（通信与信息系统专业论文）基于能量特征匹配的在线签名验证算法研究.pdf

中文摘要 在线签名识别具有识别精度高、不易遗忘、不易伪造等特点，在安全领域有着 无可比拟的优势，在金融系统、安全系统等领域，都有着广阔的应用前景。 本文提出了在线签名验证的原型系统的一种总体设计方案。典型的在线签名验 证系统包括四个主要的技术环节，分别是：签名信息的数据获取、预处理、特征提 取和特征匹配判决。本文就这四部分分别进行了阐述，并针对其中特征匹配判决这 一环节提出了新的算法。 签名数据在经过预处理之后，基于d a u b e c h i e s 小波的方法对签名波形进行分解， 将西+ 破+ 杰层的重构作为特征曲线，提取其在跳变点的签名能量，并从中抽取若干 个具有较大签名能量的跳变点进行下一步的匹配。 排序匹配是将参考签名与测试签名的跳变点处若干个签名能量值按从大到小排 序，取出签名能量最大的前m 个点作为特征矢量，计算两者之间的匹配值，然后根 据匹配值与阅值之间的关系来验证参考签名与测试签名是否为同一人所签。 动态时间规整算法( d t w ) 基于动态规划的思想，使用递归的方法，用于计算 两个长度不同的模板之间的相似程度，并找到满足两序列距离最小的两序列各点的 对应关系，该算法的目的是在参考签名r 和测试签名t 之间找到一条优化的时间校 准匹配路径。本文采用了一种基于d t w 匹配的在线签名验证算法，以签名能量为特 征，d t w 算法为判别规则，将提取的特征信息与标准签名样本进行一对一的匹配， 验证输入签名人的身份是否属实。 论文侧重签名能量特征匹配方法的研究。排序匹配算法和d t w 算法都能大大减 少了计算量，达到身份认证的目的。在对真实签名数据两类伪造签名数据进行大量 的测试以后，将排序匹配法与d t w 匹配法的实验结果进行比较，得出了d t w 匹配 法较排序匹配法更有利于消除随机伪造的结论。 关键词：在线签名验证，小波分析，能量特征，排序，动态时问规整 a b s t r a c t t h eo n - l i n eh a n d w r i t i n gs i g n a t u r er e c o g n i t i o nh a st h ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s t h e h i g h l yr e c o g n i t i o n a lp r e c i s i o n , n o te a s yt of o r g e t , n o te a s yt 0f o r g e da n ds oo n i th a st h e i n c o m p a r a b l es u p e r i o r i t yi n t h es e c u r i t yd o m a i n t h i st e c h n o l o g yh a st h eb r o a d a p p l i c a t i o np r o s p e c ti nf i n a n c ed o m a i n sa n ds a f e t ys y s t e m a t i c t h i sp a p e r # v e sas u r v e yo fe x i s t i n gs i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n m e t h o d s ，m a i n l y d i s c u s s i n gt h el a t e s tp r o g r e s s at y p i c a lo 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 s h o u l di n c l u d ef o u rm a i nc o n s t i t u e n t s t h e ya r ed a t aa c q u i s i t i o n , p r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r e & x l r a c t i o na n ds e l e c t i o na n dc l a s s i f ya n dd e c i s i o n - m a k i n g c o n c l u d e sk e yf a c t o r so f r e s e a r c hd i f f i c u l t i e sa n dg i v es u g g e s t i o n st of u t u r er e s e a r c h 1 1 帕p a p e rp r o p o s e san e w v e r i f i c a t i o na l g o r i t h mo nc l a s s i f ya n d d e c i s i o n - m a k i n g a f t e rt h ep r e p r o c e s s i n g ，t h es i g n a t u r ei sd e c o m p o s e db yt h ew a yo fd a u b e c h i e s w a v e l e t 。