CN1825915A - 图象传感器器件、使用其的活体认证系统和图象获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于活体认证的图象传感器器件，其实现高精度和高认证速度且同时减小图象传感器器件的成本并使该器件小型化。在例如便携终端内提供一种具有高性能的便宜的指印认证系统。用于获取图象信息的图象传感器器件具有图象传感器元件，具有可变增益放大器的色调转换单元，和色调转换特性改变单元，并且在获取整个图象期间控制该色调转换特性改变单元以便改变图象信号的偏移条件并改变色调转换特性。

Description

图象传感器器件、使用其 的活体认证系统和图象获取方法

技术领域

本发明涉及一种图象传感器器件和图象获取方法，并更特别地涉及一种适于布置在活体认证例如指印认证或血管认证的系统内的图象传感器器件，和图象获取系统。

背景技术

在使用指印、脸部、虹膜、掌纹图案等的活体认证系统中，从图象获取装置获得活体的图象，从此获取的图象提取特性，并将此信息与注册的数据相核对以识别活体。

这里，图象获取装置的检测系统的示例包括使用CCD或CMOS传感器的光学系统、静电电容系统、压力检测系统、光敏系统和电场检测方法。在另一种分类中，存在以下类型的系统，即使用二维区域传感器总地获取物体图象的类型，和被称为扫描型的类型。在后者的系统中，利用一维传感器或在副扫描方向上具有2到20个象素的条型二维传感器沿副扫描方向连续拾取的物体的图象被合成以获取整个图象。

在活体认证系统中，在对通过图象获取装置获取的图象进行各种图象处理例如对比度提高和轮廓加重之后，可提取特性以进行核对。

迄今为止，在活体认证系统的对比度提高处理中，手工调整获取条件(见日本专利申请特开号H08-272953)，或对通过图象获取装置获取的图象进行计算处理(见日本专利申请特开号H01-158577)。

但是，在传统活体认证系统的对比度提高处理中，手工调整图象，或对获取的图象数据进行色调转换处理，该处理是后处理。因此，存在在亮度有很大变化的情况下不能足够地提高对比度的问题。

例如，由于环境状态例如室内或室外光、白光或夜间，或手指大小、透射率等的个体差异，亮度级会随着外部光的改变而发生很大的改变。特别地，当蜂窝电话、PDA等具有该系统时，室外使用的机会增加，并且该系统受这种环境变化的影响很大。

在此情况下，即使当试图在后处理中处理获取的图象时，不能从获取的图象恢复色调差。这是因为在获取的图象的饱和区域或黑暗区域内，色调等级数据已经丢失。

当试图通过手调操作获得最优条件时，由于调整操作复杂，所以用户会有很大的负担。还考虑其中多次拾取图象以利用自动曝光校正功能(AE)再次控制曝光条件的构成。但是，在其中获取的数据饱和或变黑的情况下，由于不存在任何指示曝光条件的所需改变的程度的索引，必须多次重复获取数据直到实现合适的曝光，并且需要很多次以便收敛。

通过图象处理的获取的图象数据的色调转换指示原始图象的比特精度降低。通常，为了抑制数据量，获取的图象不能具有过多比特。因此，在图象处理之后比特精度变得非常低，并且S/N比率降低。

在其中在一个活体图象的平面内的亮度分布存在很大差别的情况下这种问题尤其显著。照亮物体的光学系统和该物体等之间的位置关系生成的亮度差、在物体本身的平面内的透射率差生成的亮度差等会加重此问题。

在立即获取的图象内存在大亮度差的情况下，即使当在后处理中处理获取的图象时，平面的每个位置的最优值不一致，并且难以计算。即使在能执行计算时计算也变困难，从而计算时间增加并且电路大小扩大。此外，在其中通过手调或AE实现光学条件时，由于最优条件在平面内不同，所以可调范围变窄。当不能将曝光时间调整为最优时，平面的区域的一部分变黑或饱和。即使在其中可能变黑或饱和的两个区域调整成动态范围的情况下，由于将动态范围调整为宽范围，所以在图象处理之后比特精度降低，并且S/N比率降低。

发明内容

本发明的一个目的是简化和便宜地实现具有宽动态范围的高精度图象传感器器件，该宽动态范围对应于在活体图象平面内由光源等的环境条件、物体形状和透射率的差异生成的亮度差，活体认证系统和图象获取方法。

本发明的图象传感器器件是用于认证的扫描型图象传感器，其连续拾取物体的部分图象信息的图象以获得物体的整个图象。图象传感器器件具有图象传感器元件，色调转换装置和色调转换特性改变装置。

此外，在本发明中，色调转换特性改变装置具有能够改变图象信号的偏移量条件以便在完成整个图象的全部色调转换之前改变色调转换特性的构成。

此外，本发明的图象传感器器件的特征在于与图象传感器元件的副扫描定时同步地改变色调转换特性。

另外，本发明的图象传感器器件的特征在于检测活体图象的亮度分布从而控制色调转换特性改变装置。

因此，由于可在整个图象平面上确保宽的动态范围，所以可处理环境条件例如外部光以及物体的形状、大小和状态的变化的区域变得更宽，并且可实现具有高检测能力的图象获取装置。

