專利名稱：利用具有光電子速度傳感器的掃描型成像器的指紋檢測的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測皮膚紋路、特別是指紋的方法和裝置。 此外，所提出的裝置特別適用于作為輸入設(shè)備。該輸入設(shè)備可以例如 在電子設(shè)備上執(zhí)行操作功能、在顯示器上引導(dǎo)光標(biāo)或者從菜單中作出 選擇。在記錄圖像期間可以檢測有意執(zhí)行的移動序列，并且在后面的 評估中將其納入考慮。借助于這個(gè)附加的特征，可以想像得到的指紋 偽造問題大為緩解。
背景技術(shù)：
作為存在廉價(jià)計(jì)算機(jī)的結(jié)果，通過生物統(tǒng)計(jì)特征對人進(jìn)行自動識 別巳經(jīng)變得可能。然而，用于記錄指紋圖像的部件(也稱為指紋傳感 器)的成本非常高。
通常使用的大多數(shù)指紋傳感器可以分為三組
1) 利用光學(xué)投影的傳感器
2) 平面?zhèn)鞲衅?br> 3) 帶狀傳感器。
在利用光學(xué)投影的傳感器的情況下，圖像取自承載指尖的清晰、 透明的表面，并且通過光學(xué)裝置以減小尺寸的方式在芯片攝影機(jī)中對 其進(jìn)行成像。芯片攝影機(jī)的表面僅僅是承載面積大小的一部分。由半 導(dǎo)體材料導(dǎo)致的成本從而相對較低，但是光學(xué)裝置的成本很高。此外，
基于該原理的傳感器需要有幾厘米的大小。
最廣泛使用的是平面?zhèn)鞲衅?，其具有指尖大小的圖像記錄器，所 述圖像記錄器基于半導(dǎo)體襯底制造。其需要有大約14xl8mm到 22x25mm之間的面積。無論使用什么成像原理(對局部電容效應(yīng)的測 量、電場變化或者光學(xué)記錄)，成本的相當(dāng)一部分是由作為對記錄元件 (像素)的支持的必要芯片表面單獨(dú)導(dǎo)致的。通過對于大量使用進(jìn)行計(jì)算，這些成本例如比今天對于圖像評估微處理器所導(dǎo)致的成本要高 很多。
在第三組中，只需要小得多的記錄表面，因?yàn)橹讣獾膱D像被順序 地按行記錄。用戶在記錄行傳感器上移動他的手指，該傳感器隨著移
動的進(jìn)行逐行檢測指紋。這些傳感器只需要15xlmm到20x3mm的窄 帶狀芯片表面，也就是說僅僅需要一部分的半導(dǎo)體材料，從而可以獲 得高得多的經(jīng)濟(jì)效益。然而，事實(shí)上它們具有顯著的缺點(diǎn)，即經(jīng)常產(chǎn) 生不能使用的失真圖像。該問題的主要原因是手指的不均勻移動。結(jié) 果，這些傳感器實(shí)際上具有很多的缺點(diǎn)，因此使得它們經(jīng)常無法使用。 因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是，即使當(dāng)手指移動不是恒速以及直線 方向的移動時(shí)，仍利用帶狀傳感器實(shí)現(xiàn)低失真的圖像記錄。從而試圖 獲得帶狀傳感器的優(yōu)點(diǎn)(成本、空間)而基本上沒有其缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了該目的，這是在于
a) 當(dāng)指尖經(jīng)過帶狀傳感器時(shí)，包括至少一個(gè)長窄傳感器行的至少 一個(gè)帶狀傳感器檢測指尖的結(jié)構(gòu)；
b) 至少一個(gè)光電子速度傳感器連續(xù)確定手指的移動；
c) 指尖移動經(jīng)過至少一個(gè)光電子速度傳感器和帶狀傳感器；以及
d) 所確定的手指移動被用于校正由于不均勻移動而失真的手指結(jié) 構(gòu)的圖像。
所述校正可以被應(yīng)用于失真圖像本身的所檢測圖像數(shù)據(jù)。然而， 在一個(gè)有利實(shí)施例中，可以節(jié)省計(jì)算復(fù)雜度，這是在于對從失真圖像 導(dǎo)出的生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用該校正。
在根據(jù)本發(fā)明的方法中，優(yōu)選地規(guī)定由光電子速度傳感器來評估 在移動手指表面處反射的已調(diào)制激光的調(diào)制的多普勒偏移。可以特別 有利地用于上述目的的光電子速度傳感器已經(jīng)由Philips研發(fā)，其名為 "Laser Beetle (激光甲蟲)"，并且在例如WO 02/37410 Al中被描述。 作為"微型鼠標(biāo)"，其可以被用于計(jì)算機(jī)的光標(biāo)引導(dǎo)。作為"跟蹤球"， 它也可以在沒有機(jī)械裝置的情況下被用于設(shè)備顯示器的菜單選擇。由于非常緊湊的組裝，該設(shè)備在設(shè)備表面上僅僅需要10到25mm2的空 間。提供了一個(gè)直徑為3到5mm的實(shí)施例，其與傳統(tǒng)發(fā)光二極管的 大小和結(jié)構(gòu)類似。
