CN111126295A - 生物特征图像的采集装置及采集方法、智能设备 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种生物特征图像的采集装置及采集方法、智能设备，属于生物特征图像采集技术领域。该装置包括：选通开关，用于输出选通信号；光电传感阵列，连接选通开关，用于接收选通信号，选通指定像素点的光电传感单元，将光电传感单元采集的生物特征光信号转换为电荷信号；以及信号处理电路，连接光电传感阵列，用于接收电荷信号，将电荷信号转换为放大的电压信号，并对电压信号进行非线性变换，压缩电压信号的信号范围，将压缩的电压信号转换成指定像素点的像素值输出。本申请实施例提供的技术方案，压缩了信号的动态范围，使采集的信号更加均匀，提高了采集精度。
Description
技术领域
本申请涉及特征信息采集技术领域，特别涉及一种生物特征图像的采集装置及采集方法、智能设备、显示设备。
背景技术
随着人们对信息安全需求的提高，生物识别技术越来越受到各界的关注。在众多生物识别技术中，指纹识别技术因其实用性，已成为关注度最高、应用最广泛的一种技术，特别是对于手持移动设备如手机、平板电脑来说，指纹识别已慢慢成为不可缺少的一部分。
目前，指纹或掌纹等生物特征图像的采集，主要通过将手指或手掌放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将反射光线投射在电荷耦合器件(CCD)上，通过CCD将光信号转换为电信号，将电信号转换成图像的像素值，从而得到指纹或掌纹图像。
当内置光源为点光源时，如图1所示，中心黑点为光源，虚线为采集范围。如图2所示，在采集范围内的光强变化较大，光源中心位置较亮，周围区域亮度降低。如图2所示，第二张图中横坐标为像素的横向位置坐标，纵坐标为像素的灰度值。从图2的第二图中可以看出，在采集范围内不同位置处的量化比特不均匀，即灰度值变化不均匀，在[-60,-40]和[40,60]区间内，信号动态范围过小，从而导致生物特征图像的精度不高。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种生物特征图像的采集装置，用以提高生物特征图像的采集精度。
本申请实施例提供了一种生物特征图像的采集装置，包括：
选通开关，用于输出选通信号；
光电传感阵列，连接所述选通开关，用于接收所述选通信号，选通指定像素点的光电传感单元，将所述光电传感单元采集的生物特征光信号转换为电荷信号；以及
信号处理电路，连接所述光电传感阵列；
其中，所述信号处理电路用于接收所述电荷信号，将所述电荷信号转换为放大的电压信号，并对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围，将压缩的电压信号转换成所述指定像素点的像素值进行输出。
在一实施例中，所述信号处理电路包括：
电荷放大模块，连接所述光电传感阵列，用于将所述指定像素点的电荷信号转换为放大的电压信号；
非线性放大模块，连接所述电荷放大模块，用于对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围；以及
模数转换模块，连接所述非线性放大模块，用于将经过所述非线性放大模块处理的电压信号转换为所述指定像素点的像素值。
在一实施例中，所述电荷放大模块包括：
电荷放大器，连接所述光电传感阵列，用于将所述电荷信号转换为放大的电压信号；
线性放大器，连接所述电荷放大器和所述非线性放大模块，用于将经过所述电荷放大器放大的电压信号进行二次放大。
在一实施例中，所述信号处理电路还包括：
线性放大器，连接所述非线性放大模块和模数转换模块，用于将经过所述非线性放大模块压缩信号范围后的电压信号进行线性放大。
在一实施例中，所述非线性放大模块为对数放大器。
在一实施例中，所述装置还包括控制器，所述控制器连接所述选通开关；所述控制器用于向所述选通开关输出控制信号，控制所述选通开关输出相应的选通信号。
在一实施例中，所述选通开关为行选通开关，所述信号处理电路为多个，一一对应连接同一行的多个光电传感单元；
所述光电传感阵列中同一列的光电传感单元连接同一个信号处理电路。
在一实施例中，所述选通开关包括行选通开关和列选通开关，所述信号处理电路为一个，所述信号处理电路分别连接每个像素点的光电传感单元。
另一方面，本申请实施例提供了一种生物特征图像的采集方法，所述方法包括：