此外，在图象传感器器件内，在改变平面内的色调转换特性的同时获取图象。因此，在执行处理期间可防止比特精度降低，直到从获取的图象提取出特性。

此外，当在色调转换装置之前的级内通过布置成色调转换特性改变装置的偏移量改变装置改变平面内的色调转换特性时，简化电路构成，并且可防止电路大小或计算时间增加。

另外，可与图象传感器元件的副扫描定时同步地改变色调转换特性，从而简化电路构成并防止电路大小或计算时间增加。

此外，检测活体图象的亮度分布以从而控制色调转换特性改变装置，从而优化一个图象平面的每个部分内的色调转换。因此，不需要获得许多图象，并且可缩短图象拾取时间，可获取更优化的图象。

如上所述，根据本发明，可实现这样的用于认证的图象传感器器件，即该器件具有高精度和高认证速度同时减小电路大小或计算量，从而可实现图象传感器器件的成本降低和小型化。因此，存在可在便携式终端内便宜地提供例如高性能指印认证系统的效果。

附图说明

图1是示出本发明的实施例1的区域类型指印认证装置的构成的框图；

图2A和2B是示出本发明的实施例1的区域类型指印认证装置的说明图；

图3是作为实施例1中的图象传感器元件的CMOS类型传感器的说明图；

图4是作为实施例1中的图象传感器元件的CMOS类型传感器的说明图；

图5是实施例1中的色调转换单元的色调转换曲线的说明图；

图6A和6B是示出实施例1的操作的说明图；

图7A、7B、7C和7D是示出实施例1的操作的说明图；

图8是示出实施例1中的应用本发明的活体图象获取例程的流程图；

图9是示出本发明的实施例2中的扫描型指印认证装置的构成的框图；

图10A、10B和10C是本发明的实施例2中的扫描型指印认证装置的说明图；

图11A、11B和11C是本发明的实施例2中的扫描型指印认证装置的说明图；

图12A和12B是示出实施例2的操作的说明图；

图13是实施例2中的PGA部分的色调转换曲线的说明图；

图14A、14B、14C和14D是示出实施例2的操作的说明图；

图15是示出实施例2中的应用本发明的活体图象获取例程的说明图。

具体实施方式

下文将参照附图说明本发明的实施例。

(第一实施例)

图1示出作为本发明的第一实施例的应用本发明的区域类型指印认证装置的示意性构成的框图。这里，作为在一个活体图象的平面内的亮度分布存在很大差别的示例，将说明由照射物体的光学系统和该物体之间的位置关系生成的亮度差。将说明这样的示例，即其中在图象传感器器件内检测环境，根据该环境选择控制系数，并获取一个活体图象且同时控制偏移量，从而提高动态范围。

在本发明中，指印认证装置由图象获取单元101和认证单元102构成。图象获取单元是例如具有图象传感器的图象传感器单元，而认证单元有时是由个人计算机执行的功能的组合。可选择地，在一些情况下，图象获取单元和认证单元组合成一个指印认证单元以构成将连接到个人计算机的独立的装置(未示出)。

在图1的图象获取单元101中，标号103指示作为用于照明的光源(光照装置)的LED。

标号104指示作为一维或二维传感器的CMOS或CCD类型的图象传感器部分。在本实施例中，该部分是在主扫描方向上具有768个像素而在副扫描方向上具有512个像素的CMOS类型的二维传感器。

标号105指示定时生成(TG)部分，其控制图象传感器部分和LED的亮度级和照明定时，106指示模拟数字转换器部分。

在本发明中，标号107指示能够在图象获取期间改变偏移量的偏移量改变部分，108指示对其直流分量在前面级中已被改变的信号进行色调转换的色调转换部分。

标号140指示第一亮度检测部分，其检测来自图象拾取信号110b的亮度以判断环境。标号141指示改变控制部分，其从此判断结果计算改变系数，并在定时生成(TG)部分的控制下控制偏移量改变部分。

此外，标号109指示通信部分，其从认证单元接收到控制信号，并向认证单元传递数据信号。标号113指示数据信号线，114指示控制信号线。

标号110a指示模拟图象数据信号线，标号110b、110c和110d指示数据图象数据信号线。这里，在10比特的宽度内对信号进行处理，并利用线110b和110c之间的色调转换将信号从10比特转换成8比特。信号线110d的宽度为8比特。

标号111a和111b指示控制线，其接收到认证单元102的控制信号以控制色调转换部分和定时生成(TG)部分。

标号111c指示由亮度检测部分的判断结果改变色调转换部分108的色调转换系数的控制线。标号111d指示将亮度检测部分的判断结果传递给改变控制部分141的控制线。标号111e指示这样的控制线，即改变控制部分141经由该控制线控制偏移量改变部分107。

标号112a和112b指示从定时生成部分传递给图象传感器部分和LED部分的驱动脉冲的信号线。标号112c指示亮度检测部分的控制脉冲线，并且执行控制以便经由该线初始化亮度检测部分。标号112d指示改变控制部分的控制脉冲线，经由该线发送具有副扫描方向的同步信号以与副扫描方向的信号同步地改变偏移量。