該設(shè)備可以借助于激光來測量指尖的移動。指尖在設(shè)備表面上的 一個(gè)或多個(gè)方向上的瞬時(shí)速度被確定。指尖在由透明塑料或玻璃制成 的斜面上升區(qū)域的上側(cè)移動。借助于該斜面區(qū)域，相對于底部或頂部 產(chǎn)生了小的移動分量，也就是說，在向著激光源的方向上或者在遠(yuǎn)離 激光源的方向上產(chǎn)生小的移動分量。從下面用相干光照射指尖的皮膚。 反射光波受到與手指移動相關(guān)的多普勒效應(yīng)的影響，從而使得反射光 的頻率和相位位置相對于發(fā)射光發(fā)生輕微地偏移。如果光的發(fā)射和反 射分量被饋送入光記錄器，根據(jù)某些光學(xué)規(guī)律，在那里將發(fā)生有利的 和有害的干擾。
如果發(fā)射光被頻率調(diào)制為線性碼片，則該設(shè)備可以被加工成一定 尺寸，以便作為多普勒效應(yīng)和干擾的結(jié)果產(chǎn)生在幾千赫茲的高度可檢 測范圍中的低頻率分量。這些頻率與手指在一個(gè)方向上的速度成正比。 為了檢測多個(gè)方向上的速度，多個(gè)檢測系統(tǒng)可以被結(jié)合在一個(gè)組件中。 例如，兩個(gè)正交激光檢測系統(tǒng)例如提供一個(gè)速度矢量的各笛卡爾分量。
特別地，根據(jù)本發(fā)明的方法可以被設(shè)計(jì)成如下檢測手指移動。
a) 在第一移動階段中，首先只有指尖的部分區(qū)域經(jīng)過帶狀傳感器 并且被檢測為圖像；
b) 在其中一個(gè)后續(xù)移動階段中，指尖的其他區(qū)域經(jīng)過帶狀傳感器 并且被檢測為圖像；以及
c) 這些移動階段具有相當(dāng)不同的方向和/或被具有相當(dāng)不同方向 的中間移動階段所分離，圖像信息的至少一部分空間配置是在通過在 各移動階段中所檢測的手指移動來構(gòu)造圖像時(shí)發(fā)生的。
根據(jù)本發(fā)明的方法的可靠性進(jìn)一步提高，這是在于所確定的無 意識的手指移動被用作除了指尖的生物統(tǒng)計(jì)特征之外的附加特征以用 于識別個(gè)人。這些無意識的手指移動可能是一個(gè)人的典型特征。
另一個(gè)變型同樣有助于提高可靠性，所述變型在于
a) —個(gè)移動序列發(fā)生，使得
6b)指尖的相同區(qū)域多次經(jīng)過帶狀傳感器并且被檢測為圖像；以及 C)對于一個(gè)區(qū)域被多次檢測的圖像信息被納入考慮以用于圖像改
善的目的，圖像信息的至少一部分空間配置通過所檢測的移動序列而發(fā)生。
借助于生物統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行自動識別的一個(gè)基本問題是，這種可以 容易地操縱的特征幾乎不能被保密。理論上這種特征可以被任何人獲 得。例如，稍作策劃就可以從日常物體上移走指紋而不被人注意。
使用該信息，稍作技術(shù)努力就有可能得到足夠好的仿制品，以便 利用大多數(shù)指紋記錄器產(chǎn)生可接受的圖象。眾所周知，可以用硅橡膠 或明膠制成仿制品，從而導(dǎo)致在自動檢測系統(tǒng)上能夠識別。
在所謂的"活人識別"的情況下，除了上表皮結(jié)構(gòu)之外，附加特 征應(yīng)被包括在生物統(tǒng)計(jì)識別中，所述附加特征用于區(qū)分仿制品和活人 的手指。然而，不能排除通過進(jìn)一步的技術(shù)努力有可能拷貝大多數(shù)上 述附加特征的情況，例如通過在活人的手指上套上別人的皮膚結(jié)構(gòu)的 膜狀仿制品。
在另一個(gè)變型中排除了這些仿制可能性，這是在于由具有特性移 動序列的用戶來執(zhí)行手指移動，并且將所確定的手指移動與所存儲的 手指移動相比較。這提供了可以以多種方式使用的輸入可能性。例如， 所存儲的手指移動可以是用戶特有的，從而可以識別該用戶。因此由 用戶執(zhí)行移動特征的輸入，并且通過實(shí)時(shí)地將其與所存儲的手指移動 相比較來進(jìn)行檢査。該移動特征不可能與由偽造者從任何表面移走的 指紋配套，這是特別有利的。
在另一個(gè)變型中，在對手指移動的檢測過程中，可以根據(jù)不同的 結(jié)果將檢測單元切換到各種操作狀態(tài)。
原則上，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以完成通過帶狀傳感器對手 指的掃描以及對手指移動的確定，然后(在圖像處理之后需要的話) 執(zhí)行校正。然而，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，還可以由速度傳感器確定 經(jīng)過可設(shè)置的移動距離，從而觸發(fā)帶狀傳感器進(jìn)行新一行的圖像檢測。 然后，可以根據(jù)所確定的手指移動至少關(guān)于在該行方向上發(fā)生的誤差 對新讀取的行進(jìn)行校正。對于整個(gè)圖像或甚至是各單獨(dú)行進(jìn)行幾何校正的一個(gè)有利的可能 性在于，用于將指紋圖像存儲在存儲介質(zhì)中的圖像點(diǎn)的地址取決于所 確定的手指移動。
對于校正圖像的另一個(gè)有利的可能性在于，所確定的手指移動被 用于計(jì)算和/或選擇非對稱的、指向選擇性的空間濾波器的系數(shù)，并且 所述空間濾波器在圖像處理期間執(zhí)行對移動方向的校正。
最后，為了校正圖像，可以將所確定的手指移動用于計(jì)算和/或選 擇空間濾波器的系數(shù)，并且所述空間濾波器在對手指圖像的處理期間 執(zhí)行對不同移動距離的校正。
