基于筆勁識別的身份驗證系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

　　圖4 下位機程序流程圖

　　3. 2 上位機程序

　　上位機程序是使用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計提供了便利。

　　為簡化開發(fā)，本系統(tǒng)使用LabVIEW 進行界面開發(fā)以及算法處理。

　　本系統(tǒng)實現(xiàn)身份認證功能主要包含兩個環(huán)節(jié)，第一步是創(chuàng)建簽名，即將允許進入系統(tǒng)的用戶書寫特征記錄到系統(tǒng)中； 第二步是驗證簽名，即驗證輸入的簽名的用戶是否有進入系統(tǒng)的權(quán)限，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

　　圖5 上位機程序流程圖

　　系統(tǒng)首先進行初始化，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)接收下位機傳送的數(shù)據(jù)，先進行存儲，收到的數(shù)據(jù)從起始碼到結(jié)束碼之間是有效的。因為AD7879 內(nèi)部為12 位ADC，且每個采樣點需要采集四次數(shù)據(jù)（ X、Y、Z1、Z2） ，所以每個采樣點對應8 Byte 的信息。上位機程序可以順次讀出所有有效點，循環(huán)讀取各個采樣點，并逐點描繪在空白圖片上，就可以得到書寫的字形顯示圖片。為形象表現(xiàn)顯示效果，設計中把壓力特征映射成了像素點的顏色信息，深顏色表示壓力大，淺顏色表示壓力小。

　　創(chuàng)建簽名之后可以進行驗證簽名，用戶選擇驗證簽名，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)建的簽名進行對比，對比的過程如下。

　?。?1） 消除誤差點。實驗發(fā)現(xiàn)，觸摸屏采集到的數(shù)據(jù)中，有些采樣點是由系統(tǒng)隨機誤差造成的，其在屏幕上顯示為一些雜散的孤點，在驗證之前需要消除這些誤差點。

　?。?2） 對正，對齊字形。首先將書寫的字跡比劃對應起來，這主要是尋找書寫筆跡中的特征點，包括提筆點、落筆點和轉(zhuǎn)折點，并形成特征標記。

　?。?3） 分割字符。根據(jù)上一步所做的標記，以特征點為間隔，把字跡分為若干段，將之與創(chuàng)建的原始簽名數(shù)據(jù)進行對比。如果段數(shù)不同，則驗證失敗，發(fā)送重新驗證提示。否則，進行下一步對比。

　　（ 4） 壓力對比。求出每個特征點附近的平均壓力之差。每個轉(zhuǎn)折點處的曲率之和以及每段采樣點序列的均方差，若這些結(jié)果均沒有超過設定的閾值，則認證通過，否則認證失敗。這些閾值都是通過實驗中反復對比得到。這個閾值也可以根據(jù)用戶需求設定。用戶所需的安全等級越高，那么設定的閾值就越高。

　　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。因為每次提筆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一一對應的效果。

　　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)的設計思路是合理的。

　　5 結(jié)束語

　　本文介紹了一種基于筆勁識別的身份驗證系統(tǒng)，重點在于對以往單純以書寫的字形來識別身份的方式的改進，在相對成熟的筆跡識別技術基礎上，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，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備上。經(jīng)過實際測試，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證率。這就需要進一步改進算法，以進一步提高準確率。在實際應用中，本方法應結(jié)合筆跡識別，提高認證的準確度。