CN1622117A - 信号处理设备和控制方法 - Google Patents

Abstract

一种信号处理设备，包括一个用于获取主体的图像的图像获取装置和一个用于控制第一模式和第二模式的控制部件。在第一模式下，图像获取装置在主体和图像获取装置的相对运动期间，利用多个曝光条件获取第一局部图像。控制部件按照第一局部图象设置曝光条件。在第二模式下，图像获取部件按照由控制部件设置的曝光条件，顺序获取主体的多个第二局部图像。从而，信号处理设备能够以最佳的曝光条件获取主体的图像。

Description

信号处理设备和控制方法

发明的背景

发明的领域

本发明涉及一种信号处理设备和控制方法，用于处理在主体和获取图像的图像获取装置的相对运动期间，通过顺序获取主体的局部图像而获得的信号。

相关技术的说明

使用指纹、面孔、虹膜、手掌印等的生物验证系统获得从图像获得装置发送的生物图像，从获得的图像中提取特征，并把提取的信息与记录的数据相比较，从而鉴别一个人。

用在生物验证系统中的图像获得装置的检测系统的例子包括使用电荷耦合器件(CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的光学系统，静电容量系统，压力传感系统，热敏系统和电场检测系统。另一方面，检测系统可被分成两种图像获取系统。一种是区域型系统，其中使用一个二维传感器同时获得主体图像。另一种是扫掠型传感器，其中一个一维传感器或一个在副扫描方向上具有大约五到二十像素的带状二维传感器被用于顺序获取主体的多个局部图像。

传统上，这样的生物验证系统对图像获得装置获得的图像执行各类处理，比如对比度改进和边缘增强，随后执行特征提取处理来执行比较。

但是，如果原始获取的图像没有一定水平的足够图像质量，特征提取的精度降低，从而生物验证系统中的比较精度也下降。例如，对于光学指纹传感器，亮度级可以根据透光度的差别，个人手指尺寸的差别和由于包括室外或室内，白天或晚上等环境因素引起的外部光线的变化，发生很大的改变。特别是，当生物验证系统安装在手机、PAD(个人数据助理)等上时，外部光线的这种变化变得更重要。在这样的情况下，当获得黑色稍饱和或者欠饱和的图像时，由于密度/层次数据不充足，常常不能从获得的图像中提取足够的特征。

通过多次获取一个图像，自动曝光(AE)校正函数可以用于控制曝光条件。但是，这种方案要求多次重复数据采集，直到获得适当的曝光为止，这样在达到合适的曝光前需要时间。这种方案的例子是扫掠型指纹传感器，它使用上文提到的一维传感器或在副扫描方向上具有大约五到二十个像素的带状二维传感器，它用于通过合并在副扫描方向上顺序获取的主体的图像，获得完整的图像。特别是，就扫掠型指纹传感器来说，为了获得适当的曝光，必需指示用户多次扫掠(移动扫描)他/她的手指。这样，采用这种方案的产品存在可用性显著降低的问题。

而且，就这种扫掠型指纹传感器来说，手指放在传感器上并相对于图像获取表面移动。因而，在相对运动期间，速度、位置、按压压力、放手指的方式、手指的范围(例如，手指的上关节或指尖)、环境、手指的表面状况等会发生变化，这会大大改变曝光产生的亮度。一种扫掠型传感器执行图像合并处理(也称为“图像重构处理”)，它包含通过计算确定顺序获取的局部图像之间的相关系数，检测局部图像的线条中相同的指纹区域，和连接局部图像。当相对运动期间亮度变化时，曝光状态在局部图像之间也会变化。因而，即使局部图像属于相同的指纹区域，相关值也会由于亮度差而降低。这造成图像合并程序失败，使得不可能连接局部图像。在这样的情况下，整个指纹图像的片断丢失或提供伸长或收缩的图像。结果，存在提取的特征与记录的指纹特征的匹配率降低，匹配精度下降的问题。另一种扫掠型指纹传感器通过在不检测局部图像线条相同的指纹区域的情况下，比较局部图像与预先记录的图像，并连接局部图像来执行验证。当相对运动期间亮度变化时，曝光状态在局部图像之间也会变化。因而，由于局部图像中的亮度差，相关值降低。结果，存在提取的特征和记录的指纹特征匹配率下降，匹配精度也降低的问题。

发明的简述

考虑到上述问题，本发明提供一种在适当的曝光条件下，连续获取主体的多个局部图像的信号处理设备和控制方法，。本发明还提供一种信号处理信号设备和控制方法，它能够增强获取的局部图像的图像质量，能够有效提取特征点，并能够均衡局部图像的清晰度。本发明还提供一种能够改善生物信息验证精度的信号处理设备和控制方法。

根据本发明的一个方面，一种信号处理设备包括一个用于获取主体的图像的图像获取装置，和一个用于控制第一模式和第二模式的控制部件。在第一模式下，在主体和图像获取装置的相对运动期间，图像获取装置以多个曝光条件获取主体的第一局部图像。控制部件根据第一局部图像设置曝光条件。在第二模式下，图像获取装置按照控制部件设置的曝光条件顺序获取主体的多个第二局部图像。

根据本发明的另一方面，一种信号处理设备包括一个图像获取装置，用于在主体和图像获取装置相对运动期间，获取主体的至少一个局部图像，和一个曝光量控制部件，用于控制图像获取设备的曝光量。信号处理设备还包括一个检测部件，用于检测图像获取装置获得的至少一个局部图像的亮度级；和一个曝光量控制部件，用于根据检测的亮度级，执行对将随后获取的局部图像设置曝光量的控制。

结合附图，根据下面的描述，本发明的其他特点和优点将更加明显，附图中，相同的参考符号代表相同或相似的部分。

附图的简要说明

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图图解说明本发明的实施例，并和下面的说明一起解释本发明的原理。

图1是示意表示根据本发明的第一实施例的指纹鉴定设备的结构框图。

图2A、2B和2C是说明使用第一实施例中的扫掠型系统的光学指纹传感器的示意图。

图3是表示使用第一实施例中的扫掠型系统的光学指纹传感器获得的指纹图像的示意图。

图4是表示第一实施例中的图像获取装置的结构的电路图。

图5是表示第一实施例中的图像获取装置的结构的电路图。

图6是说明第一实施例中的图像获得条件设定例程的流程图。

图7A、7B和7C是说明第一实施例操作的时序图。

图8A和8B是说明第一实施例的操作的图表。

图9是说明第一实施例的操作的示意图。

图10是示意表示根据本发明的第二实施例的指纹验证设备的结构框图。

图11是说明第二实施例中的图像获得条件设置例程的流程图。

图12A、12B和12C是说明第二实施例的操作的时序图。

图13是说明第二实施例的操作的示意图。

图14是描述用于图1所示的本实施例的指纹验证设备的连续图像获取例程的操作的流程图。

图15是描述图14所示的曝光量校正设置例程1406的细节的流程图。

图16是描述图14所示的图像合并例程1408的细节的流程图。

图17是表示由传统方法获得的例证局部图像，和通过局部图像的组合而获得的例证指纹图像的示意图，在所述传统方法中，未响应于手指的按压压力的变化进行曝光控制。

图18A是表示当本实施例的指纹验证设备响应由于手指的按压压力的变化而产生的亮度变化，执行曝光控制时，获得的例证局部图像的示意图。

图18B是表示在校正图18A所示的局部图像(a1)到(a9)后获得的例证局部图像，和通过组合校正后的局部图像获得的例证指纹图像的示意图。

图19是表示由公知方法获得的例证局部图像，和通过组合局部图像而获得的例证指纹图像的示意图，在所述公知方法中，不响应获得局部图像时外部环境光的变化，控制曝光量。

图20A是表示通过响应获得局部图像时外部光线环境的变化，控制曝光量，获得的例证局部图像的示意图。

图20B是表示在校正图20A所示的局部图像(a1)到(a9)之后获得的例证局部图像，和通过组合校正后的局部图像获得的例证指纹图像。

优选实施例的说明

现在将参照附图详细说明本发明的优选实施例。

图1是示意表示根据本发明的第一实施例的扫掠型(扫描型)指纹鉴定设备的结构框图，它用作信号处理设备。

根据本实施例的指纹验证设备包括一个图像获得单元101和一个验证单元102。例如，图像获得单元101和验证单元102可以是具有一个图像传感器的图像获取单元和实现验证单元102的功能的计算机的组合。或者，图像获得单元101和验证单元102可以集成到一个指纹验证单元中，所述指纹验证单元连接到一个独立的个人计算机(未示出)。

图1所示的图像获得单元101包括用作照射光源(光照射部件)的LED(发光二极管)103，和控制LED 103的亮度和照明计时的LED驱动器108。

图像获得单元101还包括CMOS或CCD图像获取装置104，它可以是一维传感器或者是一个在副扫描方向上有大约五到二十个像素的带状二维传感器。在本实施例中，图像获取装置104是在主扫描方向上有512个像素，在副扫描方向上有十二个像素的CMOS传感器。

传感器驱动器105控制图像获取装置104和模数转换器(ADC)107的取样定时。放大器106对从图像获取装置104提供的模拟输出箝位到适于由下一级的ADC 107处理的DC(直流)电平，并适当放大模拟输出。模拟输出从图像获取装置104通过模拟图像数据信号线路110a发送到放大器106。放大的模拟输出通过模拟图像数据信号线路110b从放大器106发送到ADC 107。转换的(数字)信号经过数字图像数据信号线路110c从ADC 107发送到通信部件109。

