CN1169083C

CN1169083C - 指纹读取方法以及指纹读取装置

Info

Publication number: CN1169083C
Application number: CNB021273057A
Authority: CN
Inventors: �Ҿ�һ��; 岩井一
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2001-08-06
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2004-09-29
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: CN1402183A; TW571247B; US20030025897A1; JP2003050993A; KR20030014111A; US7084415B2

Abstract

通过简单地结构就可以判别按在指纹核对面上的手指是真指(生物体)，还是复制的模拟手指。作为对着指纹核对面2照射检测光线的光源，设置红色发光的LED 4和绿色发光的LED 5两种。当手指Y按在指纹核对面2上时，仅使LED 4发光，此时来自指纹核对面2的反射光入射到摄像装置10，得到第一图像。同样，使LED 5发光，得到第二图像。对于第一图像，把与指纹凹凸相应的反射光的强弱差确定为D1，对于第二图像把对比度之差确定为D2。当D1与D2的差值的绝对值大于第一阈值R时，判定手指Y为真的生物体。

Description

指纹读取方法以及指纹读取装置

技术领域

本发明涉及一种指纹读取方法以及指纹读取装置。

背景技术

为取代使用密码来确认人们的身份，现在大多通过指纹核对来确认是否是本人，因此使用指纹核对装置。光学式指纹核对装置将指纹的凹凸转换为光的强弱，通过摄像装置将其转换为电信号(与指纹相应的图像信号)，通过将得到的电信号与预先存储的本人用的电信号进行比较，来确认是否是本人。为了得到与指纹的凹凸相应的光的强弱信号，从光源射出的检测光线对着按下手指的指纹核对面照射，由该指纹核对面反射的检测光线即反射光经过成像透镜，入射到摄像装置。

但是，上述指纹核对装置存在进行欺骗行为的可能性，即对着指纹核对面按下的不是真人手指，而是具有他人手指指纹的模拟手指，从而将他人误认为是本人。作为模拟手指可以考虑到各种情况，例如有将他人手指的指纹复制的复制图像。

为了防止利用上述模拟手指的欺骗行为，应确认按在指纹核对面上的手指是否是真人手指，即确认手指的真伪。作为确认手指真伪的一个方法，可以判别按在指纹核对面上的物体是否是生物体(参照例如日本专利第2637253号公报、日本专利第2774313号公报、日本专利2773750号公报、特开2000-201907号公报)。

发明内容

但是，在上述各公报所记载的方法中，任何一个都需要相对于指纹核对所必需的光学系统，另外增加用于生物体检测的特别构造，从而成为装置大型化以及成本增加的重要原因。

因此，本发明的目的是提供一种通过简单的结构就可以确认按在指纹核对面上的手指的真伪的指纹读取方法以及指纹读取装置。

为了实现上述目的，本发明的指纹读取方法采用以下解决方案一。即，本发明的指纹读取方法包括以下步骤：

第一步骤，使具有第一发光颜色的检测光线(例如从图1的LED 4射出的检测光线)照射在按下手指(例如图1的手指Y)的指纹核对面(例如图1的指纹核对面2)上，得到与来自该指纹核对面的反射光相应的第一图像；

第二步骤，使具有与上述第一发光颜色不同的第二发光颜色的检测光线(例如从图1的LED 5射出的检测光线)照射在上述指纹核对面上，得到与来自该指纹核对面的反射光相应的第二图像；

第三步骤，将上述第一图像和第二图像进行比较，判定按在上述指纹核对面上的手指的真伪。

由于所使用的检测光线颜色不同，在所得到的图像状态中，与例如指纹的凹凸相应的光强弱之差即对比度之差产生变化。在是生物体的真人手指和不是生物体的模拟手指之间，当检测光线为某个特定颜色时，该对比度之差有时不同，通过改变检测光线的颜色，可以使该差值变大。

即，本发明使用两种不同颜色的检测光线，通过将与该两种颜色相应的图像彼此进行比较，可以提高判定按在指纹核对面上的手指是真的手指还是模拟手指的判定精度。并且，相对于进行指纹核对所必需的原有光学系统，只要照射两种颜色的检测光线作为光源就可以了，从而能以简单的结构、低廉的成本实现。当然，也可以使用三种以上颜色的光。