在认证单元102中，标号115指示通信部分。

标号122a指示第二亮度检测部分，其区别包括活体信息的区域和获取的图象信息，并且检测被区别开的活体信息区域的亮度。标号123a指示接收包括第二亮度检测部分的部分的信息以控制图象获取单元101的控制部分。

标号116指示预处理部分，其执行图象处理例如轮廓加重以便在随后的级内提取特性。标号117指示用于执行图象处理的帧存储部分。标号118指示特性提取部分，119指示注册核对部分，其将部分118提取的个体信息注册在数据库内或将特性与注册的数据相比较并核对。标号120指示存储个体数据的数据库部分。

标号124a、b、c和d指示传递图象数据的数据线。标号125指示数据库部分和注册核对部分之间的数据线或控制线。标号129a指示发送亮度检测所需的图象信息的信号线，130a指示传递亮度检测结果的信号线，131指示接收每个部分的状态以发送用于控制图象获取单元的信号的信号线。

在本实施例中，第一亮度检测部分140从图象传感器部分已经获取的并且已被模拟数字转换的图象信号判断环境，并设定色调转换部分108的色调转换系数。改变控制部分141根据第一亮度检测部分的判断确定平面内的偏移量的改变系数，并控制偏移量改变部分以便根据控制脉冲逐步地改变偏移量控制量，该控制脉冲是由TG部分105生成的并且与副扫描方向上的扫描同步。平面内的偏移量的改变系数作为对应于第一亮度检测部分的判断结果的值被记录在改变控制部分141内的查找表内。作为将改变的系数，值被选择以校正稍后所述的由照射物体的光学系统和该物体之间的位置关系生成的亮度差，并且根据副扫描方向中的位置计算控制值以控制偏移量改变部分。

因此，在图象传感器器件中，检测光学环境，可根据该环境选择控制系数以获取一个活体图象同时控制偏移量，并且可在整个物体上获取具有最优对比度的图象。

图2A到2B示出在本实施例内被称为区域类型的光学指印传感器的说明图，该传感器能够通过拾取一个图象获取整个手指的图象并且利用手指内的散射光。

图2A是从上方看的手指的图，图2B是手指的横截面方向上的图。

标号201指示手指，202指示作为光源的LED。标号203指示将指印的不平坦图案的光学差别引导到传感器的光学件，204指示在这里是CMOS类型的图象传感器的二维传感器。

这里，标号205指示从光源到手指的光的发射方向，206指示从手指到传感器的光的入射方向。

这里，标号210指示传感器的主扫描方向，211指示传感器的副扫描方向。这里，稍后将参照图3和4说明主扫描方向和副扫描方向的定义。

在本实施例中，作为光源的LED与主扫描方向平行设置。手指设置成如图所示手指的纵向与主扫描方向一致。

根据这样的设置，在本发明中可如下所述地在平面内的偏移量的控制下有效地提高动态范围。点A、B、C、A’、B’、C’和P被使用并参照图6到8说明。

将参照图3和4说明本实施例中的CMOS图象传感器部分的构成。

图3是图1的图象传感器部分104的构成图。这里，常用区域传感器中的水平扫描方向对应于主扫描方向，垂直扫描方向对应于副扫描方向。常用区域扫描器首先选择垂直方向上的一行(例如顶行)，并沿水平方向从该行的一端朝相对端(例如从左边朝右边)连续读取像素。此后，选择垂直方向上的下一行，并类似地沿水平方向从该行的一端朝相对端连续读取像素。以此方式沿垂直方向读取每行的像素以获取整个屏幕的像素。因此，沿水平方向的扫描被称为主扫描，并且沿垂直方向的扫描被称为副扫描。

因此，在下面对图象传感器部分的说明中，主扫描方向与水平方向意思相同，副扫描方向与垂直方向意思相同。

在图3中，标号41指示构成传感器的一个像素的像素部分，42指示读出脉冲(fS)的输入终端，43指示像素部分41的复位脉冲(fR)的输入终端，44指示像素部分41的传送脉冲(fT)的输入终端。此外，标号45指示像素部分41的信号读出终端(p0)，46指示从稍后所述的选择器部分将读出脉冲(fS)发送给水平方向上的每个像素的信号线。此外，标号47指示从稍后所述的选择器部分将复位脉冲(fR)发送给水平方向上的每个像素的信号线，48指示从稍后所述的选择器部分将传送脉冲(fT)发送给水平方向上的每个像素的信号线，49指示垂直信号线，40指示恒流源。此外，标号51指示连接到垂直信号线49的电容，52指示栅极连接到水平移位寄存器56而源极和漏极连接到垂直信号线49和输出信号线53的传送开关。标号54指示连接到输出信号线53的输出放大器，55指示传感器单元6的输出终端。

