指纹识别装置及识别方法与流程

本发明涉及生物特征识别技术领域，尤其涉及一种悬浮指纹识别解锁装置及识别方法。

背景技术：

生物特征识别技术利用用户的诸如指纹、虹膜、静脉等固有生物特征的成像，作为识别依据，在身份识别领域的应用，尤其是在诸如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等移动终端上，正在不断扩大。在移动终端进行生物特征识别过程中，普遍采用摄像头进行成像。例如，智能手机的操作系统在开机、支付时可以利用前置摄像头对用户的生物特征，如虹膜、人脸等进行成像，然后通过图像处理来确认用户的身份。

在对生物特征成像时，特别是对虹膜，人脸等成像时，红外光(尤其是近红外光)下成像能够获得更好的效果，通过红外光源照明并且在感光器件前附加允许近红外光通过的滤光片进行红外光下成像，有助于提高成像质量以满足虹膜识别算法和软件的质量要求。另外，使用近红外光源成像要比使用可见光成像识别准确度要高，因为在红外光下人的皮肤的反射特性会更好，从而影像传感器能够接收到更多的特征细节来区分识别所需要的深度信息。所以摄像头与红外成像结合，可以快速准确地确认识别者身份。

目前智能手机使用的红外识别生物特征成像方法主要利用虹膜，人脸识别等，利用悬浮指纹识别的较少，而且大部分手机具有的指纹解锁功能都是接触式的，它对手指的清洁度、干燥度要求很高，脏、湿、油等因素都将干扰机器识别，手指按压角度不同、力度不同等都会影响到识别效果，有一些不方便的地方，而且手指潮湿的情况下触碰指纹识别按键，可能会造成按键进水失灵而需要进行设备维修。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种不需物理接触就可解锁的悬浮指纹识别方法及识别装置，手指在摄像头上方停留数秒即可成功识别，有效降低了按键的损坏几率，大大方便了人们在手指潮湿环境中的手机唤醒解锁操作，以解决现有技术中的问题。

根据本发明第一方面，提供一种指纹识别装置，包括：红外光源，提供红外光照射手指；以及摄像头，与所述红外光源相邻，采用自然光形成拍摄图像，以及采用红外光形成指纹图像，其特征在于，所述摄像头包括可切换的第一滤光片和第二滤光片，分别允许自然光和红外光通过；沿光轴方向依次排列的镜头组和成像单元，所述第一滤光片和第二滤光片位于所述镜头组和所述成像单元之间；以及滤光切换单元，用于将自然光引导通过第一滤光片，以及将红外光引导通过第二滤光片。

优选地，所述滤光切换单元包括位于所述镜头组与所述第一滤光片和第二滤光片之间的多个反射镜，用于根据摄像头的工作模式改变光路。

优选地，所述滤光切换单元包括与所述第一滤光片和第二滤光片相连接的移动装置，用于根据摄像头的工作模式移动所述第一滤光片和第二滤光片。

优选地，所述指纹识别装置还包括：处理器，与所述滤光切换单元和所述成像单元相连接，分析所述指纹图像生成采集数据并与所述特征数据相比对。

优选地，所述摄像头还包括：位于所述镜头组上方的盖板玻璃和保护膜，用于保护所述镜头组；以及位于所述镜头组下方的对焦马达，用于调节所述镜头组的焦距。

本发明还提供一种指纹识别方法，包括，采用可切换的第一滤光片和第二滤光片，分别以自然光拍摄图像或以红外光获取指纹图像，在获取指纹图像时产生红外信号；实时监测红外信号采集指纹图像，处理分析所述指纹图像生成特征数据；将所述特征数据以及身份信息存储，生成所述指纹特征数据及身份信息库记录；实时监测红外信号采集指纹图像，处理分析所述指纹图像生成采集数据；判断进行用户身份识别或身份确认；以及将所述采集数据与所述特征数据的特征点相比对。

