EP1573652A2 - Verfahren zur detektion der relativbewegung eines fingers gegenüber einer sensorfläche - Google Patents

Verfahren zur detektion der relativbewegung eines fingers gegenüber einer sensorfläche

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Publication number
EP1573652A2
EP1573652A2 EP03779681A EP03779681A EP1573652A2 EP 1573652 A2 EP1573652 A2 EP 1573652A2 EP 03779681 A EP03779681 A EP 03779681A EP 03779681 A EP03779681 A EP 03779681A EP 1573652 A2 EP1573652 A2 EP 1573652A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
partial
finger
image
sensor surface
movement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP03779681A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Henning Lorch
Peter Morguet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Quarterhill Inc
Original Assignee
Infineon Technologies AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Infineon Technologies AG filed Critical Infineon Technologies AG
Priority to EP14184572.7A priority Critical patent/EP2838052A3/de
Publication of EP1573652A2 publication Critical patent/EP1573652A2/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING OR CALCULATING; COUNTING
    • G06V—IMAGE OR VIDEO RECOGNITION OR UNDERSTANDING
    • G06V40/00—Recognition of biometric, human-related or animal-related patterns in image or video data
    • G06V40/10—Human or animal bodies, e.g. vehicle occupants or pedestrians; Body parts, e.g. hands
    • G06V40/12—Fingerprints or palmprints
    • G06V40/1335—Combining adjacent partial images (e.g. slices) to create a composite input or reference pattern; Tracking a sweeping finger movement

Definitions

  • the invention relates to a method for detecting the relative movement of a finger relative to a sensor surface.
  • Fingerprint sensors are known from the prior art which have approximately the size of the area of a finger whose surface structure is to be evaluated. The most widespread are fingerprint sensors based on a capacitive measuring method. In such fingerprint sensors, a plurality of electrodes are formed on a silicon surface, each of which has a stray capacitance to the surroundings. The capacitance of the capacitors formed therefore depends on the environment of the electrode. With a finger placed on it, it can be recognized from the capacitance whether the electrode is opposite a recess of the finger or whether it is in contact with the skin via a passivation layer. A grayscale image of the fingerprint can be created by evaluating the capacitance values.
  • Fingerprint sensors for example from EP 0 813 164 AI, have become known which are strip-shaped and have the width of a finger, while the dimension perpendicular to them is considerably smaller. The manufacturing costs of such a sensor are significantly lower. Since the finger is moved over the sensor in order to obtain a complete image, the partial images recorded during the movement must be combined again to form an overall image. be set. The problem here is that the speed of the finger movement is not known in advance and it must also be assumed that the finger is not being moved in a straight line.
  • the partial images are recorded in such a way that overlapping areas result and the overlaps can be used to identify how the partial images are to be put together. This process is very computational and memory-intensive. Because of the overlaps, there is redundancy of data on the basis of which the compilation of the partial images can be carried out. The overlaps are usually much larger than would be necessary to calculate the arrangement of the partial images. This is because it is not known in advance how fast the finger is moved. If the finger is moved much slower than would be theoretically possible, the partial images are nevertheless taken at the same rate as with a quick finger movement. As a result, a great deal of redundant data is recorded and stored.
  • Another possibility for creating a complete image of a fingerprint with a strip sensor is to record both partial images and a movement function of the finger, so that the movement function is used to record the correct positioning of drawing files can be calculated.
  • partial images must be recorded at a relatively high clock rate, although this would not be necessary per se with a slow finger movement. Otherwise there would be gaps in the image of the fingerprint.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for detecting the relative movement of a finger relative to a sensor surface, which is very precise and, moreover, is simple to implement, in particular does not place high demands on the available memory and the available computing capacity poses.
  • a suitable reading device for fingerprints should be specified.
  • step b) recording and intermediate storage of a first partial image of the finger in a first partial area of the sensor surface b) tracking of the movement of the finger on the basis of the movement of the first partial image of the finger by monitoring adjacent areas of the sensor surfaces for the occurrence of partial images correlating with the first partial image, and c) repetition of step b) until the tracked section of the finger has left a predetermined area of the sensor surface.
  • a reading device for fingerprints that solves the problem has a sensor surface for detecting the surface structure of a finger that is in contact with the sensor surface and thereby moving over the sensor surface, Recording device for creating an image from partial images recorded in sections and a sequence control connected to the image recording device for controlling the sequence for reading the fingerprint and is characterized by a motion detection device connected to the sequence control for implementing the method according to one of claims 1 to 9.
  • the advantage of the method according to the invention is that the tracking of the movement of the finger or of the first partial image extends over a further area of a sensor, and so temporary errors, for example quantization errors, are compensated for when the finger continues to move.
  • the movement parameters can be determined during the reading process by fast logic circuits without extensive image data having to be buffered and subsequently evaluated.
  • the resulting data volume is therefore very low, with extremely high precision being achieved by tracking over a larger area of the sensor surface.
  • Steps a) to c) are advantageously repeated until the movement of the finger satisfies predetermined conditions, for example until the finger is no longer in contact with the sensor surface.