利用移動傳感器，可以確定手指的平移移動，其中由于被放置在 檢測系統(tǒng)上或者在檢測系統(tǒng)上移動而引起的手指變形在生物統(tǒng)計(jì)方法 的容差內(nèi)可以被忽略。利用該方法的一種變型，可以檢測手指的旋轉(zhuǎn) 移動和變形，這是在于在指尖的不同部分表面上同時(shí)確定手指移動， 并且從中計(jì)算圖像記錄的平面中的成比例的旋轉(zhuǎn)移動(旋轉(zhuǎn))；或者同 時(shí)確定來自指尖的不同部分表面的移動信息，并且對于各部分表面分 別考慮所述移動信息。
在這些變型中，還可以同時(shí)確定指尖的不同部分表面的手指移動， 并且當(dāng)所確定的各部分表面的手指移動與那些可能由于具有似真參數(shù)
(plausible parameter)的旋轉(zhuǎn)和/或位移而產(chǎn)生的手指移動顯著不同 時(shí)，則識別出非常明顯的變形和/或測量誤差。 用于校正圖像的一個(gè)有利變換包括以下步驟
a) 根據(jù)具有低通效果的空間濾波，將圖象點(diǎn)的位置從由于非均勻 移動而不必是等距的表示法轉(zhuǎn)換到具有高空間分辨率的表示法(過采 樣)；以及
b) 轉(zhuǎn)換成被再次縮小的、但是可靠地等距的表示法(重新采樣)。 根據(jù)本發(fā)明的方法的使用可能性的一種擴(kuò)展在于，由速度傳感器
發(fā)射的激光以及反射的激光還被用于根據(jù)由手指反射的光分量的色線 光譜來確定化學(xué)屬性。因此，例如有可能通過確定血液中溶解和結(jié)合 的氣體的濃度(諸如血氧含量或二氧化碳含量)來區(qū)分活人的手指和 復(fù)制品。一種用于檢測皮膚紋路、特別是指紋的裝置的優(yōu)點(diǎn)在于，至少一 個(gè)光電子速度傳感器被定位在帶狀傳感器的最多幾毫米的范圍內(nèi)，并 且在用于檢測指紋的一點(diǎn)處被定位在一個(gè)表面上。優(yōu)選地，至少一個(gè) 光電子速度傳感器和帶狀傳感器形成一個(gè)緊致組件。
除了檢測皮膚紋路的功能之外，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，至少一 個(gè)光電子速度傳感器同時(shí)被用作用于操作功能的輸入設(shè)備，并且/或者 該光電子速度傳感器的光源同時(shí)是該速度傳感器的照明設(shè)備。
此外，根據(jù)本發(fā)明的裝置也可以被設(shè)計(jì)成使得光電子速度傳感器 的光源同時(shí)被用作向用戶輸出信號的設(shè)備。
最后，在根據(jù)本發(fā)明的裝置中，可以將光電子速度傳感器和帶狀 傳感器施加到彈性支撐材料，結(jié)果，由該支撐材料形成的手指承載表 面至少在橫穿帶狀傳感器的方向上是柔韌的。因此，根據(jù)本發(fā)明的裝 置適應(yīng)于手指的曲率，從而在使用該裝置的過程中手指不會顯著變形。
在移動設(shè)備的情況下，經(jīng)常需要對合法用戶進(jìn)行識別。而且，在 通信網(wǎng)絡(luò)中，在移動終端處進(jìn)行對用戶的識別可能是很重要的。因此， 在根據(jù)本發(fā)明的裝置的一種變型中，該裝置可以是用于移動通信的設(shè) 備的一部分。
在許多應(yīng)用中，優(yōu)選地提供固定裝置，而手指在該固定裝置的表 面上移動。如果有利的話，根據(jù)本發(fā)明的裝置也可以被設(shè)計(jì)成使得可 以在身體各部分的表面上引導(dǎo)該裝置，以便檢測皮膚紋路。
以下的說明用于更好地理解本發(fā)明。如果考慮手指關(guān)于檢測行傳 感器的相對移動，則所述移動可以作為模型被分解為以下分量-
1) 整個(gè)指尖的平移，例如具有以下分量 -在X方向上(與行傳感器垂直)
-以及在y方向上(在行的方向上)
2) 整個(gè)指尖的旋轉(zhuǎn)，其在每種情況下可以被描述為 -旋轉(zhuǎn)速度(數(shù)值和方向)
-以及旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，其在某些情況下可以被連續(xù)位移
3) 作為指尖彈性變形的結(jié)果的復(fù)雜的移動分量，其對于指尖的各 部分表面可能不同例如，所述復(fù)雜移動分量可能是以下各種情況的結(jié)果 -在平坦表面上按壓圓形手指形狀；或者 -在表面上的加速度和摩擦力 4)其他移動分量和測量誤差。
所述移動被檢測為在時(shí)間上分開的步驟序列，其中， 一個(gè)步驟可 以有利地等價(jià)于檢測一行所花費(fèi)的時(shí)間。由于速度、時(shí)間和距離之間 的線性關(guān)系，根據(jù)速度測量結(jié)果確定每個(gè)步驟的移動的各部分距離是 比較平常的。用于行記錄的時(shí)間跨度以及在各記錄之間的時(shí)間是精確 地己知的。
手指在一個(gè)步驟期間在速度傳感器上進(jìn)行的距離可以被計(jì)算，這 是通過將所測量的速度對一段時(shí)間進(jìn)行積分而得到，其中該段時(shí)間從 對一行的檢測的末尾開始，到對下一行的檢測的末尾結(jié)束。
