CN115661870B - 超声指纹识别的方法、超声指纹装置和电子设备 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种超声指纹识别的方法、超声指纹装置和电子设备，具有更优的指纹识别性能。所述方法由超声指纹装置执行，所述超声指纹装置设置在电子设备的屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别，所述方法包括：在手指按压所述屏幕时，向所述手指发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集所述手指返回的携带指纹信息的超声指纹信号，所述N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，f为所述超声波信号的频率，N是大于1的正整数；根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别。

Description

超声指纹识别的方法、超声指纹装置和电子设备

技术领域

本申请实施例涉及超声指纹领域，并且更具体地，涉及一种超声指纹识别的方法、超声指纹装置和电子设备。

背景技术

超声波指纹识别技术因其具有解锁速度快、准确率高、录入简单和适用范围广等优势，正逐步成为一种主流的指纹解锁方案。在进行超声指纹识别的过程中，超声指纹装置发射超声波信号，该超声波信号穿过贴合层和屏幕等介质后达到屏幕表面，被屏幕表面的手指反射后，再次穿过屏幕等叠层后回到超声指纹装置。由于手指的指纹谷和指纹脊对超声波信号的反射率不同，超声指纹装置采集到的回波信号中便携带指纹信息。此外，超声指纹装置还需要采集没有手指按压屏幕表面时返回的背景信号，将携带指纹信息的回波信号与未携带指纹信息的背景信号作差，便可以得到清晰的指纹图像。

由于背景信号无法实时采集，通常是提前存储好的，因此当前指纹识别时采集的回波信号与存储的背景信号之间可能存在采集环境上的差异，例如环境温度不同，从而使信号返回的时间不同，导致作差后指纹图像的清晰度发生变化。为此，需要解决信号返回时间不同所引起的指纹图像不清晰度的问题，以提升超声指纹识别的性能。

发明内容

本申请实施例提供一种超声指纹识别的方法、超声指纹装置和电子设备，具有更优的指纹识别性能。

第一方面，提供了一种超声指纹识别的方法，所述方法由超声指纹装置执行，所述超声指纹装置设置在电子设备的屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别，所述方法包括：在手指按压所述屏幕时，向所述手指发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集所述手指返回的携带指纹信息的超声指纹信号，所述N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，f为所述超声波信号的频率，N是大于1的正整数；根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别。

在一种实现方式中，所述根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别，包括：根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，确定所述超声指纹信号的等效信号，所述超声指纹信号的所述等效信号是与所述超声指纹信号的返回时间不相关的信号；根据所述超声指纹信号的所述等效信号，进行指纹识别。

在一种实现方式中，所述等效信号可以为：，/>，/>，其中，/>为所述N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的信号值，P为所述等效信号的值。

在一种实现方式中，所述根据所述超声指纹信号的所述等效信号，进行指纹识别，包括：获取没有手指按压所述屏幕时依次在所述N个采样窗口内采集的未携带指纹信息的超声背景信号；根据所述超声指纹信号的所述等效信号与所述超声背景信号的所述等效信号之间的差值，进行指纹识别。

在一种实现方式中，N=4时，所述超声背景信号的所述等效信号与所述超声指纹信号的所述等效信号之间的差值P_d为：P_d=2(A_v-A_r)，其中，A_v为所述手指的指纹谷返回的超声指纹信号的最大幅值，A_r为所述手指的指纹脊返回的超声指纹信号的最大幅值。

第二方面，提供了一种超声指纹装置，所述超声指纹装置设置在电子设备的屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别，所述超声指纹装置包括：检测模块，用于在手指按压所述屏幕时，向所述手指发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集所述手指返回的携带指纹信息的超声指纹信号，所述N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，f为所述超声波信号的频率，N是大于1的正整数；处理模块，用于根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别。

在一种实现方式中，所述处理模块具体用于：根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，确定所述超声指纹信号的等效信号，所述超声指纹信号的所述等效信号是与所述超声指纹信号的返回时间不相关的信号；根据所述超声指纹信号的所述等效信号，进行指纹识别。

在一种实现方式中，所述超声指纹信号的等效信号为：，，/>，其中，/>为所述N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的信号值，P为所述等效信号的值。

在一种实现方式中，所述处理模块具体用于：获取没有手指按压所述屏幕时依次在所述N个采样窗口内采集的未携带指纹信息的超声背景信号；根据所述超声指纹信号的所述等效信号与所述超声背景信号的所述等效信号之间的差值，进行指纹识别。

