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CN113273961B - 活体检测装置及方法 - Google Patents

活体检测装置及方法 Download PDF

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CN113273961B
CN113273961B CN202010101499.0A CN202010101499A CN113273961B CN 113273961 B CN113273961 B CN 113273961B CN 202010101499 A CN202010101499 A CN 202010101499A CN 113273961 B CN113273961 B CN 113273961B
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Abstract

本发明主要提出一种活体检测装置及方法，其中该活体检测装置可为一独立的电子装置，也可整合在一身份辨识系统或一生理信号量测系统之中。该活体检测装置的最简架构仅包括：一光感测单元以及一信号处理模块。特别地，本发明在该信号处理模块之中设置一生理特征撷取单元和一活体检测单元，其中该生理特征撷取单元用以自一PPG信号中萃取出至少一第一生理特征，或是在对该PPG信号进行至少一信号处理之后，自该PPG信号萃出至少一第二生理信号特征。如此，该活体检测单元便可依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断该受测者是否为活体。

Description

活体检测装置及方法
技术领域
本发明涉及基于活体检测的技术领域，尤其涉及能够不使用任何影像撷取模块或单元的一种活体检测装置及方法。并且，该活体检测装置及/或方法可以被应用在任何一种生理信号检测系统及/或一身份辨识系统之中。
背景技术
生物辨识技术(Biometric identification)指的是利用人体的生理特征与/或行为特征来达到身份辨识的目的；其中，生理特征包括：指纹、掌纹、静脉分布、虹膜、视网膜、与脸部特征，而行为特征则包括：声纹与签名。目前，市场上已售有利用指纹辨识技术、虹膜辨识技术、及脸部辨识技术的各种身份辨识系统。
应用脸部辨识技术实现身份辨识的过程中，首先利用摄影机直接获取一受测者的影像并进行脸部特征的萃取。接着，将萃取出的脸部特征与数据库内的多组参考脸部特征进行比对之后，即可完成该受测者的身份辨识。实务经验指出，在应用脸部辨识技术实现身份辨识的过程中，A人员可能使用B人员的影像成功欺骗身份辨识系统，进而通过脸部辨识的身份辨识程序。举例而言，A人员可以令印有B人员影像的纸张、B人员的照片、B人员的录像片段、或B人员的复制3D面具或头像面对该身份辨识系统的摄影机，借此方式达成欺骗该身份辨识系统的效果。
为了防止身份辨识系统受到上述任一种假影像的欺骗，已有多种不同的活体检测技术被提出。例如，中国专利公开号CN106845395A揭示一种基于人脸识别的活体检测方法，其包含以下步骤：
(1)获取一受测者的视频影像，按照帧频率将该视频影像分为序列排列的多帧图像；
(2)使用人脸识别技术检测出每一帧图像中的人脸，并制作人脸框；
(3)提取各帧图像的人脸框内的绿色通道像素值，将提取出的各帧图像的绿色通道像素值按顺序排列，组成一像素值序列；
(4)依序对该像素值序列进行降噪处理以及傅立叶变换处理，获得该像素值序列的一频域信号；
(5)基于该频域信号进行一心率值计算；以及
(6)若心率值落在45bpm至120bpm的范围内，则可确定该受测者为活体。
补充说明的是，中国专利公开号CN106845395A主要是利用成像式体积变化描记图法(Imaging photoplethysmography,iPPG)取出各帧图像的人脸框内的绿色通道像素值，接着对绿色通道像素值的序列进行降噪处理以及傅里叶变换，得到一频域信号。最终，分析该频域信号得到心率值，从而通过心率值判断视频中的人脸是否来自于活体。其中，该人脸框即为一感兴趣区域(Region of interest,ROI)。可惜的是，已揭示的基于人脸识别的活体检测方法仍旧容易被假影像所欺骗。更详细地说明，可以使用一光源在一假影像之上产生周期性的光影变化或是令该假影像具有周期性的微幅晃动，如此在对系统提取出的像素值序列的频域数据进行该心率值计算之后，仍旧可以获得一心跳值。进一步地，只需要变更或调整该光影变化或微幅晃动的周期或频率，即可令计算得到的心率值落在45bpm至120bpm的范围内。另一方面，值得注意的是，像素值序列的频域数据必须足够多，系统才能够进行该心率值计算。更详细地说明，中国专利公开号CN106845395A的说明书第8页之中已经示范性地建议该序列排列的图像的帧数至少为600。换句话说，已揭示的基于人脸识别的活体检测方法必须在累积一定量的人员脸部数据后才能够进行活体检测，其无法基于人脸识别而实时性地完成活体检测。
另一方面，中国台湾专利号I539383揭示一种应用于人脸识别系统的活体检测方法，其活体检测方法主要包含以下步骤：
(1a)获取一受测者的一视频影像，且对该视频影像所包含的多帧图像执行一人脸识别技术，以获得人脸框；
(2a)将该人脸框的各色彩主信号(R/G/B)分别转换成对应的频域信号；
(3a)计算各频域信号的一正规化频率乱度值；以及
(4a)将该正规化频率乱度值与一门槛值进行比对，借以得知该受测者是否为一活体。
已揭示的应用于人脸识别系统的活体检测方法依旧容易被假影像所欺骗。同样地，可以使用一光源在一假影像之上产生周期性的光影变化或是令该假影像具有周期性的微幅晃动，如此系统仍旧可以计算出对应各人脸框的正规化频率乱度值。进一步地，只需要变更或调整该光影变化或微幅晃动的周期或频率，即可令计算得到的正规化频率乱度值落门槛值内。另一方面，已揭示的应用于人脸识别系统的活体检测方法在使用成像式体积变化描记图法(iPPG)的情况下无法实时性地完成活体检测。