优选地，在切换所述第一滤光片和第二滤光片时，采用光线引导方法将自然光引导通过所述第一滤光片，以及将红外光引导通过所述第二滤光片。

优选地，所述光线引导方法包括采用多个反光镜切换光路。

优选地，所述光线引导方法包括移动所述第一滤光片和第二滤光片。

优选地，所述采集数据与所述特征数据相比对的所述特征点重合对数高于13对则认为识别成功。

本发明提供的指纹识别装置及识别方法，采用前置摄像头辅助红外光成像，无需手指直接接触识别区，镜头组与红外光源在手机熄屏时也保持工作状态，手指在摄像头上方停留数秒即可识别，这种指纹解锁的操作更加便捷，也更加令人接受，当手在潮湿的状态，不方便接触按键进行智能设备解锁时，仅需手轻轻一伸即可解锁；而且识别指纹既可以通过悬浮方式由手指反射红外线识别，也可以按压触摸按键识别，实现双解锁方式。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。

图1示出根据本发明实施例的指纹识别装置的整体结构示意图。

图2a示出根据本发明第一实施例的指纹识别装置的摄像头的结构示意图。

图2b示出根据本发明第一实施例的指纹识别装置的摄像头在光路切换时内部反光镜的工作示意图。

图3示出根据本发明第二实施例的指纹识别装置的摄像头的结构示意图。

图4a和图4b分别示出根据本发明第二实施例的指纹识别装置的摄像头在光路切换时两个滤光片不同方式的位置移动示意图。

图5示出根据本发明实施例的指纹识别方法的流程图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，在图中可能未示出某些公知的部分。

图1示出根据本发明实施例的指纹识别装置的整体结构示意图。

如图1所示，本实施例的指纹识别装置包括红外光源11和摄像头12。

红外光源11提供红外光照射手指，用于对装置上方的感应区域进行红外光照射，以便获得手指指纹的红外成像，例如，红外光源11可以是移动终端上配置的红外发光二极管，每个发光二极管的光源波长优选地在750nm～950nm范围内，即近红外光波段。红外发光二极管的数量可以为一个或更多，与使用一个红外光源11相比，使用更多个红外光源11可以增强照明效果。

摄像头12与红外光源11相邻，采用自然光形成拍摄图像，以及采用红外光形成指纹图像。摄像头12与红外光源11并排设置，摄像头12包括可切换的第一滤光片和第二滤光片，分别允许自然光和红外光通过，用于识别和拍照。例如，摄像头12还可以包括一个或一组长焦镜头组以及其他部分，实现在一个固定成像焦平面的指纹信息的成像。

本实施例的指纹识别装置识别指纹可以通过悬浮方式由手指反射红外线得到。当手机处于解锁状态时，仅让可见光透过，与常用摄像头无异；而当手机处于锁屏状态时，红外光源自动开启，经手指反射后，由摄像头接收，cmos图像传感器等捕获到被反射的红外光形成清晰画面。

图2a示出根据本发明第一实施例的指纹识别装置的摄像头的结构示意图。图2b示出根据本发明第一实施例的指纹识别装置的摄像头在光路切换时内部反光镜的工作示意图。

如图2a和2b所示，本发明的指纹识别装置，将红外摄像头与传统手机高分辨率摄像头融合，组成一种新型的前置摄像头，本实施例的摄像头包括：可切换的第一滤光片107和第二滤光片108，分别允许自然光和红外光通过；沿光轴方向依次排列的镜头组103和成像单元109，第一滤光片107和第二滤光片108位于镜头组103和成像单元109之间；以及滤光切换单元105，用于将自然光引导通过第一滤光片107，以及将红外光引导至第二滤光片108。

可切换的第一滤光片107和第二滤光片108分别允许自然光和红外光通过，例如，第一滤光片107为红外光滤光片，第二滤光片108为自然光滤光片。优选地，红外光滤光片包括作为基底的蓝玻璃及一片以上且成对的tio2和sio2镀膜，使可见光区400-630nm的光线实现高透，近红外区700-1100nm的光线截止。自然光滤光片包括允许透红外光源波长的带通滤光片，可见光要求截止，红外光可通过。

滤光切换单元105包括位于镜头组103与第一滤光片107和第二滤光片108之间的多个反射镜，用于根据摄像头的工作模式改变光路。优选地，滤光切换单元105还包括电路控制板切换器，电路控制板切换器位于镜头组103的下方，用于控制光路的切换。自然光滤光片和红外光滤光片并排位于滤光切换单元105的下方，接收由滤光切换单元105切换光路后透过的光线，在同一时间下，二者中只有一个可以透光。例如，在指纹识别装置锁屏状态下，自然光滤光片透光，手指反射的红外光源发出的光线通过，自然光线受到阻挡，进行指纹识别；在指纹识别装置解锁状态下，红外光滤光片透光，阻止红外光源发出的光线通过，而允许自然光线通过，进行正常摄像功能等。

