指纹识别装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种指纹识别装置和方法，所述指纹识别装置包括依次连接的指纹采集模块、模数转换模块和控制模块，所述模数转换模块包括一产生量化电压的量化电压发生器，所述指纹采集模块用于采集指纹信息，所述模数转换模块用于对所述指纹信息进行模数转换并输出量化后的指纹信息数据，所述控制模块用于根据所述指纹信息数据的分布范围，来控制所述量化电压发生器调整量化电压的输出范围，以增大量化后的指纹信息数据的分布范围。从而，以简单的电路、较低的成本实现了指纹图像对比度的动态调节。通过提高指纹信息模数转换分辨率，实现了指纹图像灰度信息对比度和信噪比的提高，最终提高了后续的指纹识别的识别率。
【专利说明】指纹识别装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及通信【技术领域】，尤其是涉及一种指纹识别装置和方法。
【背景技术】
[0002] 人的手指纹路有深度差异，凸的地方称为"峰（ridge)"，凹的地方称为"谷 (valley) "。电容式指纹识别装置利用指纹上包含的"峰"和"谷"对应的感应电容大小不 同，所以在同样的交流信号激励下输出信号的幅度也不同的原理，将"峰"和"谷"的图像信 息转化为相应的电信号。
[0003] 对于采用指纹感应单元作为基本单元的电容式指纹识别装置，指纹感应单元提取 每个像素点的电容耦合信号，再送入指纹识别装置的其他部分进行放大、模数转换、图像拼 接等操作，提取出有效的指纹信息。为防止反复触摸过程对指纹识别装置的传感器的静电 损伤，以及提高机械强度，需在传感器表面放置不导电的厚介质层（cover)，因此手指到指 纹感应单元的耦合电容很小；另外由于指纹深度较浅，因此"峰" "谷"对应的电容差异也很 小，这部分差异信息通常只占到指纹信息量化数据的1% -3%。
[0004] 因此，如何增大指纹信息数据的分布范围，进而增大"峰"和"谷"之间的差异信息 在指纹信息量化数据中的占比，即增强"峰"和"谷"图像的对比度，是提高指纹识别的识别 率的关键所在。
[0005] 申请号为200510063872. 3的中国专利公开了一种采用电荷放大器来实现指纹传 感器的方法。该专利中指纹感应单元的极板需采用应变薄膜材料，利用触摸时指纹深度的 压力，来获得两层薄膜的相对电容变化。然而应变薄膜材料在工艺制造上成本较高，实现难 度大。
【发明内容】
[0006] 本发明的主要目的在于提供一种指纹识别方法和装置，旨在以较低的成本实现增 大指纹图像的对比度，进而提高指纹识别的识别率。
[0007] 为达以上目的，本发明提出一种指纹识别装置，包括依次连接的指纹采集模块、模 数转换模块和控制模块，所述模数转换模块包括一产生量化电压的量化电压发生器，所述 指纹采集模块用于采集指纹信息，所述模数转换模块用于对所述指纹信息进行模数转换并 输出量化后的指纹信息数据，所述控制模块用于根据所述指纹信息数据的分布范围，来控 制所述量化电压发生器调整量化电压的输出范围，以增大量化后的指纹信息数据的分布范 围。
[0008] 优选地，所述指纹识别装置还包括分别连接所述指纹采集模块和模数转换模块的 共模电压产生电路，所述共模电压产生电路用于协调所述指纹采集模块的输出信号的共模 电平和模数转换模块的输入信号的共模电平。
[0009] 优选地，所述指纹采集模块包括依次连接的指纹感应单元、信号放大器和信号增 强单元，所述信号增强单元连接所述模数转换模块。
[0010] 优选地，所述模数转换器为斜坡模数转换器，所述量化电压发生器为斜坡发生器。
[0011] 优选地，所述量化电压发生器输出的信号为单端信号或差分信号。
[0012] 优选地，所述模数转换器为流水线模数转换器或逐次逼近模数转换器。
[0013] 本发明同时提出一种指纹识别方法，包括步骤：
[0014]指纹采集模块采集指纹信息，并输出所述指纹信息至模数转换模块；
[0015] 模数转换模块产生量化电压对所述指纹信息进行模数转换，并输出量化后的指纹 信息数据至控制模块；
[0016] 控制模块根据所述指纹信息数据的分布范围，向所述模数转换模块发送量化电压 调整信号；
[0017] 模数转换模块根据所述量化电压调整信号，调整所述量化电压的输出范围。
[0018] 优选地，所述指纹采集模块输出所述指纹信息至模数转换模块的同时还包括：