由上述说明可知，现有的各种活体检测方法几乎都是利用iPPG技术而实现，导致系统无法实时性地完成活体检测程序。同时，就实际应用面而言，利用iPPG技术实现的活体检测方法几乎无法避开假影像的欺骗。有鉴于此，本发明的发明人极力加以研究发明，而终于研发完成本发明的一种活体检测装置及方法，其不使用任何影像撷取模块以及iPPG技术，因而能够有效地避开现有的各种假影像的欺骗手段。同时，本发明的活体检测装置及/或方法可以被应用在任何一种生理信号检测系统及/或一身份辨识系统之中。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种活体检测装置及方法，其中该活体检测装置可为一独立的电子装置，也可整合在一身份辨识系统或一生理信号量测系统之中。该活体检测装置的最简架构仅包括：一光感测单元以及一信号处理模块。特别地，本发明在该信号处理模块之中设置一生理特征撷取单元和一活体检测单元，其中该生理特征撷取单元用以自一PPG信号中萃取出至少一第一生理特征，或是在对该PPG信号进行至少一信号处理之后，自该PPG信号萃出至少一第二生理信号特征。如此，该活体检测单元便可依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断该受测者是否为活体。本发明的活体检测装置不包含任何摄影单元且不使用iPPG的技术，因此具有架构简单、低成本、以及可实时完成活体判断的优点。
为达成上述目的，本发明提出该活体检测装置的一实施例，其包括：
一光感测单元，用以面对一受测者的一感测部位，进而通过接触式或非接触式的方式自该感测部位的表面收集一漫射光；以及
一信号处理模块，包括：
一信号处理单元；
一控制单元，耦接该信号处理单元与该光感测单元，用以控制该光感测单元收集该漫射光；
一信号接收单元，耦接该光感测单元与该信号处理单元，用以通过该光感测单元接收该漫射光，且传送对应于该漫射光的一生理信号至该信号处理单元；其中，在接收该生理信号之后，该信号处理单元对该生理信号执行至少一信号处理以获得至少一生理信息；
一生理特征撷取单元，耦接该信号接收单元，用以从该信号接收单元所传送的该生理信号之中直接萃取出至少一第一生理信号特征，或是在对从该信号接收单元所传送的该生理信号进行至少一信号处理之后，自该生理信号之中萃出至少一第二生理信号特征；及
一活体检测单元，耦接该信号处理单元与该生理特征撷取单元；
其中，该活体检测单元依据由该信号处理单元所传送的该至少一生理信息而判断该受测者是否为活体；
其中，该活体检测单元还可依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断该受测者是否为活体。
并且，本发明同时提出该活体检测方法的一实施例，其包括以下步骤：
(1)使用一光感测单元通过接触式或非接触式的方式自一受测者的一感测部位收集一漫射光；
(2)令一信号接收单元通过该光感测单元接收该漫射光，且传送对应于该漫射光的一生理信号至一信号处理单元；
(3)提供一生理特征撷取单元，使其耦接该信号接收单元，进而从该信号接收单元所传送的该生理信号之中直接萃取出至少一第一生理信号特征，或是在对从该信号接收单元所传送的该生理信号进行至少一信号处理之后，自该生理信号之中萃出至少一第二生理信号特征；以及
(4)提供一活体检测单元，使其耦接该信号处理单元与该生理特征撷取单元，进而依据由该信号处理单元所传送的该至少一生理信息而判断该受测者是否为活体，或者依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断该受测者是否为活体。
在可行的实施例中，前述本发明的活体检测装置及方法皆可整合在一身份辨识系统或一生理信号量测系统之中。其中，该身份辨识系统可为下任一者：具身份辨识功能的笔记本电脑、具身份辨识功能的平板电脑、具身份辨识功能的智能型手机、具身份辨识功能的电子式门锁、具身份辨识功能的门口机、或具身份辨识功能的提款机。并且，该生理信号量测系统包括一电子主机，且该电子主机可为下任一者：一体式(All-in-one)计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能型手机、智能型手表、智能手环、红外线体温量测仪、或血氧浓度量测仪。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该生理信息可为下列任一者：血容量、心率、呼吸率、血氧、血压、血管粘度、静脉功能、静脉回流、脚踝压力、生殖器反应、或心输出量。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该生理信号为一光体积变化描记信号(Photoplethysmogram,PPG)，且该第一生理信号特征可为下列任一者：该光体积变化描记信号所包含的多个波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血氧波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血压波形特征、或萃取自该光体积变化描记信号的至少一呼吸波形特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该生理信号为一光体积变化描记(PPG)信号，且该信号处理可为下列任一者：一次微分处理、二次微分处理、三次微分处理、或四次微分处理。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该第二生理信号特征为自完成一次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该第二生理信号特征为自完成二次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该第二生理信号特征为自完成三次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，该第二生理信号特征为自完成四次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，前述光体积变化描记(PPG)信号的该多个波形特征包括：收缩波的存在性特征、舒张波的存在性特征、重搏波的存在性特征、收缩波的时间特征、舒张波的时间特征、重搏波的时间特征、收缩波的波形