（计算机应用技术专业论文）通用电子手写签名技术研究及其应用.pdf

摘要 随着i n t e r n e t 的r 渐普及，网络的规模更大，信息安全问题也日 益突出。基于生理特征的电子手写签名技术作为身份认证手段将在 存取控制中扮演着越来越重要的角色。 本文首先提出了在微机w in d o w s 环境下的一种联机电子手写签 名认证算法。该算法强调签名的形状和签名压力的动态特征上都具 有相似性。并采娟了基于特征函数的点一点手写签名匹配映射方法， 先将联机输入的电子手写签名切分为笔段，并以笔段作为签名的特 征区，对两个待比较的签名相应笔段中的点经由点一点的映射算法 得到最后的匹配映射结果。把从电子手写签名中所提取特征，生成 用户签名认证模板。并开发了管理程序及相关数据库用于用户签名 模板的管理，并将该系统的采集认证等功能制作成a c t i v e x 控件，供 其他应用程序调用或集成。同时还研究了如何利用手写签名这一生 物特征信息去实现签名与文档的绑定技术。除此之外，还以d e l d h i 开发工具语言对a u t o c a d 和w o r d 进行了接口的研究和开发，并将 该签名者的签名字迹嵌入到a u t o c a d 图纸和w o r d 文件中。最后还 介绍了以手写签名为基础的电子公文系统的电子图章存取技术。 关键词：手写签名认证，签名分段，a c t i v e x 控件，二次开发 电子公文系统 a b s t r a c t w i t ht h ep o p u l a r i t yo ft h ei n t e r n e t ，a n dt h ei n c r e a s i n gf a s to ft h e n e t w o r k ，t h ep r o b l e mo fi n f o r m a t i o ns e c u “t yi s b e c o m i n gm o r ea n d m o r es e r i o u s i d e n t i f y a u t h e n t i c a t i o nb a s e do nb i o l o g i c a la t t r i b u t e s ， 1 i k ee l e c t r o n i c h a n d w r i t i n gs i g n a t u r e ， w i l l p l a y m o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei na c c e s sc o n t r 0 1 t h i sp a p e rf i r s tp r e s e n t sa no n l i n ee l e c t r o n i cs 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 mi np c w i n d o w se v i r o n m e n t t h i sa p p r o a c he m p h a s i z e sb o t h s t a t i cf e a t u r eo fs i g n a t u r es h a p ea n dd y n a m i cf e a t u r eo ft i pp r e s s u r e t h es i g n a t u r eiss e g m e n t e di n t os t r i n g s t h es t r i n g sa r er e g a r d e da st h e f e a t u r er e g i o n s ，a f t e rs t r i n gs e g m e n t a t i o n ，a c c o r d i n gt os o m er e l a t i v e l y s i m p l es t a t i cf e a t u r e s ，t h ed y n a m i cp r o g r a m m i n g m e t h o di su s e dt of i n d o u tt h eo p t i m a lc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nt h es t r i n g so ft h et e s t s i g n a t u r e a n dt h er e f e r e n c e s i g n a t u r e a c c o r d i n g t ot h e o p t i m a l c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n ， t h e r e g i o n a l c o r r e l a t i o n a l g o r i t h m i sf u r t h e r u s e dt oc o n l p u t et h et o t a lm a t c h i n gd i s t a n c eb e t w e