b a s e do nt h ew a v eo fr e c o n s t r u c t i o nw a v eo f 碣+ 吃+ 西，e n e r g yo fs h a r p t r a j e c t o r yc h a n g ep o i n ti nt h es i g n a t u r ew a v ei se x h a c t e d t h e n , s o m ep o i n t sw i t hm o s t d o m i n a n te n e r g i e sa r ec h o s e nf o r t h en e x td e c i s i o n - m a k i n g t h ea r t i c l ep r o c e s s i n gm e t h o dt h a ta l lt h ee n e r g i e sr e f e r e n c ea n dt e s ts i g n a t u r ea r e a r r a n g e di nd e s c e n d i n go r d e r a n dt h ef i r s tm m o s t d o m i n a n te n e r g i e sa c h o s e na sf e a t u r e v e c t o r c a l c u l a t et h em a t c h i n gn u m e r i c a lv a l u ea n dt h e nm r k ed e c i s i o nb a s eo nt h e r e l a t i o n s h i pb c t w o e n t h em a t c h i n gn u m e r i c a lv a l u ea n dt h et h r e s h o l dv a l u e d y n a m i c 陆w a r p i n ga l g o r i t h m ( d t w ) b a s e so nt h ed y n a m i cp l a n n i n 吕啊1 e r e c u r s i v em e t h o di su s e di nt h ec a l c u l a t i n gt h es i m i l a r i t yd e g r e eb e t w e e nt w ot e m p l a t e w i t hd i f f e r e n tl e n g t h a n dt of i n dp o i n t so fc o r r e s p o n d e n c eb e t w e e nt h et w os e q u e n c e s w h e nt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w os e q u e n c e sr e a c h e st h em i n i i u l n t h eg o a lo fd t w a l g o r i t h mi st og e tao p t i m i z e dt m w - a l l i g n m e n tm a t c h i n gp a t hb e t w e e nr e f e r e n c ew a v er a n dt e s tw a v et t h ep 印ap r o p o s e sa no n - l i n e h a n d w r i t i n gs i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n a l g o r i t h mw i t hs i g n a t u r ee n e r g ya sf e a t u r eb a s e do nd t wt h ef e a t u r ei n f o r m a t i o n e x t r a c t e df r o mt h et e s tw a v ew i l lm a t c hw i t ht h ef e a t u r ei n f o r m a t i o ne x 缸a c t 。df t o mt h e r e f e r e n c ew a v e ，t h e nt h ei d e n t i f i c a t i o nr e s u l t si so b t a i n e d t h et h e s i sf o c u s e so nt h es t u d yo fm a t c h i n gm e t h o d so ft h es i g n a t u r es i g n a l b o t h d t w m a t c h i n ga n da r r a n g e dm a t c h i n gc a nm a k ec o m p u t a t i o na m o u n tr e d u c e dg r e a t l y , t h u sa c h i e v e st h eg o a