CN1677432A - 聚焦指纹图像的方法和指纹检测装置 - Google Patents
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Abstract
目前指纹传感器的聚焦方法通常较慢，难以迅速、精确地聚焦在指纹图像上。本发明涉及一种聚焦指纹图像的方法。该方法获得部分指纹图像，调节控制参数值，以获得聚焦的部分指纹图像，将经调节的聚焦控制参数值设定为聚焦控制参数值，然后获得聚焦的完整指纹图像。本发明还涉及一种能部分扫描指纹图像的指纹检测装置。该指纹检测装置包括具有多个检测元件的检测阵列，该检测阵列用于检测设在检测阵列接触表面上的指纹的脊或沟。该指纹检测装置还包括控制器，控制器能选择至少一个检测元件，以形成部分指纹图像，并且还包括检测电路，用于确定所选择的检测元件是导通还是截止。
Description
技术领域
本发明涉及聚焦指纹图像的方法。本发明首选涉及一种通过获取指纹图像的部分扫描，调节用于聚焦部分指纹图像的控制参数，然后获得完整的指纹图像，而聚焦所检测到的指纹图像的方法。另外，本发明还涉及一种指纹检测装置。
背景技术
许多安全系统采用人类用户的生物度量数据，藉以增强系统的安全性。生物度量数据包括更正形式的物理识别信息。譬如，所述生物度量数据可包括指纹、虹膜图案、声音图案、面部特征、DNA编码、血型、耳朵印迹等，但不排除其他数据。在许多安全系统，如门禁安全系统和个人财产安全系统等，可以使用生物度量数据，防止未授权用户访问房屋或使用个人财产。可以利用这种生物度量数据的个人财产例子有移动电话、个人计算机(PC)、个人数字助理(PDA)和智能卡。
指纹包括可从指纹图像提取出的多个特征，如脊、沟和细节点。细节点为分叉，所述的脊在这种点处分叉；以及终点，所述的脊在这种点处结束。指纹特征的分布对于每个人类用户是不同的。由于没有两个人具有相同的指纹，这种生物度量数据是极其特有的。从而，在安全系统中使用诸如指纹类生物度量数据是极其精确的，并且在保护房屋或个人财产等方面是有效的。
有两种类型的指纹传感器，即(i)基于光学的指纹传感器，和(ii)并非基于光学的指纹传感器。
在欧洲专利公开No.0457398A2(Philips Electronic and AssociatedIndustries Limited)中披露了一种基于光学的指纹传感器。EP0457398A2描述了一种光学指纹检测装置，包括具有全内反射的玻璃棱镜。光被引导通过所述棱镜的一个表面，并在棱镜的第二个表面处反射，并从棱镜的第三表面输出。当手指放置在第二表面(接触表面)上时，指纹的脊的位置与玻璃接触，但不反射光。然而，在指纹沟位置处光存在反射。从而，从棱镜的第三表面输出的光与指纹的特征相应。
在本领域中众所周知，基于光学的指纹传感器的弱点是欺诈性使用。这是因为可使用指纹的照片取代实际指纹，并将产生相同的结果。此外，必须保持接触表面清洁，不受灰尘污染，而且还是会产生油脂或不洁的指纹图像。
EP 0457398A2中还披露了一种并非基于光学的指纹传感器。EP0457398A2描述一种电容型指纹检测装置，包括检测元件的有源矩阵，每个元件包含检测电极和场效应晶体管(FET)。当把手指放置在该检测装置的接触表面上时，指纹的脊与接触表面实际或者接近于接触，而指纹的沟远离接触表面。每个检测元件和指纹的相应部分构成电容器的相对平板。每个电容器的电容随接触表面与指纹相应部分之间的距离而变。当指纹的脊与接触表面实际或接近于接触时，产生较大的电容，而当指纹的沟覆盖接触表面时产生较小的电容。使用在电容方面发生的这些改变产生指纹的图像。