面积特征、舒张波的波形面积特征、重搏波的波形面积特征、收缩波的峰值特征、舒张波的峰值特征、重搏波的切迹特征、相邻两收缩波的时间关联性特征、相邻两舒张波的时间关联性特征、相邻两重搏波的时间关联性特征、舒张波与重搏波的波形面积关联性特征、收缩波与重搏波的峰值强度关联性特征、或舒张波与重搏波的峰值强度关联性特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，前述经过一次微分处理的光体积变化描记(PPG)信号的多个波形特征包括：收缩波的第一峰点特征、收缩波的第一越零点特征、收缩波的第一谷点特征、重搏波的第一越零点特征、重搏波的第二峰点特征、舒张波的第二谷点特征、收缩波的第一峰点时间特征、收缩波的第一越零点时间特征、收缩波的第一谷点时间特征、重搏波的第一越零点时间特征、重搏波的第二峰点时间特征、舒张波的第二谷点时间特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
于前述本发明的活体检测装置及方法的实施例中，前述经过二次微分处理的光体积变化描记(PPG)信号的多个波形特征包括：早期收缩正波的峰点特征、早期收缩负波的谷点特征、晚期收缩再增强波的峰点特征、晚期收缩再减弱波的谷点特征、早期舒张正波的峰点特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
在可行的实施例中，本发明的活体检测装置还包括耦接该信号处理单元的一数据输出单元，使得该信号处理单元通过该数据输出单元输出该至少一生理信息。其中，该数据输出单元可为下列任一者：显示设备、扬声器、有线传输接口、或无线传输接口。
在可行的实施例中，本发明的活体检测装置还包括耦接该控制单元的一感测区域标记单元。并且，于前述本发明的活体检测方法的实施例中，在执行该步骤(1)之前，可先使用该感测区域标记单元发射一标记信号至该感测部位的表面；其中，该感测部位可为一体表部位或一非体表部位，且该标记信号可为下列任一者：光点、图案、符号、或文字。
在可行的实施例中，本发明的活体检测装置还包括一发光单元，且该信号处理模块还包括一驱动单元，其耦接该控制单元与该发光单元。并且，于前述本发明的活体检测方法的实施例中，在执行该步骤(1)之前，可先使用该发光单元发出一检测光至该受测者的该感测部位，借此增强该漫射光。
于前述本发明的活体检测方法的一可行实施例中，在执行该步骤(1)之前，可先执行以下步骤：使用该发光单元发出一检测光至该受测者的该感测部位，同时使用该感测区域标记单元发射该标记信号至该感测部位的表面。
在可行的实施例中，本发明的活体检测装置还包括耦接于该信号接收单元与该生理特征撷取单元之间的一生理特征增强单元。并且，于前述本发明的活体检测方法的实施例中，在完成该步骤(2)且执行该步骤(3)之前，可先利用该生理特征增强单元对传送自该信号接收单元的该光体积变化描记(PPG)信号执行一生理特征增强处理。
附图说明
图1为整合有本发明的一种活体检测装置的一身份辨识系统的立体图；
图2为本发明的活体检测装置的第一实施例的功能方块图；
图3A为具有身份辨识功能的笔记本电脑的立体图；
图3B为具有身份辨识功能的门口机的立体图；
图3C为具有身份辨识功能的电子门锁的立体图；
图3D为具有身份辨识功能的智能型手机的立体图；
图3E为具有身份辨识功能的提款机的立体图；
图4A为一血氧浓度量测仪的立体图；
图4B为一红外线体温量测仪的立体图；
图5为光体积变化描记信号的三组信号波形图；
图6为本发明的活体检测装置的第二实施例的功能方块图；
图7为本发明的活体检测装置的第三实施例的功能方块图；
图8为本发明的活体检测装置的第四实施例的功能方块图；
图9为本发明的活体检测装置的第五实施例的功能方块图；以及
图10为本发明的一种活体检测方法的流程图。
其中，附图标记：
1:活体检测装置
10:数据输出单元
11:光感测单元
12:信号处理模块
120:信号处理单元
121:控制单元
122:信号接收单元
123:生理特征撷取单元
124:活体检测单元
125:生理特征增强单元
126:驱动单元
13:警示单元
14:感测区域标记单元
15:发光单元
2:受测者
21:感测部位
E:身份辨识系统
A:特征点
B:特征点
C:特征点
a1:特征点
b1:特征点
c1:特征点
d1:特征点
e1:特征点
f1:特征点
a2:特征点
b2:特征点
c2:特征点
d2:特征点
e2:特征点
S1-S4:步骤
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种活体检测装置及方法，以下将配合附图，详尽说明本发明的较佳实施例。
第一实施例
图1为整合有本发明的一种活体检测装置的一身份辨识系统的立体图，且图2为本发明的活体检测装置的第一实施例的功能方块图。特别说明的是，本发明的活体检测装置1可为一独立的电子装置，也可被整合在一身份辨识系统E之中，以赋予该身份辨识系统E活体检测的功能，使该身份辨识系统E在不会受到假影像的欺骗的前提之下完成一受测者2的身份辨识。值得注意的是，图1绘示该身份辨识系统E的一主机装置为包含摄影模块的一平板电脑，然而并非以此限制身份辨识系统E的主机装置的实施态样。已知的，目前已有许多电子装置具有身份辨识功能。举例而言，图3A为具有身份辨识功能的笔记本电脑的立体图，图3B为具有身份辨识功能的门口机的立体图，图3C为具有身份辨识功能的电子门锁的立体图，图3D为具有身份辨识功能的智能型手机的立体图，图3E为具有身份辨识功能的提款机的立体图。
另一方面，本发明的活体检测装置1也可被整合在一生理信号量测系统之中。例如，图4A为该生理信号量测系统为一血氧浓度量测仪的立体图，且图4B为该生理信号量测系统为一红外线体温量测仪的立体图。当然，将本发明的活体检测装置1与成像式体积变化描记图法(Imaging photoplethysmography,iPPG)或遥测式体积变化描记图法(Remotephotoplethysmography,rPPG)等技术进行结合的情况下，该生理信号量测系统同样会包含一电子主机，且该电子主机可为下任一者：一体式(All-in-one)计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能型手机、智能型手表、或智能手环。
