（一般力学与力学基础专业论文）关于书写压力特征提取识别的基础研究.pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 生物识别技术是当今身份鉴别技术中的一个重要组成部分，半个多 世纪以来，生物识别技术被广泛的运用于个人身份鉴别领域中。论文期 间，本人用对书写中压力的动态变化的分析作为个人生物识别特征，代 替了传统的对书写后形成的静态字迹的分析，简化了实验条件和环境， 并完成了一系列的验证实验。 论文对与内容相关的笔迹鉴别进行文献调研，了解这种方法当今的 运用和发展情况，然后结合压力的提取要求，设计并制作了通过直角悬 臂梁配合电阻式应变片的测试平台。 在对数据的处理中，分别研究了波形的相似性处理和数据场处理思 想。针对压力曲线的点点特征采用区域分析方法；数据场借鉴了物 理中的电场和重力场的概念，引用并结合了形成“势”的函数形式，采 用此方法对压力曲线进行全局分析。 最后基于该实验的研究体会，提出了提高灵敏度和可靠性的技术改 进建议。 关键词笔迹识别压力提取相似性数据场 、 信息安全 浙江大学硕士论文 a b s 仃a c t b i o l o g i c a li d e n t i f i c a t i o ni sai m p o r t a n tp a r to fi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y n o w a d a y s i nh a l f c e n t u r y , h a n d w r i t i n gi d e n t i f i c a t i o nh a v eb e e nw i d e l yu s e d i np e r s o n a li d e n t i f i c a t i o na r e a i nm yr e s e a r c h , ia n a l y z et h ed y n a m i cp r e s s w h i c hi sp r o d u c e di nw r i t i n gi ns t e a do ft h es t a t i ch a n d w r i t i n gw h i c hi s p r o d u c e da f t e rw r i t i n ga n da l s oh a v et a k e nas e r i o u so fe x p e r i m e n t a t i o n w h i c hi su s e dt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h i ss y s t e m i no r d e rt ok n o wt h eu s ea n dd e v e l o p m e n to f h a n d w r i t i n gi d e n t i f i c a t i o n , ih a v el o o ko v e rt h ec o r r e l a t i v el i t e r a t u r ea n dt h e nd e s i g n e dar i g h t - a n g l e a n c o nt e s t i n gp l a t f o r mw i t ht h er e s i s t a n c es t r a i ng a u g ea c c o r d i n gt ot h ew a y o f p r e s sg e r i n g i nt h ed a t aa n a l y z i n g , ib o t hd os o m er e s e a r c ho ft h es i m i l i t u d e a n a l y z i n go fd a t ac u r v ea n dd a t af i e l d a tf i r s tiu s et h ep r e s sc u r v ei nt h e r e g i o na n a l y z i n gb e c a u s ei t h a st h ec h a r a c t e r i s t i co fp o i n t - t o - p o i n t , t h e n , a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p to fe l e c t r i cf i e l da n dg r a v i t a t i o n a lf i e l d , iu s et h e d a t af i e l di nt h em a c r o c o s ma n a l y z i n gt ot h e p r e s s i nt h ee n do f t h i sp a p e r , is u mu ps o m ee x p e r i e n c ea n da d v i c e sa b o u th o wt o p r o m o t et h ep r e