由于在上述光電子速度傳感器的情況下，速度是從一個(gè)正弦電信 號的頻率導(dǎo)出的，因此，當(dāng)該信號的固定相位位置重復(fù)時(shí)，就總是行 進(jìn)了特定的(非常小)的距離?？梢匀菀椎貙⑦^零檢測為所述相位位 置。如果該信號基本上不受干擾，則可以直接對該信號的過零進(jìn)行計(jì) 數(shù)。計(jì)數(shù)器狀態(tài)與行進(jìn)的距離成正比。
所述移動的平移分量被描述為對應(yīng)于每個(gè)記錄步驟(即每個(gè)圖像 行)的位移矢量?？梢栽谄涞芽▋鹤鴺?biāo)系中直接檢測該矢量，在這種
情況下，x方向可以橫穿所述帶狀傳感器，而y方向則位于該帶狀傳
感器的行方向上。
作為掃描操作的理想設(shè)置，希望在圖像記錄期間將x方向上的速
度保持完全恒定。此外，對于每個(gè)圖像記錄希望每次重復(fù)相同的速度。
因此在X方向上產(chǎn)生等距離并且可重復(fù)的像素大小。
理想地，在y方向上應(yīng)當(dāng)沒有位移，也就是說，應(yīng)當(dāng)總是檢測到 具有零值的速度。然后，各個(gè)行像素的大小將被用作圖像單元的寬度， 并且在圖像存儲期間可以直接執(zhí)行來自該行的排列。通過長按壓 (elongate depression)或者x方向上的引導(dǎo)來協(xié)助一些帶狀傳感器在 y方向上的穩(wěn)定位置(=零移動)。由于手指的不同大小，這樣做可能 只有有限的效果。如上所述，人們只近似該均勻的理想移動往往是不夠的。
平移移動或者復(fù)雜的整體移動的平移分量的模型對于同時(shí)記錄的 每個(gè)圖像點(diǎn)的相同的平移矢量進(jìn)行分類。也就是說，對于任何給定的 行，將要分配并且可能存儲一個(gè)矢量。該矢量將被附加地納入考慮以 用于校正。
然后，如果假設(shè)移動模型被簡化成平移，那么X方向上的一個(gè)速
度測量結(jié)果和y方向上的一個(gè)速度測量結(jié)果就足夠了。在一個(gè)簡單的
變型中，甚至可以忽略兩個(gè)方向的其中之一。
由于測量技術(shù)的原因，可以將檢測的矢量分量設(shè)計(jì)成在理想移動 的情況下具有相同的數(shù)值。例如，正交分量可以被與行方向相反地旋
轉(zhuǎn)45到135度。斜角坐標(biāo)系也是可能的，在每種情況下，它們具有與
行方向相反的相同的角度值，以便以更小的測量誤差檢測橫穿所述行 以及沿著所述行的不同大小的移動。
在一個(gè)簡單的掃描操作中，理想地，在圖像檢測期間不應(yīng)當(dāng)發(fā)生 旋轉(zhuǎn)移動。
作為移動的旋轉(zhuǎn)分量，只應(yīng)當(dāng)考慮位于帶狀傳感器以及設(shè)備表面 的平面內(nèi)的那些分量。所有其他的旋轉(zhuǎn)分量被加到其他移動分量中， 因而通常被忽略。作為旋轉(zhuǎn)的結(jié)果，起點(diǎn)被假設(shè)為角移動。該角度的 數(shù)值和符號對于每一行可以發(fā)生改變。對于復(fù)雜的情況，假設(shè)旋轉(zhuǎn)點(diǎn) (旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn))在傳感器平面上被連續(xù)位移。為了簡化，還假設(shè)對于 離散的時(shí)間步驟可以保持該旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。
為了描述旋轉(zhuǎn)移動分量，每個(gè)被記錄的行可以被分配一對旋轉(zhuǎn)角 和旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)。另一種數(shù)學(xué)描述形式是旋轉(zhuǎn)矩陣和位移矢量。如果將 平移與旋轉(zhuǎn)一起考慮，則要提供至少兩個(gè)速度傳感器，每個(gè)速度傳感 器具有兩個(gè)方向分量。此外，應(yīng)當(dāng)設(shè)置假設(shè)和框架條件，例如，旋轉(zhuǎn) 角度和旋轉(zhuǎn)點(diǎn)位置的似真限制，或者假設(shè)移動首先主要包括平移分量 并且只有所測量數(shù)值的剩余差值應(yīng)被認(rèn)為是旋轉(zhuǎn)。
如果有超過兩個(gè)速度傳感器，則考慮除平移之外的旋轉(zhuǎn)更為簡單。
然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)矩陣和位移矢量來確定、甚至多重確定(overdetermine) 將要被求解的等式系統(tǒng)。然而，在多重確定的情況下，必須執(zhí)行對帶有測量誤差的移動數(shù)值的誤差處理。
不應(yīng)當(dāng)以完全封閉的方式對所述變形的各移動分量進(jìn)行建模。因 此，作為圓形指尖被按壓到平坦表面上的不同程度的結(jié)果，所述變形 可能導(dǎo)致在指尖邊緣處的移動，所述移動不同程度地朝上。
在低摩擦力的輕按壓的情況下，手指的平移使皮膚表面的運(yùn)行相 對均勻。然而，在更明顯的按壓的情況下，首先，作為連續(xù)摩擦力的 結(jié)果，組織的彈性受到應(yīng)力，也就是說，只有在整個(gè)手指的平移的一 定伸展之后所述組織才跟隨表皮。雖然作為不同按壓的結(jié)果的這些效 果在幾何結(jié)構(gòu)上很小，但是他們確實(shí)超過了所檢測的圖像單元(像素) 的數(shù)量級。
