CN113516021A - 一种生物活体特征检测方法及装置 - Google Patents

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CN113516021A CN202110443086.5A CN202110443086A CN113516021A CN 113516021 A CN113516021 A CN 113516021A CN 202110443086 A CN202110443086 A CN 202110443086A CN 113516021 A CN113516021 A CN 113516021A
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姜洪霖
黄昊
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Abstract

本发明公开了一种生物活体特征检测方法及装置，该方法包括：S1:指纹解锁；S2:心率检测。心率检测是通过把光学模组置于OLED屏幕下方或屏内，当进行心率检测时，对所述指纹图像的设备感测系统感测环境温度并据此控制OLED屏幕对应手指按压区域的光源发射优选光波段，在一定时间内采集多帧连续指纹图像，提取指纹图像的光电容积脉搏波(photo plethysmography，PPG)信号，获得心率频率数据。本发明不仅可以采集高质量指纹图像实现移动设备解锁，而且可以通过设备感温系统感测环境温度控制OLED屏幕手指按压区域光源光波段的优选，实现多环境下人体心率信息的准确检测，随时监测用户的健康状态。

Description

一种生物活体特征检测方法及装置
技术领域
本发明涉及一种生物活体特征检测方法及装置。
背景技术
全面屏手机已成为移动设备发展的主流，光学指纹识别技术广泛应用于全面屏手机等终端设备，为用户带来了更优的使用体验。在实现指纹识别解锁设备基础功能的同时，进一步开发拓展基于指纹鉴别模组的新功能，实现移动设备多功能互联，比如心率监测功能的实现，以便随时监测用户的健康状况，是提高使用体验及健康生活的现代化趋势。
发明内容
为了解决上述缺陷，一方面，本发明提供一种一种生物活体特征检测方法，该方法光学模组除了用于解锁外，还用于心率检测。
一种生物活体特征检测方法，该方法包括：
S1:指纹解锁；
S2:心率检测。
可选地，所述指纹解锁包括以下步骤：
S11：发光元件发射白光；
S12：光学模组采集指纹图像；
S13:指纹图像处理，特征点匹配解锁。
可选地，所述心率检测包括以下步骤：
S21:发光元件发射适合心率检测波长的光；
S22:光学模组采集多帧连续指纹图像；
S23:心率频率信息数据处理。
本发明生物活体特征检测方法通过把生物图像采集模组置于OLED屏幕下方或屏内，生物手指按压模组所对应的屏幕上方区域，在一定时间内采集手指按压的连续多帧指纹图像，提取所述获取指纹图像的光电容积脉搏波(photo plethysmography，PPG)，对所述指纹图像的光电容积脉搏波信号进行数据处理，获得心率频率数据。其特征在于：所述连续多帧指纹图像的采集所使用的光源由OLED屏幕选区域控制发射，所使用光源波长根据设备感温系统感测结果进行选择，当感测温度20℃以下时，优选520nm～560nm波段(绿光)，当感测温度高于20℃，优选620nm～670nm波段(红光)。
其中，应该理解的是，人体皮肤包括表皮、真皮和皮下组织三部分，波长不同对皮肤的透射深度也各有差异，伴随波长增加，光的穿透深度逐渐加深。血液中包含大量血小板、胆红素、氧合血红蛋白等成分，均具有较强的吸收光的特性。对于可以穿透表皮层和真皮层的反射式PPG检测，表皮层的反射仅占全部反射的6％，可近似将表皮层看作吸收媒介，只考虑真皮层上的反射作为PPG信号的来源，因此入射光源的探测深度至少为1mm，250nm入射光最深透射深度2um，1000nm入射光最深透射1600um。研究表明，三种光波段，绿光(520～560nm)、红光(620～670nm)、红外光(900～980nm)波段波长均符合。绿光相较于红外和红光，探测深度较小，包含的心率叠加信息较少，而且心率信息波动幅度大于红外和红光，有利于得到更为清晰的关于血管容积搏动的迹象，所以第一优选为绿光波段，其次为红光和红外光。
当OLED屏幕按压区域检测手指按压并感测温度20℃以下时控制发射绿光(520～560nm)；当OLED屏幕按压区域检测手指按压并感测温度20℃以上时控制发射红光(620～670nm)，这是因为温度高于20℃时，人体易于出汗且出汗量较大，手指皮肤湿度较大，绿光在皮肤组织中衰减变快，探测深度变浅且反射的光信号携带PPG信号变弱，此种情况下根据上述分析，红光(620～670nm)探测深度所获取的PPG信号更强，所以此时红光(620～670nm)作为优选的心率检测波长。
