TWI764051B - 光學指紋識別系統及其指紋影像擷取方法 - Google Patents

光學指紋識別系統及其指紋影像擷取方法

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Abstract

本發明揭露一種光學指紋識別系統。該光學指紋識別系統包含一處理電路；以及一影像感測器，包含有一像素陣列；其中於一註冊操作中，該處理電路係用來設定一第一曝光時間並控制該影像感測器根據該第一曝光時間擷取一第一指紋影像，而於一匹配操作中，該處理電路係用來設定一第二曝光時間並控制該影像感測器根據該第二曝光時間擷取一第二指紋影像用於該匹配操作；其中，該第一曝光時間長於該第二曝光時間。

Description

光學指紋識別系統及其指紋影像擷取方法
本發明係指一種光學指紋識別系統及其指紋影像擷取方法，尤指一種可於一註冊操作與一匹配操作之間達成良好權衡的光學指紋識別系統及其指紋影像擷取方法。
隨著科技的發展，手機、數位相機、平板電腦、筆記型電腦及其它電子裝置變得越來越流行。電子裝置旨在供個人使用，其具有一定的隱私性。儲存在電子裝置中的資訊如電話簿、照片、個人資訊等為私人擁有的。如果電子裝置丟失，則其他人可能會接觸這些資料，從而造成不必要的損失。即使有多種方式可使用密碼來保護電子裝置不被其他人使用，密碼也可能容易被傳播或破解，這降低了安全性。此外，使用者需要記住密碼以使用電子裝置。如果使用者忘記密碼，則會給使用者帶來麻煩。因此，利用個人指紋識別來實現個人識別的目的，以增強資料安全性。
指紋識別包含一註冊操作及一匹配操作。於註冊操作中，一模板指紋影像建立並儲存於一資料庫。於匹配操作中，一新擷取之指紋影像與模板指紋影像比較。因此，希望能於註冊操作與匹配操作之間達成平衡。
因此，本發明之主要目的在於提供一種可於一註冊操作與一匹配操作之間達成良好權衡的光學指紋識別系統及其指紋影像擷取方法。
本發明實施例揭露一種光學指紋識別系統，包含有一處理電路；以及一影像感測器，包含有一像素陣列；其中，於一註冊操作中，該處理電路係用來設定一第一曝光時間並控制該影像感測器根據該第一曝光時間擷取一第一指紋影像，而於一匹配操作中，該處理電路係用來設定一第二曝光時間並控制該影像感測器根據該第二曝光時間擷取一第二指紋影像用於該匹配操作；其中，該第一曝光時間長於該第二曝光時間。
本發明實施例另揭露一種指紋影像擷取方法，用於包含有一影像感測器及一處理電路之一光學指紋識別系統，該指紋影像擷取方法包含有進行一註冊操作，包含有設定一第一曝光時間；以及控制該影像感測器根據該第一曝光時間擷取一第一指紋影像用於該註冊操作；以及進行一匹配操作，包含有設定一第二曝光時間；以及控制該影像感測器根據該第二曝光時間擷取一第二指紋影像用於該匹配操作；其中，該第一曝光時間長於該第二曝光時間。
本發明實施例另揭露一種光學指紋識別系統，包含有一處理電路；以及一影像感測器，包含有一像素陣列；其中，於一註冊操作中，該處理電路係用來訂定一第一曝光設定並控制該影像感測器根據該第一曝光設定擷取一第一指紋影像用於該註冊操作，而於一匹配操作中，該處理電路係用來訂定一第二曝光設定並控制該影像感測器根據該第二曝光設定擷取一第二指紋影像用於 該匹配操作；其中，該第一曝光設定及該第二曝光設定係訂定使得該第一指紋影像之一第一有效面積大於該第二指紋影像之一第二有效面積。
10:光學指紋識別系統
12:處理電路
14:影像感測器
16:記憶體電路
18:時序控制電路
2:方法
20、22:流程
200~224:步驟
140:前端模組
142:放大電路
144:相關二次取樣電路
TC1、TC2:曝光時間控制訊號
EA_a、EA_b:有效面積
PXA:像素陣列
PX:像素電路
PD:光電二極體
TG:傳輸閘訊號
RST:重置訊號
SF:源極隨耦器
SEL:選擇訊號
TRST:重置時間
TRD:讀出時間
TR,1、TTG,1、TR,2、TTG,2:導通時間
TE:曝光時間
Tcycle:周期時間
第1圖係本發明實施例一光學指紋識別系統之示意圖。
第2圖繪示使用兩個不同曝光時間所擷取之兩個指紋圖像。
第3圖係本發明實施例一指紋影像擷取方法之示意圖。
第4圖係本發明實施例一像素陣列及一像素電路之示意圖。
第5圖係本發明實施例一曝光時間之示意圖。
