（通信与信息系统专业论文）在线签名预处理及分割方法的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 伴随着计算机信息技术的高速发展，生物特征识别技术也广泛为人们所关 注，当前的几种技术：指纹、声音、虹膜已经在很多场合得到应用。在线手写 签名验证技术作为生物特征识别技术的一种，由于其具有操作容易、不会丢失、 遗忘、泄密、可随时产生等优点，越来越受到人们的重视。 本文首先介绍了生物特征识别技术的优点，并将当前研究和正在使用的几 种技术做了比较，提出了研究课题：在线手写签名验证系统。在对系统认真分 析的基础上，提出了两级认证模式的总体设计方案。在系统的硬件部分，主要 谈到了数据的采集，包括采样原理以及采样设备，并对外部设备与p c 机通信做 了简单介绍。 本文研究的重点有两个方面：原始签名信号的预处理，预处理后信号的分割。 预处理部分主要包括剔除飞点、漏点，去掉零点并保存零点的信息，和对签名进 行归一化处理。在预处理过程中，保存了大量的动态信息，例如总的签名时间、 最大签名速度、平均速度等等，为第一级基于特征值的认证打下了基础。 对于分割方法，尝试了基于断点的分割方法以及小波分割方法，分别分析 了它们的优缺点，并最终采用了基于极值点分割的分割方法。因为分割是和匹 配结合在一起的，所以本文着重介绍了d t w ( 动态时间规整) 匹配算法。之后是 对签名进行的两级认证，即基于特征值的认证和基于函数参量的认证。实验结 果证明，这种认证方法达到了较高的认证率，具有很好的实用价值及应用前景。 关键词：预处理，断点，小波分析，极值点，动态时间规整 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e ri n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , b i o l o g y c h a r a c t e rr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi s g e t t i n gm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n ，s o m e r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g i e ss u c ha sf i n g e r p r i n t 、v o i c e 、i r i sb e i n gu s e di nm a n yo c c a s i o n a so n eo ft h eb i o l o g yc h a r a c t e rr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y ：o n l i n eh a n d w r i t t e ns i g n a t u r e v e r i f i c a t i o n ，i tg e ti n c r e a s i n gr e g a r df o rs o m ev i r t u e s ，f o re x a m p l e ，o p e r a t i o ns i m p l y , d i f f i c u l tt ol o s e 、f o r g e t 、t e l la n ds i g n a t u r e sc a nb eb r i n ga ta n ym o m e n t ， i nt h i sp a p e r , i n t r o d u c et h ev i r t u e so fb i o l o g yc h a r a c t e rr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y f i r s t l y , a n dt a k eac o m p a r e o fc u r r e n tt e c h n o l o g i e sb e i n gu s e da n dr e s e a r c h e d ，e d u c e s u b j e c t ：o n - l i n eh a n d w r i t t e ns i g n a t u r ev e r i f i c a t i o ns y s t e m ；b r i n gf o r w a r dad e s i g n p r o j o c to ft w o - c l a s sv e r i f i c a t i o nm o d eb a s e do nt h es e r i o u sa n a l y s i s d u r i n gt h e h a r d w a r ep a r t ，m e n t i o nd a t aa c q u i s i t i o n , i n c l u d i n gs a m p l i n gm o d ea n de q u i p m e n t ， s i m u l t a n e o u s l y , i n t r o d u c et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ep