способ и устройство для емкостного определения изображения

Формула изобретения

1. Способ емкостного определения изображения, при котором изображение определяют с помощью множества электродов, упорядоченных в виде растра, путем измерения электрической емкости между соответствующим электродом и элементом изображения, посредством других электродов, упорядоченных в этом растре и связанных друг с другом емкостной связью, на соответствующих ограниченных участках изображения определяют локальное среднее значение соответствующего измерения электрических емкостей и это среднее значение используют в качестве опорного значения для измеряемой электрической емкости по меньшей мере в одной точке изображения в пределах соответствующего участка.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что размеры участков, на которых определяют соответствующее среднее значение, изменяются в пределах изображения.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что средние значения используют как соответствующие граничные значения и путем сравнения измеренной емкости с соответствующим граничным значением с каждым элементом изображения соотносят одно из двух возможных значений.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что используется для получения черно-белого изображения отпечатка пальца.

5. Устройство для емкостного определения изображения, состоящего из элементов изображения в форме растра, содержащее поверхность для размещения определяемого изображения, два размещенных на разных расстояниях от этой поверхности слоя электрических проводников в качестве измерительных электродов, подразделенных соответственно растру и изолированных друг от друга, другие электрические проводники в качестве опорных электродов, размещенные в слое, находящемся на меньшем расстоянии от поверхности, и в соответствии с растром размещенные по соседству с измерительными электродами и в пределах предварительно определенного участка связанные емкостной связью таким образом, что для каждого элемента изображения посредством опорных электродов может быть осуществлено локально усредненное емкостное измерение, и электронные схемы, с помощью которых для предусмотренного измерения к измерительным электродам и к опорным электродам аналогичным образом прикладываются электрические потенциалы и могут быть измерены емкости, имеющиеся соответственно между элементом изображения и электродом.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что опорные электроды имеют гребенчатые структуры, которые взаимно перекрываются с гребенчатыми структурами соседних опорных электродов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу и устройству для емкостного определения изображения, которые особенно пригодны для определения черно-белых изображений отпечатков пальцев.

Известны различные способы реализации емкостных сенсорных матриц для съемки изображений отпечатков пальцев. В публикации S. Jung e.a.: "A Low-Power and High-Performance CMOS Fingerprint Sensing and Encoding Architecture", ESSCIRC" 98 описаны датчик отпечатков пальцев и соответствующий способ измерений, который обеспечивает возможность емкостного определения отпечатка пальца. Эффективная емкость между поверхностью пальца и верхним электродом определяется в каждом элементе изображения (пикселе). Под верхними электродами находятся кроме электрических проводников соответствующие электроды связи, которые электрически изолированы относительно верхних электродов и образуют с этими электродами соответствующие емкости. Предусмотрена электронная схема, которая позволяет зарядить соответствующие электроды связи до предусмотренного потенциала и посредством переключателя зарядить верхние электроды до другого потенциала. После того как переключатель размыкается, в устройстве устанавливаются определенные соотношения зарядов и напряжений, которые могут быть определены и служат для определения соответствующей емкости в соответствующем элементе изображения.

Для того чтобы с помощью этого способа обеспечить достаточное качество изображения, представляющего отпечаток пальца, всегда необходима калибровка сенсоров или по меньшей мере использование подаваемого извне опорного сигнала. Такие опорные значения необходимы, чтобы из непрерывных сенсорных данных (т. е. значений напряжения, полученных сенсорной схемой, которые соответствуют значениям емкости между пальцем и сенсорной поверхностью) получить изображение, пригодное для дальнейшей обработки, т.е. дискретное изображение. При предусмотренной съемке черно-белого изображения получаются очень плохие результаты, если изображение имеет черные или белые участки изображения, потому что в процессе сдвига опорного значения получается недостаточный контраст. Этого практически невозможно избежать, так как либо значения сенсоров, либо значения электрических параметров, которые приводятся для значений напряжения, полученных из значений емкости, могут варьироваться локальным образом. Эту проблему можно преодолеть только очень сложным путем, предусматривающим запоминание изображения с многоступенчатой дискретизацией и дальнейшую его обработку.

Из документа ЕР-А-0786745 известны способ и устройство для емкостного определения изображения. При этом предусмотрен накопитель для определения локального среднего значения, который размещен отдельно от устройства определения изображения.

Задача изобретения заключается в том, чтобы создать способ и устройство для емкостного определения изображения, с помощью которых обеспечивается возможность простой съемки растрового черно-белого изображения с контрастом, достаточным для детального воспроизведения, особенно для воспроизведения отпечатков пальцев.

Эта задача решается в способе с признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения, и в устройстве с признаками, приведенными в пункте 5 формулы изобретения. Варианты осуществления охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения.