  • the movement of the finger is followed by the steps:
  • step b) a) definition of a second partial region of the sensor surface adjacent to the first partial region, b) continuous recording of a second partial image in the second partial region and determination of a correlation between the second partial image and the temporarily stored first partial image and c) repetition of step b) until the determined one Correlation of predetermined conditions is sufficient. In this way, only one sub-picture has to be buffered.
  • the correlation determined in step b) can also be compared with a correlation of a newly recorded first partial image with the temporarily stored first partial image, so that a relative condition must therefore be fulfilled. Accordingly, there would be a movement if the first-mentioned correlation is greater than the second-mentioned correlation.
  • the sub-area evaluated for the motion detection is considerably narrower than the width of the sensor surface.
  • the security and precision of the detection of the movement is increased in that movement detections are carried out simultaneously using different partial areas and the results are linked to one another.
  • Advantageous reading devices for fingerprints have a motion detection device which operate according to the described method.
  • the sequence control is set up to cause the image recording device to record an image section intended for output or storage after the detection of a defined further movement of the finger by the motion detection device. This can take place, for example, when the motion detection device detects that the finger has been moved one image line or when the observed section of the finger has reached the edge of a predetermined sensor area.
  • a new first partial image is opened in the first partial area. taken and again tracked to the edge of a predetermined sensor area.
  • the movement detection device of the reading device has a filter for error correction.
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of a reading device for fingerprints
  • FIG. 2 shows an expanded illustration of the reading device from FIG. 1,
  • FIG. 4 shows a diagram as in FIG. 3 with filtering of the movement function.
  • the 1 shows a reading device for fingerprints with a sensor surface 1, an image processing device 5, which converts the capacitance values determined by the sensor surface 1 into a digital signal, a movement detection device 4, which determines the movement of a finger relative to the sensor surface 1 from the determined image data, and which has a calculation unit 13, a field memory 9 and an optional output filter 7.
  • the output filter 7 filters the movement function determined by the calculation unit 13 in order to be able to provide an error-corrected or smoothed movement function 18.
  • the detection of a relative movement of a finger with respect to the sensor surface 1 takes place in that a partial image is first recorded in a first partial region 6 of the sensor surface 1.
  • the motion detection device 4 stores the partial image in the partial image memory 9. To explain the mode of operation, it is assumed that the finger now moves on such that the original partial image of the partial area 6 now comes to lie in a shifted area 16.
  • a second partial region 10 is now considered, which in the exemplary embodiment of FIG. 1 is adjacent to the first partial region 6. This continuously monitors whether the recorded data changes. The described displacement of the finger also changes the acquired data in the second partial area 10.
  • the partial images continuously recorded in partial area 10 are also binarized and compared by calculation unit 13 with the stored first partial image in partial image memory 9.
  • the comparison is carried out in such a way that not only identical images are recognized, but that a correlation between the first and the continuously recorded second partial image is recognized.
  • a plurality of second sub-areas are defined, which are continuously monitored, the correlations of the second sub-images with the first sub-image being evaluated simultaneously. While in the first variant a lateral displacement of the finger leads to a deterioration in the correlation, in the second variant a lateral displacement of the finger results from the determination of the second partial image, which has the highest correlation with the first partial image.
  • the second sub-areas are determined, for example, so that they are each shifted by one pixel.
  • the second sub-areas are defined in a main direction or in several directions, starting from the first sub-area.
  • a fingerprint sensor in which the finger is to be moved in one direction over the sensor surface would, for example, take this main direction and the adjacent directions into account in order to detect the movement of the finger in this main direction and small lateral deviations therefrom.
  • a sensor would take all directions into account if a cursor is to be controlled on a screen by means of the sensor surface, so that a movement in each direction of a two-dimensional coordinate system must be detected.
  • Such an application is given with a so-called touchpad or a touchscreen. In this way, new, small and pixel-precise pointing devices can be realized, which can find space in cell phones, for example.
  • the motion detection device 4 compares the partial images recorded in the newly defined second partial region 11 or the newly defined second partial regions with the first partial image stored in the partial image memory 9.
  • the motion detection device 4 When calculating the correlation, the motion detection device 4 recognizes a lateral deviation of the recorded partial images from the first partial image. This information in conjunction with the information as to when there is a correlation at all enables the calculation unit 13 of the movement detection device 4 to determine an exact movement function of the finger that is moved over the sensor surface 1. The method steps described above are continued until the respectively newly defined second partial area adjoins the lower edge of the sensor surface 1.
  • the first partial area 6 is read out again and stored in the partial image memory 9.
  • the described method can then be carried out repeatedly, this time with the newly read and stored data of the first partial area.
  • the first partial area can be shifted in an optimized configuration relative to the original first partial area.
  • temporary deviations e.g. B. automatically corrected by quantization noise. Since in the present case only two small sub-areas have to be compared with one another, the required hardware is very simple and the calculation unit 13 can be implemented by fast and inexpensive logic circuits.
  • a diagram shows in FIG. 3 how, for example, the actual movement of the finger proceeds and the movement function determined for this purpose.
  • the straight lines 21 and 23 correspond to actual exemplary movement of the finger, while the lines 22 and 24 show the movement function determined by the movement detection device 4.
  • a filter 7 is provided, as described above, which smoothes the movement function determined by the movement detection device 4, so that the output signal 8 undergoes a further improvement.
  • Such a filtered movement function is shown in FIG. 4.