针对每个像素点，采集所述像素点的生物特征光信号，并将所述光信号转换为电荷信号；
将所述像素点的电荷信号转换为放大的电压信号；
对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围；
将经过信号范围压缩的电压信号转换为对应像素点的像素值；
基于每个像素点的像素值，得到所述生物特征图像。
此外，本申请实施例提供了一种智能设备，包括：
盖板；
光源，内置与所述智能设备内，用于发出光线，照射接触所述盖板的目标对象；
上述生物特征图像的采集装置，所述采集装置采集所述光源发出的，经过所述目标对象反射的生物特征光信号。
进一步，本申请实施例还提供了一种显示设备，包括：
显示面板，用于发出光线，照射接触所述显示面板的目标对象；
上述生物特征图像的采集装置，所述采集装置采集所述显示面板发出的，经过所述目标对象反射的生物特征光信号。
在一实施例中，所述显示面板为OLED面板、LED面板和LCD面板中的任意一种。
本申请实施例提供的技术方案，在将光电传感单元的电荷信号转换成像素值，采集生物特征图像过程中，通过对电压信号进行非线性变换，压缩电压信号的信号范围，从而扩大了采集装置的动态范围；在点光源屏下，采用本申请实施例提供的采集装置，可以使采集的信号更加均匀，提高了采集精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为背景技术中点光源的采集范围示意图；
图2为背景技术中采集精度不高的原理示意图；
图3为本申请实施例提供的生物特征图像的采集装置的结构示意图；
图4为本申请实施例提供的生物特征图像的采集装置的结构示意图；
图5为本申请实施例提供的信号处理电路的结构示意图；
图6为本申请另一实施例提供的信号处理电路的结构示意图；
图7为本申请又一实施例提供的信号处理电路的结构示意图；
图8为本申请一实施例提供的信号处理电路的结构示意图；
图9是本申请实施例提供的一种生物特征图像的采集方法的流程示意图；
图10是采用本申请实施例提供的技术方案与未采用本申请实施例所提供技术方案的对比示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
图3为本申请实施例提供的生物特征图像的采集装置100的结构示意图。如图3所示，该采集装置100可以包括：选通开关11、光电传感阵列12以及信号处理电路13。选通开关11连接光电传感阵列12，光电传感阵列12连接信号处理电路13。
其中，选通开关11可以向光电传感阵列输出选通信号。在一实施例中，选通开关11可以包括列选通开关和行选通开关，从而输出的选通信号可以包括行选通信号和列选通信号，从而选通指定的像素点。在一实施例中，行选通信号可以是向指定行输出高电平，列选通信号可以是向指定列输出高电平，指定行与指定列的交点即为选通的指定像素点。此时，信号处理电路可以是一个，分别连接光电传感阵列的每个光电传感单元，从而在某个像素点的光电传感单元选通时，均可通过该信号处理电路进行信号处理。
在一实施例中，选通开关11可以连接控制器，选通开关11可以根据控制器输出的控制信号，输出行选通信号和列选通信号。在一实施例中，控制信号可以是按照预设时间间隔的脉冲信号，从而触发选通开关11定时输出选通信号。
光电传感阵列12可以是CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合器件)或CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器。光电传感阵列12可以认为是多个光电传感单元以阵列形式排布。一个像素点可以认为对应一个光电传感单元，每个光电传感单元可以由场效应管和光电二极管构成。光电传感阵列12可以接收选通开关11输出的选通信号，选通指定像素点的光电传感单元。例如，选通信号是向第n行输出高电平，向第m列输出高电平，即选通(n，m)这个像素点的光电传感单元。N可以表示从上往下数(或从下往上数)的第n行，m表示从左往右数(或从右往左数)的第m列。n的范围大于等于1，小于等于光电传感阵列的总行数。M的范围大于等于1小于等于光电传感阵列的总列数。(n，m)这个像素点的光电传感单元可以将采集的生物特征光信号转换为电荷信号。生物特征可以是指纹或掌纹。生物特征光信号可以是光源照射在手指或手掌表面后，反射的光线。
