CN1777896A - 个人识别方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及通过生物测定识别系统进行的个人识别。根据本发明，为了个人识别，提出了使用结合皮肤的光谱识别的光学或其它指纹图像传感器10(原则上在硅片上)，其使用比独立使用光谱识别更少的发光元件12(通常为发光二极管LED)。指纹图像传感器和用于光谱透射信息的传感器(12，14)布置在相同的基片上，其中所述光谱透射信息涉及由所述图像传感器记录其指纹的手指的皮肤。

Description

个人识别方法和装置
发明领域
本发明涉及用于个人识别的生物测定装置，该装置用于这样的应用，在这些应用中需要高级别安全性以防范欺诈风险和/或存在特定的物理个体而需要可靠地识别该个体以便限制风险。
技术背景
本发明的装置使用指纹图像传感器。该指纹传感器使用集成电路，原则上基于硅而制造，特别包括单独敏感元件的矩阵，以用于形成直接或间接放置在该矩阵表面的手指的指纹图像显示。指纹的检测大体上是光学的检测、或电容的检测、或热的检测、或压电的检测，于是传感器的敏感元件分别对光或电容接近(capacitive proximity)或热或压力敏感。
当手指静态地放置到传感器表面时，一些传感器起作用，其中所述传感器的有源检测矩阵为矩形或方形；在该情况下，传感器的表面具有对应于待检测的指纹表面的总尺寸；其它的传感器通过手指在传感器上滑动而起作用，该传感器的检测矩阵带有远小于待检测指纹的表面，其为几行点检测器的延长带(甚至是单行)。
已知的指纹获取技术不能够检测手指是否是有生命的：通过使用模制的假手指可以欺骗传感器，而且也能够使用将指纹的复制形成在其上的塑料材料薄层，且该薄层粘附在真实的手指上；使用截断的手指，其中该截断的手指在生理学上及其接近于正常连接到其初始身体的手指，也可以欺骗传感器，并且这种欺骗基本上不可能检测。
也已经提出使用两个电极并测量手指的导电性或阻抗的检测技术，但是通过借助于唾液弄湿塑料假指，或者通过使用导电塑料材料甚至压靠在假指上的铝纸，很容易欺骗该技术。该技术不可能很准确，原因在于工作条件可以发生很大的变化，并且特定个体的手指可能具有很干或者很湿的表面，这意味着必须有一个广泛接受的区域来测量阻抗；一个广泛接受的区域明显地方便了欺诈。
通过光学装置(合适波长的发光二极管+光电二极管)对血液(脉搏，血红蛋白含氧量)的检测似乎提供了一种有利的解决方案，但是通过放置在真实手指上的透明塑料材料膜，或者在红外线中具有合适“颜色”的塑料材料，将可以欺骗该技术。它还必须等待至少一个完整的心跳，这对于一些运动员来说可能要占用较长的时间，因此可能造成不方便。
已经提出了基于心跳波形的识别技术，但是仍未证明其性能；该性能不会和指纹一样精确，并且到现在为止该技术还没有提供任何实际的应用。
此外脉搏测量技术与如专利FR 2749955中描述的扫描指纹获取技术不相容，原因在于扫描时间大约为半秒的量级，这远小于心跳。
在专利US2002/0009213提出的方案中，用于皮肤，更准确地说是用于真皮的光谱识别技术被提出用于身份识别。该技术的准确性还未被证明，但是不可能比指纹识别提供的准确性大很多。它需要用多个不同颜色的发光二极管(LEDs)照明手指，并需要分析在不同距离处通过皮肤透射的光，并使用多个光电二极管来测量该光的特征：当光发射器和传感器之间的距离更大时，将获得同量更深的真皮的特征。此外一些频带(朝向红外区)对血液的存在非常敏感。由于必须单独地组装它们，需要限定光电二极管和发光二极管的数量，由此相关的成本增加得很快。
发明内容
对于身份识别，本发明提出了使用结合皮肤的光谱识别的光学或其它指纹图像传感器(原则上在硅片上)，其比独立使用光谱识别使用更少的发光元件(通常为发光二极管LED)。
因此本发明涉及一种身份识别装置，该装置在同一基片上具有指纹图像传感器和用于光谱透射信息的传感器，该光谱透射信息涉及由所述图像传感器记录其指纹的手指的皮肤。
对于光谱指纹，优选但并非必须使用发光二极管，特定的图像将借助于光电二极管从每个发光二级管获得，所述光电二极管检测从这些发光二极管发出并透射过手指的光；这些二极管优选地发出多个不同波长的光线，尤其是红外线，这些图像的组合将提供身份识别的丰富信息，原因在于不同个体的皮肤(真皮或表皮，但最重要的是真皮)具有不同的光谱特征。检测光电二极管优选地布置成矩阵以便提供一组类似于个体特有的类似于光谱“指纹”的光谱信息。