此外，标号56指示水平移位寄存器(HSR)，57指示起动脉冲(HST)的输入终端，58指示传送时钟(HCLK)的输入终端。标号59指示垂直移位寄存器(VSR)，60指示起动脉冲(VST)的输入终端，61指示传送时钟(VCLK)的输入终端。此外，标号62指示用于稍后所述的被称为滚动快门的系统的电子快门的移位寄存器(ESR)，63指示起动脉冲(EST)的输入终端，64指示垂直移位寄存器(VSR)的输出线。此外，标号65指示用于该电子快门的移位寄存器(ESR)的输出线，66指示选择器部分，67指示传送脉冲的原信号TRS的输出终端，68指示复位脉冲的原信号RES的输入终端，69指示读出脉冲的原信号SEL的输入终端。

图4是图3的像素部分41的构成图。在图4中，标号71指示电源电压(VCC)，72指示复位电压(VR)，73指示光电二极管，74到77指示由MOS晶体管构成的开关，78指示寄生电容(FD)，79指示地。

这里，将参照图3和4说明图象传感器部分104的操作。首先，接通连接到光电二极管73的复位开关74和开关75以将寄生电容78复位。然后，断开开关74，并接通开关76以从而经由信号读出终端45读取复位电荷。

然后，断开开关76，并接通开关75以将光电二极管73内积聚的电荷传送给寄生电容78。然后，断开开关75，并接通开关76以经由信号读出终端45读取信号电荷。

通过垂直移位寄存器59、62和选择器部分66准备MOS晶体管的驱动脉冲S、R和T，并通过各条信号线46到48将该驱动脉冲提供给像素输入终端42到44。对应于经由输入终端60输入的时钟信号的每个脉冲，将信号TRS、RES、SEL的脉冲分别提供给输入终端67到69。因此，分别与各个信号TRS、RES、SEL同步地输出驱动脉冲S、R和T。结果，将驱动脉冲S、R和T提供给输入终端42到44。

另外，信号读出终端45经由垂直信号线49连接到恒流源40，并且连接到垂直信号线电容51和传送开关52，从而经由垂直信号线49将电荷信号传送给垂直信号线电容51。此后，根据水平移位寄存器56的输出将电荷信号连续扫描到传送开关52，从而经由输出信号线53连续读取垂直信号线电容51的信号，并经由输出放大器54从输入终端55输出该信号。这里，响应于起动脉冲(VST)60起动垂直移位寄存器(VSR)59，并经由输出线64将传送时钟(VCLK)61连续传送给VS1、VS2，...VSn。响应于从输入终端63输入的起动脉冲(EST)起动用于电子快门的移位寄存器(ESR)62的扫描，并将经由输入终端61输入的传送时钟(VCLK)连续传送给输入线65。

对于各个像素部分41的读出顺序，首先选择垂直方向的一个顶部行，并根据水平移位寄存器56的扫描选择并输出连接到从左到右的列的像素部分41。在完成第一行的输出之后，选择第二行，并再次根据水平移位寄存器56的扫描选择并输出连接到从左到右的列的像素部分41。

此后，根据垂直移位寄存器59的连续扫描操作类似地垂直扫描第一、第二、第三、第四、第五...行，以输出一屏幕图象。

另外，传感器的曝光时间由图象传感器像素积聚电荷的积聚时间以及光从物体发射到图象传感器像素的时间确定。

这里，与行间传送(IT)类型或帧-行间传送(FIT)类型的CCD器件相反，CMOS类型的传感器不具有中断的缓冲存储器。因此，即使在从象素部分41连续读出获得的信号时，还未从中读出任何信号的象素部分41也继续曝光。因此，当连续读出屏幕输出时，曝光时间基本等于屏幕读出时间。

但是，在使用LED作为光源并例如通过中断件或类似物中断外部光的情况下，可仅将光照时间认为是曝光时间。

此外，作为控制曝光时间的另一种方法，可利用使用被称为滚动快门的快门的驱动方法，该快门与垂直扫描中的积聚完成并行地开始积聚。该快门用作CMOS类型的传感器中的电子快门(焦面快门)。因此，可为每条被垂直扫描的线设定其中积聚并行开始和完成的曝光时间。在图3中，ESR 62是用于复位象素以开始积聚的垂直扫描移位寄存器，VSR 59是传送电荷以完成积聚的垂直扫描移位寄存器。当使用电子快门功能时，在VSR 59之前扫描ESR 62，并且对应于扫描间隔的时间段为曝光时间。

当在CMOS类型的区域传感器中使用由滚动快门执行的积聚方法时，复位垂直方向上的每行的像素电荷，并且读出每行的像素电荷。因此，可控制沿垂直扫描方向即副扫描方向的每行的积聚。

接下来，将参照图5到8说明本实施例中的使用偏移量控制控制平面内的色调转换特性的操作。

图5示出用于色调转换部分的色调转换曲线的示例。这里，示出二点弯曲线。由于通过计算从此线图生成特性曲线，所以存在不需要任何消耗存储器的查找表并且可有效地实现尺寸小的电路的优点。可通过计算容易地改变该特性。另一方面，当使用查找表准备色调转换曲线时，存在获得较高精度的转换输出的优点。响应于来自系统的请求选择最优的特定曲线。

这里，在添加到偏移量VOSET的0+VOSET到511+VOSET的输入的范围内，将输出转换为0到255的值。在位于(a1，a2)和(b1，b2)之间的区域内色调转换增益高，并且通过加重输入a1到b1的输入信号获得输出。

