DE10251460A1 - Fingerprint sensor with a data compression circuit in which data is compressed by calculating the difference between pixel values and a first pixel within a given section of the fingerprint sensor - Google Patents

Abstract

Fingerprint sensor integrated in a semiconductor chip (1) has an arrangement of sensor elements (2) for recording image points, a control circuit (3) for data acquisition and digitization of the sensor signal and an electronic circuit (5) for data reduction and compression. An Independent claim is made for a method for operating a fingerprint sensor in which pixel values are processes in a predetermined section sequence. Within each section only the value of the first pixel is recorded, with the values of subsequent pixels replaced by the sum of the difference values calculated relative to the first pixel value and the value of the first pixel.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Fingerabdrucksensor mit Datenkompression sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betrieb eines Fingerabdrucksensors.The present invention relates to a fingerprint sensor with data compression and a corresponding one Method for operating a fingerprint sensor.

Ein elektronischer Fingerabdrucksensor erfasst ein gerastertes Bild eines Fingerabdrucks, d. h. der Position der Furchen und Stege der Hautoberfläche der Fingerkuppe. Üblicherweise sind die einzelnen Bildpunkte in einem Rechteckraster vorhanden und werden durch zeilen- und spaltenweise angeordnete Sensorelemente erfasst. Bei einer kostengünstig und verschleißarm herstellbaren Ausgestaltung besitzt der Fingerabdrucksensor keine beweglichen Teile; die Sensorelemente sind im Wesentlichen durch Leiterflächen an der Oberseite eines Halbleiterchips gebildet. Diese Leiterflächen sind in oder dicht unter einer isolierenden Auflagefläche für einen Finger angeordnet. Es wird jeweils die elektrische Kapazität einer jeweiligen Leiterfläche gegenüber der Umwelt gemessen; diese Kapazitäten ändern sich beim Auflegen eines Fingers entsprechend den Furchen und Stegen der Hautoberfläche unterschiedlich (hierzu M. Tartagni und R. Guerrieri, "A 390dpi Live Fingerprint Imager Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme" in 1997 IEEE International Solid-State Circuits Conference/Session 12/Sensors/Paper FP 12.3, Seiten 200 und 201). Ein Flächensensor erfasst ein zweidimensionales Bild im Unterschied zu einem Streifensensor, bei dem der Finger über eine streifenförmige Anordnung von Sensorelementen geführt werden muss, die jeweils nur einen Streifen des Bildes erfassen. Die Summe der Streifenbilder wird üblicherweise einer Flächenbild-Rekonstruktion zugeführt.An electronic fingerprint sensor captures a rasterized image of a fingerprint, i. H. the position the furrows and ridges of the skin surface of the fingertip. Usually are the individual pixels in a rectangular grid and are arranged by rows and columns of sensor elements detected. At an inexpensive and low wear The fingerprint sensor has no manufacturable configuration moving parts; the sensor elements are essentially through conductor surfaces formed on the top of a semiconductor chip. These are conductive surfaces arranged in or just below an insulating support surface for a finger. It is the electrical capacity of each conductor surface in relation to the environment measured; these capacities change at Place a finger differently according to the furrows and ridges of the skin surface (see M. Tartagni and R. Guerrieri, "A 390dpi Live Fingerprint Imager Based on Feedback Capacitive Sensing Scheme "in 1997 IEEE International Solid-State Circuits Conference / Session 12 / Sensors / Paper FP 12.3, pages 200 and 201). A surface sensor detects a two-dimensional one Image in contrast to a strip sensor, in which the finger is over a strip Arrangement of sensor elements must be performed, each capture only a strip of the image. The sum of the stripe images is usually an area reconstruction fed.

Die von den Sensorelementen aufgenommenen Daten werden mit einer angeschlossenen Schaltung erfasst und digitalisiert und können dann in einer entsprechenden Auswerteeinheit weiterverarbeitet werden, z. B. um eine Person zu identifizieren oder eine Zugangsberechtigung zu verifizieren. Die Auswerteschaltung kann in einem so genannten Host-System (üblicherweise Micro-Controller, Computer und dergleichen) untergebracht sein. Eine Integration der Auswerteschaltung in einem als Halbleiterchip ausgebildeten Fingerabdrucksensor ergäbe einen sehr komplexen Aufbau des Halbleiterchips.The recorded by the sensor elements Data is recorded and digitized using a connected circuit and can then processed in a corresponding evaluation unit, z. B. to identify a person or an access authorization to verify. The evaluation circuit can be in a so-called host system (usually Micro-controller, computer and the like) can be accommodated. An integration of the evaluation circuit in a semiconductor chip trained fingerprint sensor would result in a very complex structure of the semiconductor chip.