指紋識別包含一註冊操作及一匹配操作。於註冊操作中，一模板指紋影像建立並儲存於一資料庫。於匹配操作中，一新擷取指紋影像與該模板指紋影像進行比較。
對於註冊操作來說，需要具有較大有效面積之指紋影像。具有較大有效面積之指紋影像需要時間，意即較大有效面積需要較長曝光時間。然而，較長曝光時間劣化進行匹配操作時的使用者體驗。因此，需要改善使用者體驗。
第1圖係本發明實施例一光學指紋識別系統10之一示意圖。光學指紋識別系統10可設置於一電子裝置如行動電話或平板電腦。光學指紋識別系統10包含一處理電路12、一影像感測器14以及一時序控制電路18。處理電路12可為設置有光學指紋識別系統10之電子裝置之一應用處理器(從影像感測器的角度 來看做為“主機”)。影像感測器14可為一互補式金屬氧化物半導體影像感測器(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Image Sensor，CIS)並包含一像素陣列PXA，其中像素陣列PXA包含複數個像素電路PX。影像感測器14係用來一般性地產生一指紋影像FPM。時序控制電路18耦接於處理電路12及影像感測器14之間，可包含一計數器。時序控制電路18係用來控制/調整像素陣列PXA之一曝光時間。
一般來說，光學指紋識別系統10係用來進行一註冊操作(於一註冊階段)及一匹配操作(於一匹配階段)。於註冊操作/階段中，處理電路12建立至少一模板指紋影像並儲存模板指紋影像於一記憶體電路(或資料庫)16。於匹配操作/階段中，處理電路12由記憶體電路16讀出模板指紋影像，並比較一新擷取指紋影像與模板指紋影像，以判斷是否新擷取指紋影像匹配模板指紋影像。
須注意，曝光時間之長度反映指紋影像之一有效面積。使用較長的曝光時間，會取得較大的有效面積。舉例來說，第2圖繪示使用兩個不同曝光時間所擷取之兩個指紋圖像。第2a圖之指紋影像係使用一較短曝光時間所擷取(如TE2，稍後將對其進行敘述)及第2b圖之指紋影像係使用一較長曝光時間所擷取(如，TE1，稍後將對其進行敘述)。因此，由第2圖可知，第2a圖之一有效面積EA_a小於第2b圖之一有效面積EA_b。
實際上，從註冊階段的角度來看，註冊操作通常需要具有較大有效面積之指紋影像以建立模板指紋影像，因此需要較長曝光時間。另一方面，從匹配階段的角度來看，較長曝光時間會劣化使用者體驗。
在習知技術中，用於註冊階段的曝光時間和用於匹配階段的曝光時間具有相同長度，且若兩種操作都用相同曝光時間，則難以在註冊操作與匹配操作之間達成良好的平衡。
不同於習知技術，在本發明中，對於註冊操作/階段和匹配操作/階段，採用不同長度之不同曝光時間。亦即，一第一/較長曝光時間TE1係用於註冊操作而一第二/較短曝光時間TE2係用於匹配操作(其中第一曝光時間TE1長於第二曝光時間TE2)。
換句話說，在註冊階段，影像感測器14使用第一/較長曝光時間TE1以擷取一第一指紋影像FPM_1。處理電路12根據第一指紋影像FPM_1建立一模板指紋影像FPM_0，並儲存模板指紋影像FPM_0於記憶體電路16。曝光時間TE1及TE2可根據設計要求手動或自動設定。
一旦處理電路12進入匹配階段，影像感測器14使用第二/較短曝光時間TE2以擷取一第二指紋影像FPM_2，其中由於第二曝光時間TE2短於第一曝光時間TE1，所於第二指紋影像FPM_2之一有效面積EA_2應小於第一指紋影像FPM_1之一有效面積EA_1。處理電路12由記憶體電路16讀出模板指紋影像FPM_0，並比較第二指紋影像FPM_2與模板指紋影像FPM_0，以判斷是否第二指紋影像FPM_2匹配模板指紋影像FPM_0。若是/肯定，處理電路12會進行一認證操作，進而進行如解鎖電子裝置之一螢幕或認證一電子支付等後續操作。