美国专利公开No.2002/0163601(Min等人)中披露了并非基于光学的指纹传感器的另一个例子。美国2002/0163601描述了一种薄膜晶体管(TFT)型指纹检测装置，包括控制器和具有多个检测元件的传感器阵列。每个检测元件包含TFT光检测装置，TFT开关装置和背光。当把手指放置在检测感装置的接触表面上时，对指纹提供背光。光受到指纹的反射，与指纹的沟相比，指纹的脊所反射的光更多。所反射的光被TFT光检测装置接收，引起电流流动。如果电流的量足够大，则使TFT开关装置导通。在每个检测元件内的TFT开关装置只有当指纹的相应部分包括脊时才会被导通。如果指纹的相应部分包括沟，则TFT开关装置不会被导通。从而，可使用通和断检测元件阵列产生指纹的图像。
指纹检测装置必须获得清晰的指纹图像。这是因为清晰的指纹图像对于指纹图像采用的生物度量识别算法的成功性至关重要，在检测之后将用户识别为授权或未授权用户。Davide Maltoni的“指纹识别手册”(Handbook of Fingerprint Recognition)中公开了生物度量识别算法。
对于并非基于光学的传感器来说，为了产生清晰的图像，必须控制若干参数。这些参数包括，但不限于，用于区别导通检测元件与截止检测元件的参考信号，以及电容型指纹检测装置中测量电容所需的充电/放电时间。每次使用传感器时，都须调节这些参数。必须根据外界因素如湿度、手指施加于传感器上的压力，以及手指的皮肤温度来调节参数。
人类用户的皮肤温度随用户而变。另外，大多数用户在寒冷的季节具有更干燥的皮肤。这些改变会影响指纹检测装置产生的结果，因为与湿润皮肤相比，干性皮肤在更低的位置与检测装置的接触表面相接触。从而，如果不通过调节参数来补偿外界因素，则可能获得不可靠的结果。
此外，与其他指纹检测装置相比，电容型指纹检测装置的图像帧速度较低。由于通常手指仅放置在检测装置的接触表面上非常短的时间周期，可用于调节参数并获得清晰图像的时间周期非常短。
发明内容
本发明的目的在于，通过提供一种将指纹检测装置获得的指纹图像聚焦的方法以克服上述缺陷。所述方法包括：(a)获得部分指纹图像；(b)调节控制参数值，以获得经聚焦的部分指纹图像；(c)将经过调节的聚焦控制参数值设定为聚焦控制参数值；以及(d)获得聚焦的完整指纹图像。
另外，本发明的目的还在于，通过提供一种指纹检测装置以克服上述缺陷，所述装置包括：具有多个检测元件的检测阵列，该检测阵列用于检测处于检测阵列的接触表面上的指纹的脊和沟；与检测阵列连接的控制器，该控制器能选择多个检测元件当中的至少一个，以便形成部分指纹图像；以及与检测阵列和控制器连接的检测电路，该检测电路用于确定所选择的检测元件是导通还是截止。
本发明的方法和装置减小了手指与检测装置的接触表面相接触，用以便获得指纹图像的时间周期，并提高所获得的指纹图像的质量。所获得的指纹图像质量的提高，增大了检测之后应用于指纹图像的生物度量识别算法的精度。此外，所获得的指纹图像质量的提高，减小了对指纹图像应用生物度量识别算法前所需的对指纹图像的后处理。
附图说明
以下将通过进作为进一步举例并参照附图描述本发明的实施例，其中：
图1表示本发明的指纹检测装置；
图2表示传感器阵列的完整扫描；
图3表示传感器阵列的部分扫描；
图4表示本发明第一实施例的方法的流程图；
图5表示本发明第二实施例的方法的流程图；
图6表示包含本发明方法和装置的移动个人计算机的示意图；
图7表示包含本发明方法和装置的移动电话的示意图；
图8表示包含本发明方法和装置的数字照相机。
具体实施方式
任何指纹检测装置都能利用本发明的方法和装置，在使用指纹检测装置之前必须设定参数。具体来说，TFT型指纹检测装置和电容型指纹检测装置可以利用本发明的方法和装置。