lo fa u t h e n t i c a t i o n a f t e rar e a la m o u n to ft e s t i n gi nt h er e a l s i g n a t u r e sa n dt w ok i n d so ff o r g e ds i g n a t u r e s ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t so fd t wm a t c h i n gi s c o m p a r e dw i t ht h ea r r a n g i n gm a t c h i n g ，a n dt h e i ra d v a n t a g e sa r es u m m e du p d 1 3 v m a t c h i n gd r a w sm o r ec o n d u c i v et ot h ee l i m i n a t i o no f r a n d o mf o r g e r k e yw o r & ：o n q i n es i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n , w a v e l e ta n a l y s i s ，e n e r g yf e a t u r e ，a r r a n g i n g m a t c h i n g ，d y n a m i ct i m ew a r p i n g i 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：镟娩日期：迎：型：! 旦 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阅；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) 始糊牟导臌穆 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1网络安全以及在线签名的研究意义 1 1 1 网络安全的发展现状 自网络技术诞生以来，安全问题就如影随形。 网络安全从本质上来讲，网络安全就是网络上的信息安全，是指网络系统的硬 件、软件及其系统中的数据受到保护，不受偶然的或者恶意的原因而遭到破坏、更 改、泄露，系统连续可靠正常地运行，网络服务不中断。广义来说，凡是涉及到网 络上信息的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性的相关技术和理论都是网络 安全所要研究的领域。 网络安全涉及的内容既有技术方面的问题，也有管理方面的问题，两方面相互 补充，缺一不可。技术方面主要侧重于防范外部非法用户的攻击，管理方面则侧重 于内部人为因素的管理。如何更有效地保护重要的信息数据、提高计算机网络系统 的安全性已经成为所有计算机网络应用必须考虑和必须解决的一个重要问题。 随着计算机技术日新月异的发展，计算机网络已经成为信息时代的重要特征， 被称之为信息高速公路。网络是计算机技术和通信技术的产物，是应社会对信息共 享和信息传递的要求发展起来的，各国都在建设自己的信息高速公路。我国近年来 计算机网络发展的速度也很快，在国防、电信、银行、广播等方面都有广泛的应用。 电子信息产业已经在广阔的领域对人类的社会经济生活产生巨大的影响，并彻底改 变了人们行为和思维的方式，相信在不久的未来，计算机网络一定会得到更大的发 展，全面进入信息时代“】。正因为网络应用的如此广泛，又在生活中扮演很重要的 角色，所以其安全性是不容忽视的，它是网络能否经历考验的关键。 网络安全从其本质上来讲就是网络上的信息安全。从广义来说，凡是涉及到网 络上信息的保密性、完整性、可用性、真实性和可控性的相关技术和理论都是网络 安全的研究领域。它是一门涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技术、信 息安全技术、应用数学、数论、信息论等多种学科的综合性学科。 信息网络涉及到国家的政府、军事、文教等诸多领域。其中存贮、传输和处理 的信息有许多是重要的政府宏观调控决策、商业经济信息、银行资金转帐、股票证 券、能源资源数据、科研数据等重要信息。有很多是敏感信息，甚至是国家机密。 所以难免会吸引来自世界各地的各种人为攻击( 例如信息泄漏、信息窃取、数据篡 改、数据删添、计算机病毒等) 。对安全保密部门来说，他们希望对非法的、有害 武汉理工大学硕士学位论文 的或涉及国家机密的信息进行过滤和防堵，避免机要信息泄露，避免对社会产生危 害，对国家造成巨大损失。 信息安全是国家发展所面临的一个重要问题，网络安全技术在2 1 世纪将成为 信息网络发展的关键技术。 国际上信息安全研究起步较早，力度大，积累多，应用广。在7 0 年代美国的 网络安全技术基础理论研究成果“计算机保密模型”( b e u & l a p a d u l a 模型) 的基 础上，指定了“可信计算机系统安全评估准则”( t c s e c ) ，其后又制定了关于网 络系统数据库方面和系列安全解释，形成了安全信息系统体系结构的准则。