JP2005010860A - Fingerprint authenticator, and method for detection of finger positioning on fingerprint sensor - Google Patents

Fingerprint authenticator, and method for detection of finger positioning on fingerprint sensor Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect whether a finger is correctly positioned without using a special device. <P>SOLUTION: A fingerprint authenticator 10 comprises a fingerprint sensor 12 for detecting two-dimensional image signals indicating an irregular image of the surface of a target for detection positioned on a detection surface 14, a registered fingerprint storage part 21 for storing a registered fingerprint, and a matching part 22 for matching the two-dimensional image signals of the target for detection detected by the fingerprint sensor 12 with the registered fingerprint to authenticate the user having positioned the target for detection. The collating part 22 calculates absolute values of the two-dimensional image signals acquired from a given area in the detection surface 14, and integrates the absolute values in the given area. The collating part 22 generates a time-series signal of the integral value, and differentiates the time-series signal with respect to time to generate a differential signal. The fingerprint collation is executed when the waveform of the differential signal peaks at a plus crest. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、人間の指の指紋を利用して、本人であれば本人であると認証し、且つ、本人以外の人(又は物質)であれば拒否をするという本人認証を行う指紋認証装置、指紋認証装置の指紋センサに対する指置き検出方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
人間の指の第1関節より先端側の内側部分の表面に形成されている渦状の凹凸の模様(指紋)を識別して、本人認証を行う指紋認証装置がある。指紋認証装置には、指紋センサが設けられ、その指紋センサによって指紋を検出している。指紋センサには、例えば、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点の静電容量を感知して指紋を検出する静電容量検出型指紋センサ(例えば特許文献1参照。)、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点の圧力を感知して指紋を検出する圧力検出型指紋センサ、又は、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点からの反射光を感知して指紋を検出する光検出型指紋センサ等がある。指紋認証装置は、これらのセンサにより検出された指紋イメージと、予め登録してある指紋イメージとを照合することによって、本人認証を行う。
【0003】
【特許文献1】
特開平11−197135号公報
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、指紋認証装置は、その機能の本質的な要請から、本人認証の確実性を100%に近づけるための精度向上が常に求められる。つまり、指紋認証装置では、本人の指紋であれば本人であると認証し、且つ、本人以外の指紋(又は物質)であれば拒否をする精度の向上が常に求められる。
【0005】
そのため、指紋認証装置では、できるだけ指の動作のぶれ等が発生していない安定した状態の指紋イメージを取り込む必要がある。安定した状態の指紋イメージを取り込むためには、例えば指紋センサに指が置かれたこと別途センサを設けて検出したり(例えば、特許文献1)、被験者自身にスタートボタンを押させたりすることで、取り込みタイミングを制御する必要がある。
【0006】
しかしながら、指紋認証装置に、指置かれたことを検出するセンサやスタートボタンを設けると、コスト高や大型化を招いてしまう。
【0007】
本発明は、このような実状に鑑みて提案されたものであり、指紋認証を行う際に、特別な部材を用いることなく、最適なタイミングで指紋イメージの取り込みが可能な指紋認証装置及び指紋センサに対する指置き検出方法を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る指紋認証装置は、平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した2次元イメージ信号を検出する指紋センサと、当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、上記指紋センサにより検出された被検出物の2次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備え、上記認証手段は、上記検出面内の所定領域から得られる上記2次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行う。
【0009】
上記指紋認証装置では、指紋センサから得られる2次元イメージ信号の絶対値を所定の領域内で積算し、その積算値の時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、当該微分信号に基づき指が指紋センサに置かれたことを検出する。例えば、上記指紋認証装置では、指紋センサに指置きがされていない状態から微分信号の波形が正側の山型に変化した場合には、指紋センサに対して指が置かれたと判断する。
【0010】
本発明に係る指紋センサに対する指置き検出方法は、平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した2次元イメージ信号を検出する指紋センサと、当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、上記指紋センサにより検出された被検出物の2次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備える指紋認証装置における、上記指紋センサの検出面に指の指紋が置かれたことを検出する指紋センサに対する指置き検出方法であって、上記検出面内の所定領域から得られる上記2次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行う。
【0011】
上記指紋センサに対する指置き検出方法では、指紋センサから得られる2次元イメージ信号の絶対値を所定の領域内で積算し、その積算値の時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、当該微分信号に基づき指が指紋センサに置かれたことを検出する。例えば、上記指紋センサに対する指置き検出方法では、指紋センサに指置きがされていない状態から上記微分信号の波形が正側の山型に変化した場合には、指紋センサに対して指が置かれたと判断する。
【0012】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態として、本発明を適用した指紋認証装置について図面を参照しながら詳細に説明する。
(外観構成)
図1に、本発明の実施の形態の指紋認証装置10の外観図を示す。
【0013】
指紋認証装置10は、図1に示すように、筐体11上に平面状の検出面14が露出するように設けられた指紋センサ12と、指紋の認証結果(OK又はNG)を外部装置に対して出力するインタフェース端子13とを備えている。
【0014】
指紋認証装置10に適用される指紋センサ12は、静電容量方式によって検出面14上に置かれた指の指紋の表面の凹凸模様を検出するセンサである。静電容量方式の指紋センサ12は、図2に示すように、検出面14に対して平行に、指紋の凹凸のピッチよりも充分に細かいピッチでマトリクス状に配置されている複数のコンデンサ15が設けられている。各コンデンサ15が、指紋センサ12の感知素子となる。各コンデンサ15は、物質が近接すると、その物質までの距離に応じて容量値が変化する。そのため、検出面14に指の第1関節より先端側の内側部分が置かれると、その指の指紋の凹凸に応じて、対向する部分に位置するコンデンサ15の容量値が変化する。
【0015】
指紋センサ12は、マトリクス状に配置されている複数のコンデンサ15の容量値を、平面上をジグザグにラスタ走査して検出し、2次元位置とそのレベルとの対応付けがされた2次元信号を生成する。この2次元信号が、指紋の凹凸模様を示す2次元イメージ信号となる。指紋センサ12は、この2次元イメージ信号を出力する。
【0016】
なお、ここでは、静電容量検出方式の指紋センサを例にとって説明をしているが、指紋センサ12は、指紋の凹凸の模様に応じた2次元イメージを検出することができれば、その検出方式はどのようなものであってもよい。例えば、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点の圧力を感知して指紋を検出する圧力検出型指紋センサや、指の先端の内側部分を検出面に置いたときにおける検出面上の各点からの反射光を感知して指紋を検出する光検出型指紋センサ等を、上記指紋センサ12として適用してもよい。
【0017】
(内部構成)
つぎに、指紋認証装置10の内部構成について説明をする。図3に指紋認証装置10の内部ブロック図を示す。
【0018】
指紋認証装置10は、図3に示すように、指紋センサ12と、登録指紋格納部21と、照合部22と、出力部23とを備えている。
【0019】
指紋センサ12は、検出面14上に置かれた物体の凹凸模様を示す2次元イメージ信号を検出し、外部に出力する。登録指紋格納部21は、ユーザの登録指紋の2次元イメージ信号又は登録指紋の凹凸イメージの特徴部分のみを抽出した情報(特徴情報)を格納している。照合部22は、指紋センサ12により検出された2次元イメージ信号と、登録されている2次元イメージ信号(又は特徴情報)とを照合し、検出面14に指を置いたユーザに対する本人認証を行う。照合部13は、本人と認証されれば、OKの出力を行い、本人と認証されなければNGの出力を行う。出力部23は、照合部22から出力されたOK/NGの判断結果を暗号化するとともに、その判断結果を伝送インタフェースに対応したフォーマットに変換し、インタフェース端子13を介して外部に設けられている例えばセキュリティ装置等に報知する。
【0020】
以上のようなブロック構成の指紋認証装置10を具体的にハードウェアで構成すると、図4に示すような構成となる。
【0021】
指紋認証装置10は、指紋センサ12と、USBインタフェースケーブルが接続されるUSB端子32と、USBコントローラ33と、CPU34と、プログラム用RAM又はROM35と、フラッシュメモリ36と、指紋照合用LSI37とを備えている。また、USBコントローラ33、CPU34、プログラム用RAM又はROM35、フラッシュメモリ36、及び、指紋照合用LSI37は、それぞれデータ転送用のバス38に接続されている。
