TWI427542B - 指紋防偽裝置及其方法 - Google Patents

Description

指紋防偽裝置及其方法

本發明是有關於一種指紋防偽裝置及其方法，特別是有關於一種利用分析灰階分佈之指紋防偽裝置及其方法。

對於指紋生物辨識應用，長久以來，對於假手指的辨別一直是一個重要的研究。目前，有許多光學偵測的方法，例如透過紅外線技術以偵測皮下組織的生物特性(如血氧濃度或者是血流的速度)，進而進行真假手指的辨別。然而，這一類的方法都需要複雜的紅外線光學機制，相對來說其成本較高；且由於此類複雜的光學系統不易將感測元件尺寸縮小，對於要求輕薄短小的攜帶式的電子系統如手機或筆記型電腦來說，便不易滿足其使用者的需求。

近年來，能滿足輕薄短小的指紋感測裝置被成功地開發及應用在上述攜帶式電子裝置上，其主要感測原理係為非以光學方式來感測，而是藉由製作於矽半導體的微小電極矩陣，且藉由人體的導電特性，來量測每一電極與手指對應面積的電容值；其相應之偵測假手指的方式也是藉由這種基本原理而來，透過皮膚阻抗的量測以鑑別真皮膚及假手指材料的差別。

可是，由於假手指材料的多樣性，目前已有可以近乎完美地模擬真手指的導電特性的材料出現。例如，以果凍膠所製成的假手指 (gummy finger)，其阻抗特性相似於人體皮膚，以致於感測裝置無法有效的辨認出真假手指。所以，這種藉由手指皮膚導電特性量測以鑑別真假手指的方法是有問題的。

為此，本發明將採用另一種三度空間影像分析方式，以解決上述問題。

有鑑於上述習知技藝之問題，本發明之目的就是在提供一種指紋防偽裝置及其方法，以解決習知的指紋防偽方法因真假手指的濕度及電阻值重疊範圍過大而無法有效進行指紋防偽。

根據本發明之目的，提出一種指紋防偽裝置，其包含一指紋擷取單元以及一處理單元。指紋擷取單元係擷取一指紋並根據指紋提供一指紋圖像，指紋包含複數個凸起部，各凸起部於指紋圖像中所對應的圖樣係具有至少一灰階值。處理單元則分析指紋圖像之灰階分佈，當該些灰階值的標準差符合一預設範圍時，處理單元即判斷指紋係為一偽造指紋。

其中，當處理單元分析出該些灰階值的標準差超出預設範圍時，處理單元即判斷指紋係為一真實指紋。

其中，處理單元係於辨識出指紋圖像所具有之一奇異點後，以奇異點為中心向四周展開一特定區域，處理單元再分析指紋圖像於特定區域內之灰階分佈。

其中，該特定區域之外形係為圓形、橢圓形或多邊形。

根據本發明之目的，再提出一種指紋防偽方法，本指紋防偽方法 係適用於一指紋防偽裝置，指紋防偽裝置包含一指紋擷取單元及一處理單元。指紋防偽方法包含以指紋擷取單元擷取一指紋，並根據指紋提供一指紋圖像，指紋包含複數個凸起部，各凸起部於指紋圖像中所對應的圖樣係具有至少一灰階值。接著以處理單元分析指紋圖像之灰階分佈，判斷該些灰階值的標準差是否符合一預設範圍。當該些灰階值的標準差符合預設範圍時，處理單元即判斷指紋係為一偽造指紋。

