Спосіб та пристрій для ємнісного сприймання зображень

1 Спосіб ємнісного сприймання зображень, за яким зображення сприймають за допомогою множини електродів, розташованих у растрі, шляхом вимірювання електричної ємності між кожним електродом та точкою зображення, за яким за допомогою інших розташованих у цьому растрі електродів, що ємнісно поєднані між собою, в обмеженій ДІЛЯНЦІ зображення отримують локальне середнє значення для ВІДПОВІДНОГО вимірювання електричних ємностей та за яким це середнє значення застосовують як опорну величину для електричної ємності принаймні в одній точці зображення в межах відповідної ділянки порівняння виміряної ємності з даною граничною величиною кожній точці зображення підпорядковують одне з двох можливих значень 4 Спосіб за п 3, за яким сприймають чорно-біле зображення відбитка пальця 5 Пристрій для ємнісного сприймання зображення на основі точок зображення у растрі, який включає в себе поверхню для розташування зображення, що сприймається, два шари електричних проводів як вимірювальних електродів, які розташовані на різних відстанях від цієї поверхні, розподілені ВІДПОВІДНО растру та ізольовані один від одного, розташований на меншій відстані від поверхні шар інших електричних проводів як опорних електродів, які ВІДПОВІДНО растру розташовані поруч з вимірювальними електродами таким чином і так ємнісно поєднані між собою у межах заданої ділянки, що навкруг кожної точки зображення за допомогою опорних електродів можна здійснювати локально усереднене ємнісне вимірювання, і який містить електронні схеми, за допомогою яких з метою передбаченого вимірювання на вимірювальні електроди та опорні електроди однаковим чином може бути поданий електричний потенціал, а наявні між точкою зображення та електродом ємності можуть бути визначені 2 Спосіб за п 1, за яким розміри ділянки, у якій визначають середнє значення, підлягають ЗМІНІ В межах зображення 3 Спосіб за п 1 або 2, за яким середні значення застосовують як граничні величини і шляхом 6 Пристрій за п 5, у якому опорні електроди мають гребінчасту структуру, яка входить в зчеплення з гребінчастою структурою сусідніх опорних електродів Винахід стосується способу та пристрою для ємнісного сприймання зображень, особливо придатних до сприймання чорно-білих зображень відбитків пальців Відомими Є різні способи ємнісних сенсорних матриць, придатних до сприймання зображень відбитків пальців У публікації С Юнга та ш "А Low-Power and High-Performance CMOS Fingerprint Sensing and Encoding Architecture" в "ESCIRC"1998 описано сенсор для сприймання відбитків пальців та ВІДПОВІДНИЙ спосіб вимірювання, що дозволяє здійснювати ємнісне сприймання відбитка пальця Ефективну ємність між поверхнею пальця та верхнім електродом сприймають для кожної точки зображення (Pixel) Під верхніми електродами знаходяться, крім електропроводів, також з'єднувальні електроди, які електричне ізольовані від верхніх електродів та утворюють подальші ємності Передбачено електронну схему, яка дозволяє заряджати потрібний з'єднувальний електрод належним потенціалом, а з допомогою перемикача заряджає о 1 ю ю ю ю 55557 верхній вимірювальний електрод іншим потенціалом Після того, як перемикач розмикається, на пристрої виникають певні співвідношення заряду чи напруги, які можуть бути сприймані та використані для визначення ємності у певній точці зображення Для того, щоб цей спосіб міг дозолити отримання зображення відбитка пальця достатньої якості, завжди потрібно калібрувати сенсор або принаймні додати ЗОВНІШНІМ опф Ці опорні значення необхідні для того, щоб з безперервних даних сенсора (тобто з отриманих через сенсорну схему значень напруги, що відповідають значенням ємності між поверхнями пальця та сенсора) одержати придатне для подальшої передачі, тобто дискретизоване зображення Передбачене сприймання чорно-білого зображення дає лише дуже низькі