[0019] 共模电压产生电路协调指纹采集模块的输出信号的共模电平和模数转换模块的 输入信号的共模电平。
[0020] 优选地，所述模数转换模块通过量化电压发生器产生量化电压。
[0021] 优选地，所述模数转换模块为斜坡模数转换器、流水线模数转换器或逐次逼近模 数转换器。
[0022] 本发明所提供的一种指纹识别装置，根据当前接收到的指纹信息数据的分布范围 来调整模数转换器的量化电压范围，进而实现增大后续指纹信息数据的分布范围，实现了 指纹图像对比度的动态调节。通过提高指纹信息模数转换分辨率，实现了指纹图像灰度信 息对比度和信噪比的提高。此外，通过共模电压产生电路协调指纹采集模块的信号增强单 元的输出信号的共模电平和模数转换模块的输入信号的共模电平，使得指纹侦测信号的摆 幅达到最大的信号摆幅，且该信号摆幅不超过但最接近调整后的量化窗口的大小，使得模 数转换模块工作在最佳状态。本发明的指纹识别装置，增大了"峰"和"谷"之间的差异信 息在指纹信息量化数据中的占比，即增强了"峰"和"谷"图像的对比度，显著提高了成像质 量，最终提高了后续的指纹识别的识别率。
[0023] 本发明指纹识别装置具有以下优势：电路简单，实现成本低，且因为不涉及到指纹 感应单元的实现形式和工作状态的改变，所以成像一致性得以保证；无需使用特殊性能的 介质层，提高了传感器的适应性；量化电压的调整和指纹信息数据分布相关，可以实现动态 调整，调整相当灵活，且可最大程度上避免"峰"和"谷"之间共模信息的干扰；任何模数转 换器结构均可实现，因此适应性很好；处理速度快，不会降低指纹识别装置的成像帧率。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是本发明的指纹识别装置第一实施例的结构框图；
[0025] 图2是本发明实施例中指纹采集模块的结构框图；
[0026] 图3是图1中的指纹识别装置的电路连接示意图；
[0027] 图4是本发明实施例的原理示意图；
[0028] 图5是本发明的指纹识别装置第二实施例的结构框图；
[0029] 图6是图5中的指纹识别装置的电路连接示意图；
[0030] 图7是本发明的指纹识别方法第一实施例的流程图；
[0031] 图8是本发明的指纹识别方法第二实施例的流程图。
[0032] 本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
【具体实施方式】
[0033] 应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0034] 参见图1-图3,提出本发明的指纹识别装置第一实施例，所述指纹识别装置包括 依次连接的指纹采集模块、模数转换模块和控制模块。
[0035] 指纹采集模块用于采集指纹信息，如图2所示，其包括依次连接的指纹感应单元、 信号发大器和信号增强单元（或称噪声整形和信号增强单元），指纹感应单元用于采集指 纹信息，信号放大器用于对采集的指纹信息进行放大处理，信号增强单元用于对指纹信息 进行噪声整形和信噪比提升等处理，信号增强单元包括但不限于以下常见功能电路：可变 增益放大器、积分器、低通滤波器和采样保持电路，以及它们组成的信号链路。
[0036] 模数转换模块用于对指纹信息进行模数转换，将指纹信息由模拟信号转换为数字 信号，模数转换过程即为量化过程，模数转换模块将量化后的指纹信息数据发送给控制模 块；模数转换模块包括一量化电压发生器，该量化电压发生器用于产生量化电压对指纹信 息进行模数转换，量化电压发生器输出的信号可以是单端信号，也可以是差分信号。模数转 换模块的类型不限，可以是流水线模数转换器、逐次逼近模数转换器等，优选斜坡模数转换 器，量化电压发生器对应的为斜坡发生器。斜坡模数转换器面积小，实施简单，且线性度好。
[0037] 控制模块可以是MCU(Micro Control Unit，微控制单元），用于对量化后的指纹信 息进行一定的算法处理，最终实现指纹识别或检测等功能。本发明的控制模块还根据当前 接收到的指纹信息数据的分布范围，来控制量化电压发生器调整量化电压的输出范围，以 增大量化后的指纹信息数据的分布范围，进而提高指纹图像的对比度。具体来说，控制模块 根据当前接收到的指纹信息数据的分布特点如分布范围等，进行一定的算法处理后输出控 制信号到量化电压发生器，并控制其产生不同的量化参考电压，调整量化电压的输出范围， 据此可以动态改变模数转换器的FS和LSB，最终实现指纹识别装置中指纹图像对比度的动 态调节功能。其中，FS是指模数转换器有效的满摆幅输入信号幅度；LSB是指模数转换器量 化输出的最低有效位，其数值等于FS/2 N，其中N表示模数转换器的位数。