图6A到6B示出在本实施例的图象传感器器件内获得的信号。在图6A中，纵坐标指示射入手指的光的亮度分布。横坐标指示图象传感器沿副扫描方向上的连接图2A到2B的点A和点B的直线的位置。标号610指示在光通量大的情况下(例如，周围光通量高或人的手指具有高透射率的情况下)的光通量分布。如图2A到2B所示，光从LED 202发射到手指201侧面。因此，中心点C的亮度根据距点A和B的距离降低。光通量分布611示出在光通量小的情况下(例如，周围光通量小或人的手指具有低透射率的情况下)的分布。中心点C的亮度根据距点A和B的距离基本以与分布610基本相同的比率降低。由于光通量小，所以与分布610相比亮度适当地改变。依赖于环境例如周围光通量和物体透射率的改变量可由一个典型点判断。这里，将说明其中利用图2A到2B中的点P的值P1和P2确定周围光通量的示例，该点P是手指的沿副扫描方向的最外部部分。手指形状的曲线因人而异，但是手指和光源之间的位置关系基本是确定的。因此，可从检测的手指的横截面位置中的点P的亮度估计光通量的改变率。使用此估计的改变率a计算相对于位置的偏移量VOSET。

图6示出输入偏移量改变部分的手指的图象的信号电平。横坐标指示手指在图2A到2B的纵向(沿连接点A和A’以及点C和C’的直线)上的位置，该纵向是图象传感器元件的主扫描方向。标号612指示沿连接点A和A’的直线的手指的图象信号，613指示沿连接点C和C’的直线的手指的图象信号。信号的微小的不平坦部分指示因指印的脊部图案的亮度改变。当按图2A到2B的位置关系照射手指时，在副扫描方向上根据物体和光源之间的位置关系生成亮度差，但是不容易在主扫描方向上生成亮度差。因此，可见当通过相对于副扫描方向的改变改变偏移量来改变色调转换特性时，整个图象的对比度提高。在其中扫描速度低的副扫描方向上而不是其中扫描速度高的主扫描方向上的计算时间存在余量。因此，存在系统易于实现并且电路的尺寸和成本可减小的优点。

图7A和7B分别示出输入到点A和A’之间以及点C和C’之间的输入偏移量改变部分的信号。横坐标指示手指沿纵向的位置，纵坐标指示偏移量改变部分的输入电平。这里，在提供偏移量VOSET时色调转换部分的输入电平落在(0+VOSET到511+VOSET)的范围内。图7C和7D分别示出点A和A’之间以及点C和C’之间的在将偏移量VOSET提供给输入信号时色调转换部分的输出电平。横坐标指示手指沿纵向的位置，纵坐标指示色调转换部分的输出电平。(0+VOSET到511+VOSET)的范围因偏移量VOSET的不同而不同。当作为偏移量VOSET，在图7A内在点A和A’之间选择VOSET＝512，而在图7B内在点C和C’之间选择VOSET＝256时，将各个信号的色调转换之后的输出转换到a2到b2的范围内。当改变偏移量，并以此方式在图象平面内改变到色调转换部分的输入范围时，可扩大动态范围。

将参照图8的流程图说明本实施例中的图象获取单元101的操作。当在步骤801中在认证单元的控制下起动获取活体图象的例程时，在802中在定时控制(TG)部分内将计数值初始化为值9。当在803中通过定时控制(TG)部分初始化第一亮度检测部分时，第一亮度检测部分将色调转换部分的色调转换曲线设定为默认值。在804获取一行的图象，并在805通过亮度检测部分获得信号内包含的亮度分布以判断环境。在806中，定时控制(TG)部分将行的计数加1。当在807中在亮度检测部分中不能判断环境时，处理返回804以另外获取一行的图象并再次判断环境。当在807中可判断环境时，处理前进到808以通过亮度检测部分设定色调转换部分的合适的转换特性。在809中，亮度检测部分类似地设定合适的用于改变偏移量的改变系数。处理前进到810，其中改变控制部分计算第n行的偏移量的改变量以与来自定时控制(TG)部分的沿副扫描方向的同步信号同步地控制偏移量改变部分。在改变之后，在811获取第n行的图象。在812中，定时控制(TG)部分将计数出的行数加1。在813，判断是否达到最后一行(在此情况下为512行)。当没有达到最后一行时，处理转到810以获取下一行的图象。当达到最后一行时，处理结束。

因此，即使当手指图象的亮度或对比度因物体形状、大小、状态变化以及环境变化而有很大改变时，仍可在该改变之后合适地执行色调转换，并且可获取高质量的图象。

此外，直到获取图象后才能在认证装置一侧执行色调转换。由于在图象获取装置中执行色调转换的同时获取图象，所以可防止在预处理中比特精度降低，直到从获取的图象提取出特性。

此外，在本发明的构成中，可改变图象平面中的偏移量以容易地改变图象中的色调转换特性。因此，可通过简单的电路构成和小的计算量实现在拾取图象时加重特定部分如指印脊部或血管的对比度。在此情况下，可拾取物体的整个图象同时防止出现变黑或饱和区域，并实现宽的动态范围。