e nt h et es ts i g n a t u r e a n dr e f e r e n c es i g n a t u r e ，t a k i n gb o t ht h es t a t i ca n dt h ed y n a m i cf e a t u r e i n t oa c c o u n t t h ea u t h o ro ft h et h e s i sa l s 0d e s i g n e dd a t a b a s et os t o r e t h eu s e r s t e m p l a t e sa n dd e v e l o p e dp r o g r a mf o rm a n a g e m e n t i no r d e r t ob ec a l l e do ri n t e g r a t e de a s i l yb yo t h e rp r o g r a m s ，h ed e v e l o p si ta sa n a c t i v e x a p p l i c a t i o n o fd e l p h i p r o g r a mb ys e c o n d l yd e v e l o p m e n t w a y so fa u t o c a da n dw o r dw a sd i s c u s s e d a tt h e s a m et i m e ，t h e m e t h o da b o u th o wt ot i e dt h e e n c r y p t i o n f i l eo fs i g n a t u r ew a sa l s o d is c u s s e d a tl a s t ，a na c c e s sm e t h o da b o u te l e c t r o n i cd o c u m e n ts y s t e m b a s e dt e c h n o l o g yo fh a n d w r i t i n gs i g n a t u r eh a sb e e nd i s c u s s e d k e y w o r ds ：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 ；s i g n a t u r es e g m e n t a t i o n ； a c t i v e x c o m p o n e n t ；s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t ； e l e c t r o n i cd o c u m e n t s y s t e m 第一章绪论 1 1 选题背景及选题的意义 信息安全应该是一个系统性的安全，或者说是一个安全链，其安全性取决于 系统中最薄弱的环节。信息安全可以粗略地分为：计算机主机安全与网络安全。 网络安全主要涉及：通信安全、身份认证、存取控制( 访问控制) 等。其中 存取控制是网络安全中的主要部分，通信安全与身份认证是安全存取控制的保障， 而其中的认证环节又是重中之重，特别是双向身份认证】。 传统的协议、契约等都以手书签名生效。发生争执时则由法庭判决，一般都 要经过专家鉴定。由于签字动作和字迹具有强烈的个性而可作为身份验证的可靠 依据。电子手写签名认证技术包括签名采集系统、签名认证系统。其原理是成年 人的签名都是独特的，并且是比较稳定的，在较短时期内不随意改变。电子手写 签名用于计算机系统确认用户的合法身份，它有点象口令，但比口令更安全。更 有效。口令容易忘记，也容易被盗，但签名极难模仿。签名除了作身份认证外， 还有很多实际的应用：在a m t o c a d 中，设计者设计完图纸后，需要在电子图纸 上签上自己的电子手写签名，如何签名，以及自己的签名不被别人盗用等，这是 a u t o c a d 设计者所担心的问题；在现在办公系统中，很多文件都是电子文档，而 且有些文件需经领导签名后才能生效，如何解决领导对电子文件的签名的识别， 不被假冒，也是当前电子手写签名中的一个重要课题。 1 2 口令认证及其相关技术简介 以单密钥的方式来完成认证的网络实体共享一个或多个秘密( 如密钥、口令 等) ，通过验证对方是否掌握这些秘密来完成相应的认证。这种认证方式属于验证 用户是否知道什么。 基于口令的认证【2 1 - 2 副是这种认证方式的代表。传统的认证技术主要采用基于 口令的认证方法。当被认证对象要求访问提供服务的系统时，提供服务的认证方 要求被认证对象提交该对象的口令，认证方收到口令后，将其与系统中存储的用 户口令进行比较，以确认被认证对象是否为合法访问者。 通过口令进行身份认证是目前实现计算机信息安全的主要手段之一，这种认 4 证方法的优点在于：简单易行，且一般的系统( 如u n i x ，w n d o w sn t 等) 都提 供了对口令认证的支持。对于封闭的小型系统来说不失为一种简单可行的方法。 