Zum Erreichen der für eine Personenidentifikation notwendigen Auflösung sind Datenformate von 8 Bit pro Bildpunkt (Pixel) üblich. Die Menge der Daten pro Bild einer zweidimensionalen Anordnung der Sensorelemente mit 256 × 256 Bildpunkten liegt daher bei ca. 64 kByte. Bei einer Bilderfassung mittels einer streifenförmigen Anordnung von Sensorelementen, über die der Finger gestrichen wird, sind noch erheblich höhere Datenraten zu bewältigen, da das Bild aus einer Vielzahl von einzelnen Bildstreifen zusammengesetzt werden muss und sich diese Bildstreifen daher teilweise überlappen müssen. Akzeptable Übertragungszeiten der Daten erfordern daher parallele Schnittstellen am Ausgang des Fingerabdrucksensors. Eine Verwendung einer seriellen Schnittstelle verlängert die Datenaufnahme und -übertragung wesentlich.To achieve personal identification necessary resolution Data formats of 8 bits per pixel are common. The Amount of data per image of a two-dimensional arrangement of the sensor elements with 256 × 256 Pixels are therefore around 64 kByte. When capturing an image by means of a strip-shaped Arrangement of sensor elements, over the finger strokes are significantly higher data rates to manage something, because the image is composed of a multitude of individual image strips must be and these image strips therefore partially overlap have to. Acceptable transmission times of the data therefore require parallel interfaces at the output of the Fingerprint sensor. A use of a serial interface extended data acquisition and transmission essential.

In der WO 01/01327 A1 sind eine Anordnung und ein Verfahren zur Aufnahme von Fingerabdruckdaten beschrieben, bei dem die digitalisierten Daten durch eine Lauflängencodierung komprimiert werden. Der Fingerabdrucksensor ist hierzu mit einem Datenkompressionsschaltkreis zu einem Modul zusammengefasst, das über eine serielle Schnittstelle mit einer Datenverarbeitungseinheit verbunden ist. Die Datenverarbeitungseinheit dekomprimiert die über die serielle Schnittstelle empfangenen komprimierten Fingerabdruckdaten programmgesteuert. Die Lauflängencodierung, mit der angegeben wird, über wieviele Bildpunkte hinweg ein gleicher Helligkeitsgrad vorhanden ist, wird nach Aussage dieser Schrift im Fall von Fingerabdruckda ten als besonders effizient angesehen, weil bei einem Fingerabdruckbild eine Häufung gleichwertiger Datenwerte vorkomme.WO 01/01327 A1 describes an arrangement and describes a method for recording fingerprint data, at which the digitized data is compressed by a run length coding. The fingerprint sensor is for this purpose with a data compression circuit combined into a module that is connected via a serial interface is connected to a data processing unit. The data processing unit decompresses the over the compressed fingerprint data received by the serial interface programmatically. The run length coding, with which is stated about how many pixels have the same level of brightness is, according to this document, in the case of fingerprint data considered particularly efficient because of a fingerprint image a cluster equivalent data values occur.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine praktikable Möglichkeit anzugeben, um bei Fingerabdrucksensoren hoher Bildauflösung eine ausreichende Datenübertragungsrate zu erreichen.Object of the present invention is a viable option to specify a for fingerprint sensors with high image resolution adequate data transfer rate to reach.

Diese Aufgabe wird mit dem Fingerabdrucksensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit dem Verfahren zum Betrieb eines Fingerabdrucksensors mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.This task is done with the fingerprint sensor with the features of claim 1 or with the method for operation a fingerprint sensor with the features of claim 8 solved. refinements result from the dependent claims.