此外，在本实施例中，已说明利用指印核对(识别)物体的系统，但是本实施例还类似地甚至可用于其中利用手或手指血管；脸例如眼视网膜、虹膜或面部投影线；手型或大小等核对(识别)物体的系统。

此外，在本实施例中，已说明用于活体认证的图象传感器器件，但是本发明的获得宽动态范围的技术不仅对于认证活体而且对于识别物体同样非常有效。例如，该技术可应用于具有图象识别用途的传感器，例如工业或娱乐用机器人的图象识别传感器；用于汽车的图象识别传感器；条形码或符号识别传感器；和监视相机。

(第二实施例)

图9是作为本发明的第二实施例的应用本发明的扫描型指印认证装置的示意性构成的框图。这里，作为在一个活体图象的平面内的亮度分布存在很大差别的示例，将说明由照射物体的光学系统和该物体之间的位置关系生成的亮度差。将说明这样的示例，即其中在图象传感器器件内检测环境，根据该环境选择控制系数，并获取一个活体图象且同时控制偏移量，从而提高动态范围。

在本发明中，指印认证装置由图象获取单元101和认证单元102构成。图象获取单元是例如具有图象传感器的图象传感器单元，而认证单元有时是由个人计算机执行的功能的组合。可选择地，在一些情况下，图象获取单元和认证单元组合成一个指印认证单元以构成将连接到个人计算的独立的装置(未示出)。

在图9的图象获取单元101中，标号103指示作为用于照明的光源(光照装置)的LED。

标号104指示其是一维或在副扫描方向上具有大约5到20个像素的带形二维传感器的CMOS或CCD类型的图象传感器部分。在本实施例中，该部分是在主扫描方向上具有512个像素而在副扫描方向上具有12个像素的CMOS类型的二维传感器。

标号105指示定时生成(TG)部分，其控制图象传感器部分和LED的亮度级和照明定时。标号142指示预放大部分，其用于将图象拾取信号放大成幅值适合于随后级的处理的信号。

标号107指示能够在图象获取期间改变偏移量的偏移量改变部分，108指示可编程增益控制放大器(PGA)，该放大器用作用于改变其直流分量已在前面的级被改变的信号的增益以转换色调的色调转换部分。

标号141指示改变控制部分，其接收认证单元102中的照亮检测部分的指令以在定时生成(TG)部分的控制下控制偏移量改变部分。

此外，标号109a指示模拟数字转换和数据传递部分，其对受到音调转换的信号进行模拟数字转换以将数据信号传递给认证单元，109指示接收来自认证单元的控制信号的控制接收部分。

标号113指示数据信号线，114指示控制信号线。

标号110a、110e、110f和110g指示模拟图象数据信号线。这里，对模拟信号进行如下处理。通过预放大部分合适地放大信号，并通过PGA部分进一步放大其的偏移量已被除去的提取的信号，以仅获取信号的一部分。

标号111a、111b、111c和111d指示接收到认证单元102的控制信号以控制PGA部分、定时生成(TG)部分、预放大部分和改变控制部分的控制线。

标号111e指示这样的控制线，即改变控制部分141经由该控制线控制偏移量改变部分107。

标号112a和112b指示从定时生成部分传递给图象传感器部分和LED部分的驱动脉冲的信号线。标号112c指示改变控制部分的控制脉冲线，其发送用于与副扫描方向的信号同步地改变偏移量的副扫描方向的同步信号。

在认证单元102中，标号115指示控制通信部分。

标号122a指示第二亮度检测部分，其计算活体信息区域的亮度以检测通过物体的光的量的分布的改变。标号123a指示接收包括第二亮度检测部分的部分的信息以控制图象获取单元101的控制部分。

标号116指示预处理部分，其执行图象处理例如轮廓加重以便在随后的级内提取特性。标号117指示用于执行图象处理的帧存储部分。标号118指示特性提取部分，119指示注册核对部分，其将部分118提取的个体信息注册在数据库内或将特性与注册的数据相比较并核对。标号120指示存储个体数据的数据库部分。

标号124a、b和c指示传递图象数据的数据线。标号125指示数据库部分和注册核对部分之间的数据线和控制线。标号129a指示发送亮度检测所需的图象信息的信号线，130a指示传递亮度检测结果的信号线。

在本实施例中，认证单元102中的第二亮度检测部分122a从图象获取单元接收到的图象信号判断环境，并设定图象获取单元101内的PGA部分108的增益。改变控制部分141根据认证单元的控制改变平面内的偏移量。在此情况下，根据由TG部分105生成的并且与副扫描方向上的扫描同步的控制脉冲控制偏移量改变部分。通过认证部分102中的控制部分123a由第二亮度检测部分的检测结果计算和确定平面内的将改变的偏移量的量。如下文将说明的，动态改变偏移量以便校正由通过物体的照明光的透射率的差别生成的纵向。

在本实施例中所述的扫描型传感器中，为了如下所述获取部分连续的图象，通过获取图象同时改变偏移量在图象平面中与副扫描方向同步地改变偏移量以获取每个部分图象。因此，在图象传感器系统中，检测通过物体的光的量的分布以获取部分图象，同时根据通过物体的光的量控制偏移量。此外，可合成图象以获取整个物体上的一个具有最优对比度的活体图象。