1 2 1 基于口令认证方法的几点不足 ( 1 ) 用户每次访问系统时都要以明文方式输入口令，这时很容易泄密( 如被 窥视者看见) ： ( 2 ) 口令在传输过程中可能被截获； ( 3 ) 系统中所有用户的口令以文件形式存储在认证方，攻击者可以利用系统 中存在的漏洞获系统的口令文件； ( 4 ) 用户在访问多个不同安全级别的系统时，都要求用户提供口令，用户为 了记忆的方便，往往采用相同的口令。而低安全级别系统的口令更容易被攻击者 获得，从而用来对高安全级别系统进行攻击； ( 5 ) 对口令猜测攻击的先天不足，即该方式的致命弱点是存在口令易记性与 口令易猜测的矛盾。 对于第( 2 ) 点，系统可以对口令进行加密传输。对于第( 3 ) 点，系统可以对口令 文件进行不可逆加密( 如h a s h 函数加密) ，如表1 1 所示。尽管如此，攻击者还 是可以利用一些工具很容易地将口令和口令文件解密【3 7 1 。 表1 1 用户i d用户口令 0 0 0 1a b c d 0 0 0 2c d e f 0 0 0 3 垃均 用户i d用户口令函数 0 0 0 l h a s h ( a b c d ) 0 0 0 2 h a s h ( c d e f ) 0 0 0 3 i a s h ( 喇) 1 2 2 字典攻击 由于一个用户的口令旦被非法用户获悉，则该非法用户即获得了该用户的 全部权限，这样，尤其是高权限用户的口令泄露以后，主机和网络也就随即失去 了安全性。黑客攻击目标时也常常把破译普通用户的口令作为攻击的开始。如采 用字典穷举法进行攻击。它的原理是这样的：由于网络上的用户常采用一个英语 单词或自己的姓名、生日作为口令，因此可以将这些常用的口令收集整理出来形 成一个常用口令表即所谓用于攻击的字典【3 1 。通过一些程序，自动地从攻击字典 中取出一个单词，作为用户的口令输入给远端的主机，申请进入系统。若口令错 误，就按序取出下一个单词，进行下一个尝试。并一直循环下去，直到找到正确 的口令，或字典的单词试完为止。由于这个破译过程由计算机程序来自动完成， 几个小时就可以把字典的所有单词都试一遍。这只是字典攻击的初步形式。象刚 才这样的测试容易在主机日志上留下明显攻击特征。因此，更多的时候攻击者会 利用其它手段去获得主机系统上的p a s s w o r d 文件( 由于担心p a s s 、o r d 文件或信 息的泄露，一般p a s s w o r d 文件存放的不是直接的口令明文，而是用单向函数加密 后的结果) ，然后再在本地对其进行字典攻击或强力破解。比如，攻击者可以预 先按照口令文件加密的方法用单向函数把字典加密，如表1 2 所示，然后攻击者 就可以比较口令文件与加密好的字典，从而找到一些匹配值进而获得相应用户的 登录密码。这种攻击的成功概率是非常大的【3 7 1 。 表1 2 用户口令 a b c d c d e f 1 ，2 ，3 加盐技术 用户口令用户口令函数 a b c d h a s h ( a b c d ) c d e f h a s h ( c d e f ) 针对字典攻击，出现了往密码表中加盐的机制。具体操作为：对于每一个口 令随机取一个数，将此随机数与口令表一起加密后存储，同时将该随机数也相应 存储( 可以是明文) ，如表1 3 所示；其认证过程变为：将得到的口令与该相应 随机值一起用单向函数加密，所得的结果再与原加密结果进行对比，若匹配则完 成认证，否则拒绝。加盐的方式并没有给认证过程带来较多的负担，但却使攻击 者通过加密好的字典进行匹配攻击的方法变得困难。因为若要完成类似的字典攻 击则对原字典中的每一项都要与可能的( 总数为口令文件中的口令数) 随机数一 起进行加密形成加密字典。这样，攻击者要完成攻击将要用更多的时间来生成字 典，同时还需要更多的空间来存储它们，也需要更多的时间来完成匹配工作。更 进一步，可增加加盐混合的轮次，这样将稍微延长口令匹配的时间( 但大大少于 r 令的键入时间) ，而对于攻击者而言将大大延长其攻击时间。 表1 3 用户i d用户口令函数 o o o lh a s h ( a b c d ) 0 0 0 2h a s h ( c d e f ) 0 0 0 3 h a s h ( f 曲j ) 用户i d随机数口令及随机数函数 o 0 0 17 6 9 3 h a s h ( a b c d + 7 6 9 3 ) o 0 0 22 3 4 l h a s h ( c d e f + 2 3 4 1 ) o 0 0 33 7 5 3 h a s h ( 龟l ! i + 3 7 5 3 ) 加盐的机制只能是加大字典攻击者的攻击难度，并不能完全阻止这种攻击。 毕竟，它还可以根据字典逐个进行强力攻击。一般来说，一个好的口令闯入程序 至少会闯入百分之五的口令。而且攻击者有时并不需要所有人的口令，他们得到 几个用户口令就能获取系统的控制权。所以即使普通用户采用的口令过于简单也 可能会对系统安全造成很大的威胁。然而，有许多用户对自己的口令没有很好的 安全意识，使用很容易被猜出的口令。其实，根据目前计算机加密解密处理的算 法和能力，防止自己口令被使用字典攻击法猜出的办法也很简单，使自己的口令不 在相应解密程序的字典中。