CN111586257A - 传感器装置、传感器系统和方法 - Google Patents

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CN111586257A CN202010090263.1A CN202010090263A CN111586257A CN 111586257 A CN111586257 A CN 111586257A CN 202010090263 A CN202010090263 A CN 202010090263A CN 111586257 A CN111586257 A CN 111586257A
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Abstract

本发明涉及传感器装置、传感器系统和方法。传感器装置包括通信装置和传感器元件，所述传感器元件用于检测特性并且提供描述所述特性的传感器信号。传感器装置包括安全元件，所述安全元件配置用于提供。传感器装置构成用于将所述传感器信号与所述机密关联，以便获得经关联的传感器信号，并且以便利用所述通信装置将所述经关联的传感器信号发送给所述通信伙伴。传感器装置还构成用于利用所述通信装置从所述通信伙伴接收检查信号，并且执行检验：所述检查信号是否具有机密。

Description

传感器装置、传感器系统和方法
技术领域
本公开文本涉及一种传感器装置，所述传感器装置配置用于将传感器信号与机密关联(verknüpfen)，并且本公开文本涉及一种用于将传感器信号与机密关联的方法。本公开文本还涉及在3D传感器数据中嵌入水印。
背景技术
传感器用于检测一系列特性，即物理值或模式(Muster)。属于此的不仅有诸如温度、磁场、电特征变量、位置等的测量数据，而且有用于检测生物数据的传感器，例如指纹传感器，或其他传感器，例如麦克风等。
发明内容
所期望有如下传感器装置，其提供高度的安全性，尤其是在防伪方面。
一个实施例实现一种传感器装置，其具有通信装置和传感器元件，所述传感器元件用于检测特性并且用于提供描述该特性的传感器信号。所述传感器装置包括安全元件，所述安全元件配置用于提供机密。传感器装置设置用于将传感器信号与机密关联，以获得经关联的传感器信号并且利用通信装置将经关联的传感器信号发送给通信伙伴。传感器装置还构成用于利用通信装置从通信伙伴接收检查信号并且执行检验：检查信号是否具有机密。这实现：通过传感器装置提供真实的传感器信号并且检验：所获得的检查信号是否同样是真实的，因为提供机密和对其的检验均由传感器装置执行。这实现了高度的安全性。
根据一个实施例，一种方法包括：借助于传感器元件检测生物特性，以便获得描述该特性的传感器信号。所述方法包括：将传感器信号与机密相关联，以便获得经关联的传感器信号。经关联的传感器信号被传送给通信伙伴。从通信伙伴处获得检查信号。所述方法包括：检验检查信号是否具有机密。
附图说明
接下来参照附图阐述实施例。其中：
图1示出根据一个实施例的传感器装置的示意性框图；
图2示出根据一个实施例的传感器系统的示意性框图；
图3示出根据图2中的传感器系统的一个可行的设计方案的示意性框图，尤其关于传感器系统的传感器元件与外部的通信伙伴协作；
图4a示出根据一个实施例所获得的三维场景的深度信息的示意性图示；
图4b示出根据图4a中的实施例中所获得的三维场景的幅度信息的示意性图示；
图5a示出在二维直角坐标系中的示意性图表，以说明利用根据一个实施例的传感器元件的三个传感器值对静态的偏移误差的扣除；
图5b示出在二维直角坐标系中的示意性图表，以描述根据一个实施例的四个经关联的传感器信号；
图6示出根据一个实施例的传感器装置的示意性框图，其中安全元件构成用于给传感器元件提供机密；
图7示出根据一个实施例的具有传感器装置的传感器系统的示意性框图，其中传感器元件具有数据存储器76；
图8a示出根据一个实施例的传感器系统的示意性框图，其中传感器元件构成为用于产生图像数据的传感器；
图8b示出根据一个实施例对通过图8a中的传感器系统实施的设计方案的说明，所述设计方案用于将图像数据与缺陷像素的数据说明叠加；以及
图9示出根据一个实施例的方法900的示意性流程图。
具体实施方式
在接下来详细根据附图深入阐述实施例之前，要指出的是，不同附图中的相同的、功能相同或起相同作用的元件、对象和/或结构设有相同的附图标记，使得在不同的实施例中所示出的对这些元件的描述可以互换或能够应用于彼此。
接下来的实施例涉及传感器装置，所述传感器装置具有传感器元件，所述传感器元件配置用于检测特性。在本文所述的实施例的上下文中，特性理解为是一个或多个物理值，如来自温度、磁场、电学参量、位置、生物数据、麦克风或其他传感器的范围的测量数据。该特性能够以传感器值、传感器值的时间序列和/或传感器值的空间或时间模式的形式来检测。由传感器元件提供的传感器信号能够描述如下特性，所述特性例如呈二维或三维图像数据的形式，如例如对于指纹传感器而言可能的那样，作为音频信号或作为幅度和/或相位值的时间序列。
图1示出根据一个实施例的传感器装置10的示意性框图。传感器装置10包括通信装置12，其构成用于与外部的通信伙伴无线地和/或有线地交换信号。有线的通信例如能够经由直接的布线来获得，如通过如下方式：传感器装置10和外部的通信伙伴被包含在相同的总系统中，例如在移动设备中，如移动电话或平板电脑。列举这些实例仅用于图解说明根据本公开容纳的传感器系统。相应的传感器系统也能够毫无费力地不同地实施，尤其是实施得更大。无线的通信的一个实例是例如直接的无线电连接，例如利用诸如
Figure BDA0002383462720000031
或其他标准的直接连接，其中还能够毫不费力地使用局域或广域网络连接。用于使用不同的传输方法和/或标准的接口能够毫不费力地在通信装置12中组合。
该传感器装置包括传感器元件14，所述传感器元件用于检测特性并且用于提供描述所述特性的传感器信号16。传感器信号的提供能够进行为，使得将传感器信号16直接地或作为原始数据提供给另一装置或另一元件，或者在传感器元件14之内进一步处理传感器信号16并仅提供通过进一步处理所获得的传感器信号16的版本。