继续地参阅图1与图2。于第一实施例中，该活体检测装置1主要包括一光感测单元11以及一信号处理模块12。其中，该光感测单元11面对一受测者2的一感测部位21，用以在该受测者2曝露在一环境光的情况下通过或非接触式的方式自该感测部位21的表面收集一漫射光。值得注意的是，此环境光可能是一自然光或者由一外部光源所提供的一人造光，因此漫射光可能是一单波长光或一多波长光。基于上述理由，本发明并不限定该光感测单元11的类型。依据该环境光的光源种类，该光感测单元11可以是单点式光传感器(Singlepoint photo sensor)、矩阵式光传感器(Matrix photo sensor)、单通道影像传感器(One-channel image sensor)、或多通道影像传感器(multi-channel image sensor)。
更详细地说明，该信号处理模块12包括：一信号处理单元120、一控制单元121、一信号接收单元122、一生理特征撷取单元123、与一活体检测单元124。其中，该控制单元121耦接该信号处理单元120与该光感测单元11，用以控制该光感测单元11收集该漫射光。另一方面，该信号接收单元122耦接该光感测单元11与该信号处理单元120，用以通过该光感测单元11接收该漫射光，且传送对应于该漫射光的一生理信号至该信号处理单元120。进一步地，在接收该生理信号之后，该信号处理单元120对该生理信号执行至少一信号处理，借以获得至少一生理信息。依据该信号处理的算法的不同，最终获得的生理信息也不同。在一般的情况下，该生理信息可以是血容量(Blood volume variation)、心率(Heart rate,HR)、呼吸率(Respiratory rate,RR)、血氧(Blood oxygen level)、血压(Blood pressure)、血管粘度(Blood vessel viscosity)、静脉功能(Venous function)、静脉回流(Venousreflux)、脚踝压力(Ankle pressure)、生殖器反应(Genital responses)、心输出量(Cardiac output)。
图1还显示本发明的活体检测装置1具有一数据输出单元10，其耦接该信号处理单元120，使得该信号处理单元120通过该数据输出单元10输出该至少一生理信息。依据该身份辨识系统E的主机装置或该生理信号量测系统的电子主机的不同，该数据输出单元10可能为一显示设备、一扬声器、一有线传输接口、或一无线传输接口。
于该信号处理模块12之中，该生理特征撷取单元123耦接该信号接收单元122，用以从该信号接收单元122所传送的该生理信号之中直接萃取出至少一第一生理信号特征。更详细地说明，由于该生理信号为一光体积变化描记信号(Photoplethysmogram(PPG)signal)，因此，前述的第一生理信号特征可为下列任一者：该光体积变化描记信号所包含的多个波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血氧波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血压波形特征、或萃取自该光体积变化描记信号的至少一呼吸波形特征。图5为光体积变化描记信号的三组信号波形图。其中，信号波形图(a)表示未经过任何信号处理的光体积变化描记(PPG)信号，且其包含以下几个主要的波形特征：收缩波的峰值特征(Systolic peak)、重搏波的切迹特征(Dicrotic notch)、舒张波的峰值特征(Diastolic peak)，也就是标示于信号波形图(a)之中的特征点A、特征点B及特征点C。
除了基础的特征点A、特征点B及特征点C以外，该生理特征撷取单元123还可以自原始的PPG信号之中萃取出以下波形特征：收缩波的存在性特征、舒张波的存在性特征、重搏波的存在性特征、收缩波的时间特征、舒张波的时间特征、重搏波的时间特征、收缩波的波形面积特征、舒张波的波形面积特征、重搏波的波形面积特征、相邻两收缩波的时间关联性特征、相邻两舒张波的时间关联性特征、相邻两重搏波的时间关联性特征、舒张波与重搏波的波形面积关联性特征、收缩波与重搏波的峰值强度关联性特征、及舒张波与重搏波的峰值强度关联性特征。
此外，该生理特征撷取单元123也可在对从该信号接收单元所传送的该生理信号进行至少一信号处理之后，自该生理信号之中萃出至少一第二生理信号特征。举例而言，该信号处理可为一次微分处理，而完成一次微分处理的PPG信号称为一阶导数PPG信号(FirstderivativePhotoplethysmogram signal)或速度光体积变化描记信号(Velocityphotoplethysmogram,VPG)。因此，该第二生理信号特征为自完成一次微分处理的PPG信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。如图5所示，信号波形图(b)表示经过一次微分处理后的PPG信号，且其包含以下几个主要的波形特征：第一峰点、第一越零点、第一谷点、第二越零点、第二峰点、以及第二谷点，也就是标示于信号波形图(b)之中的六个特征点a1、b1、c1、d1、e1、和f1。
简单地说，该生理特征撷取单元123可以自完成一次微分处理的PPG信号之中萃取出以下波形特征：收缩波的第一峰点强度特征、收缩波的第一越零点强度特征、收缩波的第一谷点强度特征、重搏波的第一越零点强度特征、重搏波的第二峰点强度特征、舒张波的第二谷点强度特征、收缩波的第一峰点时间特征、收缩波的第一越零点时间特征、收缩波的第一谷点时间特征、重搏波的第一越零点时间特征、重搏波的第二峰点时间特征、舒张波的第二谷点时间特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