上述滤光切换单元105的多个反射镜包括中央偏转反光镜153以及第一侧面固定反光镜151和第二侧面固定反光镜152；通过中央偏转反光镜153的偏转切换光路。即滤光切换单元105根据摄像头识别的锁屏/解锁状态，控制中央偏转反光镜153的偏转角度，改变不同光的透过方向。

当指纹识别装置处于锁屏状态时，红外光源启动，滤光切换单元105内部的中央偏转反光镜153旋转至与第二侧面固定反光镜152相同方向，即图中a方向，光线经过两个反光镜的反射后，透过第二滤光片108即自然光滤光片，只有红外光透过，此时为红外摄像头，用于指纹识别。

当指纹识别装置处于解锁状态时，滤光切换单元105内部的中央偏转反光镜153旋转至与第一侧面固定反光镜151相同方向，即图中b方向，光线经过两个反光镜的反射后，透过第一滤光片107即红外光滤光片，只有可见光透过，此时为高清摄像头，用于拍照摄像等。成像单元109位于滤光切换单元105及第一滤光片107和第二滤光片108的下方，接收通过两滤光片的光线并形成指纹图像，包括印刷电路板及其上的光敏传感器和cmos图像传感器等，处理捕获到的被反射的红外光形成清晰的指纹画面。

优选地，本实施例的摄像头还包括：处理器110以及柔性电路板106。处理器110与滤光切换单元105和成像单元109相连接，分析指纹图像生成采集数据并与所述特征数据相比对。处理器110与滤光切换单元105通过柔性电路板106连接。处理器110用于控制滤光切换单元105中反光镜的切换，以使需要的光线通过，也用来分析成像单元109形成的指纹图像生成采集数据，将登记阶段摄像头接收的指纹信息及身份信息进行处理及存储，形成特征数据；并将采集数据与特征数据相比对。

优选地，摄像头还包括位于镜头组103上方沿光轴设置的盖板玻璃101和保护膜102，用于保护镜头组103；以及位于镜头组103下方的对焦马达104，用于调节镜头组103的焦距。优选地，镜头组103的材料可以采用全玻璃镜头、全塑料镜头、玻璃与塑料镜头相结合或者液体镜头等混合材料。

采用悬浮指纹识别或解锁设计并没有抛弃旧有的触摸解锁方式，而是将其与指纹按压解锁结合，便于使用者根据不同环境和不同操作习惯采用不同的解锁方式。采用手指触摸或按压的形式收集指纹信息时，电容传感器发出信号，电子信号直达活体层，直接读取指纹图案，形成立体图像，经过后台处理后可以采集到清晰的三维成像，经过一系列的处理获取该指纹信息后，将其存储为特征数据，记录到库记录里；采用红外采集时，就通过上述切换滤光片方式实现。之后用户既可以通过悬浮指纹识别，亦可以通过手指接触进行识别，实现双识别方式。

本实施例的指纹识别装置由内部智能芯片系统设定，采用双滤光片形式，当手机处于解锁状态时，切换滤光片仅让可见光透过，与常用摄像头无异；而当手机处于锁屏状态时，红外光源自动开启，摄像头只让红外光线透过，阻挡可见光和紫外线等光线透过，cmos图像传感器等捕获到被反射的红外光形成清晰画面。而且可以根据需求选择识别方式，简单高效。

图3示出根据本发明第二实施例的指纹识别装置的摄像头的结构示意图。图4a和图4b分别示出根据本发明第二实施例的指纹识别装置的摄像头在光路切换时两个滤光片不同方式的位置移动示意图。

如图3和图4a以及图4b所示，本实施例的指纹识别装置与实施例一描述的指纹识别装置大致相同，包括盖板玻璃201，保护膜202，镜头组203，对焦马达204，第一滤光片251和第二滤光片252，成像单元208，处理器209以及柔性电路板207，第一滤光片251和第二滤光片252分别为红外光滤光片和自然光滤光片，它们的作用与实施例一描述相同。