e r i p h e r a le q u i p m e n ta n d p c t h et h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo ft w oa s p e c t s ：p r e p r o c e s s i n gf o rt h eo r i g i n a l s i g n a t u r es i g n a l ，s e g m e n t a t i o nf o rt h es i g n a t u r es i g n a la f t e rp r e p r o c e s s i n g d u r i n gt h e p r e p r o c e s s i n g ，i tm a i n l yi n c l u d e se l i m i n a t i n gf l y i n g - p o i n t s 、f a l s e z e r o s ，g e t t i n gr i do f e f f e c t i v ez e r o sa n ds a v i n gi n f o r m a t i o no fe f f e c t i v ez e r o s ，n o r m a l i z i n gw a v e - f o r mo f s i g n a t u r e ；d u r i n gt h ep r e p r o c e s s i n g ，m u c hd y n a m i ci n f o r m a t i o ni ss a v e d ，s u c ha st h e w h o l es i g n a t u r et i m e 、m a xs i g n a t u r es p e e d 、a v e r a g es p e e d ，p r e p a r e df o rt h ef i r s t - c l a s s v e r i f i c a t i o n f o rt h es e g m e n t a t i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e ra t t e m p tt h o s em e t h o d sb a s e do n b r o k e n p o i n t sa n dw a v e l e ta n a l y s i s ，a n a l y s e st h e i rv i r t u e sa n ds h o r t c o m i n g s ，a n d p r o p o s e ss e g m e n t a t i o nm e t h o db a s e do n e x c m ev a l u e f i n a l l y b e c a u s et h e s e g m e n t a t i o n i sc o n n e c t e dw i t h m a t c h i n g ，d y n a m i ct i m ew a r p i n gm a t c h i n g a l g o r i t h mi si n t r o d u t e di m p o r t a n t l y a f t e rt h es e g m e n t a t i o n , t h et w o - c l a s sv e r i f i c a t i o n i sd o n ef o rt h es i g n a t u r e n a n 1 e l yt h ev e r i f i c a t i o nm e t h o db a s e do np a r a m e t e rf e a t u r e s a n df u n c t i o nf e a t u r e s t h er e s d to fe x p e r i m e n tp r o v e st h a tt h i sm e t h o do b t a i n sag o o d v e r i f i c a t i o ne f f e c t ，a n dh a sag o o dp r a c t i c a lv a l u ea n da p p l i e df o r e g r o u n d k e yw o r d s ：p r e p r o c e s s i n g ，b r o k e n p o i n t , w a v e l e ta n a l y s i s ，e x t r e m ev a l u e ，d y n a m i c t i m ew a r p i n g i l 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名：龟座塞：日期：! ! ：堑竺 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留、送 交论文的复印件，允许论文被查阅和借闽；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：龟! 玺查! 导师签期：缨垒! 