驱动脉冲通过信号线路112a从传感器驱动器105发送到图像获取装置104。一个驱动脉冲通过信号线路112b从传感器驱动器105发送到ADC 107。一个驱动脉冲通过信号线路112c从LED驱动器108发送到光源103。控制线路111响应于来自生物信息亮度检测部件112a的检测信号和来自验证单元102中的手指检测部件121的检测信号，控制传感器驱动器105和LED驱动器108。

数据信号通过数据信号线路113从图像获得单元101的通信部件109发送到验证单元102的通信部件115，控制信号通过控制信号线路114从验证单元102的通信部件115发送到图像获得单元101的通信部件109。

验证单元102包括合并由带状二维传感器在副扫描方向上顺序获取的主体的图像的图像合并部件135。

手指检测部件121用作生物传感器，用于通过使用以下说明的预处理部件116提供的图像信息，检测手指的放置，和确定放置的手指是活体的手指还是伪造的手指。手指检测部件121使用图像的颜色和/或亮度的波动确定主体是否是活体的主体。本实施例中的生物信息亮度检测部件122a识别包括在出自获得的图像信息中的生物信息中的一个区域，并检测识别的生物信息区域的亮度。响应于从生物信息亮度检测部件122a和其他功能块(例如，手指检测部件121和特征提取部件118)发送的信息，控制部件123a控制图像获得单元101。

预处理部件116执行图像处理，比如边缘增强，以便在下一级提取特征。帧存储器117用于执行图像处理。特征提取部件118提取个人特征。记录/比较部件119在数据库120中记录由特征提取部件118提取的个人特征，或者把个人特征与记录的数据进行比较，以便验证。记录/比较部件119和数据库120之间的通信通过数据和控制线路125完成。

图像数据经过数据线路124a从通信部件115发送到图像合并部件135，经过数据线路124b从图像合并部件135发送到预处理部件116，经过数据线路124c从预处理部件116发送到特征提取部件118，并经过数据线路124d从特征提取部件118发送到记录/比较部件119。特征提取部件118的提取状态经信号线路126发送。必要的图像信息经过信号线路127从图像合并部件135发动到手指检测部件121，并经过信号线路129a发送到生物信息亮度检测部件122a。身体检测的结果经过信号线路128从手指检测部件发送到控制部件123a。生物信息亮度检测的结果经信号线路130a从生物信息亮度检测部件122a发送到控制部件123a。响应验证单元102的功能块的状态(例如，生物信息亮度检测部件122a，手指检测部件121和特征提取部件118的状态)控制图像获得单元101的信号经通信部件115，从验证单元102的控制部件123a发送到图像获得单元101。

本实施例中，本实施例的指纹验证设备在扫描手指或主体的图像获取操作期间，通过转换传感器和LED的驱动，获得一个指纹图像，同时设置获取图像的最佳条件。具体地说，为了实现转换，响应于从验证单元102发送的手指检测信息，和从生物信息区域获得的亮度检测结果，控制图像获得单元101中的传感器驱动器105和LED驱动器108。

图2A、2B和2C和3是说明使用当前实施例中的称为扫掠型系统的系统的光学指纹传感器的示意图。

图2A是手指的侧视图，而图2B是手指的顶视图。图2C说明带状二维传感器获得的一个指纹图像。图2A表示手指201和用作光源的LED 202。光学部件203用于把指纹的隆起/凹陷图案中的光学差异指引到传感器中。传感器204是一维传感器或在副扫描方向上有大约五到二十个像素的带状二维传感器。在这种情况下，传感器204是CMOS或CCD图像获取装置。光从光源202发出(沿箭头205表示的方向)并传送到手指201，并沿入射到传感器204的方向(用箭头206表示)从手指201上反射。手指201沿箭头207表示的方向移动(扫掠或扫描)。图2C说明由带状二维传感器204获得的一个指纹图像208的例证指纹图案。

参照图3，图像(a1)到(a9)是当手指201沿图2A中所示的方向207运动时，由带状二维传感器204顺序获得的指纹局部图像。图像(b)是这些图像之一，并对应于局部图像(a6)。局部图像(a6)的一个区域301也包括在相同手指201的局部图像(a5)中。图像(c)是通过合并由带状二维传感器204获得的局部图像(a1)到(a9)获得的一个指纹图像。

因而，如图2A所示，当手指201在传感器204上移动时，通过沿副扫描方向的顺序图像获取而得到那些局部图像。接着，通过确定已经从手指201的相同区域获得连续图像的高度相关区域(图3中的301)，并通过连接高度相关区域，局部图像可被重构为一个完整的指纹图像。

图4是图1所示的图像获取装置104的电路图。本实施例中的图像获取装置104是在副扫描方向上具有大约五到二十个像素的带状二维传感器。更具体地说，图像获取装置104是称为扫掠型传感器的传感器，用于通过沿副扫描方向顺序获取手指或主体的图像，并合并获取的图像，获得完整的图像。这里，典型的面传感器中的水平扫描方向被称为“主扫描方向”，而垂直扫描方向被称为“副扫描方向”。因此，在以下对图像获取装置104的说明中，主扫描方向指水平方向，而副扫描方向指垂直方向。

参照图4，传感器包括多个像素41。每个像素41有一个有于读脉冲(φS)的输入端42，每个像素41有一个用于复位脉冲(φR)的输入端，并且每个像素41有一个用于转换脉冲(φT)的输入端。每个像素41还有一个信号读出端(P0)45。信号线路46用于从下文中说明的选择器部件66向水平方向的对应像素41发送读脉冲(φS)。信号线路47用于从选择器部件66向水平方向的对应像素41发送复位脉冲(φR)，信号线路48用于从选择器部件66向水平方向的对应像素41发送转换脉冲(φT)。传感器包括与对应的垂直信号线路49连接的恒定电流源40和电容51。传感器包括转换开关52。转换开关52的栅极连接到水平移位寄存器56(HSR)，源极和漏极连接到对应的垂直信号线路49和输出信号线路53。输出放大器54连接到输出信号线路53。输出端55连接到输出放大器54。

图像获取装置104包括一个用于水平移位寄存器(HSR)56的起始脉冲HST 57的输入端和用于水平移位寄存器56的转换时钟脉冲HCLK 58的输入端。图像获取装置104还包括一个垂直移位寄存器(VSR)59，一个用于垂直移位寄存器59的起始脉冲VST 60的输入端，和一个用于垂直移位寄存器59的转换时钟脉冲VCLK 61的输入端。图像获取装置104还包括一个用于电子快门的移位寄存器(ESR)62，快门使用一个称为滚动快门系统的系统，这将在下文说明。图像获取装置104还包括一个用于垂直移位寄存器62(VSR)的起始脉冲EST63的输入端，用于垂直移位寄存器59(VSR)的输出线路64和用于电子快门的移位寄存器(ESR)62的输出线路65。在图像获取装置104中还包括一个用于转换脉冲(φT)的源信号TRS 67的输入端，一个用于复位脉冲(φR)的源信号RES 68的输入端，和一个用于读脉冲(φS)的源信号SEL 69的输入端。

图5是说明图4所示的像素之一的进一步的细节的电路图。在图5中，像素41包括电源电压VCC71，复位电压VR72，光电二极管73，由MOS晶体管74、75、76和77组成的开关，一个寄生电容FD78和接地79。

现在将参照图4和5说明图像获取装置104的操作。首先，使用于复位的开关74和连接到光电二极管73的开关75进入关状态，响应于入射光，电子电荷被保存在光电二极管73中。

此后，当开关76是关状态时，开关74被打开，从而复位寄生电容78。接着开关74被关闭，开关76打开，从而复位状态的电荷读出到信号读出端45。

接着，使开关76进入关状态，开关75打开，从而保存在光电二极管73中的电荷被传递到寄生电容78。接着，使开关75进入关状态，开关76打开，从而充电信号读出到信号读出端45。

如下文所述，用于MOS晶体管的驱动脉冲φS、φR和φT由垂直移位寄存器59和62和选择器部件66产生，并分别通过对应的信号线路46、47和48提供到输入端42、43和44。至于从输入端60输入的时钟信号的一个脉冲，信号TRS的一个脉冲，信号RES的一个脉冲和信号SEL的一个脉冲分别输入到对应的输入端67、68和69。因而，驱动脉冲φS、φR和φT与各个信号SEL、RES和TRS同步输出。结果，驱动脉冲φS、φR和φT分别提供到对应的输入端42、43和44。

信号读出端45通过垂直信号线路49连接到恒定电流源40，还连接到垂直信号线电容51和转换开关52。充电信号通过垂直信号线路49传送到垂直信号线路电容51。接着，根据水平移位寄存器56的输出，转换开关52被顺序驱动，从而垂直信号线电容51中的信号被顺序读出到输出信号线路53，并经过输出放大器54从输出端55输出。在这种情况下，垂直移位寄存器(VSR)59响应经过输入端60输入的起始脉冲VST开始扫描，并且经过输入端61输入的转换时钟脉冲VCLK按照VS1，VS2，...，和VSn的顺序通过输出线路64顺序传送。用于电子快门的垂直移位寄存器(ESR)62响应经过输入端63输入的起始脉冲EST开始扫描，并且经过输入端61输入的转换时钟脉冲VCLK顺序传送到输出线路65。