本实施例与实施例一不同之处在于，实施例一的指纹识别装置的滤光切换单元包括多个反射镜，是通过中央反光镜的偏转角度来控制滤光片的透光，而本实施例的滤光切换单元包括分别与第一滤光片251和第二滤光片252相连接的第一移动装置255和第二移动装置256，用于根据摄像头的工作模式移动第一滤光片251和第二滤光片252。

第一滤光片251和第二滤光片252是由第一移动装置255和第二移动装置256来控制移动方向的，将需要的滤光片移动到对焦马达204的下方，而另一滤光片移动至远离对焦马达204正下方的区域，从而使光线只能从一个滤光片透过，由滤光片进行滤光。所以本实施例的第一滤光片251和第二滤光片252不是并排固定设置的，可以交叠设置在垂直方向上，其余共有部分与实施例一描述相同，这里不再赘述。优选地，本实施例的第一移动装置255和第二移动装置256结构相同。

本实施例的第一滤光片251和第二滤光片252外围分别设有第一移动装置255和第二移动装置256，第一移动装置255和第二移动装置256均由同一个主板芯片控制端206控制，每个滤光片移动装置均配合一个机械臂，第一机械臂253和第二机械臂254分别连接控制端206与第一移动装置255和第二移动装置256，控制端206与系统处理器209通过柔性电路板207连接，其能够识别手机锁屏/解锁状态并进行滤光片的移动，使需要的光线透过。

第一移动装置255和第二移动装置256分别嵌入第一滤光片251和第二滤光片252的四周，仅固定四边而不影响光的透过。优选地，控制端206包括线圈、磁铁、摆针等，摆针一端与磁铁相连，磁铁与线圈相连，当线圈在通电时，产生与磁铁的磁场相反或相同的磁场，利用磁极排斥或相吸的力驱动摆针摆动。摆针另一端分别与第一机械臂253和第二机械臂254相连，从而当摆针摆动时使第一机械臂253和第二机械臂254以及所连接的第一滤光片251和第二滤光片252移动，使期望的滤光片位于镜头组的光学路径上。

本实施例的滤光切换单元包括第一移动装置255和第二移动装置256。在控制端206的控制下以及第一机械臂253和第二机械臂254的拉动下，通过第一移动装置255和第二移动装置256移动第一滤光片251和第二滤光片252的位置，控制光线透过。

当指纹识别装置处于锁屏状态时，红外光源启动，系统发出第一指令，控制端206带动与第一移动装置255相连的第一机械臂253右移，使第一滤光片251即红外滤光片右移，使第二滤光片252位于镜头组的光学路径上，光线透过自然光滤光片，此时为红外摄像头，用于识别；当指纹识别装置处于解锁状态时，系统发出第二指令，控制端206带动与第二移动装置256连接的第二机械臂254右移，使第二滤光片252右移，使第一滤光片251位于镜头组的光学路径上，光线透过红外光滤光片，此时为高清摄像头，用于拍照等。

两个实施例都是通过滤光片切换单元来完成光线的选择透过，使指纹识别装置可以接收不同的光线，从而完成不同的功能，简单易懂，便于实施。

图5示出根据本发明实施例的指纹识别方法的流程图。

本发明实施例的指纹登记过程的流程图包括步骤s01-步骤s18。

在步骤s01中，实时监测识别信号。本实施例的识别方法采用可切换的第一滤光片和第二滤光片，分别以自然光拍摄图像或以红外光获取指纹图像，在获取指纹图像时会产生红外信号；实时监测识别信号，当手指位于识别区域时，红外光源发出红外光，产生红外信号。

在步骤s02中，采集指纹图像。手指反射红外光源发出的红外光，摄像头接收红外光，此时通过切换滤光片的方式实现，在切换第一滤光片和第二滤光片时，采用光线引导方法将自然光引导通过第一滤光片，以及将红外光引导通过第二滤光片；光线引导方法包括采用多个反光镜切换光路或移动第一滤光片和第二滤光片。然后通过图像处理器读取指纹图案，形成三维成像，存储用户指纹图像。

