摘要：介紹了一種基于筆勁識別的身份驗(yàn)證系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用觸摸屏控制芯片AD7879 采集書寫者的筆勁信息,，通過8051 單片機(jī)將數(shù)據(jù)傳輸給LabVIEW 上位機(jī)程序進(jìn)行界面顯示和數(shù)據(jù)處理，較好地實(shí)現(xiàn)了身份認(rèn)證的功能,，構(gòu)建了安全,、高效、難以模仿的身份驗(yàn)證系統(tǒng),。本系統(tǒng)外圍結(jié)構(gòu)簡單,、可移植性強(qiáng),、應(yīng)用前景廣泛,。
在當(dāng)今信息社會，個人隱私,、商業(yè)機(jī)密和國家安全等越來越受到人們的重視,，信息既需要能被方便的讀取,，又需要得到可靠地保護(hù)。然而,，現(xiàn)今的一些身份認(rèn)證方案很難盡善盡美,，即使是被認(rèn)為不可復(fù)制的虹膜和指紋識別，在犯罪分子獲取當(dāng)事人的眼球或手指等身體器官的極端情況下也會被冒充,。由于成年人的書寫習(xí)慣包括書寫的字形,、速度、力度和角度等,，在較長一段時間內(nèi)是固定不變的,，長期以來都以簽名的字形作為認(rèn)證身份的依據(jù)。特別是漢字,，由于其特征較為明顯,，經(jīng)常被用來作為身份鑒定。但字形是直觀的形態(tài),，比較容易被模仿,，相比之下書寫的勁道難以察覺，幾乎是不可復(fù)制和模仿的,。而電阻觸摸屏由于其自身的構(gòu)造,，可以使用專用觸摸屏控制芯片采集筆跡及筆勁信息，故本文提出一種新的認(rèn)證身份的方式---基于書寫筆勁識別的驗(yàn)證系統(tǒng),。
另外,，可以將筆勁轉(zhuǎn)化為第三維度的信息，使用現(xiàn)在已經(jīng)相當(dāng)成熟的圖像識別算法進(jìn)行處理,。本系統(tǒng)結(jié)合筆跡識別技術(shù)與書寫勁道的認(rèn)證,，提高了身份認(rèn)證的準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)使用嵌入式平臺基本實(shí)現(xiàn)了基于書寫筆勁的身份認(rèn)證,，便于移植,，在移動設(shè)備逐漸流行而個人隱私日益關(guān)注的今天，這種方案很可能會被廣泛采用,。
1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)通過信號采集模塊完成采集用戶簽名的筆跡,、筆勁信息的任務(wù)，然后由LabVIEW 實(shí)現(xiàn)軟件開發(fā),，進(jìn)行筆勁信息數(shù)據(jù)庫的建立,，且最終通過匹配比對算法完成用戶的認(rèn)證。
本系統(tǒng)的目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)的功能是： 建立一個擁有高度安全性,、難以冒充復(fù)制的,、能廣泛應(yīng)用于各種身份認(rèn)證的簽名系統(tǒng)。它在整體上采用模塊化設(shè)計(jì)如圖1所示,，通過AD7879 芯片,、單片機(jī)和觸摸屏共同完成筆勁數(shù)據(jù)信息采集,，再通過串口完成與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信，將筆勁信息數(shù)據(jù)交與上位機(jī),； 上位機(jī)利用LabVIEW構(gòu)建出友好的用戶界面,，然后程序主體將所得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過加密存儲后,，按照一定的規(guī)律顯示在屏幕上,，同時，后臺將完成提取特征值,，與現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配,，并將結(jié)果通過對話框的形式顯示給用戶。
圖1 系統(tǒng)框架圖
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2. 1 壓力測量原理
通過分析電阻式觸摸屏的結(jié)構(gòu)可以知道,，在按下觸摸屏的時候,，兩層的金屬膜之間肯定會有接觸電阻，如圖2 所示,，而觸摸電阻值越大,，則表示觸摸壓力越小，所以這里就可以得到一種測量觸摸壓力的方案,。
圖2 壓力測量原理圖
具體測量方法如下,，將參考電壓接在Y + 和X -上，分別測量X + 端的電壓得出Z1和Y - 端的電壓得出Z2.則接觸電阻的計(jì)算公式為：