其中，还应该理解，由于上述滤波膜层结构的存在，红外光波段是完全截止，因此红外光不可作为本技术方案中PPG信号获取的光源选择。
需要说明的是：OLED显示屏的手指按压区域大小和光源颜色可根据所述光学模组所需实现功能进行相应的控制调整。
其中，当光学模组用于指纹解锁移动设备时，OLED显示屏的手指按压区域优选为全波段白色光源，而且按压区域大于光学模组的有效识别区域(Active Area)，可以有效利用sensor的所有像素成像，在短曝光时间内获得满足算法识别的指纹特征信息。
其中，当光学模组用于生物活体心率检测时，根据上述对获取皮肤PPG信号的敏感光源波段的分析，OLED屏幕手指按压区域优选波长根据感温系统感测结果进行控制选择,具体原因不再赘述；同时，需要一定时间内采集多帧连续生物指纹图像，为减小数据传输量和占用设备CPU内存，用于采集多帧连续指纹图像的像素区域可小于光学模组的有效识别区域(ActiveArea)，而且用于心率检测的OLED显示屏的按压图标大小可小于指纹解锁设备时OLED显示屏的手指按压区域。
可选地；所述用于采集多帧连续指纹图像的像素区域的像素排布为H*L，其中，1≤H≤M，1≤L≤N，H和L均为整数。
一方面，本发明还提供一种生物活体特征检测装置。
一种生物活体特征检测装置，包括显示屏、光学模组和发光元件，所述生物活体特征检测装置还包括波长选择控制模块，波长选择控制模块控制发光元件发出的波长范围，发光元件分别发出用于指纹解锁的波段的光和用于心率检测的光。
显示屏的手指按压区域(Pressarea)可根据芯片模组所实现功能进行相应的控制调整，包括图标的大小、亮度和颜色(对应光波长选取)；所述芯片模组在OLED屏下旋转特定一角度θ，所述旋转角度θ根据OLED屏幕像素排布进行计算选取，消除莫尔条纹影响，获得高质量图像。
可选地；所述生物活体光学模组置于OLED屏下方，或指纹模组嵌套于OLED屏内部。
可选地；所述OLED显示屏的手指按压区域中心(Pressarea)与所述光学模组的有效识别区域(ActiveArea)中心共轴对应；所述光学模组的有效识别区域的像素排布为M*N阵列排布(M≥1,N≥1；且均为整数)。
可选地；所述OLED显示屏的用于手指按压点亮区域可以是圆形，或方形，或菱形，或等六边形等形状。
可选地；所述生物指纹鉴别装置的单个Microlens(微透镜)与至少4个Pixel相对应，用于接收光线的Pixel(有效集光像素)不与Microlens(微透镜)的中轴共轴。
一种可实现的方式中，所述防杂光光阑设置于Microlens(微透镜)与视场光阑之间，其目的是防止相邻Microlens(微透镜)对应的视场光线和外界部分斜入射进入的光线被光线收集单元Pixel接收，影响图像质量。
一种可实现的方式中，所述视场光阑位于铝箔膜层结构和Pixel之间，置于Microlens(微透镜)的焦平面上，其形状为圆形。
可选地；所述滤波膜层结构可通过的波段范围为420nm—680nm波段，此波段范围外其他波段光线截止，截止等级≥OD3，可允许绿光波段光线通过膜层结构。
与现有技术相比，本发明有益效果在于：
本发明不仅可以采集高质量指纹图像，实现移动设备解锁，而且可以通过设备感温系统感测环境温度控制OLED屏幕手指按压区域光源光波段的优选，实现多环境下人体心率信息的准确检测，随时监测用户的健康状态。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明光学模组实现功能选择流程示意图；
图2为本发明光学模组另一种实现功能选择流程示意图；
图3为生物活体特征检测装置示意图；
图4为光学模组光路结构示意图；
图5为OLED显示屏手指按压区域(Pressarea)形状示例图；
图6为发光元件RGB像素分布示意图；
图7为心率检测光路原理示意图；
图8为绿光LED像素作为主要发光光源的示意图；
图9为红光LED像素作为主要发光光源的示意图；
图1-9中，生物活体特征检测装置100，OLED显示屏101，光学模组102，光路结构200，微透镜阵列201，光学填充层202，防杂光光阑203，滤波膜层结构204，视场光阑205，像素阵列206，手指按压区域1011，绿色LED光源301，红色LED光源302，蓝色LED光源303。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
请参考图1-图2，图1为本发明光学模组实现功能选择流程示意图，图2为本发明光学模组另一种实现功能选择流程示意图。
一种生物活体特征检测方法，该方法包括：
S1:指纹解锁，纹解锁包括以下步骤；
S11：发光元件发射白光；
S12：光学模组采集指纹图像；