图10A到10C和11A到11C示出本实施例中的使用被称为扫描类型的系统的光学指印传感器的说明图。

图10A是从手指的侧面看的图，图10B是从手指的上部看的图。图10C示出由带形二维传感器获取的一个指印图象。

标号201指示手指，202(202a-202c)指示作为光源的LED。标号203指示用于将指印的不平坦图案的光学差别引导到传感器的光学件，204指示一维传感器或在副扫描方向上具有大约5到20个象素的条型二维传感器，并在这里指示CMOS型图象传感器元件。

这里，标号205指示从光源到手指的光发射方向，206指示从手指到传感器的光入射方向。标号207指示手指移动(扫描)方向。

另外，标号208指示由该带形二维传感器获得的单个手指图象的指印图案。

此外，标号209指示防止手指在移动时沿移动方向和垂直方向振动或位移的引导机构。点D、E和F指示传感器像素的位置。

这里，标号210指示传感器的主扫描方向，211指示传感器的副扫描方向。

在本实施例中，作为光源的LED沿主扫描方向平行设置。

将参照图11A到11C说明利用由这种扫描型传感器获取的图象合成整个指印图象。在附图中，(a1)到(a9)示出在手指沿方向207移动时带形二维传感器连续获取的指印部分图象。图11B示出一个图象＝一帧，并且对应于(a6)。这里，标号303指示与(a5)图象中包含的指印区域相同的指印区域。图11C示出通过合成带形二维传感器获取的部分图象得到的一个指印图象。

对于在如图10A到10C所示沿传感器移动手指时沿副扫描方向连续拾取和获取的指印部分图象，连续图象中的高度相关的区域例如区域303被判断为是其图象被拾取的相同手指区域，并相互连接在一起。结果，重新构成指印的整个图象304。

将参照图12A到12B说明由作为物体的手指的厚度的不同导致的亮度级的不同。图12A示出手指薄的情况，图12B示出手指厚的情况。每个被照亮的手指的亮度级在从指尖侧看的图中示出。如图12A中所示，当手指薄时，获得亮度级220。如中心部分的I1所示亮度级变高。另一方面，如图12B中所示，当手指厚时，获得亮度级221。如中心部分的I2所示亮度级降低。这是因为薄手指使从LED发射的光205更容易从中通过，并且从手指朝传感器发射的光206的强度增加。结果，不仅根据手指厚度的个体差异而且根据同一手指的每个部分的厚度，传感器输出的变化很大。输出还会受由手指压制力等导致的手指厚度变化影响。

在本实施例中，当手指移动时，检测到每个手指部分的这种亮度变化，并且获取一组部分图象同时根据亮度变化改变偏移量。在随后的级将信号调整到PGA部分的动态范围内，以从而合适地执行色调转换，并提高指印图象的对比度。

将参照图13到15说明在本实施例中的通过使用偏移量控制来面内控制色调转换特性的操作。

图13示出用于PGA部分的色调转换曲线的示例。这里，示出在应用一倍、两倍和四倍增益的情况下的特性。输出在相对于不小于饱和点的输入为255时恒定。输入区域依赖于先前级的偏移电路的偏移值VOSET，并且在VOSET到255+VOSET的范围内将输出转换成0到255的值。这时在VOSET到255+VOSET的范围内在一增益值下不饱和的区域是其中输出是通过加重输入信号获得的区域。

图14A和14B示出在D和F之间的输入偏移量改变部分的信号。横坐标指示手指的(在D和F之间的)横截面方向位置，而纵坐标指示偏移量改变部分的输入电平。图14A示出手指薄的情况，图14B示出手指厚的情况。这里，当应用偏移量VOSET时的色调转换部分的输入电平落在VOSET到VOSET+(255/GAIN)的范围内。图14C和14D示出在应用偏移量VOSET时PGA部分的输出电平，并分别对应于图14A和14B。横坐标指示沿横截面方向的(在D和F之间的)手指的位置，纵坐标指示PGA部分的输出电平。

根据偏移量VOSET转换该电平。例如，如图14A所示在手指薄的情况下选择VOSET＝255，并且如图14B所示在手指厚的情况下选择VOSET＝127，以从而将电平转换到VOSET到VOSET+(255/GAIN)的范围内。当以此方式改变偏移量以针对每个获取的部分图象改变PGA部分的输入区域以便优化整个手指的图象的对比度时，可扩大动态范围。

将参照图15的流程图说明本实施例中的认证单元102执行的控制。当在步骤1501中认证单元起动获取整个手指的图象的例程时，在1502中控制部分将获取的部分图象的帧的计数的初始值设定为0。在1503中，指令图象获取单元101将偏移值设定为默认值。在1504获取一帧部分图象，并且在1505中通过第二亮度检测部分获得信号中包含的亮度分布以判断环境。在1506中，控制部分使获取的部分图象的计数增加一帧。当在1507中在第二亮度检测部分中不能判断环境时，处理返回1504以获取一帧图象并再次判断环境。当在1507中可判断环境时，处理前进到1508，其中指令图象获取单元101为PGA部分设定合适的增益值。在1509中，类似地由第二亮度检测部分中的以前的帧的结果计算偏移量改变量。处理前进到1501以将计算的偏移值传递给图象获取单元101。指令该单元设定改变量。被指令的图象获取单元接收到被改变控制部分改变的设定值，并响应于从定时控制(TG)部分接收到的且指示部分图象之间的间隔的脉冲，与沿副扫描方向的图象拾取同步地控制偏移量改变部分。