另一方面，该信号处理也可为二次微分处理，而完成二次微分处理的PPG信号称为一阶导数PPG信号(Second derivativePhotoplethysmogram signal)或加速度光体积变化描记信号(Accelerationphotoplethysmogram,APG)。因此，该第二生理信号特征为自完成二次微分处理的PPG信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。如图5所示，信号波形图(c)表示经过二次微分处理后的PPG信号，且其包含以下几个主要的波形特征：早期收缩正波的峰点特征(early systolicpositive wave,a-wave)、早期收缩负波的谷点特征(early systolic negative wave,b-wave)、晚期收缩再增强波的峰点特征(late systolic reincreasing wave,c-wave)、晚期收缩再减弱波的谷点特征(late systolic redecreasing wave,d-wave)、早期舒张正波的峰点特征(early diastolicpositive wave,e-wave)，也就是标示于信号波形图(c)之中的五个特征点a2、b2、c2、d2、和e2。
换句话说，该生理特征撷取单元123可以自完成二次微分处理的PPG信号之中萃取出以下波形特征：早期收缩正波(a-wave)的峰点特征、早期收缩负波(b-wave)的谷点特征、晚期收缩再增强波(c-wave)的峰点特征、晚期收缩再减弱波(d-wave)的谷点特征、早期舒张正波(e-wave)的峰点特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
在该生理特征撷取单元123提供该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征之后，耦接该生理特征撷取单元123的活体检测单元124便能够依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断该受测者2是否为活体。进一步地，该生理特征撷取单元123也可对完成第二次微分处理的PPG信号继续地执行第三次微分处理。此时，前述的第二生理信号特征即为自完成三次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。更进一步地，该生理特征撷取单元123还可对完成第三次微分处理的PPG信号继续地执行第四次微分处理。此时，前述的第二生理信号特征即为自完成四次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出的多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
在另一方面，图2绘示该活体检测单元124同时耦接该信号处理单元120。因此，活体检测单元124也可直接依据由该信号处理单元120所传送的该至少一生理信息而判断该受测者2是否为活体，例如：心率、呼吸率、血压、或心输出量等易于区分活体及非活体的生理信息。
特别说明的是，在该光感测单元11自受测者2的一体表部位收集到漫射光以及萃取自PPG信号的生理信号特征同时包含活体特征的情况下，该活体检测单元124可以确认该受测者2为活体。举例而言，图1显示该光感测单元11的感测部位21位于受测者2的脸颊或额头，即属受测者2的体表部位。相反地，在该光感测单元11自受测者2的一非体表部位收集到漫射光的情况下，即使萃取自PPG信号的生理信号特征包含活体特征，该活体检测单元124也不会给出受测者2为活体的判断结果。例如，图1显示该光感测单元11的感测部位21位于受测者2的头发或衣服，即属受测者2的非体表部位。在此情况下，如图2所示，耦接该活体检测单元124的一警示单元13会发出一警示信息，其中该警示信息可为下列任一种：光信息、声音信息、声光信息、文字信息、符号信息、图案信息、或影像信息。
第二实施例
请重复参阅图1，并且请同时参阅图6，其为本发明的活体检测装置的第二实施例的功能方块图。比较图6与图2可以得知，该活体检测装置1的第二实施例进一步包括一感测区域标记单元14，其耦接该控制单元121，用以基于该控制单元121的控制而发射一标记信号至该感测部位21的表面，借此方式令操作者明确地得知该光感测单元11所面对的感测部位21属受测者2的体表部位或非体表部位。在可行的实施例中，该标记信号可为下列任一者：光点、图案、符号、或文字。举例而言，在没有发光源的辅助下，操作者实难以确定该光感测单元11正对受测者2的体表部位或非体表部位。尤其，若操作者欲令该光感测单元11正对受测者2的额头部位，则该光感测单元11有很高的机率会因为操作者的操作失当而正对于受测者2的头发或者受到头发覆盖的额头部位。在此情况下，光感测单元11所收集的漫射光所带有的生理信号无法完全反映出受测者2的真实生理状况。相反地，利用该感测区域标记单元14在受测者2的感测部位21的表面做出标记后，操作者可以将该光感测单元11对准正确的感测部位21。
第三实施例
请重复参阅图1，并且请同时参阅图7，其为本发明的活体检测装置的第三实施例的功能方块图。比较图7与图6可以得知，该活体检测装置1的第三实施例进一步包括一生理特征增强单元125，其设于该信号处理模块12之中，且耦接于该信号接收单元122与该生理特征撷取单元123之间。于第三实施例中，该生理特征增强单元125，用以对传送自该信号接收单元122的该光体积变化描记(PPG)信号执行一生理特征增强处理，进以凸显原始PPG信号之中的收缩波的峰值特征(Systolic peak)、重搏波的切迹特征(Dicrotic notch)、舒张波的峰值特征(Diastolic peak)，也就是标示于信号波形图(a)之中的特征点A、特征点B及特征点C。当然，该生理特征增强单元125也可对其它包含于原始PPG信号内的波形特征进行生理特征增强处理，例如：相邻两收缩波的时间关联性特征、相邻两舒张波的时间关联性特征、相邻两重搏波的时间关联性特征、舒张波与重搏波的波形面积关联性特征、收缩波与重搏波的峰值强度关联性特征、及舒张波与重搏波的峰值强度关联性特征。
第四实施例