加力按壓的手指的旋轉(zhuǎn)可能導(dǎo)致沿相反方向的切線的摩擦力，由 于該摩擦力，將會發(fā)生輕微的螺旋變形。考慮變形是很困難的。作為 到橢圓或雙曲線表面上的投影來確定校正是非常復(fù)雜的?？梢酝ㄟ^投 影矩陣來計(jì)算所述校正，但是確定所述矩陣也很困難。
因此提出簡化對變形的處理，以便對于指尖的各部分區(qū)域假設(shè)不 同的平移移動(并且也可能有略微不同的旋轉(zhuǎn)移動)，這些移動是使用 多個(gè)速度傳感器相互獨(dú)立地檢測的，并且在各種情況下，在圖像校正 過程中將這些移動不同地納入考慮。
在實(shí)踐中，另一種程序可以省卻對變形的校正。相反，只確定總 體變形的程度位于一個(gè)閾值之上或之下。采用質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的方式，應(yīng)當(dāng) 區(qū)分可以接受和不可接受的檢測處理。當(dāng)速度傳感器的對應(yīng)于平移和/
或旋轉(zhuǎn)的參數(shù)達(dá)到不似真(implausible)的數(shù)值或者數(shù)值比率時(shí)，存
在對應(yīng)于較大變形的指數(shù)。為此，需要至少兩個(gè)速度傳感器。
舉例來說，對于平移或者旋轉(zhuǎn)，兩個(gè)速度傳感器的彼此相向的較 大移動是相對不似真的。然而，測量誤差也可能導(dǎo)致變形之類的現(xiàn)象。 由于在上述兩種情況下的圖像質(zhì)量很可能有問題，因此提出重復(fù)該檢 測處理。
在帶狀傳感器以及設(shè)備表面的平面之外的具有旋轉(zhuǎn)點(diǎn)的滾動或傾 斜移動同樣是由人類關(guān)節(jié)系統(tǒng)引起的。這是理想圖像記錄所不希望的。 滾動移動只能通過多個(gè)帶狀傳感器檢測，并且主要通過平移和旋轉(zhuǎn)分量來表示。移動參數(shù)本身基本上可以根據(jù)多個(gè)速度傳感器的數(shù)值來計(jì) 算和估計(jì)，但是這些數(shù)值通過改變由滾動導(dǎo)致的變形分量而被疊加， 而所述滾動檢測起來很困難。
此外還假設(shè)冷的、潮濕的或油膩的手指的移動和變形略微不同。 在移動模型中考慮這些其他原因通常是很困難的。例如在變形的情況 下建議了各種程序。然而，在平移矢量、旋轉(zhuǎn)參數(shù)以及(在考慮了這 些因素的情況下)可校正變形中都可以在相當(dāng)程度上找到這些具有其 他原因的移動。
根據(jù)本發(fā)明改進(jìn)了所述行傳感器或帶狀傳感器的適用性，這是在 于校正了不想要的、通常不均勻的移動分量。
該校正可以通過圖像檢測之后的處理步驟進(jìn)行，或者可以作為檢 測處理的一部分進(jìn)行。 一種特別節(jié)省計(jì)算能力的變型只有在確定了生 物統(tǒng)計(jì)特征之后才應(yīng)用各校正步驟，也就是說，在生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄 (模板)中的特征的空間信息項(xiàng)目要少得多。在對原始圖像應(yīng)用校正 和對所述生物統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用校正之間的中間階段是對指紋的矢量
表(vectorial representation)應(yīng)用校正。所述矢量校正可以在對手指結(jié) 構(gòu)的矢量化的處理階段發(fā)生。在幾種處理算法中提供所述矢量化。
首先，討論在對整個(gè)圖像的圖像檢測之后發(fā)生的校正。隨著在時(shí) 間上等距離地檢測的每一行，為每個(gè)速度傳感器檢測一個(gè)移動矢量。 可以相對于前一行定義該矢量，或者在所有先前行上積分該矢量。如 果只使用一個(gè)速度傳感器，則該矢量被加到該行的各圖像點(diǎn)的坐標(biāo)上。 當(dāng)將該矢量與前一行相關(guān)時(shí)，則包括對該行的校正。然而，需要預(yù)先 矢量地減去在理想記錄的圖像的情況下在x方向上行進(jìn)的距離。
在有多個(gè)速度傳感器的情況下，除了上述平移矢量之外，還可以 確定旋轉(zhuǎn)矩陣。當(dāng)加上該矢量時(shí)，預(yù)先執(zhí)行該旋轉(zhuǎn)矩陣與圖像點(diǎn)的未 經(jīng)校正的矢量之間的矩陣矢量乘法。該乘法和加法的結(jié)果是圖像點(diǎn)的 經(jīng)校正的矢量。在這種情況下，相同的旋轉(zhuǎn)矩陣被用于整個(gè)行。 一個(gè) 平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)矩陣具有2x2個(gè)數(shù)值的維度，所述各數(shù)值不是獨(dú)立的而 是依賴于旋轉(zhuǎn)角度和中心點(diǎn)。為了確定各旋轉(zhuǎn)矩陣以及平移矢量，使 用速度傳感器的各移動數(shù)值來求解一個(gè)等式系統(tǒng)。通過插值計(jì)算，有可能減輕對各移動分量的不均勻離散化的斷裂
效應(yīng)(disruptive effect)。為此，提出對原始圖像使用過采樣、使用空 間濾波器以及在原始分辨率中的所謂的重新采樣。對稱折疊矩陣(或 者其他圖像濾波器矩陣)經(jīng)常被用于空間濾波器。
