专利名称：指纹图像输入装置和利用指纹图像的活体识别方法
技术领域：
本发明涉及指纹图像输入装置和利用指纹图像的活体识别方法。更具体地说，指纹图像输入装置和利用指纹图像的活体识别方法，这种方法是根据手指被加入以后颜色的改变，确定在扫描下的手指是活的还是死的手指。
背景技术：
通常，指纹图像输入装置已应用于计算机安全之类的采用的指纹识别和用户鉴别中。但就指纹识别而言，指纹图像输入装置被用来识别死体以及活体。因为某些被指纹装置对活体和死体不加区分，它们可能允许对计算机的未经授权的访问，例如，某人使用另一个人的鉴别手印的假冒品(复制品)。因此，如果指纹图像输入装置能在活的手指和死的手指之间加以区分，就能防止这类对信息系统的未经授权的访问，从而保证ID的安全。因此，非常需要发展这类活体识别方法。
日本专利No.2708051(日本专利公布No.平3-087981)披露一种能区分活体和死体的指纹图像输入装置。图1表示在这个日本专利No.2708051中披露的装置的主要构件。这个指纹图像输入装置包括光源101，透明单元102，反射镜102a，透镜103，孔径103a，彩色CCD104，被采集指纹图像处理器105，图像采集电路105a，指纹识别电路105b，活体识别单元106，色彩偏差校正电路106a，色彩识别电路106b，和红、绿、蓝彩色分离电路107。
现在描述这一现有技术指纹图像输入装置的操作。从光源101发射的光线，经过透明装置102照射手指。被手指散射的部分光，按图1中的箭头所示的方向前进，在反射镜102a上被反射到达孔径103a。已通过孔径103a的光，经透镜103聚焦至彩色CCD104上。从彩色CCD104输出的光，被红绿蓝分离电路107分离为红、绿、蓝三色图像信息，然后进入活体识别单元106。活体识别单元106检测因手指上压力的增加而引起的手指颜色的变化，确定手指是活的还是死的手指。
明确地说，这项技术利用的是光反射率，在手指刚刚接触检测器表面的瞬间，与手指对抗检测器表面而受压的瞬间之间，光反射率有所变化。事实上，人手指的光反射率是在450-600nm波长范围内并有显著不同，取决于手指是否受压。在手指刚刚接触检测器表面的瞬间，指纹图像呈现红色，当手指对抗检测器表面而强烈受压时，则呈现白色。色彩偏差校正电路106a和色彩识别电路106b根据不同的手指压力引起指纹图像中的色彩差异，确定手指是不是活的手指。如果手指被确定是活的，被采集指纹图像处理器105中的指纹识别电路105b将它的指纹图像，与事先登记在其中的指纹图像进行比较。
另一种活体识别装置被披露在日本专利No.2774313(日本专利公布No.平2-307176)中。这种活体识别装置利用手指抵住透明装置而受压时的手指凹坑颜色的变化。它根据来自光源经透明装置至手指的照射光，从手指返转的光反射率的变化，确定手指是活的还是死的。这种活体识别装置做得较薄，在与透明装置的上表面相对的底面的下面，设有光源，光电检测器，聚焦装置和波长选择装置，手指放置在它的上表面，手指下面还设有光引导装置和光极化装置。
另一种指纹图像输入装置被披露在日本专利公布No.2000-20684中。它将来自活动扫描光源的探测光和参考光照射到与检测器表面接触的手指上。检测单元输出与已通过手指内侧的探测光强度相应的电信号，和已通过手指内侧的参考光强度相应的另一电信号。然后，活体识别单元根据由通光检测单元提供的两个电信号所代表的探测光和参考光强度，确定放置在检测器表面的手指是活的还是死的手指。
这些现有技术的指纹图像输入装置有下面一些缺点。
首先，很难以高可靠性识别活体。现有的装置根据与手指压力的强和弱相应的指纹图像颜色，来确定手指是活的还是死的。但是，就指纹识别来说，需要一些判据。虽然在前述专利申请中没有描述具体的判据，但一般是当手指所呈现的颜色变化大于一预定阀值时，手指就被判定为活的。
然而，在周围温度低的时候，手指在凹陷之前呈现白色，因此手指的颜色不会有多大变化。当手指轻微压上检测器时，颜色的变化也小。在这种情况下，令人担心的是所获得的颜色变化小于预定的阈值，装置便错误地将活的手指判定为死的。除此以外，识别可靠性与手指受到强压力期间如何采集指纹图像有很大关系。
在日本专利No.2708051(日本专利公布No.平3-087981)中，有“利用图像检测装置稳定地检测指纹图像”的描述。但没有披露判定图像稳定与否的具体手段。依赖于放置在检测器表面上的手指的状态，甚至活的手指所发生的颜色变化也可能不会大到足以识别的程度。现有技术装置有这样的一个缺点，即进行可靠活体识别的能力差。
