（计算机应用技术专业论文）电子行政审批系统中签名鉴别方法的研究.pdf

沈阳工业大学硕士学位论文 摘要 随着网络技术的飞速发展，人类的各种行为不可避免的将与i n t e m e t 网络以及信息 处理技术发生关系。在此潮流之下，传统的保密与认证方式，己难以应付日益复杂的电 子交易和信息保密措施的需要。人们对快速有效的身份验证的要求日益迫切。由于生物 特征是人的内在属性，具有很强的自身稳定性和个体差异性，因此它是身份验证的最理 想依据，利用签名进行身份验证又是其中经常被采用的手段，因为签名容易获取并且不 同的人的签名笔迹也不相同。 签名鉴别技术有着广泛的应用背景。签名的重要性和法律地位在当今社会中仍然是 无法替代的，签名是权利、义务和责任的象征，直接代表签名者本人。因此签名鉴别系 统可以应用于商业、银行、公安机关等领域。今年来，随着我国大力发展电子行政审批 制度，大量的信息将在电子行政审批系统中传播，信息安全问题已成为电子政务中的热 点，签名鉴别技术恰恰可以解决这一问题。它已逐步成为计算机视觉和模式识别领域的 一个十分活跃的课题。 随着人工智能和模式识别等相关学科的发展，签名鉴别取得了巨大的进展。但是目 前签名鉴别尚存在诸多难点，许多探索还停留在研究阶段。本课题在沈阳市财政局电子 行政审批系统的基础上，研究了签名的鉴别的实现。实现了对签名图片的一系列预处理 以及签名的分割，并且利用相关函数来对签名做特征提取，最后实现了签名的鉴别。软 件模拟试验证明该系统实现简单，鉴别效果较为理想。 关键词：生物特征，签名鉴别，特征提取 姿堕王些查兰堕主兰垡堡兰 r e s e a r c ho f s i g n a t u r e v e r i f i c a t i o ni nt h ee l e c t r o n i ce x a m i n a t i o n a n d a p p r o v a ls y s t e m a b s t r a c t w i mt h ed e v e l o p m e n ta tf u l ls p e e do fn e t w o r kt e c h n o l o g y ，i n t e r a c ta n di n f o 啪a t i o n t e c h n o l o g i e sw i l lb em o r ea n dm o r eb l e n d e di n t o0 1 1 1 d a i l yl i f e u n d e rt h i st i d e ，t r a d i t i o n a l s e c u r i t yw a y sh a v eb e e nn ol o n g e rr e l i a b l e t os a t i s f yt h en e e do fc o m p l e xb e h a v i o r so fe c o m i l e r e ea n di n f o r m a t i o n s e c u r i t y p e o p l e s d e m a n df o rq u i c ka n de f f e c t i v ei d e n t i t y v e r i f i c a t i o ni s i n c r e a s i n g l yu r g e n t t h eb i o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c sa l et h eh u m a ni n h e r e n t a t t r i b u t e s ，w h i c hh a v ev e r ys t r o n gs t a b i l i t ya n d i n d i v i d u a ld i f f e r e n c e , s oi ti st h em o s ti d e a lb a s i s o fi d e n t i t yv e r i f i c a t i o n m a k i n gu s eo ft h es i g n a t u r et oc a r r yo nt h ei d e n t i t yv e r i f i c a t i o ni s u s u a l l ya d o p t e d ，b e c a u s es i g n a t u r ei sv e r ye a s yt og e ta n dd