基于筆勁識別的身份驗證系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　在當今信息社會，個人隱私、商業(yè)機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。然而，現(xiàn)今的一些身份認證方案很難盡善盡美，即使是被認為不可復制的虹膜和指紋識別，在犯罪分子獲取當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證身份的方式---基于書寫筆勁識別的驗證系統(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)相當成熟的圖像識別算法進行處理。本系統(tǒng)結(jié)合筆跡識別技術與書寫勁道的認證，提高了身份認證的準確性。本系統(tǒng)使用嵌入式平臺基本實現(xiàn)了基于書寫筆勁的身份認證，便于移植，在移動設備逐漸流行而個人隱私日益關注的今天，這種方案很可能會被廣泛采用。

　　1 系統(tǒng)總體方案設計

　　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，然后由LabVIEW 實現(xiàn)軟件開發(fā)，進行筆勁信息數(shù)據(jù)庫的建立，且最終通過匹配比對算法完成用戶的認證。

　　本系統(tǒng)的目標和實現(xiàn)的功能是： 建立一個擁有高度安全性、難以冒充復制的、能廣泛應用于各種身份認證的簽名系統(tǒng)。它在整體上采用模塊化設計如圖1所示，通過AD7879 芯片、單片機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算機的數(shù)據(jù)通信，將筆勁信息數(shù)據(jù)交與上位機； 上位機利用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)硬件設計

　　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，其與實際觸摸壓力相關，XPOS為接觸點處X方向電壓采樣值，N 為采樣深度。本項目中只關心壓力的相對大小，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)置預處理模塊，預處理功能包括中值濾波器及均值濾波器。AD7879 與單片機的接口為標準SPI 串行接口或I2C 接口（ 與具體型號有關）。芯片還有一個中斷使能端口，當觸摸屏上有壓力時，中斷使能端立即產(chǎn)生一個中斷信號到MCU，開始采集坐標。

　　2. 3 AD7879 與單片機接口

　　AD7879 芯片的外部接口電路相當簡單，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，可以獲得位置坐標以及壓力信息。

　　圖3 AD7879 典型接口電路

　　3 系統(tǒng)軟件設計

　　3. 1 下位機軟件設計

　　下位機為80C51 的單片機，主要控制AD7879 芯片采集觸摸屏上的字形和壓力信息，并把坐標和壓力信息發(fā)送給上位機程序。如圖4 所示下位機程序流程圖，首先由單片機對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程序書寫開始，之后進入循環(huán)等待定時器中斷。進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)送給上位機程序，當觸摸屏上無壓力時認為書寫完成，然后關閉定時器，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。