竺 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 生物特征识别技术概述 1 1 1 生物特征识别的定义 生物特征识别技术是依据人的体貌、声音等生物特征进行身份验证的科学 解决方案，现有的生物特征识别技术大致上包括指纹识别技术、掌纹识别技术、 视网膜识别技术、虹膜识别技术、面相识别技术、声音识别技术和笔迹识别技 术等。 传统的身份鉴定方法包括身份标识物品( 如钥匙、证件、a t m 卡等) 和身 份标识知识( 如用户名和密码) ，但由于主要借助体外物，一旦证明身份的标识 物品和标识知识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代。生物识别技术 比传统的身份鉴定方法更具安全、保密和方便性。生物特征识别技术具有不易 遗忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点【l 】。 生物特征识别技术可以被应用在多种不同的安全领域：证件中的身份认证； 楼宇进出的安全控制；重要场所中的安全检测和监控；智能卡中的身份认证。 另外，生物特征技术在信息安全领域( 计算机的登录控制、应用程序安全使用、 数据库安全访问和文件加密、实现局域网和广域网的安全控制、保护电子商务 的安全性) 也有者巨大的潜在应用价值。 1 1 2 生物识别技术市场概况 指纹识别占据生物技术门类的主导地位，掌形识别现在也相当成熟，居于 第二位，其中指纹识别占5 2 1 ，掌形识别占3 0 ，虹膜识别占7 ，3 ，声音识 别占4 5 ，笔迹识别占2 4 ，其它占3 7 ，如图卜l 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图卜l 生物识别技术市场概况 在我国，2 0 0 4 年生物识别产品的市场价格比2 0 0 3 年有所下降，平均下降率 约为3 0 ；但与前几年相比，2 0 0 4 年生物识别产品的市场销售量整体呈上升趋 势，整体需求增长率达5 0 。目前，虽然国内生物识别市场需求有所增加，但 产品的应用还主要集中在门禁与考勤领域，根据安全自动化调查的l o 多 家厂商中，有将近1 0 0 的厂商认为生物识别技术在门禁考勤领域的应用已经成 熟，4 3 的厂商认为在信息安全领域也有不错的应用，其次在社会福利与保险、 证照检查、金融方面的应用呈逐年上升的趋势，由此可见，生物识别市场的应 用领域还有待于进一步拓宽。 从技术上看，生物识别技术发展的趋势相当好的，发展的主流是多种识别 技术复合认证，卡与生物识别技术，多种生物级别技术的结合。没有一些不良 记录的人员出入机场的时候不需要排队或者填写表格，只需有一张卡然后识别 他的身份以后就可以用掌形进行检测，这样他整个资料全会被打出来，可靠性 相当高，而且现在广泛地被采用，包括中国也在使用这种机器。以后还要扩大 应用范围，包括与电梯等更多硬件设备联接，应用于更多身份识别领域；应用 于更多商业及民用领域，如房地产等。发展的趋势是信息处理的多模化，关键 数据的标准化技术及资源的共享化。 综合当前各项技术的发展水平、使用成本、市场需求及人们的使用习惯来 看，指纹识别系统同成熟的i c 卡技术相结合将有不可估量的市场发展前景。虽 然国家暂时还未启动采用生物识别技术的大规模身份证、护照及银行卡项目， 但指纹i c 卡识别系统在各个领域的应用规模也日渐明显。目前，中国市场上的 指纹i c 卡主要应用领域包括政府工程的暂住证、社保卡、医疗行业的就诊卡和 献血证，教育领域的准考证、培训卡，商业领域的会员卡以及信息安全等领域。 2 武汉理j 二人学硕士学位论文 生物识别系统最大的买主可能就是政府及军方了，但是也有一些其他的市场， 如银行( 特别是现金处理区) 、高科技工业生产线等。简言之，生物科技保护一 切关乎公司机密的地方。过去公司内部的主要保护环节在研发领域及敏感生产 线这两方面，但9 1 l 袭击事件发生之后，生物特征识别安装位置越来越趋向外 围，其目的在于保护员工的安全，给他们一种安全感。生物技术设备的岁入， 包括法律强制的部分即大型公共设施的应用，从现在起一直到2 0 0 5 年预计会有 持续快速增长。尽管增长部分可能是由计算机网络、电子商务等产生的，但预 料给厂商真正带来实惠的还是大型公共设施的应用部分，图1 2 是美国生物技术 产品1 9 9 9 2 0 0 5 年的增长情况。 图卜2 美国生物技术产品1 9 9 9 2 0 0 5 年增长状况 从长远来看，生物识剐产品将从简单的纯数据采集发展为个人信息的管理 器；设备可以敞开的环境中进行辨识验证，减少人机之间的直接接触。随着产 品成本的不断降低，生物识别技术将越来越多地走近我们的生活，为我们提供 更加方便、安全可靠的应用。 1 1 3 六种生物识别技术的比较 ( 1 1 虹膜识别技术 虹膜是一种在眼睛中瞳孔内的织物状各色环状物，每一个虹膜都包含一个 独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹 等特征的结构，据称，没有任何两个虹膜是一样的。 