将上述解决方案作为前提，可以同时采用以下方法。即，

上述第一图像和第二图像分别为黑白图像，

在上述第三步骤中的判定是通过将上述第一图像中的对比度之差(例如图7的对比度之差D1)和上述第二图像中的对比度之差(例如图7的对比度之差D2)之间的差值与规定的阈值(例如图7的阈值R)进行比较而进行的。

在这种情况下，由于摄像装置(例如图1的摄像装置10)只要得到黑白图像就可以了，所以与得到彩色图像的情况相比，其成本极低，而且用于图像处理的控制系统的负担也极小。此外，可以简单地进行手指真伪的判定，这是较为理想的。

可以使上述第一发光颜色和第二发光颜色的发光源分别为LED(例如图1的LED 4、5)，上述第一发光颜色和第二发光颜色其中之一为红色，另一个为绿色。在这种情况下，可以利用一般使用的LED作为指纹核对装置用的光源，此外可以使用由于发光颜色的关系而价格便宜的LED，从而使所得到的图像之差与颜色相关。当然，也可以使用红和绿以外的其他颜色的光。

本发明还可以包括存储上述第一图像和第二图像(例如图6的SRAM 21)的第四步骤，

在上述第三步骤中使用的第一图像和第二图像分别是在上述第四步骤中存储的第一图像和第二图像。

在这种情况下，可以迅速地得到与各颜色相应的按在指纹核对面上的手指的指纹图像，从而可以极大地缩短手指按在指纹核对面上所需要的时间。

为了实现上述目的，本发明的指纹读取装置采用以下解决方案五。即，本发明的指纹读取装置，使从光源射出的检测光线照射在按下手指的指纹核对面(例如图1的指纹核对面2)上，把来自指纹核对面的反射光输入摄像装置(例如图1的摄像装置10)，从而得到与该反射光相应的图像，其特征在于，

作为上述光源，设置用于照射具有第一发光颜色的检测光线的第一光源(例如图1的LED 4)和用于照射具有与该第一发光颜色不同的第二发光颜色的检测光线的第二光源(例如图1的LED 5)。

根据上述解决方案，提供了一种实施实施本发明的指纹读取方法时从光源到摄像装置的光学系统的构造。

本发明还可以包括发光切换装置(例如图1的发光控制电路U1)，切换使上述第二光源不发光而仅使上述第一光源发光的第一发光状态，以及使上述第一光源不发光而仅使上述第二光源发光的第二发光状态。在这种情况下，本发明提供了一种还具有发光切换装置的构造。

本发明还可以包括判定装置(例如图6的真伪判别电路)，根据由上述第一发光状态得到的第一图像和由上述第二发光状态得到的第二图像之间的差值，判定按在上述指纹核对面上的手指的真伪。在这种情况下，本发明提供了一种最终判定手指真伪的构造。

本发明可以在上述光源和指纹核对面之间，设置使从上述光源发射的检测光线进行面发光而照射在上述指纹核对面上的漫射板(例如图1的漫射板3)。由此，可以使极为均匀的光线照射在按在指纹核对面上的手指，从而使指纹的凹凸部分的对比度之差均一，这是较为理想的。

如在指纹读取方法中所说明的一样，

上述第一光源和第二光源分别为LED，

上述第一发光颜色和第二发光颜色其中之一为红色，另一个为绿色。

本发明还可以包括分别存储了上述第一图像和第二图像的存储装置(例如图6的SRAM 21)，

上述判定装置使用的上述第一图像和第二图像分别是存储在上述存储装置中的第一图像和第二图像。

这种情况在对指纹读取方法的说明中已进行了说明，可以迅速地得到与各颜色相应的按在指纹核对面上的手指的指纹图像，从而极大地缩短手指按在指纹核对面上所需的时间，这是较为理想的。