результати, коли певні ділянки зображення стають чорними або білими, оскільки в результаті зміщення опори виникає недостатня контрасність Цього практично не можна уникнути, тому що ні сенсорні значення, ні значення електричних параметрів, що приводять до визначення значень напруги на основі значень ємності, не можуть бути змінені залежно від місця Цю складність можна усунути лише за рахунок великих коштів, шляхом запам'ятовування дискретизованого багатоступінчастим способом зображення та його подальшої обробки Із ЕР-А-0786745 ВІДОМІ спосіб та пристрій для ємнісного сприймання зображень При цьому передбачено пристрій для отримання місцевого середнього значення, який розташовано окремо від пристрою для сприймання зображень Задача даного винаходу полягає у створенні способу та пристрою для ємнісного сприймання зображень, за допомогою яких можна було б нескладним чином сприймати растроване чорнобіле зображення з достатньою для передачі деталей контрастністю, зокрема для відображення відбитків пальців Цю задачу вирішують за допомогою способу з ознаками пункт 1 формули винаходу та пристрою з ознаками пункту 5 формули винаходу Форми здійснення винаходу викладені у залежних пунктах формули Спосіб згідно з винаходом послуговується одноступінчастим бінарним аналого-цифровим перетворенням отриманих сигналів вимірювання Для компенсації різниці у яскравості або контрастності, яка виникає у окремих місцях, значення вимірювання ємності, отримані у кожній точці зображення, порівнюють з локальними пороговими значеннями Таким чином визначають опір, який у вигляді граничного значення дозволяє підпорядкувати одноступінчастии цифровий результат (бінарний 0 або 1) значенню вимірювання Виміряне за принципом ємності сприймання зображення та визначення порогового значення, що виникає із умов певної обмеженої ділянки зображення, можуть згідно з цим способом здійснюватися одночасно і паралельно Пристрій, за допомогою якого можна застосовувати цей спосіб, працює незалежно від ЗОВНІШНІХ опорних значень і може, наприклад, бути інтегрованим у напівпровідниковий чіп із метою сприймання відбитків пальців Для ємнісного сприймання зображення діють у принципі так само, як у зазначеній вище публікації Використовують растровидне розміщення електричних провідників, які утворюють протилежні електроди відносно поверхні зображення Поверхня зображення може, наприклад, бути поверхнею шкіри на пучці пальця Шляхом структурування поверхні шкіри на перемички та канавки залежно від місця ємності виникають різниці між електричними провідниками, розміщеними у одній площині як вимірювальні електроди, та поверхнею шкіри, яку вважають за таку, що знаходиться під постійним електричним потенціалом На більшій відстані від поверхні зображення розташовані у паралельній до перших електродів площині ІНШІ електроди, що служать як з'єднувальні Шляхом прикладання потрібних потенціалів та відключення ВІДПОВІДНИХ потенціалів від електродів, які розташовані на меншій відстані від поверхні зображення, можна здійснювати вимірювання ємності між даними електродами та поверхнею зображення у ВІДПОВІДНІЙ його точці У заявленому способі застосовують додатково ІНШІ електроди у якості опорних електродів, які також розташовані поблизу саме вимірювальних електродів Опорні електроди мають такі виміри та розташування, що за їх допомогою в принципі можна здійснювати таке ж вимірювання, як і з вимірювальними електродами Однак опорні електроди завдяки їх розташуванню та геометричній формі так міцно з'єднані у ємнісному відношенні з іншими опорними електродами, принаймні з сусідніми, що при вимірюванні за їх, допомогою певної ділянки зображення виконується усереднення навколо однієї точки зображення Середнє значення, отримане за допомогою опорних електродів, використовують як порогове або граничне значення, із яким порівнюють значення вимірювання, що є результатом ємнісного