Для соответствующего изобретению способа достаточным является одноступенчатое аналого-цифровое преобразование полученных сигналов измерений. Чтобы скомпенсировать локально изменяющиеся различия в яркости или контрасте, полученные для каждого элемента изображения, измеренные значения емкости подвергаются локальному сравнению с порогом. Таким путем формируется опорное значение, которое в качестве граничного значения обеспечивает возможность соотнести цифровой результат одноступенчатой операции (двоичный "0" или двоичную "1") с измеренным значением. Определение изображения с помощью емкостных измерений и определение порогового значения, получаемого из данных ограниченного фрагмента изображения, могут в данном способе производиться одновременно. Устройство, с помощью которого можно осуществить данный способ, работает независимо от внешних опорных значений и может, например, для определения отпечатков пальцев выполняться в виде интегральной схемы.

Для емкостного определения изображения действуют в принципе так же, как в вышеупомянутых публикациях. Применяют растровую конфигурацию электрических проводников, которые образуют противоэлектроды по отношению к поверхности изображения. Поверхность изображения может представлять собой, например, поверхность кожи кончика пальца. Следствием структурирования поверхности кожи на выступы и впадины являются локально различные емкости между электрическими проводниками, расположенными в плоскости в качестве измерительных электродов, и поверхностью кожи, воспринимаемой как находящаяся под постоянным электрическим потенциалом. На большем расстоянии от поверхности изображения размещены другие электроды в плоскости, параллельной первым вышеупомянутым электродам, представляющие собой электроды связи. Путем приложения подходящих потенциалов и отключения соответствующего потенциала с электродов, которые размещены на близком расстоянии от поверхности изображения, можно измерить емкости между соответствующими электродами и верхней стороной изображения для соответствующего элемента изображения.

В способе, соответствующем изобретению, для измерения применяют дополнительные электроды, служащие в качестве опорных электродов, которые расположены соответственно по соседству с собственно измерительными электродами. Опорные электроды расположены таким образом и выполнены с такими размерами, что в принципе можно осуществить то же самое измерение, что и с использованием собственно измерительных электродов. Опорные электроды, однако, вследствие их размещения и в необходимом случае геометрической формы настолько сильно связаны емкостной связью с другими опорными электродами, по меньшей мере с ближайшими соседними из них, что при измерении с использованием этих электродов изображение определяется в некоторой области изображения вокруг конкретного элемента изображения. Среднее значение, полученное с помощью опорных электродов, применяется как пороговое значение или граничное значение, с которым сравнивается любое измеренное значение, которое получено в результате емкостного измерения с использованием собственно измерительных электродов. При использовании средних значений получают вместо постоянного опорного значения, одинакового для всей площади изображения, локально варьирующееся значение сравнения, которое и при локально очень светлом или очень темном изображении обеспечивает контраст, достаточный для детального воспроизведения изображения.

Электрическое напряжение, прикладываемое при измерении к измерительным электродам, может отличаться от напряжения, приложенного к опорным электродам. На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства, пригодного для осуществления заявленного способа. Между обоими местоположениями слоев электрических проводников (измерительных электродов и электродов связи) в каждой точке изображения имеются емкости С12. К электродам связи приложен электрический потенциал V2. Верхняя сторона изображения, например поверхность кожи пальца, принимается в качестве находящейся под постоянным потенциалом VF. К измерительным электродам прикладывается определенный потенциал и отделяется от электродов путем приведения в действие переключателей. Согласно соответствующим соотношениям емкостей в отдельных элементах изображения устанавливаются различные значения величины заряда на электродах, которые измеряются для определения соответствующих емкостей между измерительными электродами и верхней стороной изображения. В случае измерения посредством опорных электродов следует учитывать емкости, имеющиеся между электродами, так как эти опорные электроды размещены и выполнены таким образом, что значениями показанных на фиг.1 емкостей связи Ck нельзя пренебречь. После отключения напряжения, приложенного к опорным электродам, которое может быть равно или отличаться от напряжения, приложенного к измерительным электродам для собственно измерения, на опорных электродах в каждой точке изображения устанавливается значение VG, соответствующее емкости CF, i между электродами и элементом изображения. В результате осуществленного таким образом емкостного измерения вырабатывается смазанный или расплывчатый отпечаток определяемого изображения. Эта неконтрастность, вызванная при емкостном измерении емкостной связью между опорными электродами, используется для того, чтобы локальное значение этого измерения использовать в качестве опорного значения при сравнении со значением, определенным с помощью измерительных электродов.

Показанная на фиг.1 принципиальная схема для усредняющего емкостного измерения в способе, соответствующем изобретению, дополняется схемами, показанными на фиг. 2 и 3 и иллюстрирующими конфигурацию электродов, которая пригодна для использования в этом способе и которая может быть реализована в соответствующем устройстве указанным образом, а также диаграммами, показанными на фиг.4 для пояснения соответствующего изобретению улучшения качества изображения.

