基于筆勁識別的身份驗證系統設計與實(shí)現

　在當今信息社會(huì )，個(gè)人隱私、商業(yè)機密和國家安全等越來(lái)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(huì )被冒充。由于成年人的書(shū)寫(xiě)習慣包括書(shū)寫(xiě)的字形、速度、力度和角度等，在較長(cháng)一段時(shí)間內是固定不變的，長(cháng)期以來(lái)都以簽名的字形作為認證身份的依據。特別是漢字，由于其特征較為明顯，經(jīng)常被用來(lái)作為身份鑒定。但字形是直觀(guān)的形態(tài)，比較容易被模仿，相比之下書(shū)寫(xiě)的勁道難以察覺(jué)，幾乎是不可復制和模仿的。而電阻觸摸屏由于其自身的構造，可以使用專(zhuān)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(shū)寫(xiě)筆勁識別的驗證系統。

　　另外，可以將筆勁轉化為第三維度的信息，使用現在已經(jīng)相當成熟的圖像識別算法進(jìn)行處理。本系統結合筆跡識別技術(shù)與書(shū)寫(xiě)勁道的認證，提高了身份認證的準確性。本系統使用嵌入式平臺基本實(shí)現了基于書(shū)寫(xiě)筆勁的身份認證，便于移植，在移動(dòng)設備逐漸流行而個(gè)人隱私日益關(guān)注的今天，這種方案很可能會(huì )被廣泛采用。

　　1 系統總體方案設計

　　本系統通過(guò)信號采集模塊完成采集用戶(hù)簽名的筆跡、筆勁信息的任務(wù)，然后由LabVIEW 實(shí)現軟件開(kāi)發(fā)，進(jìn)行筆勁信息數據庫的建立，且最終通過(guò)匹配比對算法完成用戶(hù)的認證。

　　本系統的目標和實(shí)現的功能是： 建立一個(gè)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。它在整體上采用模塊化設計如圖1所示，通過(guò)AD7879 芯片、單片機和觸摸屏共同完成筆勁數據信息采集，再通過(guò)串口完成與計算機的數據通信，將筆勁信息數據交與上位機； 上位機利用LabVIEW構建出友好的用戶(hù)界面，然后程序主體將所得的數據轉換，經(jīng)過(guò)加密存儲后，按照一定的規律顯示在屏幕上，同時(shí)，后臺將完成提取特征值，與現有數據進(jìn)行匹配，并將結果通過(guò)對話(huà)框的形式顯示給用戶(hù)。

　　圖1 系統框架圖

　　2 系統硬件設計

　　2. 1 壓力測量原理

　　通過(guò)分析電阻式觸摸屏的結構可以知道，在按下觸摸屏的時(shí)候，兩層的金屬膜之間肯定會(huì )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。本項目中只關(guān)心壓力的相對大小，所以無(wú)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(zhuān)用的四線(xiàn)電阻觸摸屏驅動(dòng)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，內部2. 5 V 參考電壓，12位逐次逼近型模數轉換器，數據預處理模塊，串行數字接口和數字控制邏輯。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(lái)自L(fǎng)CD 噪聲以及其他噪聲源的影響，AD7879 還內置預處理模塊，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(guān)）。芯片還有一個(gè)中斷使能端口，當觸摸屏上有壓力時(shí)，中斷使能端立即產(chǎn)生一個(gè)中斷信號到MCU，開(kāi)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(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)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(kāi)啟中斷定時(shí)器，并發(fā)送開(kāi)始碼告知上位機程序書(shū)寫(xiě)開(kāi)始，之后進(jìn)入循環(huán)等待定時(shí)器中斷。進(jìn)入定時(shí)器中斷后立即讀取觸摸屏上的書(shū)寫(xiě)位置和壓力，并發(fā)送給上位機程序，當觸摸屏上無(wú)壓力時(shí)認為書(shū)寫(xiě)完成，然后關(guān)閉定時(shí)器，發(fā)送結束符并退出外部中斷。使用定時(shí)器中斷保證了每?jì)纱尾蓸拥臅r(shí)間間隔是一樣的。