除此之外，传感器装置10包括安全元件，所述安全元件被配置用于提供由“G”表示的机密22。将安全元件理解为如下装置，所述装置设计用于执行特定的操作或计算过程并且为此访问数据存储器。通过专门的安全措施，算术运算、执行算术运算还有数据存储器均能够视为防止外部访问，如通过如下方式：通过识别对信号线路或数据存储器的机械访问并且在执行相应的对应措施的情况下抵制这种所识别到的攻击，如数据删除等，使对安全元件18的重新编程变得困难或阻止重新编程，其中也能够毫不费力地采取其他措施。就此而言，安全元件18(Secure Element)能够被视为可信赖的装置。
传感器装置10构成用于将传感器信号16与机密22关联，以获得经关联的传感器信号24。经关联的传感器信号24优选地被设计为，使得机密22仅以掩盖的形式，即并非以明文存在于经关联的传感器信号24中。换言之，传感器信号16能够由机密22更改或改造，以获得经关联的传感器信号24。这例如能够通过将传感器值与机密的其他值相加、相减、相乘、相除或诸如双射关联的另一种关联来实现，所述双射关联即XOR关联(XOR＝异或)。传感器信号16例如能够是传感器信息的空间或时间模式，例如图像信息或音频信息。机密能够包括机密模式，所述机密模式与传感器信息兼容，也就是说，是可组合的，如通过如下方式：改变空间或时间模式的单元素的子集或改变或整个模式。传感器装置能够构成用于将传感器信息的模式与机密模式叠加，以获得经关联的传感器信号。因此，能通过机密模式来改变至少一个、一个子集或所有图像点等。
通过所述关联能够引起：在不知晓机密22时传感器值难以或不可复现。替选地或附加地，机密22在经组合的传感器信号24中的存在无法容易地被识别，这意味着，优选地，机密22无法容易地从经组合的传感器信号24中提取。相应的关联26能够在传感器元件14中进行，例如如果机密22被传输给传感器元件14，那么替代地或附加地也能够在安全元件18中进行，例如通过将传感器信号16传输给安全元件18，或者替选地或附加地也能够在接收传感器信号16和机密22的另一设备中进行。优选地，传感器装置10在此是空间上相邻的装置，例如作为移动装置中的安全的生物识别传感器。
传感器装置10配置用于经由通信装置12将经关联的传感器信号24发送给外部的通信伙伴28。就此而言，通信伙伴28在传感器装置10的外部并且不是其组成部分，而是能够与传感器装置10一起形成传感器系统。外部的通信伙伴28的一个实例是例如应用处理器，所述应用处理器能够是相同的设备/系统的一部分，但是替选地或附加地也能够经由网络连接来实现。通信伙伴28例如能够构成为从所提供的数据中进行模式提取和/或数据缩减，使得鉴于待维持的计算能力，通信伙伴28也能够是由多个传感器设备共享的装置。
传感器装置10构成用于，借助于通信装置12从通信伙伴28接收检查信号32。要指出的是，由此产生：外部的通信伙伴28也能够是具有多个单部件或单个装置的分布式装置，并且经关联的传感器信号24能够被发送给外部的通信伙伴28的第一子装置，并且检查信号能够由外部的通信伙伴28的另一不同的装置接收。这种分配的实例是用户接口，经关联的传感器信号24被发送给所述用户接口，而检查信号32例如能够被外部的通信伙伴28的验证单元等接收。
传感器装置10构成用于执行检验：检查信号32是否具有机密22。因此例如共同地由传感器装置10和外部的通信伙伴28实行的协议能够规定，检查信号32完全地或部分地是经关联的传感器信号24，也就是说，例如由于数据缩减、压缩或特征提取而从经关联的传感器信号24中获得。检查信号32例如能够是组合的传感器信号24或其一部分。尤其是，其能够是如下部分，所述部分已基于特征分析或模式比较被提取，例如生物识别传感器数据的特征点或特征区域，如指纹或面部。可行的是，以预定的方式和方法从经关联的传感器信号24中导出检查信号32。就此而言，包含在经关联的传感器信号中的机密22也能够包含在检查信号32中。因此，检验：检查信号32是否具有机密22，能够得出如下结论：检查信号32是否由传感器装置10提供，即是否是真实的。在操纵、数据改变或另一种恶意攻击的情况下，机密22可能不会或者以被操纵的形式在检查信号32中实行，这可通过检验来确定。回到生物识别传感器的实例，例如可确定如下攻击，在所述攻击中尝试复制生物识别模式如指纹。生物识别模式能够用于请求处理或服务，这尤其是在高安全性的金融交易方面需要。即使此时攻击者能够将相应的信号连带可能正确的指纹发送给外部的通信伙伴28，对检查信号32的检验最后也会表明，机密22未实行，从而能够避开攻击。
优选地，安全元件18构成用于检验检查信号32是否包含机密22。这样做的优点是，机密22不会以明文的形式传送给其他装置。
实施例提出，检验的结果被通知给通信伙伴28。这例如能够用于启用可能在外部的通信伙伴28中所查询的动作、服务等或在需要时禁止。
图2示出根据一个实施例的传感器系统20的示意性框图。传感器系统20包括例如传感器装置10，其中传感器元件14例如构成为生物识别传感器。安全元件18提供高安全性的环境。外部的通信伙伴28包括例如应用处理器，诸如高性能执行和环境(英语是highperformance execution and environment)。就此而言，外部的通信伙伴28被设计用于使用经关联的传感器信号24。检查信号32能够是经关联的传感器信号24的一部分，或者能够以预定的方式和方法从经关联的传感器信号24中导出。
尽管其他实施方案也是可行的，但是传感器系统20被示出为，使得例如在传感器装置10已经接收到相应的请求之后，由传感器元件14提供经关联的传感器信号24。为此，通信伙伴28例如能够将信号发送给传感器装置10，所述信号作为输入信号34由传感器装置10，尤其传感器元件14接收。以通过该请求触发的方式，传感器元件14例如能够检测或测量诸如指纹的特性，并且能够将传感器信号16提供给安全元件18，所述安全元件将传感器信号16与机密22关联。经关联的传感器信号24能够被传送回或提供给传感器元件14，使得经关联的传感器信号24而不是未改造的传感器数据通过传感器元件14被传送给外部的通信伙伴28。