请重复参阅图1，并且请同时参阅图8，其为本发明的活体检测装置的第四实施例的功能方块图。比较图8与图2可以得知，该活体检测装置1的第四实施例进一步包括一发光单元15与一驱动单元126，其中该驱动单元126设置于该信号处理模块12之中，且耦接该控制单元121与该发光单元15。于第四实施例中，该驱动单元126用以驱动该发光单元15发射一人造光至该受测者2的该感测部位21的表面，以令该漫射光产生于该感测部位21的表面。应可理解的是，该人造光可以是单波长光或是多波长光。更详细地说明，发光单元15包括至少一发光元件，且该发光元件可以是发光二极管、垂直共振腔发光二极管、或有机发光二极管。其中，该发光二极管(Light-emitting diode,LED)可以是单色光LED或至少包含绿光(400-600nm)、红光(600-800nm)与红外光(800-1000nm)的多色光LED，且该有机发光二极管(Organic light-emitting diode,OLED)可以是单色光OLED或至少包含绿光、红光与红外光的多色光OLED。
简单地说，图2绘示的活体检测装置1的第一实施例是在无光源或自然光源的条件下完成受试物的生理信号量测。不同地，图8绘示的活体检测装置1的第四实施例能够自行以其发光单元15发出检测光至受试物的感测部位21，令光感测单元11可以轻易地自该感测部位21的表面收集漫射光。
第五实施例
图9，其为本发明的活体检测装置的第五实施例的功能方块图。比较图9与图8可以得知，该活体检测装置1的第五实施例可通过将前述的生理特征增强单元125以及前述的感测区域标记单元14加入第四实施例的架构之中而获得。
活体检测方法
请重复参阅图1与图2，并且请同时参阅图10，其为本发明的活体检测方法的流程图。在参考图1、图2与图10的基础下，应可理解本发明的活体检测方法首先执行步骤S1：使用一光感测单元11通过非接触式的方式自一受测者2的一感测部位21收集一漫射光。然而，在图6显示的活体检测装置1的第二实施例的架构中还包含一感测区域标记单元14。因此，可以理解，执行本发明的活体检测方法的步骤S1之前，可以先使用一感测区域标记单元14发射例如光点、图案、符号、或文字等标记信号至该感测部位21的表面，令操作者可以确定该光感测单元11是否正对受试物的一体表部位或一非体表部位。
另一方面，在图8显示的活体检测装置1的第四实施例的架构中还包含一发光单元15与一驱动单元126。因此，可以理解，执行本发明的活体检测方法的步骤S1之前，也可以先使用一发光单元15发出一人造光以作为一检测光，且以该检测光照射受测者2的一感测部位21，同时使用一感测区域标记单元14发射一标记信号至该感测部位21的表面，借此增强该漫射光。此外，在图9显示的活体检测装置1的第五实施例的架构中同时包含发光单元15、驱动单元126及感测区域标记单元14。因此，可以理解，执行本发明的活体检测方法的步骤S1之前，可以使用发光单元15发出检测光至受测者2的感测部位21，同时使用感测区域标记单元14发射一标记信号至该感测部位21的表面。
如图1、图2与图10所示，在完成步骤S1之后，该活体检测方法接着执行步骤S2：令一信号接收单元122通过该光感测单元11接收该漫射光，且传送对应于该漫射光的一生理信号至一信号处理单元120。应可理解，该生理信号为一光体积变化描记信号(Photoplethysmogram,PPG)。继续地，方法流程执行步骤S3：提供一生理特征撷取单元123以自该信号接收单元122所传送的该生理信号之中直接萃取出至少一第一生理信号特征，或是在对从该信号接收单元所传送的该生理信号进行至少一信号处理之后，自该生理信号之中萃出至少一第二生理信号特征。
前述说明已经特别解释该第一生理信号特征为萃取自原始PPG信号的任一波形特征(如图5的信号波形图(a)所示)，例如：收缩波的存在性特征、舒张波的存在性特征、重搏波的存在性特征、收缩波的时间特征、舒张波的时间特征、重搏波的时间特征、收缩波的波形面积特征、舒张波的波形面积特征、重搏波的波形面积特征、收缩波的峰值特征、舒张波的峰值特征、重搏波的切迹特征、相邻两收缩波的时间关联性特征、相邻两舒张波的时间关联性特征、相邻两重搏波的时间关联性特征、舒张波与重搏波的波形面积关联性特征、收缩波与重搏波的峰值强度关联性特征、或舒张波与重搏波的峰值强度关联性特征。
同时，前述说明也已经特别解释，在PPG信号经过一次微分处理的情况下，该第二生理信号特征为萃取自经过一次微分处理的PPG信号的任一波形特征(如图5的信号波形图(b)所示)，例如：收缩波的第一峰点特征、收缩波的第一越零点特征、收缩波的第一谷点特征、重搏波的第一越零点特征、重搏波的第二峰点特征、舒张波的第二谷点特征、收缩波的第一峰点时间特征、收缩波的第一越零点时间特征、收缩波的第一谷点时间特征、重搏波的第一越零点时间特征、重搏波的第二峰点时间特征、舒张波的第二谷点时间特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
再者，前述说明也已经特别解释，在PPG信号经过二次微分处理的情况下，该第二生理信号特征为萃取自经过二次微分处理的PPG信号的的任一波形特征(如图5的信号波形图(c)所示)，例如：早期收缩正波的峰点特征(a-wave)、早期收缩负波的谷点特征(b-wave)、晚期收缩再增强波的峰点特征(c-wave)、晚期收缩再减弱波的谷点特征(d-wave)、早期舒张正波的峰点特征(e-wave)、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
补充说明的是，在图7显示的活体检测装置1的第二实施例的架构中还包含一生理特征增强单元125，其设置在该信号处理模块12之中且耦接于该信号接收单元122与该生理特征撷取单元123之间。因此，在完成该步骤S2且执行该步骤S3之前，可以先利用该生理特征增强单元125对传送自该信号接收单元122的该光体积变化描记信号执行一生理特征增强处理，以凸显原始PPG信号之中的收缩波的峰值特征(Systolic peak)、重搏波的切迹特征(Dicrotic notch)、舒张波的峰值特征(Diastolic peak)，也就是标示于信号波形图(a)之中的特征点A、特征点B及特征点C。
最终，步骤S4提供耦接该信号处理单元120与该生理特征撷取单元123的一活体检测单元124，以利用该活体检测单元124依据由该信号处理单元120所传送的该至少一生理信息而判断该受测者2是否为活体，或者依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断该受测者2是否为活体。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (26)

