TWI804646B - 一種用於屏下成像的座標變換方法、存儲介質及電子設備 - Google Patents
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Abstract
本發明涉及光學指紋識別技術領域，特別設計一種用於屏下成像的座標變換方法、存儲介質及電子設備。所述一種用於屏下成像的座標變換方法，包括步驟：計算坐標系縮小係數；複製指紋圖像上各亮點至縮小後的坐標系上；保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，整體移至縮小後的坐標系上。通過座標的轉換，即保證了指紋圖像的還原，同時又保證了圖元不會丟失，確保了還原後的指紋圖像的清晰度。且該種還原指紋圖像的方式，計算過程簡單，還原速度快且品質好。
Description
本發明涉及光學指紋識別技術領域，特別涉及一種用於屏下成像的座標變換方法、存儲介質及電子設備。
隨著資訊科技的發展，生物特徵識別技術在保障資訊安全的方面發揮著越來越重要的作用，其中指紋識別已經成為移動互聯網領域廣泛應用的身份識別、設備解鎖的關鍵技術手段之一。在設備的屏占比越來越大的趨勢下，傳統的電容式指紋識別已經不能滿足需求，而超聲波指紋識別則存在技術成熟度和成本等方面的問題，光學指紋識別是有望成為屏下指紋識別的主流技術方案。現有的光學指紋識別方案是基於幾何光學透鏡成像原理，所用的指紋模組包含微透鏡陣列、光學空間濾光器等元件，存在結構複雜、模組厚、感測範圍小、成本高等諸多缺點。通過物理光學的全反射成像原理實現無透鏡屏下光學指紋識別，相比於現有的光學指紋方案，具有結構簡單、模組薄、感測範圍大、成本低等優點。但是指紋圖像與實際指紋各自所在的平面坐標系之間不是1：1的對應關係，故如何精確、高效地重建指紋，顯得至關重要。
為為此，需要提供一種用於屏下成像的座標變換方法，用以解決無透鏡屏下光學指紋識別得到的指紋圖像與實際指紋不一致的問題。具體技術方案如下：
一種用於屏下成像的座標變換方法，包括步驟：計算坐標系縮小係數；複製指紋圖像上各亮點至縮小後的坐標系上；保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，整體移至縮小後的坐標系上。
進一步的，所述“保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，整體移至縮小後的坐標系上”，還包括步驟：根據指紋圖像獲取方式不同對指紋圖像進行區域劃分，保持各區域中亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，將各區域的指紋資訊移至縮小後的坐標系上。
進一步的，所述“計算坐標系縮小係數”前，還包括步驟：對指紋圖像進行處理，確定任一點光源對應的圓形暗區，所述圓形暗區的直徑為D，根據D的值計算出螢幕厚度參數。
進一步的，所述“對指紋圖像進行處理，確定任一點光源對應的圓形暗區”，還包括步驟：確定指紋圖像中點光源對應的亮斑位置，以亮斑為圓心逐漸向外掃描，掃描到的平均灰度值剛達到最大值的邊緣視為圓形暗區的圓周。
進一步的，所述“對指紋圖像進行處理”前，還包括步驟：點亮顯示面板的多個分立的點光源區域的圖元點，所述點光源區域呈陣列排列且間隔有不發光圖元點，所述點光源區域包含有多個圖元點；通過光線感測器獲取圖元點經過透光蓋板全反射的光線；所述顯示面板、光線感測器置於所述透光蓋板的下方。
進一步的，所述陣列排列為橫向排列與縱向排列或者所述陣列排列為環狀排列。
進一步的，相鄰兩個點光源的間距滿足光線感測器採集到的點光源全反射圖像不接觸、不重複的條件。
進一步的，所述顯示面板為液晶顯示幕、有源陣列式有機發光二極體顯示幕或微發光二極體顯示幕。
為解決上述問題，還提供了一種存儲介質，具體技術方案如下：