安全元件18能够接收检查信号32并且检验机密22是否包含在检查信号32中。这表示：安全元件18能够具有验证所需的所有信息。检验的结果能够借助于发送信号传送给外部的通信伙伴28。发送信号36既能够具有肯定的结果也能够具有否定的结果，其中仅传输两者之一即要么肯定的结果要么否定的结果就已经足够，因为缺少相应的信息能够被理解为补充的陈述。替代于通信伙伴28，发送信号36也能够设置另一装置，例如如下装置作为接收器，所述装置决定其他服务的进入或执行，并且所述其他服务能够被传送，这也允许组合或多个接收器。
安全元件18能够构成用于尤其在检验结果为肯定的情况下，即所述检验表明：检查信号32具有机密22，开启附加功能和/或将信息传送给通信伙伴28。因此，相应的功能能够包括改变数据的授权，和/或相应的信息能够替选地或附加地在传输信号36中传送。
换言之，在检验成功之后，安全元件18能够执行诸如开启其他可能与安全有关的功能和/或开启信息的释放或传送的动作。通信伙伴28能够构成为执行相应的动作。无论是否有附加的功能和/或数据，外部的通信伙伴28都能够被配置用于借助于信号36获得检验的结果。基于该结果，通信伙伴28能够导出经关联的传感器信号24的内容或来源是否真实，即是否可信，和/或经关联的传感器信号是否未经许可地改变。
换言之，传感器14能够将参考数据16发送给安全元件18。安全元件18能够将机密22应用于参考数据并且将结果存储，尤其存储在安全元件18的安全的存储器中。传感器14从安全元件18获得结果并将其集成到其数据流中，例如3D数据流。应用处理器从所接收到的数据流中提取模式或一部分，并将其发送给安全元件18以进行验证。传感器系统20包括高性能应用处理器以及具有生物识别传感器14和安全元件18的受保护的传感器装置10。安全元件18与传感器及其处理器之间的通信接口同样受保护。
通过将经关联的传感器信号24存储在安全元件18中，可行的是，检验所接收到的检查信号是否存在机密22，而无需与其他组件进行其他通信。
换言之，传感器元件或传感器从安全的装置或安全的元件接收随机的水印。传感器将水印应用于传感器数据，例如利用隐写方法。应用处理器评估传感器数据，提取特征性的特性并且据此生成检查信号32(候选模板，Candidate Template)，所述检查信号被发送给安全的装置。安全的装置提取水印并验证正确性并且将候选模板与参考进行比较。
在下文中，此时参考传感器装置10和/或传感器系统20的不同的设计方案。尤其，参考操纵传感器信号以获得经关联的传感器信号24的可能性。
图3示出传感器系统20的一个可行的设计方案的示意性框图，尤其是关于传感器元件14与通信伙伴28协作。传感器元件14例如能够包括或形成深度相机，其中为此目的而设立的光源构成用于朝向三维场景44发送照明信号42，在该处照明信号被反射并且与背景光46叠加地由像素阵列48检测，可能利用成像光学装置或透镜52。照明信号42能够是为测量而发出的测量信号，之后的传感器信号16以其为基础。照明光源例如是具有经调制的红外光的有源的照明装置。在所发出的光和所接收的光之间存在相位偏移，所述相位偏移实现时域中的距离测量。就此而言，深度图能够具有基于幅度的图像，所述图像例如能够用作为质量指示器。
3D图像传感器54的控制能够包括调制级56，所述调制级使对光源38的控制和对像素阵列48的扫描彼此配合，其中能够通过控制装置62执行对还有模数转换器级58的上级的控制，其中像素阵列48的数字化的数据能够被提供作为传感器信号16。例如如果外部的通信伙伴28利用控制信道64发送请求，那么能够使所述数字化的数据供所述外部的通信伙伴使用，经由所述控制信道例如能够传送输入信号34。外部的通信伙伴28的控制设备66能够具有计算装置68，所述计算装置例如配置用于通过多个传感器信号16的关联或组合来计算幅度信息72和深度信息或相位信息74，这两者都能够是整个信号的一部分。
图4a示出三维场景44的深度信息74的示意性图示，其例如能够在将传感器信号16关联的情况下获得，所述传感器信号的相应的照明信号42彼此相位偏移。
图4b示出三维场景的幅度信息72的示意性图示，其中关于幅度A评估同一信号。A也能够称为反射光的强度，而深度能够根据相位信息来计算。
传感器元件能够构成用于多次执行对特性的检测，以提供多个传感器信号。多个传感器信号的组合能够产生待评估的总信号，如上述幅度信息72和深度信息74。传感器装置10能够构成为，使得与机密的关联作为传感器元件的静态偏移误差产生影响或者可能被视为静态偏移误差，以至于在接下来将探讨的相应的组合中扣除该偏移误差，并且在幅度信息72和深度信息74中扣除机密22，而例如能够作为检查信号32被发送给传感器装置10的单个传感器信号仍具有用于进行验证的机密。
图5a示出利用x轴和y轴的二维直角坐标系中的示意性图表，以说明静态的偏移误差的扣除。例如能够通过以分别相同的机密22操纵、改造或扩展三个传感器信号，能够获得不同的经关联的传感器信号241、242和243。利用诸如照明信号42的测量信号例如能够获得作为基础的传感器信号，所述测量信号彼此具有相位偏移
Figure BDA0002383462720000081
或
Figure BDA0002383462720000082
优选地，相位间隔是等距的，即在尽可能小的±5％、±2％或±1％的公差范围内，尽可能为0％，其中适用
Figure BDA0002383462720000083