公式中RTOUCH表示接觸電阻,，RX表示X 方向的總電阻,，其與實(shí)際觸摸壓力相關(guān)，XPOS為接觸點(diǎn)處X方向電壓采樣值,，N 為采樣深度,。本項(xiàng)目中只關(guān)心壓力的相對大小，所以無需知道RX的具體值,，這保證了軟件的可移植性,。
2. 2 觸摸屏控制器AD7879 芯片工作原理
AD7879 芯片是專用的四線電阻觸摸屏驅(qū)動芯片，支持1. 6 ~ 3. 6 V 的單電源供電,，其主要的模塊有電壓切換和通道選擇電路,，內(nèi)部2. 5 V 參考電壓，12位逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，數(shù)據(jù)預(yù)處理模塊,，串行數(shù)字接口和數(shù)字控制邏輯。AD7879 芯片的電壓切換和通道選擇電路,，可以方便的切換觸摸屏上的參考電壓接入端和ADC 采樣端,，得到需要的X、Y 及Z1、Z2的值,。為了降低來自LCD 噪聲以及其他噪聲源的影響，AD7879 還內(nèi)置預(yù)處理模塊,，預(yù)處理功能包括中值濾波器及均值濾波器,。AD7879 與單片機(jī)的接口為標(biāo)準(zhǔn)SPI 串行接口或I2C 接口（ 與具體型號有關(guān)）。芯片還有一個中斷使能端口,，當(dāng)觸摸屏上有壓力時,，中斷使能端立即產(chǎn)生一個中斷信號到MCU，開始采集坐標(biāo),。
2. 3 AD7879 與單片機(jī)接口
AD7879 芯片的外部接口電路相當(dāng)簡單,，只需要簡單的接入觸摸屏和電源即可工作，再將AD7879 的串行接口（ SPI 或I2C） 與MCU 相連,，如圖3所示,，可以獲得位置坐標(biāo)以及壓力信息。
圖3 AD7879 典型接口電路
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3. 1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)
下位機(jī)為80C51 的單片機(jī),，主要控制AD7879 芯片采集觸摸屏上的字形和壓力信息,，并把坐標(biāo)和壓力信息發(fā)送給上位機(jī)程序。如圖4 所示下位機(jī)程序流程圖,，首先由單片機(jī)對AD7879 的芯片初始化,，然后等待外部中斷觸發(fā)，中斷觸發(fā)后開啟中斷定時器,，并發(fā)送開始碼告知上位機(jī)程序書寫開始,，之后進(jìn)入循環(huán)等待定時器中斷。進(jìn)入定時器中斷后立即讀取觸摸屏上的書寫位置和壓力,，并發(fā)送給上位機(jī)程序,，當(dāng)觸摸屏上無壓力時認(rèn)為書寫完成，然后關(guān)閉定時器,，發(fā)送結(jié)束符并退出外部中斷,。使用定時器中斷保證了每兩次采樣的時間間隔是一樣的。
圖4 下位機(jī)程序流程圖
3. 2 上位機(jī)程序
上位機(jī)程序是使用LabVIEW 編寫的程序,。
LabVIEW是美國國家儀器公司推出的圖形化的編程平臺,，引入了虛擬儀器的概念，以框圖的形式編寫代碼,，高度的模塊化和智能化為軟件設(shè)計(jì)提供了便利,。
為簡化開發(fā)，本系統(tǒng)使用LabVIEW 進(jìn)行界面開發(fā)以及算法處理,。
本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證功能主要包含兩個環(huán)節(jié),，第一步是創(chuàng)建簽名，即將允許進(jìn)入系統(tǒng)的用戶書寫特征記錄到系統(tǒng)中； 第二步是驗(yàn)證簽名,，即驗(yàn)證輸入的簽名的用戶是否有進(jìn)入系統(tǒng)的權(quán)限,，系統(tǒng)框圖如圖5所示。
圖5 上位機(jī)程序流程圖
系統(tǒng)首先進(jìn)行初始化,，用戶選擇“創(chuàng)建簽名”,，然后開始在觸摸屏上書寫簽名。系統(tǒng)接收下位機(jī)傳送的數(shù)據(jù),，先進(jìn)行存儲,，收到的數(shù)據(jù)從起始碼到結(jié)束碼之間是有效的。因?yàn)锳D7879 內(nèi)部為12 位ADC,，且每個采樣點(diǎn)需要采集四次數(shù)據(jù)（ X,、Y、Z1,、Z2） ,，所以每個采樣點(diǎn)對應(yīng)8 Byte 的信息。上位機(jī)程序可以順次讀出所有有效點(diǎn),，循環(huán)讀取各個采樣點(diǎn),，并逐點(diǎn)描繪在空白圖片上，就可以得到書寫的字形顯示圖片,。為形象表現(xiàn)顯示效果,，設(shè)計(jì)中把壓力特征映射成了像素點(diǎn)的顏色信息，深顏色表示壓力大,，淺顏色表示壓力小,。