首先，选择从上面数第一行(第一个像素行)，按照水平移位寄存器56的扫描，从左到右选择连接到第一行的像素41，从而输出信号。当完成第一行时，选择第二行，并且同样按照水平移位寄存器56的扫描，从左到右选择连接到第二行的像素41，从而输出信号。

以相同的方式，响应垂直移位寄存器59的顺序扫描，从顶部到底部，即从第一行到第n行执行扫描，从而输出用于一个屏幕的图像。

传感器的曝光时间段依赖于图像获取像素41保存光感生电荷的存储时间段和来自主体的光进入图像获取像素41的时间段。

与行间转移(IT)和帧行间转移(FIT)CCD器件不同，这里使用的CMOS传感器没有遮光缓冲存储器。因而，即使在顺序读出由一些像素41获得的信号的时间段中，信号还没有读出的其他像素41被连续曝光。因而，当顺序读出屏幕输出时，曝光时间变得基本上等于屏幕读出时间。

但是，当LED用作光源时，例如用遮光部件等挡住外部光的入口使得有可能只把LED发光的时间段当作曝光时间段。

此外，作为控制曝光时间的另一种方法，用于电子快门(焦平面快门)的称为滚动快门的驱动系统被用于CMOS传感器。在滚动快门系统中，并行执行开始电荷存储的垂直扫描和结束电荷存储的垂直扫描。这允许设置开始和结束存储的垂直扫描线的曝光时间。在图4中，移位寄存器(ESR)62用作复位像素和开始电荷存储的垂直扫描移位寄存器，并且垂直移位寄存器(VSR)59用作传送电子电荷和结束电荷存储的垂直扫描移位寄存器。当使用电子快门功能时，移位寄存器62先于垂直移位寄存器59被驱动，对应于该时间间隔的时间段成为曝光时间。

现在将参照图6到9说明本实施例的操作。

图6是说明本实施例的指纹验证系统的图像获得条件设定例程的流程图。在下面所述的例程中，验证单元102通过按照手指检测信息和生物亮度信息，控制传感器驱动器105和LED驱动器108，设置图像获得单元101的图像获得条件。

首先，在步骤S601，处理进入图像获得条件设置例程。在步骤S602，验证单元102的控制部件123a控制传感器驱动器105，把将在传感器副扫描方向上读出的行数，从常规值十二改变为六。这时，通过交替地“跳过”操作，减少将在副扫描方向上读出的行数。而且，为了降低功耗，通过应用启动信号，低速执行获得局部图像的操作，使得以每两个时钟脉冲一个时钟的速度执行操作。

在步骤S603，验证单元102的控制部件123a控制LED驱动器108，把LED亮度设置成足以检测手指的存在/不存在的低电平。因而，传感器进入检测手指的图像获得模式。

在步骤S604，获得一帧局部图像。在步骤S605，确定手指是否存在。当没有检测到手指时(步骤S605为否)，处理返回到步骤S604。当检测到手指时(在步骤S605为是)，处理前进到步骤S606。

在步骤S606，验证单元102的控制部件123a控制传感器驱动器105，把以每两个时钟脉冲一个时钟的速度导致操作的启动信号转换为其中每次输入时钟信号的常规操作的信号，同时把在传感器副扫描方向上将读出的行数保持为六。结果，高速执行用于获得局部图像的操作。

在步骤S607，验证单元102的控制部件123a控制LED驱动器108，把LED亮度设置为任意值。因此，传感器进入设置曝光条件的图像获得模式。

在步骤S608，获得一帧局部图像。在步骤S609，检测包含生物信息的一部分的亮度，即指纹部分的亮度。在步骤S610，确定检测的亮度是否落在预定范围中。当确定亮度在范围之外时(步骤S610为否)，处理返回到步骤S607，再次设置LED亮度，以致低于该范围的亮度被增加，高于该范围的亮度被降低。

另一方面，当在步骤S610确动亮度在预定范围内时，在步骤S611，验证单元102的控制部件123a控制传感器驱动器105，把将在传感器副扫描方向上读出的行数，从六变为常规值十二。此时，启动信号作为其中每次输入时钟信号的常规操作的信号。因此，在曝光条件被设为最佳值的情况下，传感器操作进入获取指纹图像的默认图像获得模式。在步骤S612，图像获得条件设置例程结束。

图7A表示在用于获取指纹图像的默认图像获得模式下，传感器和LED的操作计时，图7B表示在用于检测手指的图像获得模式下，传感器和LED的操作计时，图7C表示在用于设置曝光条件的图像获得模式下，传感器和LED的操作计时。

在图7A、7B和7C中，VST和VCLK分别表示在传感器副扫描方向上(垂直扫描方向，即与本实施例中手指移动方向相同的方向)，垂直移位寄存器(VSR)59的起始脉冲和转换时钟脉冲。HST和HCLK分别表示在传感器主扫描方向上(水平扫描方向，即基本上与本实施例中手指运动方向垂直的方向)，水平移位寄存器(HSR)56的起始脉冲和转换时钟脉冲。LED表示LED照明脉冲。水平轴表示一个照明时间段。如“×”所示，小时钟脉冲HCLK以特定的周期出现。

图7A说明一帧时间段701，其中以默认图像获得模式得到用于获取指纹图像的一个局部图像。在时间段702，传送第一行的图像，在时间段703，传送第12行的图像。LED照明时间段704确定在时间段701获得并输出的一帧图像的曝光量。LED照明时间段705确定在时间段701之后的一个时间段中获得并输出的一帧图像的曝光量。在优化曝光量之后的用于获取指纹图像的图像获得模式下，用固定的LED照明量，如时间段704和705所示，获取图像。而且，副扫描方向上的移位寄存器不执行“跳过”操作，从而获得12行的图像。而且，由于每次输入时钟脉冲，因此主扫描方向上的移位寄存器也以高速操作。

在检测手指的图像获得模式(图7B)下，一帧时间段706用于获得一个局部图像。每隔一个脉冲，以很短的时间段传送副扫描方向上的移位寄存器59的转换脉冲VCLK 707、708。结果，副扫描方向线路的操作被交替跳过。在时间段709、710，获得主扫描方向上一行的图像。在时间段709中，传送用于第一行的图像，在时间段710中，传送输出到第六行的图像。LED照明时间段711确定在时间段706获得并输出的一帧图像的曝光量。LED照明时间段712确定在时间段706之后的一个时间段获得并输出的一帧图像的曝光量。在检测手指的图像获得模式下，如时间段711和712所示，对LED来说，允许检测手指的存在/不存在就足够了，从而照射时间段设为最小长度。而且，由于该模式并不意图获取指纹图像，副扫描方向上的移位寄存器不执行“跳过”操作，从而获得用于六个线路的图像。另外，由于放置手指的时间被监控，可低速执行操作。因而，主扫描方向上的移位寄存器的操作也以每两个时钟脉冲操作一次的速率低速执行。

在设置曝光条件的图像获得模式(图7C)下，一帧时间段713用于获得一个局部图像。在图7B所示的情况下，每隔一个脉冲以很短的时间传送副扫描方向上的移位寄存器中的转换脉冲VCLK，从而交替跳过关于副扫描方向上的各行的操作。在每个时间段714、715，获得主扫描方向上一行的图像。在时间段714，传送第一行的图像，并且在时间段715，传送输出到第六行的图像。LED照明时间段716确定在时间段获得并输出的一帧图像的曝光量。LED照明时间段717确定在时间段713之后的一个时间段获得并输出的一帧图像的曝光量。在设置曝光条件的图像获得模式下，通过改变如时间段716和717所示的LED照明时间段，将曝光量调整到必要的水平。这时，尽管已经获得了指纹图像，仍然调整曝光量。因而，为了尽可能快地优化优化曝光量，以进入默认的图像获取模式，副扫描方向上的移位寄存器执行跳过操作，从而获得六行的图像。由于高速操作是理想的，因此按照常规方式执行主扫描方向上移位寄存器的操作。

图8A和8B分别表示主扫描方向上一行的一幅图像的数据，按照设置曝光条件的图象获得模式获得所述图像。图8A表示优化曝光量之前的数据，而图8B表示优化曝光量之后的数据。水平轴表示主扫描方向上的一个位置，垂直轴表示传感器的输出电平。获得的指纹图案区域根据手指的尺寸或形状，或者手指相对于传感器的接触条件而改变。这时，主扫描方向上的区域X1到X2对应于存在用作生物信息的指纹图案的区域。生物信息亮度检测部件122a识别存在用作生物信息的指纹图案的区域，并确定指纹图案的亮度是否在预定范围内。例如，在图8A中当亮度的最佳范围设在127±50时，生物信息亮度检测部件122a获得的亮度在输出电平a1到b1的输出电平范围内，并且平均为72或更低。因而，可以确定该亮度低。结果，LED照明时间段被延长，曝光量被优化，如图8B所示。识别存在用作生物信息的指纹图案的区域的方法的例子包括当一个区域的图像的频率与指纹图案类似时，识别该区域的方法。

图9说明了当手指沿图2所示的方向207移动时，由带状二维传感器顺序获得的局部图像(a1)到(a10)，还说明了通过合并局部图像(a1)到(a10)，获得的一个指纹图像(c)。

