基于筆勁識別的身份驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

　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

　　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

　　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(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

　　3. 1 下位機(jī)軟件設(shè)計

　　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。