Der Fingerabdrucksensor befindet sich in einem Halbleiterchip integriert zusammen mit einer elektronischen Schaltung, die für eine Reduktion oder Kompression der Daten vorgesehen ist, und mit elektrischen Anschlüssen, an denen die Daten in der reduzierten bzw. komprimierten Form ausgegeben werden. Die Datenkompression wird daher bereits in dem Halbleiterchip des eigentlichen Fingerabdrucksensors vorgenommen. Der Halbleiterchip verfügt über eine Anordnung aus Sensorelementen, z. B. aus Leiterflächen, zur Aufnahme von Bildpunkten an einer Oberseite, die als Auflagefläche für einen Finger vorgesehen ist. Die Anordnung der Sensorelemente ist nicht festgelegt und kann eine Matrix, ein Streifen aus wenigen, mindestens aus zwei, Zeilen oder eine einzelne Zeile sein. Ferner ist eine Ansteuerschaltung zur Erfassung und Digitalisierung der durch die Sensorelemente aufgenommenen Daten in dem Chip integriert. Hinzu kommt die Schaltung, die die digitalisierten Daten, die im Folgenden als Datenwerte bezeichnet werden, komprimiert. Durch die vollständige Integration dieser Schaltungen in dem Halbleiterchip des Fingerabdrucksensors können die Datenwerte schnell und effizient in eine komprimierte Form gebracht und so ausgegeben werden.The fingerprint sensor is located integrated into a semiconductor chip together with an electronic one Circuit for a reduction or compression of the data is provided, and with electrical connections, where the data is output in the reduced or compressed form. The data compression is therefore already in the semiconductor chip actual fingerprint sensor made. The semiconductor chip has one Arrangement of sensor elements, e.g. B. from conductor surfaces Recording of pixels on a top, which serves as a support surface for one Finger is provided. The arrangement of the sensor elements is not fixed and can be a matrix, a strip of a few, at least consist of two, lines or a single line. Furthermore, one Control circuit for recording and digitizing the by Sensor elements recorded data integrated in the chip. in addition comes the circuit that contains the digitized data that follows are referred to as data values, compressed. Through full integration of these circuits in the semiconductor chip of the fingerprint sensor can the data values quickly and efficiently brought into a compressed form and so be spent.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die von den Sensorelementen aufgenommenen und digitalisierten Datenwerte in einer vorgegebenen Abfolge abschnittsweise, z. B. zeilenweise, mit Ausnahme des Datenwertes des ersten Sensorelementes eines jeweiligen Abschnittes ersetzt werden durch die Differenz zwischen dem Datenwert des jeweiligen Sensorelementes und der Summe des Datenwertes des in dem betreffenden Abschnitt ersten Sensorelementes und der Differenzen, durch die die Datenwerte der auf das erste Sensorelement folgenden Sensorelemente ersetzt wurden. Auf diese Weise wird im Prinzip immer die Differenz der Datenwerte zweier aufeinanderfolgender Pixel übertragen, wobei jedoch erreicht wird, dass zumindest fast alle Datenwerte bis zum Ende eines solchen Abschnitts umgerechnet wieder die ursprünglichen digitalisierten Datenwerte der betreffenden Sensorelemente liefern. Es tritt also kein kumulierter Fehler innerhalb eines solchen Abschnitts auf. Eine solche deterministische Differenzencodierung ist an die Bildstruktur eines typischen Fingerabdrucks besonders gut angepasst, da das durch die Furchen und Stege hervorgerufene typische Wellenmuster eines Fingerabdrucks ohne wesentlichen Datenverlust mit einer deterministischen Differenzencodierung komprimiert werden kann.A preferred embodiment provides that those picked up by the sensor elements and digitized data values in a predetermined sequence in sections, e.g. B. line by line, with the exception of the data value of the first sensor element of a respective section, be replaced by the difference between the data value of the respective sensor element and the sum of the data value of the first sensor element in the section concerned and the differences by which the data values of the first sensor element following sensor elements have been replaced. In principle, the difference between the data values of two successive pixels is always transmitted in this way, but what is achieved is that at least almost all data values provide the original digitized data values of the relevant sensor elements again until the end of such a section. So there is no cumulative error within such a section. Such a deterministic difference coding is particularly well adapted to the image structure of a typical fingerprint, since the typical wave pattern of a fingerprint caused by the furrows and ridges can be compressed with a deterministic difference coding without significant data loss.

Die Differenzen der Datenwerte können mit einer kleineren Anzahl Bits codiert werden als die Datenwerte selbst. Wenn die Datenwerte z. B. mit 8 Bit pro Pixel codiert werden, kann eine jeweilige Differenz z. B. mit 5 Bit pro Pixel in ausreichender Genauigkeit codiert werden. Wenn die Anzahl der Datenwerte in einem Abschnitt mit n bezeichnet wird und p und d die Anzahlen der Bits pro Datenwert beziehungsweise pro Differenz sind, ist (p-d)(n-1)/(pn) × 100 % die Kompressionsrate der Datenwerte, d. h. der in Prozent angegebene eingesparte Anteil an Datenbits pro Anzahl der Ausgangsdatenbits. In dem angegebenen Beispiel mit d = 5, p = 8 und n = 256 liegt diese Kompressionsrate bei 37,35 %.The differences in the data values can be calculated using a smaller number of bits are encoded than the data values themselves. If the data values e.g. B. can be encoded with 8 bits per pixel a respective difference z. B. with 5 bits per pixel in sufficient Accuracy can be encoded. If the number of data values in one Section is designated n and p and d the number of bits per data value or per difference is (p-d) (n-1) / (pn) × 100% the compression rate of the data values, i.e. H. the percentage given saved portion of data bits per number of output data bits. In the given example with d = 5, p = 8 and n = 256, this is Compression rate at 37.35%.