这时，在获得局部图像(a1)之前，在检测手指的图像获得模式下，检测传感器上手指的放置。局部图像(a1)到(a3)是在设置曝光条件的图像获得模式下获得的图像。局部图像(a4)到(a10)是在获取指纹图像的默认图像获得模式下获得的图像。这时，对于三个帧，即局部图像(a1)到(a3)来说，曝光量被优化。局部图像(a1)到(a3)是由跳过操作获得的图像，因此曝光量没有被优化。但是，为了在紧接着手指开始运动之后，不丢失一个片段地获得大面积图像，局部图像(a1)到(a3)是必要的。而且，为了用优化的曝光量，在手指的最关键的中央区域获取尽可能最大面积的图像，重要的是在通过跳过操作高速获得图像(a1)到(a3)的时候，控制LED亮度。

如上所述，在本实施例中，控制部件123a控制第一、第二和第三模式。即，在第一模式，在手指或主体和图像获取装置104的相对运动期间，连续获取手指的多个第一局部图像，同时改变曝光条件。在第二模式，按照多个第一局部图像，设置曝光条件。在第三模式，按照设置的曝光条件，在手指和图像获取装置104的相对运动期间，连续获取多个第二局部图像。使用这种方案，在检测到手指后马上获得图像。这允许获取包括手指运动起始点的大面积图像，从而有可能获得验证所需的大量特征信息。因此，本实施例能够实现高精度指纹验证系统。另外，本实施例能够增加一次完成包括扫掠型传感器特定手指运动的验证操作的可能性，从而有可能提供可用性增强的产品。

使用扫掠型传感器的本实施例不仅能够提供高精度指纹验证系统，而且还能够简化电路，从而实现电路小型化。处理电路的小型化适用于需要便携性的应用设备，包括诸如具有通过电磁波发送信息的发射器，和用于选择理想目的地的选择器的移动个人计算机、PDA(个人数据助理)和手机之类的便携设备。

尽管在上述实施例中说明了通过使用指纹来验证主体(即鉴别个人)的系统。但是本发明不限于此。例如，本实施例的系统同样能够应用于通过使用眼睛视网膜、面部特征、手掌形状等验证主体(个人)的系统，只要该系统根据主体的局部图像执行验证即可。尽管用于验证主体的系统根根通过连接主体的局部图像获得的组合图像执行验证，但是本发明不限于此。例如，扫掠型指纹传感器不检测各行局部图像行中的相同指纹区域，并连接局部图像，而是通过比较局部图像和预先记录的图像来执行验证。

根据本发明的第一实施例的信号处理设备能够获取一个完整图像，同时在单个指纹图像获取期间设置曝光条件。这能够实现高精度验证和高速验证。

第二实施例

图10是示意表示根据本发明的第二实施例的用作信号处理设备的扫掠型(扫描型)指纹验证设备的结构框图。

根据第二实施例的指纹验证设备和第一实施例一样包括一个图像获得单元101和一个验证单元102。

在图10所示的图像获得单元101中，一个LED103用作照明光源(光照射部件)。LED驱动器108用于控制LED103的亮度和照明定时。

CMOS或CCD图像获取装置104可以是一维传感器或在副扫描方向上具有大约五到二十个像素的带状二维传感器。在本实施例中，图像获取装置104是在主扫描方向上具有512个像素，在副扫描方向上具有十二个像素的CMOS传感器。

传感器驱动器105控制图像获取装置104和模数转换器(ADC)107的取样计时。放大器106把从图像获取装置104提供的模拟输出箝位到一个适合于由下一级的ADC 107处理的DC电平，并适当放大模拟输出。

本实施例中的生物信息亮度检测部件122b识别包括在出自获得的图像信息的生物信息中的一个区域，并检测识别的生物信息区域的亮度。控制部件123c响应从生物信息亮度检测部件122b发送的信息和从验证单元102发送的控制信号，控制传感器驱动器105和LED驱动器108。

驱动脉冲经信号线路112a从传感器驱动器105发送到图像获取装置104，并且驱动脉冲经信号线路112b从传感器驱动器105发送到ADC 107。驱动脉冲经信号线路112c从LED驱动器108发送到光源103。数字图像数据经信号线路129b提供到生物信息亮度检测部件122b，并且生物信息亮度检测部件122b的生物信息亮度检测结果经信号线路130b提供到控制部件123c。在本实施例中，控制信号根据来自身体检测部件121的检测信号等，(经控制信号线路114)从验证单元102发送到图像获取单元101。图像获得单元101中的通信部件109经控制信号线路114接收控制信号，并经控制线路111a把它送到控制部件123a。控制部件123c经控制线路111b控制传感器驱动器105和LED驱动器108。

图像获得单元101经数据信号线路113向验证单元102发送数据，并经控制信号线路114从验证单元102接收控制信号。

验证单元102中的通信部件105通过经数据信号线路113从图像获得单元101接收数据信号，并经控制信号线路114向图像获得单元101发送控制信号，实现验证单元102和图像获得单元101之间的通信。图像合并部件135合并由带状二维传感器在副扫描方向上进续获取的主体的图像。

身体检测部件121检测手指或主体的放置，并通过使用从预处理部件116(后面说明)提供的图像信息，确定放置的主体是活体的手指还是伪造的手指。响应从身体检测部件121和其他功能块(例如特征部件118)发送的信息，控制部件123b控制图像获得单元101。

预处理部件116执行诸如边界增强之类的图像处理，以便在下一级提取特征。帧存储器117用于执行图像处理。特征提取部件118提取个人特征。记录/比较部件119在数据库120中记录由特征提取部件118提取的个人特征，或者将个人特征与记录的数据进行比较，以便验证。

图像数据经数据线路124a从通信部件115发送到图像组合部件135，经数据线路124b从图像组合部件135传送到预处理部件116，经数据线路124c从预处理部件116发送到特征提取部件118，并经数据线路124d从特征提取部件118发送到记录/比较部件119。记录/比较部件119和数据库120之间的通信通过数据和控制线路125完成。特征提取部件118的提取状态经信号线路126发送到控制部件123b，必要的图像信息经信号线路127从图像合并部件135发送到身体检测部件121。身体检测的结果经信号线路128从身体检测部件121发送到控制部件123b。控制部件123b响应其他功能块的状态(例如，身体检测部件121和特征提取部件118的状态)，经信号线路131把用于控制图像获得单元101的信号发送到通信模块115。

本实施例的指纹验证设备在扫描手指或主体的图像获取操作期间，通过转换传感器和LED的驱动，获得指纹图像，同时设置最佳图像获取条件。具体地说，为了实现该转换，响应从验证单元102发送的手指检测信息和从图像获得单元101发送的生物信息区域亮度检测结果，控制图像获得单元101中的传感器驱动器105和LED驱动器108。

现在将参照图11到13说明本实施例的操作。

图11是说明本实施例的指纹验证装置的图像获得条件设置例程的流程图。在以下说明的例程中，按照由充当主系统的验证单元102检测的手指信息和由图像获得单元101检测的亮度信息，控制传感器驱动器105和LED驱动器108，从而设置图像获得单元101的图像获得条件。

在步骤S1101，处理进入图像获得条件设置例程。在步骤S1102，控制部件123c控制传感器驱动器105把传感器的曝光操作为全面曝光模式。

在步骤S1103，控制部件123c控制LED驱动器108把LED亮度设置为足够检测手指的出现/不出现的低电平。从而，使传感器进入检测手指的图像获得模式。

在步骤S1104，获得一帧局部图像。在步骤S1105，判定是否从验证单元102接收手指检测信息。当没有检测到手指，即没有接收到手指检测信息时(步骤1105为否)，处理返回到步骤S1104。当检测到手指时(步骤S1105为是)，处理前进到步骤S1106。

在步骤S1106，控制部件123c控制传感器驱动器105把传感器的曝光操作改成用滚动快门系统(电子快门系统)的曝光模式。

在步骤S1107，控制部件123c控制LED驱动器108，使得LED亮度与电子快门操作同步地关于任意行数发生变化。改变LED亮度的方法的例子包括控制流经LED的电流的方法和改变LED照明时间段的比率的方法(包括以脉冲模式驱动LED)。作为步骤S1107处理的结果，传感器进入设置曝光条件的图像获得模式。

在该模式下，在步骤S1108，获得仅仅一帧的局部图像。在步骤S1109，对LED亮度改变的任意行数检测包括生物信息的区域的输出电平，即指纹区域的输出电平。在步骤S1110，检测输出电平，并且控制部件123c确定该输出电平的LED亮度值，所述LED亮度值被确定为最适于验证处理，并且控制LED驱动器108，从而LED亮度值达到确定值。

在步骤S1111，控制部件123c控制传感器驱动器105再次把传感器的曝光操作改为全面曝光模式。结果，在曝光条件被设为最佳值的情况下，传感器进入获取纹图像的默认图像获得模式。在步骤S1112，图像获得条件设置例程结束。

图12A表示用于获取指纹图像的默认图像获得模式的传感器和LED的操作计时，图12B表示用于检测手指的图像获得模式的传感器和LED的操作计时，和图12C表示用于设置曝光条件的图像获得模式的传感器和LED的操作计时。