信号处理电路13可以连接光电传感阵列12中的每个光电传感单元，在指定像素点的光电传感单元选通时，信号处理电路13与此光电传感单元之间导通，接收此光电传感单元的电荷信号。信号处理电路13可以将电荷信号转换为放大的电压信号，并对电压信号进行非线性变换，压缩电压信号的信号范围。最后将压缩的电压信号转换成所述指定像素点的像素值进行输出。像素值也就是灰度值，是0-255之间的一个值，0表示黑色，255表示白色。灰度值是指从最暗的黑色到最亮的白色之间的灰度。
本申请实施例提供的技术方案，在将光电传感单元的电荷信号转换成像素值，采集生物特征图像过程中，通过对电压信号进行非线性变换，压缩电压信号的信号范围，从而扩大了采集装置的动态范围；在点光源屏下，采用本申请实施例提供的采集装置，可以使采集的信号更加均匀，提高采集精度。
图4为本申请另一实施例提供的生物特征图像的采集装置100的结构示意图。如图4所示，该采集装置100可以包括：行选通开关31、光电传感阵列12、控制器14以及多个信号处理电路13。选通开关11连接控制器14和光电传感阵列12，行选通开关31可以根据控制器14输出的控制信号，输出行选通信号。在一实施例中，控制信号可以是按照预设时间间隔的脉冲信号，行选通信号可以是向指定行输出高电平，从而控制指定行的光电传感单元121导通。本申请实施例中的行和列仅为空间中示例性的标示，于其他实施例中，可以依实际需求来定义行和列的相对位置，本案不以此为限制。
光电传感阵列12连接行选通开关31和多个信号处理电路13。光电传感阵列12用于根据行选通信号，选通指定行的光电传感单元121，将指定行光电传感单元121采集的生物特征光信号转换为电荷信号。
如图4所示，每个像素点对应一个光电传感单元121，每个光电传感单元121可以包含至少一个N型场效应管和一个光电二极管。在一实施例中，N型场效应管T11的栅极连接行选通开关31，漏极连接光电二极管P11，源极连接信号处理电路13的输入端。当栅极输入高电平时，源极和漏极导通，光电二极管P11采集生物特征光信号，并将光信号转换为电荷信号，输入信号处理电路13。
多个信号处理电路13，一一对应连接所述光电传感阵列12中同一行的多个光电传感单元121。即一行中的一个光电传感单元121对应一个信号处理电路13，有n行则对应n个信号处理电路13。信号处理电路13可以将指定像素点的电荷信号转换为放大的电压信号，并对所述电压信号进行非线性变换，压缩电压信号的信号范围，最后将压缩的电压信号转换成该像素点的像素值进行输出。通过行选通开关31对光电传感阵列12进行行扫描，可以将所有像素点的电荷信号转换为像素值进行输出，从而得到生物特征图像。生物特征图像可以是指纹图像或掌纹图像。
在一实施例中，光电传感阵列12中同一列的光电传感单元121可以连接同一个信号处理电路13，从而简化信号处理电路13。在某一行选通时，每一列的信号处理电路13可以与该行的光电传感单元121导通，从而对该行的电荷信号转换成像素值，依次进行每一行的选通，从而可以得到生物特征图像。
图5为本申请实施例提供的信号处理电路13的结构示意图。如图5所示，信号处理电路13可以包括：电荷放大模块141、非线性放大模块142和模数转换模块143。
电荷放大模块141连接光电传感阵列12，用于将指定像素点的光电传感单元121输出的电荷信号转换为放大的电压信号。非线性放大模块142连接所述电荷放大模块141，用于对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围。其中，非线性放大模块142可以是对数放大器，即输入信号与输出信号之间成对数关系，从而压缩信号范围。
模数转换模块143连接所述非线性放大模块142，用于将经过所述非线性放大模块142处理的电压信号转换为所述指定像素点的像素值。模数转换模块143可以是常见的A/D(analogue-to-digital)转换器，用于将模拟电压信号转换为数字信号，该数字信号就是对应像素点的像素值。
在一实施例中，图5中的电荷放大模块141可以是基于运算放大器的电荷放大器211(积分器)。如图6所示，电荷放大器211连接光电传感阵列12，接收指定像素点的光电传感单元121传输的电荷信号，将电荷信号转换为电压信号并且放大。电荷放大器211将放大的电压信号传输至非线性放大模块142。如图6所示，上述信号处理电路13还可以包括线性放大器212。线性放大器212连接非线性放大模块142和模数转换模块143，非线性放大模块142压缩电压信号的信号范围后，可以将电压信号传输至线性放大器212，从而线性放大电压信号。线性放大器212可以是基于运算放大器的负反馈放大器、仪表放大器或者差分放大器。
