基于A(yíng)RM的文本獨立筆跡鑒別系統設計

筆跡，是具有個(gè)人特征的書(shū)寫(xiě)文字符號的形象系統，與個(gè)人書(shū)寫(xiě)習慣有密切聯(lián)系。利用計算機進(jìn)行個(gè)人筆跡鑒別，是模式識別的分支問(wèn)題，是通過(guò)分析比較不同人筆跡的書(shū)寫(xiě)風(fēng)格來(lái)判斷書(shū)寫(xiě)者身份的一種技術(shù)方法。文本獨立(Text—independent)是指進(jìn)行鑒別時(shí)，對書(shū)寫(xiě)者書(shū)寫(xiě)的內容沒(méi)有特殊要求，具有樣本依存性小、信息采集方便等特點(diǎn)，具有廣泛的應用前景。通過(guò)對筆跡分析做出身份判斷，在計算機登錄、電子商務(wù)、金融安全、文物監測、信息安全等方面具有重要應用。國內外對基于PC平臺的筆跡鑒別系統算法進(jìn)行了細致研究，師寶山等人解決了紙質(zhì)筆跡信息的預處理問(wèn)題，張德賢等人提出了筆跡信息的特征提取算法，劉海等人提出了基于輪廓方向特征提取的筆跡鑒別方法，劉愛(ài)真提出了利用希爾伯特-黃變換(HHT)方法對脫機手寫(xiě)體漢字特征進(jìn)行提取，楊彩霞提出了基于Gabor變換和最鄰近分類(lèi)器的筆跡鑒別方法，劉宏等人提出了基于紋理分析優(yōu)化Gabor變換和支持向量機(Support Vector Machines，SVM)的筆跡鑒別方法。這些方法的鑒別性較好，可實(shí)現性強，但都局限在PC系統層面，筆跡的采集方式復雜，不能實(shí)現實(shí)時(shí)的筆跡鑒別系統。本文提出了一種基于嵌入式系統的實(shí)時(shí)筆跡鑒別系統，該系統主要針對離線(xiàn)的文本獨立筆跡進(jìn)行嵌入式鑒別研究，使用ARM終端實(shí)時(shí)采集筆跡信息，使用Gabor濾波器提取筆跡樣本的紋理特征，使用支持向量機(SVM)訓練和識別筆跡信息的特征。

1 筆跡鑒別系統總體設計

基于A(yíng)RM的文本獨立筆跡鑒別系統主要由3個(gè)模塊部分組成，包括筆跡采集端、數據傳輸部分、上位機處理部分。系統的總體設計原理如圖1所示。

進(jìn)行筆跡鑒別時(shí)，需要提前將書(shū)寫(xiě)人筆跡數據存入系統數據庫中，以便于后期比對分析。待檢測人需通過(guò)筆跡采集端的手寫(xiě)式觸摸屏實(shí)時(shí)輸入手寫(xiě)筆跡信息。筆跡采集端進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后通過(guò)數據傳輸部分傳送給上位機，上位機接收數據后采取筆跡鑒別算法對實(shí)時(shí)采集的筆跡信息進(jìn)行預處理和歸一化操作。處理后的筆跡數據通過(guò)Gabor濾波器和支持

向量機方法與數據庫數據進(jìn)行比對，從而實(shí)時(shí)顯示書(shū)寫(xiě)者的身份信息。

2 基于A(yíng)RM的筆跡采集端技術(shù)及設計

文本獨立的筆跡鑒別系統的筆跡采集端主要負責筆跡信息的實(shí)時(shí)采集及發(fā)送功能，主要由ARM核心處理器、觸摸屏模塊、書(shū)寫(xiě)信息顯示模塊和數據發(fā)送端口組成。

2.1 筆跡采集模塊

觸摸屏部分是筆跡采集的關(guān)鍵核心，主要由電阻式觸摸屏和觸摸屏控制器組成，負責筆跡信息的實(shí)時(shí)采集。采集的數據信息將被實(shí)時(shí)保存成圖片格式并簡(jiǎn)單處理后發(fā)送。電阻式觸摸屏的基層是玻璃。玻璃上面涂覆有兩層透明氧化金屬(ITO氧化銦)導電層，兩導電層之間有細小的透明隔離點(diǎn)，這些隔離點(diǎn)起到了將兩導電層隔離和絕緣的作用。當書(shū)寫(xiě)者的筆尖或手指按下觸摸屏時(shí)，兩個(gè)導電層就會(huì )相互接觸而形成回路，通過(guò)測量接觸點(diǎn)的電壓值等特定數據就可得到屏幕上的坐標位置。采用電阻式觸摸屏具有價(jià)格低廉、型號齊全、耐筆尖或手指磨損、感應度高、精確性好等特點(diǎn)。

除了通過(guò)觸摸屏實(shí)時(shí)顯示書(shū)寫(xiě)者的筆跡數據外，為了更便于書(shū)寫(xiě)者觀(guān)察書(shū)寫(xiě)，設計了專(zhuān)門(mén)書(shū)寫(xiě)信息顯示模塊顯示筆跡信息。該模塊采用TFT液晶屏和液晶屏控制器組成。液晶顯示屏收到來(lái)自核心處理器的筆跡數據信息后，實(shí)時(shí)地將手寫(xiě)筆跡顯示在屏幕上方，使得書(shū)寫(xiě)者的筆跡輸入更加直觀(guān)。由于電阻式觸摸屏采集到的筆跡信息是當前觸摸點(diǎn)電壓值經(jīng)過(guò)模數轉換后X坐標和Y坐標的數字值，對TFT液晶屏沒(méi)有使用價(jià)值，因而需要通過(guò)坐標轉換將觸摸屏坐標映射到TFT屏幕上。具體轉換過(guò)程可以由核心處理器及驅動(dòng)程序完成。