图12A到12C所示的是VST和VCLK，它们分别表示传感器副扫描方向上(垂直扫描方向，即与本实施例中的手指移动方向相同的方向)，垂直移位寄存器(VSR)59的起始脉冲和转换时钟脉冲。HST和HCLK分别表示传感器主扫描方向上(水平扫描方向，即基本上垂直于本实施例中的手指移动方向的方向)，水平移位寄存器(HSR)56的起始脉冲和转换时钟脉冲。LED表示LED照明脉冲，水平轴表示照明时间段。如“×”所示，小时钟脉冲HCLK以某一周期出现。

在用于获取指纹图像的默认图像获得模式(图12A)下，在一帧时间段1201获得一个局部图像。在时间段1202、1203获得主扫描方向上一行的图像。具体地说，在时间段1202，传送第一行的图像，在时间段1203，传送第十二行的图像。LED照明时间段1204确定在时间段1201获得并输出的一帧图像的曝光量。LED照明时间段1205确定在时间段1201之后的一个时间段获得并输出的一帧图像的曝光量。在优化曝光量后，获取指纹图像的图像获得模式下，如时间段1204和1205所示，以固定的LED照明量获取图像。在时间段1204中发光的LED造成的曝光被称为“全面曝光”，因为该曝光确定传感器中全部十二行的曝光量，这些行的图像在时间段1201输出。

在用于检测手指的图像获得模式(图12B)下，示出了用于获得一个局部图像的一帧时间段1206。同时示出的是在主扫描方向上获得一行图像的时间段1207、1208。在时间段1207，传送第一行的图像，在时间段1208，传送输出至第十二行的图像。LED照明时间段1209确定在时间段1206获得并输出的一帧图像的曝光量。LED照明时间段1210确定在时间段1206之后的时间段获得并输出的一帧图像的曝光量。在用于检测手指的图像获得模式下，对LED来说允许检测手指的存在/不存在就足够了，从而照明时间段被设为最小长度，如时间段1209和1210所示。另外在该模式下，在时间段1209中发光的LED造成的曝光确定传感器中整个十二行的曝光量，这些行的图像在时间段1206输出，从而被称为“全面曝光”。

在用于设置曝光条件的图像获得模式(图12C)下，示出用于获得一个局部图像的一帧时间段1211。同样在图12C中示出的是用于上述电子快门的移位寄存器(ESR)62的起始脉冲EST。滚动快门曝光时间1212由起始脉冲EST和起始脉冲VST之间的时间间隔确定。在紧邻向其提供转换时钟脉冲VCLK之前的曝光时间期间，曝光每一行，依据转换时钟脉冲选择该行。其间获得主扫描方向上一行的图像的时间段1213和1214被示出。在时间段1213，传送第一行的图像，在时间段1214，传送输出至第十二行的图像。LED照明时间段1215确定在时间段1213获得并输出的一行图像的曝光量。LED照明时间段1218确定在时间段1214获得并输出的一行图像的曝光量。在用于设置曝光条件的图像获得模式下，在多级改变LED照明亮度的时候，获得一幅图像，如时间段1215到1218所示。按照这种方式，以多个不同等级的曝光条件获取一幅图像，并且该图像的使用允许确定最佳曝光条件。

参照图13，图像(a1)到(a9)是当手指沿图2A所示的方向207移动时，由带状二维传感器顺序获得的手指的局部图像。图像(c)是通过合并局部图像(a1)到(a9)获得的一幅手指图像。

这时，在获得局部图像(a1)之前，按照检测手指的图像获得模式检测手指在传感器上的放置。局部图像(a1)是按照设置曝光条件的图像获得模式获得的一幅图像。局部图像(a2)到(a9)是按照获取指纹图像的默认图像获得模式获得的图像。这时，用一帧(a1)优化曝光量。局部图像(a1)是在局部图像的表面内以变化的曝光量获得的一幅图像。局部图像(a1)还是为了在手指开始移动之后，不丢失其一个片段地立即获得大面积图像所必需的。该方案具有这样的优点，即能够只用一个局部图像(a1)设置最佳曝光条件，从而以最佳曝光量，在手指的最关键中央区域获取尽可能大面积的图像。

如上所述，本实施例的控制部件123a控制第一、第二和第三模式。即，在第一模式下，在手指或主体和用于获取手指的局部图像(指纹)的图像获取装置104相对运动期间，以多个曝光条件获取手指的第一局部图像。在第二模式下，根据第一局部图像，设置曝光条件。在第三模式下，按照设置的曝光条件，在手指和图像获取装置104的相对运动期间，顺序获取多个第二局部图像。借助该方案，在检测到手指之后立即获得图像。这允许获取包括手指运动的起始点的大面积图像，从而有可能获得验证所需的更大量的特征信息。因此，本实施例能够实现高精度指纹验证系统。另外，本实施例能够增大一次完成包含扫掠型传感器特定手指运动的验证操作的可能性，从而有可能提供可用性增强的产品。

使用扫掠型传感器的本实施例不仅能够提供高精度指纹验证系统，而且能够简化电路，从而实现电路最小化。处理电路的最小化适合于需要便携性的应用设备，包括诸如具有用于通过电磁波发送信息的发射器和用于选择理想目的地的选择器的移动个人计算机、PDA(个人数据助理)和移动电话之类的便携设备。尽管在上述实施例中已经说明了通过使用指纹验证主体(即鉴别个人)的系统，但是本发明不限于此。例如，本实施例的系统同样能够应用于通过使用眼睛视网膜、面部特征、手掌形状等验证主体(个人)的系统，只要该系统根据通过连接主体的局部图像获得的合并图像执行验证即可。

第三实施例

在上述第一和第二实施例中，说明了在顺序获得局部图像的初始阶段控制曝光量的情况。但是，在第三实施例中，将说明在顺序获得局部图像的中间，响应亮度的变化控制曝光量的例子。

首先，将说明扫掠型指纹传感器的问题。例如，对于接触式光学扫掠型指纹传感器，手指以与传感器表面摩擦，同时与其紧密接触的方式移动。这使得难以从手指开始运动到结束移动，保持手指的速度和压力，以及手指的放置方式，实际上它们经常变化。

而且，对于安装在诸如手机、PAD或笔记本电脑之类的移动设备上的指纹传感器来说，当在手指运动期间获取图像时，当人乘车或步行移动，例如从一个阳光直射的地方移动到一个阳光被遮挡的地方，或从室外进入室内时，外部光入射到传感器上的方式可能变化。另外，当手指运动时，由于出汗量的增加，手指表面的状况可能变化。

这种情况下，光被手指漫射、反射或吸收，入射到图像获取装置上的光量变化，从而造成保存的电荷量大大变化的问题。此外，取决于手指部分(例如，手指的指节和指尖)的手指厚度变化和取决于诸如包括肾骼或指甲之类区域的差异可能引起曝光量变化。在顺序获得的局部图像中间，当由于这样的因素，曝光量和保存的电荷量大大变化时，扫掠型指纹传感器不能进行连接局部图像的图像合并处理(图像重构处理)，从而不可能把它们连接起来，或者提供不正确连接的图像。

这是因为图像合并处理包含计算顺序获取的局部图像之间的相关性系数，检测各行局部图像中相同的指纹区域，并连接局部图像，以致检测的各行被重叠。当手指运动期间亮度变化时，即使对应行属于相同的手指区域，它们之间的相关性也降低。结果，错误地确定这些行不属于相同的指纹区域，甚至属于其他不同的区域。当图像合并处理以这种方式失败时，整个指纹图像的片段被丢失或者提供伸长或缩短的图像。结果，提取的特征与记录的指纹特征的匹配率下降，从而匹配精度降低。

而且，当在连续获得局部图像中间，保存的电荷量显著变化时，获得的整个指纹图像表面内的对比度和亮度改变。因此，将与记录的图像比较的特征信息也改变。因而，即使使用任意比较系统，比如特征点提取系统、图案匹配系统或频率分析系统，获得的图像和参考图像之间的相关性也降低，从而比较精度下降。这是一种涉及通过计算确定顺序获取的局部图像之间的相关性系数，检测各行局部图像中的相同指纹区域，并连接局部图像，执行图像合并处理(它也叫做“图像重构处理”)的扫掠型指纹传感器，和通过不检测各行局部图像中的相同指纹区域，比较局部图像与预先记录的图像，并连接局部图像，执行验证的另一种扫掠型传感器的公共任务

例如，当手指在压在传感器表面的同时向你移动时，指尖产生的图像具有比手指顶指节附近的图像高10％到20％的亮度。这是因为顶指节附近的手指平行于传感器表面移动，而由于手指的压力沿垂直于传感器表面的方向施加，指尖的压力倾向于向下施加，因此手指顶指节附近的按压压力很高。例如，在获得连续局部图像中间，当局部图像的亮度相对于另一个局部图像增加20％时，用例如为四的因子增大利用自动增益控制(AGC)的增益提供四倍的增长。因此，在这种情况下，存在已在动态范围内的图像信号被饱和的问题。当图像信号饱和时，不能获得适当的指纹图像，从而不可能提取局部图像之间的相关部分和合并局部图像。因此，亮度变化的降低是重要的。

为了克服上述问题，本实施例的指纹验证设备控制每个局部图像的电荷存储条件，从而补偿变化的电荷存储状态。具体地说，例如，与指纹图案无关地识别由于手指按压压力的改变而产生的亮度变化，和由于环境因素的改变而产生的亮度变化，为每个局部图像控制由光源的亮度和图像获取装置的存储时间确定的曝光量，以便提供理想的曝光量。