皮肤的指纹和光谱识别的使用将能够总体上获得卓越的识别水平，尤其能够识别偶然不适用指纹识别的个体。
该获取技术很难用假指来伪造，原因在于必须具有待伪造的指纹设计和该指纹所属的个体的手指皮肤的内部结构的认识，以及该皮肤的光谱特征。
如果使用近红外的波长(尤其是800nm左右，其为氧合血红蛋白和血红蛋白之间的等吸光点(isosbestic point))，也能检测到血液的存在，这在“活体手指”的确定中将是强有力的要素。
顺序地或同时地执行指纹图像获取和光谱信息获取，后一种是优选的。该获取可以交替地发生：部分指纹图像获取之后跟随着部分光谱信息获取，以及另一部分指纹图像获取等，并且在获取之间或在获取之后的之间检查各种获取的一致性。
尤其可以通过光学、热或电容装置来静态地或动态地获得指纹图像。在静态图像获取中，当指纹被读取时手指保持固定。在动态图像获取或扫描获取中，手指在传感器上移动，或者传感器在固定的手指下方移动；整体图像由部分图像重建，该部分图像使用仅具有少量像点扫描线(image point line)的传感器而获得；通过相对运动期间连续获得的部分图像之间的相互关系执行该重建。
指纹图像传感器原则上是基于硅片的。
用于光谱信息分析的光电二极管优选地位于指纹图像传感器的相同芯片上。提供光源以用于获得光谱信息的发光二极管由于技术原因而位于硅片之外(它们原则上不使用硅制造)。
对于相同品质级别的身份识别，指纹传感器可以小于没有光谱识别时所必须的传感器。
发光二极管和光电二极管可以关于轴线对称地布置，以便在不同的位置同等地进行多个测量：尤其布置成两个或四个对称区域。
用于获取光谱信息的光电二极管可以与那些布置成矩阵、用于指纹图像获取的二极管相同。
此外本发明提出了使被观察的皮肤部分的光谱信息与同时被观察的指纹带相关。这是因为光谱识别能够推导出一些参数，这些参数将随后在一定范围内被接受以便克服皮肤的局部变化。取决于借助指纹识别出的位置，能够局部地检查具有所需特征的皮肤，这放宽了检查的准确性并且使该技术极难伪造。
该技术可以用于静态获取的情况，甚至更方便地用于扫描获取的情况，这将能够减小成本(硅传感器可能具有更小的面积)，同时保持大量的信息。
本发明建议指纹和光谱指纹获取应当优选地由相同的光电二极管执行；该测量可以顺序地或者优选同时地进行。
在指纹和光谱测量不同时的情况下，无论它们是否用相同的光电二极管物理地执行，本发明提出交替进行指纹获取和光谱指纹获取以便使欺诈变得困难。实际上，如果在指纹读取结束的最后，要读取指纹随后要读取光谱指纹，那么就有可能提供指纹伪造物和然后提供光谱伪造物。如果测量的时序足够快或者被交替改变，例如读取指纹区域，用第一LED进行光谱测量，然后读取另一个区域，进行第二次光谱测量等，那么通过交替地提供假指纹和假光谱指纹进行欺骗就是不可能的。
附图简述
通过阅读下面参考附图给出的具体描述，本发明的其它特征和优点将变得显而易见，其中：
图1表示本发明的装置的原理；
图2表示图1的装置的平面图；
图3表示集成在指纹图像传感器的相同芯片上的光电二极管的一个实施例；
图4表示图3的传感器的平面图；
图5表示具有四个对称区域的传感器的实施例；
图6表示具有两个对称区域的传感器的实施例；
图7表示一个传感器，在该传感器中通过在传感器的表面上移动手指来检测指纹的图像。
发明详述
在下文中，缩写LED(“发光二极管”)将用于表示用于光谱识别的单色或准单色光发射器，应当理解它通常表示发光二极管，但是它也可以是适合该测量的任何类型的光发射器(激光器，带滤光器的白光等)。使用多种颜色，因此使用多个二极管(或者滤光器)。发射光优选在红光和接近红外光范围，对于该范围，不仅光线能够良好地穿透进入皮肤，而且从血液产生良好的响应并且使用硅制造的检测器产生足够的敏感性。
术语光电二极管用于表示将接收的光子转换为电信号的光传感器。
皮肤光谱的获取需要测量皮肤对不同光波长的光刺激的光学响应。必须避免测量由皮肤的表面或者表面层(角质层)直接反射的光。这是因为关于每个个体特别的信息位于真皮结构中。因此光发射器(LED)必须与光传感器(光电二极管)分离，从而仅仅通过皮肤的光到达传感器，而将直接或者在皮肤上简单反射之后从LED传递到传感器的一部分光最小化。光发射器和检测器之间的距离选择能够控制直接反射的减少。