c i s i o na n dd e p e n d a b i l i t y k e yw o r d s ：h a n d w r i t i n gi d e n t i f i c a t i o n p r e s sp i c k - u pc o m p a r a b i l i t y d a t af i e l di n f o r m a t i o ns e c u r i t y 学号2 q 垒q 墨q q 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，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，也不包含为获得滥鋈盘鲎或其他教育机 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谢意。 学位论文作者躲榜签燕签字吼州年7 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝鎏盘茎有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权澎姿盘茔可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名访益男 导师签 签字日期：胪6 年吁月，日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 瓮n 签字日期伽年9 月，z 日 电话： 邮编： 第一章概述弟一早僦尬 1 1 笔迹鉴别技术的应用背景和定义 随着数字化时代的到来，生物识别技术正得到迅速的发展，溶入到 我们日常生活的每一个方面。同时由于交通、通讯和互联网络技术的发 展，人类的活动和相互交往范围越来越大，身份识别的难度和重要性也 越来越突出。对于我们这样一个人口众多的国家，身份识别有着尤其广 泛的应用前景和重要的战略意义。 安全性【1 1 是许多系统和场所要考虑的问题，如机场、银行、监狱、 各政府部门、军事机构、企业计算机信息系统等，安全、方便的身份认 证技术非常重要。现行计算机系统多采用“用户i d + 密码”的方法进行 用户的身份认证和授权访问控制，这种方案存在密码容易被忘记、被窃 取、被破解等安全隐患。传统的需要进行身份验证的场合或场所，也存 在着类似的安全性问题危险，如证件的伪造和盗用、不正当的转借，伪 造签证和护照非法入境或移民等问题；使用钥匙的系统存在遗失、被盗 取、被非法配制等问题。这说明现行的系统安全技术已经遭遇严峻的挑 战! 所有这些问题归根结底是由于这些传统的身份认证技术并不是真 正的对人本身的认证，而只是对密码或某种物品的认证。由于人体的身 体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术，希望可 以籍此技术来应付现行系统安全所面临的挑战。 生物识别技术嘲( b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 是利用 人体生物特征进行身份认证的一种技术。生物特征是唯一的( 与他人不 同) ，可测量或自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征 和行为特征。 生物识别系统对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成 数字代码3 1 ，并进一步将这些代码组成特征模板，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，从而决定接受或拒绝该人。目前主要的生物识 别应用技术【4 l 有指纹识别、语音识别、虹膜识别等，人脸识别，步态识 别等方式还处于研究阶段。在这一背景下，笔迹鉴别作为一种传统和现 代相结合的技术迫切需要新技术的应用和突破。 身份认证【5 】是生物识别技术运用较为广泛的领域，它的一种重要方 法就是笔迹鉴别笔迹作为一种传统的个人身份标志，在很多领域都有 不同于其它身份识别特征的使用优势。笔迹鉴别在社会生活中有着非常 广泛的用途，可以说凡是需要身份鉴别和安全保密的地方都可以用得着 笔迹鉴别。在金融领域，信用卡的使用要求持卡人当场签名，并与卡上 预留的签名进行对照，判断是否同一人所写。此外像保密问题【6 l ，如计 算机终端的访问除了口令以外，还可以预先把特定使用者的签名( 或者 约定的特定字符) 存在计算机里，开机时机器提示使用者输入签名，并 与存储的签名比较，从而接受或拒绝访问。随着计算机技术和网络技术 的发展和普及，在电子时代，电子合同、电子公文越来越多，对身份的 认证变得越来越重要，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、信用卡签字、电子商务 等等，高准确率的笔迹鉴别会使我们的生活质量得到提高。此外从身份 识别的角度，笔迹是一种稳定的行为特征，笔迹的获取具有非侵犯性( 或 非触性) ，是易为人所接受、非常有应用前景的身份识别方式。 