具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统和识别方法与流程

1.本发明属于光学领域，涉及指纹识别，具体涉及一种具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统和识别方法。


背景技术：

2.随着手机逐渐成为个人信息集合体之后，指纹识别这种安全性极高的解锁方式开始进入手机领域。目前，手机指纹识别主要有三种形式：电容式指纹识别、超声波指纹识别和光学屏下指纹识别。光学屏下指纹识别是利用cmos传感器获取强光穿过小孔阵列照射指纹的反射图像，根据感光模块上的光线，读取指纹图像，完成指纹识别解锁[李鹏飞淡美俊,屏下指纹识别的概念、技术与发展[j]，国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心光电部，2018]。由于指纹识别技术仅局限于对图像信息的利用，若想提高识别安全性能，唯一的办法是提高探测器精度，此种方式不仅增加了手机指纹识别系统整体布线的复杂程度，而且对生产工艺要求较高，尤其当检测对象的图像特征高度相似时，模式识别的精度较低，无法满足实际应用需求。因此，有必要研究一种全新的指纹识别系统和识别方法。


技术实现要素：

[0003]
鉴于上述问题，本发明的第一个目的在于提供一种具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统，该系统在对指纹进行识别时，可利用光谱数据识别是否为真实人体手指，利用图像数据识别手指指纹信息，双重识别有效保证指纹识别的准确性，提高识别安全性。
[0004]
为实现上述目的，本发明具体是采用如下技术方案实现的：
[0005]
具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统，包括：指纹采集模块、光谱芯片、数据存储模块、识别模块；
[0006]
所述指纹采集模块设置在手机屏幕下方，指纹采集时手机屏幕会提供红、蓝、绿三基色波段的光源对指纹进行照明；照明后，经过手指反射的光成为光谱芯片的入射光；
[0007]
所述光谱芯片安装在手机内部，用于将入射光光谱进行分光，并将光信号转换成为电信号，经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；同时，根据输出的光信号强度信息和对应像素位置信息，反演手指的反射光谱数据以及指纹的图像数据；
[0008]
所述数据存储模块与光谱芯片电连接，用于存储提前录入的人体真实手指的反射光谱数据以及指纹的图像数据；
[0009]
所述识别模块，用于将采集到的反射光谱数据与数据存储模块预存的人体真实手指反射光谱数据进行对比，同时将采集到的指纹与预存的指纹图像数据进行对比，两者均匹配后方可成功解锁。
[0010]
作为本发明的优选，所述光谱芯片包括光谱调制模块、图像和光谱反演模块；所述光谱调制模块，用于将经过三基色光源照射的手指的反射光光谱进行调制，并将光信号转换成为电信号，经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；
[0011]
所述图像和光谱反演模块与光谱调制模块电连接，用于根据光谱调制模块输出的
光信号强度信息和对应像素位置信息，反演出手指指纹的图像数据以及手指的反射光谱数据。
[0012]
作为本发明的优选，所述识别模块进行识别时采用距离计算法或区分度测试法，所述距离计算法包括欧氏距离法、相似信息聚类法。
[0013]
作为本发明的进一步优选，所述光谱调制模块，包括光电转换基底、设置在光电转换基底上面的滤光薄膜；其中，所述光电转换基底，用于将光信号转化为电信号并以数字信号或者编码输出；所述滤光薄膜，用于将入射光光谱进行区分；所述滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的n种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括n个周期，每个周期均代表一个通道，每个周期包括t1、t2......t
n
个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的m个像素，其中m大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的滤光薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息。