一種存儲介質，所述存儲介質存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現上述所提到方法的任一步驟。
為解決上述問題，還提供了一種電子設備，具體技術方案如下：
一種電子設備，包括記憶體、處理器，所述記憶體上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現實現上述所提到方法的任一步驟。
本發明的有益效果是：通過計算坐標系縮小係數，獲得一新坐標系，將指紋圖像上的各亮點(即點光源對應的圖像)移至縮小後的坐標系上，再保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，整體移至縮小後的坐標系上。通過座標的轉換，即保證了指紋圖像的還原，同時又保證了圖元不會丟失，確保了還原後的指紋圖像的清晰度。且該種還原指紋圖像的方式，計算過程簡單，還原速度快且品質好。
900:存儲介質
100:電子設備
101:記憶體
102:處理器
圖1所繪示為利用全反射成像原理實現無透鏡屏下光學指紋成像的示意圖
圖2所繪示為透光蓋板為玻璃蓋板的光學指紋成像的示意圖
圖3所繪示為一種用於屏下成像的座標變換方法的流程圖
圖4所繪示為圓形暗區形成原理的示意圖
圖5所繪示為顯示面板的多個分立的點光源區域的陣列示意圖
圖6所繪示為一種實施方式的點亮同一直線區域的點光源下感測器採集到的指紋示意圖
圖7所繪示為一種實施方式的點亮四個亮點的情況下感測器上採集到的指紋示意圖
圖8所繪示為一種實施方式的點光源包含的圖元點的分佈圖
圖9所繪示為一種存儲介質的模組示意圖
圖10所繪示為一種電子設備的模組示意圖
為詳細說明技術方案的技術內容、構造特徵、所實現目的及效果，以下結合具體實施例並配合附圖詳予說明。
本發明最核心的技術構思是：計算屏下圖像成像結構的放大係數k，如果單純將獲得的指紋圖像縮小k倍，確實可以得到與實際指紋大小一樣的指紋圖像，然而圖元的丟失，使得其清晰度卻受到極大的影響。故本發明主要通過坐標系的轉換，將通過屏下圖像成像結構得到的指紋圖像移到新的坐標系(縮小k倍)中，即可保證最後獲得的指紋圖像與實際指紋大小一樣，又可保證其清晰度未受到任何影響。
在本實施方式中，處理的指紋圖像是由特定的屏下圖像成像結構獲得的。首先對該屏下圖像成像結構做簡要說明：
如圖1所示，屏下圖像成像結構包括透光蓋板、光源板和光線感測器，所述光源板、光線感測器置於所述透光蓋板的下方。其中，透光蓋板可以是單層板結構或者多層結構，單層結構可以是玻璃蓋板或者有機透光材質蓋板，單層蓋板也可以是具有其他功能的蓋板，如可以是觸控式螢幕。多層結構可以是多層玻璃蓋板或者多層有機透光材質蓋板或者是玻璃蓋板與有機透光材質蓋板的結合。光線感測器用於獲取光線，包括有多個感光單元，可以單獨設置在光源板的下方或者設置在光源板上。設置在光源板下方時，光線可以穿過光源板上光源之間的間隙進入到光線感測器中。設置在光源板上時，感光單元可以設置在光源板的光源間隙中。感測器可以設置在屏下圖像成像結構用於獲取屏下圖像，如可以獲取指紋掌紋等。透光蓋板與光源板需要填充光學膠進行連接以及避免空氣影響光線的反射，光學膠的折射率應該接近透光蓋板的折射率，避免光線在光學膠與透光蓋板間發生全反射。
如圖2所示，在本實施方式中，透光蓋板以玻璃蓋板為例。則在進行指紋獲取的時候，要將手指按壓的玻璃蓋板(Cover glass)上某一點A成像到感測器表面上的B點，根據全反射條件，光源板上的單個發光點O所發射的光線正好滿足需要。
這樣，對於成像感測器上的任意指紋像點B，要還原玻璃蓋板上對應的指紋點A，必須以對應的發光點O為中心，將像點B按照某個比例關係向點O縮進，使得點B到點O的水平距離∥OB∥與點A到點O的水平距離∥OA∥滿足比例關係：∥OB∥=k∥OA∥，其中比例係數k的值由系統的光學結構決定。
在圖2中，θ為入射角，發光層與感測器之間的距離為h，玻璃蓋板厚度為H，根據分析可得系統的放大係數：