下面，说明由贴着传感器表面按压手指的方式的不同而产生的亮度变化。当光入射到具有不同反射率的材料的分界面时，光在分界面反射。例如，当穿过折射率为1的空气的光达到玻璃等表面时，发生这样的反射。这种情况下的反射系数R能够用如下等式计算：

R＝((1-n1)/(1+n1))²

其中n1表示诸如玻璃之类材料的折射率。在这种情况下，其中n1＝1.5，R＝0.04，这意味着当材料的折射率是1.5时，大约4％的光被反射。

现在，将论述手指和传感器表面之间的分界面。传感器表面提供有保护部件和/或光学部件，比如硅和/或玻璃。这样的材料的折射率约为1.4到1.6。另外，尽管依赖于手指表面汗水的影响，手指的折射率凭经验可知约为1.4到1.6。现在，将论述光源、手指和传感器表面的关系。对于手指来说，存在手指与传感器轻轻接触的情况，和手指强烈按压传感器的情况。在任意一种情况，外部光传到手指的可能的光学路径是：(1)LED表面和空气之间的分界面；和(2)空气和手指表面之间的分界面。光在手指上分散、从手指上发射并入射到传感器的可能光学路径是：(3)手指和空气之间的分界面；和(4)空气和传感器之间的分界面。

当光源和手指互相轻轻接触，并且手指和传感器同样互相轻轻接触时，在它们之间存在空气间隙，从而在每个分界面(1)到(4)丢失大约2.6％到5.3％的光。因而，总共丢失大约10％到21％的光。另一方面，当手指与传感器或光源紧密接触时，光不会被(1)和(2)或(3)和(4)反射，从而反射量减小一半，光的总损失变成接近5％到11％。当手指与传感器和光源都紧密接触时，在任何分界面(1)到(4)都不反射光，从而不发生光丢失。因此，产生的亮度变化约约10％到21％，取决于由于手指运动而引起的按压压力变化，。对于每个层面来说(对分界面(1)到(4)来说)，亮度变化2.6％到5.3％。

因此，对给定的传感器单元，与由光源和传感器表面的材料确定的折射率相关的一级变化被唯一确定为2.6％到5.3％范围内的一个值。因此，当考虑到由按压压力引起的亮度变化是手指移动期间的主要因素的事实时，多级地改变亮度，每级是该值的整数倍，使得有可能处理手指运动期间的亮度变化。

现在，说明一个例子，其中在本实施例中，由折射率产生的亮度变化的一级设为4％，亮度以4％的整数倍变化。现在将参照图14到20B说明第三实施例的操作。由于第三实施例的指纹验证设备的结构与图1所示的第一实施例的指纹验证设备的结构相同，这部分的说明被省略。

和第一实施例的指纹验证设备中一样，在第三实施例的指纹验证设备中，按照检测的生物亮度信息，验证单元102控制传感器驱动器105改变电荷存储时间段和/或控制LED驱动器108改变LED照明时间段和/或LED亮度，从而改变图像获得单元101对每个局部图像的曝光条件。

图14是描述图1所示的本实施例的指纹验证设备的连续图像获取例序的操作的流程图。参照图14，在步骤1401，指纹验证设备开始连续图像获得条件设置例程。在步骤1402，验证单元102从图像获得单元101接收一个局部图像。接着，在步骤S1403，生物信息亮度检测部件122a检测生物信息亮度。在步骤S1404，控制部件123a计算检测的亮度和预先设置的理想亮度值之间的差。在步骤1405，控制部件123a确定计算的差的绝对值是否小于第一预置阈值。当确定差的绝对值小于第一预置阈值时，这表示亮度变化小，并且在步骤1408的图像合并例程中，图像合并部件135执行把获得的局部图像与另一个局部图像连接的处理。另一方面，当在步骤1405确定差的绝对值大于或等于第一预置阈值时，处理前进到步骤S1406的曝光量校正设置例程。在步骤1406，控制部件123a控制传感器驱动器105和LED驱动器108确定控制曝光量的校正量。曝光量校正例序(步骤1406)的细节如图15所示，将在下文说明。

由于这种情况下的曝光量的校正在接下来的曝光中反映出来，已经获取的局部图像在亮度和理想值之间有很大差异。因此，如果不采取进一步的措施，合并图像的精度和比较图像的精度将下降。因而，在步骤1407，图像合并部件135执行关于合并之前的局部图像，校正差异的处理，从而消除该差异。关于合并之前的局部图像，校正差异的可用方法的例子包括只从所有图像数据中减去该差异的方法，和执行相乘，从而把图像数据乘以对应于亮度降低率的增益(因为对应于该差异的亮度已经降低)的方法。

在如上上述执行曝光量的校正控制(步骤S1406)和局部图像的校正处理(步骤S1407)之后，在步骤1408图像合并例程中，图像合并部件135连接局部图像和先前的局部图像。图16中示出了步骤S1408中的图像合并例程的详细处理，并将在下文说明。接着，在步骤S1409，控制部件检测是否完成了局部图像的顺序获得。当确定图像获得没有结束，即局部图像的顺序获得没有完成时(步骤S1409为否)，处理返回到步骤S1402，获得接下来的局部图像。另一方面，当确定图像获得已经结束，即局部图像的顺序获得完成时(步骤S1409为是)，在步骤S1410，连续图像获得例程结束。

在扫掠型传感器中，跟踪高速移动的手指的能力是验证性能的一个指标。这是因为由于移动手指的方式因人而异，并且由于以固定速度移动手指的困难性，速度经常增加或降低，因此改善跟踪能力是很重要的。一般，扫掠型传感器高速获取局部图像。因而，在低运动速度的情况下，由于横越局部图像的运动量小，因此传感器合并局部图像，同时减小局部图像中的一些局部图像。另一方面，在高速运动的情况下，由于相邻局部图像之间能够相关关系的区域的面积降低，即使减少一个局部图像也使得不能使该图像的前一图像和下一图像相互关联，导致图像的中断连接。因此，重要的是使用顺序获得的局部图像，同时使浪费最小化。在本实施例的指纹验证设备中，按照从生物信息亮度检测部件122a输出的检测结果，控制下一个局部图像的曝光量，亮度变化的局部图像被检测并受到校正处理，接着合并产生的图像。该方案改善了比较精度和验证速度。

现在将说明在图14所示的步骤S1406执行的曝光量校正设置例程。图15是表示图14所示的曝光量校正设置例程1406的细节的流程图。如图15所示，首先，在步骤S1501，处理进入曝光量校正设置例程。接着，在步骤S1502，控制部件123a比较差的绝对值和第二预置阈值，通过比较检测的生物亮度和上述理想值(在步骤S1404)获得该差。当在步骤S1502确定差的绝对值小于第二阈值时，这表示由于按压压力的改变，亮度已经变化，处理前进到到步骤S1503。另一方面，当在步骤S1502确定差的绝对值大于或等于第二阈值时，这表示诸如外部光之类的某一环境因素发生改变，处理前进到步骤S1506。

在步骤S1503，当确定差小于“0”时，处理前进到步骤S1504。在这种情况下，由于亮度大于理想值，控制部件123a执行把预置曝光调整量降低一个等级的调整。另一方面，当在步骤S1503确定差大于或等于“0”时，处理前进到步骤S1505。这时，由于亮度小于理想值，控制部件123a执行把预置曝光量增大一个等级的调整。通过把保存在曝光控制寄存器中的设定值增大/降低预定值(即一个电平)，实现曝光量的调整。该寄存器可以是用于设置传感器驱动器105的电荷存储时间段的寄存器和/或用于设置LED照明时间段或LED驱动器108的LED亮度的寄存器。但是，这种情况下，变化后的设置值在下一个曝光时间段有效。

如上所述，手指按压压力产生的亮度变化量可被预置为多个等级之一。即，该方案适于通过对每个局部图像，改变与反射系数的变化量对应的一级曝光变化量，执行校正，从而对应于变化的特性。由于曝光量按照预定的变化率变化，该方案提供这样的优点，曝光量易于被改变，从而对应于实际的亮度变化，因此快速实现最佳曝光。

另一方面，当处理前进到步骤S1506，这意味着阈值已显著改变，并且确定定这种情况需要紧急措施。由于这样的显著变化由各种因素引起，所以不可能预先确定校正量。因此，该方案适于为每种情况确定一个校正值，并在下一次曝光期间一齐改变曝光量。具体地说，在步骤S1506，控制部件123a确定校正与检测的差对应的量所需要的曝光控制设置值(曝光校正量)。接着，在步骤S1507，控制部件123a重置曝光控制寄存器(用于设置传感器105的电荷存储时间段的寄存器和/或用于LED驱动器108的LED照明时间段或LED亮度的寄存器)。但是，这种情况下的设置在下一个曝光时间段变得有效。

如上所述，在通过确定每个亮度变化的类型或预先设置该类型，控制曝光量之后，在步骤S1508，控制部件123a在存储器中存储关于对应的局部图像的差值，和与局部图像相关联的曝光量。在步骤S1509中，曝光量校正设置例程结束。