[0014]
作为本发明的进一步优选，所述图像和光谱反演模块的反演方式为：根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由n个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，n个像素组合，反演计算出n个像素的入射光谱值，计算方法如公式(3)所示，
[0015]
s
i
＝∫i(λ)t
i
(λ)η(λ)dλ，
[0016]
(3)
[0017]
其中，s为光电转换基底输出的光信号强度值，i为入射光谱，是待求解信号，t为滤光薄膜的光谱透过率，η为光电转换基底的量子效率，λ为入射波长。
[0018]
作为本发明的更进一步优选，所述光电转换基底为硅基图像传感器，具体为cmos图像传感器或ccd图像传感器。
[0019]
作为本发明的更进一步优选，所述光谱调制模块的制备方法为：
[0020]
步骤s1、根据使用场景情况，选择合适的光电转换基底；
[0021]
步骤s2、选择n种光谱透过率不同的滤光薄膜材料，先在光电转换基底上涂覆第一种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；之后涂覆第二种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；依次循环，直至将n种滤光薄膜材料全部涂覆到光电转换基底上，上述n种滤光薄膜材料经过逐一的涂覆和刻蚀后，最后形成一层完整的具有n个周期性的滤光薄膜，每个周期包括t1、t2......t
n
个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的m个像素，m大于等于1，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率。
[0022]
本发明的第二个目的在于提供一种具有真假指纹识别功能的手机指纹识别方法，具体包括以下步骤：
[0023]
步骤s1、启动手机指纹识别功能，手机指纹识别系统开始自检，自检正常后，光谱芯片、识别模块、数据处理模块处于预热待机状态；
[0024]
步骤s2、待测指纹按压手机屏幕上的指纹采集模块，三基色光源同时发出光波，照射到待测指纹上，受光源照射，待测指纹表面形成反射光；
[0025]
步骤s3、光谱芯片启动，在三基色光光照情况下，由手指反射回来的光信号进入光谱芯片中，经过光谱芯片的光谱调制模块进行分光，并将分光后的光信号转换成为电信号，经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；之后图像和光谱反演模块根据光谱调制模块输出的光信号强度信息和对应像素位置信息反演，获取手指的光谱数据及指纹的图像信息；
[0026]
所述图像和光谱反演模块的反演方式为：根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由n个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，n个像素组合，反演计算出n个像素的入射光谱值，计算方法如公式(3)所示，
[0027]
s
i
＝∫i(λ)t
i
(λ)η(λ)dλ，
[0028]
(3)
[0029]
其中，s为光谱调制模块输出的光信号强度值，i为入射光谱，是待求解信号，t为滤光薄膜的光谱透过率，η为光谱调制模块的量子效率，λ为入射波长；
[0030]
步骤s4、数据被采集后，直接进入识别模块，与数据存储模块预存的人体真实手指反射光谱数据以及指纹图像数据进行对比，当光谱和图像均匹配后判断为真指纹。
[0031]
本发明的优点及积极效果是：
[0032]
1、本发明提供的指纹识别系统综合图像和光谱数据对指纹进行识别，来判断指纹的真假，实现了指纹更精准的识别，大大提高了手机的安全性，有效避免不法分子用硅胶等材料仿造指纹(假指纹)进行解锁；而且光谱法还可实现指纹的快速、准确识别。
[0033]
2、本发明提供的指纹识别系统中光谱芯片采用的光谱调制模块是单层结构，结构简单、体积小、厚度薄(为微米量级)、重量轻、具有较高光谱分辨率的同时具有空间分辨率、精准度高、检测速度快，可集成在现有手机内，即可实现对光谱的提取，还可实现高精度的成像功能，使提取的指纹更加清晰，准确率更高。