Vorzugsweise wird vor der Datenkompression eine Tiefpassfilterung der bereits digitalisierten Datenwerte vorgenommen. Dazu genügt ein einfaches Tiefpassfilter, z. B. ein eindimensionales Tiefpassfilter zweiter Ordnung. Ein Filter zweiter Ordnung benutzt eine Linearkombination des jeweils aktuellen n-ten Datenwertes x_n und der zwei vorhergehenden Datenwerte x_{n –1} und x_{n –1} mit Gewichtungsfaktoren a₀, a₁ und a₂, deren Summe a₀ + a₁ + a₂ = 1 ist, um den gefilterten n-ten Datenwert y_n = a₀x_n + a₁x_{n –1} + a₂x_{n –2} zu ermitteln. Die Gewichtungsfaktoren können z. B. a₀ = 0, 25, a₁ = 0, 5 und a₂ = 0,25 sein, was rechnerisch nur einen Shift der Bits bedeutet und daher für digitalisierte Datenwerte besonders geeignet ist. Das Tiefpassfilter ist eindimensional, weil nur die in einer linearen Abfolge auftretenden Daten nacheinander verwendet werden. Es werden also nur die in einer zeilenweisen Abtastung des Bildes hintereinander ermittelten Daten berücksichtigt und nicht Daten, die sich aus oberhalb und unterhalb der betreffenden Zeile benachbarten Bildpunkten ergeben.Low-pass filtering of the already digitized data values is preferably carried out before the data compression. A simple low-pass filter, e.g. B. a one-dimensional second-order low-pass filter. A second-order filter uses a linear combination of the current nth data value x _n and the two previous data values x _{n −1} and x _{n −1} with weighting factors a ₀ , a ₁ and a ₂ , the sum of which a ₀ + a ₁ + a ₂ = 1, in order to determine the filtered nth data value y _n = a ₀ x _n + a ₁ x _{n −1} + a ₂ x _{n −2} . The weighting factors can e.g. B. a ₀ = 0, 25, a ₁ = 0, 5 and a ₂ = 0.25, which means arithmetically only a shift of the bits and is therefore particularly suitable for digitized data values. The low-pass filter is one-dimensional because only the data occurring in a linear sequence are used one after the other. Thus, only the data determined one after the other in a line-by-line scanning of the image are taken into account and not data which result from pixels adjacent above and below the line in question.

Es folgt eine genauere Beschreibung eines Beispiels des Fingerabdrucksensors anhand der 1 und 2.The following is a more detailed description of an example of the fingerprint sensor using FIG 1 and 2 ,

Die 1 zeigt ein Schema des Fingerabdrucksensors in einer schrägen Aufsicht.The 1 shows a schematic of the fingerprint sensor in an oblique top view.

Die 2 zeigt ein Schema einer gerasterten Anordnung von Sensorelementen.The 2 shows a schematic of a rastered arrangement of sensor elements.

Die 1 zeigt in einer schrägen Aufsicht einen Halbleiterchip 1 mit einem darin integrierten Fingerabdrucksensor. Auf der Oberseite befindet sich eine Auflagefläche für einen Finger, in oder unter der die Sensorelemente 2 angeordnet sind, die in diesem Beispiel einfach durch quadratische Leiterflächen gebildet sind. Eine Ansteuerschaltung 3, mit der die Sensorelemente, deren Daten erfasst werden sollen, adressiert werden, kann in dem Halbleiterchip 1 integriert sein, wie in der 1 durch den gestrichelt begrenzten Bereich angedeutet ist. Zur Ansteuerung des Fingerabdrucksensors durch einen Micro-Controller oder dergleichen und zur Ausgabe der digitalisierten Daten sind elektrische Anschlüsse 4 vorhanden.The 1 shows an oblique top view of a semiconductor chip 1 with an integrated fingerprint sensor. On the top there is a contact surface for a finger, in or under which the sensor elements 2 are arranged, which are simply formed by square conductor surfaces in this example. A control circuit 3 , with which the sensor elements, the data of which are to be recorded, can be addressed in the semiconductor chip 1 be integrated as in the 1 is indicated by the dashed area. Electrical connections are used to control the fingerprint sensor by means of a micro-controller or the like and to output the digitized data 4 available.