【0022】
USBコントローラ33は、USBプロトコルに従いUSB端子32を介して外部機器との間でデータの転送を行う回路である。USBコントローラ33は、図3に示す出力部23の機能を実現している。USBコントローラ33は、例えば、外部のパーソナルコンピュータ、セキュリティ装置との間でUSBプロトコルに従いデータの転送を行うインタフェース回路である。なお、指紋認証装置10は、USBインタフェースではなく、例えばRS232C等の他のインタフェースを用いて、外部のパーソナルコンピュータ等とデータの転送を行っても良い。
【0023】
CPU34は、プログラム用RAM又はROM35に格納されているプログラムに基づき、装置全体の動作制御を行う回路である。CPU34は、例えば、図3に示す照合部22の動作制御を行う。
【0024】
フラッシュメモリ36は、不揮発性のメモリである。フラッシュメモリ36は、図3に示す登録指紋格納部21の機能を実現し、登録指紋イメージ又はその特徴情報を格納している。
【0025】
指紋照合用LSI37は、フラッシュメモリ36に格納されている登録指紋イメージ(又は特徴情報)に基づき、指紋センサ12により検出された指紋イメージの認証を行う。指紋照合用LSI37は、図3に示す照合部22の機能を実現している。
【0026】
(認証動作)
つぎに、指紋認証装置10の動作について説明をする。
【0027】
指紋認証装置10は、指紋認証の前提処理として指紋登録を行う。指紋認証装置10では、指紋登録がされたユーザが指紋認証を行った時にOKという認証結果を出力し、指紋登録がされていないユーザ(又は物体)が指紋認証を行った時にNGという認証結果を出力する。
【0028】
指紋登録を行う場合には、まず、登録処理である旨の設定を行ったのちに、ユーザが検出面14に所定の指(例えば人差し指)の第1関節より上側の内側部分(指紋)を載せる。指紋認証装置10は、載せられた指紋の2次元イメージを指紋センサ12で取り込む。指紋認証装置10は、取り込んだ指紋の2次元イメージ又はその2次元イメージの特徴部分を抽出した特徴情報を、登録データとして登録指紋格納部21に格納する。以上のような動作を行うことによって、ユーザの指紋登録が完了する。また、複数ユーザに対して指紋登録を行う場合には、例えば、ユーザ毎にID等を設けて、そのIDに対応させて指紋登録すればよい。
【0029】
指紋認証時の動作は次のようになる。
【0030】
まず、指紋認証装置10は、検出面14に指が置かれたことを検出する。指紋認証装置10は、検出面14に指が置かれたことを検出すると認証動作を開始する。検出面14に指置がされたか否かの検出方法、並びに、認証動作の開始タイミングについては、その詳細を後述する。
【0031】
指紋認証装置10は、認証動作を開始すると、検出面14に置かれた物体の2次元イメージを指紋センサ12によって検出し、その検出信号を照合部22に供給する。
【0032】
照合部22は、指紋センサ13により検出された2次元イメージと、登録されている指紋の2次元イメージ(又は特徴情報)とが一致するか否かを、例えばパターンマッチング等を行って判断する。照合部22は、一致すれば登録されているユーザ本人の指紋であると判断する。照合部22は、一致しなければ登録されているユーザ以外の指紋(又は物質)であると判断する。
【0033】
照合部22は、登録されているユーザであるという照合結果を得た場合には、登録されているユーザであるという本人認証の判断結果(OK)を出力する。また、照合部22は、登録されているユーザではないという照合結果を得た場合には、登録されているユーザではないという本人認証の判断結果(NG)を出力する。
【0034】
指紋認証装置10は、以上のような動作を行って得られた判断結果を出力部23により暗号化してコンピュータや各種セキュリティ装置に供給し、アクセス管理やプライバシー保護等を実現させる。
【0035】
(指紋イメージの検出方法)
つぎに、指紋センサ12による指紋イメージの検出方法について説明をする。
【0036】
指紋センサ12は、感知素子としてコンデンサが用いられる静電容量検出方式のセンサである。指紋センサ12には、平板状の検出面14に対して平行にマトリクス状に複数のコンデンサが並べて配置されている。指紋センサ12は、図5に示すように、マトリクス状に配置された各感知素子(コンデンサ)15を1ライン単位でラスタ走査し、各コンデンサのセンシングレベル(RFレベル)を順次出力する。なお、静電容量方式の指紋センサ12の場合、コンデンサのセンシングレベル(RFレベル)は、そのコンデンサの静電容量に反比例した値となる。すなわち、そのコンデンサの静電容量が大きいと、そのコンデンサのセンシングレベル(RFレベル)は小さくなり、そのコンデンサの静電容量が小さいと、そのコンデンサのセンシングレベル(RFレベル)は大きくなる。
【0037】
ここで、指紋センサ12の出力の代表例を図6〜図11に示す。
【0038】
図6は、指紋センサ12の検出面14上に何も接触させていない場合(空気のみが接触している場合。)における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルである。検出面14に何も接触していない場合、各コンデンサの静電容量は一様に大きくなる。従って、マトリクス状に配列されたコンデンサから得られるRFレベルは、空間方向への変動が非常に少なく、値が小さく且つほぼ同一となる。
【0039】
図7は、指紋センサ12の検出面14上に水滴が付着している場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルである。検出面14に水滴が付着している場合には、その水滴が電極の役割を果たし、各コンデンサの静電容量は一様に小さくなる。従って、マトリクス状に配列されたコンデンサから得られるRFレベルは、空間方向への変動が非常に小さく、値が大きく且つほぼ同一となる。
【0040】
図8は、指紋センサ12の検出面14上に指の油の汚れ等が付着している場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルである。検出面14に汚れが付着している場合には、その汚れの部分に位置するコンデンサの静電容量が低くなるが、その静電容量は最小値までには下がらない。従って、マトリクス状に配列された各コンデンサから得られるRFレベルは、空間方向への変動が非常に小さく、値が中程度で且つほぼ同一となる。
【0041】
図9は、指紋センサ12の検出面14上に皮膚表面の水分量等が理想的である指紋(理想的な指紋)が置かれた場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルである。検出面14に理想的な指紋が接触している場合、指紋のくぼみ部分ではコンデンサの静電容量が大きくなり、指紋の凸部分ではコンデンサの静電容量が小さくなる。つまり、検出面14に理想的な指紋が接触している場合、指紋のくぼみ部分ではRFレベルが小さくなり、指紋の凸部分ではRFレベルが大きくなる。従って、検出面14に理想的な指紋が接触している場合、RFレベルは、その凹凸に応じて空間方向に対して振幅の変動が生じる。
【0042】
図10は、指紋センサ12の検出面14上に皮膚表面の水分や油分等が少ない指紋(乾燥指紋)が置かれた場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルである。検出面14に乾燥指紋が接触している場合、電極の役割を果たす水分が少なくなるので、各コンデンサの静電容量が全体的に大きくなる方向にオフセットはされるが、指紋のくぼみ部分ではコンデンサの静電容量が相対的に大きくなり、指紋の凸部分ではコンデンサの静電容量が相対的に小さくなる。つまり、RFレベルは、全体的に低い方向にオフセットされ、そのオフセットを中心に指紋のくぼみ部分では相対的に低くなり、指紋の凸部分では相対的に高くなる。従って、検出面14に乾燥指紋が接触している場合にも、RFレベルは、その凹凸に応じて空間方向に対して振幅の変動が生じる。
【0043】
図11は、指紋センサ12の検出面14上に皮膚表面の水分が多い指紋(水分指紋)が置かれた場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルである。検出面14に水分指紋が接触している場合、電極の役割を果たす水分が多いので、各コンデンサの静電容量が全体的に小さくなる方向にオフセットはされるが、指紋のくぼみ部分ではコンデンサの静電容量が相対的に大きくなり、指紋の凸部分ではコンデンサの静電容量が相対的に小さくなる。つまり、RFレベルは、全体的に高い方向にオフセットされ、そのオフセットを中心に指紋のくぼみ部分では相対的に低くなり、指紋の凸部分では相対的に高くなる。従って、検出面14に水分指紋が接触している場合にも、RFレベルは、その凹凸に応じて空間方向に対して振幅の変動が生じる。
【0044】
以上の図6〜図11に示した静電容量方式の指紋センサ12のセンサ出力の代表例を見ると、静電容量方式の指紋センサ12の場合、指紋の凹凸は、2次元配置された感知素子(コンデンサ)から得られるRFレベルの、2次元方向の高周波成分で表されることがわかる。
【0045】
そこで、指紋センサ12では、図12に示すように、マトリクス状に配置された複数の感知素子(コンデンサ)から出力されるRFレベルに対して、2次元方向にローパスフィルタリングして、RFレベルの低周波数成分(AVE_Rf)を算出する。続いて、各2次元位置のそれぞれにおいて、RFレベルと算出した低周波数成分(AVE_Rf)とを減算して、差分値を求める。この差分値が、指紋の山と谷の部分の凹凸レベルを示すこととなる。指紋センサ12では、このように算出した差分値を検出面14上の位置に対応させた2次元情報として出力する。この出力信号が、被検出物の表面の凹凸模様を示す2次元イメージ信号として照合部12に供給される。なお、ローパスフィルタリングのカットオフ周波数は、人間の指紋の凹凸ピッチよりも充分に小さい周波数とする。
【0046】
(指置きタイミングの検出方法)
つぎに、指置き検出の方法、及び、認証動作の開始タイミングについて説明をする。
【0047】
指の第1関節より上の内側部分(指紋)が指紋センサ12の検出面14に置かれた場合、RFレベルには高周波数成分が非常に多く含まれる。反対に、指紋センサ12の検出面14に指紋が置かれていない場合や指紋以外の物が置かれた場合には、RFレベルには高周波成分がほとんど含まれない。従って、RFレベルの高周波数成分のエネルギーが充分大きくなれば、検出面14に指置きがされたとみなすことができる。本実施の形態の指紋認証装置10では、このことを利用して、以下に説明するように指置きの判別を行っている。
【0048】
指紋認証装置10では、図13に示すように、検出面14の略中心位置に、指置き検出用の検出エリアXを設定している。検出エリアXの大きさは検出面14以下の大きさであれば特にどのような大きさであってもよい。
【0049】
指紋認証装置10の照合部22は、この検出エリアXから得られる2次元イメージ信号を常時検出する。すなわち、図14に示すように、RFレベル(RF)から当該RFレベルの2次元方向の低周波数成分(AVE_RF)を減算した信号のうち、検出エリアXから得られる成分のみを常時検出する。
【0050】
照合部22は、検出エリアXから得られた2次元イメージ信号の絶対値を算出し、その絶対値を検出エリアXの範囲で積算し、積算値(S)を算出する。この積算値(S)は、検出エリアX内のRF信号の絶対値の総和である。つまり、検出エリアX内で指紋の山谷の差が大きく検出されれば積算値(S)が大きくなり、検出エリアX内で指紋の山谷の差が小さく検出されれば積算値(S)が小さくなる。
【0051】
照合部22は、その積算値(S)の時系列データを生成し、積算値(S)の時系列データを時間方向に微分し、その微分信号(D)に基づき検出面14に指が置かれたかどうかを検出する。例えば、照合部22は、一定のサンプリング間隔毎に積算値(S)を算出してシフトレジスタ等に格納し、シフトレジスタ内の積算値(S)を用いて微分信号(D)を生成する。
【0052】
そして、照合部22は、微分信号(D)の信号波形を常時モニタして、信号波形からユーザが指を置いたか否かを判断する。照合部22は、指が置かれたと判断した場合には、指紋認証の動作を開始する。