創(chuàng)建簽名之后可以進(jìn)行驗(yàn)證簽名，用戶選擇驗(yàn)證簽名,，并開始在觸摸屏上書寫,，之后數(shù)據(jù)采集和處理的過程與創(chuàng)建簽名的方法相同，得到圖片B.然后,，將輸入的簽名與初始創(chuàng)建的簽名進(jìn)行對比,，對比的過程如下。
?。?1） 消除誤差點(diǎn),。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，觸摸屏采集到的數(shù)據(jù)中,，有些采樣點(diǎn)是由系統(tǒng)隨機(jī)誤差造成的,，其在屏幕上顯示為一些雜散的孤點(diǎn)，在驗(yàn)證之前需要消除這些誤差點(diǎn),。
?。?2） 對正,，對齊字形。首先將書寫的字跡比劃對應(yīng)起來,，這主要是尋找書寫筆跡中的特征點(diǎn),，包括提筆點(diǎn)、落筆點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn),，并形成特征標(biāo)記,。
（ 3） 分割字符,。根據(jù)上一步所做的標(biāo)記，以特征點(diǎn)為間隔,，把字跡分為若干段,，將之與創(chuàng)建的原始簽名數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。如果段數(shù)不同,，則驗(yàn)證失敗,，發(fā)送重新驗(yàn)證提示。否則,，進(jìn)行下一步對比,。
（ 4） 壓力對比,。求出每個特征點(diǎn)附近的平均壓力之差,。每個轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的曲率之和以及每段采樣點(diǎn)序列的均方差，若這些結(jié)果均沒有超過設(shè)定的閾值,，則認(rèn)證通過,，否則認(rèn)證失敗。這些閾值都是通過實(shí)驗(yàn)中反復(fù)對比得到,。這個閾值也可以根據(jù)用戶需求設(shè)定,。用戶所需的安全等級越高，那么設(shè)定的閾值就越高,。
4 結(jié)果與討論
通過本系統(tǒng)的硬件平臺,，采集了書寫的壓力信息，可以分析出不同的人書寫的壓力有明顯的區(qū)別,。
如圖6 中是書寫“梅”字的筆勁變化情況,。因?yàn)槊看翁峁P的時候壓力會變得很小，所以在圖中可以看到波形中有11 個尖峰,，對應(yīng)的是書寫的11 次提筆,，可以根據(jù)尖峰把書寫的比劃分割出來。每次書寫時的速度不完全,，所以每一筆的采樣數(shù)也不一樣,，經(jīng)過插值算法將每一筆的采樣數(shù)歸一化到相同，才能在圖像中看到采樣點(diǎn)一一對應(yīng)的效果。
圖6 筆勁變化曲線
圖中灰線為同一個人書寫時采集到的壓力變化,，深灰線和黑線為另外兩個人書寫的壓力變化,，同一個人的書寫壓力變化趨勢和壓力的絕對大小都很接近，能夠與不同人的書寫區(qū)分開來,，說明本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是合理的,。
5 結(jié)束語
本文介紹了一種基于筆勁識別的身份驗(yàn)證系統(tǒng)，重點(diǎn)在于對以往單純以書寫的字形來識別身份的方式的改進(jìn),，在相對成熟的筆跡識別技術(shù)基礎(chǔ)上,，輔以對書寫筆勁的對比，可以更加精確地識別用戶的身份,，而且書寫的筆勁在外觀上是很難察覺的,，故很難被模仿。本系統(tǒng)使用LabVIEW 編寫上位機(jī),，充分簡化了開發(fā)流程,。另外本文中的書寫筆勁的采集是直接基于觸摸屏的，不用外加任何傳感器和特殊的壓力采集設(shè)備,，簡單易行,，只要稍加改裝，此方案可以被廣泛使用在其他以觸摸屏為主的設(shè)備上,。經(jīng)過實(shí)際測試,，本系統(tǒng)對特定用戶的識別率較高，但是存在一定的拒絕認(rèn)證率,。這就需要進(jìn)一步改進(jìn)算法,，以進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率。在實(shí)際應(yīng)用中,，本方法應(yīng)結(jié)合筆跡識別,，提高認(rèn)證的準(zhǔn)確度。