通过将经组合的传感器信号241、242和243的组合，使得可以补偿或消除传感器元件的静态偏移误差，例如在所示出的实例中通过相加，在位移偏差的所获得组合中，移除机密22，而其包含在单信号中的机密。这表示，传感器元件能够发出具有彼此不同相位的多个测量信号。传感器装置能够被配置用于将机密嵌进多个传感器信号中的每一个中，使得根据预定的规则将多个经关联的传感器信号241至243关联成总信号以执行对静态的偏移误差的补偿导致消除总信号中的机密，即移除或扣除。因为传感器装置10和外部的通信伙伴28都已知用来产生总信号例如包括幅度信息72和深度信息74的总信号的规则，所以能够考虑该规则来实现消除或补偿机密22的静态的偏移误差。
图5b示出在二维直角坐标系中的示意性图表，以示出四个经关联的传感器信号241至244，所述传感器信号彼此尽可能等距地以在上述公差范围内相同的分别为90°的相位角
Figure BDA0002383462720000084
和
Figure BDA0002383462720000085
彼此错开。关于零位，该相位序列的第一经关联的传感器信号241可以具有
Figure BDA0002383462720000086
的偏移，所述偏移能够是任意的，例如也可以是零。通过成对地关联经关联的传感器信号241和243和/或242和244，例如已经能够成对地进行静态的偏移误差的补偿。尤其是，在该设计方案中可行的是，分别成对地满足对称性标准，例如通过如下方式：适用的是
Figure BDA0002383462720000095
并且
Figure BDA0002383462720000096
这表示，尽管在鲁棒的评估方面具有优势，但也可能省去所有相位位置的等距的设置。
变得清楚的是，能够使用任何其他数量的单传感器信号或经关联的传感器信号，只要其常规组合适合于补偿静态的偏移误差。除了所描述的具有三个或四个传感器信号的设计方案之外，例如也能够使用更多数量的传感器信号，例如五个，六个或更多。
参照关联图5b阐述的实施例，其中使用四个传感器信号，其具有分别为90°的
Figure BDA0002383462720000097
和
Figure BDA0002383462720000098
的相应的相位偏移，并且参考根据图3的设计方案，这意味着，测量信号42分别具有90°相位偏移，接下来描述用于获得幅度信息72和深度信息74的示例性的关联可行性。根据该设计方案，仅考虑差分对。为了获得幅度信息72，例如能够基于以下计算规则：
Figure BDA0002383462720000091
为了获得深度信息或相位信息74，例如能够使用下述计算规则或以其为基础：
Figure BDA0002383462720000092
由此，利用arctan函数能够组合四个测量数据，以便重建3D数据。然而，在这种情况下，其仅仅为用于重建传感器元件的响应函数(Response Function)的可行的实施方式之一，这实现：通过相位信息的求差或求商来克服静态偏移，所述实施例可应用于减少或消除伪影的其他校正系统。
A和
Figure BDA0002383462720000093
的这种值例如能够针对图像模式的多个或甚至每个像素来确定，使得能够获得至少针对像素阵列48的每个有功能能力的像素的相应的值。
在此，信号
Figure BDA0002383462720000094
能够是总信号的说明相位信息的第一分量。A能够是总信号的说明幅度信息的第二分量。A1、A2、A3和A4能够表示组合的传感器信号。组合的传感器信号能够具有彼此等距的相位步长。如果在重新参考图5b的情况下值
Figure BDA0002383462720000101
例如是0°，那么也能够适用的是：A1＝A0°，A2＝A90°，A3＝A180°并且A4＝A270°。
通过这种关联得到：示例性地仅评估对A2和A4以及A1和A3的差。这实现：机密22的值能够相加或相减而不会改变所述差。由此，获得三维数据的这种方式能够用于以透明的方式和方法将机密嵌进传感器元件的数据流中。
换言之，3D-TOF(飞行时间，time-of-flight)为四个不同的采样时间点提供了传感器原始数据，A0°、A90°、A180°和A270°。通过应用以下等式的方式能够计算所需的相位数据
Figure BDA0002383462720000102
和灰度幅度数据(A)：
如关联图1和图2所阐述的那样，例如能够将传感器信号16传送给安全元件18，所述安全元件通过关联机密来操纵单个数据，以便例如因此产生静态的偏移误差。这种经关联的传感器数据能够再次提供给传感器元件14，所述传感器元件于是产生数据流。
通信伙伴28，即用于使用经关联的传感器信号24的装置，能够构成用于获得多个经关联的传感器信号，例如传感器信号241、242、243以及可能的244，并且执行多个传感器信号的组合以补偿传感器元件的在多个经关联的传感器信号中产生影响的静态的偏移误差，以便获得总信号，例如信号分量
Figure BDA0002383462720000103
和A，并且以便将总信号用于通过装置实施的功能，例如验证等。此外，检查信号能够从多个经关联的传感器信号之一的至少一部分中导出。因此，经关联的传感器信号241至244之一例如能够作为检查信号32或其一部分被向回发送。
图6示出根据一个实施例的传感器装置60的示意性框图，其中安全元件18构成用于将机密22提供给传感器元件14。机密22能够是至少在较长的时间段内恒定的机密，但是也能够被设计为是随时间变化的。安全元件18能够构成用于存储机密18，可能的话与说明机密18何时有效的时间信息相关联。
传感器元件14构成用于将传感器信号16与机密22相关联，以便获得经关联的传感器信号24并且将其传送到外部的通信伙伴。未改造的传感器信号16也能够被提供给安全元件18，使得其能够将传感器信号16本身与机密22关联，以便获得经关联的传感器信号24的相应对应的版本，以便检验检查信号32是否存在机密22。安全元件18能够从通信伙伴获得检查信号，其中对传感器信号16和机密22的了解能够实现：评估检查信号32的真实性。
图7示出具有传感器装置75的传感器系统70的示意性框图，所述传感器装置能够与传感器装置10相似或相同地形成并且具有传感器元件14和安全元件18。传感器元件14能够具有数据存储器76，所述数据存储器构成用于存储从安全元件18的数据存储器78中调用并提供给传感器元件14的机密22，以便将传感器信号与机密22关联，以便获得经关联的传感器信号24。