安全协 议作为信息安全的重要内容，其形式化方法分析始于8 0 年代初，目前有基于状态 机、模态逻辑和代数工具的三种分析方法，但仍有局限性和漏洞，处于发展的提高 阶段。作为信息安全关键技术密码学，近年来空前活跃，美、欧、亚各洲举行的密 码学和信息安全学术会议频繁。1 9 7 6 年美国学者提出的公开密钥密码体制，克服了 网络信息系统密钥管理的困难，同时解决了数字签名问题，它是当前研究的热点。 而电子商务的安全性已是当前人们普遍关注的焦点，目前正处于研究和发展阶段。 由于计算机运算速度的不断提高，各种密码算法面临着新的密码体制，如量子密码、 d n a 密码、混沌理论等密码新技术正处于探索之中。 我国信息网络安全研究历经了通信保密、数据保护两个阶段，正在进入网络信 息安全研究阶段，现已开发研制出防火墙、安全路由器、安全网关、黑客入侵检测、 系统脆弱性扫描软件等。但我国信息网络安全技术的研究和产品开发仍处于起步阶 段，还有大量的工作需要我们去研究、开发和探索，以走出有中国特色的产学研联 合发展之路，赶上或超过发达国家的水平，以此保证我国信息网络的安全，推动我 国国民经济的高速发展。当人类步入2 l 世纪这一信息社会、网络社会的时候，我 国将建立起一套完整的网络安全体系，特别是从政策上和法律上建立起有中国自己 特色的网络安全体系。 因此，网络安全和信息安全的研究已经是一个刻不容缓并且需要先行的重要课 题，否则将严重制约网络的进一步发展和广泛应用。尤其在我国迫切需要自己的网 络安全软件，以促进我国的商业参与与国际竞争，保障国家政治、经济、国防等要 害部门通信的安全。而识别网络合法用户的个人身份验证，就成了计算机网络安全 的第一道防线。 1 1 2 生物识别技术 生物识别( b i o m e t r i c s ) 又称生物认证，指计算机利用人体固有的生理特征或行 为特征进行身份鉴定的一种技术 2 1 。生物特征是一个人与他人不同的惟一表征，它是 2 武汉理工大学硕士学位论文 可以测量、自动识别和验证的。生物识别系统对生物特征进行取样，提取其惟一的 特征进行数字化处理，转换成数字代码，并进一步将这些代码组成特征模板存于数 据库中。人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中 的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定确认或否认此人。生物识别技术 中基于行为特征的技术主要有以下几种 3 1 ： ( 1 ) 指纹识别技术。每个人的指纹皮肤纹路都是惟一的，并且终身不变，通过将 他的指纹和预先保存在数据库中的指纹采用指纹识别算法进行比对，便可验证他的 真实身份。在身份识别的前提下，可以将纸质公文或数据电文按手印签名或放于i c 卡中签名。这种签名需要大容量数据库支持，适于本地面对面处理，不适宜网上传 输。 ( 2 ) 视网膜识别技术。视网膜识别技术利用激光照射眼球的背面，扫描摄取几百 个视网膜的特征点，经数字化处理后形成记忆模板存储于数据库中，供以后进行比 对验证。视网膜是一种极其稳定的生物特征，作为身份认证是精确度较高的识别技 术。但使用困难，不适用于直接数字签名和网络传输。 ( 3 ) 声音识别技术。声音识别技术是一种行为识别技术，用声音录入设备反复不 断地测量、记录声音波形变化，进行频谱分析，经数字化处理之后做成声音模板加 以存储。使用时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，识别身 份。这种技术精确度较差，使用困难，不适用于直接数字签名和网络传输。 以上身份识别方法适用于面对面场合，不适用远程网络认证及大规模人群认证。 因此，在线签名认证的应用具有巨大的现实意义。 1 1 3 在线签名的研究意义 在以纸质作为传媒的时代，对附在主体内容之后的手写签名的真伪鉴别只能是 离线( o f f - l i n e ) 方法；而在信息以数字化、网络化传递的时代，就必须用在线( o n - l i n e ) 方法。在电子商务活动中，参与交易的各方可能在整个交易过程中自始至终不见面， 传统的签字方式很难应用于这种网上交易。因此，如何使彼此的要约、承诺具有可 信赖性，当债务与合同义务发生不履行时，又如何有效使违约方承担起应负的法律 责任，这就涉及到交易各方的身份确认问题。目前，按照信息发达国家的做法，在 网络上通过电子签名的方式以确定交易方的身份。 2 0 0 5 年4 月1 日，我国正式颁布实施中华人民共和国电子签名法( 以下简 称电子签名法) 。它的出台为我国电子商务发展提供了基本的法律保障，它解 决了电子签名的法律效力这一基本问题，并对电子商务认证机构、电子签名的安全 性、签名人的行为规范、电子交易中的纠纷认定等一系列问题做出了明确的规定。 武汉理工大学硕士学位论文 从法律的角度给予电子签名以传统签名、盖章同等的法律地位，是电子签名得以广 泛应用和发挥功效的前提，也是近十年来国际电子商务立法的核心内容。 电子签名，是指数据电文中以电子形式所含、所附用于识别签名人身份并表明 签名人认可其中内容的数据。手写签名是电子签名的一种特定形式。因为电子签名 虽然获得了技术中立性，但也带来使用的不便，法律上又对电子签名作了进一步规 定，如电子签名法中就规定了“可靠电子签名”和“高级电子签名”。实际上 就是规定了手写签名的功能，这种规定使手写签名获得了更好的应用安全性和可操 作性。 