上述摄像装置得到黑白图像，

上述判定装置的判定是通过将上述第一图像中的对比度之差(例如图7的对比度之差D1)和第二图像中的对比度之差(例如图7的对比度之差D2)之间的差值与规定的阈值(例如图7的阈值R)进行比较而进行的。在这种情况下，由于摄像装置可以得到黑白图像，与得到彩色图像的情况相比，其成本极低。此外，可以极为简单地进行手指真伪的判定，这是较为理想的。

附图说明

图1是简要地表示适用于本发明的光学系统的一个例子的侧视图。

图2是表示按在指纹核对面上的手指的放大图。

图3是简要地表示漫射板和光源的俯视图。

图4是图3的漫射板的X4-X4线剖视图。

图5是表示棱镜的构成的透视图。

图6是表示进行图像存储和手指真伪判定的电路示例的图。

图7是表示图像存储以及根据图像存储进行手指真伪判定的控制示例的流程图。

具体实施方式

图1中的1是由光学玻璃或光学树脂形成的棱镜，为了表示后述的检测光线的光路，省略了剖面线。

棱镜1是截面为四角形的四角棱镜，其四个表面如下所述。首先，相当于上表面的规定表面1a是平坦表面，其大部分的面积部分是作为手指Y按下的指纹核对面2而构成。在本实施方式中，在作为指纹核对面2的部分上，规定表面1a的规定面积部分是通过涂覆用于强调手指指纹的凹凸的膜材料(例如硅酮膜)而形成的。

在棱镜1的四个表面中，与规定表面1a相对的相对表面1b，相对于规定表面1a稍有倾斜。具体地讲，在图1中相对表面1b倾斜，使得从左方向右方，棱镜1上下方向的厚度逐渐变厚。

在棱镜1的四个表面中，图1中左侧的一个侧端面1c与规定表面1a成直角延伸。在棱镜1的四个表面中，图1中右侧的另一个侧端面1d相对于规定表面1a稍有倾斜。即另一个侧端面1d倾斜，使得随着离开规定表面1a越远，与一个侧端面1c的离开距离逐渐变大。

在棱镜1的正下方，即相对表面1b附近，设置有漫射板(导光板)3。漫射板3整体为平板状，其具有较大面积的板面配置在棱镜1的相对表面1b附近(可以与相对表面1b接触)，并且与相对表面1b平行。漫射板3向着图1中的左方，壁厚逐渐变薄，其底面3a与棱镜1的规定表面1a平行或大致平行。

如图3所示，在图1中漫射板3的左端侧，配置有作为光源的LED4、5。LED 4用于例如红色发光，在与纸面垂直的方向上隔开一定间隔而配置多个(在本实施方式中为2个)。LED 5用于例如绿色发光，在与纸面垂直的方向上隔开一定间隔而配置多个(在本实施方式中为2个)。LED 4和5成对，互相靠近配置的各一个LED 4和5为一组，一共构成2组。

漫射板3将从LED 4、5射出的检测光线扩散，向棱镜1的相对表面1b进行面发光。上述漫射板3可以采用如图4所示的构造。即，漫射板3由以下部分构成：主体板3A，由透光材料制成；表面板3B，在主体板3A的上表面一体地形成。在主体板3A的上表面，形成横亘几乎整个表面的细沟槽3C。该沟槽3C用于将作为光源自LED 4、5入射的检测光线呈面状被漫反射，在与从LED 4、5射出的光的行进方向大致平行的方向上(图1和图3的左右方向)延伸，并且在LED 4、5的配置方向上(图1的纸面垂直方向，图3的上下方向)形成多条。通过上述表面板3B，在主体板3A被漫反射的检测光线被矫正成为向着规定方向发光的均一光线。

与此相对，在与棱镜1的漫射板3接触的表面1b上，如图5所示，在来自LED 4、5的光的行进方向上(图1的左右方向)设置多个在与漫射板3的沟槽3C(图4)垂直的方向上延伸的微棱镜1A。这样，通过形成微棱镜1A，可以有效地将光向着指纹核对面2的方向漫反射。