虹膜技术的优点：便于用户使用；可能会是最可靠的生物识别技术：无需物 理的接触； 虹膜技术的缺点：一个最为重要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的 武汉理工大学硕士学位论文 虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的 唯一性认证的试验；很难将图像获取设备的尺寸小型化；需要昂贵的摄像头聚 焦，一个这样的摄像头的最低价为7 0 0 0 美元；镜头可能产生图像畸变而使可靠 性降低；黑眼睛极难读取；需要较好光源。 ( 功视网膜识别技术 视网膜也是一种用于生物识别的特征，有人甚至认为视网膜是比虹膜更唯 一的生物特征，视网膜识别技术要求激光照射眼球的背面以获得视网膜特征的 唯一性。 视网膜技术的优点：视网膜是一种极其固定的生物特征，不磨损、不老化、 不受疾病影响；使用者无需和设备直接接触；是一个最难欺骗的系统，因为视 网膜不可见，所以不会被伪造。 视网膜识别的缺点：未经测试；激光照射眼球的背面可能会影响使用者健康， 这需要进一步的研究：对消费者而言，视网膜技术没有吸引力；很难进一步降 低成本。 ( 3 1 面部识别 面部识别技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别，识别技术基 于这些唯一的特征时非常复杂，需要人工智能和机器知识学习系统。用于捕捉 面部图像的两项技术为标准视频和熟成像技术。标准视频技术通过一个标准的 摄像头摄取面部的图像或者一系列图像，捕捉后，记录一些核心点( 例如眼睛、 鼻子和嘴等) 以及它们之间的相对位置，然后形成模板：热成像技术通过分析 由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，与视频摄像头不同，热 成像技术并不需要在较好的光源条件下，因此即使在黑暗情况下也可以使用。 一个算法和一个神经网络系统加上个转化机制就可将一幅指纹图像变成数字 信号，最终产生匹配或不匹配信号。 面部识别的优点；面部识别是非接触的，用户不需要和设备直接的接触； 面部识别的缺点：尽管可以使用桌面的视频摄像，但只有比较高级前摄像头 才可以有效高速的捕捉面部图像；使用者面部的位置与周围的光环境都可能影 响系统的精确性；大部分研究生物识别的人公认面部识另l j 最不准确，也最容易 被欺骗；面部识别技术的改进有赖于提取特征与比对技术的提高，采集图像的 设备比技术昂贵得多；对于因人体面部的如头发，饰物，变老以及其他的变化 需要通过人工智能补偿，机器学习功能必须不断地将以前得到的图像和现在的 4 武汉理工大学硕士学位论文 得到的进行比对：以改进核心数据和弥补微小的差别；很难进步降低成本， 必需以昂贵的费用去卖高质量的设备。 f 签名识别 签名作为身份认证的手段已经用了几百年了，而且我们都很熟悉在银行的 格式表单中签名作为我们身份的标志。将签名数字化是这样一个过程：测量图 像本身以及整个签名的动作在每个字母以及字母之间的不同的速度、顺序 和压力。签名识别和声音识别一样，是一种行为测定学。 签名识别的优点：容易被大众接受，是一种公认的身份识别的技术； 签名识别的缺点：随着经验的增长、性情的变化与生活方式的改变，签名也 会随着而改变；在i n t e r n e t 上使用不便，这主要是基于签名识别网络传输的效率 和安全性的考虑；样本采集困难。 ( 5 ) 声音识别技术 声音识别也是一种行为识别技术，识别设备不断地测量、记录声音的波形 和变化。声音识别基于将现场采集到的声音同登记过的声音模板进行精确的匹 配。 声音识别的优点：声音识别也是一种非接触的识别技术，用户可以很自然地 接受。 声音识别的缺点；作为行为识别技术，声音变化的范围太大，很难精确的匹 配；声音会随着音量、速度和音质的变化( 例如感冒时) 而影响到采集与比对的结 果；很容易用录在磁带上的声音来欺骗声音识别系统；高保真的麦克风很昂贵。 ( 6 ) 指纹识别系统 指纹识别作为识别技术已经有很长的历史了，有着坚实的市场后盾，按照 一般人的看法，指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局部特征，特 征点如脊、谷和终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽取的特征值可以非常的详 尽，可以可靠地确认一个人的身份。 平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七 个特征，我们的十个手指产生最少4 9 0 0 个独立可测量的特征。 两种主要的用来采集指纹图像的技术为光学技术和电容技术。光学技术需 要一个光源从棱镜反射按在一个取像头的手指，光线照亮指纹从而采集到指纹。 采用电容技术的半导体技术，按压到采集头上的手指的脊和谷在手指表皮和芯 片之间产生不同的电容，芯片通过测量空间中的不同的电容场得到完整的指纹。 武汉理工大学硕士学位论文 因为电容技术的芯片昂贵，芯片的大小和手指相当就已价格昂贵，所以几家公 司试图推出比指纹更小的芯片只采集部分的指纹，使用这种采集方式，用户放 置手指的位置必须非常精确而且只使用部分指纹必然没有采集全部指纹可靠。 电容采集头容易受到干扰：6 0 h z 的电缆线的干扰、用户接触时的干扰、指纹采 集器内部的电干扰等。电容采集头的最后一个问题是可靠性，无论是静电干扰， 汗液中的盐分以及手指磨损都会使采集头很难读取指纹。实际上，光学采集提 供更加可靠的解决方案。通过光学取像技术的不断改进，光学指纹采集仪以无 可挑剔的性能与相对非常低的价格使电容方案相形见绌。 