笔迹鉴别i 刀( h a n d w r i t i n gi d e n t i f i c a t i o n ) 也称笔迹检验 ( h a n d w r i t i n ge x a m i n a t i o n ) ，是根据手写笔迹判断书写人身份的一 门技术。尽管笔迹的识别需要接触性测量，但是这种方法在政府、法律 和贸易中仍然广泛地被用来鉴定人的身份。笔迹是一种行为特征，这是 一个动态的过程，它受写字人的身体和情绪的影响很大。有些人的笔迹 变化很大，即使连续的笔迹都有很大的差别。此外，经过专i q i j l l 练，模 仿出来的笔迹可以达到以假乱真的地步。尽管笔迹专家可以鉴别出笔迹 的真伪，但是用计算机来描述笔迹的特征，自动地进行笔迹识别还是个 非常困难的问题。 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。 早在上世纪六十年代，a j m a n c e r i t 司发表了题为“利用签名进行 个人识别的可行性研究”，提出了利用手写签名作为个人身份识别标志 的可能性。r f f a r a g 和y t c h i e n1 9 1 用链码方法离线识别手写签名达 至u 7 0 - - 9 0 的正确率。但总的说来初期研究工作仅局限于离线识别， 而且识别效果不理想。 七十年代末，研究人员注意到签名的动态特征的重要性。i b m 公司 的n m h e r b s t 和c n l i ud o l 设计了一支特殊的签名笔，以笔的书写压 力和x 、y 方向上的加速度作为检测信号，得至f j f r r ( 错误拒绝率) 为 1 7 和f a r ( 错误接受率) 为0 0 1 3 4 的结果。 目前在国外市场上已有几种签名鉴别的有关产品出现，主要有以下 几种：由p e r i p h e r a lv i s i o no fn e wy o r k 生产的p e n o p 产品【1 1 1 ，据报 道它可以配置计算机系统，使用户通过签名来登录注册；另一种产品 s i g n - o n 1 2 1 ，据称可以植入各种各样的软件，使用时用签名代替口令进 入系统。s i g n o n 采用了签名的图像、加速度、笔划角度、开始和结束 时的笔尖压力等因素来产生认证结果，它用6 个签名样品加上一个最新 认证接收的签名构成参照模板，认证结果有三：真实的、伪造的和不能 确定的，厂家声称其f a r 和f r r 率为7 5 。 汉字构造的特殊性，针对汉字笔迹鉴别的研究工作进展缓慢。又由 于文化背景等的差异，西方国家对于东方文字鉴别问题研究较少，因 此相关问题的研究机构大多分布在亚洲，目前主要研究机构包括韩国 釜山大学p n u ，中国科学院自动化所模式识别实验室n l p r ，中国科学院 计算所c a s i c t 。北京理工大学、华东化工学院等院校的八十年代末曾做 过这项研究，手写签名的动态信息是用装有半导体应变片的压感笔采集 的，此外九十年代有复旦大学和华中理工大学等院校也做了这方面的研 究。在和内容无关的笔迹鉴别中，中国科学院自动化研究所做过这面的 研究，但多为基于静态特征的研究。 1 2 本文的主要工作 根据实验室现有设备和条件，设计并开发了书写压力提取装置，并 在这基础上对数据的处理进行了一系列的研究和分析。 ( 1 ) 查阅了国内外笔迹鉴别方面的相关文献，了解笔迹各种不同特征 在鉴别上的应用效果和结论。查阅了国内对于压力特征提取后相 似度的判定方法方面的相关文献，了解目前相关方面的进展。 ( 2 ) 综合评述目前关于笔迹鉴别时压力的应用，分析比较了不同状态 下的压力属性，使用了局部曲线分析和整体数据场分析相结合的 分析方法。 ( 3 ) 结合实验室现有设备( t p - 2 1 0 2 a 动态电阻应变仪、带拓普四通道 数据采集卡的电脑、线切割加工机床、z w i c k 材料试验机等) 完成 了一系列的测试和实验。 ( 4 ) 信号提取平台的设计和制作，包括传感器的理论设计计算，平台 机械加工图设计，应变计布置设计和粘贴，测量电桥设计，传感 器标定，采集卡的设置等。 ( 5 ) 信号提取系统搭建完毕后，对测试系统进行调试，并组织人员分 组进行对比数据的采集。 ( 6 ) 对采集所形成的p t 曲线进行对比分析：研究不同人在不同状态下 的曲线，论证p - t 曲线作为个人生物特征识别的唯一性和可行性。 ( 7 ) 引用数据场处理思想，分析它在使用压力作为特征识别下与p _ t 曲 线相比的优缺点，并结合p - t 曲线共同应用于笔记识别。 概述 1 3 笔迹鉴别的分类 笔迹鉴别是通过分析和比较手写笔迹的书写风格来判断书写人身 份的一门科学和技术。笔迹鉴别中的身份判断有两种方式：一种是直接 比较两份手写笔迹文件，判定它们是否为同一人所写；另一种是从对应 不同书写人的多个参考文件( 又称样本) 中找出与检验文件( 又称检材) 的书写特征最接近的样本。前一种方式称为验证，后一种方式称为鉴别 0 3 1 。笔迹鉴别中假设参考文件的书写人是已知的，从而通过书写特征的 比较就可以确定检验文件的书写人。正如俗话所说的字如其人，每个 人写的字都有自己的特征。 笔迹鉴别的方法u 4 1 根据所考察的对象和提取的特征可分为两大类： 文本独立( t e x ti n d e p e n d e n t ) 方法( 与书写内容无关) 和文本依存( t e x t d e p e n d e n t ) 方法( 与书写内容有关) 。