通过漫射板3而成为面发光状态的检测光线，通过设定上述棱镜1的四个表面1a～1d，如图1的箭头所示，在棱镜1内行进，最终从棱镜1的一个侧端面1c最终出射到外部。即，来自漫射板3的检测光线从相对表面1b入射到棱镜1内，在棱镜1内行进，对着规定表面1a即指纹核对面2倾斜地入射。由指纹核对面2反射的检测光线即反射光，通过棱镜1内，对着相对表面1b倾斜地入射。入射到相对表面1b的反射光在该相对表面1b上被反射，在棱镜1内行进，对着另一个侧端面1d倾斜地入射。入射到另一个侧端面1d上的反射光被另一个侧端面反射，通过棱镜1内，向着一个侧端面1c，从该一个侧端面1c向棱镜1的外部射出。

在图1的棱镜1的左侧，即来自棱镜1的检测光线的出射方向上，配置有成像透镜RZ。该成像透镜RZ由第一透镜6、可变光阑7和第二透镜8组合而成。第二透镜8配置在第一透镜6的相反一侧，并且与第一透镜6一起将可变光阑夹在中间，第二透镜8是单面凸透镜，其通过可变光阑7之后的检测光线入射的入射面为凸面，出射面为平坦表面。

在成像透镜RZ的左方配置有反射镜9，在该反射镜9的下方配置有摄像装置10。该摄像装置10可以由n×m矩阵状配置的多个光电二极管构成，或者可以由CMOS图像传感器构成。摄像装置10仅能得到黑白图像，价格低廉。上述反射镜9和摄像装置10在上下方向上靠近配置，使得整体在上下方向上变薄。

图1中虚线所示的部分是覆盖构成光学系统的部件的壳体K。壳体K极薄，其厚度比棱镜1的厚度稍厚。

即，薄的漫射板3配置在紧贴在棱镜1的下方，该棱镜1和漫射板3在组装状态下，其上下方向厚度很小，使得壳体K的上下方向厚度也极大地变小。特别是，由于棱镜1和漫射板3的上下方向厚度的变化方向在图1的左右方向上相反，即在图1中，棱镜1向着右方逐渐变厚，而漫射板3向着右方逐渐变薄，当将棱镜1和漫射板3在上下方向上重叠配置时，其上下方向的总厚度就变小。另外，当使漫射板3与棱镜1相同地向着图1的右方逐渐变厚时，棱镜1和漫射板3的上下方向厚度与图1所示的情况相比变极厚。

在使棱镜1和漫射板3的组装体向图1的左方延长的轨迹内，成像透镜RZ和LED 4、5在上下方向上处于被隔开的状态而配置。比该成像透镜RZ和LED 4、5更靠近图1左方配置的反射镜9以及薄板状摄像装置10在上述延长轨迹内、在上下方向上隔开配置。这样，在使棱镜1和漫射板3在上下方向上重叠的厚度范围内，配置各种部件RZ(6～8)、9、10，从而可以使壳体K做得极薄。上述第一透镜6、可变光阑7、第二透镜9预先收藏在保护壳11内，成为一体的组装体，该保护壳11被固定在壳体K的规定位置上。当将成像透镜RZ的光轴作为基准时，以该光轴为中心，指纹核对面2位于一侧，漫射板3、LED 4、5位于另一侧，棱镜1位于光轴上(光轴位于棱镜1的上下方向的大致中间位置)。

LED 4和5其中一个先发光，然后另一个LED发光，此时，当一个LED发光时，另一个灭灯。即，例如红色发光的LED 4先在规定时间内发光(此时绿色发光的LED 5灭灯)，然后LED 5在规定时间内发光(此时LED 4灭灯)。切换上述LED 4和5的发光状态的发光控制电路在图1中以标号U1表示。

图6表示用于对用摄像装置10所拍摄的图像进行处理的电路。在图6中，控制电路U2用于将通过摄像装置10拍摄的图像存储在作为存储装置的例如SRAM21中。即，来自摄像装置10的图像(图像信号)经过摄像元件控制电路22、信号放大器23、A/D转换器24，被输入SRAM 21。通过定时控制电路25，可以实现控制电路22、A/D转换器24和SRAM 21的同步。