图1中说明了本发明第一实施例的非光学指纹检测装置。该指纹检测装置包括控制器1，具有多个检测元件5的检测阵列3以及检测电路7。可将控制器1、检测阵列3和检测电路7结合在一个传感器上，或者可以在传感器的外部实现某些部件。
该检测装置还包括图1中未示出的位于检测阵列3上面的接触表面。当手指放置在接触表面上时，可利用检测阵列3内的检测元件5，通过本领域中众所周知的方法确定放置在每个检测元件5上面的指纹的相应部分是否包含脊或沟。所用的确定指纹的相应部分是否包含脊或沟的方法取决于指纹检测装置是TFT型指纹检测装置，还是电容型指纹检测装置等。
当把手指放置在接触表面上时，控制器1产生控制信号11，激励检测阵列3内多个检测元件5中的一部分进行分析。控制信号11还指示每一个被激励的检测元件5输出信号13，信号13可用于确定指纹的相应部分是否包括脊或沟。
与现有技术不同，本发明的控制器1并不限制在任何一个时刻选择所有的多个检测元件5进行分析。从而，不必如现有技术的指纹检测装置所必须做的那样，总是激励检测阵列3中所有的多个检测元件5来完成检测阵列3的完整扫描，从而完整扫描指纹。图2中表示检测阵列3的完整的扫描。
本发明的控制器1可在任一个时刻选择多个检测元件5中的任何检测元件进行分析。从而，可实现检测阵列3的部分扫描，这相当于指纹的部分扫描。图3中表示出检测阵列3的部分扫描。
本申请中用术语“部分扫描”来定义对至少一个检测元件5进行分析。不过，最好在任一个时刻选择若干检测元件5进行分析，从而可检测大量的脊/沟，并精确确定部分扫描图像是否被聚焦，还是没有实现聚焦。更为优选的是，在检测阵列的中央区域执行部分扫描。
部分扫描所需的检测元件5的数量取决于检测阵列3中检测元件5的数量，以及检测元件5的大小与所检测的脊/沟的大小的比例。
尽管本发明的控制器1并不限定在任一个时刻选择多个检测元件5中的所有元件进行分析，不过本发明的控制器1也能在任一个时刻选择所有的多个检测元件5，以及多个检测元件5中的某一些进行分析。
尽管图1至3将检测阵列3表示成包含64个检测元件5，但本发明的装置并不限于包含64个检测元件5的检测阵列3。检测阵列3可包括任意数量的检测元件5。
用户每个手指的大小不同。于是，最好使检测阵列3比与指纹检测装置的接触表面接触放置的手指大。在这种情况下，本发明的指纹检测装置仅使用一些检测元件5就能获得完整的指纹扫描。
如果所述指纹检测装置为电容型指纹检测装置，则每个检测元件5检测接触表面与指纹的相应部分之间耦合的电容。电容值作为输出信号13被输出。此外，控制器1控制电容耦合检测元件5中电容器的充电/放电时间。
来自每个被激励的检测元件5的输出信号13被输入检测电路7。控制器1产生的参考信号15也被输入检测电路7。参考信号15通常为电压，但有些比较器(检测电路7)可使用电流参考信号15。不过，本发明并不限于使用电压或电流作为参考信号15。
检测电路7比较输出信号13和参考信号15。如果输出信号13大于参考信号15，则判断该检测元件5导通。如果输出信号13小于参考信号15，则判断该检测元件5截止。如果输出信号13与参考信号15相等，则由检测电路7决定该检测元件5导通还是截止。
根据所使用的指纹检测装置类型，如果指纹的相应部分包括脊，则该检测元件5导通。而如果指纹的相应部分包括沟，则该检测元件截止。作为另一种选择，如果指纹的相应部分包括脊，则检测元件5截止。而如果指纹的相应部分包括沟，则该检测元件导通。
检测电路7把表示每个所选择的检测元件5是导通还是截止的比较结果17输出至控制器1。然后控制器1由该数据组合成部分指纹图像。继而，使用本发明的方法，将该部分指纹图像自动聚焦。