其次，现有技术装置有另一缺点，即由于它们需要聚光系统，所以难以缩减体积。因此，不容易把它的装入移动式设备，例如峰窝式电话和个人数字助理。聚光系统需要透镜，透明体，反射镜和其他部件，用以导光和产生几乎不失真的图像。因此，这种聚光系统变得象手指宽度那么厚。在横的方向，为了聚集，透镜必须离开CCD至少10mm。因此，不可能把现有技术装置装入很小的空间，例如1mm厚和20mm宽。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种指纹图像输入装置和利用能以高可靠度识别活体的指纹图像的活体识别方法，装置小到足可装入移动式设备中。
根据本发明的指纹图像输入装置包括图像输入单元，其用于顺次地采集按压在检测器表面上的手指的多重指纹图像；颜色检测单元，其用于与多重指纹图像的输入同步地检测手指的颜色；压力检测单元，其用于当多重指纹图像被采集时，检测反映手指施加于检测器表面的压力的物理量；和判定单元，其用于通过分析物理量和手指颜色之间的相关性，判定手指是活的还是死的手指。
颜色检测单元可包括用于计算在多重指纹图像中的每一图像中心的特定面积的色彩平均值的电路。
压力检测单元可包括用于处理指纹图像的电路，物理量是与接触检测器表面的手指面积有关的量。
压力检测单元可以是位于图像输入单元的背面或外围的压力传感器。
图像输入单元可以是形成在透明衬底上，并对电容或压力敏感的指纹图像传感器，指纹图像传感器具有处于其背面的光源和彩色传感器。
图像输入单元可以具有带有手指接触面的棱镜；光源，其向棱镜发射光线，在倾斜方向照射手指；和光学系统，其聚焦从图像传感器的手指接触面返转的光。
根据本发明另一方面的指纹图像输入装置，包括彩色图像传感器，其用于采集与图像输入表面紧密接触的手指指纹的彩色图像数据；图像临时存储单元，其用于存储指纹图像数据；面积信息提取单元，其用于从指纹图像数据中提取指纹的面积信息；色彩信息提取单元，其用于提取指纹的色彩信息；和活体识别单元，其用于通过检验面积信息和色彩信息之间的相关，参照预定的阈值以及为每种预定颜色所计算出的指纹面积的相关系数，判定手指是活的还是死的手指。
上述面积信息提取单元，能通过从指纹图像数据中提取的指纹脊和谷的计算，和指纹的脊和谷区的面积的计算，提取指纹的面积信息；色彩信息提取单元，能进行选择指纹特定面积例如指纹的中心区面积的计算，和进行在特定面积上每一红(R)、绿(G)和蓝(B)的平均水平的计算。
根据本发明的基于指纹的活体识别方法，包括步骤采集与图像输入表面接触的手指的彩色指纹图像数据；在临时存储器中存储指纹图像数据；从指纹图像数据中提取指纹的面积信息；提取指纹的色彩信息；和通过检验面积信息和色彩信息之间的相关，参照预定的阈值以及为每种预定色彩所计算出的指纹面积的相关系数，判定手指是活的还是死的手指。
上述面积信息提取的步骤，能通过从指纹图像数据中提取指纹脊和谷的计算，和指纹的脊和谷区的面积的计算，提取指纹的面积信息；色彩信息提取的步骤，能进行选择指纹特定面积例如指纹的中心区面积的计算，和进行在特定面积上每一红(R)、绿(G)和蓝(B)的平均水平的计算。
图1是说明性的图，表示现有技术指纹图像输入装置的主要构件；图2是表示根据本发明第一实施例的指纹图像输入装置的主要构件和基于指纹的活体识别方法的示意图；图3是表示根据本发明第一实施例中的活体识别的原理的示意图；图4是表示根据本发明第一实施例中的活体识别的原理的示意图；图5是表示根据本发明第一实施例中的活体识别的原理的示意图；图6是表示根据本发明第一实施例中的活体识别的原理的示意图；图7是表示本发明第一实施例的应用实例中产生的指纹图像面积和色彩的变化的示意图；图8是表示在本发明第一实施例的应用实例中产生的指纹图像面积和色彩之间的相关性的示意图；图9是本发明的第四实施例的示意图；图10是本发明的第五实施例的示意图；图11是表示根据本发明第六实施例的主要构件的示意图；图12是表示在本发明的第六实施例中的指纹图像面积和色彩的变化的示意图；图13是表示在本发明的第六实施例中的指纹图像面积和色彩之间的相关性的示意图；图14是说明装置操作的实例流程图。
具体实施例方式
现在，将参考附图，在下面描述指纹图像输入装置和基于指纹的活体识别方法。