控制电路U3构成用于判别手指Y是否是真人手指的判别装置。后面对该控制电路U3的功能进行说明，为了判定手指Y的真伪，读取存储在SRAM 21中的图像(当仅LED 4发光时得到的第一图像和仅LED 5发光时得到的第二图像)。然后，从控制电路U3输出手指Y的真伪的判断结果。当然，以手指Y是真指为判定前提，当前读取的图像(上述第一图像或第二图像至少其中之一)与预先存储(登录)的真人的指纹图像比较，是否是真人的判定通过其他途径进行。

参照图2，对与手指Y的指纹凹凸相应的反射光的强弱，以及利用颜色不同的两种检测光线的手指真伪判定的方法进行说明。

首先，图2表示局部放大的手指Y，标号31表示与指纹的凸起部分相应的部分，标号32表示与指纹的凹陷部分相应的部分。入射到凸起部分31的检测光线在凸起部分上向各个方向漫反射，其结果是由凸起部分31反射的反射光的光强变弱。

与此相对，入射到凹陷部分32的检测光线没有被漫反射，而是被镜面反射。其结果是，由凹陷部分32反射的反射光的光强变强。因此，通过摄像装置10得到的图像在与凸起部分31相应的部分的光强变弱，而与凹陷部分32相应的部分的光强变强，整体上与指纹凹凸相应的对比度之差变大，从而可以高精度地进行指纹核对，这是较为理想的(可以明确地识别指纹凹凸形状)。

上述凸起部分31和凹陷部分32的光强之差可以作为对比度之差而进行数值化。当仅使用红色的检测光线，在真人手指Y按在指纹核对面2上时得到的图像中，将上述对比度之差记为HRC时，将HRC例如数值化为2。同样，仅使用红色的检测光线，在将上述HRC＝2的手指黑白色复制后得到的模拟手指按在指纹核对面2时所得到的图像中，如果将上述对比度记为NRC，则NRC＝6。

同样，当仅使用绿色的检测光线，在真人手指Y按在指纹核对面2上时所得到的图像中，将上述对比度之差记为HGC时，将HGC例如数值化为5。同样，仅使用绿色的检测光线，在将上述HGC＝5的手指黑白色复制后得到的模拟手指按在指纹核对面2时所得到的图像中，如果将上述对比度记为NGC，则NGC＝5。

使用不同颜色的检测光线其对比度之差不同的原因如下。首先，对于指纹的凸起部分31的光的漫反射的强弱，检测光线的颜色和作为被检测物体的凸起部分31的颜色之间有相关关系。此外，光漫反射的强弱表示为获得图像的凸起部分和凹陷部分的对比度之差异。因此，即使是指纹的凹凸形状相同的模拟手指，由于检测光线的颜色不同，所以会产生与真人的手指不同的对比度之差。换言之，在作为生物体的真人手指的情况下，如果改变检测光线的颜色，则某一种颜色的上述对比度之差与另一种颜色的对比度之差的差值变大(而在模拟手指的情况下，该差值变小)。

以下对手指真伪的判定方法进行具体说明。如上所述，当对真人的手指和模拟手指进行比较时，仅使用绿色检测光线时的对比度之差相同，真人手指的对比度之差HGC＝5，模拟手指的对比度之差NGC＝5，从而无法判定手指的真伪。但是，当仅使用红色检测光线时的对比度之差为真指的HRC＝2，假指的HRC＝6，其对比度之差有较大不同。

其中，当手指为真指的时，检测光线为红色时的对比度之差(HRC＝2)与检测光线为绿色时的对比度之差(HGC＝5)的差值的绝对值为3，其差值较大。

另一方面，当指纹为模拟手指时，检测光线为红色时的对比度之差(NRC＝6)与检测光线为绿色时的对比度之差(NGC＝5)的差值的绝对值为1，其差值较小。

当进行指纹核对时，手指Y是真指还是模拟手指，处于不明状态。因此，将检测光线为红色时得到的图像的对比度之差记为D1，将检测光线为绿色时得到的图像的对比度之差记为D2，将两个对比度之差D1和D2的差值记为dD(例如可以用绝对值表示)。如果该差值dD大于某个规定的阈值R，则可以判定为真人手指，相反，如果该差值dD小于阈值R，则可以判定为模拟手指。