图1以剖面表示本发明的原理，其中指纹传感器和光谱指纹传感器分享一个表面，在身份识别操作期间手指按压在该表面上。该指纹传感器(光学或其它传感器)是由安装在基片20上的硅片组成的矩阵传感器10。LED 12与相应的光电二极管14一起表示，它们安装在相同的基片20上。实际上有多个优选地对应于不同波长的LED，和多个光电二极管。
该设计优选地使得指纹传感器明显小于手指，从而皮肤能够同时接触光谱传感器以便能够由用户的简单“接触”进行获取。具有更小指纹传感器的事实明显地减小了识别性能，其原因特别地在于难以每次正好提供指纹的相同部分。该性能的损失将由光谱识别提供的附加信息补偿。
图2表示混合传感器的平面图，该混合传感器重叠有放置在传感器上的手指22的图像。
为了通过减小待组合的电子元件的数量来减小总成本，优选地选择在指纹传感器中插入光电二极管。尤其当指纹传感器使用手指直接放置在其表面的硅片时，能够实现上述的方式。然后该芯片可以由透明的(穿孔的)表面保护层保护，该保护层并不覆盖检测来自LEDs的光线的光电二极管。
图3表示一个具有光电二极管14的基本实施例的部分，该光电二极管与组成指纹传感器的硅片10结合。图4表示图3中混合传感器的构造的平面图。
LEDs优选地借助于硅片10而直接被驱动，该硅片10可以包含指纹检测和光谱信息检测所需的所有电子设备。
也能够在硅片上集成身份识别算法，这甚至可以使组装更便宜。该算法通常在于比较当前的光谱测量值和一组与一个个体(用于检验身份的简单比较)或多个个体(用于识别几个人中的一个的多次比较)相关的光谱测量值。
将二极管集成到硅指纹传感器上的技术的一个优点在于它能够在相同的成本下为光谱读取提供多种光电二极管，因为该成本基本上取决于硅的表面积而不是光电二极管的数量，当组装独立元件时并非是这样的情况。
为光谱读取增加光电二极管的数量能够减小LEDs的数量，同时增加测量的准确性。
此外，这使得由指纹识别的局部光谱信息和手指的特定区域之间相关联：这将使得极难制造假手指，并且将增加识别的准确性。光电二极管可以插入到将要被特征化的每个区域中。每个区域可以使用其自有的一组LED以便提供相同的拓扑结构并使分析简单化，尽管它也能够使用用于所有区域的单组LED。在该情况下，提供一种尽可能对称的结构是有利的。理想的是使用手指的导向装置以避免旋转，这将使相关分析简单化。
图5表示一个实施例，其中指纹传感器(硅片)被分为四个对称的区域，每个区域包括多个光电二极管，所述光电二极管与围绕该芯片布置的若干LED相关联。图6表示另一个实施例，其中传感器被分为两个区域，这两个区域关于水平轴线对称。在该芯片中，光电二极管位于该轴线的每一侧，且LED优选地位于该轴线上，并且位于该芯片的每一侧上。
在一个特别的实施例中，其中指纹检测矩阵是光电二极管矩阵(指纹的光学、静态和直接接触读取)，提出这些相同的光电二极管也应当用于光谱指纹检测。然后LED被用作照射源以用于照明指纹的脊和谷；当所有的LED都点亮时光电二极管收集表示指纹的光图案；为了获得光谱信息，进一步提出该若干个LED应当发出不同波长的光。典型地，在诸如图6中的结构中，其中的若干LED沿着矩阵的水平对称轴排列在光电二极管矩阵的每一侧，可以假设位于以特定LED 32为中心的圆弧30上的图像检测矩阵的光电二极管接收来自相同深度的真皮的光谱信息，该光谱信息构成了可以从其它LED获得的整体光谱识别的一个要素。若干LED的不同波长和矩阵中光电二极管的不同位置使得能够确定整体光谱指纹。
在该实施例中，多个不同波长的LED将顺序地围绕静态的、直接接触的光学传感器放置。于是它们将具有两个用途：一方面，这些LED中的一些或所有将同时点亮以便充分地照明手指，以使借助于光电二极管矩阵获取指纹，所述光电二极管连接到适用于该目的的电子设备。另一方面，单个波长将被启动以便能够借助相同的光电二极管测量光谱指纹，所述光电二极管连接到适用于该光谱读取的电子设备。
可以将光电二极管的该布置和上述的相关分析结合。
通常，如果指纹获取和光谱获取顺序地发生，拥有假指纹和带有正确光谱特征的假手指的诈骗者将能够在适当的时间提供两个伪造物中的每一个。因此非常希望使这种情况难以实现，本发明提出交替进行读取和/或进行测量若干次：于是能够保证正在读取的信息的一致性。
各种非限定的可能性如下：
完整读取指纹，然后读取光谱，然后再次读取指纹，检查两个指纹图像是否相同(在这两个指纹读取之间没有移动)；