图4说明本发明第一实施例的方法。在步骤S1，将控制参数，如用于区分导通检测元件与截止检测元件的参考信号设定为任意值。然后在步骤S3，通过本发明的指纹检测装置获得部分指纹图像。步骤S5判断所获得的部分指纹图像是否焦点对准。
如果所获得的部分指纹图像并未焦点对准，则在步骤S7沿着改善部分指纹图像聚焦的方向将控制参数改变一个点。之后该方法返回步骤S3，使用改变的控制参数值，通过该指纹检测装置获得另一个部分指纹图像。重复步骤S3至S7，直至在步骤S5判断结果为部分指纹图像焦点对准为止。
如果所获得的部分指纹图像焦点对准，则在步骤S9保存产生聚焦部分指纹图像的控制参数值，作为聚焦控制参数值。最后，在步骤S11，使用聚焦控制参数值获得聚焦的完整指纹图像。
本发明第一实施例的方法能够在比现有技术中已知的方法更短的时间周期内获得聚焦的完整指纹图像。这是因为与获得完整指纹图像所需的时间相比，获得部分指纹图像所需的时间要短得多。由于每次控制参数值发生改变时都要获得一个新图像，以便判断所改变的控制参数值是否产生聚焦图像，减小了获得能产生聚焦图像的控制参数值所需的时间。从而，减小了获得完整聚焦指纹图像所需的时间。
图5说明本发明第二实施例的方法。步骤S1至S7与本发明第一实施例的步骤S1至S7相同。本发明第二实施例的方法与本发明第一实施例方法的区别在于，如果所获得的部分指纹图像焦点对准，则在步骤S13保存产生聚焦部分指纹图像的控制参数值，作为第一聚焦控制参数值。
然后在步骤S15，沿着使部分指纹图像的聚焦变劣的方向将控制参数值改变一个点。控制参数值改变的方向与步骤S7中所使用的方向相同，以便改善部分指纹图像的聚焦。然后在步骤S17，通过本发明的指纹检测装置获得部分指纹图像。在步骤S19，判断步骤S17获得的部分指纹图像是否离焦。
如果所获得的部分指纹图像焦点对准，则在步骤S21沿着使部分指纹图像的聚焦变劣的方向将控制参数改变一个点。继而，所述方法返回步骤S17，使用改变的控制参数利用该指纹检测装置获得另一个部分指纹图像。重复步骤S17至S21，直至在步骤S19判断结果为部分指纹图像离焦为止。如果在步骤S19判断所获得的部分指纹图像离焦，则在步骤S23，将产生离焦部分指纹图像的控制参数之前的那个控制参数保存为第二聚焦控制参数。最后，在与本发明第一实施例的步骤S11相同的步骤S11，使用第一和第二聚焦控制参数值获得聚焦的完整指纹图像。作为另一种选择，可以将处于第一与第二控制参数值之间的任一控制参数值设定为聚焦控制参数值，并使用该聚焦控制参数值获得聚焦的完整指纹图像。使用第一和第二控制参数值作为边界控制参数值，认为在它们内指纹图像是聚焦的。
尽管本发明的上述方法描述了通过沿着改善部分指纹图像聚焦的方向将控制参数值改变一个点，或者沿着使部分指纹图像的聚焦变劣的方向将控制参数值改变一个点，从而改变部分指纹图像的聚焦，不过本发明并不限于这种聚焦方法。比如，可一次将控制参数值改变不止一个点。或者可使用两个不同的(预定)控制参数值获得两个部分扫描，然后通过线性或者其他方式将所获得的图像外推，从而可获得产生聚焦图像的控制参数值。
此外，可针对控制参数的若干预定值和用于产生最聚焦图像的控制参数值获得部分扫描。作为另一种选择，可利用更高级或更低级的算法。使用定义上限的控制参数的较高数值，以及定义下限的控制参数的较小数值，获得两个部分扫描。然后，使用处于两个边界值之间中点处的控制参数值获得部分扫描。继而，将该中点控制参数值设定为新的高限或低限，并重复该步骤直至获得聚焦图像为止。
本发明的方法和装置还可以利用确定产生聚焦部分指纹图像的控制参数值所用的其他方法。此外，在确定不同控制参数值时，可以使用与确定产生聚焦指纹图像的控制参数值的方法相同或不同的方法。