【0053】
具体的に、積算値(S)の時系列信号、その積算値(S)に対応する微分信号(D)を図15に示す。図15(A)は、検出面14に指を置いた後にその指を離した場合のタイミングチャートである。図15(B)は、図15(A)のタイミングで指を置いた場合の積算値(S)の時系列データである。図15(C)及び図15(D)は、図15(B)の積算値(S)に対する微分信号(D)である。
【0054】
まず、図15に示すように、検出面14から指が遠く離れている状態(離間状態S1)では、積算値(S)はほぼ0に近い値となる。厳密には、ノイズ成分としてのある値を持つ。続いて、離間状態S1から検出面14に指を近づけると、検出面14と指とが接触を開始し(開始動作状態S2)、積算値(S)は0からプラス側に増加してゆく。続いて、指が検出面14に完全に接触し、指の動作が少なくなってくると(指置き安定過程S3)、積算値(S)は増加率が少なくなり値が飽和し始める。そして、指が検出面14上で静止して完全に載置された状態となると(載置状態S4)、積算値(S)はプラス側の所定の値(H)で一定となる。
【0055】
載置状態S4から指が離れ始めると(終了動作状態S5)、積算値(S)はプラス側の所定の値(H)から減少してゆく。続いて、指が検出面14から離れると(指離れ安定過程S6)、積算値(S)の減少率が少なくなり値が0に漸近し始める。そして、指が検出面14から完全に離間して所定時間を経過すると(離間状態S1)、積算値(S)は0で一定となる。
【0056】
このような積算値(S)の時系列信号に対して、微分信号(D)の信号波形は、図15(C)に示すように、開始動作(S2)から指置き安定過程状態S3に遷移するタイミングでプラス側の山型波形のピークがあり、終了動作(S5)から離間状態1に遷移するタイミングでマイナス側の山型波形のピークがあることがわかる。
【0057】
ここで、指紋認証処理は、検出面14に対して指が充分に接触をしていれば、指紋イメージを取り込むことが可能である。つまり、指置き安定過程(S3)及び載置(S4)の状態であれば、どのタイミングでも安定した認証処理が可能である。
【0058】
そこで、本実施の形態の指紋認証装置10では、微分信号(D)の信号波形を解析してプラス側の山型波形のピークを検出し、そのピーク位置でユーザの指紋イメージを取り込んで認証を行っている。このことにより、装置のスループットを最も早くすることができる。
【0059】
なお、遅れ時間が大きい微分係数を設定している場合、微分信号(D)は、図15(D)に示すように、山型の頂上部分が平坦となりピーク位置の範囲が広くなってしまう。このような場合には、傾きがマイナスとなった時点をピーク位置として、指紋イメージを取り込んで認証を行っている。
【0060】
また、遅れ時間が異なる複数の微分係数を用いて複数の微分信号(D)を生成し、複数の微分信号に基づき、指置きタイミングを検出してもよい。例えば、遅延量が大きい場合には、変化量の検出の感度は大きくなるが、応答が遅くなる。反対に、遅延量が小さい場合には、変化量の検出感度は小さくなるが、応答が速くなる。そのため、例えば、指の状態が良い人が用いる場合には、検出感度が悪いが応答が早いといった遅延量の少ない係数を用いて微分信号(D)を生成し、指の状態が悪い人が用いる場合には、検出感度が良いが応答が遅いといった遅延量の大きい係数を用いて微分信号(D)を生成するようにする。
【0061】
さらに、2つの微分信号(D)を同時に生成し、山型波形のピーク値のレベルが所定の閾値以上となった一方の微分信号(D)のみを自動的に選択して、指置き判断に用いてもよい。
【0062】
(指置きタイミングの検出方法2)
ところで、理想的な指紋が検出面14に載置された場合の積算値(S)の時系列データは、図15(B)に示す通りであるが、油汚れが付着している指紋(油指紋)が検出面14に載置された場合、検出面14から指を離した際にその油汚れが検出面14に残ってしまい、指紋イメージに影響残像が生じてしまう。
【0063】
このような油指紋の積算値(S)は、図16(B)に示すように、指を載せている状態でもRFレベルが発汗とともに下がる。そのため、終了動作状態S5で値が減少せずに、上昇してしまう場合がある。
【0064】
認証タイミングの制御を微分信号(D)波形のプラス側の山型のピークを検出して行う場合、指置き開始時のピーク位置は有効に検出し、指離し時のピーク位置は無視しなければならない。そのため、本実施の形態の指紋認証装置10では、図17に示すステートマシーン50により状態管理を行って、指が置かれたときにのみ認証動作を行うように制御を行っている。
【0065】
以下、ステートマシーン50についての説明を行う。
【0066】
ステートマシーン50は、微分信号(D)の変化量Zを検出し、変化量Zの符号がプラス(+)であるか、マイナス(−)であるか、又は、変化がないか(0)に応じて、遷移制御が行われる。
【0067】
まず、リセット動作で離間状態S1に遷移する。離間状態S1は、検出面14からユーザの指が遠く離れている状態である。離間状態S1において変化量Zが“0”のときには当該離間状態S1を維持する。離間状態S1において変化量Zが“+”に変化すると、第1の開始動作状態S2に遷移する。
【0068】
第1の開始動作状態S2は、検出面14に指が徐々に近づき、検出面14と指とが接触し圧力が上昇している最中の状態である。第1の開始動作状態S2において変化量Zが“+”のときには当該第1の開始動作状態S2を維持する。第1の開始動作状態S2において変化量Zが“−”に変化すると、指置安定過程状態S3に遷移する。第1の開始動作状態S2において変化量Zが“0”に変化すると第2の指置安定過程状態S2´に遷移する。
【0069】
指置安定過程状態S3又は第2の指置安定過程状態S2´に遷移すると、その遷移したタイミングで認証開始命令が与えられ、認証処理が行われる。つまり、微分信号(D)の変化量Zがマイナス又はゼロとなった時に認証処理がされる。このようなタイミングで認証処理を行うことによって、認証処理をより早く行うことが可能となる。
【0070】
指置安定過程状態S3において変化量Zが“−”のときには当該指置き安定過程状態S3を維持する。指置安定過程状態S3において変化量Zが“−”となると指置安定過程状態S3に遷移する。指置安定過程状態S3において変化量Zが“0”となると載置状態S4に遷移する。
【0071】
第2の指置安定過程状態S2´は、安定状態である。ただし、この第2の指置安定過程状態S2´は、例えば遅れ時間が大きい微分係数を設定している場合に、微分信号(D)から山型の頂上部分の平坦な部分が検出されている最中の状態である。第2の指置安定過程状態S2´において変化量Zが0のときには当該第2の指置安定過程状態S2´を維持する。第2の指置安定過程状態S2´において変化量Zが“−”に変化すると、指置安定過程状態S3に遷移する。
【0072】
載置状態S4は、指が検出面14に安定して載置されている状態である。載置状態S4において変化量Zが0のときには当該載置状態S4を維持する。載置状態S4において変化量Zが“−”に変化したときには、指離しが開始されたものと判断して、第1の終了動作状態S5に遷移する。載置状態S4において変化量Zが“+”に変化したときは、油指紋の指離しが開始されたものと判断して、第2の終了動作状態S5´に遷移する。
【0073】
第1の終了動作状態S5は、検出面14から指が徐々に離れていく状態である。第1の終了動作状態S5において変化量Zが“−”のときには当該第1の終了動作状態S5を維持する。第1の終了動作状態S5において変化量Zが“+”に変化すると指離安定過程状態S6に遷移する。第1の終了動作状態S5において変化量Zが“0”に変化すると第3の終了動作状態S5″に遷移する。
【0074】
第2の終了動作状態S5´は、第1の終了動作状態S5と同じく、検出面14から指が徐々に離れていく状態である。ただし、第2の終了動作状態S5´の場合には、置かれている指が油指紋のような汚れが付着している指紋である場合の状態である。第2の終了動作状態S5´において変化量Zが“+”のときには当該第2の終了動作状態S5´を維持する。第2の終了動作状態S5´において変化量Zが“−”に変化すると指離安定過程状態S6に遷移する。第1の終了動作状態S5において変化量Zが“0”に変化すると第3の終了動作状態S5″に遷移する。
【0075】
第3の終了動作状態S5″は、第3の終了動作状態S5″において変化量Zが“0”であると、第3の終了動作状態S5″を維持する。第3の終了動作状態S5″において変化量Zが“+”又は“−”に変化すると、指離安定過程状態S6に遷移する。
【0076】
指離安定過程状態S6において変化量Zが“+”又は“−”のときには当該指離安定過程状態S6を維持する。指離安定過程状態S6において変化量Zが“0”となると、載離間状態S1に遷移する。
【0077】
以上のようにステートマシーン50により、指が載置されている状態であるか、指が離れている状態であるかの状態管理を行うことによって、指離し時に発生するプラス側のピーク位置を無視して、正しい認証タイミングを制御することができる。
【0078】
以上のように、本実施の形態の指紋認証装置10では、指紋センサ12のセンサ出力に基づき指置きがされているか否かを判断して認証処理の開始タイミングを制御している。そのため、指紋認証装置10では、認証のスタートボタンや指置きセンサ等を設けずに、指紋センサ12の検出面14に対して指を置くだけで、自動的に指紋認証を開始することができる。
【0079】
【発明の効果】
本発明に係る指紋認証装置及び指紋センサに対する指置き検出方法では、指紋センサから得られる2次元イメージ信号の絶対値を所定の領域内で積算し、その積算値の時系列信号を微分して微分信号を生成し、当該微分信号に基づき指が指紋センサに置かれたことを検出する。例えば、上記本発明では、指紋センサに指置きがされていない状態から微分信号の波形が正側の山型に変化した場合には、指紋センサに対して指が置かれたと判断する。
【0080】
このことにより、本発明に係る指紋認証装置及び指紋センサに対する指置き検出方法では、特別な部材を用いることなく、最適なタイミングで指紋イメージの取り込みが可能となる。従って、本人認証の精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の指紋認証装置の概略の斜視図である。
【図2】指紋センサに設けられている感知素子の配置について説明をするための図である。
【図3】本発明の実施の形態の指紋認証装置のブロック構成図である。
【図4】指紋認証装置をハードウェアで構成した場合のブロック図である。
【図5】指紋センサ内の複数の感知素子のスキャン方法を示す図である。
【図6】指紋センサの検出面上に何も接触させていない場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルを示す図である。
【図7】指紋センサの検出面上に水滴が付着している場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルを示す図である。
【図8】指紋センサの検出面上に指の油の汚れ等が付着している場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルを示す図である。
【図9】指紋センサの検出面上に皮膚表面の水分量等が理想的である指紋(理想的な指紋)が置かれた場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルを示す図である。
【図10】指紋センサの検出面上に皮膚表面の水分や油分等が少ない指紋(乾燥指紋)が置かれた場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルを示す図である。
【図11】指紋センサの検出面上に皮膚表面の水分が多い指紋(水分指紋)が置かれた場合における、1ライン分のコンデンサから得られるRFレベルを示す図である。
【図12】Rfレベル及びその低周波数成分について説明するための図である。
【図13】検出エリアの配置例を説明するための図である。
【図14】検出エリアから検出されるRFレベル等について説明をするための図である。
【図15】理想的な指紋が載置された場合の、積算値(S)の時系列信号、その積算値(S)に対応する微分信号(D)を示す図である。
【図16】油指紋が載置された場合の、積算値(S)の時系列信号、その積算値(S)に対応する微分信号(D)を示す図である。