文本独立方法从大量字符集提取 与字符类别无关的特征，如布局、字符大致形态、速度等；文本依存方 法从检验笔迹和参考笔迹中选择相同的单字( 称为特征字) 进行比较，此 种方法中最常见的就是签名鉴别。与文本独立方法相比，文本依存方法 可以对字符形状和书写风格进行深入的分析，因此可以得到更高的鉴别 率和可靠性。然而，凡事有利就有弊，文本依存方法要求识别文字和训 练文字具有相同的内容，这样就存在模仿和伪造的可能性。因此，为了 获得一个人更多的笔迹信息，并使笔迹鉴别的应用领域更加广泛，研究 文本独立的笔迹鉴别已经成为当前的一个热点。 国外的计算机笔迹鉴别研究进行的较早，取得了一定的成果，提出 了很多方法嘲i 。笔迹鉴别的文本独立方法主要有变换法、自相关法，程 直方图法、笔段直方图法等。文本依存方法主要有标准模板变形法、线 段高阶相关法、弧模式频率法、方向指数直方图法、笔划匹配法等。但 是总的说来，目前计算机笔迹鉴别水平还不是太高，还有很多问题没有 解决，如安全性，实时性等。计算机笔迹鉴别研究的目的是为了实现笔 迹鉴别工作的自动化，因此在研究中必须针对应用背景，考虑方法和手 段的实用性。与传统的模式识别问题不同的是，笔迹鉴别所考虑的书写 入和所利用的字符类别是不定的，因此不能针对特定的字进行模范和学 习，这就对特征提取和比较判别提出了更高的要求。 计算机笔迹识别1 6 1 也可分为在线( o n li n e ) 和离线( o f f li n e ) 【1 7 l 两类。离线笔迹鉴别也称静态笔迹鉴别，它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；而在线的笔迹鉴别则 通过专用的数字板或数字仅实时地采集书写信号，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压力、速度等信息，可为笔 迹鉴别提供更丰富的信息，因而也被称作动态笔迹鉴别。本论文工作的 重点即为在线笔迹鉴别。 笔迹识别的过程是对检验笔迹和多个嫌疑人的参考笔迹进行比较， 找出书写风格最相似者判定为检验笔迹的书写人。为了得到可靠的鉴别 结果，计算机笔迹鉴别的一种可行的方案是：将检验笔迹与所有参考笔 迹进行比较，计算笔迹特征相似度，然后按相似度大小对嫌疑人进行排 队，判定相似度最大者为检验笔迹书写人，或保留部分相似度较大的嫌 疑人作为重点嫌疑对象，然后再由人工专家进行分析认定。比较两份笔 迹时，先找出检验笔迹和参考笔迹中的相同字( 特征字) ，计算特征字的 相似度，然后结合多个特征字的相似度得到整个笔迹之间的相似度。特 征字的比较是一个匹配过程，通过匹配计算相似度或字体间距等。 1 4 笔迹鉴别的流程和标准 大多数的笔迹鉴别技术都要涉及到数据获取、预先处理、特征提取、 匹配判断和性能评价等五个阶段。前三个阶段为特定的个人产生一个参 考笔迹样本或样本集。为证明用户的身份所作的笔迹是待测笔迹样本。 第四个阶段是将待测笔迹与参考样本进行比较，二者之间的差别用“距 离”来衡量。图卜l 【1 研描述了笔迹鉴别系统的流程。 图i l 笔迹鉴别系统处理流程 在鉴定模式下，身份鉴别系统有两个重要的统计性能指标1 9 】：错误 拒绝率f r r ( 虚警) 和错误接受率f a r ( 漏报) 。错误接受是指将冒充者 识别为真正的生物特征拥有者；错误拒绝是指生物特征拥有者被系统拒 绝。对于理想的系统来说，这两个错误率都应该是零。但实际中，这两 个指标是相关的，当错误拒绝率比较低时，错误接受率会比较高。反之 亦然。系统往往需要在两个错误率之间取一个折衷。用r o e 曲线 ( r e c e i v e r0 p e r a t i n g c u r v e ) 能够很好的反映两个错误率之间的关系， 如图1 - 2 所示。曲线上的点表示在某个给定的匹配阈值下得到的错误拒 绝率和错误接受率。在确定阈值时，应根据具体应用进行考虑。在刑事 应用中，需要把可能的嫌疑人都找出来，应尽量减小错误拒绝率，所以 错误接受率非常大；而对于高度保密应用来说，错误接受造成的损失非 常大，因此要求错误接受率很低。图卜2 上标出的等错误率点是指两个 错误率相等的点，有时候它也可以作为基于笔迹的身份鉴别系统的性能 标准。 错 误 接 受 妻 蚕 错误拒绝率( f r r ) 图卜2 错误接受、拒绝曲线 从系统性能与系统的代价关系来说，可以把系统的总代价记为： c=frr 五，r p r + f ar 丑f p f ( 1 ) 概述 式中，以x 和分别是在错误接受和错误拒绝情况下的代价系数；p ， 和p ，分别是真正本人和其他人的概率，目标应使总代价最小。在系统设 计时，要根据应用的具体情况来优化f a r 暑i f r r 的匹配。 1 5 信息安全和加密 设计本系统的主要目的是将书写时产生的压力变化及其他特性作 为个人的生物识别特征，它要求具有唯一性、排他性和安全性等特点。 而压力具有的动态、抽象、看不见摸不着因而难以模仿的特性很好地保 证了在信号提取阶段的安全性需要。但提取后的数据作为一种信息，同 样面临信息安全保密方面的威胁，。