1.一种活体检测装置，其特征在于，包括：
一光感测单元，用以面对一受测者的一感测部位，进而通过接触式或非接触式的方式自该感测部位的表面收集一漫射光；以及
一信号处理模块，包括：
一信号处理单元；
一控制单元，耦接该信号处理单元与该光感测单元，用以控制该光感测单元收集所述漫射光；
一信号接收单元，耦接该光感测单元与该信号处理单元，用以通过该光感测单元接收所述漫射光，且传送对应于该漫射光的一生理信号至该信号处理单元；其中，在接收所述生理信号之后，该信号处理单元对该生理信号执行至少一信号处理以获得至少一生理信息；
一生理特征撷取单元，耦接该信号接收单元，用以从该信号接收单元所传送的该生理信号之中直接萃取出至少一第一生理信号特征，或是在对该信号接收单元所传送的该生理信号进行至少一信号处理之后，自该生理信号之中萃出至少一第二生理信号特征；及
一活体检测单元，耦接该信号处理单元与该生理特征撷取单元；
其中，该活体检测单元依据由该信号处理单元所传送的该至少一生理信息而判断所述受测者是否为活体；
其中，该活体检测单元还可依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断所述受测者是否为活体；
其中，所述生理信号为一光体积变化描记信号，所述信号处理为下列任一者：一次微分处理、二次微分处理、三次微分处理、或四次微分处理，且所述第一生理信号特征为下列任一者：该光体积变化描记信号所包含的多个波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血氧波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血压波形特征、或萃取自该光体积变化描记信号的至少一呼吸波形特征；
其中，所述第二生理信号特征自完成一次微分处理、二次微分处理、三次微分处理、或四次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出，且为下列任一者：多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
2.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，所述生理信息可为下列任一者：血容量、心率、呼吸率、血氧、血压、血管粘度、静脉功能、静脉回流、脚踝压力、生殖器反应、或心输出量。
3.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，还包括一数据输出单元，其耦接该信号处理单元，使得该信号处理单元通过所述数据输出单元输出该至少一生理信息。
4.根据权利要求3所述的活体检测装置，其特征在于，该数据输出单元可为下列任一者：显示设备、扬声器、有线传输接口、或无线传输接口。
5.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，还包括：
一警示单元，耦接该活体检测单元，用以在该活体检测单元判断该受测者为一非活体的情况下，发出一警示信息；
其中，该警示信息可为下列任一种：光信息、声音信息、声光信息、文字信息、符号信息、图案信息、或影像信息。
6.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，还包括：
一感测区域标记单元，耦接该控制单元，用以基于该控制单元的控制而发射一标记信号至该感测部位的表面；
其中，该感测部位可为一体表部位或一非体表部位，且所述标记信号可为下列任一者：光点、图案、符号、或文字。
7.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，该信号处理模块还包括：
一生理特征增强单元，耦接于该信号接收单元与该生理特征撷取单元之间，用以对传送自该信号接收单元的该光体积变化描记信号执行一生理特征增强处理，进以凸显该多个波形特征、该至少一血氧波形特征、该至少一血压波形特征、及/或该至少一呼吸波形特征。
8.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，该多个波形特征包括：收缩波的存在性特征、舒张波的存在性特征、重搏波的存在性特征、收缩波的时间特征、舒张波的时间特征、重搏波的时间特征、收缩波的波形面积特征、舒张波的波形面积特征、重搏波的波形面积特征、收缩波的峰值特征、舒张波的峰值特征、重搏波的切迹特征、相邻两收缩波的时间关联性特征、相邻两舒张波的时间关联性特征、相邻两重搏波的时间关联性特征、舒张波与重搏波的波形面积关联性特征、收缩波与重搏波的峰值强度关联性特征、或舒张波与重搏波的峰值强度关联性特征。
9.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，该多个波形特征包括：收缩波的第一峰点特征、收缩波的第一越零点特征、收缩波的第一谷点特征、重搏波的第一越零点特征、重搏波的第二峰点特征、舒张波的第二谷点特征、收缩波的第一峰点时间特征、收缩波的第一越零点时间特征、收缩波的第一谷点时间特征、重搏波的第一越零点时间特征、重搏波的第二峰点时间特征、舒张波的第二谷点时间特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
10.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，该多个波形特征包括：早期收缩正波的峰点特征、早期收缩负波的谷点特征、晚期收缩再增强波的峰点特征、晚期收缩再减弱波的谷点特征、早期舒张正波的峰点特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
11.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，在该受测者曝露在一环境光的情况下，该漫射光产生于该感测部位的表面；其中，所述环境光为一自然光或由一外部光源所提供的一人造光。