【図17】状態管理を行うステートマシーンを示す図である。
【符号の説明】
10 指紋検出装置、12 指紋センサ、14 検出面、21 登録指紋格納部、22 照合部
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention uses a fingerprint of a human finger, a fingerprint authentication device that authenticates a person if the person is a person and rejects if the person is a person (or substance) other than the person, The present invention relates to a finger placement detection method for a fingerprint sensor of a fingerprint authentication device.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art There is a fingerprint authentication device that performs personal authentication by identifying a spiral pattern (fingerprint) formed on the surface of an inner portion on the tip side of a first joint of a human finger. The fingerprint authentication apparatus is provided with a fingerprint sensor, and the fingerprint is detected by the fingerprint sensor. As the fingerprint sensor, for example, a capacitance detection type fingerprint sensor that detects the fingerprint by sensing the capacitance of each point on the detection surface when the inner part of the tip of the finger is placed on the detection surface (for example, Patent Documents) 1), a pressure detection type fingerprint sensor that detects the fingerprint by sensing the pressure of each point on the detection surface when the inner portion of the finger tip is placed on the detection surface, or the inner portion of the finger tip There is a photodetection type fingerprint sensor that detects a fingerprint by sensing reflected light from each point on the detection surface when placed on the detection surface. The fingerprint authentication device authenticates the user by collating the fingerprint image detected by these sensors with a fingerprint image registered in advance.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-11-197135
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the fingerprint authentication apparatus is always required to improve accuracy in order to bring the authenticity of the personal authentication closer to 100% because of the essential request of the function. That is, in the fingerprint authentication device, it is always required to improve the accuracy of authenticating the person's fingerprint and rejecting the person's fingerprint (or substance).
[0005]
Therefore, it is necessary for the fingerprint authentication apparatus to capture a fingerprint image in a stable state in which finger movement is not shaken as much as possible. In order to capture a fingerprint image in a stable state, for example, a separate sensor is provided to detect that a finger is placed on the fingerprint sensor (for example, Patent Document 1), or the subject himself / herself is pressed with a start button. It is necessary to control the capture timing.
[0006]
However, if the fingerprint authentication device is provided with a sensor or a start button for detecting that a finger is placed, the cost and the size are increased.
[0007]
The present invention has been proposed in view of such a situation, and a fingerprint authentication device and a fingerprint sensor capable of capturing a fingerprint image at an optimal timing without using a special member when performing fingerprint authentication. An object of the present invention is to provide a finger placement detection method for.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
A fingerprint authentication apparatus according to the present invention includes a fingerprint sensor that detects a two-dimensional image signal that has a planar detection surface, and that shows a concavo-convex image of the surface of an object to be detected placed on the detection surface, and the fingerprint. Registered fingerprint storage means for storing fingerprint information for identifying each user, two-dimensional image signal of the detected object detected by the fingerprint sensor, and user fingerprint information stored in the registered fingerprint storage means Authentication means for authenticating the identity of the user who placed the object to be detected, and the authentication means calculates an absolute value of the two-dimensional image signal obtained from a predetermined area in the detection surface. The absolute value is integrated within the predetermined area, a time series signal of the integrated value is generated, the time series signal is differentiated in the time direction to generate a differential signal, and the fingerprint is based on the signal waveform of the differential signal. Sensor detection Detecting a timing at which the object to be detected is placed on a surface, performing the authentication of the user takes in the unevenness image of the surface of the object to be detected according to the above timing.
[0009]
In the fingerprint authentication device, the absolute value of the two-dimensional image signal obtained from the fingerprint sensor is integrated within a predetermined area, the time series signal of the integrated value is differentiated in the time direction, and a differential signal is generated. And detecting that the finger is placed on the fingerprint sensor. For example, in the above-described fingerprint authentication device, when the waveform of the differential signal changes from the state in which the finger is not placed on the fingerprint sensor to the peak shape on the positive side, it is determined that the finger is placed on the fingerprint sensor.