S13:指纹图像处理，特征点匹配解锁。
S2:心率检测，心率检测包括以下步骤：
S21:发光元件发射适合心率检测波长的光，当环境温度T>20℃时，发光元件发射红光，当环境温度T≦20℃时，发光元件发射绿光；
S22:光学模组采集多帧连续指纹图像；
S23:心率频率信息数据处理。
基于上述的生物活体特征检测方法，本发明还提供一种生物活体特征检测装置。
请参考图3和图4，图3为生物活体特征检测装置示意图，图4为光学模组光路结构示意图。
一种生物活体特征检测装置100，包括OLED显示屏101和光学模组102，光学模组102置于OLED显示屏101下方，或嵌套于OLED显示屏101内部。
光学模组102的光路结构200包括Microlens(微透镜)阵列201、光学填充层202、防杂光光阑203、滤波膜层结构204、视场光阑205、Pixel阵列(像素阵列)206和图像处理单元；光学模组102的单个Microlens(微透镜)与至少4个Pixel相对应，用于接收光线的Pixel(有效集光像素)不与Microlens(微透镜)的中轴共轴；防杂光光阑203设置于Microlens(微透镜)201与滤波膜层结构204之间，其目的是防止相邻Microlens(微透镜)对应的视场光线和外界部分斜入射进入的光线被光线收集单元Pixel接收，影响图像质量；视场光阑205位于滤波膜层结构204和Pixel阵列206之间，置于Microlens(微透镜)的焦平面上，其形状为圆形。
为获得高质量成像，光学模组102在OLED显示屏101下旋转角度θ，光学模组102旋转角度θ根据OLED屏幕像素排布进行计算选取，用于消除莫尔条纹影响，从而获得高质量成像。
OLED显示屏101的手指按压区域1011(Pressarea)可根据光学模组102所实现功能进行相应的控制调整，包括图标的大小、亮度和颜色(对应光波段)。
请参考图5，图5为OLED显示屏手指按压区域(Pressarea)形状示例图。OLED显示屏101的手指按压点亮区域可以是圆形，或方形，或菱形，或等六边形等形状。
OLED显示屏101的手指按压区域中心(Pressarea)与所述光学模组的有效识别区域(ActiveArea)中心共轴对应，光学模组102的有效识别区域的像素排布为M*N阵列排布(M≥1,N≥1；且均为整数)。
生物活体特征检测装置100还包括发光元件，发光元件置于显示屏101下方，或是OLED显示屏101内部的RGB发光元件，发光元件用于发射光学模组102所需要的光。发光元件可发射白光、绿光、红光和蓝光等。
请参考图6，图6为发光元件RGB像素分布示意图。
图6中，绿色LED光源301、红色LED光源302和蓝色LED光源303呈周期性排列。
滤波膜层结构204可通过的波段范围为420nm～680nm波段，此波段范围外其他波段光线截止，截止等级≥OD3，在可允许通过波段光线中绿光全波段通过。
生物活体特征检测装置100还包括波长选择控制模块，波长选择控制模块控制发光元件发出的波长范围。
当光学模组用于指纹解锁移动设备时，OLED显示屏的手指按压区域优选为全波段白色光源，发光亮度调整为高亮模式，而且按压区域大于光学模组的有效识别区域(ActiveArea)，可以有效利用sensor的所有像素成像，在短曝光时间内获得满足算法识别的指纹特征信息。
当光学模组用于生物活体心率检测时，生物手指按压光学模组102所对应的屏幕上方区域，在一定时间内采集手指按压的连续多帧指纹图像，提取所述获取指纹图像的光电容积脉搏波(photoplethysmography，PPG)，对指纹图像的光电容积脉搏波信号进行数据处理，获得心率频率数据。连续多帧指纹图像的采集所使用的光源由发光元件发射，光的波长由波长选择控制模块控制，波长选择控制模块根据设备感温系统感测结果进行选择。
请参考图7，图7为心率检测光路原理示意图。
人体皮肤包括表皮、真皮和皮下组织三部分，波长不同对皮肤的透射深度也各有差异，伴随波长增加，光的穿透深度逐渐加深。血液中包含大量血小板、胆红素、氧合血红蛋白等成分，均具有较强的吸收光的特性。对于可以穿透表皮层和真皮层的反射式PPG检测，表皮层的反射仅占全部反射的6％，可近似将表皮层看作吸收媒介，只考虑真皮层上的反射作为PPG信号的来源。因此入射光源的探测深度至少为1mm，250nm入射光最深透射深度2um，1000nm入射光最深透射1600um。研究发现，三种常见光，绿光(520～560nm)、红光(620～670nm)、红外光(900～980nm)波段波长均符合。
请参考图8，图8为绿光波段点亮的像素示意图。
当感温系统感测温度低于20℃时，光源优选为绿光波段，绿光LED像素作为主要发光光源，绿光相较于红外和红光，探测深度较小，包含的心率叠加干扰信息较少，而且心率信息波动幅度大于红外和红光，有利于得到更为清晰的关于血管容积搏动的迹象。