手写签名是一种确保数据完整性和原始性的方法。手写签名可以提供有力的证 据，表明自从数据被签名以来数据尚未发生更改，并且它可以确认对数据签名的人 或实体的身份。手写签名实现了完整性和认可性这两项重要的安全功能，而这是实 施安全电子商务的基本要求。 目前国际上对英文签名的研究是主流方向，对汉字签名验证的研究尚处在改进 阶段。为了跟踪和赶超模式识别和信息处理及其应用领域的国际先进水平，选定与 信息时代密切相关的基于手写签名的个人身份认证技术作为研究对象，一方面，将 丰富模式识别和信息处理模学科的内容，尤其是关于不完全确定对象的机器感知问 题；另一方面，基于生物特征的身份认证技术正是国家高科技发展的重点项目之一， 其研究成果必将大大提高我国信息安全技术的发展水平，促进我国知识经济的发展。 因而，本课题研究的开展，不仅具有特别的理论意义，而且具有实际的应用价值【2 l 。 1 2 在线签名的发展现状 随着计算技术的发展，出现了各种签名验证算法，比较有代表性的有： 1 9 6 5 年，a j m a n c e r i 首先发表了“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。1 l f f a r a g 和y t c h i e n 用链码 方法离线识别手写签名达到7 0 9 0 的正确率。总的说来初期研究工作仅局限于 离线方法，而且识别效果不理想，但其若干研究思想对在线方法仍然有参考价值。 2 0 世纪7 0 年代末开始，研究人员注意到签名的动态特征的重要性。 l a m 和t a m i $ 研究了基于签名信号的f o u r i e r 变换，并对不同的签名采用最高的 1 5 个谐波作为认证特征【5 】【6 】。但是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 ，难以作为较实际的性能评价。该方法表明了从信号 处理的角度研究手写签名的可能性。 l l l e e 等在1 9 9 2 年研究了一个手写签名的在线系统。该项研究设计了4 2 个特 征构成的子集，其中包含了2 9 个动态特征和1 3 个静态特征。l l l e e 通过实验找到 4 武汉理工大学硕士学位论文 了更适合于他的系统的较少的3 4 个特征分量的子集，据称采用较小的特征子集比较 大的更好。该系统有一个包括1 0 5 个数据项的数据库。该数据库由5 6 0 3 个真实签名 和4 7 6 2 个伪造签名样本组成。系统采用的认证方法基本上是统计方法。 d a r w i s h 和a u d a 对前人提出的总共2 1 0 个签名特征参数做了比较研究【4 】，以期 找到一个最好的特征描述子集，最后共有1 2 个特征参数被选中。对9 个签名个体提 供的每个人1 6 个签名，8 个作为样本签名生成模板，8 个作为被测签名。用反向传 播神经网络作为分类器，得到结果f r r 为1 4 ，他们没有对伪造签名进行实验研 究。 2 0 世纪9 0 年代，日本一批学者对手写文字的特点与书写入个性之间的关系很感 兴趣。和田安弘等人研究了手写文字的计算理论模型，把手腕运动视为非线性筋肉 动力学问题，由此推出服从笔迹经过点约束条件的最优化轨迹生成人工神经网络模 型。但是，这种方法的算法过于复杂，并且很难反映个人的签名习惯。 另外还有：m o h a n k r i s h n a n 和p a u l i k 提出了一个基于自回归( a u t o r e g r e s s i v e ) 模 型的签名认证方法 7 1 ；而y a n g 和w i d j a j a 提出了隐马尔可夫模型( h i d d e nm a r k o v m o d e l ) 法 s l 。c o n n e l l 提出了基于特征矢量匹配的方法【9 】，同时指出选取特征值应满 足简单易计算，不受平移、旋转、尺度缩放的影响等要求。最近，n a k a n i s h i 于在线 签名验证中钟了小波分析的方法【l o l ，对签名波形进行了8 级小波分解，利用压力 进行自然分割，但未见其效果报道。 目前国内也已有许多大学和科学家也对在线手写签名验证进行了研究和探讨。 其中比较有代表性的方法是：赵永建，李永勃利用复信号小波变换的优良特性抽取 一些具有旋转、平移及尺度不变形的签名特征进行验证l l l 】。蔡红滨，施泽生，范晓 峰等利用小波变换提取手写签名笔画坐标以及时间曲线拐点进行手写签名认证，具 有分辨尺度可调的优点，提高了认证的普适性【1 2 1 。陈罡等将物理学中的数据场思想 引入签名鉴别中，把签名所形成的四个时序序列( 压力、压力变化率、速度和加速 度) 点作为场中的数据点来看待，形成四类数据场，再从场中提取特征，很有新意。 华中理工大学图像识别与人工智能研究所的金涌与柳健所研究的基于空间曲线弹性 匹配的在线手写签名鉴别【1 孔，论述了将手写签名笔划轨迹视为空间曲线，并采用点一 点加权弹性匹配对其进行鉴别的方法。该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。算法中权重系数根据签名样本的稳定度来确定，加权的匹配算 法考虑了局部相似性不同的特点，有利于验证指标的改善。