指纹识别的优点：指纹是人体独一无二的特征，并且它们的复杂度足以提 供用于鉴别的足够特征；如果要增加可靠性，只需登记更多的指纹、鉴别更多 的手指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的；扫描指纹的速度 很快，使用非常方便；读取指纹时，用户必需将手指与指纹采集头相互接触， 与指纹采集头直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法；指纹采集头可以更 加小型化，并且价格会更加的低廉； 指纹识别的缺点：某些人或某些群体的指纹特征少，难成像；过去因为在 犯罪记录中使用指纹，使褥某些人害怕“将指纹记录在案”。实际上现在的指纹 鉴别技术都可以不存储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的 加密的指纹特征数据：每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹 印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。 1 2 手写签名技术概述 1 2 1 汉字的特点 中国人写字讲究书法，因而有了草书，行书，楷书，隶书等等书法风格。 人们选择了自己青睐的书法风格后，又融入了自己的书写特点，因而小到一个 字的间架结构，大到整篇文章的纵横布局，每个人都有自己的运笔习惯和格式 规划，这样笔下的每一个字都透着灵气，整篇行文自有意境，正如古人所云“字 如其人”。 相对于英文，汉字的结构复杂，可以从几个方面来看，一方面，汉字笔画 很多，以7 千个通用汉字为例，笔画在7 画至1 5 画的多达5 千以上，最多的一 个汉字笔画多达3 6 画。而英文书写则更习惯于连笔；另一方面，汉字的结构单 6 武汉理工大学硕士学位论文 位笔画和部件，在组合成字时不是按照统一的方向排列组合的，而是上下左右 全方位展开，多向行进，具有平面型特点，而且结构单位的组合模式也是多种 多样的，笔画组合有相离、相接、相交几种，部件组合有左右结构、上下结构、 包围结构、框架结构等，而且很多予往往是几种方式的总和，结构就更复杂了。 汉字不像拼音文字那样是按一个方向行进的。再者，英文在笔画的行进过程中 幅度变化较小，没有汉字的那么多的突变，在波形上的显示则是比较平稳。 由于文化背景等的差异，西方国家对于东方文字鉴别闯题研究甚少，因此 相关问题的研究机构主要分布在亚洲，目前在研究成果上比较领先的国家和地 区包括韩国，中国，泰国，日本，新加坡，台湾，香港等。我国具有领先的技 术优势和巨大的市场潜力，这为我们进行笔迹鉴别的研究奠定了坚实的基础， 营造了良好的氛围，我们应充分利用这些优势，尽早开发出自己的笔迹鉴别系 统，从而推进生物识别技术的发展。 1 2 2 手写签名的特点及优势 计算机笔迹鉴别分为在线鉴别和离线鉴别两类。离线笔迹鉴别的对象是写 在纸上的字符，通过扫描仪和摄像机转化为计算机能处理的信号：而在线的笔 迹鉴别通过专用的数字板或数字仪实时采集书写信号，它不仅可以采集到笔迹 序列并转化成图像，而且可以记录书写的能力、速度等信息，可为笔迹鉴别提 供更丰富的信息。 目前的笔迹鉴别研究主要包括两类问题，即文本依存和文本独立的笔迹鉴 别问题。文本依存笔迹鉴别问题鉴于对书写文字内容有固定限制，例如本文研 究的在线手写签名：而在文本独立的情况下，则对书写内容不加限制，如图1 - 3 所示。 图卜3 文本独立笔迹样本 与现有的其它身份认证方法相比，签名认证具有相当大的优势。除签名外 武汉理工大学硕士学位论文 口令字、身份证、指纹、视网膜等也是常见的身份表征手段。归纳起来，大约 有三种类型： 本人持有的特征，如口令，身份证，通行证等。这种表征的特点是表征物 与所有人之间的关系是人为的，其认证技术简单易行，但缺点是容易丢失、遗 忘，因而安全性不高。由于这种人为的联系很难具有唯一性，在使用上已经使 用户感到不方便，很多人部有这样的体会，在不同的场合需要出示不同的身份 证或卡片。所以包里一般都有十张左右不同类型的证件或卡片，或者更多。你 也许曾站在银行的柜台前，小心翼翼地输入自己的密码，心里禁不住怀疑是否 记忆正确，和与别的什么号码弄混。面丢了钱包的人，除了金钱上的损失外， 还不得不到所有的证件发放单位报失并重新申请发放。 本人所具有的特征，妇指纹、视网膜。这种表征物的特征是表征人的某种 生理特征，其联系是自然生成的，因而不会丢失、遗忘，并有很好的唯一性， 在某些安全性要求很高的场合已有有关认证技术的应用。从技术角度讲，由于 这些特征稳定性高，容易达到很高的识别率，其主要缺点是要求有专门的采样 设备，成本高。不利于普及应用，不满足网络发展的要求。 由本人行为所产生的特征，如手写签名。它的特点是与所属主体的联系不 是直观的，但其联系是紧密的，并具有很好的唯一性，其主要优点有： ( 1 ) 它对设备的要求不高，因而成本低，适合于普及使用 ( 2 ) 它是动态生成的，所以不易伪造 ( 3 ) 它不会丢失、遗忘、泄密 ( 4 ) 可随时产生 另外，签名是表征个人身份的传统途径之一，人们在支票、合同、收据上 签名表示认可，所以该技术的推广容易被人接受。 其主要缺点是签名本身的不稳定性，事实表明人们的签名在不同的时期和 不同的精神状态下是不一样的1 2 1 ，因而对认证技术提出了较高的要求。 