12.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，还包括一发光单元，且该信号处理模块还包括一驱动单元，其耦接该控制单元与该发光单元，用以驱动该发光单元发射一检测光至该受测者的该感测部位的表面，以令所述漫射光产生于该感测部位的表面。
13.根据权利要求1所述的活体检测装置，其特征在于，其整合在一身份辨识系统或一生理信号量测系统之中。
14.根据权利要求13所述的活体检测装置，其特征在于，该身份辨识系统可为下任一者：具身份辨识功能的笔记本电脑、具身份辨识功能的平板电脑、具身份辨识功能的智能型手机、具身份辨识功能的电子式门锁、具身份辨识功能的门口机、或具身份辨识功能的提款机。
15.根据权利要求13所述的活体检测装置，其特征在于，该生理信号量测系统包括一电子主机，且该电子主机可为下任一者：一体式(All-in-one)计算机、笔记本电脑、平板电脑、智能型手机、智能型手表、智能手环、红外线体温量测仪、或血氧浓度量测仪。
16.一种活体检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用一光感测单元通过接触式或非接触式的方式自一受测者的一感测部位收集一漫射光；
(2)令一信号接收单元通过该光感测单元接收所述漫射光，且传送对应于该漫射光的一生理信号至一信号处理单元，该信号处理单元对该生理信号执行至少一信号处理以获得至少一生理信息；
(3)提供一生理特征撷取单元以自该信号接收单元所传送的该生理信号之中直接萃取出至少一第一生理信号特征，或是在对该信号接收单元所传送的该生理信号进行至少一信号处理之后，自该生理信号特征之中萃出至少一第二生理信号特征；以及
(4)提供一活体检测单元，使其耦接该信号处理单元与该生理特征撷取单元，进而依据由该信号处理单元所传送的该至少一生理信息而判断所述受测者是否为活体，或者依据该至少一第一生理信号特征及/或该至少一第二生理信号特征而判断所述受测者是否为活体；
其中，所述生理信号为一光体积变化描记信号，所述信号处理为下列任一者：一次微分处理、二次微分处理、三次微分处理、或四次微分处理，且所述第一生理信号特征为下列任一者：该光体积变化描记信号所包含的多个波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血氧波形特征、萃取自该光体积变化描记信号的至少一血压波形特征、或萃取自该光体积变化描记信号的至少一呼吸波形特征；
其中，所述第二生理信号特征自完成一次微分处理、二次微分处理、三次微分处理、或四次微分处理的该光体积变化描记信号之中所取出，且为下列任一者：多个波形特征、至少一血氧波形特征、至少一血压波形特征、或至少一呼吸波形特征。
17.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，其应用于一身份辨识系统或一生理信号量测系统之中。
18.根据权利要求17所述的活体检测方法，其特征在于，该信号处理模块为所述身份辨识系统的一主机装置之中或所述生理信号量测系统的一电子主机。
19.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，在执行该步骤(1)之前，先执行以下步骤：使用一发光单元发出一检测光至该受测者的该感测部位，借此增强所述漫射光。
20.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，在执行该步骤(1)之前，先执行以下步骤：使用一感测区域标记单元发射一标记信号至该感测部位的表面。
21.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，在执行该步骤(1)之前，先执行以下步骤：使用一发光单元发出一检测光至该受测者的该感测部位，同时使用一感测区域标记单元发射一标记信号至该感测部位的表面。
22.根据权利要求18所述的活体检测方法，其特征在于，在完成该步骤(2)且执行该步骤(3)之前，先执行以下步骤：提供一生理特征增强单元，使其设置在该信号处理模块之中且耦接于该信号接收单元与该生理特征撷取单元之间，进而对传送自该信号接收单元的该生理信号执行一生理特征增强处理。
23.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，所述生理信息可为下列任一者：血容量、心率、呼吸率、血氧、血压、血管粘度、静脉功能、静脉回流、脚踝压力、生殖器反应、或心输出量。
24.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，该多个波形特征包括：收缩波的存在性特征、舒张波的存在性特征、重搏波的存在性特征、收缩波的时间特征、舒张波的时间特征、重搏波的时间特征、收缩波的波形面积特征、舒张波的波形面积特征、重搏波的波形面积特征、收缩波的峰值特征、舒张波的峰值特征、重搏波的切迹特征、相邻两收缩波的时间关联性特征、相邻两舒张波的时间关联性特征、相邻两重搏波的时间关联性特征、舒张波与重搏波的波形面积关联性特征、收缩波与重搏波的峰值强度关联性特征、或舒张波与重搏波的峰值强度关联性特征。
25.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，该多个波形特征包括：收缩波的第一峰点特征、收缩波的第一越零点特征、收缩波的第一谷点特征、重搏波的第一越零点特征、重搏波的第二峰点特征、舒张波的第二谷点特征、收缩波的第一峰点时间特征、收缩波的第一越零点时间特征、收缩波的第一谷点时间特征、重搏波的第一越零点时间特征、重搏波的第二峰点时间特征、舒张波的第二谷点时间特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
26.根据权利要求16所述的活体检测方法，其特征在于，该多个波形特征包括：早期收缩正波的峰点特征、早期收缩负波的谷点特征、晚期收缩再增强波的峰点特征、晚期收缩再减弱波的谷点特征、早期舒张正波的峰点特征、前述任两者的时间相关性特征、或前述任两者的强度相关性特征。
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