i f f e r e n tp e o p l e ss i g n a t u r e s a r e d i f f e r e n t t h e s i g n a t u r e v e r i f i c a t i o nh a se x t e n s i v e a p p l i c a t i o nb a c k g r o u n d s t h es i g n a t u r e s i m p o r t a n c ea n d s t a t u so fl a wa t ee x c l u s i v ei nc u r r e n ts o c i e t y s i g n a t u r ei st h es y m b o lo f r i g h t , o b l i g a t i o na n dl i a b i l i t ya n d i ti st h ed e l e g a t eo f t h e p e o p l e w h ow r o t et b es i g n a t u r e s os y s t e mo f s i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n c a nb ea p p l i e df o rt h ef i e l do f c o m m e r c e ，b a n ka n d p o l i c ee t c n o w , a s o u r c o u n n yd e v e l o p st h ee l e c t r o n i ce x a m i n a t i o n a n d a p p r o v a ls y s t e m i nam o r ee f f e c t i v em a n n e r , a l a r g en u m b e r o f i n f o r m a t i o nw i l lb et r a v e l e di nt h ee l e c t r o n i ce x a m i n a t i o na n da p p r o v a ls y s t e m t h eq u e s t i o no fi n f o r m a t i o ns e c u r i t yh a sb e c o m et h ef o c u si ne - g o v e m m e n t s i g n a t u r e v e r i f i c a t i o nw i l ls o l u t et h i sq u e s t i o n i th a sb e c o m eo n ea c t i v er e s e a r c hs u b j e c to n c o m p u t e r v i s i o na n d p a t t e r nr e c o g n i t i o n a s p r o g r e s si nc o r r e l a t e dd i s c i p l i n e ss u c ha sp a 址c mr e c o g n i t i o n a n da r t i f i c i a li n t e l l i g e n c e , s i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n h a si l a d eg r e a t p r o g r e s s h o w e v e r , t h e r e a r es t i l lm a n yu n s o l v e d p r o b l e m s e x i s t i n gi nt h i sf i e l d a n dm a n yw o r k si nt h i s f i e l ds t i l ls t a yi nr e s e a r c h t h em a i ng o a li s r e a l i z a t i o n o f s i g n a t u r e v e r i f i c a t i o n w h i c h b a s e do n t h e e l e c l r o n i c e x a m i n a t i o n a n d a p p r o v a l s y a e m