第3圖係本發明實施例一指紋影像擷取方法2之示意圖。光學指紋識別系統10所執行之指紋影像擷取方法2包含一註冊流程20及一匹配流程22。於步 驟200中，處理電路12訂定一第一曝光設定以設定曝光時間TE1做為影像感測器14之曝光時間之設定。於步驟201中，檢查是否第一指紋影像FPM_1係準備就緒，以根據曝光時間TE1擷取第一指紋影像FPM_1。步驟201(及相對應於迴圈)可視為處理電路12控制影像感測器14根據第一曝光時間TE1以擷取第一指紋影像FPM_1。於步驟202中，處理電路12進行註冊操作以根據第一指紋影像FPM_1建立模板指紋影像FPM_0。於步驟203中，處理電路12可檢查是否第一指紋影像FPM_1或模板指紋影像FPM_0之一有效面積夠大。若是，光學指紋識別系統10進行步驟204，其中光學指紋識別系統10係準備好進行匹配操作。於步驟220中，處理電路12訂定一第二曝光設定以設定曝光時間TE2做為影像感測器14之曝光時間之設定。於步驟221中，第二指紋影像FPM_2係根據曝光時間TE2所擷取。步驟221(及相對應於迴圈)可視為處理電路12控制影像感測器14根據第二曝光時間TE2以擷取第二指紋影像FPM_2。於步驟222中，處理電路12進行匹配操作以比較第二指紋影像FPM_2與模板指紋影像FPM_0，並判斷是否第二指紋影像FPM_2匹配模板指紋影像FPM_0。若是，處理電路12於步驟224中進行認證操作。
除此之外，時序控制電路18可由處理電路12所控制傳送一第一曝光時間控制訊號TC1至影像感測器14，以指示影像感測器14於處理電路12進行註冊操作時，根據第一曝光時間TE1擷取第一指紋影像FPM_1。相似地，時序控制電路18可由處理電路12所控制傳送一第二曝光時間控制訊號TC2至影像感測器14，以指示影像感測器14於處理電路12進行匹配操作時，根據第二曝光時間TE2擷取第二指紋影像FPM_2。
更進一步地，本發明之曝光時間係指一重置時間TRST及一讀出時間TRD之間之一時間差。具體而言，第4圖係本發明實施例像素陣列PXA及像素電 路PX之示意圖。第5圖係本發明實施例一曝光時間TE之示意圖。除了像素陣列PXA包含有複數個像素電路PX配置於一陣列之外，影像感測器14可包含一前端模組140，其中前端模組140可包含一放大電路142及一相關二次取樣電路(correlated double sampling circuit)144。放大電路142及相關二次取樣電路144可耦接於像素陣列PXA。放大電路142及相關二次取樣電路144之細節及連接方式為本領域所熟知，為簡潔起見，在此不再贅述。
像素電路PX包含一光電二極體PD、一傳輸閘用來接收一傳輸閘訊號TG、一重置電晶體接收一重置訊號RST、一源極隨耦器(source follower)SF以及一選擇電晶體接收一選擇訊號SEL。傳輸閘訊號TG及重置訊號RST之波形繪示於第5圖中。重置時間TRST係對應於傳輸閘及重置電晶體皆導通之一時間，而讀出時間TRD係對應於傳輸閘導通但重置電晶體截止之一時間。
舉例來說，由於在重置電晶體導通時間TRST,1內，傳輸閘亦於一傳輸閘導通時間TTG,1導通，因此於重置電晶體導通時間TRST,1內之一時刻可視為重置時間TRST。由於在傳輸閘導通時間TTG,2，傳輸閘導通但重置電晶體不導通，因此於一傳輸閘導通時間TTG,2內之一時刻可視為讀出時間TRD。須注意，由於傳輸閘於一重置電晶體導通時間TRST,2不導通，重置電晶體導通時間TR,2(繪示於第5圖)可不視為重置時間TRST。
於第5圖所繪示之實施例，重置時間TRST係於重置電晶體導通時間TR,1之一下降緣，及讀出時間TRD係於傳輸閘導通時間TTG,2之一下降緣。另外，曝光時間TE(於第5圖所繪示之實施例中)係於重置時間TRST及讀出時間TRD之間，且於擷取一指紋影像FPM之一周期時間Tcycle內。
更進一步地，第4圖所示之像素電路PX可耦接於時序控制電路18。於註冊階段，曝光時間TE可透過時序控制電路18設定為第一/較長曝光時間TE1。於匹配階段，曝光時間TE可透過時序控制電路18設定為第二/較短曝光時間TE2。於一實施例中，曝光時間控制訊號TC1/TC2可為時序控制電路18中計數器所產生對應於曝光時間TE1/TE2之一時間到訊號(timeout signal)。
總而言之，本發明對於註冊操作/階段和匹配操作/階段，採用不同長度之不同曝光時間。第一/較長曝光時間TE1係用於註冊操作，以完成模板指紋影像。第二/較短曝光時間TE2係用於匹配操作，而不犧牲使用者體驗。在相同或不同實施例中，具有不同有效面積之指紋影像可分別用於註冊操作/階段及匹配操作/階段。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
2:方法
20、22:流程
200~224:步驟