然而算法只对2 0 名签名 较熟练者的签名进行了验证实验，在实际运用中的性能评价不高，加权后的匹配算 法对f r r ( 误拒率) 和f a r ( 误纳率) 的改善效果不太明显。 同时，国内有很多企业也参与了签名验证技术的研发，但大多数是引进国外签 名验证模块进行系统集成，只有少数企业拥有自己的核心算法，并且产品价格高， 武汉理工大学硕士学位论文 性能不稳定。相比之下，国外企业的签名验证技术从数据采集系统到处理、识别算 法都比较成熟。许多公司都有专门的机构从事该项技术的研发与应用，包括m m 、 c y b e r - s i g n 、美国智通、日本富士通等，其中美国智通公司在此领域的研究独树一 帜。 然而，在整个签名验证系统中仍然存在很多问题。首先是世界范围的技术标准 与模板签名数据库还不能建立。到目前为止，各机构、企业的研究人员都在采用自 己的研究及检测数据库。要想建立一个签名测试的数据库，容纳各个图像、各个年 龄阶段、各种性格习惯、不同教育程度、不同性格及其它各种不同因素的人的签名 是非常困难的。 再者，在采集签名信息时，硬件设备还达不到期望的要求，对一些长期存在的 问题，例如飞笔的处理，效果不是很好。信息采集作为整个验证系统的第一步，如 果不能采集到足够多的信息，或者采集到一些错误信息，势必会影响验证结果。 1 3 在线签名认证技术 目前针对各种特征参数提出的模式匹配方法的研究越来越深入。典型的方法有： 隐马尔可夫模型方法、矢量量化方法、人工神经网络( 触畸n ) 技术、混合型模式识 别技术和动态时间规整( d 删) 方法。 这些方法都有各自的优点和缺点。其中d t w 算法对于较长信号的识别，模板匹 配运算量比较大，但对短信号的识别既简单又有效，而且并不比其他方法识别率低。 1 3 1 隐马尔柯夫模型( 卸、岱压) 技术 m n 4 法与d t w 法不同，首先，其模式库不是预先存贮好的模式样本，而是 通过反复的训练过程，用迭代算法( 如b a u m - - w e l c h 算法等) 形成一套与训练输出 信号吻合概率最大的最佳删模型参数：g - - f ( 霄a ，b ) ，其中“为初始状态概率分布； a 为状态转移概率分布；为某状态下系统输出的概率分布。这些参数均为反映训练 中语音的随机过程的统计特性下的数字参数，不是模式特征参数本身。其次，在识 别过程中，采用基于一种在最佳状态序列基础上的整体约束最佳准则算法一v i t e r b 算法，计算待识别签名波形与h m m 模型参数九之间的似然概率p 丫【y 柚达到最大 值所对应的最佳状态序列作为识别输出。这其中也是一个反映待识别序列与h m 模型参数状态序列最大关联的随机过程的统计过程，因此，h m m 方法可以看成一个 数字上的双重随机过程，这种机制合理地模仿了人类签名活动的随机性，是一种比 较理想的签名识别模型。 6 武汉理工大学硕士学位论文 根据随机函数的不同特点，h m m 模型分为离散h m m ( d m 皿d ) 、连续h m m ( c n 心i ) 和半连续h m _ m ( s c h m m ) 以及基于段长分布的h m m ( d d b h m m ) 等类型。其中：c i - i m m 的识别率虽高，但计算量大，其典型就是b e l ll a b 的语音识 别系统；d h m m 识别率略低些，但计算量最小，s c h m m 的识别率和计算量则居中； 而d d b h m m 是对上述经典h m m 方法的修正，计算量虽大，但识别率最高。 1 3 2 矢量量化( v q ) 技术 矢量量化技术，是一种用一个k 维矢量来表示一个原来用k 个标量表征的波型 帧或参数帧，然后对矢量进行整体量化的方法。在签名识别前，先在多次反复的训 练中采用l b g 算法对大量的k 维矢量进行以最佳邻近准则和最小失真准则的统计划 分，使其从无限的矢量空间聚类划分为m 个有限的区域边界，而每个区域有一个中 心矢量值，即码字，故共有m 个码字，各码字的下标或序号的集合则构成了一本反 映训练时k 维矢量的码书，也称训练矢量集码书。在语音识别时，实质上是一个将 k 维待处理矢量与已有的码书中的m 个区域边界进行比较，找出与该待测输入矢量 距离最小的码字序号来代替其识别结果的过程。 由于码字的序号是矢量量化技术中存贮和传输的主要参数，因此，具有高效 的数据压缩性能和信息保密性能，不足之处是训练过程中的计算方法复杂且计算量 过大。因此，真正应用的是改进后的有限状态矢量量化( f s v q ) 技术和带学习功能 的矢量量化( l v q 2 ) 技术，其中，f s v q 的计算量小，而且利用了状态转移函数； l v q 2 利用其自适应性的学习功能进行码书优化，即在一定条件下，将错误的参考矢 量移到远离输入矢量的地方，而将正确的参考矢量移到离输入矢量更近的地方，从 而提高识别率。 1 3 3 人工神经网络( 触蝌) 技术 a n n 是用于模拟人脑组织结构和思维过程的一个前沿研究领域，基于a n n 的语 音识别系统通常由神经元、训练算法及网络结构等三大要素构成。a n n 采用了并行 处理机制、非线性信息处理机制和信息分布存贮机制等多方面的现代信息技术成果， 因此，具有高速的信息处理能力，并且有着较强的适应和自动调节能力，在训练过 程中能不断调整自身的参数权值和结构拓扑，以适应环境的和系统性能优化的需求， 在模式识别中有着速度快、识别率高等显著特点，近几年来一直是国内外研究的方 向和热点。 