因此采用加密技术，确保信息安全是 使本系统成为一套完整的、可实际应用的系统的一个重要措施。本章将 简要介绍信息安全的概念、技术和密码学的在系统中的应用。 信息系统安全1 2 0 l 是确保信息系统结构安全，与信息系统相关的元素 安全，以及与此相关的各种安全技术、安全服务和安全管理的总和。信 息系统安全的内涵定义为：确保以电磁信号为主要形式的，在计算机网 络化系统中进行获取、处理、存储、传输和利用的信息内容，在各个物 理物质、逻辑区域、存储和传输介质中，处于动态和静态工程中的机密 性、完整性、可用性、可审查性和抗抵赖性的，与人、网络、环境有关 的技术和管理规程的有机集合。从系统过程与控制角度看，信息系统安 全就是信息在存取、处理、集散和传输中保持其机密性、完整性、可用 性、可审计性和抗抵赖性的系统辨识、控制，策略和过程。 上述研究方法有两个基本要素：一个将信息系统的安全作为状态来 研究，二是将信息系统安全作为对状态的控制调节来研究。控制调节的 目的就是使系统稳定在某一特定状态内。 就信息安全和信息系统安全的内涵而言，保证信息( 内容) 的保密 性是系统安全的基本和首要目标之一。从信息保密性角度来看，信息( 系 统) 安全涵盖信息保密的内容。与一般意义的信息安全中的机密性比较， 虽然都是针对未授权者而言，但保密却具有与一般意思上的信息保密性 不同的其他特殊含义。同时，保密技术还具有自己相对独立、更为广泛 和完整的体系以及国家对抗性特点，因此决定了保密技术和保密管理体 系本身具有国家机密性特点。 在强调信息系统安全和保密时，是将保密作为管理策略和安全策略 的一部分，而不仅是信息保密( 机密) 性指标来定义的。作为管理策略， 保密涉及对信息系统的信息密级进行划分和管理，对涉密网络和非涉密 网络进行界定和管理，对保密技术和产品进行保密管理，对具有对抗性 和敏感性的保密技术主体和客体实施检查、监督和控制等。显然，作为 管理策略和安全策略，保密是信息系统安全的功能性和管理性保障。保 密在信息系统安全中的作用和地位是不可取代的。 对本系统有可能产生威胁的几类攻击f 2 1 1 ： ( 1 ) 冒充。冒充就是一个实体假装成另一个不同的实体。冒充常与某 些别的主动攻击形式一起使用，特别是消息的重放和篡改。例如，截获 某人的签名数据，用自己或他人的相关信息代替，从而使具有很少特权 的实体取得额外的特权。 ( 2 ) 重放。当一个消息或部分消息，为了产生非授权的使用效果而被 概述 重复时便出现重放。例如，将一个含有有效笔迹鉴别信息的消息为另一 个实体重放，从而使它通过鉴别取得合法性( 把它当作其他合法实体) 。 ( 3 ) 篡改。当系统内的数据内容被改变而未发现，并且导致一种非授 权后果时便出现消息篡改。 ( 4 ) 服务拒绝。当一个实体不能执行它的正当功能，或它的动作妨碍 别的实体执行它们的正当功能的时候，便发生服务拒绝。例如，将正当 用户的笔迹鉴别特征破坏，从而使之不能正常登陆或丧失某种权限。 ( 5 ) 内部攻击。当系统的合法用户以非故意或非授权方式进行动作时， 便出现内部攻击。外部攻击。外部攻击可以使用的方法包括：搭线( 主 动与被动的) ；截获辐射；冒充系统的授权用户，或者冒充系统的组成 部分；为鉴别或访问控制机制设置旁路等。 ( 6 ) 陷阱门。当系统的试题受到改变，致使一个攻击者能对命令或对 预定的事件或事件序列产生非授权影响时，其结果就称为陷阱门。 ( 7 ) 特洛伊木马。对系统而言的特洛伊木马，是指它不但具有自己的 授权功能，而且还有非授权功能。 由于有以上多种类型的攻击存在，在构建防御体系过程中应坚持下 列一般原则：最小特权、纵深防御、阻塞点、监测和或消除最薄弱链接、 失效保护、普遍参与、防御多样化、简单化等 密码学【2 1 1 所关心的是构造一些能抵抗任何攻击的机制。构造这样的 机制是为了使系统在遭受企图让它们偏离规定功能的恶意攻击下，依旧 能保持期望的功能。 没有加密的信息称为明文( p l a i n t e x t ) ，加密后的信息成为密文 ( c i p h e r t e x t ) ，从明文到密文的变换成为加密( e n c r y p t i o n ) ，从密文到明 文的变换称为解密( d e c r y p t i o n ) 。加密和解密都是在密钥( k e y ) 的控制下 进行的，给定一个密钥，就可确定一对具体的加密变化和解密变换。 一个密码体制( e r y p t o s y s t e m ) 通常由五部分组成： 1 ) 明文空间：全体明文的集合 2 ) 密文空间：全体密文的集合 3 ) 密钥空间：全体密钥的集合，通常每个密钥k 都又加密密钥k 和解 密密钥k d 组成，k 啾。，l q ，k e 与k d 可能相同也可能不同。 4 ) 加密算法：由加密密钥控制的加密变换的集合 5 ) 解密算法：由解密密钥控制的解密变化的集合 设m u 是一个明文，k i 【e ，k p h 是一个密钥，则 c = e j ( m ) 善，珊= d l ，( c ) ( 2 ) 其中e k e 是由加密密钥k 确定的加密变换，d k d 是有解密密钥l ( d 确定的 解密变换。在一个密码体制中，要求解密变换是解密变换的逆变换，因 此，对任意的m u 都有d 。