Bei diesem Fingerabdrucksensor ist eine weitere elektronische Schaltung vorhanden, mit der die erfassten und digitalisierten Daten vor der Ausgabe komprimiert werden. Diese weitere elektronische Schaltung 5 ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 in einem von den Sensorelementen 2 freien Bereich des Halbleiterchips 1 angeordnet. Die Datenreduktion wird daher "on the fly" direkt in der in dem Halbleiterchip implementierten Hardware des Fingerabdrucksensors durchgeführt. Ein digitales Tiefpassfilter kann ebenfalls Bestandteil dieser elektronischen Schaltung 5 oder der Ansteuerschaltung 3 sein. Die Ausgabe der Daten erfolgt vorzugsweise seriell, um mit einer möglichst geringen Anzahl von elektrischen Anschlüssen 4 auszukommen. Eine parallele Schnittstelle ist aber grundsätzlich auch geeignet. Die Anzahl der Anschlusskontakte ist in dem in der 1 gezeigten Beispiel willkürlich gewählt und kann davon verschieden sein.This fingerprint sensor has another electronic circuit with which the captured and digitized data is compressed before being output. This further electronic circuit 5 is in the embodiment of 1 in one of the sensor elements 2 free area of the semiconductor chip 1 arranged. The data reduction is therefore carried out "on the fly" directly in the hardware of the fingerprint sensor implemented in the semiconductor chip. A digital low pass filter can also be part of this electronic circuit 5 or the control circuit 3 his. The data is preferably output serially in order to have the smallest possible number of electrical connections 4 get along. A parallel interface is generally also suitable. The number of connection contacts is in the 1 shown example chosen arbitrarily and can be different.

Die Datenkompression einer Anordnung von Bildpunkten in einem Rechteckraster erfolgt vorzugsweise zeilenweise oder spaltenweise. Es wird z. B. von dem Datenwert eines ersten Sensorelementes einer Zeile ausgegangen. Der Datenwert des nachfolgenden Sensorelementes wird durch die Differenz dieses Datenwertes und des Datenwertes des ersten Sensorelementes ersetzt. Der Datenwert des dritten Sensorelementes der Zeile wird ersetzt durch die Differenz zwischen diesem Datenwert und der Summe des ersten Datenwertes der betreffenden Zeile und der Differenz, die den vorhergehenden Datenwert ersetzte.The data compression of an arrangement of pixels in a rectangular grid is preferably carried out line by line or in columns. It is e.g. B. from the data value of a first Sensor element of a line started. The data value of the following Sensor element is determined by the difference between this data value and of the data value of the first sensor element replaced. The data value the third sensor element of the line is replaced by the difference between this data value and the sum of the first data value of the relevant row and the difference that the previous data value replaced.

Die 2 zeigt eine gerasterte Anordnung von Leiterflächen der Sensorelemente, deren Zeilen jeweils mit unterschiedlichen Großbuchstaben und deren Spalten jeweils mit unterschiedlichen Kleinbuchstaben bezeichnet sind. Die von dem Sensorelement Xy erfassten Grauwerte werden im Folgenden mit L(Xy) bezeichnet. Als Beispiel werde angenommen, dass die ersten Sensorelemente der ersten Zeile die folgenden Grauwerte liefern: L (Aa) = 5, L (Ab) = 20, L (Ac) = 21 usw. Wenn z. B. 5 Bit pro Pixel für die Codierung vorgesehen sind, können Datenwerte der Grauwertstufen von –15 bis +15 codiert werden. In diesem Beispiel wird der Grauwert 5 des ersten Sensorelementes Aa unverändert als Datenwert 5 = 0|0| (binär) codiert, wobei ein hier nicht wiedergegebenes fünftes Bit das Vorzeichen (hier: +) angibt. Statt des Grauwertes 20 des zweiten Sensorelementes Ab wird die Differenz zum Datenwert des ersten Sensorelementes Aa, die hier 15 = |||| beträgt, mit 5 Bit codiert. Statt des Datenwertes 20 wird daher der Datenwert 15 codiert, der auch der höchstzulässige Datenwert ist. Statt des Grauwertes 21 des dritten Sensorelementes Ac wird die Differenz zwischen diesem Grauwert und der Summe der zuvor codierten Datenwerte codiert, d. h. 21 – (5 + 15) = 1 = 000|.The 2 shows a rastered arrangement of conductor surfaces of the sensor elements, the lines of which are each labeled with different capital letters and the columns of which are each labeled with different lower case letters. The gray values detected by the sensor element Xy are shown below denoted by L (Xy). As an example, let us assume that the first sensor elements of the first line deliver the following gray values: L (Aa) = 5, L (Ab) = 20, L (Ac) = 21 etc. B. 5 bits per pixel are provided for coding, data values of the gray scale levels from -15 to +15 can be encoded. In this example the gray value 5 of the first sensor element Aa unchanged as a data value 5 = 0 | 0 | (binary) coded, a fifth bit not shown here indicating the sign (here: +). Instead of the gray value 20 of the second sensor element Ab becomes the difference from the data value of the first sensor element Aa, which here is 15 = |||| is coded with 5 bits. Instead of the data value 20 therefore becomes the data value 15 encoded, which is also the maximum allowable data value. Instead of the gray value 21 of the third sensor element Ac, the difference between this gray value and the sum of the previously coded data values is coded, ie 21 - (5 + 15) = 1 = 000 |.