目前应用于识别研究的a n n 主要有：基于反向传播( b p ) 算法的多层感知机 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( m l p ) 神经网和基于k o h o n e n 提出的仿生人类大脑皮层信息特征区形成的生理过 程特征照射( s o m ) 神经网等，其识别率已高于传统的h m m 方法。而具有良好的 动态时变性能和结构的时延神经网络( 1 r i ) n n ) 和良好的动态时间关联特性的循环神 经网络( i 心i n ) ，则是目前研究的热点。 1 3 4 混合型模式识别技术 由于汉字的特殊性和复杂性，单一模式识别的识别率往往受到一定的限制。为 了提高识别率，将不同的识别模式结合起来构成混合型模式识别系统是目前研究的 一个方向，其主要应用有：动态时间规整法与隐马尔柯夫模型法混合的d t 一 m 伽 模式、矢量量化法与隐马尔柯夫模型法混合的v q - - h m m 模式、隐马尔柯夫模型法 级联式和多层决策树式的m n d m 佩i 模式。 由于独立的人工神经网普遍存在着时间规整问题和训练过程复杂、识别时间过 长等缺点，因此，如何与传统的方法相结合，形成优势互补的a n n 与d t w 、a n n 与v q 和a n n 与h m m 混合的新型识别技术，以有效解决不断出现等诸多特殊难题， 已成为新的研究方向 1 3 5 动态时间规整技术 d t w 是采用一种最优化的算法动态规整法，通过将待识别签名信号的时间 轴进行不均匀地扭曲和弯曲，使其特征与模板特征对齐，并在两者之间不断的进行 两个矢量距离最小的匹配路径计算，从而获得两个矢量匹配时累积距离最小的规整 函数。这是一个将时间规整和距离测度有机结合在一起的非线性规整技术，保证了 待识别特征与模板特征之间最大的相似特性和最小的时差失真，是成功解决模式匹 配问题最早和最常用的方法。 在计算机算法设计方法中，动态规划技术是比较基本，但又比较抽象，难于理 解的一种。它建立在最优原则的基础上，采用动态规划方法，可以优雅而高效地解 决许多用贪心技术或分治技术无法解决的问题。因此，动态规划技术越来越成为解 决许多重要的应用问题的关键技术。例如，用动态规划解决0 1 背包问题、图像数据 压缩、矩阵连乘、有向图最短路径、无交叉子集、元件折叠以及最长公共子序列等 应用问题。另外，在语音识别领域，应用动态规划技术的动态时间伸缩算法d t w 取 得了很大成功，从而自2 0 世纪6 0 年代末期掀起了动态时间规整识别研究的热潮。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 系统的开发环境 本系统的语言环境是m a t l a b ，就是依靠这个软件编写程序，做出g u i 界面实现签 名验证的各种功能。 m a t l a b 作为美国m a t h w o r k s 公司开发的用于概念设计，算法开发，建模仿真，实 时实现的理想的集成环境。是目前最好的科学计算类软件。 作为和m a t h e m a t i c a 、m a p l e 并列的三大数学软件。其强项就是其强大的矩阵计 算以及仿真能力。m a t l a b 是- - 1 3 计算机编程语言，取名来源于m a t r i xl a b o r a t o r y ，所 以这个软件在国内也被称作矩阵实验室。本意是专门以矩阵的方式来处理计算 机数据，它把数值计算和可视化环境集成到一起，非常直观，而且提供了大量的函 数，使其越来越受到人们的喜爱，工具箱越来越多，应用范围也越来越广泛【2 7 1 。 m a t l a b 提供了自己的编译器：全面兼容c 以及f o r t r a n 两大语言。所以m a 廿a b 是工程师，科研工作者手上最好的语言，最好的工具和环境。m a u 幻将高性能的数 值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，从而被广泛地应用於科学 计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，而且利用m a t l 曲产品 的开放式结构，可以非常容易地对m a f l a b 的功能进行扩充，从而在不断深化对问题 认识的同时，不断完善m a t l a b 产品以提高产品自身的竞争能力。 目前m a t l a b 产品族可以用来进行： 数值分析 数值和符号计算 工程与科学绘图 控制系统的设计与方针 数字图像处理 数字信号处理 通讯系统设计与仿真 财务与金融工程 m a f l a b 是m a l l a b 产品家族的基础，它提供了基本的数学算法，例如矩阵运算、 数值分析算法，m a f l a b 集成了2 d 和3 d 图形功能，以完成相应数值可视化的工作， 并且提供了一种交互式的高级编程语言m 语言，利用m 语言可以通过编写脚本 或者函数文件实现用户自己的算法。 m a t l a bc o m p i l e r 是一种编译工具，它能够将那些利用m a 廿a b 提供的编程语言 m 语言编写的函数文件编译生成为函数库、可执行文件c o m 组件等等。这样 就可以扩展m a f l a b 功能，使m a t l a b 能够同其他高级编程语言例如c ，c + + 语言进行 混合应用，取长补短，以提高程序的运行效率，丰富程序开发的手段。