在一种实现方式中，N=4，所述超声背景信号的所述等效信号与所述超声指纹信号的所述等效信号之间的差值P_d为：P_d=2(A_v-A_r)，其中，A_v为所述手指的指纹谷返回的超声指纹信号的最大幅值，A_r为所述手指的指纹脊返回的超声指纹信号的最大幅值。

第三方面，提供了一种电子设备，包括：屏幕；以及，第二方面或第二方面的任一可能的实现方式中所述的超声指纹装置，所述超声指纹装置设置在电子设备的屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别。

基于上述技术方案，通过采集不同采样窗口内的信号来解决信号返回时间不同导致的指纹图像不清晰的问题。相比于仅设置一个采样窗口，设置多个采样窗口进行信号采集后，可以对多个采样窗口内采集的信号进行处理，消除其中与信号返回时间相关的变量，从而避免信号返回时间不同所引起的指纹图像的清晰度的变化，提升超声指纹识别的性能。

附图说明

图1是超声指纹识别的原理的示意图。

图2是本申请实施例的超声指纹识别的方法的示意性流程图。

图3是采用本申请的方案和未采用本申请的方案时手指脊和手指谷的差异的示意图。

图4是本申请实施例的超声指纹装置的示意性框图。

图5是本申请实施例的电子设备的示意性框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行描述。

超声指纹装置通过向手指发射并接收手指返回的超声波信号，来获取该手指的指纹图像。超声波信号可以透过皮肤表皮层，受指纹表面细节的影响较小，因此超声指纹装置在污渍、湿手等场景下具有更好的识别率，同时也具有更强的防伪特性。

图1为超声指纹识别的原理的示意图。如图1所示，超声指纹装置300发射的超声波信号P(A₀)经过屏幕200到达其上表面，由于皮肤与屏幕200之间、以及空气与屏幕200之间均存在声阻抗的差异，因此超声波信号P(A₀)会被反射，形成回波信号P(A₁)。手指100包括指纹脊（以下也简称为脊）110和指纹谷（以下也简称为谷）120，当手指100按压屏幕200时，脊110和屏幕200之间是贴合的而，谷120和屏幕200之间存在空气间隙，因此，脊110位置返回的信号强度与谷120位置返回的信号强度是存在差异的，可以利用这种差异来得到手指100的指纹图像，从而实现超声指纹识别。

通常，超声波信号的强度变化满足正弦规律或者余弦规律，其可以是正弦波信号、余弦波信号、或者正弦波信号和余弦波信号的组合，以下，均以超声波信号为余弦信号为例进行描述。

超声指纹装置300发射的超声波信号表示为公式（1）：

（1）；

其中，A为超声波信号的最大振幅，B为超声指纹装置300自身引起的固定偏移，P为超声波信号在时间t下的振幅，f为超声波信号的频率。

通过公式（1），可以得到脊110和谷120的回波信号，其分别表示为公式（2）和公式（3）：

（2）；

（3）；

其中，为脊110的回波信号在时间t下的振幅，/>为谷120的回波信号在时间t下的振幅，/>为脊110的回波信号的最大振幅，/>为谷120的回波信号的最大振幅。

无论是脊110的回波信号还是谷120的回波信号，都经过了相同厚度的屏幕200，因此时间t是相同的。

在本申请实施例中，将没有手指按压屏幕200时超声指纹装置300采集的回波信号称为超声背景信号；将手指100按压屏幕200时超声指纹装置300采集的回波信号称为超声指纹信号。

超声指纹装置300在一个确定的采样窗口内采集回波信号，假设该采样窗口的起始时刻为在信号返回时间t的基础上增加时间t₀，即该采样窗口的起始时刻为，/>即超声波信号从发射至被接收所经历的时间，也称为飞行时间（flytime）。该采样窗口的长度设置为无限小，则可以采集到/>时刻的回波信号的振幅。由于超声背景信号无法实时采集，因此通常是提前存储好的或者是上一次指纹识别结束后采集的。在进行指纹识别时，在手指100按压屏幕200时在该采样窗口内采集手指100返回的超声指纹信号，之后需要对超声指纹信号与存储的超声背景信号之间作差，从而得到脊110和谷120的差异。其中，超声背景信号和超声指纹信号中与谷120对应的部分相减后为0，超声背景信号和超声指纹信号中与脊110对应的部分相减后等效于谷120减去脊110，例如公式（4）所示：