一个好的口令应当至少有6 个字符长，不要用个人信息 ( 如生日，名字等) ，口令中要有一些非字母( 如数字，标点符号，控制字符等) ，还要好记 一些，不能写在纸上或计算机中的文件中，选择口令的一个好方法是将两个不相关 的词( 最好再组合上大小写) 用一个数字或控制字符相连，并截断为8 个字符。例 如m e 2 h k 9 7 就是一个从安全角度讲很不错的口令。 1 2 4 保持口令安全的一些要点 以下为保持口令安全的一些基本要点“3 ； 口令长度不要小于6 位，并应同时包含字母和数字，以及标点符号和控制字 符。 口令中不要使用常用单词( 避免字典攻击) ，英文简称，个人信息( 如生 f j ，名字，反向拼写的登录名，房间中可见的东西) ，年份，以及机器中的命令等。 不要将口令写下来。 不要将口令存于电脑文件中。 不要让别人知道。 不要在不同系统上，特别是不同级别的用户上使用同一口令。 为防止眼明手快的人窃取口令，在输入口令时应确认无人在身边。 定期改变口令，至少6 个月要改变一次。 系统安装对口令文件进行隐藏的程序或设置。 系统配置对用户口令设置情况进行检测的程序，并强制用户定期改变口令。 任何一一个用户口令的脆弱，都会影响整个系统的安全性。 最后这点是十分重要的，永远不要对自己的口令过于自信，也许就在无意当中 泄露了口令。定期地改变口令，会使自己遭受黑客攻击的风险降到了一定限度之 内。一旦发现自己的口令不能进入计算机系统，应立即向系统管理员报告，由管理员 来检查原因。 1 3 电子手写签名认证介绍 1 3 1 电子手写签名认证概述 随着计算机的发展，计算机在很多方面影响着人类的生活，使人类在很多方 面越来越依靠计算机，使人类正在进入一个信息化的电子办公自动化时代。然而 传统的协议、契约等都以手书签字生效。在这些签字应用中，手写签名的验证通 常是验证人把本次的签名笔迹与事先存储签名人的笔迹的字型进行比较，如果这 两次的字型相似，则接收所签署的内容。但是，在通常情况下，要分辨出一个伪 造的签名不是件容易的事情，因而如果双方发生争执时，往往得由法庭判决，而 且一般还需经过专家鉴定才能鉴别出签名的真伪。 从上一节可知，目前常用的“通行字( p a s s w o r d ) ”身份认证的不安全性是显而 易见的；“智能身份证( 智能卡) ”有数据处理功能，可以采用复杂的认证协议，但难 免丢失之烦。理想的个人身份认证应该基于个人特有的生理特征，如指纹、视网膜 纹等，可是由于对这些生理特征的识别所必需的信息获取装置和技术复杂、个人 不便携带，以至于只能用于特殊场合。“数字签名”技术在分配和管理数量庞大的 密钥的同时，也难以避免泄密的可能。而基于似同个人生理特征的个人电子手写签 名，其动态特征的提取方便，而且具有实用、低成本和易普及等特点，可作为计 算机网络通信身份认证一种技术手段，理所当然地受到广泛的关注5 罐】。从理论上 讲，电子手写签名时的动态特征也有被伪造的可能，所以身份认证系统必须能分辨 出合法的与有意或“碰巧”相似的签名。这就面临两个问题，一是签名的不稳定 性。在不考虑改变签名习惯的情况下，人们在不同时间的签名会因各种原因产生 一定的差异，认证系统应当能适应这种正常范围内的变动；二是有可能存在却不 可预测的恶意伪造和可能“碰巧”相似的签名，认证系统应能识别，以维护合法 用户的权益。这是两个相互依赖、相互矛盾的问题，在认证方法上应实现二者的 均衡。因此，提取电子手写签名的哪些动态特征，以及如何处理这些特征便成了 解决电子手写签名技术的关键。 1 3 2 电子手写签名认证分类 根据手写签名采集方式的差别，自动电子手写签名认证通常分为“联机” ( o n - 1 i n c ) 和脱机( o 昏l i n e ) 两大类】。联机电子手写签名认证的数据采集包括 整个签名过程本身，签名可表示为一个或几个随时间变化的函数。并且在联机手 写签名认证中使用相对较特殊的硬件设备，如手写笔或带压力的数码笔，去记录 手写时笔的移动信息，使得联机电子手写签名除了能动态获取签名字型外，而且 还能获取签名者签名的时间和签字的压力等三维以上的信息，因此要伪造签名就 更困难。对于脱机电子手写签名认证，由于只能获得签名的书面结果，即类似于 写在纸上的二维静态图像，所有的时间和动态信息都丢失了，因而这种认证方法 主要是从字型方面去认证，很容易被模仿，而且错误识别率较高。图1 1 为比较 脱机电子手写签名认证与联机电子手写签名认证的不同。图1 1 ( a ) 表示脱机签名 只是二维静态图象，只有字型信息可用：图1 一l ( b ) 是联机电子手写签名，除了可 9 得字型信息外，还可得签名与时间或签名与压力等关系。 现乃 ， | i 秭 图1 1 ：脱机签名与联机签名 根据提取电子手写签名特征的不同，联机电子手写签名认证方法又可以分为 两类：特征参数法和特征函数法8 。1 2 】。特征参数法，是利用电子手写签名的一些 总体特征( 如签名的宽高比) 或局部特征( 如签名笔画的局部曲率极大值) 对签 名进行认证。而在特征函数法中，签名的全部信号，如相对于时间的位移、速度、 加速度和压力等，都可以被描述为时间的函数，这些函数值的本身就组成它们的 特征值。 第一类方法的主要问题在于特征值的选取。一旦选定一组特征值，两次电子 手写签名的比较就变为两个特征向量间的距离。