基於上述原理，請參閱圖3，在本實施方式中，一種用於屏下成像的座標變換方法的具體實施如下：
步驟S301：計算坐標系縮小係數。上述得到的系統的放大係數，即坐標系縮小係數。
步驟S302：複製指紋圖像上各亮點至縮小後的坐標系上。需要說明的是，該處提及的亮點即屏下圖像成像結構中發光層的點光源直接在正下方的感測器位置上形成的一個像，如圖2中的O’。具體亮點的座標轉換關係如下：原來亮點座標為(x,y)，則在新坐標系中亮點座標為X=x．k；Y=y．k
步驟S303：保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，整體移至縮小後的坐標系上。
通過計算坐標系縮小係數，獲得一新坐標系，將指紋圖像上的各亮點(即點光源對應的圖像)移至縮小後的坐標系上，再保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，整體移至縮小後的坐標系上。通過座標的轉換，即
保證了指紋圖像的還原，同時又保證了圖元不會丟失，確保了還原後的指紋圖像的清晰度。且該種還原指紋圖像的方式，計算過程簡單，還原速度快且品質好。
由以下公式可知，
計算坐標系縮小係數k，需用到螢幕厚度參數H，而這個參數因使用者根據自身的喜好在螢幕上貼膜而改變。在本實施方式中，優選地，對螢幕厚度參數的計算如下：
對指紋圖像進行處理，確定任一點光源對應的圓形暗區，所述圓形暗區的直徑為D，根據D的值計算出螢幕厚度參數。
優選地，通過以下步驟確定任一點光源對應的圓形暗區：
確定指紋圖像中點光源對應的亮斑位置，以亮斑為圓心逐漸向外掃描，掃描到的平均灰度值剛達到最大值的邊緣視為圓形暗區的圓周。
暗區直徑D的計算具體原理，結合圖4做如下說明：θc為點光源P發出的光線在玻璃蓋板上面反射的臨界角，當入射角度小於θc時，大部分光線以折射的方式透過玻璃蓋板，所以在感測器上探測不到明顯的反射光線，感測器上就會在點光源P周圍形成圓形暗區(暗區中心會因為照明點光源P的光線直接投射到感測器而形成一個亮斑)。暗區外徑用D表示，蓋板玻璃厚度用H表示，根據三角函數公式計算玻璃板厚度：
而全反射臨界角的計算如下：
光線從光密介質射向光疏介質時，折射角大於入射角。若入射角增大到某一角度θc，使折射角到達90°，折射光就消失。入射角大於θc時只有反射光，這種現象稱為全反射。相應的入射角θc叫做全反射臨界角。
光線由折射率n的玻璃到真空(折射率為1)，折射定律為
其中θi和θt分別為入射角和折射角。當入射角θi等於臨界角θc時，折射角θt=90°，帶入
式得
，則臨界角為：
故只要知道圓形暗區的直徑D，即可根據D的值即時自動計算螢幕厚度參數。
為確保本實施方式中，所獲取的指紋圖像的清晰度，在“對指紋圖像進行處理”前，還包括步驟：
點亮顯示面板的多個分立的點光源區域的圖元點，所述點光源區域呈陣列排列且間隔有不發光圖元點，所述點光源區域包含有多個圖元點；通過光線感測器獲取圖元點經過透光蓋板全反射的光線；所述顯示面板、光線感測器置於所述透光蓋板的下方。本實施方式中，多個分立的點光源區域可以對透光蓋板上多個區域進行照亮，而後經過透光蓋板的上表面全反射後的光線可以被光線感測器獲取到，這樣可以獲取到多個區域的圖像，提高了圖像獲取效率。同時點光源區域包含有多個圖元點，滿足成像的照明亮度要求，可以實現對透光蓋板上圖像的採集。確保採集後的指紋圖像的可用性。
本實施方式中的點光源有多種排列方式，優選的為均勻排列，即點光源兩兩之間的距離都相等，這樣每個點光源反射後的圖像都相同，方便後續的影像處理。排列的具體形式可以為橫向排列與縱向排列或者所述陣列排列為環狀排列。橫向排列即多個點光源構成多個平行的橫排和多個平行的縱排。如圖5所示，其中白色點即為點光源，優選地，橫排與縱排之間互相垂直，當然在某些實施方式中可以有一定夾角(如60°等)。環狀排列可以是點光源處在以螢幕中心為圓心的半徑依次增大的圓形上。