Damit wird erreicht, dass mit Ausnahme von Fehlern an einzelnen Bildpunkten die korrekten Grauwerte auch am Ende eines Abschnittes aus den codierten Datenwerten ohne Auftreten kumulierter Fehler zurückgewonnen werden können, wie das Beispiel L (Aa) = 4, L (Ab) = 22, L (Ac) = 25, L (Ad) = 19 zeigt . Als Datenwerte werden zu Aa 4 = 0|00, zu Ab 15 = |||| (Fehler) und zu Ac 25 – (4 + 15) = 6 = 0||0 codiert. Zu Ab wird also statt des richtigen Datenwertes 22 – 4 = 18 der Differenz der Grauwerte von Ab und Aa der falsche Datenwert 15 codiert; bei den nachfolgenden Differenzbildungen wird dieser Fehler dadurch kompensiert, dass immer die Differenz zu der Summe der zuvor codierten Differenzen gebildet wird. Folglich wird zu dem Grauwert 25 des Sensorelementes Ac nicht die Differenz 3 zu dem Grauwert 22 des Sensorelementes Ab gebildet, sondern die Differenz 6 = 0||0 zu der Summe des ersten codierten Datenwertes 4 = 0|00 (zu Aa) und der zuvor codierten Differenzen, in diesem Fall nur der einen Differenz 15 = |||| (zu Ab). Die Summe der codierten Datenwerte bis einschließlich des Sensorelementes Ac liefert dann wieder den richtigen Grauwert zu Ac: 4 + 15 + 6 = 25. Zu dem Sensorelement Ad mit dem Grauwert 19 wird nicht die Differenz 19 – 25 = –6 zu dem Grauwert 25 von Ac gebildet, obwohl das in diesem Fall auch das richtige Ergebnis liefert, sondern die Differenz zu der Summe der bereits codierten Datenwerte: 19 – (4 + 15 + 6) = –6.This means that, with the exception of errors at individual pixels, the correct gray values can also be recovered from the coded data values at the end of a section without the occurrence of cumulative errors, such as the example L (Aa) = 4, L (Ab) = 22, L (Ac) = 25, L (Ad) = 19 shows. The data values for Aa 4 = 0 | 00, for Ab 15 = |||| (Error) and encoded to Ac 25 - (4 + 15) = 6 = 0 || 0. For Ab, instead of the correct data value 22 - 4 = 18, the difference between the gray values of Ab and Aa becomes the wrong data value 15 coded; in the subsequent formation of differences, this error is compensated for by always forming the difference from the sum of the previously coded differences. Consequently, the gray level becomes 25 of the sensor element Ac is not the difference 3 to the gray value 22 of the sensor element Ab formed, but the difference 6 = 0 || 0 to the sum of the first coded data value 4 = 0 | 00 (to Aa) and the previously coded differences, in this case only the one difference 15 = |||| (to Ab). The sum of the coded data values up to and including the sensor element Ac then again provides the correct gray value for Ac: 4 + 15 + 6 = 25. For the sensor element Ad with the gray value 19 the difference 19 - 25 = –6 does not become the gray value 25 formed by Ac, although this also gives the correct result in this case, but the difference to the sum of the data values already encoded: 19 - (4 + 15 + 6) = –6.

Es kann daher davon ausgegangen werden, dass im Regelfall bei dieser Art der deterministischen Differenzencodierung bis zum Ende der Zeile (Sensorelement Aj) Differenzen gebildet werden, die eindeutig in die korrekten Grauwerte umgerechnet werden können. In der nächsten Zeile wird wieder der tatsächliche Grauwert des ersten Sensorelementes Ba codiert. Durch die abschnittsweise Anwendung der Differenzencodierung wird erreicht, dass eventuell permanent auftretende Fehler in vorgesehenen Schritten der Rechnung vollständig eliminiert werden. Die Abschnitte brauchen dazu nicht ganze Zeilen der Anordnung der Sensorelemente zu umfassen. Die Abschnitte können länger oder kürzer sein und gegebenenfalls auch unterschiedliche Längen aufweisen.It can therefore be assumed that usually with this type of deterministic difference coding differences are formed up to the end of the line (sensor element Aj), which can be clearly converted into the correct gray values. In the next Line becomes the actual again Gray value of the first sensor element Ba coded. By the sections Differential coding is achieved that possibly permanently occurring errors in the planned steps of the invoice Completely be eliminated. The sections do not need entire lines for this to include the arrangement of the sensor elements. The sections can be longer or longer shorter be and may also have different lengths.