o fs h o n y a n gb u r e a u w er e a l i z eas e d e so fp r e p r o e e s s h go fs i g n a t u r ea n dt h ed i v i s i o no fs i g n a a u r e ，w e - 2 - 沈阳_ t 业大学硕十学位论文 r e a l i z ef e a t u r ee x t r a c t i o nb yr e l a t e df u n c t i o n a tl a s t , s i g n a t u r ev e r i f i c a t i o ni sr e a l i z e d s o i t w a r es i m u l a t i o n r e s u l t sp r o v et h es y s t e mi sn o t c o m p l e x t or e a l i z ea n dt h er e s u l t sa r ev e r y g o o d k e yw o r d s ：b i o m e l r i ef e a t u r e ，s i g n a t u r ev e r i f i c a t i o n ，f e a t u r ee x t r a c t i o n 一3 - 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个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的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：燃日期：幽曼f 目 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、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循此规定) 签名：燃导师签名： 垒叠兰羔 日期： 王。 沈阳工业大学顾士学位论文 1 绪论 1 1 题目背景 随着互联网的越来越普及以及社会信息化的不断推进，各级政府的办公自动化需求 也在不断升级。“无笔办公”、“无纸办公”、“电子政府”等口号纷纷被提出。原有 的各种办公自动化系统越来越难以适应网络时代政府办公的高标准要求，电子政务系统 就是在这种背景下应运而生的【l 】。借助于电子信息技术的电子政务系统的一大特征就是 身份的数字化和隐性化，如何准确鉴定一个人的身份，保护信息安全是其必须考虑和解 决的一个关键的问题。特别是在电子行政审批系统中，这个问题更加突出。电子行政审 批系统是电子政务系统的重要组成，它主要实现政府办公过程中的公文流转、审批的功 能，在公文审批的过程中，各级领导的签名是难以避免的，那么我们如何来判断签名者 身份的真实性以防止各种冒充身份审批公文的事件发生。这就需要在电子行政审批系统 中引入签名识别技术。 签名鉴别是模式识别的一个分支，模式识别诞生于2 0 世纪2 0 年代，随着4 0 年代 计算机的出现，5 0 年代人工智能的兴起，模式识别在2 0 世纪6 0 年代迅速发展成为一 门学科。在模式识别里，当前的研究热点是人的身份的识别，签名鉴别f 是一个方便、 实用的身份识别手段。 签名鉴别的研究始于六十年代，近年来，虽然签名鉴别有了很大的发展，但是，相 对于指纹识别，虹膜识别等其他的生物特征识别手段，签名鉴别并没有取得突破性的成 果。签名鉴别的困难主要在于签名的不稳定性，随着一个人的年龄的变化，签名的时刻 的不同，身体和环境条件的不同，其签名总是时刻在演变 2 1 。有时同一个人的签名的样 本之间的差别也很大。另一方面，还有很多同真签名难以区分的模仿签名，这些模仿签 名就是由专门的鉴别专家来鉴别，成功率有的时候也不是很高，这也对签名的计算机鉴 别造成了困难。当前，西欧的许多专家是从西文签名图片中抽取动态特征，主要是压力 的信息来进行鉴别，取得了很多成果。但是中文签名同西文签名相比有很大的差异，不 能完全套用他们的经验。中文的签名鉴别现在还不能达到实用阶段。 沈阳工业大学硕士学位论文 沈阳市财政局是市政府的综合部门，沈阳市财政局的主要职责是贯彻执行国家和省 财政、税收的方针政策、中长期规划，拟定本市财政税收的方针政策和中长期规划，参 与制定各项宏观经济政策；提出运用财税政策实施宏观调控和综合平衡社会财力的建 议；拟定和执行全市财政分配政策；管理市级财政公共支出；拟定和执行地方性采购政 策：管理财政预算内行政机构、事业单位和社会团体的非贸易外汇；管理市本级财政社 会保障支出：审核和管理国家赔偿费用；负责国有资产的清产核资、产权界定、资产评 估、产权登记等基础管理：管理行政事业性国有资产；调处产权纠纷，查处国有资产流 失等。