利用m 语言 9 武汉理工大学硕士学位论文 还开发了相应的m a t l a b 专业函数工具箱供用户直接使用。这些工具箱应用的算法是 开放的可扩展的，用户不仅可以查看其中的算法，还可以针对一些算法进行修改， 甚至允许开发自己的算法扩充工具箱的功能。 目前m a t l a b 产品的工具箱有四十多个，分别涵盖了数据获取、控制系统设计与 分析、数字信号处理、数字图像处理、金融财务分析以及生物遗传工程等专业领域。 m a f l a b 除具备卓越的数值计算能力外，还提供了专业水平的符号计算，文字处 理，可视化建模仿真和实时控制等功能。它是一种解释性执行语言，具有强大的计 算、仿真、绘图等功能，而且使用简单，扩充方便，同时因为有丰富的函数库( 工 具箱) 所以计算的功能实现也很简单。m a u a b 和其他高级语言也具有良好的接口， 可以方便的实现与其他语言的混合编程。 m a f l a b 之所以为广大读者所喜爱，是因为它具有其它语言所不具备的特点： ( 1 ) 在m a t l a b 中，以复数矩阵作为基本编程单元，使矩阵操作变得轻而易举。 m a t l a b 中矩阵操作如同其它高级语言中的变量操作一样方便，而且矩阵无需定义即 可采用，可随时改变矩阵的尺寸，这在其它高级语言中是很难实现的。 ( 2 ) m a t l a b 语句书写简单，表达式的书写如同在稿纸中演算一样，与人们的手工 运算相一致，容易为人们所接受。 ( 3 ) m a t l a b 语句功能强大，一条语句往往相当其它高级语言中的几十条、几百条 甚至几千条语句。例如m a u a b 中求解f f t 问题时，仅需几条语句，而当采用c 语言 实现时需要几十条语句，采用汇编语言实现则需3 0 0 0 多条语句。 ( 4 ) m a t l a b 系统具有丰富的图形功能。m a t l a b 系统本身是一个w i n d o w s 下的具 有良好用户界面的系统，而且提供了丰富的图形界面设计函数如提供了专门用于绘 制二维曲线的p l o t 函数，用于绘制三维曲线的p l o t 3 函数在工具箱函数中，有些函 数本身可提供良好的图形功能，如s t e p 函数可计算指定系统的单位阶跃响应，并直 接在屏幕窗口中绘制出系统的单位阶跃响应曲线。 ( 5 ) m a t l a b 提供了许多面向应用问题求解的工具箱函数，大大方便了各个领域专 家学者的使用。目前，m a t l a b 提供了2 0 多个工具箱函数，如信号处理、图像处理、 控制系统、非线性控制设计、系统辨识、最优化、神经网络、模糊系统和小波等， 它们提供了各个领域应用问题求解的便利函数，使系统分析与设计变得更加简捷。 ( 6 ) m a f l a b 的易扩展性是最重要的特性之一，也是m a u a b 得以广泛应用的原因 之一。m a f l a b 给用户提供了广阔的扩展空间，用户可以很容易编写出适用于自己和 专业的m 文件，供自己或同伴使用，这实际上就是扩展了m a t l a b 的系统功能。相信 你很快就能够成为m a u a b 系统的“编写者”【1 4 】。 l o 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 论文的主要内容以及组织结构 论文中提出了一种基于小波理论的在线签名验证算法。在线签名验证包括数据 采集、预处理、特征提取、匹配判决等各个部分。本论文侧重于签名能量特征提取 和匹配方法的研究。利用m a t l a b 编写程序，与硬件采集部分结合起来，得到更多的 实验数据。由于所采集的实验数据精确度的提高，所做的实验也更加得准确有说服 力。在特征提取和选择的这方面，在签名能量排序匹配的基础上，改进提取跳变点 的部分，找出更加完美的点以反映签名波形的特征，即提取能充分反映签名的书写 风格，同时又相对稳定的特征。在分类决策的过程中，根据前几步所提取的特征， 基于d t w 的匹配方法并采用不排序判别规则，完成铡试序列和参考序列之间的模式 匹配。即在签名波形在跳变点处的能量中，抽取具有较大能量的跳变点，并保持跳 变点的次序不变，将测试签名与参考签名进行匹配，并作出判决，验证输入签名的 人的身份是否属实。研究签名能量特征提取方法，也就是基于小波分析的方法对签 名波形进行分解，提取签名波形在跳变点的能量，抽取具有较大能量的跳变点，并 经对他们的不排序比较、匹配，作出判决，从而达到身份认证的目的。最后将排序 与不排序的实验结果进行比较，总结出其优缺点。总结签名能量排序匹配的实验结 果并且研究能量不排序匹配，归纳两者所长。 这篇文章主要讨论了基于小波理论的签名验证算法设计，在线签名验证包括数 据采集、预处理、特征提取、匹配判决等各个部分。这篇论文侧重于小波分解、签 名能量特征提取和匹配方法的研究。研究签名能量特征提取方法，也就是基于小波 分析的方法对签名波形进行分解，提取签名波形在跳变点的能量，抽取具有较大能 量的跳变点，并对他们进行d t w 匹配，作出判决，从而达到身份认证的目的。 全文共六章，结构安排如下： 第一章是绪论，主要说明了本论文的研究意义以及由来，并介绍了目前签名验 证的国内外发展状况和有待解决的问题；简要介绍了当前国际上关于身份认证的主 要方法和全文的组织结构，并简略地介绍了该论