其中，當處理單元分析出該些灰階值的標準差超出預設範圍時，處理單元即判斷指紋係為一真實指紋。

其中，處理單元係於辨識出指紋圖像所具有之一奇異點後，以奇異點為中心向四周展開一特定區域，處理單元再分析指紋圖像於特定區域內之灰階分佈。

其中，該特定區域之外形係為圓形、橢圓形或多邊形。

承上所述，依本發明之指紋防偽裝置及其方法，其可具有一或多個下述優點：

(1)此指紋防偽裝置及其方法可藉由處理單元分析指紋圖像之灰階分佈，藉此可提高指紋防偽之正確性。

(2)此指紋防偽裝置及其方法可藉由分析以指紋圖像之奇異點為中心向四周展開一特定區域內之灰階分佈，藉此可有效提升指紋辨識及防偽的效率。

1‧‧‧指紋防偽裝置

10‧‧‧指紋擷取單元

11‧‧‧處理單元

2‧‧‧指紋

20、21‧‧‧指紋圖像

200、201‧‧‧灰階值

202、212‧‧‧奇異點

203、213‧‧‧特定區域

3‧‧‧預設範圍

S10~S40‧‧‧步驟

第1圖 係為本發明之指紋防偽裝置之方塊圖； 第2圖 係為本發明之指紋防偽裝置之第一實施例示意圖；第3圖 係為本發明之指紋防偽裝置之第二實施例示意圖；第4圖 係為本發明之指紋防偽方法之流程圖；以及第5圖 係為本發明之指紋防偽方法之另一流程圖。

在指紋的幾何世界，手指紋路凸起的紋峰具有一定的長度延伸(ridge flow)，視各人的手指紋路特質不同，而所延伸的長度與形狀也會不同，其基本特質為，每一紋峰的延伸係不為相同的等高線(contour)，而每一紋峰的延伸其兩側至紋谷(valley)的幾何變化不是垂直的角度，而是帶有連續性的坡度變化。再者，如果將手指皮下組織的三度空間特質考量進來，由於皮膚真正的導體特性是位於皮下的真皮層，而每一紋峰的延伸之皮下真皮層也不是等高線(contour)。因此，結合上述之指紋幾何特性可以發現，藉由感測皮下真皮層的每一紋峰的延伸高度變化，可以分辨真假手指。

因為一般假手指的複製，都是藉由取得被複製者在接觸過物體上所留下的二維平面的指紋，再藉由一連串的複雜流程以仿製出三維立體的假手指。然而，即使是假手指材料特質相似於真手，其所複製出來的紋峰的延伸幾乎都在同一等高線上，而且都只有假手指的表皮導電特性，無法複製出具有假手表皮及假手真皮層的技術。因此，複製出來的假手指，是完全無法表現出真手指每一紋峰的延伸的高度不均勻的變化。本發明的精神就是藉由此一特質來解決防假手指的辨別。

請參閱第1圖，其係為本發明之指紋防偽裝置之方塊圖。如圖所 示，本發明之指紋防偽裝置1，其包含一指紋擷取單元10以及一處理單元11。指紋擷取單元10係擷取一指紋2並根據指紋2提供一指紋圖像20。指紋2包含複數個凸起部(即紋峰)，各凸起部(紋峰)於指紋圖像20中係具有至少一灰階值200、201，且指紋圖像20更包含一奇異點202資訊。處理單元11則分析指紋圖像20之灰階分佈，當該些灰階值200、201的標準差符合一預設範圍3時，處理單元11即判斷指紋2係為一偽造指紋；而當處理單11元分析出該些灰階值200、201的標準差超出預設範圍3時，處理單元11即判斷指紋2係為一真實指紋。

請參閱第2圖，其係為本發明之指紋防偽裝置之第一實施例示意圖。在本圖的左方為真實手指的指紋圖像，如圖所示，各個凸起部(即紋峰)所對應的圖樣有著不一致的灰階值，即在同一個凸起部中，所對應的圖樣有些部分顏色較深，而有些部分顏色較淺(如圖中放大的部分所示)；相對的，在本圖的右方則為由偽造手指所擷取的指紋圖像，如圖所示，各個凸起部(即紋峰)有著一致的灰階值，即在同一個凸起部中，其所對應的圖樣各部分的灰階值幾乎都是完全相同(即近乎全黑)，而若碰到有缺口的部分也是近乎全白。亦即，偽造手指其紋峰在被擷取成像的時候其灰階值的分佈是很窄的一個分佈；相對的，真實手指其紋峰在被擷取成像的時候其灰階值的分佈是很寬的一個分佈。