为了提高行政审批的工作效率和质量，贯彻十六大报告有关精神，坚持与时俱 进，同时，财政局行政审批信息化建设也是下一步政府行政审批改革的一部分。它可以 提高政府行政审批的效率和透明度。为此，财政局决定根据现有实际情况开发一套专业 化网络版的审批软件，达到实时受理、实时上报、实时审批、实时反馈，以加快沈阳市 财政局行政审批信息化建设的步伐。它的网络逻辑结构如图1 1 所示： 图1 1 沈日= | 市财政局行政审批系统网络逻辑结构图 本题目正是基于沈阳市财政局行政审批系统的基础上提出的，原系统在审批过程中 未能实现对审批者的签名的真伪性的判断，本课题是为了弥补原系统的不足，提高原系 统的安全性。 沈阳工业人学硕士学位论文 1 2 身份鉴别的定义和意义 身份鉴别是指通过某种方法确定人的身份。从根本上说，身份鉴别的问题可以划分 为两类：身份验证和身份识别。身份验证是指确认个人声称的身份是否与其真实身份一 致，即回答“我是某人吗? ”的问题。身份识别是指识别出个人的真实身份，即回答 “我是谁? ”的问题。 身份鉴别的历史可以追溯到原始社会。当时的人类生活在很小的部落中，互相认识 对方，身份鉴别显得十分简单。而现代社会是一个高度复杂的、信息交互的社会，身份 鉴别已经渗透到日常生活的每一个方面。同时，由于交通、通信和网络技术的发展，人 类的活动范围越来越大，身份鉴别的难度和重要性也越来越突出。以美国为例，美国一 年有上亿美元福利款视人以假冒身份领取。据m a s t e r c a r d 公司估计，每年约有4 5 亿 美元的信用卡诈骗案发生，其中就包括利用丢失和被盗的信用卡犯罪，如果销售场所可 以准确地鉴别持卡人的身份就会大大减少这类诈骗案的发生。另外，由于使用盗窃来的 身份识别码( p i n ) ，而造成的移动电话通信的损失高达l o 亿美元。据估计，利用可靠 的方法鉴别a t m 持卡人的身份，可以使全美国每年由于a t m 诈骗案造成的损失减少 3 亿美元，可靠地鉴别支票领款人可以减少上亿美元的冒领金额。随着网络的发展，非 法登陆计算机的案件正呈上升趋势，有效的身份鉴别技术可以防止这类案件的发生。另 据美国移民局统计，如果在美国墨西哥边境采用身份鉴别系统，可以每天查出 3 0 0 0 件非法入境案件。以上的这组数据表明，有效地鉴定个人的身份有着重大的社会 意义和经济意义，它可以有效地防止犯罪和诈骗，提高办公效率，节约资源3 1 。 l _ 3 基于生物特征的身份鉴别 1 3 1 基于生物特征的身份鉴别的意义 鉴别人的身份是一个非常困难的问题，传统的身份鉴别方法把这个问题转化为鉴别 一些标识个人身份的事物，这包括两个方面： ( 1 ) 身份标识物品，比如钥匙、证件、a t m 卡等： ( 2 ) 身份标识知识，比如用户名和密码。 在信息技术飞速发展的今天，计算机已经成为替代人类去工作的重要工具，计算机 的普及以及网络的快速发展方便了我们的日常生活。它可以让我们能获得比已往更多的 沈阳工业大学硕士学位论文 信息，可以使在不同地域和拥有不同文化背景的人更加方便的交流。在我们享受它带来 的种种便利和帮助的同时，也不禁会为我们的安全问题而担忧。此时，传统的身份鉴别 方法越来越暴露出它的缺点：个人拥有的物品容易丢失或被伪造，个人的密码容易遗忘 或记错。更为严重的是这些系统无法区分真正的拥有者和取得身份标识的冒充者，一旦 他人获得了这些身份标识事物，就可以拥有相同的权力。信用卡号码和密码被窃取，身 份证件被盗用等事件的不断发生证明了，随着时代的发展，传统的身份鉴别方法己经不 能满足人们对于安全的需要了。 基于生物特征的身份鉴别技术，为我们提供了一种更加方便和可靠的方法，在现代 社会中，以知识为基础的新经济正在崛起，其两大主流科技就是计算机技术和生物技 术。而生物特征识别技术，正是横跨这两大科技领域。它在国际上己经是繁荣昌盛，在 国内却是刚刚起步。所谓生物特征识别( b i o m e t r i c ) 技术是指通过计算机利用人体 所固有的生理特征或行为特征来进行个人身份鉴别【4 】。生理特征与生俱来，多为先天性 的：行为特征则是习惯使然，多为后天性的，我们将生理和行为特征统称为生物特征。 常用的生物特征包括：指纹、掌纹、虹膜、脸像、声音、笔迹等。