  • the straight lines 21 and 23 in turn correspond to exemplary actual movements of the finger, while the lines 25 and 26 correspond to those through the movement detection device 4 functions determined and smoothed by the filter 2 show.
  • FIG. 2 shows an extended reading device for fingerprints.
  • the sensor surface 1 has approximately the width of a finger.
  • a part 12 of the sensor surface 1 is used for motion detection.
  • the first subarea 6 is located horizontally in the middle of the sensor part 12 on the upper edge in FIG. 2.
  • the first subarea 6 can have a height of several sensor rows.
  • the second partial area, which is evaluated to determine the second partial image is not defined directly adjacent to the first partial area, but is merely shifted by one pixel, so that there is an overlap. This is not shown in Figure 2 in order to maintain the clarity of the figure.
  • An image processing device 5, a motion detection device 4 and an image recording device 2 are provided in FIG.
  • the field memory 9 is not shown for the sake of clarity.
  • a sequence control 3 is provided.
  • the sequence controller 3 regulates the use of the reading device.
  • the motion detection device 4 reports that the finger on the sensor surface 1 has been moved one sensor line
  • the sequence control 3 interrupts the motion detection, triggers the image recording by the image recording device 2, a line being recorded in the entire width of the sensor surface 1, and then switches again motion detection.
  • a finger image is generated line by line in the image recording device 2, a lateral offset being automatically compensated for by an oblique movement of the finger.
  • the image data is either output continuously or a complete image is created and the entire image is then output.
  • the application of the method according to the invention allows the quantization noise to be filtered out.
  • This makes it possible to reduce the number of gray levels of the image data for motion detection and even to use binary images.
  • the further logic circuits required for motion detection are thus considerably simplified and can be constructed in a space-saving manner.
  • the power requirement of the circuit drops.
  • the images generated by the image recording device 2 can nevertheless be output in grayscale, since the acquisition of the data for output or storage is independent of the acquisition of the data for motion detection.
  • the reading device described is also very compact because part of the sensor surface is used for motion detection, which is anyway required to record the image. Compared to reading devices for fingerprints that use additional motion sensors, there is therefore a further simplification, which leads to space and cost savings.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Relativbewegung eines Fingers gegenüber einer Sensorfläche eines Fingerabdrucksensors mit den Schritten: a) Aufnahme und Zwischenspeicherung eines ersten Teilbildes des Fingers in einem ersten Teilbereich (6) der Sensorfläche (1); b) Verfolgung der Bewegung des Fingers anhand der Bewegung des ersten Teilbildes des Fingers durch Überwachung angrenzender Bereiche (10, 11) der Sensorfläche (1) auf das Auftreten mit dem ersten Teilbild korrelierender Teilbilder und c) Wiederholung des vorangegangenen Verfahrensschrittes, bis der verfolgte Abschnitt des Fingers einen vorbestimmten Bereich (12) der Sensorfläche (1) verlassen hat. Eine erfindungsgemässe Lesevorrichtung besitzt eine Bewegungsdetektionsvorrichtung, die dieses Verfahren umsetzt.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Detektion der Relativbewegung eines Fingers gegenüber einer Sensorfläche
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Detektion der Relativbewegung eines Fingers gegenüber einer Sensorflache .
Aus dem Stand der Technik sind Fingerabdrucksensoren bekannt, die in etwa die Größe des Bereiches eines Fingers haben, dessen Oberflächenstruktur ausgewertet werden soll . Am weitesten verbreitet sind Fingerabdrucksensoren, die auf einem kapazitiven Meßverfahren basieren. Bei solchen Fingerabdrucksensoren ist auf einer Siliziumfläche eine Vielzahl von Elektroden gebildet, die jeweils eine Streukapazität zur Umgebung besitzen. Die Kapazität der gebildeten Kondensatoren hängt also von der Umgebung der Elektrode ab. Bei einem aufgelegten Finger kann aufgrund der Kapazität erkannt werden, ob die Elektrode einer Vertiefung des Fingers gegenüberliegt oder ob sie über eine Passivierungsschicht mit der Haut in Berührung ist. Durch Auswertung der Kapazitätswerte kann ein Graustufenbild des Fingerabdrucks erstellt werden.
Der Nachteil solcher Fingerabdrucksensoren liegt in dem großen Flächenbedarf und den hohen Herstellungskosten, da eine Siliziumfläche in der Größe, die zum Erfassen eines vollständigen Fingerabdrucks erforderlich ist, teuer in der Herstellung ist.
Es sind Fingerabdrucksensoren, beispielsweise aus der EP 0 813 164 AI, bekannt geworden, die streifenförmig sind und dabei die Breite eines Fingers besitzen, während die Abmessung senkrecht dazu wesentlich kleiner ist. Die Herstellungskosten eines solchen Sensors sind wesentlich geringer. Da der Finger über den Sensor bewegt wird, um ein vollständiges Abbild zu erhalten, müssen die während der Bewegung aufgenommenen Teilbilder wieder zu einem Gesamtbild zusammenge- setzt werden. Problematisch ist hierbei, daß die Geschwindigkeit der Fingerbewegung im voraus nicht bekannt ist und darüber hinaus davon auszugehen ist, daß der Finger nicht geradlinig bewegt wird.