机密22能够包含随机数，即一个模式，一个字母序列或一个数字序列，并且能够以时变方式有效，直到其被当前模式或随机数代替为止。基于例如1秒、10秒或30秒、可能的话更高的值的时间区间，随机数也可以被设计为是时不变的。
传感器元件14构成用于利用优选双射的关联将机密，即时变的数据模式与传感器信号相关联，以获得经关联的传感器信号24。双射关联的一个实例例如是异或运算XOR。传感器元件能够构成用于将传感器信号16提供给安全元件18。安全元件构成用于利用优选相同的双射关联将检查信号与机密22相关联，以检验所述检查信号32。由于所使用的关联的双射性，由此能够实现：再次从检查信号32中移除机密，使得传感器信号16和已经清除了机密22的检查信号32之间的比较同样实现得出关于传感器信号16或检查信号32的真实性的结论。检查信号32中的另一有缺陷的或缺失的机密导致传感器信号16和通过双射关联所获得的结果之间的偏差。
换言之，安全元件18将机密提供给传感器元件14。传感器元件14将机密应用于原始传感器数据，例如原始图像数据。传感器元件或传感器在数据传送期间将由此获得的设有水印的图像，尤其相位数据提供给应用处理器28。应用处理器将检测信号，即修改后的图像相位数据，如由传感器接收的那样的相位数据提供给安全元件18。安全元件18执行数据验证。为了保证安全元件18具有用于验证的相应参考数据，能够使用具有已知的或稳定的特性的图像部段。能够利用元数据，例如经由相关联的图像线路，来传送这种所定义的模式。机密22或包含在其中的模式能够是全局的机密，所述机密例如在制造传感器装置75期间被通知或保存。替选地或附加地，所述机密例如能够在所谓的配对期间和/或在规则或不规则的时间区间期间在传感器元件14和安全元件18之间通信。例如能够将静态的机密或静态的模式(Pattern)保存在传感器元件14中，尤其存储器76中，例如在非易失性存储器(non-volatile memory-NVM)中，例如在闪存存储器中或在安全的存储器(eFuse)中。时变模式(随机数)也能够保存在传感器元件14和安全元件18中。
图8a示出根据一个实施例的传感器系统80的示意性框图，其中传感器装置85能够以与传感器装置10相同或相似地形成，这表示，传感器装置85包括传感器元件14和安全元件18。传感器元件14例如构成为用于产生图像数据的传感器，例如相机或指纹传感器等。传感器信号16能够表示由传感器元件14产生的图像数据。机密22能够包括图像数据内缺陷像素的模式。机密22在此能够设计为是静态的，但是优选是时变的。传感器元件14构成用于产生经关联的传感器信号24，使得基于缺陷像素的模式的图像数据具有对图像数据中的缺陷像素的说明。检查信号32同样能够包括图像数据，其中这些图像数据是待检验的图像数据。安全元件18能够构成用于检验检查信号以判断缺陷像素是否与缺陷像素的模式即机密22一致。
因此，传感器元件14能够具有对于传感器元件14的状态任意的≥0的数量的缺陷像素821至823。在图像数据中，即在传感器信号16中，例如由于不包含辉度信息，这些缺陷像素能够被识别为例如“黑色”等。替选地或附加地，缺陷像素也能够另外地来辨识，例如通过关于相邻的像素存在高的相位差。与之相对，机密22能够在图像数据中以任意数量和/或模式显示像素841、842和/或843。基于此，传感器元件14能够将相应像素的图像信息设置为显示像素的缺陷的值。因此，在外部的通信伙伴28方面无法识别：基于传感器元件14的缺陷或基于机密22的应用，组合的传感器信号24中的缺陷像素是否有缺陷。
安全元件18能够对检查信号32检验：至少在机密22中所说明的像素在检查信号32中是否识别为缺陷像素841至843或者是否作为缺陷像素包含在检查信号中。
图8b示出通过传感器系统80实施的设计方案的图解说明。传感器信号16能够具有实际缺陷像素821至823。这些像素可能随着时间以可变的数量存在和/或能够产生随机的模式。
机密22能够显示像素841至843的所提及的模式，所述像素被标记为有缺陷。基于传感器信号16和机密22的关联，组合的传感器信号24包括关于多个缺陷像素的说明，更确切地说，是实际上缺陷像素和仅被说明为缺陷像素。
如果在机密22中所说明的模式的像素也是实际上有缺陷的，那么这对于信号32的检查是不成问题的，因为对于安全元件18而言检查信号32中的像素在何种基础上有缺陷是不重要的。这两种情况都提供了缺陷像素的结果。
机密22能够基于缺陷像素，但是也能够基于对实际的图像信息的操纵来示出用于图像信息的水印。应当指出的是，传感器信号16以及机密22中的7×7个像素的示例性的说明仅示例性地被选择用于图解说明，并且能够在任意数量的行和/或列中具有任意数量的像素和/或能够在任意的模式中设置。
换言之，传感器系统80设计为使得安全元件18向传感器14提供机密的掩模模式。传感器应用缺陷像素或基于掩模产生所述缺陷像素。传感器在数据传输期间将设有相应水印的图像数据提供给应用处理器。应用处理器将检查信号32即由传感器所获得的图像数据提供给安全元件18。安全元件18基于机密的掩模模式提取缺陷像素。安全元件基于此，即基于所提取的缺陷像素来执行验证。背景是，可以将有大差异的相位值的像素视为缺陷像素，因为基于此不能从这种像素中提取深度。在高分辨率的情况下，由于应用处理器无法区分真实的和人工的缺陷像素，所以能够产生人工的缺陷像素，以便隐藏机密。
关联图像数据来描述实施例，所述图像数据例如是由基于图像的传感器，尤其指纹传感器产生的图像数据。同一原理能够毫不费力地应用于其他在本文中所提到的传感器和/或传感器信号。对检查信号32的检验能够基于如下来进行：检查信号32是否具有相应的标记，即水印。水印在此能够被集成为，使得基于用来将单个数据组合的预定义的规则，再次扣除机密并因此既不是干扰性的也不以明文的方式获得。由此能够重建传感器响应。本文描述的实施例的设计方案能够针对如下每个校正系统来实行，所述校正系统移除或减少伪影，例如通过微分或求商移除偏移。尤其是，在本文中所描述的实施例适合于3D图像数据。机密信息能够作为人工的测量缺陷应用于某些信息部件。