此時(shí)，可以有利地使用具有不對稱的明顯系數(shù)的矩陣，該矩陣的 非對稱性以補(bǔ)償?shù)姆绞綄σ粋€(gè)計(jì)算步驟中的移動進(jìn)行校正和插值。
與專用投影矩陣相結(jié)合的、對于一行或一些行的通過乘法的投影 修正也是可能的。為此目的，總是需要來自不同位置的多個(gè)速度信息 項(xiàng)目。
所測量的移動也可以緊接在對行的檢測之后立即發(fā)生。這可以特 別被用于考慮平移。如果沿著帶狀傳感器的移動超過一個(gè)像素，那么 例如該行的數(shù)據(jù)可以被位移，其位移量等于所述移動(以像素計(jì))。這 可以通過對于該行的存儲器地址計(jì)算來實(shí)現(xiàn)，或者與用于讀取各行的 連續(xù)位移相結(jié)合地實(shí)現(xiàn)。
可以通過控制對于一行的檢測時(shí)間、特別是各行檢測之間的等待 時(shí)間來影響橫穿帶狀傳感器的方向?？梢钥刂七@些時(shí)間，從而使得所 述檢測以基本等距的方式發(fā)生。對移動的測量使得總是有可能在行進(jìn) 了特定距離之后記錄新的一行。在這種情況下，(取決于移動速度的) 所需要的時(shí)間對于何時(shí)超出或者低于不似真時(shí)間不再有任何影響。
當(dāng)通過行傳感器多次檢測指尖上的各位置時(shí)，采用非常精確地測 量的移動序列可以改進(jìn)指紋的圖像。為此目的，將要執(zhí)行不間斷的移 動，例如手指的多次前后移動。對于移動的精確跟蹤允許對幾何位置 的非常精確的配置并且還對應(yīng)于對圖像的多次檢測，從而減小了各種 散射圖像誤差。當(dāng)大而寬的指尖僅由狹窄的帶狀傳感器以傳統(tǒng)方式不 完整地成像時(shí)，可以以類似方式執(zhí)行所述程序。在這種情況下，可以 通過多次移動來補(bǔ)充圖像。
激光可以用于行傳感器的照明目的，該傳感器基于光學(xué)檢測原理。 散射光特別可以很好地照明指尖。在多個(gè)激光二極管的情況下，這些 激光二極管可以在時(shí)間多路復(fù)用操作中產(chǎn)生對手指的不同照射角度。 由于交替的陰影，圖像可以展現(xiàn)出良好的對比度。多個(gè)激光二極管可以用于多色照明或者以特定的激發(fā)頻率進(jìn)行照明，其結(jié)果是可以推斷 出所應(yīng)用的材料的多種化學(xué)屬性。例如，可以確定血氧含量，而血氧 含量可以充當(dāng)防止仿制品的受限制的指數(shù)。
在可見激光的情況下， 一個(gè)人體工程學(xué)的優(yōu)點(diǎn)是對輸入點(diǎn)的清晰 的光學(xué)標(biāo)記，以及例如通過可見閃爍或者脈沖來發(fā)出信號。 為了說明大量應(yīng)用前景，下面列舉了一些應(yīng)用領(lǐng)域 與操作元件相結(jié)合的計(jì)算機(jī)使用是所提出的解決方案的一種顯而 易見的應(yīng)用。對于具有多種附加功能和服務(wù)的未來移動電話、具有通 信和筆記本功能(PDA)的便攜式計(jì)算機(jī)獲得了特別的優(yōu)點(diǎn)。其他應(yīng) 用包括對機(jī)動車輛的使用和電子操作功能。也可以通過指紋激活和操 作電子汽車鑰匙或訪問令牌?？梢酝ㄟ^所提出的該類系統(tǒng)控制付費(fèi)功 能。
提款機(jī)、POS系統(tǒng)、保險(xiǎn)箱、利用門鎖的訪問控制、轉(zhuǎn)門、上下 班計(jì)時(shí)終端和公共銀行終端都可以配備有根據(jù)本發(fā)明的解決方案。具 有重要操作處理的醫(yī)學(xué)設(shè)備需要一種安全機(jī)制，以便只有經(jīng)過特別授 權(quán)的人員才能啟動這些重要處理。根據(jù)本發(fā)明的解決方案可以用于這 一目的。在某些情況下，上述解決方案在飛機(jī)和機(jī)動車輛、機(jī)器和系 統(tǒng)中也是有用的。不僅在操作方面，上述解決方案還適用于維護(hù)、校 準(zhǔn)以及參數(shù)設(shè)置。利用輸入系統(tǒng)和手指檢測的組合，可以擬定利用對 操作人員的自動識別的特定操作功能。例如，股票市場計(jì)算機(jī)可以將 交易訂單與個(gè)人相聯(lián)系以作為證據(jù)。針對運(yùn)動和狩獵武器以及類似的
危險(xiǎn)項(xiàng)目、工具和機(jī)器的與個(gè)人相關(guān)的安全措施是可能的。
在產(chǎn)品成本非常重要的情況下以及在空間條件極度受限制的情況 下，應(yīng)用本發(fā)明特別有利。


下面將參考附圖中所示的示例性實(shí)施例進(jìn)一步描述本發(fā)明，然而， 本發(fā)明并不限于此。
圖1示出了第一示例性實(shí)施例。
圖2示出了生物統(tǒng)計(jì)特征的失真。圖3示出了具有不同分量安排的其他示例性實(shí)施例。 圖4示出了使用特性移動序列作為附加特征來防止仿制品的可能性。
圖5示出了兩個(gè)應(yīng)用例子。
具體實(shí)施例方式
圖1示出了包括行傳感器或帶狀傳感器(l)以及光電子速度傳感
器(2)的一個(gè)示例性實(shí)施例，這里只能看到突出設(shè)備外殼(4)之外 的部分。手指(3)的指尖在輕微的按壓壓力下被放置在外殼(4)的 表面上，并且在速度傳感器(2)以及行傳感器或帶狀傳感器(1)上 拖動。