Bei dem aus der EP 0 813 164 AI bekannten Verfahren werden die Teilbilder so aufgenommen, daß sich überlappende Bereiche ergeben und anhand der Überlappungen erkannt werden kann, wie die Teilbilder zusammenzusetzen sind. Dieses Verfahren ist sehr rechen- und darüber hinaus speicherintensiv. Aufgrund der Überlappungen ist eine Redundanz von Daten gegeben, aufgrund der das Zusammensetzen der Teilbilder durchgeführt werden kann. Die Überlappungen sind in der Regel viel größer als dies zur Berechnung der Anordnung der Teilbilder notwendig wäre. Dies rührt daher, daß im voraus nicht bekannt ist, wie schnell der Finger bewegt wird. Falls der Finger wesentlich langsamer bewegt wird als dies theoretisch möglich wäre, erfolgt die Aufnahme der Teilbilder trotzdem mit der gleichen Rate wie bei einer schnellen Fingerbewegung. Folglich werden sehr viele redundante Daten aufgenommen und gespeichert .
Gerade bei miniaturisierten Systemen wie beispielsweise auf Chipkarten ist es von entscheidender Bedeutung, daß der Rechenaufwand der zu bewältigenden Aufgaben möglichst gering ist, da die Prozessoren von Chipkarten vergleichsweise leistungsschwach sind, was unter anderem darauf zurückzuführen ist, daß gerade bei kontaktlosen Chipkarten nicht beliebig viel Energie zur Verfügung steht, um eine höhere Rechenleistung bei einer höheren Taktfrequenz zu ermöglichen. Darüber hinaus hat eine Leistungssteigerung auch eine Kostensteigerung zur Folge, wodurch leistungsstarke Chipkarten in vielen Fällen unwirtschaftlich wären.
Eine andere Möglichkeit zur Erstellung eines vollständigen Abbilds eines Fingerabdrucks mit einem Streifensensor besteht darin, sowohl Teilbilder als auch eine Bewegungsfunktion des Fingers aufzunehmen, so daß anhand der Bewegungsfunktion die zueinander korrekte Positionierung von Teilbildern errechnet werden kann. Um auch bei einer schnellen Fingerbewegung später anhand der Bewegungsfunktion ein vollständiges Abbild erzeugen zu können, müssen Teilbilder mit einer verhältnismäßig großen Taktrate aufgenommen werden, obwohl dies bei einer langsamen Fingerbewegung an sich nicht notwendig wäre. Ansonsten entstünden Lücken im Abbild des Fingerabdrucks. Darüber hinaus ist problematisch, daß ein genaues Fingerabbild nur dann erzeugt werden kann, wenn die Bewegungsfunktion des Fingers sehr präzise ermittelt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Detektion der Relativbewegung eines Fingers gegenüber einer Sensorfläche anzugeben, das sehr genau ist und darüber hinaus einfach in der Realisierung ist, insbesondere keine hohen Anforderungen an den zur Verfügung stehenden Speicher und an die zur Verfügung stehende Rechenkapazität stellt . Außerdem soll eine geeignete Lesevorrichtung für Fingerabdrücke angegeben werden.
Die Aufgabe wird bezüglich des Verfahrens durch ein Verfahren mit den Schritten gelöst :
a) Aufnahme und Zwischenspeicherung eines ersten Teilbildes des Fingers in einem ersten Teilbereich der Sensorfläche b) Verfolgung der Bewegung des Fingers anhand der Bewegung des ersten Teilbildes des Fingers durch Überwachung angrenzender Bereiche der Sensorflächen auf das Auftreten mit dem ersten Teilbild korrelierender Teilbilder und c) Wiederholung des Schritts b) , bis der verfolgte Abschnitt des Fingers einen vorbestimmten Bereich der Sensorfläche verlassen hat .
Eine die Aufgabe lösende Lesevorrichtung für Fingerabdrücke weist eine Sensorfläche zur Erfassung der Oberflächenstruktur eines mit der Sensorfläche in Kontakt befindlichen und sich dabei über der Sensorfläche bewegenden Fingers, eine Bildauf- nahmevorrichtung zur Erstellung eines Bildes aus abschnittsweise aufgenommenen Teilbildern und eine mit der Bildaufnahmevorrichtung verbundene Ablaufsteuerung zur Steuerung des Ablaufs zum Lesen des Fingerabdrucks auf und ist durch eine mit der Ablaufsteuerung verbundene Bewegungsdetektionsvor- richtung zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gekennzeichnet.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß sich die Verfolgung der Bewegung des Fingers beziehungsweise des ersten Teilbilds über einen weiteren Bereich eines Sensors erstreckt und so temporäre Fehler, beispielsweise Quantisierungsfehler, bei einer Weiterbewegung des Fingers ausgeglichen werden. Die Bewegungsparameter können beim Lesevorgang durch schnelle Logikschaltungen ermittelt werden, ohne daß umfangreiche Bilddaten zwischengespeichert und nachfolgend ausgewertet werden müssen. Das anfallende Datenvolumen ist daher sehr gering, wobei durch die Verfolgung über einen größeren Bereich der Sensorfläche eine extrem hohe Präzision erreicht wird.
Die Schritte a) bis c) werden vorteilhafterweise so lange wiederholt, bis die Bewegung des Fingers vorbestimmten Bedingungen genügt, beispielsweise so lange, bis der Finger nicht mehr mit der Sensorfläche in Berührung ist.