图2表示根据本发明第一实施例的指纹图像输入装置的结构，该指纹图像输入装置具有手指所按压的检测器表面，并包括彩色图像传感器10，其获取按下检测器表面的手指的彩色图像；图像临时存储单元20，其临时存储器彩色图像传感器10的检测信号；面积信息提取单元30，其从图像临时存储单元20的输出信号中提取面积信息；色彩信息提取单元30，其从图像临时存储单元20中提取色彩信息；图像存储单元50，其将图像临时存储单元20的输出信号作为图像存储；活体识别单元60，其根据从面积信息提取单元30和色彩信息提取单元30发送来的面积和色彩信息，确定手指是否活的手指；以及指纹识别单元70，其根据图像存储单元50和活体识别单元60的输出信号识别指纹。
当手指按压检测器表面(图像输入表面)时，彩色图像传感器10采集于手指的图像。由于在这种结构中不需要聚光系统，所以传感器可做得很薄。在下面提及的日本专利公布中所披露的结构，也可适用作彩色图像传感器10的结构。
第一，如日本专利No.2025659所披露的，平面光源与在透明衬度上以等间隔排列的多个光电检测器耦合，以形成两维传感器单元。读平面光源具有与液晶显示器采用的背面光相同的结构。例如，在光导板末端排列有发光二极管(LED)的结构中，光导板引导光线向板的边缘入射，并使光线扩散，充当平面光源。另一种方法，平面光源也可由两个电极之间夹以场致发光(EL)材料而制成。在透明衬底上形成的两维传感器单元的组成是光电检测器，例如光电二极管；光电导体，其由非晶硅(a-si)，例如光敏材料制成，和由在单个光电检测器中形成的薄膜晶体管(TFT)制成，用于信号读出。
第二，如日本专利No.3008859所披露的，两维传感器单元具有多个等间隔排列的光电检测器；和光发射器件，其中每一个光发射器件小于光电检测器，被安排在各个光电检测器与手指之间。这种光发射器件由两个夹以EL材料的电极组成。
第三，如日本专利申请No.2001-034571所披露的，多个光发射器件和光电检测器两维地排列在衬底上，充当显示装置和光源，每个光发射器的光强是受控制的。
上述彩色图像传感器10响应外部控制信号开始指纹图像数据的输出，在预定的时间中连续地发出指纹图像数据，然后，停止数据输出。
图像临时存储单元20临时存储从彩色图像传感器10连续传送来的手指的指纹图像数据。这个存储单元20可由半导体存储器制成，例如可高速地进行写/读的DRAM和SRAM。存储在图像临时存储单元20的指纹图像数据发送至面积信息提取单元30、色彩信息提取单元30和图像存储单元50。
面积信息提取单元30包括提取指纹图像的面积信息的计算电路。明确地说，例如，这是一种计算电路，用于提取指纹图像的脊线和谷线，以及计算存在脊线和谷线的面积。另一方面，它可以是一种以单一的阈值电平进行两个电平的图像处理的计算电路(对于值等于或大于阈值的象素将象素值变为“1”，对于值小于阈值的象素将象素质值变为“0”)，并且使用这样的象素数目作为面积信息。如后面将要详细描述的，应该选用适合彩色图像传感器10特性的计算电路，以提取面积信息。面积信息提取单元30包括这样的电路，通过该电路，将连续地获得的指纹图像的指纹面积S(t)发送给图像存储单元50和活体识别单元60。
色彩信息提取单元40包括提取指纹色彩信息的计算电路。具体地说，这种电路选取指纹的特定面积，例如指纹的中心面积，以及计算特定面积中每个红(R)，绿(G)和蓝(B)颜色的平均值。另外，色彩信息提取单元40还包括一种电路，它将顺序的指纹图像数据的每种颜色(R，G，B)的输出Ci(t)(i＝R，G，B)或平均值发送至活体识别单元60。
图像存储单元50包括估算S(t)或面积信息提取单元30的输出电路；和电路，其在指纹面积已到达最大值时，接收指纹图像数据并在此保存这个数据。它还具有电路，其在指纹面积已到达最大时，将控制信号发送至彩色图像传感器10，停止图像采集。除此以外，它还具有电路，其响应来自活体识别单元60的控制信号，将所存储的指纹图像数据发送至指纹识别单元70。
活体识别单元60包括电路，其接收从面积信息提取单元30发送来的指纹面积S(t)，和接收从色彩信息提取单元30发送来的在顺序的指纹图像中每种颜色的平均Ci(t)(i＝R，G，B)，然后，估算色彩信息与面积信息之间的相关。活体识别单元60还包括电路，其根据预定的阈值和与每种颜色所计算得的面积的相关系数，确定手指是活的还是死的。另外，活体识别单元60还具有电路，其产生控制信号，用于将保存在图像存储单元50中的指纹图像数据发送至指纹识别单元70，在确定手指是活的时，开始指纹识别的计算。