[0010]
A finger placement detection method for a fingerprint sensor according to the present invention includes a fingerprint sensor that detects a two-dimensional image signal that has a planar detection surface and indicates an uneven image of a surface of an object placed on the detection surface. The registered fingerprint storage means for storing the fingerprint information for specifying the fingerprint for each user, the two-dimensional image signal of the detected object detected by the fingerprint sensor, and the registered fingerprint storage means Detecting that a fingerprint of a finger is placed on a detection surface of the fingerprint sensor in a fingerprint authentication device comprising an authentication means for authenticating the identity of a user who placed the detected object by collating with the fingerprint information of the user A finger placement detection method for a fingerprint sensor, wherein an absolute value of the two-dimensional image signal obtained from a predetermined region in the detection surface is calculated, the absolute value is integrated in the predetermined region, and the integration is performed. The time series signal is generated, the time series signal is differentiated in the time direction to generate a differential signal, and the timing when the detected object is placed on the detection surface of the fingerprint sensor is detected based on the signal waveform of the differential signal. In accordance with the above timing, the surface of the object to be detected is captured to perform user authentication.
[0011]
In the finger placement detection method for the fingerprint sensor, the absolute value of the two-dimensional image signal obtained from the fingerprint sensor is integrated within a predetermined region, and the time series signal of the integrated value is differentiated in the time direction to generate a differential signal. Based on the differential signal, it is detected that the finger is placed on the fingerprint sensor. For example, in the finger placement detection method for the fingerprint sensor, the finger is placed on the fingerprint sensor when the waveform of the differential signal changes to a positive chevron from a state where the finger placement is not performed on the fingerprint sensor. Judge that
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
As an embodiment of the present invention, a fingerprint authentication device to which the present invention is applied will be described in detail with reference to the drawings.
(Appearance configuration)
FIG. 1 shows an external view of a fingerprint authentication device 10 according to an embodiment of the present invention.
[0013]
As shown in FIG. 1, the fingerprint authentication device 10 includes a fingerprint sensor 12 provided on a housing 11 so that a planar detection surface 14 is exposed, and a fingerprint authentication result (OK or NG) as an external device. And an interface terminal 13 for output.
[0014]
The fingerprint sensor 12 applied to the fingerprint authentication device 10 is a sensor that detects a concavo-convex pattern on the surface of a fingerprint of a finger placed on a detection surface 14 by a capacitance method. As shown in FIG. 2, the capacitive fingerprint sensor 12 includes a plurality of capacitors 15 arranged in a matrix in parallel to the detection surface 14 at a pitch sufficiently finer than the pitch of the fingerprint irregularities. Is provided. Each capacitor 15 serves as a sensing element of the fingerprint sensor 12. When each substance is close to the capacitor 15, the capacitance value changes according to the distance to the substance. Therefore, when the inner part on the tip side from the first joint of the finger is placed on the detection surface 14, the capacitance value of the capacitor 15 located in the opposite part changes according to the unevenness of the fingerprint of the finger.
[0015]
The fingerprint sensor 12 detects the capacitance values of the plurality of capacitors 15 arranged in a matrix by raster scanning on a plane in a zigzag manner, and detects a two-dimensional signal in which a two-dimensional position is associated with its level. Generate. This two-dimensional signal becomes a two-dimensional image signal indicating the uneven pattern of the fingerprint. The fingerprint sensor 12 outputs this two-dimensional image signal.
[0016]
Here, the capacitance detection type fingerprint sensor is described as an example, but if the fingerprint sensor 12 can detect a two-dimensional image corresponding to the pattern of the concave and convex portions of the fingerprint, the detection method is Any thing is acceptable. For example, a pressure detection type fingerprint sensor that detects the fingerprint by sensing the pressure at each point on the detection surface when the inner part of the finger tip is placed on the detection surface, or the inner part of the finger tip is placed on the detection surface A photodetection type fingerprint sensor that detects a fingerprint by sensing reflected light from each point on the detection surface at the time may be applied as the fingerprint sensor 12.
[0017]
(Internal structure)
Next, the internal configuration of the fingerprint authentication device 10 will be described. FIG. 3 shows an internal block diagram of the fingerprint authentication device 10.
[0018]
As shown in FIG. 3, the fingerprint authentication device 10 includes a fingerprint sensor 12, a registered fingerprint storage unit 21, a collation unit 22, and an output unit 23.
[0019]
The fingerprint sensor 12 detects a two-dimensional image signal indicating an uneven pattern of an object placed on the detection surface 14 and outputs it to the outside. The registered fingerprint storage unit 21 stores information (feature information) obtained by extracting only the two-dimensional image signal of the registered fingerprint of the user or the feature portion of the uneven image of the registered fingerprint. The collation unit 22 collates the two-dimensional image signal detected by the fingerprint sensor 12 with the registered two-dimensional image signal (or feature information), and authenticates the user who placed the finger on the detection surface 14. . The collation unit 13 outputs OK if the user is authenticated, and outputs NG if the user is not authenticated. The output unit 23 encrypts the OK / NG determination result output from the verification unit 22, converts the determination result into a format corresponding to the transmission interface, and is provided outside via the interface terminal 13. For example, the security device or the like is notified.
[0020]
When the fingerprint authentication device 10 having the above block configuration is specifically configured by hardware, the configuration shown in FIG. 4 is obtained.
[0021]
The fingerprint authentication device 10 includes a fingerprint sensor 12, a USB terminal 32 to which a USB interface cable is connected, a USB controller 33, a CPU 34, a program RAM or ROM 35, a flash memory 36, and a fingerprint verification LSI 37. ing. The USB controller 33, CPU 34, program RAM or ROM 35, flash memory 36, and fingerprint verification LSI 37 are connected to a data transfer bus 38, respectively.
[0022]
The USB controller 33 is a circuit that transfers data to and from an external device via the USB terminal 32 in accordance with the USB protocol. The USB controller 33 implements the function of the output unit 23 shown in FIG. The USB controller 33 is an interface circuit that transfers data to / from an external personal computer or security device according to the USB protocol, for example. Note that the fingerprint authentication apparatus 10 may transfer data with an external personal computer or the like using another interface such as RS232C instead of the USB interface.
[0023]
The CPU 34 is a circuit that controls the operation of the entire apparatus based on a program stored in the program RAM or ROM 35. For example, the CPU 34 controls the operation of the matching unit 22 shown in FIG.
[0024]
The flash memory 36 is a nonvolatile memory. The flash memory 36 realizes the function of the registered fingerprint storage unit 21 shown in FIG. 3, and stores a registered fingerprint image or its characteristic information.
[0025]
The fingerprint verification LSI 37 authenticates the fingerprint image detected by the fingerprint sensor 12 based on the registered fingerprint image (or feature information) stored in the flash memory 36. The fingerprint verification LSI 37 implements the function of the verification unit 22 shown in FIG.
[0026]
(Authentication operation)
Next, the operation of the fingerprint authentication device 10 will be described.
[0027]
The fingerprint authentication device 10 performs fingerprint registration as a precondition process for fingerprint authentication. The fingerprint authentication device 10 outputs an authentication result “OK” when the user who has registered the fingerprint performs the fingerprint authentication, and outputs an authentication result “NG” when the user (or object) who has not registered the fingerprint performs the fingerprint authentication. Output.
[0028]
When performing fingerprint registration, first, after setting that it is registration processing, the user places an inner portion (fingerprint) above the first joint of a predetermined finger (for example, index finger) on the detection surface 14. . The fingerprint authentication device 10 captures a two-dimensional image of the placed fingerprint with the fingerprint sensor 12. The fingerprint authentication device 10 stores the feature information obtained by extracting the captured two-dimensional image of the fingerprint or the feature portion of the two-dimensional image in the registered fingerprint storage unit 21 as registration data. By performing the above operation, the user's fingerprint registration is completed. When fingerprint registration is performed for a plurality of users, for example, an ID or the like may be provided for each user, and fingerprint registration may be performed in correspondence with the ID.
[0029]
The operation during fingerprint authentication is as follows.
[0030]
First, the fingerprint authentication device 10 detects that a finger is placed on the detection surface 14. The fingerprint authentication device 10 starts an authentication operation when detecting that a finger is placed on the detection surface 14. Details of the detection method of whether or not the finger is placed on the detection surface 14 and the start timing of the authentication operation will be described later.
[0031]
When the authentication operation is started, the fingerprint authentication device 10 detects a two-dimensional image of the object placed on the detection surface 14 by the fingerprint sensor 12 and supplies the detection signal to the verification unit 22.
[0032]
The collation unit 22 determines whether or not the two-dimensional image detected by the fingerprint sensor 13 and the registered two-dimensional image (or feature information) of the fingerprint match, for example, by performing pattern matching or the like. The collation part 22 will judge that it is a registered user's fingerprint if it corresponds. If they do not match, the collation unit 22 determines that the fingerprint (or substance) is other than the registered user.
[0033]
When the collation unit 22 obtains a collation result indicating that the user is a registered user, the collation unit 22 outputs a determination result (OK) of the personal authentication that the user is a registered user. In addition, when the collation unit 22 obtains a collation result indicating that the user is not a registered user, the collation unit 22 outputs a determination result (NG) of personal authentication that the user is not a registered user.