[0034]
3、本发明综合图像和光谱信息的指纹真假模式识别方法，实现了指纹更精准的识别，利用三基色光源激发手指，再通过光谱芯片获得能够反应出人体皮肤特有的反射光谱信息和指纹图像信息，结合数据处理系统构成低成本、超便捷式的指纹识别系统。
附图说明
[0035]
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
[0036]
图1为根据本发明手机指纹识别系统的原理图。
[0037]
图2为本发明光谱调制模块的示意图；
[0038]
图3为本发明手机指纹识别方法的流程图。
[0039]
图4为红光、蓝光、绿光照射下手指和指纹膜的反射光谱图。
具体实施方式
[0040]
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
[0041]
实施例1具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统
[0042]
参阅图1，本发明提供的一种具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统，包括：指纹采集模块1、光谱芯片2、数据存储模块3、识别模块4；
[0043]
所述指纹采集模块1设置在手机屏幕下方，指纹采集时手机屏幕会提供红(中心波长630nm)、蓝(中心波长460nm)、绿(中心波长520nm)三基色波段的光源对待测指纹进行照明；照明后，经过手指反射的光成为光谱芯片的入射光；
[0044]
所述光谱芯片(产品名称：高光谱像素级镀膜芯片，型号规格：qs-a-8-400-001，光谱芯片尺寸为4.5mm
×
4.5mm，厚度为100μm，光谱范围为200nm～1100nm，光谱分辨率为10nm，数据采集时间为1ms)2安装在手机内部，用于将入射光光谱进行调制，并将光信号转换成为电信号，经过放大及模数转换后转为数字信号或者编码输出；同时，根据探测到的光信号强度信息和对应像素位置信息反演手指的反射光谱数据以及指纹的图像数据；
[0045]
所述数据存储模块3与光谱芯片2电连接，用于存储提前录入的人体真实手指的反射光谱数据以及指纹的图像数据；
[0046]
所述识别模块4，用于将采集到的反射光谱数据与数据存储模块预存的人体真实手指反射光谱数据进行对比，确定一致后将采集到的指纹与预存的指纹图像数据进行对比，两者均匹配后方可成功解锁。
[0047]
实施例2具有真假指纹识别功能的手机指纹识别系统
[0048]
参阅图1、图2，与实施例1的区别在于光谱芯片，所述光谱芯片2包括光谱调制模块21、图像和光谱反演模块22；所述光谱调制模块包括光电转换基底、设置在光电转换基底上面的滤光薄膜；其中，所述光电转换基底为硅基图像传感器，具体为cmos图像传感器或ccd图像传感器，用于将光信号转化为电信号并以数字信号或者编码输出，输出的为每个像素位置上的光强度信息，即输出的光强度信息与像素位置信息有一一对应关系；所述滤光薄膜，用于将入射光光谱进行区分；所述滤光薄膜为单层结构，其是由已知且透光率不同的n种材料通过逐一涂覆、刻蚀后拼接而成，滤光薄膜包括n个周期，每个周期均代表一个通道，每个周期包括t1、t2......t
n
个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的m个像素，其中m大于等于1，所有单元构成周期性结构，覆盖光电转换基底上的所有像素，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率，实现光谱分光；另外，与每个像素对应的滤光薄膜的光谱透过率均为已知的，通过该光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，结合所有像素的组合，进而反演出图像信息。
[0049]
所述图像和光谱反演模块与光谱调制模块电连接，用于根据光谱调制模块输出的光信号强度信息和对应像素位置信息，反演出手指指纹的图像数据以及手指的反射光谱数据；所述图像和光谱反演模块的反演方式为：根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由n个像素组成的周期性结构中，根据光谱透
过率曲线，n个像素组合，反演计算出n个像素的入射光谱值，计算方法如下述公式所示，
[0050]
s
i
＝∫i(λ)t