指纹识别单元70具有电路，其接收从图像存储单元50发送来的指纹图像数据，将指纹图像数据寄存，作为单独的信息，并把该图像与先前寄存在这里的指纹图像进行比较。
下面，参考图2至6和图14，将描述根据第一实施例的指纹图像输入装置和基于指纹的活体识别方法是怎样工作的。图3至6是说明性的图，表示指纹图像输入装置和基于指纹的活体识别方法的活体识别功能的工作原理。图14是说明它的操作实例的流程图。
首先，如图14所示，手指放在彩色图像传感器10上(步骤S1)。作用在彩色图像传感器10上的压力被检测，然后，采集手指的图像数据(步骤S2)。从采集的图像数据中提取面积信息S(t)(步骤S3)，也提取色彩信息Ci(t)(步骤S4)。上述步骤S2至S4重复到手指压力变成最大值(步骤S5/否)。当手指压力被确定已到达最大值时(步骤S5/是)，活体识别处理完成(步骤S6)。上述步骤在下面进一步详细描述。
图3表示从手指放到彩色图像传感器10的瞬间至手指离开传感器的瞬间所看到的手指的一系列行程。在图3中，时间是从左至右进行的。在手指接触之后立即采集的指纹图像是小面积的。随着手指压力的增长，指纹的面积增加，在到达最大值之后，手指压力与指纹面积一起减小。最后，手指离开传感器。
图4示意性地的说明在上述手指系列运动期间，手指的面积是如何改变的，这是从面积信息提取单元30输出的S(t)。同时，图5表示一个原理图，说明指纹中心面积在色彩上的变化，这是从色彩信息提取单元40输出的Ci(t)(i＝R，G，B)。图6原理性的说明由活体识别单元60提供的S(t)与Ci(t)之间的相关，当具有比预定值强的相关值时，活体识别单元60确定手指是活性的。然后，指纹信息寄存到指纹识别单元70，或者与先前所寄存的指纹信息进行比较。
下面的描述将参考一些实际数字数据和阈值设置的实例，说明从指纹图像输入到活体识别的步骤。彩色图像传感器10包括白光源；两维图像传感器，其装备有对所有象元中每个R，G，B(红，绿，蓝)色彩滤光的彩色滤光器；和指纹输入面(手指接触的表面)。该指纹输入面是一块光纤板，其是一束多个熔合的纤维，已切割为1mm厚度并被抛光。两维图像传感器在具有1024×768象素的256个灰度级上输出独立的R，G，B图像。光学纤维板是由一束光纤(直径为25μm，数字口径为0.57μm)制成，该光纤与填充在其间的光吸收材料熔合在一起。
(应用实例)下面是一个部分修改图2结构的实例，用于获得从手指接触传感器表面的瞬间和手指离开传感器的瞬间所看到的手指一系列行程。在这个结构中，停止图像采集的控制信号，在手指已离开传感器表面的瞬间，或在指纹面积再次变成“0”的瞬间，而不是提取的指纹图像的面积变成最大的瞬间，被发送至彩色图像传感器10。
由此可见，从手指已接触传感器的瞬间到手指已离开传感器的瞬间，所得到的一系列指纹图像被采集，面积信号S(t)和平均彩色信号Ci(t)从所获得指纹图像中提取。为了产生面积信号S(t)，通过平均RGB的象素值，提供RGB彩色的各个指纹图像，然后将原始图像转换为两个电平的灰度级指纹图像。两个电平之一的象素值用作面积值。这两个电平转换的阈值被设置为“140”。同时，Ci(t)或平均彩色信号是通过平均指纹图像中心面积(指纹螺环的128×128象素面积)中每一色彩的象素值给出的。
图7表示用上述方法计算的面积信号S(t)和平均彩色信号Ci(t)。在图7中，横轴指示所采集的指纹图像的序号。在手指接触传感器表面的瞬间与手指离开传感器的瞬间之间获取的一系列指纹图像被给以序号。所链接的菱形表示面积信号S(t)，其标度表示在左侧。具体地说，在这15个指纹图像中，S(t)从约1.1×10+5增加至2.0×10+5，然后减小。另一方面，平均彩色信号Ci(t)由3行未连线的断续标记表示，其标度示于右侧。R，G，B的Ci(t)幅度按从最大到最小的次序排列。这还表示Ci(t)与S(t)一道改变。除在第四和第十三个彩色信号产生间断变化以外，在Ci(t)和S(t)之间存在正相关。
图8是将图7数据绘制成轴线由S(t)和Ci(t)表示的图。图8指示在面积与所有彩色象素值之间，存在高度的相关关系。曲线图中的数字是三种颜色的平均彩色信号与面积之间的相关系数，是由15个图像计算而得到的。G，B，R的相关系数按从最大到最小的次序排列。虽然在面积小时，彩色信号有所起伏，但是随着面积增长，相关逐渐增强。大于某一数值的面积信号表示与所有彩色中的彩色信号有很强的相关关系。