Die Verfolgung der Bewegung des Fingers erfolgt in einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens durch die Schritte:
a) Festlegung eines zweiten, zum ersten Teilbereich benachbarten Teilbereichs der Sensorfläche, b) fortlaufende Aufnahme eines zweiten Teilbildes in dem zweiten Teilbereich und Ermittlung einer Korrelation zwischen dem zweiten Teilbild und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild und c) Wiederholung des Schrittes b) , bis die ermittelte Korrelation vorbestimmten Bedingungen genügt. Auf diese Weise muß nur ein Teilbild zwischengespeichert werden.
Statt eines Vergleichs der Korrelation mit vorbestimmten absoluten Bedingungen kann auch ein Vergleich der im Schritt b) ermittelten Korrelation mit einer Korrelation eines neu aufgenommenen ersten Teilbildes mit dem zwischengespeicherten ersten Teilbild erfolgen, so daß also eine relative Bedingung erfüllt sein muß. Demnach läge eine Bewegung vor, wenn die erstgenannte Korrelation größer ist als die zweitgenannte Korrelation.
Zur weiteren Reduzierung des benötigten Speichers kann vorgesehen werden, daß der für die Bewegungsdetektion ausgewertete Teilbereich wesentlich schmaler als die Breite der Sensorfläche ist. Die Sicherheit und Präzision der Erkennung der Bewegung wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung dadurch gesteigert, daß gleichzeitig Bewegungsdetektionen unter Verwendung unterschiedlicher Teilbereiche erfolgen und die Ergebnisse miteinander verknüpft werden.
Vorteilhafte Lesevorrichtungen für Fingerabdrücke besitzen eine Bewegungsdetektionsvorrichtung, die nach dem beschriebenen Verfahren arbeiten. Insbesondere ist es günstig, wenn die Ablaufsteuerung dazu eingerichtet ist, nach der Detektion einer definierten Weiterbewegung des Fingers durch die Bewegungsdetektionsvorrichtung die Bildaufnahmevorrichtung zur Aufnahme eines zur Ausgabe beziehungsweise Speicherung bestimmten Bildabschnitts zu veranlassen. Dies kann beispielsweise jeweils dann erfolgen, wenn die Bewegungsdetektionsvorrichtung erkennt, daß der Finger um eine Bildzeile weiterbewegt wurde, oder wenn der beobachtete Abschnitt des Fingers am Rand eines vorbestimmten Sensorbereichs angelangt ist.
Nach Erreichen des Randes des vorbestimmten Sensorbereichs wird im ersten Teilbereich ein neues erstes Teilbild aufge- nommen und wiederum bis zum Rand eines vorbestimmten Sensorbereichs verfolgt .
Weiterhin ist vorteilhaft, wenn die Bewegungsdetektionsvorrichtung der Lesevorrichtung ein Filter zur Fehlerkorrektur aufweist .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei- spiels näher erläutert. Es zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung einer Lesevorrichtung für Fingerabdrücke,
Figur 2 eine erweiterte Darstellung der Lesevorrichtung von Figur 1 ,
Figur 3 ein Diagramm mit der tatsächlichen und der detek- tierten Fingerbewegung ohne Filterung und
Figur 4 ein Diagramm wie in Figur 3 mit Filterung der Bewe- gungsfunktion.
Die Figur 1 zeigt eine Lesevorrichtung für Fingerabdrücke mit einer Sensorfläche 1, einer Bildverarbeitungsvorrichtung 5, die die durch die Sensorfläche 1 ermittelten Kapazitätswerte in ein digitales Signal umsetzt, eine Bewegungsdetektionsvorrichtung 4, die aus den ermittelten Bilddaten die Bewegung eines Fingers gegenüber der Sensorfläche 1 ermittelt, und die eine Berechnungseinheit 13, einen Teilbildspeicher 9 und ein optionales Ausgangsfilter 7 aufweist. Das Ausgangsfilter 7 filtert die von der Berechnungseinheit 13 ermittelte Bewegungsfunktion, um eine fehlerkorrigierte bzw. geglättete Bewegungsfunktion 18 bereitstellen zu können. Die Detektion einer Relativbewegung eines Fingers gegenüber der Sensorfläche 1 erfolgt dadurch, daß zunächst ein Teilbild in einem ersten Teilbereich 6 der Sensorfläche 1 aufgenommen wird. Nach der Binarisierung durch die Bildverarbeitungsvorrichtung 5 legt die Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 das Teilbild in dem Teilbildspeicher 9 ab. Zur Erläuterung der Funktionsweise wird angenommen, daß sich der Finger nun so weiterbewegt, daß das ursprüngliche Teilbild des Teilbereichs 6 nun in einem verschobenen Bereich 16 zu liegen kommt.
In einer ersten Variante wird nun ein zweiter Teilbereich 10 betrachtet, der im Ausführungsbeispiel von Figur 1 an den ersten Teilbereich 6 angrenzt. In diesem wird fortlaufend überwacht, ob sich die erfaßten Daten ändern. Durch die beschriebene Verschiebung des Fingers ändern sich auch die erfaßten Daten im zweiten Teilbereich 10.