在另一实施例中，如图7所示，图5中的电荷放大模块141可以包括电荷放大器211和线性放大器212。电荷放大器211连接光电传感阵列12。电荷放大器211将指定像素点光电传感单元121采集的电荷信号转换为放大的电压信号；线性放大器212，连接电荷放大器211和非线性放大模块142，用于将经过电荷放大器211放大的电压信号进行二次放大。线性放大器212可以是基于运算放大器的负反馈放大器、仪表放大器或者差分放大器。
图8是本申请实施例提供的信号处理电路13的结构示意图，信号处理电路包括13包括电荷放大器211、非线性放大模块142、线性放大器212和模数转换模块143。非线性放大模块142可以处于L1或L2的位置，做一个非线性变化，用来压缩信号范围。
其中，Ty是第y行的选通信号，Pxy是第x列、y行的光电二极管，当选通信号Ty为高电平时，第y行的所有光电二极管P1y,P2y,...选通，每一列光电二极管Pxy(x＝1,2,...)的电荷经过电荷放大器211、非线性放大模块142、线性放大器212和模数转换模块143处理后得到像素值。非线性放大模块142的输出电压和输入电压可以满足：
式中，UT和IS都只与晶体管T的工艺有关，为常数。输入电压Uin和输出电压Uout之间呈对数关系。
在一实施例中，控制器14可以连接各个放大器和A/D转换器。控制器14可以根据时序控制放大器和A/D转换器复位，释放电容的电荷。另外，放大器的放大倍数及A/D转换器的精度，可以由可变电阻、可变电容实现调节，通过控制器14和D/A转换器可以实现对这些参数的控制。
图9是本申请实施例提供的一种生物特征图像的采集方法的流程示意图。该采集方法可以由上文提到的采集装置100实现。该方法可以包括以下步骤910-950。
在步骤910中，针对每个像素点，采集所述像素点的生物特征光信号，并将所述光信号转换为电荷信号。
其中，生物特征光信号可以是指纹或掌纹信号，可以由每个像素点的光电传感单元121，将每个像素点采集的光信号转换为电信号。
在步骤920中，将所述像素点的电荷信号转换为放大的电压信号。
在步骤930中，对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围。
其中，可以通过电荷放大模块141将所述像素点的电荷信号转换为放大的电压信号，并通过非线性放大模块142对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围。
在步骤940中，将经过信号范围压缩的电压信号转换为对应像素点的像素值。
其中，可以通过模数转换模块143将经过信号范围压缩的电压信号转换为对应像素点的像素值。
在步骤950中，基于每个像素点的像素值，得到所述生物特征图像。
本申请实施例还提供了一种智能设备，该智能设备可以是智能手机、平板电脑，还可以是指纹锁或指纹考勤机等。
该智能设备包括盖板、光源以及本申请实施例提供的生物特征图像的采集装置100。光源内置与智能设备内，用于发出光线，照射接触盖板的目标对象；目标对象可以是手指或手掌等。采集装置100采集所述光源发出的，经过所述目标对象反射的生物特征光信号，将光信号转换成像素值，得到生物特征图像。
在一实施例中，可以用显示面板作为盖板和光源。上述智能设备可以是显示设备，显示面板可以为OLED(OrganicLight-Emitting Diode，有机电激光显示)面板、LED(LightEmitting Diode，发光二极管)面板和LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示)面板中的任意一种。显示面板可以发出光线，照射接触显示面板的目标对象；本申请实施例提供的生物特征图像的采集装置可以采集显示面板发出的，经过目标对象反射的生物特征光信号，将光信号经过一系列处理转换成像素值输出。
图10是采用本实施例提供的技术方案与未采用本申请实施例所提供技术方案的对比示意图。如图10所示，A表示未采用本申请实施例所提供的技术方案，B表示采用本实施例所提供技术方案。从图10中可以看出，在A/D转换前用非线性放大模块142对信号进行非线性变换，压缩了信号范围，扩大了采集装置100的动态范围；在点光源下，采用本申请实施例提供的采集装置100，如图10中B所示，采集的信号更加均匀，提高了采集精度。