На фиг. 2 представлен для примера фрагмент конфигурации растровой формы измерительных электродов 1, которые упорядочены в шестиугольный растр и которые в форме кольца окружены опорными электродами 2, окаймленными концентричными шестиугольниками. Емкости связи Ck между двумя соответствующими опорными электродами указаны на схеме в виде конденсаторов малой емкости. Этих конденсаторов в действительности нет, они представляют только эквивалентную схему емкостей, которые реально образованы опорными электродами 2.

На фиг.3 представлен вид, который соответствует фиг.2 и на котором более детально изображена структура опорных электродов 2 в возможном варианте осуществления. Опорные электроды 2 выполнены в виде гребенчатых структур, перекрывающихся между собой таким образом, что емкости связи между опорными электродами двух соседних элементов изображения имеют максимальную величину. Тем самым опорные электроды 2 образуют с опорными электродами 3, соответствующими соседнему элементу изображения, емкости максимально возможной величины. Поэтому при осуществлении способа с помощью данного устройства реализуется наилучшее формирование среднего значения. Обусловленные структурой изображения отклонения в измеренном значении для отдельных элементов изображения при этом в значительной степени компенсируются, и по существу измеряется только одно среднее значение, формируемое для нескольких элементов изображения.

В данном способе локальная информация об изображении, которая определяется с помощью измерительных электродов, при параллельном измерении посредством опорных электродов заменяется их локальным средним значением. Радиус области, на которой производится усреднение, и взвешивание локальных средних значений в зависимости от положения в полном изображении могут устанавливаться через соотношения емкостей Ck и С12. Граничные случаи при этом соответствуют Ck=0, когда должно получаться изображение, которое по существу соответствует изображению, полученному измерительными электродами, и бесконечно большому значению Ck, когда на каждом опорном электроде формируется одинаковый потенциал, который соответствует глобальному среднему значению всего изображения. Емкостные соотношения должны согласовываться с соответствующими применениями и, например, при применении способа в сенсоре отпечатков пальцев должны выбираться таким образом, чтобы среднее значение определялось в пределах области, радиус которой предпочтительно локально различный, согласуется с типовой структурой узора полос на отпечатке пальца.

Конфигурация измерительных электродов и опорных электродов предпочтительно должна выбираться для каждой точки изображения однотипной. Имеются подобные электронные схемы, с помощью которых к электродам в каждом элементе изображения может прикладываться и отключаться предварительно заданный потенциал. Потенциалы, образующиеся в каждой точке изображения на измерительных электродах или на опорных электродах, сравниваются предпочтительно с помощью схемы компаратора. Результатом этого сравнения является черная или белая точка на черно-белом изображении в зависимости от того, превышает ли измеренное значение соответствующее среднее значение или меньше его. Схема компаратора может быть выполнена, например, как динамическая ключевая схема с фиксацией состояния ("защелка").

Устройство можно реализовать в виде интегральной схемы, для которой особенно хорошо подходит приведенная в качестве примера гексагональная конфигурация. Ввиду высокой плотности расположения измерительных электродов в подобном растре с граничащими друг с другом сторонами шестиугольников опорные электроды особенно удобно расположены для формирования максимально большой емкости связи.

На фиг.4 представлены три графика, с помощью которых поясняется способ, соответствующий изобретению. Обозначенная координатой х протяженность в одном направлении плоской конфигурации измерительных электродов нанесена по оси абсцисс в любых единицах измерения; значения напряжения, которые относятся к измеренным емкостям отдельных точек изображения, нанесены как VG по оси ординат. Показанная кривая 8 должна представлять напряжение VG, изменяющееся по координате х. В зависимости от того, больше или меньше напряжение VG, чем опорное напряжение Vref, соответствующая точка изображения представляется как черная или белая. Из фиг.4A следует, что при применении только одного опорного напряжения Vref в правой области графика напряжение VG постоянно остается выше опорного напряжения, так что изображение там представляется однородно черным. Отклонения напряжения (гребни и впадины кривой 8) больше не учитываются, так что детальное разрешение изображения на этом участке невозможно. Более точное воспроизведение изображения с градациями серого возможно, если применяются в соответствии с фиг.4B различные опорные напряжения Vrefl, Vref2, Vref3 для выработки изображения с градациями серого. Подобная оценка результатов измерений связана, однако, с высокими затратами. Поэтому в соответствии с изобретением действуют так, как иллюстрируется на фиг.4C, где показанное штриховой линией опорное напряжение Vref согласуется локально с детальными особенностями изображения, и благодаря этому на правом участке графика отклонения напряжения VG могут быть использованы для получения значений яркости, т.е. черно-белых градаций изображения. Определение этого опорного напряжения Vref производится описанным способом путем формирования среднего значения с использованием опорных электродов с емкостной связью.