вимірювання за допомогою безпосередньо вимірювальних електродів На основі середніх значень отримують замість одного опорного значення, постійного для всієї поверхні зображення, змінне в залежності від місця порівнювальне значення, яке навіть у випадку зображення з дуже світлими або дуже темними місцями дає необхідну для детального відтворення контрастність Напруга, яку підводять до вимірювальних електродів під час вимірювання, може відрізнятись від напруги, яку прикладено до опорних електродів У фіг 1 зображена принципова схема для пристрою, придатного для цього способу Між обома шарами електричних провідників (вимірювальних електродів та з'єднувальних електродів) у кожній точці зображення мають місце ємності С-І2 З'єднувальні електроди підключені до електричного потенціалу V2 Верхню сторону зображення, наприклад поверхню шкіри пальця, сприймають як таку, до якої прикладено постійний потенціал VF До вимірювальних електродів прикладають певний потенціал і шляхом функціонування перемикачів від'єднують 55557 від електродів Відповідає до існуючих умов ємностей в окремих точках зображення виникають різні значення розміру заряду на електродах, які підлягають вимірюванню для визначення наявних ємностей між вимірювальним електродом та поверхнею зображення У випадку вимірювання за допомогою опорних електродів потрібно брати до уваги ємності, які існують між електродами, оскільки ці опорні електроди мають таку форму та розташування, що з'єднувальні ємності Ск, показані у фіг 1, мають значення, якими не можна нехтувати Після відключення прикладеної до опорних електродів напруги виникає у кожній точці зображення по одному значенню VG, ref, і, яке відповідає електродній ємності точки зображення CF Проведене таким чином ємнісне вимірювання дає нібито "змазане" або зблякле зображення картинки, що сприймається Нерізкість у ємнісному вимірюванні, спричинена ємнісним з'єднанням між опорними електродами, використовують, щоб застосувати локальне значення цього вимірювання у якості опори (відносної величини) при порівнянні зі значенням, визначеним за допомогою вимірювального електрода Зображена у фіг 1 принципова схема усередненого ємнісного вимірювання за способом згідно з винаходом доповнена зображеною у фіг 2 та 3 схемою розміщення електродів, яка є придатною для способу і може бути здійснена за цим принципом також у відповідному пристрої, а також зображеною у фіг 4 діаграмою, що пояснює покращену в результаті винаходу якість зображення Фіг 2 показує, як приклад, виріз із растроподібного розміщення шестикутних вимірювальних електродів 1, розташованих на гексагональному растрі, причому вони оточені кільцем опорних електродів 2, обмежених концентричними шестикутниками З'єднувальні ємності Ск між двома опорними електродами означені на схемі як малі кондесатори У ДІЙСНОСТІ цих конденсаторів немає, вони /Інше являють собою еквівалентну схему для ємностей, реально утворених за допомогою опорних електродів 2 Фіг 1 показує вид, що відповідає фіг 3, де більш детально зображена структура опорних електродів 2 за допомогою варіанту виконання Тут опорні електроди 2 мають форму гребінки і таким чином зчіплені між собою, що з'єднувальні ємності між опорними електродами двох сусідніх точок зображення є максимально великими Опорні електроди 2 таким чином утворюють разом з опорними електродами 3, що відносяться до сусідньої точки зображення, конденсатори з якомога більшою ємністю Отже, при здійсненні способу за допомогою цього пристрою досягають якомога кращого утворення середніх значень Завдяки цьому коливання вимірювальних величин, наявні у структурі зображення, суттєво вирівнюються залежно від точки до точки, і в результаті вимірювання виникає лише середнє значення, отримане на багатьох точках зображення Таким чином, при цьому способі локальна інформація по зображенню, сприйнята вимірювальними електродами, замінена