图9示出根据一个实施例的方法900的示意性流程图。在910中，借助于传感器元件检测特性，以便获得描述所述特性的传感器信号。在920中，将传感器信号与机密关联，以便获得经关联的传感器信号。在930中，将经关联的传感器信号传送给通信伙伴。在940中，从通信伙伴获得检查信号。在950中，检验：检查信号是否具有机密。
实施例针对如下效果：数量越来越多的3D传感器用于生物特征识别的目的。属于此的是面部识别或对象识别或指纹识别或其他生物识别数据。这些传感器的共同点在于，从用户检测数据，并且将所述数据发送到有功能能力的执行环境，所述执行环境执行特征提取和模式比较(Pattern Matching)。实施例实现：也能够使用本身无安全级或安全级低的有功能能力的执行环境。尽管数据本身由此不变地可被攻击，但是能够进行安全验证。就此而言，实施例实现：数据本身能够在不安全的环境中被处理。在已经在应用处理器即外部的通信伙伴28中执行了后处理(post processing)并且可能已经通过压缩进行了数据缩减之后，能够将结果再次发送给安全的环境，以便借助于所保存的数据执行进一步的检验。
一些应用，尤其安全攸关的应用，要求在传感器(原始数据)与应用程序处理器(所述应用处理器执行后处理)之间所提供的数据的真实性。实施例涉及将水印嵌进图像数据中。尽管这些水印在视觉上不能立即看到，但它们会改变所提供的数据流。
本文描述的实施例中的一些实施例利用了：3D数据的一些特性能够用于将机密以透明的方式和方法嵌进数据流中。如所描述的那样，例如能够计算通过传感器所检测的总共四个值的灰度值(grey scale)和相位值。在这种情况下，实施例提出，仅评估对的差异。因为通过将机密嵌进而使差异保持不变，所以能够使机密相加或相减，而不会改造通过关联所获得的结果。
实施例实现：3D数据能够以透明的方式和方法，即可以在不知悉机密和/或不知悉机密已被应用的情况下通过应用处理器处理。实施例能够设计为，使得仅安全元件18，可能的话传感器14，知道或知悉机密22。只要不违反3D数据特性，机密就能够是加密操作的任何结果，例如消息验证码(Message Authentication Code，MAC)。例如能够将相应的位值或字节值加入像素和图像数据中的至少一个，多个或全部中。
实施例实现：非生物识别数据安全地嵌进3D数据流中，而不改变3D数据本身的特性。实施例提出，传感器从安全的装置，例如直接连接的安全元件接收随机的水印，并且将其应用于传感器数据，更确切地说，使得在特征提取之后，水印在所提取的特性中仍然还可用，例如在检查信号32中，并且能够在该处验证，如在嵌入式安全元件18中进行最终的模式比较期间。
变得清楚的是，在计算相位和灰度数据期间，扣除在对A90°/A270°和A0°/A180°中相加或相减的机密值。这表示：机密值对所产生的3D图像数据没有影响，并且如在常规的3D图像处理系统中一样，例如能够通过应用处理器来进一步处理结果。安全的元件能够接收生物识别传感器的所选择的原始数据点，机密信息已应用于所述原始数据点并且所述机密信息存储于所述原始数据点以在参考中(参考模板)使用。安全的元件指示应用处理器传送修改的数据点，该安全的元件已从生物识别传感器接收所述修改的数据点。这表示：安全的元件知悉原始数据，该安全的元件知悉机密并且知悉候选模板的修改的数据点。能够从机密和原始数据中计算参考模板。只要数据没有损坏或改变，参考模板就与候选模板相同。实施例基于如下机制，所述机制允许将机密信息嵌进3D数据流中，而不会干扰3D数据本身。
第一方面涉及一种传感器装置，其具有：通信装置；用于检测特性并且提供描述该特性的传感器信号的传感器元件；被配置用于提供机密的安全元件，其中传感器装置构成用于将传感器信号与机密关联，以便获得经关联的传感器信号，并且以便利用通信装置将经关联的传感器信号发送给通信伙伴；其中，传感器装置还构成用于利用通信装置从通信伙伴接收检查信号，并且执行检验：该检查信号是否具有机密。
根据第一方面的第二方面涉及一种传感器装置，其中安全元件构成用于检验检查信号是否包含机密。
根据第一方面的第三方面涉及一种传感器装置，所述传感器装置配置用于将检验的结果通知通信伙伴。
根据第一方面的第四方面涉及一种传感器装置，其中安全元件构成用于，在检验结果为肯定时，所述结果表明检查信号具有机密，启用待由通信伙伴执行的功能和/或将信息传送给通信伙伴。
根据第一方面的第五方面涉及一种传感器装置，其中传感器信号具有传感器信息的模式，并且机密包括机密模式，其中传感器装置构成用于将传感器信息的模式与机密模式叠加，以便获得经关联的传感器信号。
根据第一方面的第六方面涉及一种传感器装置，其中传感器元件构成用于多次执行特性的检测，以便提供多个传感器信号，所述传感器信号被提供为，使得传感器元件的在多个传感器信号中产生影响的静态的偏移误差可通过多个传感器信号的组合来补偿。
根据第六方面的第七方面涉及一种传感器装置，其中传感器元件构成用于，为了获得多个传感器信号，发出相对应的数量的具有彼此不同相位位置的测量信号，其中传感器装置被配置用于将机密嵌进多个传感器信号中的每一个中，使得根据预定的规则将多个经关联的传感器信号关联为用于执行静态的偏移误差的补偿的总信号引起：消除总信号中的机密。
根据第七方面的第八方面涉及一种传感器装置，其中基于如下式子来组合多个传感器信号：
Figure BDA0002383462720000161
和
Figure BDA0002383462720000162
其中
Figure BDA0002383462720000163
是总信号的第一分量，所述第一分量说明相位信息，A是总信号的第二分量，所述第二分量说明幅度信息，并且A1、A2、A3和A4称为组合的传感器信号。
根据第八方面的第九方面涉及一种传感器装置，其中组合的传感器信号彼此间具有等距的相位步长。