在本實施方式中，點光源的陣列排列方式多種多樣，故每次獲取指紋圖像時亮起的點光源會不同，指紋圖像的獲取方式不同，獲取到的指紋圖像分佈上也有區別，則在進行座標轉換時具體處理方式也是不一樣。做如下說明：
在本實施方式中，上述步驟S303，具體還要根據指紋圖像獲取方式不同對指紋圖像進行區域劃分，保持各區域中亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，將各區域的指紋資訊移至縮小後的坐標系上。具體可如下：
如圖6所示為光源板上點亮同一直線區域的點光源，則採集到的指紋圖像主要分佈於直線兩邊，這種情況下每個指紋區間是以每條直線(呈直線排列的點光源)能成多少指紋來劃分區域，然後將該區域亮點先移至縮小後的坐標系中，再保持各區域中亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，將各區域整體移至縮小後的坐標系上。
如圖7所示為點亮四個亮點(點光源)的情況下感測器上採集到的指紋示意圖，其中指紋主要存在於亮點之間的區域。將整個圖片的相鄰亮點為中心分成若干個相同大小的區間，找出每個區間的亮點中心座標，先將亮點移至新的坐標系中，再保持各區域中亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，將各區域的指紋資訊移至縮小後的坐標系上。
在其它實施方式中，可能是點亮其它個數的點光源，不一定是四個，同樣地是將整個圖片的相鄰亮點為中心分成若干個相同大小的區間，找出每個區間的亮點中心座標，先將亮點移至新的坐標系中，再保持各區域中亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，將各區域的指紋資訊移至縮小後的坐標系上。
在本實施方式中，點光源的間距決定于成像品質，為了避免成像之間的重疊，相鄰兩個點光源的間距滿足光線感測器採集到的點光源全反射圖像不接觸、不重複的條件。優選地，點光源的間距可以是在相鄰兩個點光源的全反射圖像不接觸、不重複的條件下取最小值。這個最小值可以通過人工多次試驗獲取，如在不同的點光源的間距下獲取點光源全反射圖像，而後查看到反射圖像滿足不接觸、不重複的條件中點光源間距的最小值。而後這個最小值可以預先設置在運行本方法的記憶體上。點光源的間距在實際中會受到光源與蓋板的間距影
響，兩者的間距成正比關係，在實際應用中，一個產品的螢幕硬體參數一般不會改變，對於這些特定的螢幕，採用人工多次試驗獲取的方式更為直接和方便。
正如上文所述，本發明將多個圖元點合併在一起，形成一個總體亮度滿足成像要求的合成點光源。同時，點光源的外形也會影響成像品質，優選地，所述點光源區域為類圓形。由於實際上，每個圖元都是方形，多個圖元的組合沒辦法形成一個標準的圓形，只能是接近圓形的類圓形。類圓形的圖元點確定可以以某個圖元點為中心畫圓，圓內的圖元點可以全部作為類圓形的圖元點，圓周上的圖元點可以設定一個預設面積占比值，如果圓周圖元點在圓內的面積占圖元點總面積的比大於預設面積占比值，則將該圖元點作為點光源類圓形的圖元點。圓的大小決定了點光源的光線強度以及光線感測器是否能夠獲取到較高品質的圖像，圓太小，則點光源區域太小，就會產生光線不足，圓太大，點光源區域太大，又會影響成像品質。不同的顯示面板同樣也會有不同的光源強度，則不同的顯示面板的點光源區域大小也會不同。對於某一種特定的圖像成像獲取結構，點光源區域大小同樣可以採用人工多次試驗的方式獲取，點光源區域大小可以由小到大依次點亮，而後光線感測器獲取到圖像資料後，人工篩選出滿足成像品質的最小點光源區域。
在現有的顯示面板下，優選的實際點光源的尺寸和形狀如附圖8所示(每一網格代表一個圖元，光源位置以白色顯示)，中間為7pixel * 7pixel的矩形，矩形每一邊中間有三個pixel的突出，可以實現較好的成像品質。