на середнє локальне значення шляхом паралельного вимірювання опорними електродами Радіус ділянки, по якій здійснюють усереднення, а також оцінка локальних даних залежно від положення у загальній картинці можуть бути регульованими за допомогою співвідношення ємностей Ск та С-і2 При цьому граничні випадки При цьому граничні випадки являють собою Ск=0, що мусить дати зображення, яке в основному відповідає зображенню, сприйнятому вимірювальними електродами, та Ск безкінечної величини, завдяки чому на кожному опорному електроді утворено однаковий потенціал, що відповідає глобальному середньому значенню всього зображення Співвідношення ємностей можна узгодити з даним застосуванням і, наприклад, при використанні способу сенсорі для відбитків пальців зробити такий вибір, щоб середнє значення було отримане по такій ДІЛЯНЦІ, радіус якої був би узгоджений із ти пічною структурою канавок відбитка пальця Розміщення вимірювальних електродів та опорних електродів для кожної точки зображення краще вибирати однаковим Існують однакові електронні схеми, за якими до електродів у кожній точці зображення можна прикладати та відключати задані потенціали Потенціали, що виникають у кожній точці зображення на вимірювальних електродах та опорних електродах порівнюють краще за все з порівняльною схемою Результатом цього порівняння є чорна або біла точка чорно-білого зображення, залежно від того, де знаходиться вимірювальне значення - нижче чи вище відповідної середньої величини Схема порівняння може бути виконаною, наприклад, як динамічна ключова схема з фіксацією стану Пристрій може бути реалізованим як інтегрована схема, для чого особливо придатним є наведене у прикладі гексагональне розміщення вимірювальних електродів у такому растрі з взаємно сусідніми сторонами шестикутників можна особливо добре розташувати опорні електроди з метою створення якомога більшої з'єднувальної ємності Фіг 4 зображує дві діаграми, які унаочнюють спосіб згідно з винаходом Позначене літерою X розширення у напрямку площинного розташування вимірювальних електродів у будьякій одиниці мусить бути відкладене на абсцисі, значення напруги, що належать до вимірювальних ємностей окремих точок зображення, мусять бути відкладені на ординаті як VG Виписана крива 8 повинна показувати напругу VG, яка змінюється у напрямку X Залежно від того, більшим чи меншим за відносну величину Vref стає значення напруги VG, відповідна точка зображення виявляється чорною або білою Із фігури 4 видно, що при застосуванні відносної напруги Vref у правій ДІЛЯНЦІ діаграми напруга VG завжди залишається вищою за відносну напругу, так, що зображення там є рівномірно чорним Коливання напруги (піки та впадини на кривій 8) більше не беруться до уваги, так, що детальне проявлення зображення у цьому МІСЦІ не є можливим Більш точне відображення картинки з використанням градацій сірого кольору є можливим, якщо у ВІДПОВІДНОСТІ з фіг 46 використовують різні напруги Vref, Vref2, 55557 8 напруги VG можуть бути використані для оцінки світлих місць зображення тобто градацій чорного і білого кольорів Отримання цієї відносної напруги Vref відбувається описаним способом шляхом утворення середнього значення при умові використання ємнісно зв'язаних опорних електродів Vref з метою отримання зображення з градаціями сірого кольору Однак така оцінка результатів вимірювання пов'язана з високими витратами Тому згідно з винаходом діють ВІДПОВІДНО З фіг,4С, узгоджуючи показану штрихованою ЛІНІЄЮ відносну напругу Vref з умовами зображення на місцях шляхом утворення середнього значення, і таким чином у правій означеній ДІЛЯНЦІ коливання —VF 77, 7 _ ,ref,s Ck •CI2 ЧІ12 Фіг.1 Фіг.2 I Фіг.З *C12 --V2 55557 10 -Vref I " 1 •'I '4 •T ~ ФІГ.4А ФІГ.4В VA G Vref [ ' •• ФІГ.4С Підписано до друку 05 05 2003 p Тираж 39 прим ТОВ Міжнародний науковий комітет вул Артема 77 м Київ 04050 Україна (044)236-47-24