在改变之后，在1511指令将获取第n帧的图象。在1512，控制部分使帧的计数加1。在1513判断对手指的扫描是否完成(例如，通过由于手指的存在导致的亮度差判断扫描的完成情况)。当扫描未完成时，处理范围1509以获取下一个部分图象。当扫描完成时处理结束。

因此，即使当手指图象的亮度或对比度因物体形状、大小、状态变化以及环境变化而有很大改变时，仍可在该改变之后合适地执行色调转换。可获取高质量的图象。

此外，直到获取图象才能在认证装置一侧执行色调转换。由于在图象获取装置中执行色调转换的同时获取图象，所以可防止在预处理中比特精度降低，直到从获取的图象提取出特性。

此外，在本发明的构成中，可改变图象平面中的偏移量以容易地改变图象中的色调转换特性。因此，可通过简单的电路构成和小的计算量实现在拾取图象时加重某一特定部分如指印脊部或血管的对比度。在此情况下，可拾取物体的整个图象同时防止出现变黑或饱和区域，并实现宽的动态范围。

此外，在本实施例中，已说明利用指印核对(识别)物体的系统，但是本实施例还类似地甚至可用于其中利用手或手指血管；脸例如眼视网膜、虹膜或面部投影线；手型或大小等核对(识别)物体的系统。

扫描传感器尤其还具有两个优点。第一，扫描型传感器需要以与手指移动速度相比足够高的速度获取部分图象，并且就这样的速度而言这样的构成是有利的，其中根据偏移量改变通过简单的计算快速执行色调转换。第二，当部分图象相互连接以如上所述重新构成图象时，部分图象之间的相关量会带来问题，但是此相关量在每个部分图象的色调转换特性有很大变化的情况下降低。在此方面，偏移量控制是合适的，这是因为可通过连续和适当地改变偏移量同时保持图象连续来容易地改变偏移量。

结果，可在一个手指跟踪操作期间改变第一多个部分图象的设定。另外，可在获取图象期间在由手指厚度或手指压制力的改变导致的亮度波动之后改变色调转换特性。从而，可比以前更好地提高图象质量，可防止(发生)由于不合适的图象对比度或偏移量用户必须再次跟踪手指的故障，并且可实现具有高可用性和高精度的指印认证。

应指出，处理电路的小型化适合于需要便携性的蜂窝电话、便携式个人计算机、便携式装置例如个人数字助理(PDA)等。

此外，在本实施例中，已说明利用指印核对(识别)物体的系统，但是，本实施例还类似地可用于甚至其中利用脸例如视网膜或面部轮廓、手的形状或大小等核对(识别)物体的系统。

此外，在本实施例中，已说明用于活体认证的图象传感器器件，但是本发明的获得宽动态范围的技术并不局限于活体认证，并且对于识别物体同样有效。该技术可应用于具有图象识别用途的传感器，例如工业或娱乐用机器人的图象识别传感器；用于汽车的图象识别传感器；条形码或符号识别传感器；和监视相机。

Claims (8)

1、一种用于认证的扫描型图象传感器器件，其连续拾取物体的部分图象信息的图象以获得物体的整个图象，该图象传感器器件包括：图象传感器元件；色调转换单元和色调转换特性改变单元，

该色调转换单元具有可变增益放大器；

该色调转换改变单元具有用于改变图象信号的偏移量条件以便在完成整个图象的全部色调转换之前改变色调转换特性的结构。

2、根据权利要求1的用于认证的扫描型图象传感器器件，其特征在于，该色调转换特性改变单元设置在该色调转换单元的级之前的级。

3、根据权利要求1的用于认证的扫描型图象传感器器件，其特征在于，检测图象的亮度分布以控制该色调转换特性改变单元。

4、根据权利要求1的用于认证的扫描型图象传感器器件，其特征在于，与图象传感器元件的副扫描定时同步地改变色调转换特性。

5、根据权利要求1的用于认证的扫描型图象传感器器件，其特征在于，与通过图象传感器元件获取部分图象同步地改变偏移量以获取图像。

6、一种活体认证系统，该系统包括：

根据权利要求1到5中的任何一个的用于认证的扫描型图象传感器器件；和

用于核对来自该图象传感器器件的图象信号与预先获取的物体的注册信息的核对单元。

7、根据权利要求6的活体认证系统，其特征在于，该物体是眼、脸、手和手指中的至少一个。

8、一种在连续拾取物体的部分图象信息的图象以获得物体的整个图象的用于认证的扫描型图象传感器器件中的认证图象获取方法，该方法包括以下步骤：

在拾取整个图象期间改变偏移量和任意图象信号的增益以拾取整个物体的图像。

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