只有當(dāng)橫穿帶狀傳感器發(fā)生具有可再現(xiàn)的恒定速度的直線移動 時(shí)，才產(chǎn)生具有正交等距圖像點(diǎn)的規(guī)則圖像。通過手指移動只能在有 限程度上逼近上述移動。相反地，略微彎曲的不均勻的變速移動(5) 是典型的。
圖2a到2c圖示出了由于不均勻移動而導(dǎo)致的圖像失真以及生物 統(tǒng)計(jì)特征的失真。圖2a示出了沒有失真的指紋，例如利用很好的平面 傳感器可以提供該指紋。例如，從結(jié)構(gòu)的中心(核心)開始的箭頭指 向幾個(gè)所選擇的特征(細(xì)節(jié)(minutiae)),這些所選擇的特征在生物 統(tǒng)計(jì)識別中是決定性的。
在圖2b中，這些特征之間的幾何關(guān)系被顯示為相對于坐標(biāo)系的矢 量箭頭。圖2c示出了與圖2a具有相同指向的同一指紋的圖像。然而， 圖2c的圖像現(xiàn)在受到嚴(yán)重的失真。這種失真是由于已經(jīng)討論過的原因 而出現(xiàn)的，主要是由于在行傳感器的情況下手指的不均勻移動。其中 同樣通過箭頭示出所選擇的特征(細(xì)節(jié))。
圖2d用矢量箭頭示出了這些特征之間的幾何關(guān)系。與圖2b相比，
可以看出各特征的幾何位置顯著不同。只有用特別能夠容差的參數(shù)進(jìn) 行設(shè)置時(shí)，檢測處理才可能將上述偏差接受為完全相同。然而，較高 的容差還會導(dǎo)致對其他人的錯(cuò)誤識別。
圖3a到3i示出了帶狀傳感器(6)和速度傳感器(7)的分量安排的例子。具體來說
圖3a示出了只檢測橫穿帶狀傳感器(6)的速度分量(這里表示 為x)的簡單速度傳感器(7)。因此，該速度分量是檢測期間的手指
移動的主要分量。利用這種安排，例如可以作為距離的函數(shù)來控制行 記錄的時(shí)間。
圖3b示出了只檢測沿著帶狀傳感器(6)的速度分量(這里表示 為y)的速度傳感器(7)。在理想的檢測處理中，該速度分量應(yīng)該接 近零。如果移動超過了帶狀傳感器(6)的像素寬度，則例如可以根據(jù) 移動對該行的數(shù)據(jù)進(jìn)行位移，其位移量等于相應(yīng)的像素?cái)?shù)量。
圖3c示出了檢測橫穿(x)以及沿著(y)帶狀傳感器(6)的速 度分量的速度傳感器(7)。從而可以測量平移移動。
圖3d示出了檢測橫穿(x)以及沿著(y)帶狀傳感器(6)的速 度分量的速度傳感器(7)。利用速度傳感器(7)在兩個(gè)帶狀傳感器(6) 之間的中心處的位置，圖像和速度檢測從相對于手指的相同位置發(fā)生， 也就是說主要具有較小的誤差并且是在相同的接觸周期內(nèi)發(fā)生的。
此外，通過上升區(qū)域或者下降，速度傳感器(7)可以形成對手指 定位的有形幫助。如果使用彼此相接的多個(gè)行傳感器，則在各種情況 下可以有利地把這些行傳感器設(shè)計(jì)得更小。通過使用多個(gè)帶狀傳感器 (6)，可以檢測大的指尖的更寬的區(qū)域。當(dāng)通過帶狀傳感器之間的中 斷時(shí)，落在中間的圖像條只會導(dǎo)致忽略很少的幾個(gè)生物統(tǒng)計(jì)特征，而 這些特征本來就是冗余的。
圖3e示出了檢測與圖像成對角并且與帶狀傳感器(6)成一定角 度的速度分量(x，和y')的速度傳感器(7)。在這種情況下，各速度 分量的角度被選擇為具有相同大小但是具有不同指向。
通常，生產(chǎn)具有正交記錄分量的速度傳感器，以便形成與帶狀傳 感器(6)的45度角。在這種情況下，決定性的優(yōu)點(diǎn)在于，在給出實(shí) 際上理想的移動的情況下，速度分量和測量技術(shù)誤差范圍具有相同的 大小。從而可以檢測平移移動。
圖3f示出了兩個(gè)速度傳感器(7)的安排，其在各種情況下檢測 橫穿(Xl， x2)以及沿著(yi， y2)帶狀傳感器(6)的速度分量。從而可以通過速度傳感器的不同數(shù)值檢測平移移動和旋轉(zhuǎn)。如果所得到 的結(jié)果偏離似真數(shù)值，則存在測量誤差或者手指組織的較大變形。
圖3g的安排與圖3f類似，但是可以在接觸帶狀傳感器(6)之前 不久或者在接觸帶狀傳感器(6)之后不久通過至少一個(gè)速度傳感器測 量平移。因此連續(xù)地為所檢測的各行提供一個(gè)速度，即使在下部的圖 像起點(diǎn)和上部的圖像終點(diǎn)處也是如此。
圖3h的安排也與圖3f類似，但是在該例中，速度傳感器(7)位 于帶狀傳感器(6)的末端。這種安排的優(yōu)點(diǎn)是帶狀傳感器和速度傳感 器在移動的主要方向上的相同位置。然而，在較短的帶狀傳感器(6) 的情況下，只能通過兩個(gè)速度傳感器(7)來檢測狹窄的指尖。在較大 的手指的情況下，較短的行傳感器輪流提供很少的信息。然而，這在 一定程度上可以通過本發(fā)明上下文中所提出的多次移動來補(bǔ)償。
圖3i還可以借助于兩個(gè)以上的速度傳感器(7)來處理上面討論 的變形。在帶狀傳感器(6)上面和下面的偏移安排的優(yōu)點(diǎn)在于，在對 于每個(gè)速度傳感器(7)給出實(shí)際上理想的移動的情況下，指尖的其他 部分經(jīng)歷速度測量。