Claims (16)

  1. 一種光學指紋識別系統，包含有：一處理電路；以及一影像感測器，包含有一像素陣列；其中，於一註冊操作中，該處理電路係用來設定一第一曝光時間並控制該影像感測器根據該第一曝光時間擷取一第一指紋影像，而於一匹配操作中，該處理電路係用來設定一第二曝光時間並控制該影像感測器根據該第二曝光時間擷取一第二指紋影像用於該匹配操作；其中，對應該註冊操作的該第一曝光時間總是長於對應該匹配操作的該第二曝光時間。
  2. 如請求項1所述之光學指紋識別系統，其中於該註冊操作中，該處理電路根據該第一指紋影像建立一模板指紋影像並儲存該模板指紋影像於一記憶體電路中。
  3. 如請求項2所述之光學指紋識別系統，其中於該匹配操作中，該處理電路由該記憶體電路讀出該模板指紋影像，比較該第二指紋影像與該模板指紋影像，並判斷是否該第二指紋影像匹配該模板指紋影像。
  4. 如請求項1所述之光學指紋識別系統，其中該第一指紋影像具有一第一有效面積而該第二指紋影像具有小於該第一有效面積之一第二有效面積。
  5. 如請求項1所述之光學指紋識別系統，其另包含有一時序控制電路耦 接於該處理電路及該影像感測器之間。
  6. 如請求項5所述之光學指紋識別系統，其中該時序控制電路係由該處理電路所控制，用來傳送一曝光時間控制訊號至該影像感測器，以指示該影像感測器於該處理電路進行該註冊操作時，根據該第一曝光時間擷取該第一指紋影像。
  7. 如請求項5所述之光學指紋識別系統，其中該時序控制電路係由該處理電路所控制，用來傳送一曝光時間控制訊號至該影像感測器，以指示該影像感測器於該處理電路進行該匹配操作時，根據該第二曝光時間擷取該第二指紋影像。
  8. 如請求項2所述之光學指紋識別系統，其中於該處理電路完成該匹配操作且判斷該第二指紋影像與該模板指紋影像匹配後，該處理電路進行一認證操作。
  9. 如請求項1所述之光學指紋識別系統，其中該像素陣列包含複數個像素電路，且各像素電路包含：一光電二極體；一傳輸閘，耦接於該光電二極體及一浮動擴散節點之間；以及一重置電晶體，耦接於該浮動擴散節點；其中，一曝光時間係一重置時間與一讀出時間之間之一時間差。
  10. 如請求項9所述之光學指紋識別系統，其中該重置時間係對應於該傳 輸閘及該重置電晶體皆導通之一第一時間，且該讀出時間係對應於該傳輸閘導通但該重置電晶體截止之一第二時間。
  11. 一種指紋影像擷取方法，用於包含有一影像感測器及一處理電路之一光學指紋識別系統，該指紋影像擷取方法包含有：進行一註冊操作，包含有：設定一第一曝光時間；以及控制該影像感測器根據該第一曝光時間擷取一第一指紋影像用於該註冊操作；以及進行一匹配操作，包含有：設定一第二曝光時間；以及控制該影像感測器根據該第二曝光時間擷取一第二指紋影像用於該匹配操作；其中，對應該註冊操作的該第一曝光時間總是長於對應該匹配操作的該第二曝光時間。
  12. 如請求項11所述之指紋影像擷取方法，其中該註冊操作另包含根據該第一影像建立一模板指紋影像並儲存該模板指紋影像於一記憶體電路。
  13. 如請求項12所述之指紋影像擷取方法，其中該匹配操作另包含由該記憶體電路讀出該模板指紋影像，比較該第二指紋影像與該模板指紋影像，並判斷是否該第二指紋影像匹配該模板指紋影像。
  14. 如請求項11所述之指紋影像擷取方法，其中該第一指紋影像具有一 第一有效面積而該第二指紋影像具有小於該第一有效面積之一第二有效面積。
  15. 一種光學指紋識別系統，包含有：一處理電路；以及一影像感測器，包含有一像素陣列；其中，於一註冊操作中，該處理電路係用來訂定一第一曝光設定並控制該影像感測器根據該第一曝光設定擷取一第一指紋影像用於該註冊操作，而於一匹配操作中，該處理電路係用來訂定一第二曝光設定並控制該影像感測器根據該第二曝光設定擷取一第二指紋影像用於該匹配操作；其中，該第一曝光設定及該第二曝光設定係訂定使得對應該註冊操作的該第一指紋影像之一第一有效面積總是大於對應該匹配操作的該第二指紋影像之一第二有效面積。
  16. 如請求項15所述之光學指紋識別系統，其中該第一曝光設定包含一第一曝光時間，而該第二曝光設定包含一第二曝光時間，且該第一曝光時間長於該第二曝光時間。
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