一旦已经确定了聚焦控制参数值或第一和第二聚焦控制参数值，则可以使用跟踪算法，在获取聚焦的完整指纹图像的同时保持聚焦。在获得聚焦的完整指纹图像时进行的指纹的自动跟踪，包括改变获得聚焦的完整指纹图像的条件。
如果需要，还可将其它聚焦技术应用于聚焦的完整指纹图像，以便进一步提高图像的质量。
一旦获得了聚焦的完整指纹图像，则可对指纹图像施加生物度量识别算法，确定该指纹是授权用户的还是未授权用户的。
本发明第一和第二实施例的两种方法，通过检测导通与截止检测元件5之间的对比度确定部分指纹图像是焦点对准还是离焦。导通与截止检测元件5的对比度越大，则判断该图像焦点越对准。
可以使用不同的技术确定所获得的图像是否焦点对准。本领域中几种公知的技术为：
i)测量指纹图像中导通检测元件的百分率；
ii)对指纹图像加以滤波，将指纹图像中的线条加亮，然后测量指纹图像中导通检测元件的百分率；或者
iii)利用滤波器减小指纹图像中的噪声，然后测量指纹图像中导通检测元件的百分率。
以下描述使用上述指纹检测装置和方法的几种电子装置。
图6表示包含本发明方法和装置的移动个人计算机的示意图。个人计算机1100包括主体1104，主体1104包括键盘1102和显示部件100。可将本发明的指纹检测装置包含于移动个人计算机的显示装置100中，或者将其作为分离的部件。
图7表示包含本发明方法和装置的移动电话的示意图。移动电话1200包括多个操作键1202、受话机1204、话筒1206和显示板100。可将本发明的指纹检测装置包含于移动电话的显示板100中，或者可将其作为分离的部件。
图8表示包含本发明方法和装置并与外部装置具有连线的数字照相机的示意图。数字照相机1300通过使用比如电荷耦合装置(CCD)进行光电转换，由物体的光学图像产生成像信号。数字照相机1300包括处于机壳1302背面的显示板100，以根据来自CCD的成像信号进行显示。于是，显示板100起取景器的作用，用于显示物体。在机壳1302的前侧(图中后侧)设置包括光学透镜和CCD的光接收部件1304。可将本发明的指纹检测装置包含于数字照相机的显示装置100中，或者可将其作为分离的部件。
当摄影师确定了显示板100中所显示的物体图像，并释放快门时，传输来自CCD的图像信号，并保存在电路板1308的存储器中。在数字照相机1300中，于机壳1302的侧面上设置用于数据通信的视频信号输出端1312和输入/输出端1314。如图中所示，如果需要，使电视监视器1430和个人计算1440分别与视频信号端1312和输入/输出端1314相连。通过给定的操作，电路板1308的存储器中所保存的成像信号被输出至电视监视器1430和个人计算机1440。
除图6中所示的个人计算机、图7中所示的便携式电话以及图8中所示的数字照相机以外，这种电子装置的例子包括寻象型和监视型录像机、汽车导航系统、寻呼机、电子笔记本、便携式计算器、字处理器、工作站、TV电话、电子收款机系统(POS)终端，以及具有触摸板的装置。
上面只是通过例子给出了描述，本领域技术人员可知，在不偏离本发明范围的条件下可实现改型。
Claims (23)
1.一种聚焦指纹检测装置获得之指纹图像的方法，所述指纹检测装置包含具有多个检测元件的检测阵列，所述方法包括：
(a)获得部分指纹图像；
(b)调节控制参数值，以获得聚焦的部分指纹图像；
(c)将经调节的聚焦控制参数值设定为聚焦控制参数值；以及
(d)获得聚焦的完整指纹图像。
2.根据权利要求1所述的聚焦指纹图像的方法，其中，所述步骤(a)还包括：
(a)(i)选择所述多个检测元件当中的至少一个，但并非全部，以便形成所述部分指纹图像。
3.根据权利要求1或2所述的聚焦指纹图像的方法，其中，所述步骤(d)还包括：