接着，将详细说明(在图14中的步骤S1408执行的)图像合并例程。

图16是描述在图14所示的步骤S1408执行的图像合并例程的细节的流程图。如图16所示，首先，在步骤S1601，处理进入图像合并例程。在步骤S1602，图像合并部件135确定前一个局部图像和当前局部图像之间的相位差。这里局部图像之间的相位差指的是关于手指的相同区域的两个局部图像之间的偏移量，该偏移由手指的相对运动引起。当检测到两个局部图像之间的相位差后，图像合并部件135对准这两个局部图像。这时，图像合并部件135使用计算局部图像之间的相关性的方法，确定两个局部图像之间的相位差。计算相关性的方法的例子包括用于计算两个局部图像之间的互相关系数的方法，用于确定两个局部图像之间的像素亮度差的绝对值的方法，利用快速傅立叶变换检测两个局部图像在在互功率谱内匹配的值的方法，和用于提取两个局部图像的各个特征点，并对准局部图像，从而特正点互相匹配的方法。

接着，在步骤S1603，图像合并部件135确定两个局部图像之间的相位差是否大于十二行(十二像素)。当确定相位差不大于十二行时，这表示已经检测到局部图像之间的相位差。尽管本实施例中，图像获取装置104在手指运动方向上(即，在图像获取装置104的副扫描方向上)有十二行，但本发明不限于此。在步骤S1604，图像合并部件135确定相位差是否是“0”。当确定相位差是“0”时，这表示手指根本没有动或手指以很低的速度运动，程序前进到步骤S1606，其中图像合并部件135丢弃当前局部图像，不把它与前一个局部图像连接。接着，处理前进到步骤S1608，其中图像合并部件135结束图像合并例程。在这种情况下，前一个局部图像用于确定关于接着获得的局部图像的相位差和/或用于合并图像的处理。

当在步骤S1604确定相位差不是“0”时，处理前进到步骤S1605，其中图像合并部件135按照检测的相位差对准两个局部图像，并把获得的局部图像与前一个局部图像合并。接着，在步骤S1607，与合并的图像中对应局部图像的位置相关，图像合并部件135在与图像分离的文件中记录亮度差，曝光校正量和局部图像的连接结果。例如，当记录/比较部件119通过向位于局部图像的各个区域的特征点分配加权，比较整个指纹的合并图像与记录的指纹数据时，使用该文件，同时考虑每个局部图像的扫掠型特定质量差。例如，该方案可以是确定具有很大亮度差和/或较大曝光校正量的局部图像具有大量误差，不被用于比较。这有可能增强验证精度，从而允许提高比较指纹的精度。

另一方面，当在步骤S1603确定两个局部图像之间的相位差大于十二行，或者当没有得到数值时，这表示在两个局部图像之间没有找到相关性。这种情况下，太快的图像运动能导致该结果，在步骤S1609，图像合并部件135连接当前局部图像的第一行与前一个局部图像的最后一行，而不是丢弃获得的局部图像。接着，在步骤S1610，与合并图像中局部图像的位置相关，图像合并部件135在上述文件等中记录表示相位差大于十二行的信息。接着，在步骤S1611，与合并图像中对应局部图像的位置相关，图像合并部件135在上述文件等中记录曝光校正量和局部图像之间的亮度差。

现在将参照图17、18A和18B，说明本实施例的指纹验证设备响应手指按压压力的变化产生的亮度变化执行处理的效果。

图17是表示由已知方法获得的示例局部图像(a1)到(a9)的示意图，其中不响应手指按压压力的变化执行曝光控制。图17还示出了通过合并局部图像(a1)到(a9)获得的示例指纹图像(b)。图18A是表示当本实施例的指纹验证设备响应由于手指按压压力变化而产生的亮度变化，执行曝光控制时获得的示例局部图像(a1)到(a9)的示意图。当在步骤S1406的曝光量校正设置例程中的曝光控制期间设置曝光校正量时，获得图18A所示的局部图像(a1)到(a9)。图18B是表示通过校正图18A中所示的局部图像(a1)到(a9)，获得的示例局部图像(b1)到(b9)的示意图。即，通过完成图14的步骤S1407中的校正局部图像数据的差的处理，获得图18B所示的局部图像(b1)到(b9)。图18B所示的指纹图像(c)是通过合并图18B所示的校正的局部图像(b1)到(b9)，获得的指纹图像的例子。即，图18B中的指纹图像(c)是在执行曝光控制和图像校正后合并的一个图像，并显示出和图17所示的图像(b)相比，改进的图像质量。

具体地说，图17所示的局部图像(a6)到(a9)是由于手指的按压压力的变化，亮度分别相对于理想值增加19％、17％、19％和18％时获得的例子。因而，图17所示的局部图像(a6)到(a9)稍微被饱和。这种情况下，通过控制曝光量，本实施例的指纹验证设备能够提供图18A中的局部图像(a6)到(a9)，它们分别具有比亮度理想值高19％、9％、3％和2％的亮度级，并比图17所示的局部图像(a6)到(a9)更接近于理想值。

这时，假定参照图14和15说明的第一和第二阈值分别设为6％和20％。用于按压压力变化的曝光调整量的一个等级被假定为8％。使用该设置，当获得图18A所示的局部图像(a6)时，验证单元102遵循图14和15所示的例程。这时，由于获得的局部图像(a6)的亮度级的差在6％到20％的范围内，验证单元102确定亮度变化由手指按压压力引起(步骤S1503为“定”)。因此，处理前进到步骤S1503的处理。在步骤S1503，从图14所示的步骤S1404的计算中显然看出，当检测的亮度大于理想值时，由于差值小于“0”，处理前进到步骤S1504，接着控制部件123a把曝光调整量减少8％。由于图18A所示的局部图像(a6)是从中检测到亮度变化的图像，用于其的曝光量没有被控制。但是，在图像获得单元101获得图18A所示的下一个局部图像(a7)之前，执行把曝光量降低8％的控制。

结果，图像获得单元101随后获得的图18A所示的局部图像(a7)具有+9％的亮度级，它比图17所示的局部图像(a7)的亮度级低8％。由于图18A所示的局部图像仍然具有6％或更大的差，执行把曝光量再降低一级(8％)的处理。因此，图18A所示的局部图像(a8)具有+3％的亮度级，它比图17所示的局部图像(a8)的亮度级低16％。由于图18A中的局部图像(a8)具有6％或更小的差，在获得下一个局部图像之前不执行控制曝光量的处理。因此，图18A所述的局部图像(a9)具有+2％的亮度级，比图17所示的局部图像(a9)的亮度级低16％。如上所述，当获得亮度电平在预定范围内变化的局部图像时，在获得下一个局部图像之前重复依据一个等级控制曝光量的处理。因而，本实施例的指纹验证设备能够获得图18A所示的局部图像(a1)到(a9)，它们具有比图17所示的局部图像(a1)到(a9)更适当的曝光量。

而且，如图14的步骤S1408和图16所示，在通过曝光量的控制获得的图18A中的局部图像(a1)到(a9)中，图像合并部件135对亮度级超过第一阈值的局部图像上执行校正处理。具体地说，对于图18A所示的局部图像(a6)，图像合并部件135把+19％的差校正为0％，从而获得图18B所示的局部图像(b6)。同样，对于图18A所示的局部图像(a7)，图像合并部件135把9％的差校正为0％，从而获得图18B所示的局部图像(b7)。由于图18A中的局部图像(a8)和(a9)具有6％或更小的差，图像合并部件135不执行图像校正。图像合并部件135合并通过上述处理获得的图18B中的局部图像(b1)到(b9)，建立图18B所示的合并指纹图像(c)。如上所述建立的图18B的指纹图像(c)具有6％或更小的亮度级变化。这表示本实施例的指纹验证设备能够提供高质量指纹图像。

现在将参照图19、20A和20B说明响应由外部光线环境的变化而引起的亮度变化，指纹验证装置的操作。

图19是表示例局部图像(a1)到(a9)和示例指纹图像(b)的示意图。局部图像(a1)到(a9)由已知方法获得，其中在获得局部图像时，不响应于外部光线环境的变化控制曝光量。图19所示的指纹图像(b)通过合并图19所示的局部图像(a1)到(a9)获得。图20A是表示在获得局部图像时，通过响应外部光线环境的变化，控制曝光量获得的示例局部图像(a1)到(a9)的示意图。当在步骤S1406的曝光量校正设置例程中的曝光控制期间设置曝光校正量时，获得图20A中局部图像(a1)到(a9)。图20B是表示通过校正图20A所示的局部图像(a1)到(a9)获得的示例局部图像(b1)到(b9)的示意图。即，通过完成图14的步骤S1407中校正局部图像数据的差的处理，获得图20B所示的局部图像(b1)到(b9)。图20B所示的指纹图像(b)通过合并图20B所示的校正后的局部图像(b1)到(b9)获得。即，图20B的指纹图像(b)是在进行了曝光控制和图像校正后合并的图像，并显示出优于图19所示的图像(b)的改进图像质量。

具体地说，图19所示的局部图像(a6)到(a9)是当由于手指按压压力的变化，亮度相对于理想值分别大大降低25％、26％、21％和23％时获得的例子。因而，图19所示的局部图像(a6)到(a9)具有欠饱和的黑色。这种情况下，通过控制曝光量，本实施例的指纹验证设备能够提供图20A所示的局部图像(a6)到(a9)，它们分别具有比理想亮度值高-25％、-1％、+4％和+2％的亮度级电平，并且比图19所示的局部图像(a6)到(a9)更接近理想值。