[0034]
The fingerprint authentication device 10 encrypts the determination result obtained by performing the above operation by the output unit 23 and supplies it to a computer and various security devices to realize access management, privacy protection, and the like.
[0035]
(Fingerprint image detection method)
Next, a method for detecting a fingerprint image by the fingerprint sensor 12 will be described.
[0036]
The fingerprint sensor 12 is a capacitance detection type sensor in which a capacitor is used as a sensing element. The fingerprint sensor 12 has a plurality of capacitors arranged in a matrix in parallel to the flat detection surface 14. As shown in FIG. 5, the fingerprint sensor 12 raster-scans each sensing element (capacitor) 15 arranged in a matrix in units of one line, and sequentially outputs the sensing level (RF level) of each capacitor. In the case of the capacitive fingerprint sensor 12, the sensing level (RF level) of the capacitor is a value inversely proportional to the capacitance of the capacitor. That is, when the capacitance of the capacitor is large, the sensing level (RF level) of the capacitor is small, and when the capacitance of the capacitor is small, the sensing level (RF level) of the capacitor is large.
[0037]
Here, typical examples of the output of the fingerprint sensor 12 are shown in FIGS.
[0038]
FIG. 6 shows an RF level obtained from a capacitor for one line when nothing is in contact with the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12 (when only air is in contact). When nothing is in contact with the detection surface 14, the capacitance of each capacitor increases uniformly. Therefore, the RF level obtained from the capacitors arranged in a matrix form has very little variation in the spatial direction, has a small value, and is substantially the same.
[0039]
FIG. 7 shows an RF level obtained from a capacitor for one line when water droplets are attached on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12. When water droplets are attached to the detection surface 14, the water droplets serve as electrodes, and the capacitance of each capacitor is uniformly reduced. Therefore, the RF levels obtained from the capacitors arranged in a matrix form have very small fluctuations in the spatial direction, have large values and are substantially the same.
[0040]
FIG. 8 shows an RF level obtained from a capacitor for one line when dirt or the like of finger oil adheres to the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12. When dirt is attached to the detection surface 14, the capacitance of the capacitor located in the dirt portion becomes low, but the capacitance does not decrease to the minimum value. Therefore, the RF level obtained from each capacitor arranged in a matrix is very small in the spatial direction, has a medium value, and is substantially the same.
[0041]
FIG. 9 is an RF level obtained from a capacitor for one line when a fingerprint (ideal fingerprint) with an ideal amount of moisture on the skin surface is placed on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12. . When an ideal fingerprint is in contact with the detection surface 14, the capacitance of the capacitor is increased in the recessed portion of the fingerprint, and the capacitance of the capacitor is decreased in the protruding portion of the fingerprint. That is, when an ideal fingerprint is in contact with the detection surface 14, the RF level is small at the concave portion of the fingerprint, and the RF level is high at the convex portion of the fingerprint. Therefore, when an ideal fingerprint is in contact with the detection surface 14, the RF level varies in amplitude with respect to the spatial direction according to the unevenness.
[0042]
FIG. 10 shows an RF level obtained from a capacitor for one line when a fingerprint (dry fingerprint) with a small amount of moisture or oil on the skin surface is placed on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12. When the dry fingerprint is in contact with the detection surface 14, the moisture acting as an electrode is reduced, so that the capacitance of each capacitor is offset in the direction of overall increase. The capacitance of the capacitor becomes relatively large, and the capacitance of the capacitor becomes relatively small at the convex portion of the fingerprint. That is, the RF level is offset in the lower direction as a whole, and is relatively low in the recessed portion of the fingerprint around the offset, and relatively high in the convex portion of the fingerprint. Therefore, even when a dry fingerprint is in contact with the detection surface 14, the RF level varies in amplitude with respect to the spatial direction according to the unevenness.
[0043]
FIG. 11 shows an RF level obtained from a capacitor for one line when a fingerprint having a high moisture content on the skin surface (moisture fingerprint) is placed on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12. When a moisture fingerprint is in contact with the detection surface 14, since there is a lot of moisture serving as an electrode, the capacitance of each capacitor is offset in the direction of decreasing overall, but in the recessed portion of the fingerprint, The capacitance becomes relatively large, and the capacitance of the capacitor becomes relatively small at the convex portion of the fingerprint. That is, the RF level is offset in the overall high direction, and is relatively low at the recessed portion of the fingerprint around the offset, and relatively high at the convex portion of the fingerprint. Therefore, even when a moisture fingerprint is in contact with the detection surface 14, the RF level varies in amplitude with respect to the spatial direction according to the unevenness.
[0044]
Looking at the representative examples of the sensor output of the capacitive fingerprint sensor 12 shown in FIGS. 6 to 11, in the case of the capacitive fingerprint sensor 12, the fingerprint irregularities are sensed in two dimensions. It can be seen that the RF level obtained from the element (capacitor) is represented by a two-dimensional high frequency component.
[0045]
Therefore, in the fingerprint sensor 12, as shown in FIG. 12, the RF level output from a plurality of sensing elements (capacitors) arranged in a matrix is low-pass filtered in a two-dimensional direction to reduce the RF level. A frequency component (AVE_Rf) is calculated. Subsequently, at each two-dimensional position, the difference between the RF level and the calculated low frequency component (AVE_Rf) is obtained. This difference value indicates the unevenness level of the crest and trough portions of the fingerprint. The fingerprint sensor 12 outputs the difference value calculated in this way as two-dimensional information corresponding to the position on the detection surface 14. This output signal is supplied to the collation unit 12 as a two-dimensional image signal indicating the uneven pattern on the surface of the object to be detected. Note that the cut-off frequency of the low-pass filtering is a frequency that is sufficiently smaller than the uneven pitch of the human fingerprint.
[0046]
(Finger placement timing detection method)
Next, a finger placement detection method and authentication operation start timing will be described.
[0047]
When the inner part (fingerprint) above the first joint of the finger is placed on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12, the RF level contains a large amount of high frequency components. On the other hand, when no fingerprint is placed on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12 or when something other than the fingerprint is placed, the RF level contains almost no high-frequency component. Therefore, if the energy of the high frequency component of the RF level becomes sufficiently large, it can be considered that the finger is placed on the detection surface 14. The fingerprint authentication apparatus 10 of the present embodiment uses this fact to determine finger placement as described below.
[0048]
In the fingerprint authentication device 10, as shown in FIG. 13, a detection area X for finger placement detection is set at a substantially central position of the detection surface 14. The size of the detection area X may be any size as long as it is smaller than the detection surface 14.
[0049]
The collation unit 22 of the fingerprint authentication device 10 always detects the two-dimensional image signal obtained from the detection area X. That is, as shown in FIG. 14, only the component obtained from the detection area X is always detected from the signal obtained by subtracting the low-frequency component (AVE_RF) in the two-dimensional direction of the RF level from the RF level (RF).
[0050]
The collation unit 22 calculates the absolute value of the two-dimensional image signal obtained from the detection area X, integrates the absolute value in the range of the detection area X, and calculates the integrated value (S). This integrated value (S) is the sum of absolute values of the RF signals in the detection area X. In other words, the integrated value (S) increases if a difference between the peaks and valleys of the fingerprint is detected in the detection area X, and the integrated value (S) decreases if the difference in the peaks and valleys of the fingerprint is detected in the detection area X. Become.
[0051]
The matching unit 22 generates time series data of the integrated value (S), differentiates the time series data of the integrated value (S) in the time direction, and places a finger on the detection surface 14 based on the differential signal (D). Detect whether or not For example, the collation unit 22 calculates an integrated value (S) at regular sampling intervals and stores it in a shift register or the like, and generates a differential signal (D) using the integrated value (S) in the shift register.
[0052]
And the collation part 22 always monitors the signal waveform of a differential signal (D), and judges whether the user put the finger | toe from the signal waveform. If the collation unit 22 determines that the finger is placed, it starts the fingerprint authentication operation.
[0053]
Specifically, FIG. 15 shows a time series signal of the integrated value (S) and a differential signal (D) corresponding to the integrated value (S). FIG. 15A is a timing chart when a finger is placed on the detection surface 14 and then released. FIG. 15B is time-series data of the integrated value (S) when the finger is placed at the timing of FIG. FIG. 15C and FIG. 15D are differential signals (D) with respect to the integrated value (S) in FIG.
[0054]
First, as shown in FIG. 15, in a state where the finger is far away from the detection surface 14 (separated state S1), the integrated value (S) is a value close to zero. Strictly speaking, it has a certain value as a noise component. Subsequently, when the finger is brought close to the detection surface 14 from the separation state S1, the detection surface 14 and the finger start to contact (start operation state S2), and the integrated value (S) increases from 0 to the plus side. Subsequently, when the finger is completely in contact with the detection surface 14 and the movement of the finger is reduced (finger placement stabilization process S3), the integrated value (S) decreases and the value starts to saturate. When the finger rests on the detection surface 14 and is completely placed (placed state S4), the integrated value (S) is constant at a predetermined value (H) on the plus side.