根据上述结果，我们能够设置一个判据，用以判定手指是活的还是死的手指。例如，如果绿色信号与面积之间的相关系数是0.9或更大，则可做出这类判决，确定手指是活的。另一方面，我们能决定一个判据，与面积的相关系数按从最高到最小的排列是绿、蓝、红；或者一个判据，与面积的相关系数按最高到最小的排列是绿、兰、红、同时绿信号的相关系数是0.9或更高。各种不同的判据可以这样来设置。当判据变得严格时，误识别可能出现，但安全性等级变得较高。在上述判据的实例中，第三种判据是最严格的。
允许什么范围的误识别和应当提出什么级别的指纹安全性，取决于使用什么样的指纹传感器。例如，利用家用计算机互联网的浏览主页不需要高级别的安全性，但是误识别的余量将是小的。同时，当人们用公共场所的一个自动终端，例如本发办公室，发出一份证明书时情况将相反。换句话说，本地办公室要求比较严格的活体识别判据。由此可见，应当根据指纹传感器的每一应用来选择合适的判据。选择判据的方法类似于指纹识别选择判据的方法。
应当注意到，图7和8中所示的特性显著地伴随彩色图像传感器10的特性而变化。因为图7所示的曲线相当大地取决于所采用的彩色图像传感器的特性，所以，确定手指是活的还是死的，其判据应当根据图8中获得的相关性来建立。这一点将参考几个专门的实例，在第二实施例中说明。
概括地说，根据本发明，由于手指放在传感器的表面上，所以，面积和色彩信息从顺序采集的多重图像中提取，并且面积信息和色彩信息之间的相关，被用来确定手指是活的还是死的。因此，比之现有技术指纹图像输入装置，根据在手指压力强时和弱时所采集的两幅指纹图像的颜色区分活的手指和死的手指，本发明中的活体识别能以更高的可靠性实现。在现有技术的装置中，因为不清楚怎样确定何时手指的压力大，所以有一种担心，可能因输入图像不稳定性而降低识别的可靠性。本发明的指纹输入装置的厚度是平面光源的厚度和彩色图像传感器的厚度的总和，例如，近似1-2mm。与现有技术厚度如手指一样的装置相比较，本发明的装置非常薄。当装置被安装在移动式设备和类似装置中时，这将是很大的优点。
下面，将描述本发明的第二实施例。在上述本发明的第一实施例中，图2的结构用在检验从一系列指纹图像中提取的面积信息和色彩信息之间的相关的单元中。但是，实现这一功能的电路不限于上述实例。例如，该功能可由这样一种电路实现，即一系列指纹图像存储在大容量存储电路中，在提取面积信息和色彩信息，以及实施指纹识别步骤的期间，再将这种图像信息从存储电路中取出来。另外，除图2的彩色图像传感器10以外的所有或部分构件，可以用例如个人计算机中的中心处理单元(CPU)和存储器代替，以便实现同样的功能。因此，这种结构包括在本发明的变形中。
下面，将描述本发明的第三实施例。在本发明的第一实施例中，在手指已接触传感器表面的瞬间与指纹面积最大的瞬间之间，或者在手指已接触传感器表面的瞬间与手指已离开传感器表面的瞬间之间的一系列指纹图像已被采集。但是，还有另外一些采集一系列指纹图像的方法。基于面积信息和色彩信息之间的相关的活体识别，可利用手指压力增加或减小的过程之一的结构来实现。另一种方法，相关信息可从手指多次按压传感器的过程中采集的一系列指纹图像中，提取类似信息而获得。在这种情况下，由于有允许传感器用户调整作用到传感器的手指压力，和将手指的中心精确地放置在传感器的表面上的优点，所以能够以高稳定性采集到清楚的指纹图像。这种结构属于本发明的变形。
下面，将说明本发明的第四实施例。虽然在上述实施例中，面积信息已经从指纹图像中提取，但是，手指的压力可直接代表面积而被检测。图9表示这种结构的第四实施例。这个指纹图像输入装置包括彩色图像传感器10，图像临时存储单元20b，色彩信息提取单元30，图像存储单元50b，活体识别单元60b，指纹识别单元70和压力传感器80。
在图9和图2中，相同功能的构件具有相同的编号。图9的特点是在彩色图像传感器10的背面安装了压力传感器80。压力传感器80的背面固定在一个部件上(未示出，例如，装置的机架部件)，该传感器输出一个信号P(t)，其正比例于加在彩色图像传感器10上的压力。信号P(t)的作用类似于图2中的面积信号S(t)，P(t)被发送至图9中的活体识别单元60b和图像存储单元50b。活体识别单元60b检验信号P(t)与平均彩色信号Ci(t)之间的相关。其它的操作与图2结构中的操作相同，活体识别能以与图2的结构获得的同样高的可靠性实现。另一方面，这个装置的图像输入装置变得比图2的彩色图像传感器厚出压力传感器80的厚度，至少是1-2mm，或者比图2的图像输入装置还要大一点。另外，与图2的结构比较，这种结构有需增加必要部件数目的缺点，因为已增加了压力传感器。