筆跡采集端的核心處理器選擇三星公司ARM9內核的S3C2440A處理器，它負責整個(gè)筆跡采集端的運行控制，包括負責完成觸摸屏模塊的顯示和手寫(xiě)數據的采集、書(shū)寫(xiě)信息顯示模塊的數據輸出、數據通信模塊的管理控制，還負責包括坐標映射和簡(jiǎn)單筆跡數據處理等功能。

2.2 數據通信模塊

數據通信模塊主要負責筆跡采集端采集的筆跡信息實(shí)時(shí)傳送到上位機端的功能。實(shí)現上位機與筆跡采集端的通信，主要包括有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式。

有線(xiàn)通訊方式即通過(guò)實(shí)體數據線(xiàn)路進(jìn)行連接，包括串口線(xiàn)、USB通信線(xiàn)等方式。其中，USB通信模塊是S3C2440A核心處理器的集成部分。S3C2440A核心內部包括USB控制器和外

圍電路，可以直接實(shí)現通過(guò)USB端口數據線(xiàn)將大量書(shū)寫(xiě)數據實(shí)時(shí)準確傳送給上位機端的功能，具有簡(jiǎn)單實(shí)用的特點(diǎn)。

為增加系統的可用性，實(shí)現相對較遠距離(10 m)的自由終端式筆跡采集模塊，可以采用基于無(wú)線(xiàn)通訊方式進(jìn)行數據傳輸。目前較常用的無(wú)線(xiàn)通訊方式包括藍牙、Wi—Fi、基于nRF24L01工業(yè)模塊等方式。其中，nRF24L01是一款使用2.4 GHz ISM開(kāi)放頻段、采用FSK調制、基于內部自有協(xié)議的無(wú)線(xiàn)通信模塊，本身?yè)碛?26頻道，可以實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)或1對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信功能，通信速度可以達到2 Mbps。采用基于nRF24L01的工業(yè)化通信模塊可以實(shí)現較小體積較遠距離的數據傳輸，且開(kāi)發(fā)方便，可以極大提高筆跡鑒別系統的實(shí)用性。

3 上位機文本獨立筆跡鑒別模塊的設計

文本的筆跡信息包括在線(xiàn)和離線(xiàn)兩類(lèi)。離線(xiàn)信息是指寫(xiě)在紙上的字符，具有采集方便、信息量小的特點(diǎn)。筆跡鑒別方法主要包括文本依存和文本獨立兩種，其中文本依存要求必須使用相同的文字進(jìn)行比對，而文本獨立是依據大量筆跡特征提取，與書(shū)寫(xiě)內容無(wú)關(guān)，應用更廣。本文針對離線(xiàn)的文本獨立筆跡信息進(jìn)行研究，利用多通道Gabor濾波器，作為圖像紋理特征提取分析方法，它被廣泛應用于紋理分析、筆跡鑒別等領(lǐng)域。為了解決訓練樣本不足的問(wèn)題，可以采用支持向量機(SVM)的方法對筆跡特征進(jìn)行訓練和識別。上位機端的算法流程設計如圖2所示。

3.1 筆跡圖像預處理

筆跡圖像的預處理主要包括濾波、二值化、歸一化等。首先將圖像進(jìn)行顏色聚類(lèi)和二值化，以消除背景色的干擾，根據分布特征除去背景和網(wǎng)格線(xiàn)，并將圖像二值化。然后需要進(jìn)行濾波以消除噪點(diǎn)的干擾，常用的圖像濾波方法有：中值濾波、鄰域均值濾波和低通濾波。由于筆跡采集終端采集的圖片質(zhì)量較高，噪聲多為小噪聲的孤立點(diǎn)，因此可以采用鹽和胡椒濾波法去噪。然后將圖像分別沿水平和豎直方向進(jìn)行投影，以壓縮空行和字符間的空白。為便于數據處理，需要按統一的行高對每行字符進(jìn)行歸一化處理，即調整不同字符的大小相同。歸一化處理時(shí)可以根據筆跡圖像的水平直方圖做行的分割，圖像的水平直方圖就是圖像在水平方向上的投影，即每一行像素值直接相加。實(shí)驗中我們采集了20人的筆跡信息，每人兩份，每份的漢字數量、內容、紙張、書(shū)寫(xiě)用筆均沒(méi)有特殊限制。與此同時(shí)，實(shí)驗還采用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)多人手寫(xiě)庫(HIT—MW)中的筆跡圖像作為樣本，共使用40份，由20個(gè)人書(shū)寫(xiě)，每人兩份。對于采集的手寫(xiě)筆跡信息，我們將每個(gè)人的筆跡信息一分為二，一份用于訓練，另一份用于測試，以保證兩組數據完全不同。實(shí)驗采集筆跡圖像預處理效果如圖3所示。