部分地读取指纹(例如右上的四分之一)，部分地读取光谱指纹(例如在蓝光频带下读取)，并顺序地照此执行直到完整地读取指纹传感器的其它部分和对应于其它波长的信息；
在每个频带下读取指纹，这允许指纹和光谱指纹同时被获取。
尽管看上去使用指纹的静态获取更容易，其中在记录信息的同时指纹并不移动，但这具有的缺点在于使用的硅面积至少等于正在获取的指纹的尺寸。
手指在线性获取区域上滑动的扫描获取技术已经在专利FR2749955中提出，从部分彼此重叠的连续图像重建整体图像。本发明也适用于该情况。图7表示混合传感器的相应结构，其中硅片采用延长带的形式，该延长带包含用于指纹图像获取和光谱信息获取的几行光电二级管，其中该发光二极管位于硅片之外。
当使用该扫描时，上述的读取的交替自然地发生，原因在于必须采用“即时”(on-the-fly)读取(否则必须两次忽略手指(pass finger over)，这明显地减小了该技术的益处)。
在指纹和光谱指纹相关中使用该扫描技术带来了重要的改进。这是因为能够在指纹带上直接进行相关联，具体而言是对测量期间与该装置接触的皮肤部分。对于想要被识别的个体，在对应手指区域的指纹和对应该区域的光谱信息之间，可以进行一致性检查。
当检测某个指纹部分时，也能够触发“即时”光谱分析，从而皮肤的明确界定部分可以准确地进行光谱分析。
还能够执行与空间(和时间)偏移的相互关联，而不是直接通过评估手指的即时速度。该相互关联可以在相同的手指区域上执行或者在不同的区域上执行。
本发明的优选实施方式在于使用结合光谱指纹获取的扫描光学指纹获取，其中光电二极管在物理上是相同的。这理想地减小了数据获取所需的元件，因此减小了成本。
可以从用于光谱图像获取的若干LED分出用作指纹获取的照射源的若干LED(通过均匀地布置它们以便同样照明手指)。然而分享使用发光二极管，从而使它们实现两个作用将会更便宜。
根据本发明也设想了下面的可能性：
发光二极管可以在技术允许的范围内集成到组成指纹传感器的芯片中；
指纹传感器可以是光学传感器，但是它也可以是电容传感器、热传感器、压力传感器或者电流传感器；
如果传感器是光学的，光源可以由指纹获取和光谱信息获取共享；
对于光谱指纹获取，可以使用这样的波长，该波长用于检测手指中的血液和/或血红蛋白中的含氧量；
手指可以由手指导向装置引导以便促进指纹获取和光谱信息测量之间的相关性；
该装置可以使用一次或多次以便更可靠地识别身份：可以检查几个手指，或者检查一个手指上的指纹和另一个手指上的光谱信息。
权利要求书
(按照条约第19条的修改)
1.一种个人识别装置，该装置在一个基片(20)上具有扫描指纹图像传感器(10)，该传感器获取一个图像线或者少量的图像线，并且具有重建装置，该重建装置通过在手指和传感器之间的相对运动期间获得的部分图像之间的相互关系，重建整体指纹图像，其特征在于：它还具有用于光谱透射信息的传感器(12，14)，该光谱透射信息与由所述图像传感器记录其指纹的该手指的皮肤相关，所述图像传感器和所述光谱信息传感器设计成交替地工作。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述指纹图像传感器位于硅芯片上，并且所述光谱透射信息传感器具有发光二极管和光电二极管。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述光电二极管以及可选地所述发光二极管都与所述指纹图像传感器位于相同芯片上。
4.根据权利要求2或3所述的装置，其特征在于：所述发光二极管和所述光电二极管关于轴线对称地布置。
5.一种个人识别方法，其特征在于：使用相同的装置，检测指纹图像以及与其指纹被检测的手指的皮肤相关的光谱透射信息，该装置具有扫描指纹图像传感器和光谱透射信息传感器，所述指纹图像和所述光谱透射信息都用于识别该个人，所述图像传感器获取一个图像线或者少量的图像线，并且具有重建装置，该重建装置通过在该手指和该传感器之间的相对运动期间获得的部分图像之间的相互关系，重建整体指纹图像，所述指纹图像传感器和所述光谱信息传感器交替地工作。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：完整指纹的几次读取以及完整光谱信息的几次收集交替进行，并且检查不同的检测信息之间的一致性。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：读取对应于特定手指区域的一部分指纹，读取对应于该区域的光谱信息，并随后从该部分图像重建该指纹的完整图像。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：为打算被识别的个人检查对应于手指区域的该指纹以及对应于该区域或者另一区域的该光谱信息的一致性。