下面，将描述本发明的第五实施例。在另一个变形中，可安装专用于提取色彩信息的彩色传感器。图10表示这种结构的第五实施例。该指纹图像输入装置包括指纹图像传感器10c，光源11c，彩色传感器12c，图像临时存储单元20c，面积信息提取单元30，图像存储单元50，活体识别单元60和指纹识别单元70。
在图10和图2中，相同功能的构件具有相同的编号。图10的特点是光源11c和彩色传感器12c，它们安装在指纹图像传感器10c的背面。这种指纹图像传感器10c，在透明衬底上形成，需要通过设在透明衬底背面的光入射部件，但不一定是彩色图像传感器。例如，它可以是单色光学图像传感器，或者在透明衬底上形成的电容敏感指纹图像传感器，例如日本专利No.295932中所披露的。
电容敏感传感器的细节在上述日本专利公布中被披露。在原理上，通过检测在手指表面与安装在象素中的电极之间建立的电容，手指表面的凹的/凸的信息被采集作为图像。另一种方法，指纹图像传感器10c可以是在透明衬底上形成的并检测压力分布的指纹图像传感器。这依赖于后面的操作原理。两维排列的象素电极和电阻随其压力而变化的薄膜层，层叠在开关器件上。由手指接触引起的部件的压力分布，或者手指表面的凹/凸的信息，或者指纹图像，通过检测流入各个象素电极的电流进行采集。
电阻随其压力而变化的薄膜和形成在透明衬底上的象素电极，可用作图10所示结构的指纹图像传感器10c。白色光发射二极管被推荐为光源11c。光电二极管，例如，对红，绿和蓝波长的峰值敏感的二极管被推荐为彩色传感器12c。这些器件如此来排列，使得来自光源的光可通过指纹图像传感器照射到手指的中心，并且由手指散射的光，可被彩色传感器12c检测。
彩色传感器12c的输出Ci(t)发送至活体识别单元60，用于检验与面积信号S(t)的相关，如同图2的情况。后面的操作类似于图2所示的操作，能够以高可靠性完成活体识别。但是，图10的结构与图2的结构相比，光源11c和彩色传感器12c使得器件至少加厚近似1mm，导致必集性方面有所不足。另外，由于构件数目增加，这种结构差于图2的结构。
在图2的结构中，由于指纹图像输入装置只由彩色图像传感器10组成，所以，它在外表上与不具备识别活体功能的指纹图像传感器没有区别。因此，能够不增加构件数目而提高安全性级别。并且即使为了重新设计而把器件拆下，要弄明白活体识别的原理也是困难的。图9和图10中所示的结构分别需要压力传感器和彩色传感器，从装置安全性方面说，不具有这类优点。但是，这些结构都是根据本发明的原理，根据指纹图像的色彩信息与面积信息之间的相关，进行活体识别。因此，图9和图10所示的结构被包括在本发明的变形中。
在上述实施例中，白色光源和彩色传感器已被用来采集指纹的色彩信息。但是，同样的功能也可由这样一种结构实现，其利用发射不同波长光源和传感器，或对单个波段敏感的光电检测器，通过经常地切换光源的波长，检测色彩信息。这样，在不违背本发明的范围的情况下，各种构件都可被采用，或用其他的构件替换。
在本发明的第一实施例中，色彩和面积信息已从薄的彩色图像传感器所采集的指纹图像中提取。这可满足本发明的两个主要目的，即活体识别的可靠性改善和器件的有效缩小。如果没有缩小尺寸的强制要求，或器件小到足可装入硬件例如鼠标和键盘，则各种其他的指纹图像传感器都可被采用。下面描述的是利用现有技术的装有棱镜的光学指纹图像传感器的第六实施例。
图11是说明本发明的第六实施例的结构图，该指纹图像输入装置包括彩色图像传感器10d，聚光系统11d，棱镜12d，光源13d，图像临时存储单元20，面积信息提取单元30，色彩信息提取单元40，图像存储单元50，活体识别单元60和指纹识别单元70。
在图2和图11中，相同功能的构件具有相同的编号。图11的特点是彩色指纹图像采集装置使用彩色图像传感器10d，聚光系统11d，棱镜12d和光源13d。具体地说，彩色图像传感器10d可以是彩色CCD，聚光系统11d可以是透镜，光源13d可以是白色光发射二极管。