Die im Teilbereich 10 fortlaufend aufgenommenen Teilbilder werden ebenfalls binarisiert und von der Berechnungseinheit 13 mit dem gespeicherten ersten Teilbild im Teilbildspeicher 9 verglichen. Der Vergleich wird dabei so ausgeführt, daß nicht nur identische Bilder erkannt werden, sondern daß eine Korrelation zwischen dem ersten und dem fortlaufend aufgenommenen zweiten Teilbild erkannt wird.
In einer zweiten Variante werden mehrere zweite Teilbereiche festgelegt, die fortlaufend überwacht werden, wobei die Korrelationen der zweiten Teilbilder mit dem ersten Teilbild gleichzeitig ausgewertet werden. Während bei der ersten Variante eine seitliche Verschiebung des Fingers zu einer Verschlechterung der Korrelation führt, ergibt sich in der zweiten Variante eine seitliche Verschiebung des Fingers aus der Bestimmung des zweiten Teilbilds, das die höchste Korrelation mit dem ersten Teilbild aufweist. Die zweiten Teilbereiche werden beispielsweise so festgelegt, daß sie jeweils um ein Pixel verschoben sind. Je nach Anwendungsfall erfolgt die Festlegung der zweiten Teilbereiche in einer Hauptrichtung oder in mehrere Richtungen ausgehend von dem ersten Teilbereich. Ein Fingerabdrucksensor, bei dem der Finger in einer Richtung über die Sensorfläche bewegt werden soll, würde also beispielsweise diese Hauptrichtung sowie die anrenzenden Richtungen berücksichtigen, um die Bewegung des Fingers in dieser Hauptrichtung und geringe laterale Abweichungen davon zu erfassen. Alle Richtungen würde ein Sensor berücksichtigen, wenn mittels der Sensorfläche ein Cursor auf einem Bildschirm gesteuert werden soll, so daß eine Bewegung in jeder Richtung eines zweidimen- sionalen Koordinatensystems detektiert werden muß. Eine solche Anwendung ist bei einem sogenannten Touchpad oder einem Touchscreen gegeben. So lassen sich neuartige, kleine und pixelgenaue Zeigegeräte realisieren, die z.B. Platz in Mobiltelefonen finden.
Nach der Erkennung eines korrelierenden zweiten Teilbildes werden die Koordinaten des zweiten Teilbereichs beziehungsweise der zweiten Teilbereiche in den an den bisherigen zweiten Teilbereich beziehungsweise an den zweiten Teilbereich mit der höchsten Korrelation angrenzenden Bereich der Sensorfläche 1 "verschoben", also dort neu festgelegt. Im folgenden vergleicht die Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 die in dem neu festgelegten zweiten Teilbereich 11 beziehungsweise den neu festgelegten zweiten Teilbereichen aufgenommenen Teilbilder mit dem im Teilbildspeicher 9 gespeicherten ersten Teil- bild.
Bei der Berechnung der Korrelation erkennt die Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 eine seitliche Abweichung der aufgenommenen Teilbilder gegenüber dem ersten Teilbild. Durch diese Information in Verbindung mit der Information, wann eine Korrelation überhaupt vorliegt, ist es der Berechnungseinheit 13 der Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 möglich, eine genaue Bewegungsfunktion des Fingers, der über die Sensorfläche 1 bewegt wird, zu ermitteln. Die oben beschriebenen Verfahrensschritte werden so lange fortgesetzt, bis der jeweils neu festgelegte zweite Teilbereich am unteren Rand der Sensorfläche 1 angrenzt.
Um danach die weitere Bewegung des Fingers detektieren zu können, wird der erste Teilbereich 6 neu ausgelesen und in dem Teilbildspeicher 9 abgelegt. Das beschriebene Verfahren kann anschließend wiederholt durchgeführt werden, diesmal mit den neu gelesenen und gespeicherten Daten des ersten Teilbereichs. Je nach seitlichem Versatz kann in einer optimierten Auslegung der erste Teilbereich gegenüber dem ursprünglichen ersten Teilbereich verschoben festgelegt werden. Durch das Verfolgen eines Bildabschnitts 16 über mehrere Zeilen der Sensorfläche 1 werden temporäre Abweichungen, z. B. durch Quantisierungsrauschen, automatisch korrigiert. Da im vorliegenden Fall nur zwei kleine Teilbereiche miteinander verglichen werden müssen, ist die erforderliche Hardware sehr einfach und die Berechnungseinheit 13 kann durch schnelle und kostengünstige Logikschaltungen realisiert werden.
In der Figur 3 ist anhand eines Diagramms gezeigt, wie beispielsweise die tatsächliche Bewegung des Fingers verläuft und die dazu ermittelte Bewegungsfunktion. Die Geraden 21 und 23 entsprechen dabei tatsächlichen beispielhaften Bewegung des Fingers, während die Linien 22 und 24 die durch die Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 ermittelte Bewegungsfunktion zeigen.
In der Lesevorrichtung von Figur 1 ist, wie oben beschrieben, ein Filter 7 vorgesehen, das die von der Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 ermittelte Bewegungsfunktion glättet, so daß das Ausgangssignal 8 eine weitere Verbesserung erfährt. Eine solche gefilterte Bewegungsfunktion ist in der Figur 4 dargestellt. Die Geraden 21 und 23 entsprechen wiederum beispielhaften tatsächlichen Bewegungen des Fingers, während die Linien 25 und 26 die durch die Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 ermittelte und durch das Filter 2 geglättete Funktionen zeigen.