1 2 3 手写签名国内外研究现状 由于发达国家的信息通讯技术起步早、发展快，其普及和使用程度已达到 较高的水平，而且他们的计算机管理与自动化技术亦有相当的普及率和较高的 现代化程度，因而计算机身份认证技术已逐步受到广泛的注意和研究。 手写签名的研究工作可以追溯到二十世纪六十年代。1 9 6 5 年，m a u c e c i 首先 武汉理工大学硕士学位论文 发表了“利用签名进行个人识别的可行性研究报告，提出了利用手写签名作为 个人身份识别标志的可能性。早期的离线识别( o f f - l i n er e c o g n i t i o n ) 【3 ，4 1 ，识 别效果不理想。七十年代末、八十年代初i b m 的h e r b s t 等人引入签名力信息， 虽然使识别效率得到较大提高，但是结构复杂了许多【6 1 ；后来，日本y s t a o 等 人利用动态规划方法提出了最佳时间轴匹配法1 7 1 。 九十年代初日本和田安弘等人建造了签名时手腕运动的非线性筋肉动力学 理论模型，但模型过于复杂，难以用于在线识别；韩国李永镐等人采用探测笔 迹经过点的特征并与样本匹配的方法对英文签名作了研究。 q i 和h u n t g , 9 1 对静态认证技术也作了详细地探讨，他们的特征向量包括全局 和局部的特征值。全局特征值有签名图像的高度和宽度，去除水平间隔后的宽 度、签名倾斜角度；局部特征值包括拐点处笔划构成的角度、弧线的曲率、笔 划交叉点等。对4 5 0 个签名样本的测试结果为f r r 从3 到l1 3 不等，f a r 则从o n1 5 。 l e e 1o 等提出了一个有4 9 个元素组成特征向量，这些特征值包括纸笔接触 时间，x 方向、y 方向速度大于0 的持续时间，速度小于0 的持续时间，笔尖抬 起阶段内速度大于0 的持续时间，归一化后的起笔时间、抬笔次数、达到速度 最大值( 最小值) 的时间，速度过零点数等等。 g u p t a 和j o y c e 1 1 j 提出选取特征值应满足简单易计算，不受平移、旋转、尺 度缩放的影响，有全局性，数量少( 不超过l o 个) 等要求。他们认为手写签名 的动态特征比形状特征更重要。对每一个特征值他们都作了认真的实际分析， 并且对每个特征值都计算f r r 和f a r ，其计算量非常大，不适合实际应用。 n a g e l 和r o s e n f e l d l l 2 1 在1 9 7 7 年对支票上的签名进行了认证研究，他们所采 用的特征包括签名图形在x 、y 方向上的垂直投影、高字符、矮字符的数量等， 他们的研究是基于签名是由已知的字母组合构成的假设之上的。而这种假设并 不具有普遍意义。 l a m 和k a m i n s i 嘲尝试用傅立叶交换的方法进行签名验证他们用l5 个最 高频率分量作为认证特征，仅使用了坐标参数。他们的测试数据只有1 个真实 签名和1 9 个伪造签名，f r r 为0 ，f a r 为2 5 。 在对签名进行点点匹配的研究中，以往方法中的比较有效的有三种：区域 相关计算，动态时间弯曲，树匹配。区域相关计算l l4 ”】是将被测签名和模板签 名先行以某种方式分段，并将相应段咐齐”，计算相应段段问的互相关函数值， 9 武汉理工大学硕士学位论文 以其中的最大值作为相似度的度量。时间轴弯曲是一种非线性互相关技术，它 是从语音识别研究中借用过来的，其机理是计算一个时间弯曲函数u ( t ) ，将均匀 变化的时间轴变成非线性的，从而使信号序列s ( t ) 变成s ( u ( t ) ) ，经除去多余的时 间差异，将签名的相应段之间相互匹配后就可以计算两签名间的相似度。树匹 配方法是利用签名信号曲线中的波峰、波谷构造成一颗树，则签名之间的距离 度量可以将一颗树变成另一颗树所需要的最少转换次数得到。p l a m o n d o n 和 p a r i z c “1 6 ，1 7 j 对这三种方法的性能作了比较，没有一种方法显著地优于其它两 者，尽管区域相关法显示较好的性能和较快的速度，三种方法的出错率都在 3 1 7 之间。 国内在这方面的研究要迟一些，直到9 0 年代才逐步发展起来，中科院自动 化所和吉林大学走在了前面。吉林大学承担的吉林省科技发展计划重点项目手 写签名识别技术的应用产品研制开发，2 0 0 4 年通过吉林省科技厅组织的专家鉴 定。鉴定委员会成员一致认为，该项成果达到了国际先进水平。 朱勇等提出了一种鉴剐笔迹的新方法i l 秘，把手写笔迹作为一种纹理来看待， 将笔迹鉴别的问题转化为纹理识别来处理，使用多通道二维g a b o r 滤波器来提取 这些纹理的特征，并使用加权欧氏距离分类器来完成匹配工作，在实验中取得了 很好的结果。 金涌、柳健提出的将手写签名笔划轨迹视为空间曲线，并采用点点加权匹 配【i9 】对其进行鉴别的方法。强调签名在形状和签名压力的动态特征上都具有相 似性，加权的匹配算法考虑了局部相似性不同的特点，有利于认证指标的改善。 张葵、金先极和裴先登提出的基于函数参量【2 0 】的手写签名比较方法是对两 个待比较的签名进行特殊点匹配，然后利用得到的对应特殊点序列将两签名分 段，接着每一对相应笔段中的点经由点点的映射算法得到最后的匹配映射结果。 许晴，施泽生等则尝试用基于动态时间弯曲距离的最优聚类方法【2 1 1 将真实 签名样本自动地分为多个聚类，以每个聚类中心作为一个模板，再通过基于d t w 的多模板匹配方法，进行模板与待测签名之间的匹配。 栾方军，马驯良，程开东提出一种基于手写签名的数学模型，借鉴动态规 划的思想进行时序匹配【2 2 】。