[0055]
When the finger begins to move away from the placement state S4 (end operation state S5), the integrated value (S) decreases from a predetermined value (H) on the plus side. Subsequently, when the finger is separated from the detection surface 14 (finger separation stabilization process S6), the decreasing rate of the integrated value (S) decreases and the value starts to approach zero. When a predetermined time elapses after the finger is completely separated from the detection surface 14 (separated state S1), the integrated value (S) is constant at 0.
[0056]
With respect to the time series signal of such integrated value (S), the signal waveform of the differential signal (D) transitions from the start operation (S2) to the finger placement stable process state S3 as shown in FIG. It can be seen that there is a plus-side peak waveform peak at the timing of the transition, and a minus-side peak waveform peak at the timing of transition from the end operation (S5) to the separated state 1.
[0057]
Here, the fingerprint authentication process can capture a fingerprint image if the finger is sufficiently in contact with the detection surface 14. That is, a stable authentication process is possible at any timing as long as it is in the finger placement stable process (S3) and the placement (S4) state.
[0058]
Therefore, in the fingerprint authentication device 10 according to the present embodiment, the signal waveform of the differential signal (D) is analyzed to detect the peak of the positive peak waveform, and the user's fingerprint image is captured at the peak position for authentication. Is going. As a result, the throughput of the apparatus can be maximized.
[0059]
When a differential coefficient having a large delay time is set, the peak portion of the differential signal (D) becomes flat as shown in FIG. In such a case, the fingerprint image is taken in and authentication is performed with the time point when the inclination becomes negative as the peak position.
[0060]
Alternatively, a plurality of differential signals (D) may be generated using a plurality of differential coefficients having different delay times, and finger placement timing may be detected based on the plurality of differential signals. For example, when the delay amount is large, the sensitivity of detecting the change amount is increased, but the response is delayed. On the other hand, when the delay amount is small, the change amount detection sensitivity is small, but the response is fast. Therefore, for example, when a person with good finger condition uses, a differential signal (D) is generated by using a coefficient with a small delay amount such as poor detection sensitivity but quick response, and used by a person with poor finger condition. In this case, the differential signal (D) is generated using a coefficient with a large delay amount such as good detection sensitivity but slow response.
[0061]
Furthermore, two differential signals (D) are generated simultaneously, and only one differential signal (D) whose peak value level of the mountain-shaped waveform is equal to or higher than a predetermined threshold value is automatically selected for finger placement determination. It may be used.
[0062]
(Finger placement timing detection method 2)
Incidentally, the time-series data of the integrated value (S) when an ideal fingerprint is placed on the detection surface 14 is as shown in FIG. 15B, but the fingerprint (oil When the fingerprint is placed on the detection surface 14, when the finger is released from the detection surface 14, the oil stains remain on the detection surface 14 and an afterimage is produced on the fingerprint image.
[0063]
As shown in FIG. 16B, the integrated value (S) of such an oil fingerprint decreases the RF level with perspiration even when a finger is placed. Therefore, the value may increase without decreasing in the end operation state S5.
[0064]
When the control of authentication timing is performed by detecting the peak on the plus side of the differential signal (D) waveform, the peak position at the start of finger placement must be detected effectively, and the peak position at the time of finger removal must be ignored. Don't be. Therefore, in the fingerprint authentication device 10 of this embodiment, state management is performed by the state machine 50 shown in FIG. 17, and control is performed so that the authentication operation is performed only when the finger is placed.
[0065]
Hereinafter, the state machine 50 will be described.
[0066]
The state machine 50 detects the change amount Z of the differential signal (D) and determines whether the sign of the change amount Z is plus (+), minus (−), or no change (0). Accordingly, transition control is performed.
[0067]
First, the transition is made to the separated state S1 by the reset operation. The separated state S <b> 1 is a state in which the user's finger is far away from the detection surface 14. When the change amount Z is “0” in the separation state S1, the separation state S1 is maintained. When the change amount Z changes to “+” in the separation state S1, the state transitions to the first start operation state S2.
[0068]
The first start operation state S2 is a state in which the finger gradually approaches the detection surface 14, the detection surface 14 and the finger are in contact with each other, and the pressure is increasing. When the change amount Z is “+” in the first start operation state S2, the first start operation state S2 is maintained. When the amount of change Z changes to “−” in the first start operation state S2, a transition is made to the finger placement stabilization process state S3. When the change amount Z changes to “0” in the first start operation state S2, the state transits to the second finger placement stabilization process state S2 ′.
[0069]
When a transition is made to the finger placement stability process state S3 or the second finger placement stability process state S2 ′, an authentication start command is given at the time of the transition, and authentication processing is performed. That is, the authentication process is performed when the change amount Z of the differential signal (D) becomes negative or zero. By performing the authentication process at such timing, the authentication process can be performed earlier.
[0070]
When the change amount Z is “−” in the finger placement stability process state S3, the finger placement stability process state S3 is maintained. When the amount of change Z becomes “−” in the finger placement stability process state S3, the state transitions to the finger placement stability process state S3. When the change amount Z becomes “0” in the finger placement stabilization process state S3, the state transits to the placement state S4.
[0071]
The second finger placement stabilization process state S2 ′ is a stable state. However, in the second finger placement stabilization process state S2 ′, for example, when a differential coefficient having a large delay time is set, a flat portion of the peak portion of the mountain shape is detected from the differential signal (D). It is in the middle. When the change amount Z is 0 in the second finger placement stabilization process state S2 ′, the second finger placement stabilization process state S2 ′ is maintained. When the change amount Z changes to “−” in the second finger placement stability process state S2 ′, the state transitions to the finger placement stability process state S3.
[0072]
The placement state S4 is a state in which the finger is stably placed on the detection surface 14. When the change amount Z is 0 in the mounting state S4, the mounting state S4 is maintained. When the change amount Z changes to “−” in the mounting state S4, it is determined that the finger release has started, and the state transitions to the first end operation state S5. When the change amount Z changes to “+” in the placement state S4, it is determined that the finger release of the oil fingerprint has started, and the state transitions to the second end operation state S5 ′.
[0073]
The first end operation state S5 is a state in which the finger gradually moves away from the detection surface 14. When the change amount Z is “−” in the first end operation state S5, the first end operation state S5 is maintained. When the change amount Z changes to “+” in the first end operation state S5, the state transits to the finger separation stabilization process state S6. When the change amount Z changes to “0” in the first end operation state S5, the state transits to the third end operation state S5 ″.
[0074]
Similar to the first end operation state S5, the second end operation state S5 ′ is a state in which the finger gradually moves away from the detection surface. However, in the case of the second end operation state S5 ′, this is a state in which the placed finger is a fingerprint to which dirt such as an oil fingerprint is attached. When the change amount Z is “+” in the second end operation state S5 ′, the second end operation state S5 ′ is maintained. When the change amount Z changes to “−” in the second end operation state S5 ′, the state transits to the finger separation stable state S6. When the change amount Z changes to “0” in the first end operation state S5, the state transits to the third end operation state S5 ″.
[0075]
The third end operation state S5 ″ maintains the third end operation state S5 ″ when the change amount Z is “0” in the third end operation state S5 ″. When the change amount Z changes to “+” or “−” in FIG.
[0076]
When the change amount Z is “+” or “−” in the finger separation stable process state S6, the finger separation stable process state S6 is maintained. When the change amount Z becomes “0” in the finger separation stable process state S6, the state transits to the loading / separation state S1.
[0077]
As described above, the state machine 50 manages the state of whether the finger is placed or the finger is separated, thereby ignoring the positive peak position generated when the finger is released. Thus, the correct authentication timing can be controlled.
[0078]
As described above, in the fingerprint authentication device 10 according to the present embodiment, the start timing of the authentication process is controlled by determining whether or not a finger is placed based on the sensor output of the fingerprint sensor 12. For this reason, the fingerprint authentication apparatus 10 can automatically start fingerprint authentication simply by placing a finger on the detection surface 14 of the fingerprint sensor 12 without providing an authentication start button or finger placement sensor.
[0079]
【The invention's effect】
In the fingerprint authentication device and the finger placement detection method for the fingerprint sensor according to the present invention, the absolute value of the two-dimensional image signal obtained from the fingerprint sensor is integrated within a predetermined region, and the time-series signal of the integrated value is differentiated and differentiated. A signal is generated, and it is detected that the finger is placed on the fingerprint sensor based on the differential signal. For example, in the present invention described above, when the waveform of the differential signal changes from the state in which the finger is not placed on the fingerprint sensor to the peak shape on the positive side, it is determined that the finger is placed on the fingerprint sensor.
[0080]
As a result, in the fingerprint authentication apparatus and the finger placement detection method for the fingerprint sensor according to the present invention, it is possible to capture a fingerprint image at an optimal timing without using a special member. Therefore, the accuracy of personal authentication can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective view of a fingerprint authentication device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the arrangement of sensing elements provided in a fingerprint sensor.