In der Figur 2 ist eine erweiterte Lesevorrichtung für Fingerabdrücke gezeigt . Die Sensorfläche 1 besitzt in etwa die Breite eines Fingers. Ein Teil 12 der Sensorfläche 1 wird zur Bewegungsdetektion genutzt. Der erste Teilbereich 6 befindet sich horizontal in der Mitte des Sensorteils 12 an der in Figur 2 oberen Kante. Der erste Teilbereich 6 kann eine Höhe von mehreren Sensorzeilen besitzen. Der zweite Teilbereich, der zur Ermittlung des zweiten Teilbildes ausgewertet wird, wird bei dieser Ausführung nicht an den ersten Teilbereich direkt angrenzend festgelegt, sondern er ist lediglich um ein Pixel verschoben, so daß es zu einer Überlappung kommt. Dies ist in Figur 2 nicht dargestellt, um die Übersichtlichkeit der Figur zu wahren.
In der Figur 1 ist eine Bildverarbeitungsvorrichtung 5, eine Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 sowie eine Bildaufnahmevorrichtung 2 vorgesehen. Der Teilbildspeicher 9 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Darüber hinaus ist eine Ablaufsteuerung 3 vorgesehen. Die Ablaufsteuerung 3 regelt die Benutzung der Lesevorrichtung. Wenn die Bewegungsdetektionsvorrichtung 4 meldet, daß der Finger auf der Sensorfläche 1 eine Sensorzeile weiterbewegt wurde, unterbricht die Ablaufsteuerung 3 die Bewegungsdetektion, triggert die Bildaufnahme durch die Bildaufnahmevorrichtung 2, wobei eine Zeile in der gesamten Breite der Sensorfläche 1 aufgenommen wird, und schaltet danach wieder die Bewegungsdetektion ein. Auf diese Weise wird in der Bildaufnahmevorrichtung 2 ein Fingerabbild zeilenweise erzeugt, wobei automatisch ein seitlicher Versatz durch eine schräge Bewegung des Fingers ausgeglichen wird. Die Bilddaten werden entweder fortlaufend ausgegeben, oder es wird ein vollständiges Bild erstellt und es wird dann das gesamte Bild ausgegeben. Wie oben ausgeführt, erlaubt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, daß das Quantisierungsrauschen herausgefiltert wird. Dadurch ist es möglich, für die Bewegungserkennung die Anzahl der Graustufen der Bilddaten zu reduzieren und sogar Binärbilder zu verwenden. Die weiteren erforderlichen Logikschaltungen zur Bewegungserkennung werden somit erheblich vereinfacht und können platzsparend aufgebaut werden. Gleichzeitig sinkt der Leistungsbedarf der Schaltung. Die von der Bildaufnahmevorrichtung 2 erzeugten Bilder können trotzdem in Graustufen ausgegeben werden, da die Erfassung der Daten zur Ausgabe oder Speicherung unabhängig von der Erfassung der Daten zur Bewegungsdetektion ist..
Die beschriebene Lesevorrichtung ist darüber hinaus auch deswegen sehr kompakt, weil zur Bewegungsdetektion ein Teil der Sensorfläche genutzt wird, die zur Aufnahme des Bildes ohnehin erforderlich ist. Gegenüber Lesevorrichtungen für Fingerabdrücke, die zusätzliche Bewegungssensoren verwenden, ergibt sich daher eine weitere Vereinfachung, die zur Platz- und Kostenersparnis führt.
Bezugszeichenliste
1 Sensorfläche
2 Bildaufnahmevorrichtung
3 Ablaufsteuerung
4 Bewegungsdetektionsvorrichtung
5 Bildverarbeitungsvorrichtung
6 erster Teilbereich der Sensorfläche
7 Filter
8 Ausgangssignal
9 Teilbildspeicher
10 zweiter Teilbereich
11 zweiter Teilbereich
12 Teil der Sensorfläche 1
13 Berechnungseinheit 18 Bewegungsfunktion
21, 23 tatsächliche Bewegungsfunktionen
22, 24 ermittelte Bewegungsfunktionen
25, 26 geglättete ermittelte Bewegungsfunktionen

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Detektion der Relativbewegung eines Fingers gegenüber einer Sensorfläche (1) mit den Schritten:
a) Aufnahme und Zwischenspeicherung eines ersten Teilbildes des Fingers in einem ersten Teilbereich (6) der Sensorfläche, b) Verfolgung der Bewegung des Fingers anhand der Bewegung des ersten Teilbildes des Fingers durch Überwachung angrenzender Bereiche (10, 11) der Sensorfläche (1) auf das Auftreten mit dem ersten Teilbild korrelierender Teilbilder und c) Wiederholung des Schritts b) , bis der verfolgte Abschnitt des Fingers einen vorbestimmten Bereich der Sensorfläche (1) verlassen hat.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Schritte a) bis c) wiederholt werden, solange der Finger mit der Sensorfläche (1) in Berührung ist oder bis die Bewegung des Fingers einer vordefinierten Bedingung genügt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verfolgung der Bewegung des Fingers folgende Schritte beinhaltet :
a) Festlegung eines zweiten, relativ zum ersten Teilbereich verschobenen Teilbereichs (10, 11) der Sensorfläche (1), b) fortlaufende Aufnahme eines zweiten Teilbildes in dem zweiten Teilbereich und Ermittlung einer Korrelation zwischen dem zweiten Teilbild und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild und c) Wiederholung des Schrittes b) , bis die ermittelte Korrelation vorbestimmten Bedingungen genügt .
. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verfolgung der Bewegung des Fingers folgende Schritte beinhaltet:
a) Festlegung eines zweiten, relativ zum ersten Teilbereich verschobenen Teilbereichs (10, 11) der Sensorfläche (1) . b) fortlaufende Aufnahme eines zweiten Teilbildes in dem zweiten Teilbereich und Ermittlung einer Korrelation zwischen dem zweiten Teilbild und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild, c) erneute Aufnahme eines ersten Teilbildes in dem ersten Teilbereich und Ermittlung der Korrelation zwischen dem neu aufgenommenen ersten Teilbild und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild, d) Wiederholung der Schritte b) und c) , bis die im Schritt c) ermittelte Korrelation größer ist als die im Schritt b) ermittelte Korrelation.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verfolgung der Bewegung des Fingers folgende Schritte beinhaltet:
a) Festlegung mehrerer zweiter, relativ zum ersten Teilbereich verschobener Teilbereiche (10, 11) der Sensorfläche
(1), b) fortlaufende Aufnahme zweiter Teilbilder in den zweiten Teilbereichen und Ermittlung von Korrelationen zwischen den zweiten Teilbildern und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild, c) Bestimmung des zweiten Teilbildes mit der größten Korrelation mit dem ersten Teilbild und d) Wiederholung des Schritts b) oder der Schritte b) und c) , bis die ermittelte Korrelation vorbestimmten Bedingungen genügt .
6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Verfolgung der Bewegung des Fingers folgende Schritte beinhaltet:
a) Festlegung mehrerer zweiter, relativ zum ersten Teilbereich verschobener Teilbereiche (10, 11) der Sensorfläche
(1), b) fortlaufende Aufnahme zweiter Teilbilder in den zweiten Teilbereichen und Ermittlung von Korrelationen zwischen den zweiten Teilbildern und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild, c) Bestimmung des zweiten Teilbildes mit der größten Korrelation mit dem ersten Teilbild d) erneute Aufnahme eines ersten Teilbildes in dem ersten Teilbereich und Ermittlung der Korrelation zwischen dem neu aufgenommenen ersten Teilbild und dem zwischengespeicherten ersten Teilbild, e) Wiederholung der Schritte b) bis d) , bis die im Schritt d) ermittelte Korrelation größer ist als die im Schritt b) ermittelte Korrelation.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß nach Ermittlung eines korrelierenden zweiten Teilbildes der seitliche Versatz gegenüber dem ersten Teilbild ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der zeitliche Abstand bis zum Auftreten eines korrelierenden zweiten Teilsbildes in einem der zweiten Teilbereiche (10, 11) ermittelt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß gleichzeitig eine Bewegungsdetektion unter Verwendung unterschiedlicher Teilbereiche erfolgt.
10. Lesevorrichtung für Fingerabdrücke mit
- einer Sensorfläche (1) zur Erfassung der Oberflächenstruktur eines mit der Sensorfläche (1) in Kontakt befindlichen und dabei sich über die Sensorfläche (1) bewegenden Fingers,
- einer Bildaufnahmevorrichtung (2) zur Erstellung eines Bildes aus abschnittsweise aufgenommenen Teilbildern,
- einer mit der Bildaufnahmevorrichtung (2) verbundenen Ablaufsteuerung (3) zur Steuerung des Ablaufs beim Lesen eines Fingerabdrucks, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine mit der Ablaufsteuerung (3) verbundene Bewegungsdetektionsvorrichtung (4) zur Umsetzung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
11. Lesevorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ablaufsteuerung dazu eingerichtet ist, nach der Detektion einer definierten Weiterbewegung des Fingers durch die Bewegungsdetektionsvorrichtung (4) die Bildaufnahmevorrichtung (2) zur Aufnahme eines zur Ausgabe bestimmten Bildabschnitts zu veranlassen.
12. Lesevorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ablau steuerung (3) dazu eingerichtet ist, die Aufnahme einer zur Ausgabe beziehungsweise Speicherung bestimmten Bildzeile nach der Weiterbewegung des Fingers um eine Sensorzeile zu veranlassen.
13. Lesevorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Ablaufsteuerung (3) dazu eingerichtet ist, die Aufnahme eines zur Ausgabe beziehungsweise Speicherung bestimmten Bildabschnittes zu veranlassen, wenn die Bewegungsdetektionsvorrichtung (4) bei der Verfolgung des Fingers den Rand eines vorbestimmten Sensorbereiches (12) erreicht hat.
14. Lesevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 113, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Bewegungsdetektionsvorrichtung ein Filter (7) zur Fehlerkorrektur aufweist.
15. Lesevorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Breite der Sensorfläche (1) größer ist als die Abmessung in Bewegungsrichtung des Fingers .
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