生物特征识别主要应 用于安全保密、认证防伪、考勤打卡、刑事侦破等。如果你想要建设一个数字化社区， 就需要有一套安全可靠的门禁系统，是用钥匙? 用i c 卡? 还是用指纹锁? 如果成本合 适的话，我想大家都会选择指纹锁，因为指纹是“随身携带”的，不用担心会丢失；而 且指纹又是唯一的，全球6 0 亿人绝不会有两个一模一样的指纹，安全可靠。其他的生 物特征也与指纹有相同的特点，这就是生物特征识别成为计算机行业“显学”的原因。 生物识别技术可广泛用于政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务、安全防务 等领域。例如，一位储户走进了银行，他既没带银行卡，也没有回忆密码就径直提款， 当他在提款机上提款时，一台摄像机对该用户的眼睛扫描，然后迅速而准确地完成了用 户身份鉴别，办理完业务，这是美国德克萨斯州联合银行的一个营业部中发生的一个真 实的镜头。而该营业部所使用的正是现代生物识别技术中的“虹膜识别系统”。美国 9 1 l 事件后，反恐怖活动已成为各国政府的共识，加强机场的安全防务十分重要。美 国维萨格公司的脸象识别技术在美国的两家机场大显神通，它能在拥挤的人群中挑出某 一张面孔，并判断出他是不是通缉犯。 4 沈阳工业大学硕上学位论文 1 - 3 2 国内外基于生物特征的身份鉴别的发展状况 基于生物特征的身份鉴别技术己经成为人的身份鉴别的主流技术。据资料显示， 1 9 9 9 年在美国就有近1 5 0 家公司从事生物特征鉴别技术的研究、开发和应用。其中， 从事指纹研究的有8 0 家，声纹研究的有3 2 家，人像研究的有1 2 家，签名研究的1 5 家，虹膜与视网膜研究的3 家，掌形与掌纹研究的2 家。据业界专家的估计，包括这项 技术的产业规模和市场销售额已经达到了几十亿美元。而在中国，这个市场现在的潜力 也不会小于几十亿人民币。 目前，国外许多高新技术公司正在试图用眼睛虹膜、指纹、面貌特征等取代人们手 中的信用卡或密码，并且已经开始在机场、银行和各种电子仪器上进行了实际应用。美 国一家高技术公司研制出的虹膜识别系统已经应用在美国德克萨斯州联合银行的三个营 业部内。储户来办理银行业务，无需银行卡，更没有回忆密码的烦恼。他们在取款机上 取钱时，一台摄像机首先对用户的眼睛进行扫描，然后将扫描图像转化成数字信息与数 据库中的资料核对，以对用户的身份进行检验。日本三菱电机公司将“指纹认证装置” 微型化，并内置于公司推出的手机中。在使用者打电话时只要用手指触摸手机的传感器 部位，手机就能马上识别出指纹是否与使用者事先登记的指纹一致。如果与事先登记的 指纹不相符合，电话就不能接通。这使手机用户再也不必担心手机被人盗用了。 生物识别技术最有前途的地方或许是在电子商务领域。预计到2 0 0 5 年，全球因特 网用户将达到7 6 5 亿，与此同时，网络黑客的破坏活动也会层出不穷。鉴于生物识别 的可靠性，未来人们在网上购物或交易时，须首先在生物识别仪器上进行身份认证，这 样可以保证网络管理机构有效地监督网络交易的参与者，并大大减少不法分子对网络交 易的破坏活动。 美国前总统克林顿曾签署了电子签名法案，使电子签名在美国获褥与普通书面签名 一样的法律地位，从而进一步方便了企业和消费者在网上做生意。而这项法案的签署， 同时也促使美国各大生物技术公司加紧开发保证电子签名安全的技术，其中主要包括验 证个人身份的加密数字代码装置和附加在计算机上的文字签名，指纹或虹膜的检验设施 等。 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 基于签名的身份验证 虽然生物特征识别可以根据人的指纹、掌纹、虹膜、脸像、声音等多方面来鉴别个 人的身份，但是签名的重要性和法律地位在当今社会中仍然是无法替代的。在大多数场 合下，亲笔签名是权利、义务和责任的象征，直接代表签名者本人1 5 】。随着中国加入了 w t o ，经济的发展和国际交往的日益频繁，在金融界和政界会有各种各样的协议书、 合同、法规及支票等都需要当事人的签名。因此，假如签名被模仿和伪造，将造成严重 的社会后果和巨大的经济损失，严重的更会破坏整个金融秩序和社会安定。因此，对签 名进行可靠、有效、快速地鉴定具有重要的社会价值和实用意义。现在签名鉴别已经是 一种很符合人的习惯的身份鉴别方法，它已经得到普遍接受和承认。手写体签名鉴别是 计算机视觉和模式识别领域中的一个非常活跃的研究课题。作为一种身份鉴别的手段， 它有许多优点。手写签名笔迹易于获取，而且不同的人通常有不同的笔迹。