優選的光源的顏色為綠色、紅色或這兩種顏色之間與其他顏色的任意顏色的組合，這樣的顏色可以避免外界光線的幹擾。
顯示面板不僅可以作為光源進行發光，還可以作為顯示圖像。顯示面板包括液晶顯示幕(LCD)、有源陣列式有機發光二極體(AMOLED)顯示幕或微發光二極體(micro-LED)顯示幕，這些都是以薄膜電晶管(TFT)結構掃描並驅動單一圖元，可以實現對圖元點的單一驅動，即可以實現點光源的驅動和陣列顯示，同時光線可以透過圖元點的間隙後進入到光線感測器中。
本實施方式中的點光源陣列結構可以由多種生成方式，如可以採用繪圖軟體實現繪製後，再由顯示面板進行顯示，但由於點陣的精度要求高，且點的數量較多，此方法繪製效率低下。或者可以採用如下方式：在點亮圖元點前還包括步驟，對與顯示面板解析度相同的矩陣進行賦值，將點光源區域賦值為非零值，其他區域賦值為零，將賦值後的矩陣作為RGB資訊生成顯示圖像；發送顯示圖像到顯示面板。而後再執行步驟：點亮顯示面板的多個分立的點光源區域的圖元點，所述點光源區域呈陣列排列且間隔有不發光圖元點，所述點光源區域包含有多個圖元點；通過光線感測器獲取圖元點經過透光蓋板全反射的光線；所述顯示面板、光線感測器置於所述透光蓋板的下方。
本實施方式以有源陣列式有機發光二極體(AMOLED)顯示幕(1920×1080圖元)為例，說明點光源陣列結構生成方式。以此參數使用程式設計語言設計光源拓撲結構，使用程式設計語言設計光源拓撲結構的過程實際就是對一個1920*1080的矩陣(行數1920、列數1080，資料全為0的矩陣)進行賦值，將需要點亮的位置賦值為非零數(如255)，否則賦值為0，然後將此矩陣作為8bit圖像的RGB資訊(在8bit圖像的BGB資訊裡，資料0代表黑色，資料255代表滿飽和度顏色)生成新的圖像。生成的點光源陣列結構如附圖5所示，白色為點光源區域，白色僅為圖示說明，實際可以為綠色或者紅色。通過以上步驟，可以高效地生成所需要的點光源陣列結構，從而可以實現快速的點光源驅動。
雖然有多個圖元點形成一個點光源，同時照明指紋，單次成像還是無法對全指紋實施無縫掃描。採用多個點光源陣列，彼此互補，可以實現全指紋的掃描，但是各個點光源陣列照明得到的指紋圖像還是有部分指紋圖像缺失。為了獲取到完整的指紋圖像，本發明使用時分複用技術，實現指紋全覆蓋。具體地，間隔預設時間後，對全部點光源區域進行相同的位置偏移；再次重複點亮圖元點步驟和光線獲取步驟，直到獲取到滿足完整指紋拼接要求的指紋圖像，而後對這些指紋圖像進行去噪、拼接，就可以獲取到完整的指紋圖像。通過上述獲
得的指紋圖像，確保了後續螢幕厚度參數計算的準確性，進一步確保坐標系變換的準確性，從而確保圖像還原的準確性。
請參閱圖9，在本實施方式中，一種存儲介質900的實施方式如下：
本實施方式的存儲介質900可以是設置在電子設備中的存儲介質900，電子設備可以讀取存儲介質900的內容並實現本發明的效果。存儲介質900還可以是單獨的存儲介質900，將該存儲介質900與電子設備連接，電子設備就可以讀取存儲介質900裡的內容並實現本發明的方法步驟。
所述存儲介質900，包括但不限於：RAM、ROM、磁碟、磁帶、光碟、快閃記憶體、U盤、移動硬碟、存儲卡、記憶棒、網路服務器存儲、網路雲存儲等。
所述存儲介質900存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時，實現如上述任意一項所述方法的步驟。
請參閱圖10，在本實施方式中，一種電子設備100的具體實施方式如下：
所述電子設備100包括但不限於：個人電腦、伺服器、通用電腦、專用電腦、網路設備、嵌入式設備、可程式設計設備、智慧移動終端、智慧家居設備、穿戴式智慧設備、車載智慧設備等。
所述電子設備100，包括記憶體101、處理器102，所述記憶體101上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器102執行時實現如上述任意一項所述方法的步驟。
