的手指指纹的光谱数据信息，该光谱数据信息包括不同激发波长下不同皮肤表面特征的手指指纹吸收光谱、反射光谱的波长及强度信息；以及不同材质手指假体在不同激发波长下吸收光谱、反射光谱的波长及强度信息；数据分析模块对光谱芯片所采集的光谱数据经处理后，与光谱数据存储模块的光谱数据信息进行对比、分析及给出最终分析结果，其检测结果传递给主控电路板。
3.根据权利要求2所述的真假指纹识别装置的识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：准备待测样品，将待测样品分别靠近石英玻璃窗口，启动指纹检索程序，主控电路板接收指纹检测命令启动光源，光源发出350-950nm光对待测样品进行照明，同时启动光谱芯片和数据分析模块；
步骤S2：光谱芯片检测积分时间为1微秒到100毫秒，即1微秒到1毫秒间采集1帧光谱信号；光谱芯片在主控电路板发出指纹检测命令时即开始光谱信号采集工作，采集的光谱信号随检测时间的增加而逐渐累积，光谱芯片可对信号进行预处理，即去除第一帧光谱信号，将剩下的光谱信号利用最小二乘法对明显错误光谱进行剔除；同时，对光谱信号进行去噪声处理，利用信号处理算法：
Sn＝Sm-So
其中So为仪器背景噪声信号，Sm为所采集的每一帧光谱信号；
处理后有效光谱数据Sn均同步传输到数据分析模块；
步骤S3：数据分析模块对Sn光谱信号进行累积并平均，累积平均后的光谱信号更有利于提高光谱信号识别准确度。
分析得到待测样品的反射光谱数据和吸收光谱数据；
步骤S4：数据分析模块对处理后的光谱数据与光谱数据存储模块所存储的光谱数据进行匹配，预先存储的光谱数据有：预匹配的活体指纹数据库、以及假体指纹数据库，活体指纹指不同人个体的指纹光谱；假体指纹数据库指乳胶、塑胶、纸张及常用指纹假体材料的光谱数据；将待测样品的反射光谱数据与光谱数据存储模块的所有反射光谱数据即包括活体指纹数据库和假体指纹数据库的反射光谱数据，进行比对，将待测样品的吸收光谱数据与光谱数据存储模块的所有吸收光谱数据即包括活体指纹数据库和假体指纹数据库的吸收光谱数据，进行比对，三个数据的匹配度均到达98％及以上则为同一样品；
步骤S5：待测样品离开石英玻璃窗口，关闭检测程序，主控电路板对光源和光谱芯片发出停止工作指令，随后光源关闭，光谱芯片停止光谱信号采集，同时去除最后一帧光谱信号；光谱芯片停止光谱采集后，光谱信号与数据分析模块的数据传输也同时中断。
4.根据权利要求3所述的真假指纹识别装置的识别方法，其特征在于，所述步骤S4中的匹配度计算方式为欧式距离法：
光谱数据存储模块中各活体手指指纹光谱为A(i,j)，i为输入指纹数据个数，j为光谱检测波长，j最终检测总数量与微型光谱仪检测精度有关，微型光谱仪检测精度为1nm，j取值为350，351，352.....950nm，待识别指纹光谱为B(i,j)，欧式距离表达式为：
识别过程中，需要将待识别指纹光谱B(i,j)分别与光谱数据存储模块中多组手指指纹光谱为A(i,j)进行欧式距离比对，d值用来分析待测指纹光谱与光谱数据存储模块中活体手指指纹光谱和假体光谱的相似程度，如果谱线与活体指纹的相似度达到98％，则可以认为是活体手指，如果与假体手指光谱的相似度达到98％，则认为是假手指；相似度接近时，重新测量。
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