根据第一方面的第十方面涉及一种传感器装置，其中传感器元件构成为执行多次检测特性来提供多个传感器信号，以便将多个传感器信号提供给安全元件；其中安全元件构成用于将多个传感器信号中的每一个与机密关联，以便获得相对应的多个经关联的传感器信号，并且以便将多个经关联的传感器信号提供给传感器元件以传送给通信伙伴。
根据第一方面的第十一方面涉及一种传感器装置，其中安全元件构成用于将机密提供给传感器元件，其中，传感器元件构成用于将传感器信号与机密关联并且将经关联的传感器信号传送给通信伙伴；其中安全元件构成用于从通信伙伴接收检查信号。
根据第十一方面的第十二方面涉及一种传感器装置，其中机密包括优选时变地设计的数据模式，其中传感器元件构成用于利用双射关联将时变的数据模式与传感器信号关联，以便获得经关联的传感器信号，并且以便将传感器信号提供给安全元件；其中安全元件构成用于利用双射关联将检查信号与机密关联以检验所述检查信号并且将由此获得的关联结果与传感器信号进行比较。
根据第十一方面的第十三方面涉及一种传感器装置，其中传感器元件构成为用于产生图像数据的传感器，其中传感器信号构成为表示图像数据，其中机密包括在图像数据之内的缺陷像素的优选时变地设计的模式，并且其中传感器元件构成用于产生经关联的传感器信号，使得图像数据基于缺陷像素的模式具有关于图像数据中的缺陷像素的说明；其中检查信号包括待检验的图像数据；其中安全元件构成用于检验检查信号以判断缺陷像素是否与缺陷像素的模式一致。
根据第一方面的第十四方面涉及一种传感器装置，其中所述特性是生物识别特性，优选是三维生物识别特性和特别优选是指纹。
根据第一方面的第十五方面涉及一种传感器装置，其中传感器元件构成用于将传感器信号提供为图像信号，其中机密是水印，所述水印与图像信号相组合。
根据第一方面的第十六方面涉及一种传感器装置，其中检查信号是经关联的传感器信号的至少一部分。
第十七方面涉及一种传感器系统，其具有根据第一方面的传感器装置和用于使用经关联的传感器信号的装置，所述装置与传感器装置通过通信装置连接并且构成用于从传感器装置处获得经关联的传感器信号并且从经关联的传感器信号中导出检查信号并且传送给传感器装置。
根据第十七方面的第十八方面涉及一种传感器系统，其具有根据第一方面的传感器装置，其中用于使用经关联的传感器信号的装置配置用于从传感器装置获得检验检查信号的结果，并且基于检验的结果导出经关联的传感器信号的内容或来源是否真实。
根据第十七方面的第十九方面涉及一种传感器系统，其中用于使用经关联的传感器信号的装置构成为：用于获得多个经关联的传感器信号并且执行多个经关联的传感器信号的组合以补偿传感器元件的在多个经关联的传感器信号中产生影响的静态的偏移误差；用于获得总信号；并且用于针对通过所述装置实行的功能使用所述总信号；并且用于从多个经关联的传感器信号之一的至少一部分中导出检查信号。
根据第十七方面的第二十方面涉及一种传感器系统，所述传感器系统构成为移动设备，尤其移动电话或平板电脑。
第二十一方面涉及一种方法，所述方法具有如下步骤：借助于传感器元件检测特性，以便获得传感器信号，所述传感器信号描述所述特性；将传感器信号与机密关联，以便获得经关联的传感器信号；将经关联的传感器信号传送给通信伙伴；从通信伙伴获得检查信号；并且检验：检查信号是否具有机密。
虽然一些方面已经关联设备来描述，但应理解的是，这些方面也是对相应的方法的描述，使得设备的块或组件也应被理解为相应的方法步骤或方法步骤的特征。与其类似地，已经关联方法步骤描述或作为方法步骤描述的方面也是对相应的设备的相应的块或细节或特征的描述。
上述实施例仅是对本发明原理的图解说明。应理解的是，本文所述的装置和细节的修改方案和变化方案对于其他本领域技术人员而言是明确的。因此旨在：本发明仅通过所附的权利要求的保护范围来限制而并不通过根据对在本文中的实施例的描述和说明所呈现的具体细节来限制。

Claims (21)

1.一种传感器装置(10；75；85)，具有：
通信装置(12)；
传感器元件(14)，所述传感器元件用于检测特性并且提供描述所述特性的传感器信号(16)；
配置用于提供机密(22)的安全元件(18)，
其中所述传感器装置构成用于将所述传感器信号(16)与所述机密(22)关联，以便获得经关联的传感器信号(24)，并且以便利用所述通信装置(12)将所述经关联的传感器信号(24)发送给通信伙伴(28)；
其中所述传感器装置还构成用于利用所述通信装置(12)从所述通信伙伴(28)接收检查信号(32)，并且执行检验：所述检查信号(32)是否具有所述机密(22)。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中所述安全元件(18)构成用于检验所述检查信号(32)是否包含所述机密(22)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器装置，所述传感器装置配置用于将所述检验的结果(36)通知所述通信伙伴(28)。
4.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中所述安全元件(18)构成用于，在所述检验的结果为肯定时，所述结果表明所述检查信号(32)具有所述机密(22)，启用待由所述通信伙伴(28)执行的功能和/或将信息传送给所述通信伙伴(28)。
5.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中所述传感器信号(16)具有传感器信息的模式，并且所述机密(22)包括机密模式，其中所述传感器装置构成用于，将传感器信息的模式与所述机密模式叠加，以便获得所述经关联的传感器信号(24)。
6.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中所述传感器元件构成为多次执行所述特性的检测以便提供多个传感器信号(16)，多个所述传感器信号被提供为，使得所述传感器元件(14)的在多个所述传感器信号(16)中产生影响的静态的偏移误差能够通过多个所述传感器信号的组合来补偿。