引入加权ho 模的距离计算公式，用以度量输入签名 与样本签名的差异。 虽然国内外在这些年的研究中取得了很大的成就，但是也存在以下阃题： ( 1 ) 手写签名的不稳定性。由于民族、年龄、习惯、时间、文化程度、心理 o 武汉理工大学硕士学位论文 状态以及生理状态的差异，手写签名存在许多变化因素。要想提取其稳定的特 征，包容其不稳定的特点，的确并非易事。 ( 2 ) 样本采集困难。考虑到系统实用性和普遍性的要求，必然要采集大量的 签名样本，实验室中的数据库远远不能达到要求。 ( 3 ) 系统的安全性以及运行效率。目前的实验都是基于局部小数据量的仿 真，并且还没有考虑网络传输1 2 3 的问题，如果得到最终的应用，效率和网络安 全是必须要考虑的问题。 1 2 4 电子签名法的实施 在手写签名验证的研究与发展过程中，电子签名法起了很大的推动作用。 国际上第部电子签名法制定于1 9 9 5 年，由美国的犹他州制定。此后，有关电 子商务的法律开始在各个国家陆续制定。如新加坡于1 9 9 8 年颁布了电子商务 法，该法主要涉及电子商务的三个核心问题，其中之一即是“电子签名”，其内 容占据了大量篇幅，是该法的核心内容。日本政府于2 0 0 0 年6 月颁布了数字 化日本之发端行动纲领，该纲领重申了电子签名认证系统对发展电子商务 的重要意义，并分析了几类具体认证系统及日本应采取的态度，行动纲领建议 立法要点有明确“电子签名”的法律地位，保障“电子签名”所使用技术的中立性 等。1 9 9 6 年联合国国际贸易法委员会推出的电子商务示范法，其中第7 条对 “签字”问题做了具体规定。此外，俄罗斯和欧盟及我国的台湾地区也都制定了相 关的法律。截至目前，世界上已有6 0 多个国家和地区制定了相关的法律法规。 世界各国和地区对电子签名方面的立法对规范电子签名活动，保障电子安全交 易，维护电子交易各方的合法权益，促进电子商务的健康发展起到了重要作用。 与国外相关法律相比，我国电子签名法的实施要晚一些，直到2 0 0 5 年4 月 1 日才正式实施。这一天对我国信息化的发展来说，意味着个新时代的开始， 该法案实施后，电子签名将与传统的手写签名和盖章具有同等的法律效力。这 一法律，将大大促进和规范我国电子交易的发展。我国的电子签名法共性 特点主要体现在三个方面。一是电子签名技术问题复杂，但法律问题相对简单。 与传统商务相比，电子商务本身也是商务，只是载体发生了变化，因此在制定 电子签名法时着重进行了技术方面的规定，而在法律方面大多数只要采用 功能等同于传统法律即可，因此文中有关法律描写的章节较少。这一点与国际 上相关的法律十分吻合，国际上许多国家的相关立法在法律方面的篇幅也都很 武汉理工大学硕士学位论文 少。二是具有很强的国际统趋势。电子商务最大的优势就是可以利用全球的 网络进行网上交易，这就要求电子签名法必须具有国际性。在联合国的努 力下，目前很多国家有关数据电文和电子签名的规定大体一致。我国电子签 名法的基本规定与联合国的电子商务示范法也基本一致。三是采取了“技 术中立”的立法原则。法律只是规定了作为安全可靠的电子签名所应达到的标准， 对于采用何种技术手段法律不做规定，因为信息技术发展日新月异，如果法律 过多局限于某项技术，随着技术的变化就可能失效。 随着计算机技术和网络技术的发展与普及，笔迹鉴别技术的应用领域更为 宽广，突破了原有的应用范畴，比如，计算机登录、信息网入网、信用卡鉴定、 电子商务等。从身份识别的角度看，笔迹是一种稳定的行为特征，笔迹的获取 具有非侵犯( 或非接触) 性，易为人所接受。 1 3 本文的主要工作与论文组织情况 1 3 1 主要工作 本文提出了在线手写签名验证的原型系统的一种总体设计方案，对数据采 集的设备与方式作了确定。并对数据采集、预处理、分割、特征提取、匹配判 决等各部分分别进行了阐述。分析并实验了几种预处理方法，研究了签名特征的 选择与提取方法。 文章侧重于签名信号的预处理与分割方法的研究。对签名过程出现的一些 问题：飞点、漏点、位置偏移、长度不同等情况做了详细的分析与处理。另外， 对预处理后的波形进行多种分割方法的研究，力求找到最稳定的分割方法。因 为分割是跟匹配结合在一起的，所以，在分割的同时也进行了匹配方法的研究。 实验表明取得了预期的效果，为以后的推广创造了良好的实用价值。 1 3 2 论文组织情况 全文分为六章，结构安排如下： 第一章介绍了生物识别技术的发展现状，对各种生物识别方法进行了比较， 然后概述了手写签名验证技术的特点、应用领域及最新研究进展，并说明本文 的主要工作。 第二章主要介绍整个签名系统的框架，提出了在线手写签名验证系统的一 武汉理工大学硕士学位论文 种总体设计方案，分析了预处理及分割在整个系统中的位置及其作用，并对系 统的数据采集与传输部分做了简单介绍。 第三章着重介绍凡神预处理方法，剔除漏点、飞点。去掉零点并保存零点 信息和对签名归一化处理。 第四章重点分析、研究了三种分割方法，在小波分割之前简单介绍了小波 理论；通过实验结果比较几种分割方法的优缺点，找出最稳定的分割方法。 第五章是基于特征值比较和基于曲线段匹配的两级认证结构。第一级基于 特征值的认证方法主要以在预处理、分割中得到的一些动态特征作为特征值， 构成特征向量做比较，适合于粗尺度的匹配；第二级基于曲线段的认证，是利 用极值点对签名波形进行分割以后的段段匹配。 第六章总结了本文所做的工作和不足之处，提出进步研究需要解决的问 题和以后的发展方向。