因此，本發明所提出之指紋防偽裝置在進行指紋辨識時，即利用處理單元分析整張指紋圖像各個凸起部(即紋峰)所對應的圖樣之灰階分佈。如圖所示，在本實施例中，由於真實手指(指紋圖像20)的真皮層與表皮層之間的距離處處不同，所以指紋擷取單 元在擷取真實手指的指紋時，各凸起部(以黑線表示)所對應的圖樣的各部分所具有的灰階值都不同；然而對於偽造手指(指紋圖像21)來說，其各個凸起部所具有的灰階值則大約是固定的，其差距的變動範圍極小，也因此偽造手指的指紋圖像21的對比較真實手指的指紋圖像20要來的大。因此，本發明之處理單元便分析整張指紋圖像各個凸起部(即紋峰)所對應的圖樣之灰階分佈，並判斷該些灰階值的標準差(即分佈狀況)是否超出一預設範圍，來決定該指紋是否由偽造手指所擷取的。當然，分析指紋的方法並不限制於分析整張指紋圖像，也可以是先判斷出一個特定點後再展開一特定範圍的方式來分析，這樣特定範圍的分析可以有效提高分析的效能，減少分析的時間，這在後面會有詳細說明。當各凸起部所對應的圖樣的灰階值的標準差符合預設範圍時，即表示凸起部所具有的灰階值變化範圍極小，該指紋圖像即被處理單元判斷為偽造手指之指紋；而當各凸起部所對應的圖樣的灰階值的標準差不符合(大於)預設範圍時，即表示凸起部的灰階值變化很大，該指紋圖像即被處理單元判斷為真實手指之指紋。

另外，本發明所採用的防假手指方法，係將手指紋路的三度空間幾何物理訊息轉換成可以計量及計算的電壓訊息，例如，在指紋註冊時，除了特徵資訊的儲存外，也同時儲存了防假手指的資訊，該防假手指的資訊，係透過計算在一固定面積內所採樣的指紋圖像的灰階度(代表了指紋由皮膚表層進入真皮層的垂直空間資訊)，而「一固定面積」的選取方式也是本發明的另一個技術特徵，由於在各方向及區域內的指紋線密度不同，因此如果不選定一特定區域及一固定面積，則所得到的結果會有很大的差異。

請參閱第3圖，其係為本發明之指紋防偽裝置之第二實施例示意圖。本發明之指紋防偽裝置在進行指紋辨識時，處理單元除了分析整張指紋圖像之灰階分佈外，更可先辨識出指紋圖像所具有之一奇異點(singular point)後，並以奇異點為中心向四周展開一特定區域，再分析指紋圖像於特定區域內之灰階分佈。其中，該特定區域之外形可為圓形、橢圓形或多邊形。如圖所示，在本實施例中，處理單元係於判斷出指紋圖像20、21中的奇異點202、212後，分別以奇異點202、212為中心向四周展開一特定區域203、213。接著處理單元再分析指紋圖像20、21在該特定區域203、213內的灰階分佈：判斷該些灰階值的標準差是否超出一預設範圍，來決定該指紋是否為偽造指紋。當該些灰階值的標準差符合預設範圍時，即表示凸起部所對應的圖樣的灰階值變化極小，該指紋圖像即被處理單元判斷由偽造手指擷取之指紋；而當該些灰階值的標準差不符合預設範圍時，即表示凸起部所對應的圖樣的灰階值變化很大，該指紋圖像即被處理單元判斷為由真實手指所擷取之指紋。至於奇異點的選取，簡述如下：於得到一原始的指紋圖像後，先經過指紋圖像之正規化(normalization)，將指紋圖像值重新分配為介於0~255，在本實施例為8bits的灰階分佈，由正規化之指紋再經過putty(為一利用3*3九宮格計算圖像之平均值)處理後，最後根據該putty後之正規指紋圖像，利用3*3九宮格計算出該九宮格之平均梯度值，而得到平均角度值，再由向量角度圖之差異化(相鄰角度差大於一預設角度時)來計算出奇異點(singular point)。

承上所述，本實施例可有效縮短指紋辨識的時間，進而大幅提升 指紋防偽的效率。

儘管前述在說明本發明之指紋防偽裝置的過程中，亦已同時說明本發明之指紋防偽方法的概念，但為求清楚起見，以下仍另繪示流程圖詳細說明。

請參閱第4圖，其係為本發明之指紋防偽方法之流程圖。如圖所示，本發明之指紋防偽方法係適用於一指紋防偽裝置，指紋防偽裝置包含一指紋擷取單元及一處理單元。本指紋防偽方法包含下列步驟：(S10)以指紋擷取單元擷取一指紋，並根據指紋提供一指紋圖像，指紋包含複數個凸起部，各凸起部於指紋圖像中所對應的圖樣係具有至少一灰階值；(S20)以處理單元分析指紋圖像之灰階分佈，並判斷該些灰階值的標準差是否符合一預設範圍；以及(S30)當處理單元分析出灰階值的標準差符合預設範圍時，處理單元即判斷指紋為一偽造指紋。