图6的真伪判别电路U3是进行上述手指指纹判定的电路。以下参照图7的流程图，对包含对SRAM 21的图像存储处理(发光控制电路U1的发光状态切换控制和利用电路U2的SRAM 21的图像存储处理)、真伪判别电路U3的控制内容进行说明。在以下的说明中，Q表示步骤。

首先，在Q1中，仅红色发光的LED 4发光(绿色发光的LED 5灭灯)，此时通过摄像装置10得到的图像作为第一图像存储在SRAM21中。在Q2中，仅绿色发光的LED 5发光(红色发光的LED 4灭灯)，此时通过摄像装置10得到的图像作为第二图像存储在SRAM 21中。

在Q3中，存储在SRAM 21中的第一图像被读出到真伪判别电路U3中，确定与该第一图像中指纹的凹凸对应生成的对比度之差D1。同样，在Q4中，存储在SRAM 21中的第二图像被读出到真伪判别电路U3中，确定与该第二图像中指纹的凹凸对应生成的对比度之差D2。

在Q5中，判别对比度之差D1和D2的差值(dD)的绝对值是否大于规定的阈值R。当Q5的判别为“是”时，在Q6中判断是真人手指。当Q5的判别为“否”时，在Q7中判断是模拟手指。

根据本发明，通过极简单的构成，特别是简单地构成光学系统，就可以判定按在指纹核对面时的手指的真伪。

Claims

1.一种指纹读取方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步骤，使具有第一发光颜色的检测光线照射按下手指的指纹核对面，得到与来自该指纹核对面的反射光相应的第一图像；

第二步骤，使具有与第一发光颜色不同的第二发光颜色的检测光线照射上述指纹核对面，得到与来自该指纹核对面的反射光相应的第二图像；

2.根据权利要求1所述的指纹读取方法，其特征在于，

上述第一图像和第二图像分别为黑白图像，

在上述第三步骤中的判定是通过将上述第一图像中的对比度之差和上述第二图像中的对比度之差之间的差值与规定的阈值进行比较而进行的。

3.根据权利要求2所述的指纹读取方法，其特征在于，

上述第一发光颜色和第二发光颜色的发光源分别为LED，

4.根据权利要求2所述的指纹读取方法，其特征在于，

还包括存储上述第一图像和第二图像的第四步骤，

5.一种指纹读取装置，使从光源射出的检测光线照射在按下手指的指纹核对面上，把来自指纹核对面的反射光输入摄像装置，从而得到与该反射光相应的图像，其特征在于，包括：

发光切换装置，切换使上述第二光源不发光而仅使上述第一光源发光的第一发光状态，以及使上述第一光源不发光而仅使上述第二光源发光的第二发光状态；以及

判定装置，根据由上述第一发光状态得到的第一图像和由上述第二发光状态得到的第二图像之间的差值，判定按在上述指纹核对面上的手指的真伪，

作为上述光源，设置用于照射具有第一发光颜色的检测光线的第一光源和用于照射具有与该第一发光颜色不同的第二发光颜色的检测光线的第二光源。

6.根据权利要求5所述的指纹读取装置，其特征在于，

在上述光源和指纹核对面之间，设置使从上述光源发射的检测光线进行面发光而照射上述指纹核对面的漫射板。

7.根据权利要求5所述的指纹读取装置，其特征在于，

上述第一光源和第二光源分别为LED，

8.根据权利要求5所述的指纹读取装置，其特征在于，

还包括分别存储上述第一图像和第二图像的存储装置，

9.根据权利要求5所述的指纹读取装置，其特征在于，

上述摄像装置得到黑白图像，

上述判定装置的判定是通过将上述第一图像中的对比度之差和第二图像中的对比度之差之间的差值与规定的阈值进行比较而进行的。