在本申请所提供的几个实施例中，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
Claims (12)
1.一种生物特征图像的采集装置，其特征在于，包括：
选通开关，用于输出选通信号；
光电传感阵列，连接所述选通开关，用于接收所述选通信号，选通指定像素点的光电传感单元，将所述光电传感单元采集的生物特征光信号转换为电荷信号；以及
信号处理电路，连接所述光电传感阵列；
其中，所述信号处理电路用于接收所述电荷信号，将所述电荷信号转换为放大的电压信号，对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围，转换成所述指定像素点的像素值进行输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路包括：
电荷放大模块，连接所述光电传感阵列，用于将所述指定像素点的电荷信号转换为放大的电压信号；
非线性放大模块，连接所述电荷放大模块，用于对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围；以及
模数转换模块，连接所述非线性放大模块，用于将经过所述非线性放大模块处理的电压信号转换为所述指定像素点的像素值。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电荷放大模块包括：
电荷放大器，连接所述光电传感阵列，用于将所述电荷信号转换为放大的电压信号；
线性放大器，连接所述电荷放大器和所述非线性放大模块，用于将经过所述电荷放大器放大的电压信号进行二次放大。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述信号处理电路还包括：
线性放大器，连接所述非线性放大模块和模数转换模块，用于将经过所述非线性放大模块压缩信号范围后的电压信号进行线性放大。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述非线性放大模块为对数放大器。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括控制器，所述控制器连接所述选通开关；所述控制器用于向所述选通开关输出控制信号，控制所述选通开关输出相应的选通信号。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述选通开关为行选通开关，所述信号处理电路为多个，一一对应连接同一行的多个光电传感单元；
所述光电传感阵列中同一列的光电传感单元连接同一个信号处理电路。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述选通开关包括行选通开关和列选通开关，所述信号处理电路为一个，所述信号处理电路分别连接每个像素点的光电传感单元。
9.一种生物特征图像的采集方法，其特征在于，所述方法包括：
针对每个像素点，采集所述像素点的生物特征光信号，并将所述光信号转换为电荷信号；
将所述像素点的电荷信号转换为放大的电压信号；
对所述电压信号进行非线性变换，压缩所述电压信号的信号范围；
将经过信号范围压缩的电压信号转换为对应像素点的像素值；
基于每个像素点的像素值，得到所述生物特征图像。
10.一种智能设备，其特征在于，包括：
盖板；
光源，内置与所述智能设备内，用于发出光线，照射接触所述盖板的目标对象；
权利要求1-8任意一项所述的生物特征图像的采集装置，所述采集装置采集所述光源发出的，经过所述目标对象反射的生物特征光信号。
11.一种显示设备，其特征在于，包括：
显示面板，用于发出光线，照射接触所述显示面板的目标对象；
权利要求1-8任意一项所述的生物特征图像的采集装置，所述采集装置采集所述显示面板发出的，经过所述目标对象反射的生物特征光信号。
12.根据权利要求11所述的显示设备，其特征在于，所述显示面板为OLED面板、LED面板和LCD面板中的任意一种。
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