需要說明的是，儘管在本文中已經對上述各實施例進行了描述，但並非因此限制本發明的專利保護範圍。因此，基於本發明的創新理念，對本文所述實施例進行的變更和修改，或利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，直接或間接地將以上技術方案運用在其他相關的技術領域，均包括在本發明的專利保護範圍之內。
S301~S303:流程圖步驟
Claims (9)
- 一種用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，包括步驟：計算坐標系縮小係數；複製指紋圖像上各亮點至縮小後的坐標系上；保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離不變，將所述亮點周圍的指紋資訊整體移至縮小後的坐標系上；所述亮點由屏下圖像成像結構中發光層的點光源的光線直接投射到感測器上形成；所述“計算坐標系縮小係數”包括步驟：對指紋圖像進行處理，確定任一點光源對應的圓形暗區，所述圓形暗區的直徑為D，根據D的值計算出螢幕厚度參數；根據螢幕厚度參數計算坐標系縮小係數，包括：k=2+(h/H)；其中，k為坐標系縮小係數，h為發光層與感測器之間的距離，H為螢幕厚度參數。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，所述“保持亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離不變，將所述亮點周圍的指紋資訊整體移至縮小後的坐標系上”，還包括步驟：根據指紋圖像獲取方式不同對指紋圖像進行區域劃分，保持各區域中亮點周圍的指紋資訊與亮點中心相對距離大小不變，將各區域的指紋資訊移至縮小後的坐標系上。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，所述“對指紋圖像進行處理，確定任一點光源對應的圓形暗區”，還包括步驟： 確定指紋圖像中點光源對應的亮斑位置，以亮斑為圓心逐漸向外掃描，掃描到的平均灰度值剛達到最大值的邊緣視為圓形暗區的圓周。
- 如申請專利範圍第1項所述之用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，所述“對指紋圖像進行處理”前，還包括步驟：點亮顯示面板的多個分立的點光源區域的圖元點，所述點光源區域呈陣列排列且間隔有不發光圖元點，所述點光源區域包含有多個圖元點；通過光線感測器獲取圖元點經過透光蓋板全反射的光線；所述顯示面板、光線感測器置於所述透光蓋板的下方。
- 如申請專利範圍第4項所述之用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，所述陣列排列為橫向排列與縱向排列或者所述陣列排列為環狀排列。
- 如申請專利範圍第4項所述之用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，相鄰兩個點光源的間距滿足光線感測器採集到的點光源全反射圖像不接觸、不重複的條件。
- 如申請專利範圍第4項所述之用於屏下成像的座標變換方法，其特徵在於，所述顯示面板為液晶顯示幕、有源陣列式有機發光二極體顯示幕或微發光二極體顯示幕。
- 一種存儲介質，其特徵在於：所述存儲介質存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現如申請專利範圍第1至7項任意一項所述方法的步驟。
- 一種電子設備，其特徵在於：包括記憶體、處理器，所述記憶體上存儲有電腦程式，所述電腦程式被處理器執行時實現如申請專利範圍第1至7項任意一項所述方法的步驟。
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