Wenn das in der 2 gezeigte Raster aus Sensorelementen zeilenweise jeweils von links nach rechts und von oben nach unten abgetastet wird und die Abschnitte acht Sensorelemente lang gewählt werden, enden die Abschnitte bei den Sensorelementen Ah, Bf, Cd, Db, Dj, Eh, Ff, Gd, Hb, Hj, Ih, Jf und Jj. Wenn das Raster statt dessen z. B. diagonal jeweils von links oben nach rechts unten, beginnend mit dem Sensorelement Aj, abgetastet wird und die Abschnitte jeweils fünf Sensorelemente umfassen, enden die Abschnitte bei den Sensorelementen Bi, Dj , Ej , Ei, Dg, Bd, Gi, De, Ij , Ee, Jj , Fe, Ca, Hf, Fc, Ea, Jf, Je, Ha und Ja. Die ersten Sensorelemente dieser Abschnitte sind diejenigen, deren Datenwerte nach der Digitalisierung mit der maximalen Anzahl von z. B. 8 Bit pro Pixel codiert und ansonsten unverändert ausgegeben werden. Am einfachsten bei einem Rechteckraster ist jedoch eine Unterteilung in Abschnitte ganzer Zeilen, wobei in dem Beispiel der 2 die von den Sensorelementen der ersten Spalte a stammenden Datenwerte mit der vollen Anzahl Bits codiert werden.If that in the 2 If the grid of sensor elements shown is scanned line by line from left to right and from top to bottom and the sections are selected to be eight sensor elements long, the sections end with sensor elements Ah, Bf, Cd, Db, Dj, Eh, Ff, Gd, Hb, Hj, Ih, Jf and Jj. If the grid instead z. B. is scanned diagonally from top left to bottom right, starting with the sensor element Aj, and the sections each comprise five sensor elements, the sections end at the sensor elements Bi, Dj, Ej, Ei, Dg, Bd, Gi, De, Ij , Ee, Jj, Fe, Ca, Hf, Fc, Ea, Jf, Je, Ha and Ja. The first sensor elements of these sections are those whose data values after digitization have the maximum number of z. B. 8 bits per pixel and otherwise output unchanged. The easiest way to do this, however, is to divide it into sections of entire lines, in the example using the 2 the data values originating from the sensor elements of the first column a are encoded with the full number of bits.

Die Vorteile dieses in dem Fingerabdrucksensor realisierten Verfahrens sind insbesondere die Datenreduktion und die Verringerung der Bandbreite der Schnittstelle aufgrund der vorbestimmten festen Kompressionsrate. Es kann eine serielle Schnittstelle anstelle einer parallelen Schnittstelle eingesetzt werden. Daher sind weniger elektrische Anschlüsse erforderlich. Der Fingerabdrucksensor kann in größerer Entfernung von dem Host-System platziert werden. Der Stromverbrauch wird reduziert. Die Anzahl der Leitungen am PCB-Board wird reduziert. Die elektronischen Schaltungen des Halbleiterchips, insbesondere die zur Datenkompression vorgesehene elektronische Schaltung, sind ohne signifikanten Anstieg von Chipfläche und Stromverbrauch realisierbar. Als Entwurfsmethodik für das beschriebene Prinzip ist auch ein Synthese-Ansatz (zum Beispiel VHDL) geeignet.The advantages of this in the fingerprint sensor implemented method are in particular the data reduction and the reduction in the bandwidth of the interface due to the predetermined fixed compression rate. A serial interface can be used instead a parallel interface can be used. Therefore, there are fewer electrical connections required. The fingerprint sensor can be farther away from the host system to be placed. The electricity consumption is reduced. The number the wiring on the PCB board is reduced. The electronic circuits of the semiconductor chip, in particular that provided for data compression electronic circuitry, are without significant increase in chip area and Realizable power consumption. As a design methodology for the described The principle is also a synthesis approach (for example VHDL).

11

HalbleiterchipSemiconductor chip

22

Sensorelementsensor element

33

Ansteuerschaltungdrive circuit

44

elektrischer Anschlusselectrical connection

55

elektronische Schaltungelectronic circuit

Claims (9)