，( e ，( 册) ) = m ( 3 ) 成立密钥空间中不同密钥的个数成为密码体制的密钥量，它是衡量密码 体制安全性的一个重要指标。 如果一个密码体制的加密密钥与解密密钥相同，则称其为单密钥密 码体制或对称密码体制；否则，称其为双密钥密码体制或非对称密码体 制。在一个双密钥密码体制中，由加密密钥l ( c 计算解密密钥k d 是困难 的公开l ( c 不会损害l 【d 的安全性，则可以将加密密钥l ( c 公开。这样的密 码体制称为公钥密码体制( p u b l i c k e yc r y p t o s y s t e m ) 。 一个好的密码体制至少应该满足下述两个条件： 1 ) 在已知明文m 和加密密钥l 【e 时，计算c = e 蚶m ) 容易；在已知密文c 和解密密钥l 【d 时，计算m = d l i ( d ( c ) 容易。 2 ) 在不知解密密钥l 【d 时，不可能有密文c 推知明文m 。 对于一个密码体制，如果能够根据密文确定明文或密钥，或者能够根据 明文和相应的密文确定密钥，则我们说这个密码体制是可破译的；否则， 称其为不可破译的。 2 1 总体设计 第二章研究方案 设计方案圈：为了分析字型和力，在设计传感器时不光要得到力的 大小变化，还要知道笔在空间二维的运动轨迹。已有的几种方案是将压 力计和速度、加速度计安装在书写笔上，根据笔尖处的压力计输出力的 大小，笔身输出的速度、加速度的值进行分析。这种方法较难恢复力作 用的轨迹。因此，本文采用将传感器安置在受力介质上，通过一组传感 器，运用数学方法同时得到力的大小、速度值以及力的二维移动轨迹。 传感器平台设计见图2 - 1 。 点慕i 马 b r 一- - 1 hl 2 2 2 2 2 p 横截面 图2 1 传感器平台 传感器基座采用穿通的螺栓固定，通过4 个螺栓固定在台面上。为 防止传感器梁在受力扰动时与台面接触，选取基座厚度h = l o m ，长度 l = 5 0 m 。螺孔直径2 0 r a m ，螺栓长度2 5 唧。 可行性分析：影响设计的两个主要因素1 、灵敏度2 、手写区的最 大扰度。两项指标都与传感器的长、宽、高和材料的弹性模量2 3 1 有关。 研究方案 盯mfxl ewxewxe j=! 垒：一 l2 形 ：垒垒： 6 ( 2 ) ( 3 ) ，。= 并 ( 4 ) 根据书写习惯，一般笔尖用力的范围为0 , 2 n ，笔尖接触处扰度不 超过l m m 。因此，在满足书写习惯的情况下，要使传感器输出的应变 足够大，以便于对力的分级。将一个应变作为一级，现在技术比较成熟 的分级为0 2 5 6 级，基本满足需要。更加精细化的0 , - - 5 1 2 分级技术也在 逐步完善。如图2 - 1 所示，在书写区间，受力点相对应变片r 1 、r 2 在 a 到b 范围内移动，在r 1 、i 也处由于力臂的不同产生不同的力矩因而 产生不同的应变岛岛 q = ，。么。e岛= 厂g + 叱。e 由以上两式相减：1 - - 9 2 = 么。占 ( 5 ) 其中a 、e 为以知数：w 可由式3 计算得出。毛岛可有动态应变 仪读数得出。因此由式5 可计算出f 的大小，从而可得到x 的值，即受 力点到应变片r 1 的距离。 直角悬臂梁的弯矩情况见2 - 2 图： 按以上方法，同样可以得到受力点 到应变片r 1 的距离y ，从而可以确 定受力点在二维x , y 坐标内各个时 刻的坐标。按时间序列将坐标连接 起来就得到了受力点的运动轨迹， 从而得到二维的字型。 图2 2 直角悬臂梁弯矩图 结构尺寸的确定：考虑到加工条件，弹性元件强度，传感器输出灵 敏度，书写习惯等因素，测试平台必须满足以下要求：弹性元件任何部 分的应力不超过材料弹性极限( 或屈服极限) ，并要有必要的安全系数 ( 例如n = 1 5 2 o ) ；平台上粘贴应变计的部位应有足够大的应变量便于 测量。一般应用于贴片材料的金属为钢和铝，考虑到钢的弹性模量e 太 大( e = 2 4 0 g p a ) 所产生的应变过小不利于测量，因此采用铝( e = 7 0 g p a ) 作为测试平台的材料。 因此，设l l = 1 2 = 5 0 m m ，b = 3 0 m m ，h = 1 5 m m 1 、应变计算： 矿：型二：q ：壁! ! ! ! ：! 兰! 壁：! ：1 125 。lo m 3 66 g=w!i墨e一=1_125：三1011；宅斋010 = o o 33 一5x7 挠度计算 九= 等= 百而苦黑害斋o o ，z m ，s 2 而2 再巧百万了f 丽_ 尹五了矿百。加1 2 n 1 在设计加工完成后，发现在实际使用中，由于金属平台不同于普通纸面 1 7 书写，对挠度的要求不高，因此可以适当增大挠度以获取较大的应变范 围。同时为提取更大的字型以便于比较，适当地将平台的横截面加大。 设l l = 1 2 0 m m ，l z = 9 m m ，b = 5 0 m m ，h = 1 5 m m 2 、应变计算 型二：q ：q ! ! ! ! ：! 兰! 殳：! ： 66 ：1 875 10 一。m 3 占= 三e = 旦wxe = 丝wxe = 两者5 x0 7 0 x = o 。