因而在这种方法中，关键在于怎 样保证所选取的特征值具有可靠的认证性能，使其达到较高的认证率。这种方法 的优点是计算简便易行，要求数据量少；缺点是错误率较高，且在用户数量极为 庞大的时候，其错误率将比在实验室中获得的测试结果要高出很多 1 0 j 。 第二类方法由于保留了所有签名采样点的信息，因而有较高的信息量，有达 到高安全标准的潜力。其问题在于两个函数式参量间点点的匹配方法。因为 即使是一个人的不同时间的签名也会存在一定的差异，甚至在某些部分差异相当 明显。因而特征函数法的主要难点在于签名的比较阶段，即必须对两个持续时间 不等且存在非线性畸变的函数进行比较。一般来说，特征函数法可以引出比特征 参数法更好的结果，但是这一性能的改进是以需要更多的运算资源和处理时间来 获得的。 图1 2 是一般联机电子手写签名认证系统的模型。在注册阶级，用户必须进 1 0 行签名采集训练，这样系统就能根据用户的签名进行特征提取，并将其存入模板 数据库。在签名认证时，用同样的特征提取方法从签名采集中提取并和已有的模 板特征进行比较，若其误差在接收范围内，则认证通过，否则拒绝。 图l 一2 一般联机电子手写签名认证系统的模型 1 33 相关研究 到目前为止，已有很多手写签名认证算法被提出，但多数是基于离线手写签 名认证。根据签名所用的设备所采集的数据不同，在线签名认证中特征提取算法 各不相同。般来讲，多数认证方法所提取的特征可以分为两大类：总体特征和 局部特征。总体特征一般包括如签名时问，区域大小以及签名的笔画数等。局部 特征是以点为基础提取，一般包括局部曲线弧度，局部速度等。只使用总体特征 的在线签名认证算法的优点是认证时间很短，如文献3 6 1 所使用的认证方法，但这 种方法中错误率比局部特征提取认证算法要高得多。另一个普遍的认证方法是寻 找输入的签名的特征与存储模板特征的欧拉距离值来确定他们之间的相似度。然 而任意两次签名的点不同，文献1 9 1 通过插值法提出了点串匹配算法。这种算法 对字型变化敏感度很高。本文所采用的签名认证算法主要是基于文献阢3 卿的认证 模型和文献4 1 1 的特征提取为研究基础。 1 4 论文总体工作的介绍 本文的电子手写签名技术包括签名采集系统、签名验证、签名与文档( 包括 a u t o c a d 和w o r d ) 捆绑，以及电子公文系统中的电子公章的存取认证系统等几 个方面的内容。由于设计时已考虑通用性问题，因而上面几个系统可以结合起来 使用，也可以分开来单独使用。本文的电子手写签名的前提假设是每个人签名都 是独特的并且是比较稳定的，并在较短时期内不随意改变。这种假设是符合人们 在纸上签名习惯的。 签名采集系统主要是多次采集用户的电子手写签名轨迹形成模板。使用时用 户只需预先注册，收集几次签名采样数据后，从中提取用户签名特征，将特征加 密后存入模板数据库。 签名验证用于计算机系统确认用户的身份。需要验证时用户只需签名一次， 计算机用特定的算法与模板比较后确认签名是否相符，相符时允许用户进入系统， 不符则拒绝用户进入。 签名与文档绑定则类似于在纸上的合同签名。计算机里也可以产生类似于合 同文档( 如设计者应对所设计a u t o c a d 图纸负责的文件，以及用、r d 文件保存 的公文等) ，但很难保证文档不被修改，因为文档是电子的，修改后可能看不出一 点痕迹，这样就对合同文档的可靠性有了怀疑。但加入电子手写签名并与文档绑 定后，任何一点最细微的修改都会使签名无效。这样就保证了文档的可靠性。 本文第一章为绪论，主要讲述选题背景和意义、口令认证及其相关技术以及 手写签名认证技术简介。第二章详细介绍了我们所设计的电子手写签名动态特征 采集和匹配算法，以及如何从手写笔中获得书写者的笔迹信息。第三章是介绍如 何用d e l p h i 对a u t o c a d 和w o r d 进行接口开发，因这是我们将签名笔迹加到这些 文件中的基础。第四章是介绍签名与文件绑定技术。第五章是应用手写签名技术 的实际系统介绍。 第二章电子手写签名认证算法的研究 21 电子手写签名认证算法设计 2 1 1 系统结构模型 本系统中的联机电子手写签名认证算法是采用特征参数法和特征函数法相结 合的认证算法。在这里我们只介绍系统中所用的特征函数认证算法。系统的认证 算法的结构如图2 1 所示。当一个新用户注册到系统时，将会进行一系列的签名 样本训练来得到用户的电子手写数据，通过预处理后，进行特征提取，形成用户 特征模板，将特征模板数据与用户i d 等信息加密码后保存到数据库，以便以后 进行签名认证时作为比较数据。门限值的选择是根据用户的等级以及所处的安全 级别而定，不同的门限值将会对签名认证结果有不同的影响。由于从数码笔上所 得的电子手写签名数据非常粗糙，预处理主要是消除对特征提取有很大偏差有点。 在签名比较时，由标准模板和每次认采集的签名数据来求距离误差，根据误差离 距和判决门限作出签名真实性的判定。 图2 1 电子手写签名认证模型 2 1 2 预处理 w i n d o w s 操作系统根据书写笔笔尖在手写板上移动的消息获得笔尖位置、落 下抬起状态等信息，参照系统内部时钟可以得到笔尖移过该点的时刻。最终得到的 签名轨迹是由一系列点组成，每一点包含位置( x 轴、y 轴) 、压力、时刻等信息。 