在这种光完全内反射的结构中，提供有高对比度的指纹图像。下面，对图像对比度为什么被提高的原因进行简要的描述。如图11所示，从光源13d发射的光照射放置在棱镜12d上的手指。因为指纹的凹线不接触棱镜12d，所以，光全部被反射到棱镜12d的上表面，并几乎所有的光通过聚光系统11d到达彩色图像传感器10d。另一方面，由于指纹的脊线将入射光散射到手指上，所以，到达彩色图像传感器10d的光的强度变低。因此，指纹的凹线与脊线之间的对比度提高。并且，以后的指纹图像处理变得更容易实施。
图12和图13表示从一系列指纹图像提取的面积信息和色彩信息之间的相关，如同图2的情况。在提取面积信息时，阈值设置为“128”，用于将指纹图像转换为两个电平的图像，而面积信息S(t)设置为象素值为1的象素个数。色彩信息的提取与图2相同。
在图12中，横轴表示指纹图像的顺序号。手指在传感器表面轻按几次，被采集的图像就给以顺序号。被连接的菱形标记表示面积信息，其标度显示在左侧。指纹图像顺序号26指示手指按压传感器表面26次，三行未连线的断续标记表示平均色彩信号Ci(t)，其标度表示在右侧。图13是一个将图12的数据绘制成轴线由S(t)和Ci(t)表示的图。图中数字是由26幅图像计算的三种颜色的平均彩色信号与面积信号之间的相关系数。蓝色(B)的相关系数最大，与红色(R)的面积不相关。绿色(G)的相关系数处于蓝色与红色之间。当面积小时，色彩色信号有所起伏。虽然蓝色和绿色的相关系数小于图2的相关系数，但是，设置低的阈值，就有可能根据相关系数确定手指是活的还是死的，红色的情况除外。
采集指纹的光学系统中的差别是图12至13与图8之间的相关有显著不同的原因。在图11的光学系统中，其具有全部内反射提高对比度的优点，大多数光的指纹凹线到达彩色图像传感器，而来自脊线的光相当小。因为脊线的散射产生手指的色彩信息，所以，相关系数可能变小或接近零，如红色的情况。另一方面，在图2的光学系统的情况下，由指纹凹线和脊线两者散射的光被检测。因此，因手指压力变化而引起的色彩变化精确地被检测。如这些实例所示，重要的是选择适合于用来采集指纹图像的光学系统类型的判据。
上述实施例具有超过现有技术器件的优点，其根据手指接触检测器表面的瞬间之后，至手指压力变大时，这期间手指颜色的变化，确定手指是活体的还是死体的。
第一，在现有技术装置的情况下，当手指颜色变化不了多少时，不能以高可靠性进行活体识别。或者是不清楚在手指压力大的时候如何获取指纹图像。因此，受与手指与检测器表面接触时的运动有关的次要因素的影响，活的手指甚至不可能产生大到足以正确识别的颜色变化。但是，在本发明的结构中，面积信息和色彩信息从多重指纹图像中被提取，这些指纹图像是从手指刚接触检测器表面时开始采集的，并且，活体识别的进行是根据面积信息和色彩信息之间的相关。因此，即使手指颜色的变化小，如果与反映手指压力的指纹面积这样的信息有足够的相关，活的手指就会被识别为活体。在现有技术装置中，不清楚在手指压力大的时候如何获取指纹，因此，担心由于输入图像不稳定，可能使识别可靠性降低。但是，本发明已利用面积信息解决了这个问题。因此，与现有技术装置相比，本发明使我们能以高可靠性进行活体识别。
第二，本发明的指纹的输入单元的厚度近似为1--2mm，由平面光源的厚度和彩色图像传感器的厚度的总和确定。与厚如手指的现有技术装置相比，是非常薄的。当指纹图像输入装置或基于指纹的活体识别方法要装入或用于蜂窝式电话和便携式信息终端之类的移动设备中时，这种装置的缩小尺寸的效果是非常显著的优点。
第三，在第一实施例的图2所示的结构中，只有必要的图像数据被从图像临时存储单元传送至图像存储单元。因此，有可能避免用于分析指纹图像系列的电路规模增大，并避免制造成本的上升。
尽管本发明已在一些优选实施例中作了描述，对技术人员来说很明显的是，所披露的发明，在发明的范围内，可以用多种方法修改，也可以设想许多实施例。
如至此所述，本发明的指纹图像输入装置和基于指纹的活体识别方法，通过将手指按压在检测器表面上，采集多重指纹图像，并与采集指纹图像同步，检测手指颜色，并在输入多重指纹图像期间，检测反映加到手指上的压力的物理量。本发明通过物理量和手指颜色之间的相关分析，确定手指是活的还是死的。因此，即使手指颜色没有多大变化，如果与反映手指压力的信息例如指纹的面积信息有足够的相关的话，也能够进行活体识别。
权利要求