Fingerabdrucksensor in einem Halbleiterchip (1) mit einer Anordnung aus Sensorelementen (2) zur Aufnahme von Bildpunkten, einer Ansteuerschaltung (3) zur Erfassung und Digitalisierung von durch die Sensorelemente aufgenommenen Werten und Ausgängen zur Ausgabe von Datenwerten, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektronische Schaltung (5) integriert ist, die für eine Reduktion oder Kompression der Datenwerte vorgesehen ist, und die reduzierten bzw. komprimierten Datenwerte den Ausgängen zugeleitet werden.Fingerprint sensor in a semiconductor chip ( 1 ) with an arrangement of sensor elements ( 2 ) for recording pixels, a control circuit ( 3 ) for recording and digi Talization of values and outputs recorded by the sensor elements for the output of data values, characterized in that an electronic circuit ( 5 ) is integrated, which is provided for a reduction or compression of the data values, and the reduced or compressed data values are fed to the outputs. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1, bei dem die von den Sensorelementen (2) aufgenommenen und digitalisierten Datenwerte in einer vorgegebenen Abfolge abschnittsweise mit Ausnahme des Datenwertes des ersten Sensorelementes eines jeweiligen Abschnittes ersetzt werden durch die Differenz zwischen dem Datenwert des jeweiligen Sensorelementes und der Summe des Datenwertes des in dem betreffenden Abschnitt ersten Sensorelementes und der Differenzen, durch die die Datenwerte der auf das erste Sensorelement folgenden Sensorelemente ersetzt wurden.Fingerprint sensor according to Claim 1, in which the sensor elements ( 2 ) recorded and digitized data values are replaced in sections in a predetermined sequence with the exception of the data value of the first sensor element of a respective section by the difference between the data value of the respective sensor element and the sum of the data value of the first sensor element in the relevant section and the differences by which Data values of the sensor elements following the first sensor element have been replaced. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 2, bei dem eine zeilen- und spaltenweise Anordnung der Sensorelemente (2) vorhanden ist, eine zeilenweise Abfolge der Sensorelemente vorgegeben ist, ein Abschnitt, in dem Ersetzungen vorgenommen werden, jeweils eine Zeile ist und der von dem jeweils ersten Sensorelement einer Zeile aufgenommene und digitalisierte Datenwert unverändert beibehalten wird.Fingerprint sensor according to claim 2, in which a row and column arrangement of the sensor elements ( 2 ) is present, a line-by-line sequence of the sensor elements is specified, a section in which replacements are made, each is a line, and the digitized data value recorded and digitized by the first sensor element of a line is retained unchanged. Fingerabdrucksensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Anordnung der Sensorelemente (2) als eine Matrix, ein Streifen oder eine einzelne Zeile vorhanden ist.Fingerprint sensor according to Claim 1 or 2, in which an arrangement of the sensor elements ( 2 ) as a matrix, a stripe or a single row. Fingerabdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ausgänge zur Ausgabe von Datenwerten als serielle Schnittstelle vorgesehen sind.Fingerprint sensor according to one of claims 1 to 4, where the outputs are provided for the output of data values as a serial interface. Fingerabdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Sensorelemente (2) Leiterflächen umfassen und einen jeweiligen Grauwert eines zugehörigen Bildpunktes durch eine kapazitive Messung aufnehmen.Fingerprint sensor according to one of Claims 1 to 5, in which the sensor elements ( 2 ) Comprise conductor areas and record a respective gray value of an associated pixel by a capacitive measurement. Fingerabdrucksensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die digitalisierten Datenwerte vor der Reduktion oder Kompression ein in dem Halbleiterchip (1) integriertes Tiefpassfilter passieren.Fingerprint sensor according to one of claims 1 to 6, in which the digitized data values prior to the reduction or compression in the semiconductor chip ( 1 ) pass through the integrated low-pass filter. Verfahren zum Betrieb eines Fingerabdrucksensors, bei dem bildpunktweise Werte erfasst und zu Datenwerten digitalisiert werden, dadurch gekennzeichnet, dass vor einer Ausgabe der Datenwerte an eine zur Auswertung der Datenwerte vorgesehene Schaltung die Datenwerte in einer vorgegebenen Abfolge abschnittsweise mit Ausnahme des Datenwertes des ersten Bildpunktes eines jeweiligen Abschnittes ersetzt werden durch die Differenz zwischen dem Datenwert des jeweiligen Bildpunktes und der Summe des Datenwertes des in dem betreffenden Abschnitt ersten Bildpunktes und der Differenzen, durch die die Datenwerte der auf den ersten Bildpunkt folgenden Bildpunkte ersetzt wurden.Method for operating a fingerprint sensor, where pixel-by-pixel values are captured and digitized into data values are characterized in that before an output of the data values to a circuit provided for evaluating the data values Data values in a given sequence in sections with the exception the data value of the first pixel of a respective section be replaced by the difference between the data value of each Pixel and the sum of the data value of the in the concerned Section of the first pixel and the differences through which the Data values of the pixels following the first pixel are replaced were. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem eine zeilenweise Abfolge der Bildpunkte vorgegeben ist, ein Abschnitt, in dem Ersetzungen vorgenommen werden, jeweils eine Zeile ist und der zu dem jeweils ersten Bildpunkt einer Zeile gehörende Datenwert unverändert beibehalten wird.The method of claim 8, wherein one line at a time Sequence of the pixels is predetermined, a section in which Substitutions are made, each is a line and the Keep the data value belonging to the first pixel of a line unchanged becomes.