根据上述对获取皮肤PPG信号的敏感光源波段的分析，当感温系统感测温度低于20℃，OLED屏幕按压区域优选为绿光波段(520～560nm),具体原因不再赘述；同时，需要一定时间内采集多帧连续生物指纹图像，为减小数据传输量和占用设备CPU内存，提取PPG信号的躲着指纹图像用于采集多帧连续指纹图像的像素区域可小于光学模组的有效识别区域(ActiveArea)，而且用于心率检测的OLED显示屏的按压图标大小可小于指纹解锁设备时OLED显示屏的手指按压区域。
用于采集多帧连续指纹图像的像素区域的像素排布可以为H*L，其中，1≤H≤M，1≤L≤N，H和L均为整数。
请参考图9，图9为红光LED像素作为主要发光光源的示意图。
当感温系统感测温度高于20℃时，连续多帧指纹图像的采集所使用光源波长优选620nm～670nm波段(红光)，这是因为温度高于20℃时，人体易于出汗且出汗量较大，手指皮肤湿度较大，绿光在皮肤组织中衰减变快，探测深度变浅且反射光信号携带的PPG信号变弱，所以此种情况下红光(620～670nm)作为优选的心率检测波长。
当光学模组用于指纹解锁移动设备时，OLED显示屏的手指按压区域优选为全波段白色光源，发光亮度调整为高亮模式，而且按压区域大于光学模组的有效识别区域(ActiveArea)，可以有效利用sensor的所有像素成像，在短曝光时间内获得满足算法识别的指纹特征信息。
当光学模组用于生物活体心率检测时，根据上述对获取皮肤PPG信号的光源波段的分析，实施例中感温系统感测温度高于20℃，OLED屏幕按压区域优选为红光(620～670nm)。
用于采集多帧连续指纹图像的像素区域的像素排布可以为H*L，其中，1≤H≤M，1≤L≤N，H和L均为整数。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或者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，而不是指示或者暗示所指的装置或者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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非是另有精确具体地规定。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种生物活体特征检测方法，该方法包括：
S1:指纹解锁；
S2:心率检测。
2.根据权利要求1所述的生物活体特征检测方法，其特征在于，所述指纹解锁包括以下步骤：
S11：发光元件发射白光；
S12：光学模组采集指纹图像；
S13:指纹图像处理，特征点匹配解锁。
3.根据权利要求1-2任一所述的生物活体特征检测方法，其特征在于，所述心率检测包括以下步骤：
S21:发光元件发射适合心率检测波长的光；
S22:光学模组采集多帧连续指纹图像；
S23:心率频率信息数据处理。
4.根据权利要求3所述的生物活体特征检测方法，其特征在于，所述S21中，发光元件根据波长选择控制元件发射适合心率检测波长的光，波长选择控制元件根据设备感温系统感测结果进行选择。
5.根据权利要求3所述的生物活体特征检测方法，其特征在于，所述S21中，当感测温度T>20℃时，发光元件发射红光，当感测温度T≦20℃时，发光元件发射绿光。
6.根据权利要求1-5任一所述的生物活体特征检测方法，其特征在于，所述S22中，采集多帧连续指纹图像的像素区域的像素排布为H*L，其中，1≤H≤M，1≤L≤N，H和L均为整数。
7.一种生物活体特征检测装置，包括显示屏、光学模组和发光元件，其特征在于，所述生物活体特征检测装置还包括波长选择控制元件，波长选择控制元件控制发光元件发出的波长范围，发光元件分别发出用于指纹解锁的波段的光和用于心率检测的光；可选地，光学模组在显示屏下旋转角度θ，角度θ根据屏幕像素排布进行计算选取，用于消除莫尔条纹影响。
8.根据权利要求7所述的生物活体特征检测装置，其特征在于，所述生物活体特征检测装置还包括设备感温系统，波长选择控制模块根据该设备感温系统感测结果进行选择合适的波段。
9.根据权利要求8所述的生物活体特征检测装置，其特征在于，所述波长选择控制模块选择控制时，当进行心率检测检测时，设备感温系统感测T>20℃时，发光元件发射红光，当感测温度T≦20℃时，发光元件发射绿光。
10.根据权利要求7所述的生物活体特征检测装置，其特征在于，所述光学模组的光路结构包括微透镜阵列、光学填充层、防杂光光阑、滤波膜层结构、视场光阑、像素阵列和图像处理单元。
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