1.一种指纹图像输入装置，其特征在于包括图像输入单元，其用于顺次地采集按压在检测器表面上的手指的多重指纹图像；颜色检测单元，其用于与所述多重指纹图像的输入同步地检测所述手指的颜色；压力检测单元，其用于当所述多重指纹图像被采集时，检测反映所述手指施加于检测器表面的压力的物理量；和判定单元，其用于通过分析所述物理量和手指颜色之间的相关性，判定所述手指是活的还是死的手指。
2.根据权利要求1所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述颜色检测单元包括用于计算所述多重指纹图像的每一图像中心特定面积的色彩平均值的电路。
3.根据权利要求1所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述压力检测单元包括用于处理所述指纹图像的电路，所述物理量是与接触检测器表面的所述手指面积有关的量。
4.根据权利要求1所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述压力检测单元以是位于所述图像输入单元的背面或外围的压力传感器。
5.根据权利要求1所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述图像输入单元是形成在透明衬底上并对电容或压力敏感的指纹图像传感器，所述指纹图像传感器具有位于其背面的光源和彩色传感器。
6.根据权利要求1所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述图像输入单元具有带有所述手指接触面的棱镜；光源，其向所述棱镜发射光线，在倾斜方向照射所述手指；和光学系统，其聚焦从图像传感器上的与所述手指接触的面返转的光。
7.一种指纹图像输入装置，其特征在于包括彩色图像传感器，其用于采集与图像输入表面紧密接触的手指指纹的彩色图像数据；图像临时存储单元，其用于存储所述指纹图像数据；面积信息提取单元，其用于从所述指纹图像数据中提取所述指纹的面积信息；色彩信息提取单元，其用于提取所述指纹的色彩信息；和活体识别单元，其用于通过检验所述面积信息和色彩信息之间的相关，参照预定的阈值以及为每种预定颜色所计算出的指纹面积的相关系数，判定所述手指是活的还是死的手指。
8.根据权利要求7所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述面积信息提取单元，通过从所述指纹图像数据中提取指纹脊和谷的计算，和计算指纹的所述脊和谷区的面积的计算，提取所述指纹的面积信息。
9.根据权利要求8所述的指纹图像输入装置，其特征在于所述色彩信息提取单元进行选择所述指纹特定面积如所述指纹的中心区面积的计算，和用于计算在所述特定面积上红(R)、绿(G)和蓝(B)中的每一个的平均值的计算。
10.一种基于指纹的活体识别方法，其特征在于包括步骤采集与图像输入表面紧密接触的手指的彩色指纹图像数据；在临时存储器中存储所述指纹图像数据；从所述指纹图像数据中提取所述指纹的面积信息；提取所述指纹的色彩信息；和通过检验所述面积信息和所述色彩信息之间的相关，参照预定的阈值以及为每种预定色彩所计算出的指纹面积的相关系数，判定所述手指是活的还是死的手指。
11.根据权利要求10所述的基于指纹的活体识别方法，其特征在于所述面积信息的所述提取，是通过从所述指纹图像数据中提取指纹脊和谷的计算和计算指纹的所述脊和谷区的面积的计算，提取所述指纹的面积信息。
12.根据权利要求10或11所述的基于指纹的活体识别方法，其特征在于所述色彩信息的所述提取，是进行用于选择所述指纹特定面积如所述指纹的中心区面积的计算，和用于计算在所述特定面积上红(R)、绿(G)和蓝(B)中的每一个的平均值的计算。
全文摘要
一种彩色图像传感器，当手指按压检测器表面时，该传感器顺序采集多重指纹图像。色彩信息提取单元与多重指纹图像的输入同步，提取手指颜色。面积信息提取单元检测一种物理量，这个物理量代表多重指纹图像被采集时，手指施加给彩色图像传感器的压力。活体识别单元通过对物理量与手指颜色之间的相关分析，确定手指是活还是死的手指。根据这种结构，即使手指颜色没有多少变化，如果与反映手指压力的指纹面积之类的信息有足够的相关的话，也能够把活体与死体区分开来。指纹输入单元的厚度近似1－2mm，由平面光源的厚度和彩色图像传感器的厚度的总和确定。
文档编号G01B11/24GK1404002SQ0214151
公开日2003年3月19日 申请日期2002年8月30日 优先权日2001年8月31日
发明者藤枝一郎 申请人:日本电气株式会社