圖4a到4c示出了一個(gè)特性移動序列的例子，其可以被用作除了 生物統(tǒng)計(jì)識別之外的附加特征。
圖4a示出了連續(xù)的部分移動的例子。在第一移動部分(9)中， 手指移動朝下，并且略微向右。然后是第二移動部分(10)。此時(shí)，手 指移動朝上，并且略微向右。最后是第三移動部分(ll)，手指不位移， 而是在逆時(shí)針方向上執(zhí)行大約180度的手指旋轉(zhuǎn)。
圖4b示出了具有兩個(gè)速度傳感器(7)和一個(gè)行傳感器的設(shè)備上 部(8)。這里示出了與圖4a和4c中所示的例子相對應(yīng)的參考坐標(biāo)系 (x， y， a)。
圖4c示出了在所述特性移動期間的矢量(x， y)以及旋轉(zhuǎn)角度a 的進(jìn)程。其中用三個(gè)圖表將這些變量顯示為時(shí)間函數(shù)。通過x分量的 急劇下降、y分量的輕微上升以及旋轉(zhuǎn)角度不變來辨識出第一移動部 分(12)的周期。在第二移動部分(13)的周期中，觀察到x分量的 急劇上升、y分量的另一個(gè)輕微上升以及旋轉(zhuǎn)角度不變。通過x和y分量不變來表征第三移動部分(14)的周期，但是旋轉(zhuǎn)角度急劇增大。
圖5a和5b示出了兩種應(yīng)用。根據(jù)本發(fā)明的解決方案可以非常有 利地用在移動電話(15)中。在節(jié)省空間的單元中，速度傳感器(7) 和行傳感器(6)被放置在外殼的正面或側(cè)面。該單元同時(shí)是用于菜單 控制以及用于識別系統(tǒng)的輸入部件。
另一個(gè)例子是由相關(guān)的指紋激活的小型驗(yàn)證設(shè)備。這里示出了具 有USB接口的所謂的令牌(16)，其可以用于PC系統(tǒng)的訪問控制。
權(quán)利要求
1、一種檢測皮膚紋路、特別是指紋的方法，其中，包括至少一個(gè)長窄傳感器行的至少一個(gè)帶狀傳感器，當(dāng)指尖經(jīng)過該帶狀傳感器時(shí)，該帶狀傳感器檢測指尖的結(jié)構(gòu)；至少一個(gè)光電子速度傳感器連續(xù)確定手指移動；指尖移動經(jīng)過至少一個(gè)光電子速度傳感器和該帶狀傳感器，其特征在于a)所確定的手指移動被用于校正由于不均勻移動而失真的手指結(jié)構(gòu)的圖像，b)一個(gè)移動序列發(fā)生，使得c)指尖的相同區(qū)域多次經(jīng)過所述帶狀傳感器并且被檢測為圖像；以及d)對于一個(gè)區(qū)域被多次檢測的圖像信息被納入考慮以用于圖像改善的目的，該圖像信息的至少一部分空間配置通過所檢測的移動序列而發(fā)生，其中由具有特性移動序列的用戶來執(zhí)行手指移動，并且將所確定的手指移動與所存儲的手指移動相比較，以及所存儲的手指移動對于用戶是典型的，并且該用戶因此被識別。
2、 如權(quán)利要求l中所述的方法，其中，在對手指移動的檢測過程 中，根據(jù)不同的結(jié)果將檢測單元切換到各種操作狀態(tài)。
3、 一種用于檢測皮膚紋路、特別是指紋的裝置，其特征在于至 少一個(gè)光電子速度傳感器(2)被定位在帶狀傳感器(1)的最多幾毫 米的范圍內(nèi)，并且在用于檢測指紋的一點(diǎn)處被定位在一個(gè)表面(8)上，所述光電子速度傳感器(2)的光源同時(shí)是該速度傳感器(2)的 照明設(shè)備。
4、 如權(quán)利要求3中所述的裝置，其特征在于至少一個(gè)光電子速 度傳感器(2)和所述帶狀傳感器(1)形成一個(gè)緊致組件(4)。
5、 如權(quán)利要求3和4中的任何一個(gè)所述的裝置，其特征在于至 少一個(gè)光電子速度傳感器(2)同時(shí)被用作用于操作功能的輸入設(shè)備。
6、 如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于將所述光電子速度傳感器(2)和帶狀傳感器(1)施加到彈性支撐材料，結(jié)果，由該 支撐材料形成的手指承載表面(8)至少在橫穿該帶狀傳感器(1)的方向上是柔韌的。
7、 如權(quán)利要求3或4所述的裝置，其特征在于該裝置是用于移 動通信的設(shè)備(15)的一部分。
全文摘要
本發(fā)明涉及利用光電子速度傳感器的掃描型成像器的指紋檢測。在用于檢測皮膚紋路、特別是指紋的方法和裝置中，規(guī)定包括至少一個(gè)長窄傳感器行的至少一個(gè)帶狀傳感器，當(dāng)指尖經(jīng)過該帶狀傳感器時(shí)，檢測指尖的結(jié)構(gòu)；至少一個(gè)光電子速度傳感器連續(xù)確定手指移動；指尖移動經(jīng)過至少一個(gè)光電子速度傳感器和該帶狀傳感器；以及所確定的手指移動被用于校正由于不均勻移動而失真的手指結(jié)構(gòu)的圖像。優(yōu)選地，所述速度傳感器評估在移動的手指表面反射的已調(diào)制激光的調(diào)制的多普勒偏移。
文檔編號G06K9/00GK101458765SQ20081018472
公開日2009年6月17日 申請日期2004年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月11日
發(fā)明者K·-R·里姆施奈德, R·杜伊維, S·德魯斯, T·哈澤 申請人:Nxp股份有限公司