41 8 7l 叫xl o 挠度和应变的关系： f 三3e ，3h2 25 10 一 厂口 wxe f l 3 2l 2 l 2 在平台标定测量中，1 0 0 9 的力在5x5 c m 2 内的应变范围是 6 4 - 2 6 = 3 8 ，1 个变化相当于l m v ，数据采集卡的灵敏度读数为o 1 m v ， 但系统存在外界噪声干扰，噪声最大幅度为2 m v 。通过数字滤波的方法 及数学处理方法可以消除降低部分噪声，因此认为本系统的精度大约为 3 8 ( 2 x 0 1 ) = 1 9 0 级左右。 为得到平滑的字型轨迹，理论上需要无数多的采样点组成，而在实 际测试中只能采样足够多的点。为使字型线更完整，需要提高传感器的 灵敏度。除了应变片的选择、传感器外型的设计外，应变电桥的组桥方 式也能提高传感器的灵敏度。在此我们采用全桥的组桥方式，以使灵敏 度比单纯的单枚应变片灵敏度提高4 倍。应变片布片位置见下图2 3 。 研究方案 2 2 传感器制作 图2 - 3 应变片布片方法 利用电阻应变计测量应变的原理制成的应变式传感器，是一类应用 十分广泛的传感器，由弹性元件和应交计桥路构成。弹性元件在受到被 测物理量( 如力、压强等) 作用下产生与它成正比的应变，然后用电阻 应变计将应变转换为电阻变化，各应变计组桥便可进行测量。应变式传 感器优点如下：测量精度高，测量范围广，输出线性好、性能稳定、工 作可靠。 根据前面的计算所得，l 7 0 7 5 铝合金平台的长度l l 为1 2 c m ，l 2 为9 c m ，宽度d 为5 e m ，厚度h 为1 5 r a m 。考虑到装配、导线布置和 接口安装等情况，以及螺纹连接装配、使用时挠度变化、为方便计算等 等情况，最后确定传感器平台如图2 1 、2 3 所示。 传感器机械加工完成后，进行应变片贴片1 2 4 1 ： ( 1 ) 先在贴片位置划线，线的长度和深度要尽量小和浅，以不影响弹 性元件平台工作为准，同时也要容易辨别标记线，方便应变片粘 贴。 刁么 研究方案 ( 2 ) 将弹性元件平台表面贴片部位用细砂纸轻轻打磨去除氧化层，打 磨方向与应变计丝栅方向成4 5 0 左右，然后用脱脂棉蘸丙酮或无 水乙醇将贴片部位擦洗感觉，并将应变计粘贴面擦干净。 ( 3 ) 粘贴剂的选择，常规选择方法为：短期一次性试验可采用氰基丙 烯酸酯黏结剂( 5 0 1 或5 0 2 胶水) 粘贴；若是长期测试或用传感 器贴片必须采用各种加温固化胶。考虑到此传感器弹性平台为初 期实验，并非长期使用，因而采用5 0 2 胶水。 ( 4 ) 贴片时，在应变计贴片面涂上5 0 2 胶水，并使应变计对准弹性元 件平台的划线位置贴片，并在应变片上盖一张乙烯薄膜，用手指 均匀地滚压，将多余的黏结剂和气泡挤出。要求使胶层均匀无气 泡，位置准确，室温下指压i m i n 使其固化后，去除乙烯薄膜。 ( 5 ) 贴片时的相对湿度一般不超过6 5 。 应变计粘贴完成后，在应变计上涂一层7 0 5 硅橡胶，涂层要薄，起 到保护应变计作用，但同时也要避免涂层过厚对弹性元件起强化作用。 根据全桥接线示意图进行各个应变计导线的连接，并使用输入和输出端 口接到同一个导线接口上。用绝缘胶带固定保护，避免外力造成弹性元 件和应变计及其导线的破坏。 2 3 数据采集和测量电路 在测量中，由于传感器输出的是模拟电量，所以要对数据进行数字 化处理，以数值表示波形的瞬时值。在弹性元件上产生机械应变时，引 起应变计电阻变化，进而转化为电压或电流信号。若将电阻应变计组成 2 0 研究方案 测量电桥，当桥臂电阻变化时，电桥就输出一个和变化大小成线性关系 的电压。通过对该电压进行放大，并对电阻应变计的灵敏系数k 进行归 一化，就能使输出的电压大小和实际应变大小相对应。对于此次设计的 应变式传感器，采用全桥测量电吲2 5 1 ，如图2 4 。四个桥臂上的电阻分 别对应弹性元件上应变计r l 、r 2 、r 3 、和，当四个桥臂电阻应变计 都产生应变，发生电阻变化时： b r 1 一r l + a r t ，r 2 一r 2 + z l r 2 ， r 3 一r 3 + 么r 3r 4 一心+ 么 则可得 、 肌坠4 等一等+ 等一争 、冠尼足尼7 = 等( 毛一乞+ 岛一毛) 图2 4 全桥测量电路图 此次所用应变计灵敏度系数k 为2 o o 。 本实验采用了拓普数字设备有限公司生产的四通道动态电阻应变 仪，有内置高精度放大器、a d 转换器、自动平衡、可靠性高等优点。 型号：t p 2 1 0 2 使用桥路电阻：1 2 0 q 1 k q 电桥平衡范围：l r ( r 一使用桥路电阻) 微调范围：- l - 1 0 0p 增益( 1 0 0 ) ：0 、2 、5 、l o 、2 0 、5 0 ；误差+ - 0 5 ：增益微调：l 2 5 灵敏度：5 0 0 m v 1 0 0 u ( 2 v 桥压) 研究方案 共模抑制比：大于l o o d b 频响：d c 2 0 k h z ( 0 5 d b ) ： 电源：a c2 2 0 v5 0 h z 图2 - 5 动态应变仪和采集界面 图2 - 6 全桥电路和采集平台l 书写区2 电桥盒3 基座4 应变片 应变计采用的是中航电测仪器股份有限公司制造的电阻应变计： 信噪比：大于5 0 d b型号：b e l 2 0 - - 3 a a 电阻值：1 2 0 1 0 iq灵敏系数：2 1 0 + 1 数据的采集和分析 第三章数据的采集和分析 13 1 实验环境 笔迹是手写签名的基本信息，根据在设计计算时提到的方法我们可 以将笔迹还原，它的本质就是空问点集，可以用式1 f 捌来表示： d = x ( t ) ，y ( t ) p ( t ) - t = l 、2 、n ) ( 1 ) 其中：x ( t ) ，y ( t ) 是以图3 - 1 中所示手写区域左下角为原点的直角坐标 值；p ( t ) 是笔在书写板上的压力值。 