（4）；

其中，表示脊110和谷120的差异。

当时，可以得到/>的最大值，即/>，从而得到较清晰的指纹图像。

由于超声背景信号通常是提前存储好的，因此当前指纹识别时采集的超声指纹信号与存储的超声背景信号之间可能存在采集环境上的差异，例如环境温度不同，温度变化影响声速，从而导致信号返回时间不同；此外，屏幕200上的贴膜厚度不同等因素，也可能导致信号返回时间不同。

基于公式（2）和公式（3），当时，超声指纹装置300采集的超声背景信号为/>，超声指纹装置300采集的超声指纹信号中脊110对应的部分为，谷120对应的部分为/>，/>为当前采集超声指纹信号时的温度相对于此前采集超声背景信号时的温度发生变化而引起的时间偏移量。因此，基于公式（4），脊110和谷120的差异。可见，指纹图像的清晰度会随着温度的变化而发生变化。

本申请旨在提供一种超声指纹识别方案，通过采集不同采样窗口内的信号，来解决信号返回时间不同所引起的指纹图像不清晰度的问题。

图2示出了本申请实施例的超声指纹识别的方法的示意性流程图。如图2所示，方法400可以由超声指纹装置300执行，超声指纹装置300设置在电子设备的屏幕200的下方，以实现屏下超声指纹识别。如图2所示，方法400包括以下步骤中的部分或全部。

在步骤410中，在手指100按压屏幕200时，向手指100发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集手指100返回的携带指纹信息的超声指纹信号，N是大于1的正整数。

在步骤420中，根据N个采样窗口内采集的超声指纹信号，进行指纹识别。

其中，N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差，可以根据采样窗口的数量N和超声波信号的频率f确定。例如，N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，相应地，N个采样窗口中相邻采样窗口内采集的超声指纹信号的相位差为2π/N。

N个采样窗口的时长应相同，且该时长应尽可能地小。

相比于仅设置一个采样窗口，本申请实施例中设置多个采样窗口进行信号采集后，可以对多个采样窗口内采集的信号进行处理，消除其中与信号返回时间相关的变量，从而避免信号返回时间不同所引起的指纹图像的清晰度的变化，提升超声指纹识别的性能。

例如，在步骤420中，可以根据N个采样窗口内采集的超声指纹信号，确定超声指纹信号的等效信号，并根据该等效信号，进行指纹识别。其中，超声指纹信号的等效信号是与超声指纹信号的返回时间不相关的信号。

假设N个采样窗口中第一个采样窗口的起始时刻为t₀，则N个采样窗口的起始时刻依次为t₀、t₀+1/(N×f)、t₀+2/(N×f)、t₀+3/(N×f)、……、t₀+(N-1)/(N×f)，这里对t₀不做限定。超声指纹信号的等效信号可以是对这N个采样窗口内采集的超声指纹信号进行相应的数据处理后得到的，例如，如公式（5）至公式（7）所示：

（5）；

（6）；

（7）；

其中，为N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的超声指纹信号的值，P为超声指纹信号的等效信号的值。

类似地，在没有手指100按压屏幕200时，也通过上述方式采集超声背景信号，即依次在N个采样窗口内采集未携带指纹信息的超声背景信号，并存储N个采样窗口内采集的超声背景信号，或者存储该超声背景信号的等效信号。

超声背景信号的等效信号同样可以基于上述公式（5）至公式（7）来确定，这时，在公式（5）至公式（7）中，采集到的为N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的超声背景信号的值，得到的P为超声背景信号的等效信号的值。计算超声背景信号的等效信号的过程，与计算超声指纹信号的等效信号的过程类似，为了简洁，这里不再赘述。

这样，在步骤420中，便可以根据超声指纹信号的等效信号与超声背景信号的等效信号之间的差值，进行指纹识别。

以下，以N=4为例，详细描述如何消除超声指纹信号中与信号返回时间相关的变量。

假设N=4，且第一个采样窗口的起始时刻为t₀，那么第二个采样窗口、第三个采样窗口和第四个采样窗口的起始时刻分别为t₀+1/(4f)、t₀+1/(2f)和t₀+3/(4f)。将4个采样窗口的起始时刻代入公式（1），得到4个采样窗口采集的超声指纹信号分别如公式（8）至公式（11）所示：