[0038] 本实施例的指纹识别装置的电路连接示意图如图3所示，其中，指纹感应单元、信 号放大器、信号增强单元、模数转换模块和控制模块依次连接，其中控制模块和模数转换模 块中的量化电压发生器构成对比度动态调节回路。当手指接触到指纹识别装置的传感器表 面时，指纹感应单元输出手指纹路信息的采样信息，即指纹信息，然后该指纹信息经信号放 大器放大后输出到后续的信号增强单元，进行进一步的噪声抑制和信噪比提升等处理，并 且根据需要对信号的共模电平进行变换以方便后续处理。经信号增强单元增强处理后的指 纹信号传输给模数转换模块，经模数转换后输出数字码字信号ADC_0UT〈N: 1>，即得到量化 后的指纹信息，最后由控制模块对指纹信息进行一定的算法处理，最终实现指纹识别或检 测等功能。
[0039] 本发明中，为了达到足够的分辨率DPI (dots per inch)，通常由指纹感应单元构 成的m*k阵列对手指纹路信息进行感应，所有m*k数量的指纹感应单元的输出均完成一次 量化后得到的数据阵列称之为一帧指纹信息。在本发明提供的方案中，控制模块可以根据 前一帧指纹信息数据分布的范围来产生量化电压调整信号，从而改变模数转换模块内部的 量化电压发生器的量化电压的输出范围，然后在控制模块的控制下对同一个手指部位开始 下一帧指纹信息的采样。
[0040] 举例而言：
【权利要求】
1. 一种指纹识别装置，包括依次连接的指纹采集模块、模数转换模块和控制模块，所述 模数转换模块包括一产生量化电压的量化电压发生器，所述指纹采集模块用于采集指纹信 息，所述模数转换模块用于对所述指纹信息进行模数转换并输出量化后的指纹信息数据， 其特征在于，所述控制模块用于根据所述指纹信息数据的分布范围，来控制所述量化电压 发生器调整量化电压的输出范围，以增大量化后的指纹信息数据的分布范围。
2. 根据权利要求1所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹识别装置还包括分别 连接所述指纹采集模块和模数转换模块的共模电压产生电路，所述共模电压产生电路用于 协调所述指纹采集模块的输出信号的共模电平和模数转换模块的输入信号的共模电平。
3. 根据权利要求1或2所述的指纹识别装置，其特征在于，所述指纹采集模块包括依次 连接的指纹感应单元、信号放大器和信号增强单元，所述信号增强单元连接所述模数转换 模块。
4. 根据权利要求1或2所述的指纹识别装置，其特征在于，所述模数转换器为斜坡模数 转换器，所述量化电压发生器为斜坡发生器。
5. 根据权利要求1或2所述的指纹识别装置，其特征在于，所述量化电压发生器输出的 信号为单端信号或差分信号。
6. 根据权利要求1或2所述的指纹识别装置，其特征在于，所述模数转换器为流水线模 数转换器或逐次逼近模数转换器。
7. -种指纹识别方法，其特征在于，包括步骤： 指纹采集模块采集指纹信息，并输出所述指纹信息至模数转换模块； 模数转换模块产生量化电压对所述指纹信息进行模数转换，并输出量化后的指纹信息 数据至控制模块； 控制模块根据所述指纹信息数据的分布范围，向所述模数转换模块发送量化电压调整 信号； 模数转换模块根据所述量化电压调整信号，调整所述量化电压的输出范围。
8. 根据权利要求7所述的指纹识别方法，其特征在于，所述指纹采集模块输出所述指 纹信息至模数转换模块的同时还包括： 共模电压产生电路协调指纹采集模块的输出信号的共模电平和模数转换模块的输入 信号的共模电平。
9. 根据权利要求7或8所述的指纹识别方法，其特征在于，所述模数转换模块通过量化 电压发生器产生量化电压。
10. 根据权利要求7或8所述的指纹识别方法，其特征在于，所述模数转换模块为斜坡 模数转换器、流水线模数转换器或逐次逼近模数转换器。
【文档编号】G06K9/00GK104252621SQ201410515656
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年9月29日 优先权日:2014年9月29日
【发明者】陈松涛 申请人:深圳市汇顶科技股份有限公司