本系统采用拓普4 通道数据采集卡和t o p v i e w 软件，设置采样频率 2 5 0 h z ，采样长度1 3 5 7 k ( 由于所写汉字、单词的笔画、长度不同，各 人书写快慢的区别，和反应开始时间要落后与采集开始时间，所以在设 置采集长度时应在不影响采集的情况下使采集长度尽可能长) 。采样后 字型的恢复类似下图所示“7 图3 1 采样点的字型重现 一 ， 一。 扣 1 耍 ，：_!；=，。 一 ，一0 j 一t f l 扩 、；|y；llkllrrrk。p。hll。rrl誊 3 2 采集数据来源 此次采样采用了1 5 个人的签名样本，分为3 组每组5 人( 四男一女) 。 每个人进行了5 次签名，并且每个人均模仿其他所有人的签名各一次( 介 于随机伪签名与训练伪签名之间) 。每一人各选定一个自己最经常使用、 最具有个人特色的字( 比如名字中的姓等) ，采样前让其他组员反复练 习，模仿笔画和顺序。签名时通过联机的动态应变仪、数据采集卡输入， 从t o p v i e w 软件上可以读到的数据为压力( 压感级数) 、x 坐标和y 坐 标三项，这样就形成了一个记录的时序序列，每一条记录均包括了压力、 x 坐标和y 坐标这三项，记录间是等时间间隔的，一般一个字的书写 时间为3 5 s ( 笔画大约为7 1 5 画) ，因此共约有1 0 0 0 条记录( 包括压力为 0 点) 。 3 3 预处理 3 3 1 归一化处理 我们的实验中，计划采用压力属性进行鉴别而压力变化率、速度和 加速度这三个属性可以分别通过对压力值、位置坐标和速度进行差分得 到。由于同一人每次签名时的位置不是唯一的且大小也会有稍许变化， 所以为了方便处理，首先应归一化。我们先确定文字的轮廓，字符轮廓 的边界坐标( x m i n ，y m i n ) 和( x m a x ，y m a x ) 可以很容易得到，归 一化后的点阵大小是5 0 0 * 5 0 0 ，归一化的过程是将原序列中的非零点的坐 标线映射到归一化的点阵中，映射的变换式2 刀为： z = i j ； _ = j 一特s 。y 2i j ；詈：姑s 。c 2 ， 本实验针对的主要是压力方面的变化，由于在位置定位上并不是非 常精确，因此对速度、加速度暂不考虑。其他如书写总时问、长宽比例 及空笔划所占时间等常用特征将在以后的工作中作为进一步的鉴别手 段，以获得更高的鉴别率。 3 3 2 软件设置参数 该软件为拓普数字设备有限公司开发的虚拟仪器软件。它集控制采 集、读取数据、显示波形、数据处理、存盘及通讯等功能于一体，操作 直观、便捷。用于各种动态过程进行实时记录、数字信号处理与分析。 图3 - 2 t o p v i e w 的采集界面和参数设置面板 前置放大系数： 该项设置是针对采集卡外接前置放大器所设置的参数。若无前置放 大器则软件中该设置项应为”默认值o ”，如果接上了前置放大器则软件中 该项设置应以前置放大器的放大倍数”d b 数”为准。而采集系统所采集的 数据即为实际信号的大小。 定系数： 由于传感器测量的是实际的物理量值而传入采集卡的是电压值。因 此我们引入比例系数k ，其含义为：i v 电压相当于k 个实际物理量。 例如本系统使用的传感器所提供的标定系数为l o m v 。f ，则所表示的含 义是指1 个微应变对应l o m v 的电压值。而在t o p v i e w 的工程标定中 k 则是指l v 对应多少物理量。因此我们将单位均化为毫伏便可得出如 下等式：1 k = i o 1 0 0 0 ，从而得出k = 1 0 0 0 1 0 。这便是t o p v i e w 中该 设置的k 值。注意此时单位项应设置为m y ，a c 。 偏置： 该项是针对采集卡外接传感器时所设置的参数。其含义为当传感器 无输入信号时在传感器输出端的偏置电压。若无传感器则此项默认设置 为0 。前置放大器若有直流偏置则软件中该项应做相应的设置。例如前 置放大器前置放大1 0 d b 则在t o p v i e w 中也应将前置放大设置为 1 0 d b ，而采集系统所测的数据即为实际信号的大小。 3 4 数据采集 本次实验共有3 组共1 5 份样本，分别为第一组字型：博、陈、刚、 的、江；第二组字型：楼、聪、孙、婷、徐：第三组字型：戎、君、包、 材、张，它们所形成的原始p t ( 时间压力) 曲线即为本文分析的对象。 图3 3 至3 - 6 为所选取的“张”字书写时形成的压力曲线图 数据的采集和分析 八厂弋厂、厂、厂 一uu u u 2 s ，各 图3 - 3 、n 、八r w v u 图3 - 4 、r 、，、厂厂r 一 f。uv f l 、v 厂、j 图3 5 数据的采集和分析 3 5 实验结果