另外，若於步驟(S30)中，灰階值的標準差不符合預設範圍時，則進行步驟(S40)處理單元判斷指紋為一真實指紋。

請參閱第5圖，其係為本發明之指紋防偽方法之另一流程圖。在一些較佳的實施例中，於上述的步驟(S10)之後更可包含了下列步驟：(S11)以處理單元辨識出指紋圖像所具有之一奇異點後，以奇異點為中心向四周展開一特定區域；以及(S12)以處理單元分析於該特定區域內的指紋圖像之灰階分佈，並判斷該些灰階值的標準差是否符合一預設範圍。

接著在步驟(S12)後執行步驟(S30)或(S40)。

本發明之指紋防偽方法之細節已於前述說明本發明之指紋防偽裝置時詳細說明，在此便不再贅述。

綜上所述，本發明之指紋防偽裝置及其方法藉由處理單元分析指紋圖像之灰階分佈，而可解決習知指紋防偽方法因真假手指的濕度及電阻值重疊範圍過大而無法有效進行指紋防偽的問題，且提高指紋防偽之正確性；另外，本發明之指紋防偽裝置及其方法更可藉由分析以指紋圖像之奇異點為中心向四周展開一特定區域內之灰階分佈，而有效提升指紋辨識及防偽的效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。

S10~S40‧‧‧步驟

Claims (6)

1. 一種指紋防偽裝置，其包含：一指紋擷取單元，該指紋擷取單元係擷取一指紋並根據該指紋提供一指紋圖像，該指紋包含複數個凸起部，各該凸起部於該指紋圖像中所對應的圖樣係具有至少一灰階值；以及一處理單元，該處理單元係對該指紋圖像正規化，並對正規化之該指紋圖像以多個陣列格進行平均值計算，後計算出該陣列格內的平均梯度值，以得到平均角度值，且經由向量角度圖的差異化進而識別出該指紋圖像具有之一奇異點，處理單元以該奇異點為中心向四周展開特定區域，該處理單元分析該指紋圖像在該特定區域內之灰階分佈，當該些灰階值的標準差符合一預設範圍時，該處理單元即判斷該指紋係為一偽造指紋。
2. 如申請專利範圍第1項所述之指紋防偽裝置，其中當該處理單元分析出該些灰階值的標準差超出該預設範圍時，該處理單元即判斷該指紋係為一真實指紋。
3. 如申請專利範圍第2項所述之指紋防偽裝置，其中該特定區域之外形係為圓形、橢圓形或多邊形。
4. 一種指紋防偽方法，該指紋防偽方法係適用於一指紋防偽裝置，該指紋防偽裝置包含一指紋擷取單元及一處理單元，該指紋防偽方法包含下列步驟：以該指紋擷取單元擷取一指紋，並根據該指紋提供一指紋圖像，該指紋包含複數個凸起部，各該凸起部於該指紋圖像中所對應的 圖樣係具有至少一灰階值；以該處理單元對該指紋圖像正規化，並對正規化之該指紋圖像以多個陣列格進行平均值計算，後計算出該陣列格內的平均梯度值，以得到平均角度值，且經由向量角度圖的差異化進而識別出該指紋圖像具有之一奇異點，該處理單元以該奇異點為中心向四周展開特定區域，該處理單元分析該指紋圖像在該特定區域內之灰階分佈，並判斷該些灰階值的標準差是否符合一預設範圍；以及當該些灰階值的標準差符合該預設範圍時，該處理單元即判斷該指紋係為一偽造指紋。
5. 如申請專利範圍第4項所述之指紋防偽方法，其中當該處理單元分析出該些灰階值的標準差超出該預設範圍時，該處理單元即判斷該指紋係為一真實指紋。
6. 如申請專利範圍第5項所述之指紋防偽方法，其中該特定區域之外形係為圓形、橢圓形或多邊形。