7.根据权利要求6所述的传感器装置，其中所述传感器元件(14)构成用于为了获得多个所述传感器信号(16)，发出相对应的数量的具有彼此不同相位位置
Figure FDA0002383462710000024
的测量信号(42)，其中所述传感器装置配置用于将所述机密(22)嵌进多个传感器信号(16)中的每一个中，使得根据预定的规则将多个所述经关联的传感器信号(24)关联为用于执行所述静态的偏移误差的补偿的总信号引起：在所述总信号中消除机密(22)。
8.根据权利要求6或7所述的传感器装置，其中基于如下式子来组合多个传感器信号(16)：
Figure FDA0002383462710000021
和
Figure FDA0002383462710000022
其中
Figure FDA0002383462710000023
是所述总信号的第一分量，所述第一分量说明相位信息，A是所述总信号的第二分量，所述第二分量说明幅度信息，并且A1、A2、A3和A4表示组合的传感器信号(24)。
9.根据权利要求8所述的传感器装置，其中所述组合的传感器信号(24)彼此具有等距的相位步长。
10.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，
其中所述传感器元件构成用于多次执行所述特性的检测来提供多个传感器信号(16)，以便将多个传感器信号(16)提供给所述安全元件(18)；
其中所述安全元件(18)构成用于将多个传感器信号(16)中的每一个与所述机密(22)关联，以便获得相对应的多个经关联的传感器信号(24)，并且以便将多个经关联的传感器信号(24)提供给所述传感器元件(14)以传送给所述通信伙伴(28)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，
其中所述安全元件(18)构成用于将所述机密(22)提供给所述传感器元件(14)，
其中所述传感器元件(14)构成用于将所述传感器信号(16)与所述机密(22)关联并且将所述经关联的传感器信号(24)传送给所述通信伙伴(28)；
其中所述安全元件(18)构成用于从所述通信伙伴(28)接收所述检查信号(32)。
12.根据权利要求11所述的传感器装置，其中所述机密(22)包括优选时变地设计的数据模式，其中所述传感器元件(14)构成用于利用双射关联将所述时变的数据模式与所述传感器信号(16)关联，以便获得所述经关联的传感器信号(24)，并且以便将所述传感器信号(16)提供给所述安全元件(18)；其中所述安全元件(18)构成用于利用所述双射关联将所述检查信号(32)与所述机密(22)关联以检验所述检查信号(32)并且将由此获得的关联结果与所述传感器信号(16)进行比较。
13.根据权利要求11或12所述的传感器装置，其中所述传感器元件(14)构成为用于产生图像数据的传感器，其中所述传感器信号(16)构成为表示所述图像数据，其中所述机密(22)包括在图像数据之内的缺陷像素(84)的优选时变地设计的模式，并且其中所述传感器元件(14)构成用于产生所述经关联的传感器信号(24)，使得所述图像数据基于所述缺陷像素(8)的模式具有关于所述图像数据中的缺陷像素的说明；其中所述检查信号(32)包括待检查的图像数据；其中所述安全元件(18)构成用于检验所述检查信号(32)以判断所述缺陷像素(82，84)是否与缺陷像素(84)的模式一致。
14.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中所述特性是生物识别特性，优选是三维生物识别特性和特别优选是指纹。
15.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中所述传感器元件(14)构成用于将所述传感器信号(16)作为图像信号提供，其中所述机密是水印，所述水印与所述图像信号相组合。
16.根据上述权利要求中任一项所述的传感器装置，其中所述检查信号(32)是所述经关联的传感器信号(24)的至少一部分。
17.一种传感器系统(20；70；80)，具有上述权利要求中任一项所述的传感器装置(10；75；85)；
用于使用经关联的传感器信号的装置(28)，所述装置与所述传感器装置通过通信装置(12)连接并且构成用于从所述传感器装置获得经关联的传感器信号(24)；并且从所述经关联的传感器信号(24)中导出检查信号(32)并且传送给所述传感器装置。
18.根据权利要求17所述的传感器系统，其中用于使用所述经关联的传感器信号的装置(28)配置用于从所述传感器装置获得检验所述检查信号(32)的结果，并且基于所述检验的结果导出所述经关联的传感器信号的内容或来源是否真实。
19.根据权利要求17或18所述的传感器系统，其中
用于使用所述经关联的传感器信号的装置(28)构成为：用于获得多个经关联的传感器信号(24)并且执行多个经关联的传感器信号(16)的组合以补偿所述传感器元件(14)的在多个经关联的传感器信号中产生影响的静态的偏移误差；用于获得总信号
Figure FDA0002383462710000041
并且用于针对通过所述装置实行的功能使用所述总信号
Figure FDA0002383462710000042
并且用于从多个经关联的传感器信号之一的至少一部分中导出所述检查信号(32)。
20.根据权利要求17至19中任一项所述的传感器系统，所述传感器系统构成为移动设备，尤其移动电话或平板电脑。
21.一种方法(900)，所述方法具有下述步骤：
借助于传感器元件检测(910)特性，以便获得传感器信号，所述传感器信号描述所述特性；
将所述传感器信号与所述机密关联(920)，以便获得经关联的传感器信号；
将所述经关联的传感器信号传送(930)给通信伙伴；
从所述通信伙伴获得(940)检查信号；并且
检验(950)：所述检查信号是否具有所述机密。
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