FIG. 3 is a block configuration diagram of the fingerprint authentication device according to the embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a block diagram when the fingerprint authentication device is configured by hardware.
FIG. 5 is a diagram illustrating a method for scanning a plurality of sensing elements in a fingerprint sensor.
FIG. 6 is a diagram showing an RF level obtained from a capacitor for one line when nothing is brought into contact with the detection surface of the fingerprint sensor.
FIG. 7 is a diagram showing an RF level obtained from a capacitor for one line when water droplets are attached on the detection surface of the fingerprint sensor.
FIG. 8 is a diagram illustrating an RF level obtained from a capacitor for one line when dirt or the like of finger oil adheres to the detection surface of the fingerprint sensor.
FIG. 9 is a diagram showing an RF level obtained from a capacitor for one line when a fingerprint having an ideal amount of moisture on the skin surface (ideal fingerprint) is placed on the detection surface of the fingerprint sensor; is there.
FIG. 10 is a diagram showing an RF level obtained from a capacitor for one line when a fingerprint (dry fingerprint) with a small amount of moisture or oil on the skin surface is placed on the detection surface of the fingerprint sensor.
FIG. 11 is a diagram showing an RF level obtained from a capacitor for one line when a fingerprint having a high moisture content on the skin surface (moisture fingerprint) is placed on the detection surface of the fingerprint sensor.
FIG. 12 is a diagram for explaining an Rf level and its low frequency component;
FIG. 13 is a diagram for explaining an example of arrangement of detection areas;
FIG. 14 is a diagram for explaining an RF level and the like detected from a detection area.
FIG. 15 is a diagram illustrating a time-series signal of integrated values (S) and a differential signal (D) corresponding to the integrated values (S) when an ideal fingerprint is placed.
FIG. 16 is a diagram illustrating a time-series signal of integrated values (S) and a differential signal (D) corresponding to the integrated values (S) when an oil fingerprint is placed.
FIG. 17 is a diagram illustrating a state machine that performs state management;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fingerprint detection apparatus, 12 Fingerprint sensor, 14 Detection surface, 21 Registered fingerprint storage part, 22 Verification part

Claims (8)

平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した2次元イメージ信号を検出する指紋センサと、
当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、
上記指紋センサにより検出された被検出物の2次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備え、
上記認証手段は、
上記検出面内の所定領域から得られる上記2次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、
上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、
上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、
上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行うこと
を特徴とする指紋認証装置。
A fingerprint sensor that has a planar detection surface and detects a two-dimensional image signal indicating a concavo-convex image of the surface of the detection object placed on the detection surface;
Registered fingerprint storage means for storing fingerprint information for identifying the fingerprint for each user;
Authentication means for verifying the identity of the user who placed the detected object by comparing the two-dimensional image signal of the detected object detected by the fingerprint sensor with the user's fingerprint information stored in the registered fingerprint storage means And
The authentication means is
Calculating an absolute value of the two-dimensional image signal obtained from a predetermined area in the detection surface, integrating the absolute value in the predetermined area;
Generate a time series signal of the above integrated value, differentiate the time series signal in the time direction to generate a differential signal,
Based on the signal waveform of the differential signal, detects the timing when the object to be detected is placed on the detection surface of the fingerprint sensor,
A fingerprint authentication device that authenticates a user by capturing a concavo-convex image of a surface of an object to be detected according to the timing.
上記指紋センサは、静電容量検出型の指紋センサであり、上記検出面に平行に2次元配列された複数の感知素子から得られる感知信号の2次元方向の低周波数成分を算出し、当該低周波数成分と上記感知信号との差分に基づき上記2次元イメージ信号を生成すること
を特徴とする請求項1記載の指紋認証装置。
The fingerprint sensor is a capacitance detection type fingerprint sensor, and calculates a low-frequency component in a two-dimensional direction of a sensing signal obtained from a plurality of sensing elements arranged two-dimensionally in parallel with the detection surface, 2. The fingerprint authentication apparatus according to claim 1, wherein the two-dimensional image signal is generated based on a difference between a frequency component and the sensing signal.
上記認証手段は、
上記微分信号のプラス側のピークタイミングで被検出物の表面の凹凸イメージを取り込み認証を行うこと
を特徴とする請求項1記載の指紋認証装置。
The authentication means is
2. The fingerprint authentication apparatus according to claim 1, wherein the authentication is performed by capturing a concavo-convex image of the surface of the detected object at a positive peak timing of the differential signal.
上記認証手段は、
上記検出面に被検出物が置かれていない第1の状態と、検出面に被検出物が置かれている第2の状態とを区別して状態制御を行い、
上記微分信号の値が0から上昇した後の最初の下降タイミングで、上記第1の状態から上記第2の状態に遷移し、第1の状態から第2の状態に遷移するタイミングで被検出物の表面の凹凸イメージを取り込み認証を行うこと
を特徴とする請求項3記載の指紋認証装置。
The authentication means is
The state control is performed by distinguishing between the first state where the detection object is not placed on the detection surface and the second state where the detection object is placed on the detection surface,
At the first descending timing after the value of the differential signal rises from 0, the object to be detected is transited from the first state to the second state and from the first state to the second state. 4. The fingerprint authentication apparatus according to claim 3, wherein the authentication is performed by capturing an uneven image on the surface of the fingerprint.
上記認証手段は、
上記微分信号の値が0から上昇した後の最初の下降タイミング、又は、上記微分信号の値が0から下降した後の最初の上昇タイミングで、上記第2の状態から上記第1の状態に遷移すること
を特徴とする請求項4記載の指紋認証装置。
The authentication means is
Transition from the second state to the first state at the first fall timing after the value of the differential signal rises from 0 or at the first rise timing after the value of the differential signal falls from 0 The fingerprint authentication device according to claim 4, wherein:
上記認証手段は、
時間方向の検出感度を変えた複数の微分信号に基づき、上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたか否かを判断すること
を特徴とする請求項1記載の指紋認証装置。
The authentication means is
2. The fingerprint authentication apparatus according to claim 1, wherein it is determined whether or not an object to be detected is placed on a detection surface of the fingerprint sensor based on a plurality of differential signals whose detection sensitivity in the time direction is changed.
上記認証手段は、
上記指紋センサの検出面の所定領域から得られる上記積算値を所定のサンプリング間隔毎に検出し、上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたか否かを常時判断すること
を請求項1記載の指紋認証装置。
The authentication means is
2. The integrated value obtained from a predetermined region of the detection surface of the fingerprint sensor is detected at predetermined sampling intervals, and it is always determined whether or not an object to be detected is placed on the detection surface of the fingerprint sensor. The fingerprint authentication device described.
平面状の検出面を有し、当該検出面に置かれた被検出物の表面の凹凸イメージを示した2次元イメージ信号を検出する指紋センサと、当該指紋を特定するための指紋情報をユーザ毎に記憶している登録指紋記憶手段と、上記指紋センサにより検出された被検出物の2次元イメージ信号と上記登録指紋記憶手段に記憶されているユーザの指紋情報とを照合して上記被検出物を置いたユーザの本人認証を行う認証手段とを備える指紋認証装置における、上記指紋センサの検出面に指の指紋が置かれたことを検出する指紋センサに対する指置き検出方法であって、
上記検出面内の所定領域から得られる上記2次元イメージ信号の絶対値を算出し、当該絶対値を上記所定領域内で積算し、
上記積算値の時系列信号を生成し、その時系列信号を時間方向に微分して微分信号を生成し、
上記微分信号の信号波形に基づき上記指紋センサの検出面に被検出物が置かれたタイミングを検出し、
上記タイミングに従って被検出物の表面の凹凸イメージを取り込んでユーザの本人認証を行うこと
を特徴とする指紋センサに対する指置き検出方法。
A fingerprint sensor that has a planar detection surface and detects a two-dimensional image signal indicating a concavo-convex image of the surface of the object to be detected placed on the detection surface, and fingerprint information for identifying the fingerprint for each user The registered fingerprint storage means stored in the memory, the two-dimensional image signal of the detected object detected by the fingerprint sensor and the user's fingerprint information stored in the registered fingerprint storage means, and the detected object A finger placement detection method for a fingerprint sensor for detecting that a fingerprint of a finger is placed on a detection surface of the fingerprint sensor in a fingerprint authentication device comprising an authentication means for authenticating a user who has placed
Calculating an absolute value of the two-dimensional image signal obtained from a predetermined area in the detection surface, integrating the absolute value in the predetermined area;
Generate a time series signal of the above integrated value, differentiate the time series signal in the time direction to generate a differential signal,
Based on the signal waveform of the differential signal, detects the timing when the object to be detected is placed on the detection surface of the fingerprint sensor,
A finger placement detection method for a fingerprint sensor, wherein a user's identity authentication is performed by capturing an uneven image on the surface of an object to be detected according to the timing.
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