(d)(i)选择所述多个检测元件中的全部，以便形成所述的聚焦完整指纹图像。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的聚焦指纹图像的方法，其中，所述步骤(c)还包括：
(c)(i)调节所述控制参数值，以获得未聚焦的部分指纹图像；
(c)(ii)将所述经调节的未聚焦控制参数值前面的一个所述控制参数值设定为第二聚焦控制参数值，所述聚焦控制参数值和所述第二聚焦控制参数值是边界控制参数值，在这些参数值内，所述指纹图像是聚焦的。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的聚焦指纹图像的方法，其中，所述步骤(b)还包括：
(b)(i)调节多个控制参数值中的一个。
6.根据权利要求5所述的聚焦指纹图像的方法，其中，一次仅调节所述多个控制参数值中的一个。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的聚焦指纹图像的方法，其中，所述控制参数值是参考信号。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的聚焦指纹图像的方法，其中，所述控制参数值是所述检测阵列中的所述检测元件内电容器的充电/放电时间。
9.一种指纹检测装置，它包括：
具有多个检测元件的检测阵列，所述检测阵列用于检测处于检测阵列的接触表面上的指纹的脊和沟；
与所述检测阵列连接的控制器，所述控制器能选择所述多个检测元件当中的至少一个，以形成部分指纹图像；以及
与所述检测阵列和所述控制器连接的检测电路，所述检测电路用于确定所述被选择的检测元件是导通还是截止。
10.根据权利要求9所述的指纹检测装置，其中，所述多个检测元件构成检测元件矩阵。
11.根据权利要求9或权利要求10所述的指纹检测装置，其中，所述的从多个检测元件中所选择出的一个检测元件用于向所述检测电路发送输出信号。
12.根据权利要求11所述的指纹检测装置，其中，所述控制器用于产生参考信号。
13.根据权利要求12所述的指纹检测装置，其中，所述检测电路用于比较所述输出信号与所述参考信号。
14.根据权利要求13所述的指纹检测装置，其中，若所述输出信号大于所述参考信号，则所述检测元件导通，若所述输出信号小于所述参考信号，则所述检测元件截止。
15.根据权利要求14所述的指纹检测装置，其中，若所述检测元件导通，则所述检测元件检测的是沟，而若所述检测元件截止，则所述检测元件检测的是脊。
16.根据权利要求14所述的指纹检测装置，其中，若所述检测元件截止，则所述检测元件检测的是沟，而若所述检测元件导通，则所述检测元件检测的是脊。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的指纹检测装置，其中，所述控制器能选择多个检测元件，以形成完整的指纹图像。
18.根据权利要求9至17中任一项所述的指纹检测装置，其中，所述指纹检测装置是薄膜晶体管(TFT)型指纹检测装置。
19.根据权利要求9至17中任一项所述的指纹检测装置，其中，所述指纹检测装置是电容型指纹检测装置。
20.根据权利要求19所述的指纹检测装置，其中，所述检测元件检测所述指纹的脊或沟与所述接触表面之间耦合的电容。
21.根据权利要求19所述的指纹检测装置，其中，所述控制器用于控制所述检测元件中电容器的充电/放电时间。
22.一种如上所述并参照附图4或5的聚焦指纹图像的方法。
23.一种如上所述并参照附图1的指纹检测装置。
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