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章在线手写签名验证系统设计 2 1 手写签名识别系统流程 概括起来，签名认证系统一般包括五个组成部分：数据采样，预处理，特 征提取，特征比较，特征判定并输出结果：另外，怎样构成一个签名模板或模 板集也是认证技术研究中的一个重要方面。在对原型系统认真分析的基础上， 提出了两级认证的认证模式，图2 - 1 是本系统的流程图。 测 认证流程 模板注册 图2 - 1 本系统结构流程图 4 名 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 数据采集与传输 2 2 1 采样原理 本文的数据采样原理是将签名过程看成是一个连续不问断的动作，即采样 从起笔到签名运动完成之间所有笔尖运动的位置信息，包括了笔抬起阶段的笔 尖位置信息。这种采样方案是基于笔抬起阶段和行笔阶段的运动轨迹及运动状 态是同样稳定的这一假设基础上的。由于在正常情况下，自如流畅的签名是一 种无反馈的“抛物式”运动，因而在整个签名过程中，无论笔尖与纸面是否相互接 触，其运动轨迹及运动状态却保持相当程度的稳定性。因为书写过程并不依靠 反馈信息( 或依靠的反馈信息量小) ，所以，可见的笔划段并没有理由比不可见 的部分有更高的稳定性，只有在书写过程中受一定干扰如注意力分散、想改变 一下姿势、紧张等因素的影响下，使签名并非一气呵成，中间有犹豫或变化时， 不可见的轨迹部分才会有变化。所以采用这种采样原理。就要求签名者在书写 自己的签名时要流畅自如，尽量避免签名中间的间断或犹豫。另外，流畅的书 写运动也将使签名伪造者更加难以动态地模仿其签名。因为他必须既伪造一个 看上去相似的签名图形，又不得不同时像被模仿者本人一样很流畅的书写【2 4 】。 在本文中即采用了这后一种采样原理，这种采样原理得到的签名数据是一个在 时间上连续的坐标曲线。 2 2 2 采样设备及特点 签名数据采集设备的种类有很多，一般是根据不同的参数采集要求，采用 不同的传感器，例如在笔尖装置压力传感嚣、速度及加速度传感器以采集相应 参数的数据。在笔杆上装置应变传感器以采集笔杆所受的弯曲力等等。 在本文的数据采集部分，采用了深圳显能公司生产的带触摸屏的黑自液晶 屏s g 3 2 0 2 4 0 1 6 ，分辨率为3 2 0 2 4 0 ，采样间隔是5 m s 。当单片机接收到笔迹的 x 、y 坐标后，根据对触点坐标的分析，触点测量值转换为液晶屏上对应象素坐 标按照下面公式标定。 爿；。竺兰业3 2 0 ( 2 1 ) x 一x m i h f ：! ：! 删2 4 0 ( 2 2 ) 。 y h “一y q 式中，( x ，y ) 为触点坐标值，( 以御，k ) 和( z 。，) 分别为 武汉理工大学硕士学位论文 触摸屏上最大、最小坐标点测量值，( 墨，k ) 为触点在液晶屏的象素点坐标。 经过处理的象素点坐标送给液晶控制器s e d l 3 3 5 ，使签名者的笔迹在液晶显示 屏上能够即时地显示出来。图2 - 2 是本系统的数据采集原理图。 2 2 3 u s b 通信 图2 - 2 数据采集原理图 在对原有系统串口通信改进的基础上，本系统使用了基于u s b 通信的方式。 通用串行总线( u s b ，u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种快速、双向并且可以进行热 拔插的新型串行接口技术，支持各种外设与p c 之间的连接。 p d i u s b d l 2 是p h i l i p s 公司推出的一种价格便宜、功能完善的并行接1 3 芯片， 它基于u s b l 1 协议，支持多路复用、非多路复用和d m a 并行传输。片内集成 了高性能u s b 接口器件、s i e 、f i f o 存储器、收发器以及电压调整器等。它需 要外接m c u 来进行协议处理和数据交换，它对m c u 没有特殊要求，而且接口 方便灵活。 本系统采用a t 8 9 s 5 2 来控制p d i u s b d l 2 ，接口工作在非多路复用状态， a t 8 9 s 5 2 与p d i u s b d l 2 的数据交换采用中断方式进行，a t 8 9 $ 5 2 在中断中来 完成与p c 机的通信( 即将采集到的多维信息传送给p c 机) 和u s b 协议的处理， 该协议的处理包括描述符请求、地址设置、端点配置等。 2 2 4p c 机应用程序 系统使用的是v c + + 编写系统的上位枫赛面程序。由于直接使用了厂家所提 供的驱动程序，因此在编写应用程序时，只需直接调用厂家提供的驱动程序库 e a s y d l 2 即可完成对u s b 的设备识别和数据读写。 武汉理工大学硕士学位论文 e a s y d l 2 d l l 动态链接库集成了对d 1 2 的主要软件操作( 不含d m a ) ，不 必了解复杂的u s b 协议也可快速完成对u s b 的p c 端应用程序的开发。图2 - 3 是p c 机应用程序界面。 图2 3p c 机应用程序界面 图2 - 4 是“王俊杰”签名对应的x 、y 和压力波形。 图2 - 4 “王俊杰”签名对应的x 、y 和压力波形 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 技术指标 手写签名认证技