在这种情况下，假定参照图14和15所述的第一和第二阈值分别设为6％和20％。使用该设置，当获得图20A中所示的局部图像(a6)时，验证单元遵循图14和15所示的例程。由于获得的局部图像(a6)的亮度级变化为20％或更大，处理前进到步骤S1506的处理，确定亮度变化由反常因素引起，比如外部光线环境(在步骤S1502中为“否”)。在步骤S1506，控制部件123a确定与该差异(-25％)对应的曝光校正量(这种情况下为+25％)。接着，在步骤S1507，控制部件123a校正曝光量，并重新设置寄存器中的曝光校正量。由于图20A所示的局部图像(a6)是已经检测到亮度变化的图像，不控制用于其的曝光量。但是，在获得图20B所示的下一个局部图像(a7)之前执行曝光量的控制。

结果，图像获得单元101随后获得的图20A所示的局部图像(a7)具有-1％的亮度级，这比图19所示的局部图像(a7)的亮度级高25％。由于图20A中的局部图像(a7)具有与理想值相差6％或更小的亮度级，在获得下一个局部图像之前不执行控制曝光量的处理。因此，图20A中的局部图像(a8)具有+4％的亮度级，这比图19中的局部图像(a8)的亮度级高25％，并且图20A中的局部图像(a9)具有+2％的亮度级，这比图19中的局部图像(a9)的亮度级高25％。如上所述，当局部图像的亮度电平被改变，超过预定阈值时，在获得下一个局部图像之前执行对应于变化量，控制曝光量的处理。因而，本实施例的指纹验证设备能够获得图20A中的局部图像(a1)到(a9)，它们具有比图19中的局部图像(a1)到(a9)更适当的曝光量。

而且，如图14的步骤S1408和图16所示，在通过曝光量控制获得的图20A中的局部图像(a1)到(a9)中，图像合并部件135对亮度级超过第一阈值的局部图像执行校正处理。具体地说，关于图20A所示的局部图像(a6)，图像合并部件135把-25％的差校正为0％，从而获得图20B所示的局部图像(b6)。关于图20A中的局部图像(a7)、(a8)和(a9)，由于它们具有6％或更小的差，图像合并部件135不执行图像校正。图像合并部件135合并图20B中的通过上述处理获得的局部图像(b1)到(b9)，以建立图20B所示的合并指纹图像(b)。如上所述建立的图20B中的指纹图像(b)具有6％或更小的亮度级变化。这表示本实施例的指纹验证设备能够提供高质量指纹图像。

如上所述，本实施例的指纹验证设备合并局部图像，同时通过检测亮度的变化，并根据亮度级的差异，确定变化的原因，或者预先设定变化的类型，来控制曝光量。因而，指纹验证设备能够改善局部图像之间的亮度均匀度，从而提高验证精度和局部图像的匹配率。另外，结合第一实施例和本实施例，能够实现这样的指纹验证设备，即能够在顺序获取主体的局部图像的初始阶段，控制每一行的曝光量，从而获得最佳曝光量，并且能够执行控制，从而按照主体运动期间，主体的光学特征变化和环境变化，达到曝光的最佳量。

使用扫掠型传感器的本实施例不仅能够提供高精度的指纹验证系统，而且能够简化电路，从而实现电路小型化。处理电路的小型化适用于需要便携性的应用设备，包括诸如具有通过电磁波发送信息的发射器和用于选择理想目标的选择器的移动个人计算机、PDA(个人数据助理)和手机之类的便携设备。

尽管在本实施例中已经说明了通过使用作为主体的手指的指纹验证个人身份的指纹验证系统，但本发明不限于此。例如，该指纹验证系统同样能够应用于通过使用眼睛视网膜、面部特征、手掌形状等鉴别个人的系统，只要这样的系统根据主体的局部图像执行验证即可。尽管用于验证主体的系统根据通过连接主体的局部图像获得的合并图像执行验证，但本发明不限于此。例如，扫掠型指纹传感器通过将局部图像与预先记录的图像相比较，而不检测各行局部图像中的相同指纹区域，并连接局部图像来执行验证。

第三实施例的指纹验证设备能够获取图像，同时在单个指纹获取时间段内的适当时刻改变曝光条件。因而，该设备能够提供高质量的图像数据，从而实现高精度验证和高速验证。而且，尽管已经结合其中图1所示的验证单元102中的控制部件123a控制每个局部图像的曝光量的例子说明了本实施例，但是图10所示的图像获得单元101中的控制部件123c也可以控制每个局部图像的曝光量。这样的方案也能够提供同样的优点。

另外，尽管已经结合其中光学CMOS传感器被用于图像获取装置104的例子说明了本实施例，但是也可以使用采用其他系统的传感器，比如静电容量系统。这种情况下，以与光学传感器相同的方式，控制每个局部图像的电荷存储条件，从而补偿像素中积聚的电荷量的变化，也能够提供相同的优点。因此，本发明能够应用到光学传感器之外的图像获取系统传感器。

本发明不限于上述实施例，在本发明的精神和范围内能够作出各种改变和修改。因此，为了向公众告知本发明的范围，做出随附的权利要求。

Claims (20)

1、一种信号处理设备，包括：

一个用于获取主体的多个图像的图像获取装置，多个图像包括第一局部图像和多个第二局部图像；和

一个用于控制第一模式和第二模式的控制部件，

其中，在第一模式下，在主体和图像获取装置的相对运动期间，图像获取装置利用多个曝光条件获取主体的第一局部图像，并且控制部件根据第一局部图像设置曝光条件中的相应一个曝光条件，和

在第二模式下，图像获取装置按照控制部件设置的曝光条件中的相应一个曝光条件，顺序获取主体的多个第二局部图像。

2、根据权利要求1的信号处理设备，其中第一局部图像包括单独一个第一局部图像。

3、根据权利要求1的信号处理设备，其中第一局部图像包括多个局部图像，并且图像获取装置利用多个曝光条件获取多个第一局部图像。

4、根据权利要求1的信号处理设备，还包括一个验证单元，用于通过比较局部图像和预先记录的图像执行验证。

5、根据权利要求4的信号处理设备，其中验证单元按照每个局部图像的亮度级验证主体。

6、根据权利要求4的信号处理设备，其中主体包括指纹。

7、一种控制方法，包括：

在主体和用于获取该主体的图像的图像获取装置的相对运动期间，利用多个曝光条件获取主体的至少一个第一局部图像；和

按照至少一个第一局部图像设置曝光条件中的相应一个曝光条件，并按照设置的曝光条件中的相应一个曝光条件，顺序获取主体的多个第二局部图像。

8、一种信号处理设备，包括：

一个图像获取装置，用于在主体和图像获取装置的相对运动期间，获取主体的多个局部图像；

一个检测部件，用于检测由图像获取装置获得的多个局部图像中每一个的亮度级；和

一个曝光量控制部件，用于根据检测到的亮度级，执行设置随后将获取的局部图像的曝光量的控制。

9、根据权利要求8的信号处理设备，还包括一个改变部件，用于按照主体和图像获取装置的相对运动期间，多个局部图像的亮度级的变化，改变曝光量控制部件。

10、根据权利要求9的信号处理设备，其中改变部件在两种情况之间改变曝光量部件，一种情况是确定亮度级变化由主体的运动引起，一种情况是确定亮度级变化由外部入射光的数量的变化引起。

11、相据权利要求8的信号处理设备，还包括一个校正部件，用于按照由检测部件检测的亮度级，对局部图像执行校正。

12、根据权利要求8的信号处理设备，还包括一个验证单元，用于通过比较局部图像和预先记录的图像执行验证。

13、根据权利要求12的信号处理设备，其中验证单元按照每个局部图像的亮度级验证主体。

14、根据权利要求12的信号处理设备，其中主体包括指纹。

15、一种控制方法，包括：

在主体和用于获取主体的图像的图像获取装置的相对运动期间，获取主体的多个局部图像；

检测由图像获取装置获取的多个局部图像中的每一个的亮度级；和

按照检测到的亮度电平，执行控制，以便设置稍后将获取的局部图像的曝光量。

16、一种信号处理设备，用于顺序获取主体的多个局部图像，该信号处理设备包括：

第一控制部件，用于执行控制，以便校正用于获取局部图像中的相应一个局部图像的曝光量，在改变曝光量的同时，按照获取的至少一个局部图像执行控制；

一个检测部件，用于检测以第一控制部件校正的曝光量，获取的各个局部图像的亮度级；和

第二控制部件，用于按照由检测部件检测的亮度级，执行控制，以便改变由第一控制部件校正的曝光量。

17、根据权利要求16的信号处理设备，还包括一个验证单元，用于通过比较各个局部图像和预先记录的图像执行验证。

18、根据权利要求17的信号处理设备，其中验证单元按照每个局部图像的亮度级验证主体。

19、根据权利要求17的信号处理设备，其中主体包括指纹。

20、一种用于信号处理设备的控制方法，所述信号处理设备用于顺序获取主体的多个局部图像，控制方法包括：

按照改变曝光量时获取的至少一个获取局部图像，执行控制，以校正用于获取后续局部图像的曝光量；

检测用校正的曝光量获取的后续局部图像的亮度级；和

按照检测的亮度级，执行控制，以改变校正的曝光量。

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