但由于时间弯曲效应以及手写板采集的手写签名轨迹的大小方面存在着差异，在 进行特征提取前，主要进行两方面的预处理： a ) 由于微机定时精确性不高，在快速书写笔划轨迹中常出现连续若干点时刻 相同的情况，这在后续计算该点瞬时速度时会造成速度无限大的谬误。考虑到微机 定时是以一定时间间隔跳跃累加进行定时，所以将时刻相同的连续点用一个点来 代替，该点的数值属性值由这些连续点的加权平均得到。但是对于签名中的一些 点，如一笔的起点、终点，携带了笔画的重要信息，对于这些点，在预处理前应 先保留。 b ) 书写笔在手写板上移动阻力较小，在书写笔划起始处常会出现短小的转折 笔划，类似于中文书写的笔锋。不同之处是笔锋方向较为固定，而这里的转折实际 上是落笔时笔尖滑动，其方向非常随意，对匹配有一定的负面影响，应该予以滤 除。 预处理分三步进行：a 对签名的大小进行归一化；b 对数据进行平滑处理；c 对笔划的点序列的点间距归一化。预处理产生大小归一化的、平滑的签名数据序 列 置，弘，p ，i f _ l ，2 ，聆) ，其中x ，y 是签名笔迹的坐标；p 是书写压力：f 是采 样时间序号。 签名尺寸归一化处理是在三维空间内进行的取x ，y 和p 的归一化因子分别 为c i ，曲和讳，归一化后的新坐标为：x = x ；，= c 钞；p7 = c ：p 。 平滑处理相当于对数据进行滤波。由于手写签名模式可能在局部存在尖角或 毛刺，这些对后面距离计算中所涉及的方向角和弯曲度的计算将产生较大影响， 因此需要做平滑处理以减小其影响。平滑处理采用三点平均法。 在尺寸归一化处理后，模式的点间距被拉伸或压缩了，须做必要的处理。处 理方法是：从第一点开始，去掉所有距离小于一给定值的点，使点之间的间隔相 对均匀地沿笔划轨迹展开。由于是等时采样，当书写速度较快时，被采样的笔划点 比较稀疏，即书写速度较快的笔划部分的点点之间的间隔，有可能比绘定的距 离h 大很多，从而使这些笔划段的点点间距不均匀，造成在匹配中产生较大的误 差。因此，在进行点序列间隔归一化之前，先对签名数据进行插值，使笔划轨迹上 的点更加密集，然后再从中去掉满足条件 h 的点，实现对笔划点间隔的归一化。 的算式如下： = 正再下面矿石石百项开百万而丽( f - l ，2 堋) ( 1 ) 式中n 为一设定值，使得在1 到n 的范围内能够找到满足条件的点。图2 2 是以 一段简单的笔划为例，并仅对二维位置坐标的数据预处理。图2 - 2 ( a ) 表示了归一 化之前的原始采样点，笔划点从原点开始先密后疏，说明该笔迹先慢后快；图2 2 ( b ) 表示了经插值后增加了点的数目，使沿笔划轨迹上的点更密集：图2 2 ( c ) 表示了 按一定的间距进行归一化之后所剩下的点，克服了因时间弯曲所产生的不均匀性。 归一化之后的间距与量纲标尺无关， j 口； x x ，点 c 矗) 签名数据蕾融奇莉草点 1 0 0 8 0 埘6 0 h4 0 2 0 鼍 ( c ) 点间距归一化后的笔画数据点 图2 2 电子手写签名数据预处理 21 3 特征的提取 经过上面的预处理后，已经消除了签名过程中连笔和断笔的影响，并以时间 为自变量将签名的每一笔画的终点与下一笔画的起点相连，并将上面所生成的坐 标点称为虚拟坐标点。 包含虚拟坐标点的签名可以表示为等时间间隔的空间离散坐标点序列 d ，( f ) ，d ，( f ) ，d ，( f ) ) 。分别对皿( f ) 、q ( f ) 和d ，o ) 进行微分运算，可求出( f ) 、 _ ( f ) 、( f ) 、4 ( f ) 、一，( r ) 和爿，( f ) 等6 个导出信号。( f ) 、巧( f ) 和( f ) 分 别为签名过程中笔尖运动在三维坐标系x 、y 和p 轴方向上的速度分量，爿，( f ) 、 a ，( f ) 和4 。( f ) 分别为x 、y 和p 轴方向上的加速度分量。可以根据这屹0 ) 、( f ) 、 1 6 4 ( f ) 和4 ( r ) 四个信号，可以进一步计算出签名过程中笔尖运动的书写方向角 臼( f ) 、速度y ( f ) 、角速度圪( r ) 、切向加速度爿。( f ) 和向心加速度4 。0 ) ： 臼( f ) = 留。( ( f ) ( 功 ( 2 ) y o ) = 以( f ) 2 + p ) 2 ( 3 ) 圪( f ) = 秽( f ) = o ，( ) 匕( f ) 一( f ) 爿，( f ”( 圪( f ) 2 + ( f ) 2 ) ( 4 ) 4 ( f ) = y ( f ) = ( ( f ) 1 彳，( r ) + ( f ) 爿，( r ) ) ( f ) 2 + ( f ) 2 ( 5 ) 爿，( r ) = y ( r ) p ( f ) = ( ( f ) 爿，( ，) 一0 ( r ) 爿，( r ) ) 屹( r ) 2 + ( f ) 2 ( 6 ) 计算签名上各点的曲率，并根据曲率信息将签名切分为笔段序列嘲。以笔段 作为签名的特征区域。 利用已经提取的特征，将每一区域s 都表示为参数向量序列 s = h l ，h 2 ，日，日m ，其中h ，= ( x ，弘，p ，b ，k ，圪，4 f ，爿c ，) 表示区域s 上的第i 个坐标点，n h 为组成区域s 的坐标点总数。