9.根据权利要求1至4中任一所述的装置，其特征在于：所述指纹传感器是光学传感器、或者电容传感器、或者热传感器、或者对通过该手指的电流敏感的传感器，或者对压力敏感的传感器。
10.根据权利要求1至4中任一所述的装置，其特征在于：用于指纹获取和光谱信息获取的是相同的光源。
11.根据权利要求1至4中任一所述的装置，其特征在于：该光谱信息获取包括对用于检测血液和/或血红蛋白中含氧量的波长的测量。

Claims (17)

1.一种身份识别装置，该装置在同一基片(20)上具有指纹图像传感器(10)和用于光谱透射信息的传感器(12，14)，该光谱透射信息涉及由所述指纹图像传感器记录其指纹的手指的皮肤。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述指纹传感器是静态传感器，在指纹获取期间该手指在该静态传感器上保持不动。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述指纹传感器是扫描传感器，该扫描传感器获取图像线或者少量的图像线，并且具有重建装置，该重建装置通过在该手指和该传感器之间的相对运动期间获得的部分图像之间的相互关系，重建整体指纹图像。
4.根据上述任一权利要求所述的装置，其特征在于：所述指纹图像传感器位于硅芯片上，并且所述光谱透射信息传感器具有发光二极管和光电二极管。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述光电二极管以及可选地该发光二极管与所述指纹图像传感器位于相同芯片上。
6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于：所述发光二极管和所述光电二极管关于轴线对称地布置。
7.根据权利要求1至6中任一所述的装置，其特征在于：所述指纹传感器和所述光谱信息传感器设计成连续地工作。
8.根据权利要求1至7中任一所述的装置，其特征在于：所述指纹传感器和所述光谱信息传感器设计成交替地工作。
9.一种个人识别方法，其特征在于：使用相同的装置检测指纹图像以及与被检测其指纹的手指的皮肤相关的光谱透射信息，该装置具有指纹图像传感器和光谱透射信息传感器，所述指纹图像和所述光谱透射信息都用于识别该个人。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于：所述指纹传感器和所述光谱信息传感器连续地工作。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于：所述指纹图像传感器和所述光谱信息传感器交替地工作。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：完整指纹的几次读取以及完整光谱信息的几次收集交替进行，并且检查不同的检测信息之间的一致性。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：读取对应于特定手指区域的一部分指纹，读取对应于该区域的光谱信息，并随后从部分图像重建该指纹的完整图像。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：对打算被识别的个人，检查对应于手指区域的指纹以及对应于该区域或者另一区域的光谱信息的一致性。
15.根据权利要求1至8中任一所述的装置，其特征在于：所述指纹传感器是光学传感器、或者电容传感器、或者热传感器、或者对通过该手指的电流敏感的传感器，或者对压力敏感的传感器。
16.根据权利要求1至8中任一所述的装置，其特征在于：对于指纹获取和光谱信息获取使用同样的光源。
17.根据权利要求1至8中任一所述的装置，其特征在于：光谱信息获取包括对用于检测血液和/或血红蛋白中含氧量的波长的测量。
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