在步骤s03中，判断是否传输。判断是否需要传输图像，进行显示，需要转入步骤s04，否则直接转入s06。

在步骤s04中，向用户系统传输指纹图像。将收集到的指纹图像显示在用户系统上，并将图像存储在图像库。

在步骤s05中，指纹图像加入图像库。将图像处理器读取到的指纹图像存储到图像库中，方便后续调用。

在步骤s06中，判断用户是否首次录入指纹图像，以此来判断识别目的。处理器判断用户录入的指纹是否是第一次录入，如果该用户是第一次录入该指纹，此时的识别信号是用于登记指纹信息，转入步骤s07；如果该用户不是第一次录入指纹，此时的识别信号是用于识别解锁，转入步骤s11。

在步骤s07中，处理、分析指纹图像。将接收到的指纹图像进行滤波，降噪等处理，再进行指纹分析。

在步骤s08中，提取用户指纹数据生成模板特征数据。对分析后的指纹信息进行特征数据的提取并作为模板进行存储。

在步骤s09中，将特征数据与对应身份信息存储为模板库记录。将所有用户的指纹特征数据信息以及对应的身份信息都进行存储，生成指纹特征数据及身份信息库记录，完成指纹的录入，方便之后调用。

在步骤s10中，把多次生成的指纹及身份信息加入模板库记录。将同一用户多次登记的指纹信息进行整合，存储最佳值；将多个用户的指纹信息及身份信息分别编号存储。

在步骤s11中，处理分析指纹图像。将采集到的指纹图像进行扫描，切割，增强等预处理，再经过算法提取特征点数据。

在步骤s12中，形成采集数据。将上一步中提取出来的特征点数据整理成采集数据。

在步骤s13中，判断用户此时是否具有身份信息，从而选择进行用户身份识别或确认。如果检测到身份信息，则需要验证当前指纹是否是该身份用户的指纹，则转入步骤s16。如果未检测到身份信息，但指纹可以识别，则需要进行用户身份的辨识，确实到底是哪一位用户，转入步骤s14。

在步骤s14中，采集数据与所有库记录的特征数据做1：n对比。将采集到的指纹的采集数据的特征点与存储好的库记录里所有的特征数据的特征点进行1：n相比对，检测是否有互相吻合的数据，记录吻合的特征数据对应的用户身份信息以及吻合的特征点对数。

在步骤s15中，生成用户身份识别结果。采集数据与特征数据相比对的特征点重合对数高于13对则认为识别成功。将特征点重合对数超过13对的特征数据对应的身份信息显示，生成身份识别结果，如果没有特征点吻合对数超过13对的，则不能识别。

在步骤s16中，提取给定身份信息对应的库记录的特征数据。获取用户指纹的采集数据以及身份信息，提取调用库记录里相同身份对应的用户的指纹特征数据。

在步骤s17中，采集数据与给定特征数据做1:1对比。将采集到的指纹的采集数据的特征点与身份信息对应的提取的库记录里的特征数据的特征点进行1：1相比对，检测是否有互相吻合的特征点并记录吻合特征点的对数。

在步骤s18中，生成用户身份确认结果。若特征点重合对数超过13对，则认为识别成功，是使用者本人，可以安全解锁。

采用悬浮指纹识别或解锁设计并没有抛弃旧有的触摸解锁方式，而是将其与指纹按压解锁结合，便于使用者根据不同环境和不同操作习惯采用不同的解锁方式。采用手指触摸按压或悬浮红外反射的形式收集指纹信息，形成立体图像，经过后台处理后可以采集到清晰的三维成像，经过一系列的处理获取该指纹信息后，将其存储为特征数据，记录到库记录里。之后用户既可以通过悬浮指纹识别，亦可以通过手指接触进行识别，实现双识别方式。

本实施例提供的指纹识别方法中，能够通过摄像头接收手指反射的红外线，并将当前用户的指纹图像处理成采集数据，通过与预先存储的特征数据进行比对来完成手指的识别，进行悬浮指纹验证。本发明实施例使用的识别信息是指纹信息，具有不变性和唯一性，能够适用于身份验证或门禁系统等各项功能。

本发明主要是提出一种利用红外成像，无需直接触摸识别键的悬浮指纹识别技术，方便用户在手指潮湿环境下的身份识别。本发明的指纹识别装置及识别方法，采用前置摄像头辅助红外光成像，无需手指直接接触识别区，手指在摄像头上方停留数秒即可识别，而且并不影响触摸按键的正常工作，用户可以根据需要自行选择触摸或悬浮识别方式，简单高效，便于使用者在不同操作环境安全高效地进行指纹匹对。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。