x ，y ，n 为归一化后的参数 值；只，k ，爿f ，4 c ，分别为h i 点的手写方向角、速度、角速度、切向加速度和 向心加速度。 区域分割之后，签名可以表示为包含特征的笔段序列。在对待认证签名t s 和参考签名r s 进行比较之前，需要寻找待测签名和参考签名笔段之间的对应关 系呲14 1 。 设标准符号串为g = g 。9 2 一g 。，未知符号串为x = _ x ：吒，两个符号 和x ，之间的距离为d ( f ，d ，则两个符号串g 和x 之间总的匹配距离d 。( g ，x ) ， 可以用下面的方法求出： d ( 1 ，1 ) = d ( 1 ，1 ) ( 7 ) d ( f ，) = d ( f ，) + m i n d ( f l ，) ，d ( f 一1 ，一1 ) ，d ( f ，一1 ) ) ( 8 ) d m ( g ，z ) = d ( m ， ) 式中d ( f ，) 表示g 前串蜀g ：g ，和x 前串x x ：x ，之前的匹配距离。上述递 推计算过程的实质是以伸长和缩短某一符号串长度，以找到两个符号串之间的最 优匹配，也就是允许两个符号串间的符号多对一或一对多的对应。 巩( g ，爿) 值反映了两个符号串之间的差别大小，如果( g ，x ) = o 则两个符号串完全相同，三k ( g ，彳) 值越大，说明两个符号串相差越大相似度 越低。 下匝考虑签名笔段之间最优对应关系问题。此时g = g ，g ：g 。， x = x ，x ：。分别为参考签名和待测签名的笔段序列，m 、n 为笔段数，蜃和 x ，、之间的距离d ( f ，) 为 烈f ，) = ( “一以叶) 2 + o ，。一y 。) 2 + 。8 一x 。) 2 + 魄5 一虬) 2 十l t 8 一t l ( 9 ) 式中：f - 1 ，2 ，聊；j = l ，2 ，n ，x 。，y ；为笔段起点坐标：x 。，儿为笔段终点坐标； 三，为笔段的长度。 由前面的方程式就可以计算出参考签名和待测签名笔段之间的对应距离 见= d 。( g ，x ) 。 ( 1 0 ) 2 1 4 签名比较 签名的比较采用区域相关算法，以签名笔段为特征区域盼1 6 1 。 设剐( f ) 为参考签名某一信号，肋( f ) 为待测签名中对应信号。船( f ) 的第j 个区域b ，( ，) 和蹦( f ) 中对应区域爿，( f ) 之问的距离定义为： 。s，=一邑=一m尹(i茹 s ，为相似度。4 ，( f ) 和丑。o ) 中心对准，延迟时间f 最大允许为和彳，( f ) 和丑，( f ) 中较长一个的区域长度的5 0 。 互相关函数r ( 爿，( ，) ，q ( f ) ) = 爿j ( ，) b ，( f r ) 的计算采用快速傅立叶变换 f ( f f t ) 间接计算方法1 8 1 。具体方法如下：对两个数据集迸行f f t ，用一个变 换结果乘以另一个变换的复共轭，然后再求乘积的逆变换，逆变换结果中实部的 不同分量即为不同延迟时间的相关值。 由于4 ，( f ) 和占) 是两个不等长的观测时间序列，不能直接采用上述算法， 处理方法如下：采用中心对准，两端添零的方法。将4 ，( f ) 和口，( f ) 变成长度为n 的等长序列，n 为2 的整数次幂，即= 2 ”( m 为整数) ；为了避免f f t 造成的 终端效应，在两个等长序列的两端各添加n 2 个零元，得到长度为2 n 的两个 观测时间序列。 采用上述方法计算出册，= 1 ，2 ，j 后，信号舳( f ) 和翩( ，) 之间总的匹配 距离定义为： d 。= ( 口，d ，) ， ，= j ( 1 2 ) 其中，j 为婚( f ) 包含的区域数，权重a ，定义为 i = j q m ，l n y ，n 目) ( 1 3 ) 其中工为区域b ，( f ) 的长度，为册( f ) 的总长度，为区域舅( ，) 中包 含的虚拟坐标点数，研为区域b ，( r ) 总的坐标点数，4 为一非线性函数1 9 1 。 权重口。满足下面的约束条件： j y a = 1 智。( h ) 根据签名笔段的参数向量序列表示和笔段之问的映射，：嬲一r s ，采用上 述定义的区域相关算法，分别对待测签名和参考签名的x 坐标d 。( f ) 、y 坐标 d 。( f ) 、书写方向角毋( ) 、速度r ( d 、角速度圪o ) 、切向加速度4 ，( f ) 和向心加速 度爿。( f ) 这7 个信号进行比较，得到7 个距离，待测签名和参考签名之间总的匹配 距离d ，定义为这7 个距离的线性组合。当d ，掰时，则判定待测签名为真签名 样本；反之。则为伪签名样本。t h 为预先设定的阈值。 2 1 5 实验结果及分析 对8 名签名较熟练者的签名进行了认证实验。每人将自己的签名至少写1 0 次作为自己的真实签名。其中5 个作为参考样本，其余作为测试样本。8 名签名 者相互伪造他人签名，这样每个签名者获得至少5 个伪造签名。系统对于测试签 名样本的平均正确识别率达到9 8 8 ，即平均错误率为】2 。分析表明，产生 识别错误的原因是多方面的，主要有四种： ( 1 ) 一些人对使用电子式手写输入装置不太适应，输入的签名和平时在纸 1 9 上书写的签名有一定差异； ( 2 ) 一些笔画比较简单或书写十分工整的签名很容易模仿；还有些书写时， 压力变化不明显，使压力这一个重要的参数发挥的作用较少。 ( 3 ) 少数书写自由度较大的人提供的真签名样本之间变化幅度比较大： ( 4 ) 识别方法还需进一步完善。 2 2 电子手写签名动态数据的采集方法 前面介绍了电子手写签名的特征提取算法，但如何将联机电子手写签名信息 数字化，这是电子手写签名认证的一个重要问题。下面将介绍在w i n d o w s 9 8 9 5 环 境下如何使用v i s u a lc + + 开发工具获取电子手写签名过程中的形状和压力动态信 息的方法，用下面的方法所获取的信息，基本上可满足手写签名认证算法中所需 要的各种数据“”。 2 2 1 手写板硬件特征及w i n t a b 接口标准的编程特征 1 )数字式手写板硬件特征 市场上销售的手写板大致可分两类：一种是压力式手写板，其特点是手写区 域小，必须接触板面才能有感应，寿命短，使用不便，感觉好像在用鼠标。现已 基本被淘汰：另一种是电磁式，电磁感应笔放射出电磁波，基板感应到后计算出 笔的位置，并将信息送给电脑，由电脑作出相应的动作。其特点是手写区域大， 感应度高，寿命长，使用时的感觉就像在用一支真正的笔：例如，爱国者、蒙恬 手写板，下面将介绍的电子手写签名从此类手写板输入设备获取数字信息的方法。 2 ) 在w in d o w s 9 下遵循w i n t a b 接口标准编程的特征 w i i l t 抽接口标准是处理数字式手写板、三维定点传感器、触摸屏等数字式定 点设备，在m i c r o s o a w i n d o w s3 o 及其以上版本操作系统环境下的标准编程接口。 w i n d o w s9 8 9 5 是多任务操作系统。多任务环境意味着可能有多个应用程序共享 数字式手写板信息。w i n t 曲接口标准支持多个应用程序共享同一手写板。在支持 w i n i 曲接口标准的驱动程序驱动下应用程序是通过手写板接口标准自定义的消 息来获取输入数据的。对于用户而言，用户遵循w i r l t 曲接口标准开发软件将获得 最大的可扩展性，可以适应所有厂家遵循w i n l 、a b 标准的相关产品，并且当厂家驱动 程序或硬件产品更新时，用户不必更新应用软件。对于厂家而言，厂家的产品可以适 用于所有遵循w n l a b 接口标准开发的应用软件，不必考虑其驱动的兼容性。最重 要的一点是，有了支持w i r l t 曲接口标准的设备驱动程序，用户不需要直接面向硬件 的驱动接口，这将大大降低开发应用程序的难度。 22 2 与手写板有关的两个基本概念 1 ) t a b l e tc o n t e x t 手写板设备环境 手写板设备环境是w i t a b 接口的核心，其作用与w i n d o w sg d i 接口中的显 示设备环境相似。它是应用程序用来指定数字式手写板的对象。设备环境不仅仅 包含应用程序可使用的数字式手写板物理区域信息，还包含关于数字式手写板的 类型等信息。 2 )w tp a c k e t 一一数字式手写板消息 w i n t a b 应用程序通过事件包( e v e n tp a c k e t ) 来与数字式手写板建立联系和掌 握该设备的活动情况。应用程序可以通过使用事件掩码( e v e mm a s k 8 ) 来控制其接 收到的事件类型。 2 2 3w i n t a b 接口标准的几个基本函数 1 ) w t i n f 0 ( 1 函数 功能：获得数字式手写板配置信息。 w t i n f o ( ) 函数原型为：u n i tw t i n f o ( c a t e g o 啪n i n d e x ，l p o u t p u t ) w c a t e g o r y 确定获得哪类型的配置信息。 n i n d e x 确定w c a t c g o r y 类型的配置信息索引。 l p o u t p u t 用于存储返回的配置的缓冲区指针。 该函数如果返回值为零，则表明物理上没有数字式手写板或不支持该类配置 信息。使用该函数一般是用于获得数字式手写板设备环境的缺省值，同时还可检 查用户电脑上是否安装有应用程序所需要的手写板类型。 2 ) w t o p e n 0 函数 2 1 功能：为前数字式手写板建立一个活动设备环境。 w t o p e n 0 函数原型为h c t xw t o p e n ( 1 1 w n d ，i p l o g c t ) 【，f e n a b l e ) h w n d 拥有该数字式手写板设备环境窗口的旬柄。该窗口可以从由 w t o p e n o 函数打开的设备环境接收手写板消息。 1 p l o g c 戗指向l o g c 0 n t e x t 数据结构的指针。l o g c 0 咐t e x t 数据结构 定义了该数字式手写板的配置信息。 f e n a b l e 设备为1 1 t u e ，则当前建立的设备环境是否立即开始处理数字式定 位板所产生的事件数据包，并触发相应的消息给拥有该设备环境的窗口。 返回值为n u l l ，则表明设备环境打开失败，反之则成功打开设备环境。 3 )w t c l o s