i
(λ)η(λ)dλ，
[0051]
其中，s为光电转换基底输出的光信号强度值，i为入射光谱，是待求解信号，t为滤光薄膜的光谱透过率，η为光电转换基底的量子效率，λ为入射波长。
[0052]
所述识别模块进行识别时，可以采用距离计算法，包括欧氏距离法、相似信息聚类法以及其他距离计算，还可以采用区分度测试方法来区分是否为同一手指，采用区分度测试方法进行识别时，同一手指每隔1s测试一次，取10组光谱数据的平均作为基准光谱数据，存储在数据存储模块内，之后指纹解锁时，直接将采集到的指纹光谱数据与基准光谱数据进行对比，如多次测量时其区分度最大值小于2.38，可以认为是同一手指。
[0053]
实施例3本发明光谱芯片中光谱调制模块的制备方法为：
[0054]
步骤s1、根据使用场景情况，选择合适的光电转换基底；
[0055]
步骤s2、选择n种光谱透过率不同的滤光薄膜材料，先在光电转换基底上涂覆第一种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；之后涂覆第二种滤光薄膜材料，再涂覆一层刻蚀层，根据与光电转换基底像素的对应关系，将需要的地方保留，将不需要的地方刻蚀掉；依次循环，直至将n种滤光薄膜材料全部涂覆到光电转换基底上，上述n种滤光薄膜材料经过逐一的涂覆和刻蚀后，最后形成一层完整的具有n个周期性的滤光薄膜，每个周期包括t1、t2......t
n
个单元，每个单元覆盖光电转换基底上的m个像素，m大于等于1，与每个像素对应的滤光薄膜具有相同或者不同的光谱透过率。
[0056]
进一步，所述步骤s2进行刻蚀时，采用激光直写刻蚀方法、掩膜光刻刻蚀方法、离子束刻蚀方法、电子束刻蚀方法等；当采用掩膜光刻刻蚀时，在每种滤光薄膜材料上均涂覆一层光刻胶；之后经过曝光、显影、烘干、刻蚀、后烘干等标准光刻工艺完成刻蚀；当采用激光直写刻蚀方法、离子束刻蚀方法、电子束刻蚀方法时，制备过程与掩膜光刻刻蚀方法类似，均是采用现有方法进行刻蚀。
[0057]
另外，本发明所用的滤光薄膜材料为聚酰亚胺类材料。
[0058]
实施例4具有真假指纹识别功能的手机指纹识别方法
[0059]
参阅图3，本发明提供的一种具有真假指纹识别功能的手机指纹识别方法，具体包括以下步骤：
[0060]
步骤s1、启动手机指纹识别功能，手机指纹识别系统开始自检，自检正常后，光谱芯片、识别模块、数据处理模块处于预热待机状态；
[0061]
步骤s2、待测指纹按压手机屏幕上的指纹采集模块，三基色光源同时发出光波，照射到待测指纹上，受光源照射，待测指纹表面形成反射光；
[0062]
步骤s3、光谱芯片启动，在三基色光光照情况下，由手指反射回来的光信号进入光谱芯片中，经过光谱调制模块的滤光薄膜进行分光，分光后的光信号强度信息和对应像素位置信息由光电转换基底输出，之后图像和光谱反演模块根据光谱调制模块输出的光信号强度信息和对应像素位置信息反演，获取手指的光谱数据及指纹的图像信息；
[0063]
所述图像和光谱反演模块的反演方式为：根据每个像素上的光谱对应已知的光谱透过率信息，修正对应像素上的光信号强度值，修正方法为该像素上的光信号强度值除以该像素上的光谱透过率值；结合所有像素的组合，即可反演出图像信息，实现高精度的成像
功能；同时由于该像素上的光谱透过率已知，在由n个像素组成的周期性结构中，根据光谱透过率曲线，n个像素组合，反演计算出n个像素的入射光谱值，计算方法如下述公式所示，
[0064]
s
i
＝∫i(λ)t
i
(λ)η(λ)dλ，
[0065]
其中，s为光电转换基底输出的光信号强度值，i为入射光谱，是待求解信号，t为滤光薄膜的光谱透过率，η为光电转换基底的量子效率，λ为入射波长；
[0066]
步骤s4、数据被处理后，直接进入识别模块，与数据存储模块预存的人体真实手指反射光谱数据以及指纹图像数据进行对比，当光谱和图像均匹配后判断为真指纹。
[0067]
本发明采用实施例1提供的芯片对人体的真实手指指纹的反射光谱进行测量，同时还对刻有该手指指纹的指纹膜的反射光谱进行测量，具体光谱见图4，其中，(a)手指反射光谱、(b)为指纹膜反射光谱，从图4可以看出，即便指纹相同，但是由于真实人体与指纹膜不同，所以手指的反射光谱完全不同；因此，通过反射光谱信息可以做到准确识别是否为真实人体手指的指纹，防止其他人用假指纹解锁手机。
[0068]
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。