（8）；

（9）；

（10）；

（11）；

将公式（8）至公式（11）代入公式（6）和公式（7），可以得到：

（12）；

（13）；

将公式（12）和公式（13）代入公式（5），可以得到等效信号：

（14）。

从公式（14）可以看出，等效信号P为振幅A的两倍，该等效信号仅与振幅A相关，而与时间无关。

这样，基于上述过程得到超声指纹信号的等效信号和超声背景信号的等效信号后，对超声指纹信号的等效信号和超声背景信号的等效信号作差，得到的差值为：

（15）。

可见，当利用4个采样窗口内采集的超声指纹信号进行指纹识别时，超声背景信号的等效信号与超声指纹信号的等效信号之间的差值为P_d=2(A_v-A_r)，其中，A_v为谷120返回的超声指纹信号的最大幅值，A_r为脊110返回的超声指纹信号的最大幅值。

每个像素对应的至均可以通过上述方法获得。通过上述方法，脊110和谷120的差异/>是与信号返回时间无关的量，因此能够解决信号返回时间不同导致的指纹图像不清晰的问题。

本申请实施例通过配置不同采样窗口采集回波信号的多帧数据，并采用相应的数据工具对多帧数据进行处理，求得回波信号的最大幅值，从而规避掉了回波信号的返回时间变化带来的影响，提高了指纹图像的清晰度。

图3示出了采用本申请的方案和未采用本申请的方案时脊110和谷120的差异的对比，图3是以N=4，/>=10，/>=6，超声指纹信号的相位/>作为示例。曲线301是未采用本申请的方案时脊110和谷120的差异/>随/>的变化情况，即/>随时间/>的变化情况；曲线302是采用本申请的方案时脊110和谷120的差异/>随/>的变化情况，即/>随时间/>的变化情况。

当未采用本申请的方案时，从曲线301可以看出，在某些情况下可能导致为0，即脊110和谷120返回的超声指纹信号的差值为0，表现为没有指纹出现。而采用本申请的方案时，从曲线302可以看出，/>的变化并不会影响脊110和谷120返回的超声指纹信号的差值，该差值始终保持在一固定水平，保证了指纹图像的清晰度。此外，从图3可以看出，由于P_d=2(A_v-A_r)，即/>是振幅差(A_v-A_r)的两倍，因此增加了脊110和谷120的差异，进一步提高了指纹图像的清晰度。

本申请还提供一种超声指纹装置300，如图4所示，超声指纹装置300设置在电子设备的屏幕200的下方，以实现屏下超声指纹识别，超声指纹装置300包括检测模块310和处理模块320。检测模块310可以包括信号发射单元和信号采集单元，信号发射单元用于发射超声波信号，信号采集单元用于采集返回的回波信号。

其中，检测模块310用于在手指100按压屏幕200时，向手指100发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集手指100返回的携带指纹信息的超声指纹信号，N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，f为超声波信号的频率，N是大于1的正整数；

处理模块320用于根据N个采样窗口内采集的超声指纹信号，进行指纹识别。

在一种实现方式中，处理模块320具体用于：根据N个采样窗口内采集的超声指纹信号，确定超声指纹信号的等效信号，超声指纹信号的等效信号是与超声指纹信号的返回时间不相关的信号；根据超声指纹信号的等效信号，进行指纹识别。

在一种实现方式中，超声指纹信号的等效信号为：，，/>，其中，/>为N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的信号值，P为等效信号的值。

在一种实现方式中，处理模块320具体用于：获取没有手指100按压屏幕200时依次在N个采样窗口内采集的未携带指纹信息的超声背景信号；根据超声指纹信号的等效信号与超声背景信号的等效信号之间的差值，进行指纹识别。

在一种实现方式中，N=4，超声背景信号的等效信号与超声指纹信号的等效信号之间的差值P_d为：P_d=2(A_v-A_r)，其中，A_v为所述手指的指纹谷返回的超声指纹信号的最大幅值，A_r为所述手指的指纹脊返回的超声指纹信号的最大幅值。

应理解，超声指纹装置300的具体细节可以参考前述关于超声指纹识别的方法400的描述，为了简洁，这里不再赘述。

如图5所示，本申请还提供了一种电子设备500，电子设备500包括屏幕200；以及上述的超声指纹装置300。超声指纹装置300设置于屏幕200的下方，从而实现屏下超声指纹识别。

