基于笔劲识别的身份验证系统设计与实现

　在当今信息社会，个人隐私、商业机密和国家安全等越来越受到人们的重视，信息既需要能被方便的读取，又需要得到可靠地保护。然而，现今的一些身份认证方案很难尽善尽美，即使是被认为不可复制的虹膜和指纹识别，在犯罪分子获取当事人的眼球或手指等身体器官的极端情况下也会被冒充。由于成年人的书写习惯包括书写的字形、速度、力度和角度等，在较长一段时间内是固定不变的，长期以来都以签名的字形作为认证身份的依据。特别是汉字，由于其特征较为明显，经常被用来作为身份鉴定。但字形是直观的形态，比较容易被模仿，相比之下书写的劲道难以察觉，几乎是不可复制和模仿的。而电阻触摸屏由于其自身的构造，可以使用专用触摸屏控制芯片采集笔迹及笔劲信息，故本文提出一种新的认证身份的方式---基于书写笔劲识别的验证系统。

　　另外，可以将笔劲转化为第三维度的信息，使用现在已经相当成熟的图像识别算法进行处理。本系统结合笔迹识别技术与书写劲道的认证，提高了身份认证的准确性。本系统使用嵌入式平台基本实现了基于书写笔劲的身份认证，便于移植，在移动设备逐渐流行而个人隐私日益关注的今天，这种方案很可能会被广泛采用。

　　1 系统总体方案设计

　　本系统通过信号采集模块完成采集用户签名的笔迹、笔劲信息的任务，然后由LabVIEW 实现软件开发，进行笔劲信息数据库的建立，且最终通过匹配比对算法完成用户的认证。

　　本系统的目标和实现的功能是： 建立一个拥有高度安全性、难以冒充复制的、能广泛应用于各种身份认证的签名系统。它在整体上采用模块化设计如图1所示，通过AD7879 芯片、单片机和触摸屏共同完成笔劲数据信息采集，再通过串口完成与计算机的数据通信，将笔劲信息数据交与上位机； 上位机利用LabVIEW构建出友好的用户界面，然后程序主体将所得的数据转换，经过加密存储后，按照一定的规律显示在屏幕上，同时，后台将完成提取特征值，与现有数据进行匹配，并将结果通过对话框的形式显示给用户。

　　图1 系统框架图

　　2 系统硬件设计

　　2. 1 压力测量原理

　　通过分析电阻式触摸屏的结构可以知道，在按下触摸屏的时候，两层的金属膜之间肯定会有接触电阻，如图2 所示，而触摸电阻值越大，则表示触摸压力越小，所以这里就可以得到一种测量触摸压力的方案。

　　图2 压力测量原理图

　　具体测量方法如下，将参考电压接在Y + 和X -上，分别测量X + 端的电压得出Z1和Y - 端的电压得出Z2.则接触电阻的计算公式为：

　　公式中RTOUCH表示接触电阻，RX表示X 方向的总电阻，其与实际触摸压力相关，XPOS为接触点处X方向电压采样值，N 为采样深度。本项目中只关心压力的相对大小，所以无需知道RX的具体值，这保证了软件的可移植性。

　　2. 2 触摸屏控制器AD7879 芯片工作原理

　　AD7879 芯片是专用的四线电阻触摸屏驱动芯片，支持1. 6 ~ 3. 6 V 的单电源供电，其主要的模块有电压切换和通道选择电路，内部2. 5 V 参考电压，12位逐次逼近型模数转换器，数据预处理模块，串行数字接口和数字控制逻辑。AD7879 芯片的电压切换和通道选择电路，可以方便的切换触摸屏上的参考电压接入端和ADC 采样端，得到需要的X、Y 及Z1、Z2的值。为了降低来自LCD 噪声以及其他噪声源的影响，AD7879 还内置预处理模块，预处理功能包括中值滤波器及均值滤波器。AD7879 与单片机的接口为标准SPI 串行接口或I2C 接口（ 与具体型号有关）。芯片还有一个中断使能端口，当触摸屏上有压力时，中断使能端立即产生一个中断信号到MCU，开始采集坐标。

　　2. 3 AD7879 与单片机接口

　　AD7879 芯片的外部接口电路相当简单，只需要简单的接入触摸屏和电源即可工作，再将AD7879 的串行接口（ SPI 或I2C） 与MCU 相连，如图3所示，可以获得位置坐标以及压力信息。

　　图3 AD7879 典型接口电路

　　3 系统软件设计

　　3. 1 下位机软件设计

　　下位机为80C51 的单片机，主要控制AD7879 芯片采集触摸屏上的字形和压力信息，并把坐标和压力信息发送给上位机程序。如图4 所示下位机程序流程图，首先由单片机对AD7879 的芯片初始化，然后等待外部中断触发，中断触发后开启中断定时器，并发送开始码告知上位机程序书写开始，之后进入循环等待定时器中断。进入定时器中断后立即读取触摸屏上的书写位置和压力，并发送给上位机程序，当触摸屏上无压力时认为书写完成，然后关闭定时器，发送结束符并退出外部中断。使用定时器中断保证了每两次采样的时间间隔是一样的。