作为示例而非限定，本申请实施例中的电子设备可以为终端设备、手机、平板电脑、笔记本电脑、台式机电脑、游戏设备、车载电子设备或穿戴式智能设备等便携式或移动计算设备，以及电子数据库、汽车、银行自动柜员机（Automated Teller Machine，ATM）等其他电子设备。该穿戴式智能设备包括功能全、尺寸大、可不依赖智能手机实现完整或部分功能的设备，例如智能手表或智能眼镜等，以及包括只专注于某一类应用功能并且需要和其它设备如智能手机配合使用的设备，例如各类进行体征监测的智能手环、智能首饰等设备。

需要说明的是，在不冲突的前提下，本申请描述的各个实施例和/或各个实施例中的技术特征可以任意的相互组合，组合之后得到的技术方案也应落入本申请的保护范围。

本申请实施例中所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例的一些特征可以忽略或者不执行。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***。另外，各单元之间的耦合或各个组件之间的耦合可以是直接耦合，也可以是间接耦合，上述耦合包括电的、机械的或其它形式的连接。

本领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，上述描述的装置和设备的具体工作过程以及产生的技术效果，可以参考前述方法实施例中对应的过程和技术效果，在此不再赘述。

应理解，本申请实施例中的具体的例子只是为了帮助本领域技术人员更好地理解本申请实施例，而非限制本申请实施例的范围，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本申请的保护范围内。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种超声指纹识别的方法，其特征在于，所述方法由超声指纹装置执行，所述超声指纹装置设置在电子设备的屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别，所述方法包括：

在手指按压所述屏幕时，向所述手指发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集所述手指返回的携带指纹信息的超声指纹信号，所述N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，f为所述超声波信号的频率，N是大于1的正整数；

根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别；

其中，所述根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别，包括：

根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，确定所述超声指纹信号的等效信号，所述超声指纹信号的所述等效信号是与所述超声指纹信号的返回时间不相关的信号；

根据所述超声指纹信号的所述等效信号，进行指纹识别；

其中，所述等效信号为：

，/>，/>，

其中，为所述N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的信号值，P为所述等效信号的值，

所述根据所述超声指纹信号的所述等效信号，进行指纹识别，包括：

获取没有手指按压所述屏幕时依次在所述N个采样窗口内采集的未携带指纹信息的超声背景信号；

根据所述超声指纹信号的所述等效信号与所述超声背景信号的所述等效信号之间的差值，进行指纹识别。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，N=4，所述超声背景信号的所述等效信号与所述超声指纹信号的所述等效信号之间的差值P_d为：

P_d=2(A_v-A_r)，其中，A_v为所述手指的指纹谷返回的所述超声指纹信号的最大幅值，A_r为所述手指的指纹脊返回的所述超声指纹信号的最大幅值。

3.一种超声指纹装置，其特征在于，所述超声指纹装置设置在电子设备的屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别，所述超声指纹装置包括：

检测模块，用于在手指按压所述屏幕时，向所述手指发射超声波信号，并依次在N个采样窗口内采集所述手指返回的携带指纹信息的超声指纹信号，所述N个采样窗口中相邻采样窗口的起始位置之间的时间差为1/(N×f)，f为所述超声波信号的频率，N是大于1的正整数；

处理模块，用于根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，进行指纹识别，

其中，所述处理模块具体用于：

根据所述N个采样窗口内采集的所述超声指纹信号，确定所述超声指纹信号的等效信号，所述超声指纹信号的所述等效信号是与所述超声指纹信号的返回时间不相关的信号；

根据所述超声指纹信号的所述等效信号，进行指纹识别；

其中，所述超声指纹信号的等效信号为：

，/>，/>，

其中，为所述N个采样窗口中第n个采样窗口内采集的信号值，P为所述等效信号的值，

所述处理模块具体用于：

获取没有手指按压所述屏幕时依次在所述N个采样窗口内采集的未携带指纹信息的超声背景信号；

根据所述超声指纹信号的所述等效信号与所述超声背景信号的所述等效信号之间的差值，进行指纹识别。

4.根据权利要求3所述的超声指纹装置，其特征在于，N=4，所述超声背景信号的所述等效信号与所述超声指纹信号的所述等效信号之间的差值P_d为：

P_d=2(A_v-A_r)，其中，A_v为所述手指的指纹谷返回的超声指纹信号的最大幅值，A_r为所述手指的指纹脊返回的超声指纹信号的最大幅值。

5.一种电子设备，其特征在于，包括：

屏幕；以及，

根据权利要求3或4所述的超声指纹装置，所述超声指纹装置设置在所述屏幕的下方，以实现屏下超声指纹识别。