因此基于签 名笔迹的身份鉴别有着十分广阔的应用范围，它可以用于金融、保安甚至考古学等领 域。 1 4 1 签名笔迹鉴别的概念 首先，我们必须明确签名鉴别的概念。简单地说，签名鉴别( 也称签名检验) 就是 通过分析、比较手写签名的风格和特征来确定书写者的身份的一门科学和技术，是人体 生物特征辨识的有效方法之一。签名鉴别中的身份判断有两种方式：一种是直接比较、 分析两份手写签名，判断它们是否是同一人的手笔；另一种是从多人签名样本( 简称样 本) 中找出与检验签名( 简称检材) 签名特征最接近的签名样本。签名鉴别中假设参考 文件的书写者身份己知，从而可以通过笔迹特征的比较、分析来确定检验签名的书写者 身份。 因为签名鉴别是属于模式识别的范畴，因此，对于如何解决签名鉴别这一问题，可 用模式识别的方法来解释、可阻简单地认为：签名鉴别研究的是寻找一种从模式空间 ( 签名空间) 到类空间( 书写者空间) 的多对一的映射关系，如图1 2 所示： 沈阳工业大学硕士学位论文 图l 工模式空问到类空间的映射 由图1 2 可以看出，各个类的签名模式在模式空间中的存在位置是杂乱无章的。 因此，要确定这些模式的归属，最好的方法是把它们映射到一个按区域划分的空间中， 最起码比原来的模式空问有所改善的空间去，雨在这个空间中，各个类的模式多少不曾 改变；只不过是存在位置有所改变。寻找该空间的过程是通过特征提取来实现的，在图 1 2 中，从签名模式空间到特征间( 1 ) 的映射、从特征空间( 1 ) 到特征空问( 2 ) 的 映射就是特征提取的过程。 由图1 2 中可以看出，特征空间( 2 ) 中各类模式相应的位置分布己经彻底的分 开，完全实现了分类。最后通过特征空间( 2 ) 到类空间的广义距离映射就能实现签名 鉴定了。当然，对于上述的特征提取过程，若特征与签名鉴别的相关性足够大时，完全 可以直接从笔迹模式空间映射到特征空间( 2 ) 。 从中也可以看出，对于签名鉴别来说( 模式识别都是如此) ，最关键的是特征提取 的过程。倘若在签名模式空闰中直接寻求一种分类鉴定方法。这肯定是行不通的。同 样，即使提取了一定的特征，但提取的特征未能真正有效的话，相应的模式在特征空间 中的分布仍然是有很多的交叉部分，在这基础上荐进行空间分类的话，也很难找到一个 效果令人满意的分类的方法网。而当提取了与签名鉴别一定相关有效的特征后，就能把 相应的签名模式在特征空间中很好的区分开来，如图1 2 中的特征空间( 2 ) 所示，然 沈阳工业大学硕士学位论文 后通过进行一定的相似性度量就能完成理想的鉴别。因此，在进行笔迹鉴别的研究中， 特别要注意有效特征的提取，要把特征提取作为研究的重点。 1 4 2 签名鉴别的可行性 签名鉴别之所以能成为一门学科，且具有一定的可行性，是因为它有自己稳定的研 究对象，有专门的实践领域，有科学的检验方法签名鉴别的科学性和可行性，已被长 期的实践所证明【7 j 。 首先，签名笔迹能够充分、客观地反映书写习惯。书写习惯如同人的工作、生活习 惯一样，一经形成并且定型后就再不容易改变了。书写习惯通过书写活动表现为笔迹， 研究人的书写习惯，必须研究笔迹及其在表现为笔迹过程中所呈现的变化，从而研究人 的书写习惯及其发展演变，人的意识对书写习惯的制约作用，研究书写条件对笔迹的影 响，以及书写习惯的特征与特性，并进行比较和鉴别。所以，签名笔迹的客观反映性是 笔迹鉴定的物质基础。 其次，由于书写习惯在长期的发展演变中，虽然会产生自身的差异，但具有相对稳 定性，其基本特征保持不变。故签名笔迹的相对稳定性是签名鉴别的基本条件。 最后，书写既受共同性支配又受特殊性支配，共同性取决于文字结构，特殊性取决 干个人的书写习惯。故渗透在结构共同性中的运笔特殊性是签名鉴别的根据。 必须指出的是，虽然签名笔迹的反映性不单是反映书写习惯的真实面貌，签名的同 一性又包含着矛盾与差异，签名笔迹的运笔特殊性又包含与他人的共同性，但是只要客 观地、科学地认识签名的基本属性，掌握签名笔迹伪装变化的一般规律、笔迹自身演变 的规律、笔迹特征价值的规律，在具体的研究中，可采用抽取多样本、多特征等方法， 是可以避免上述不良干扰的。这样一来，签名鉴别这一研究的可行性还是可以得到保证 的。 1 4 3 签名鉴别的意义和用途 现代科学研究表明，人的书写风格与个人的性格，体质和年幼时的训练有关，这种 风格一旦养成就会伴随他的一生。通过分析和比较手写签名的风格，反过来推测书写人 的身份和性格等已十分流行。 沈阳工业大学硕士学位论文 由于每个人都有自己独特的书写风格，因此签名常常是个人身份的证明，与其他生 物特征如：指纹、人脸、虹膜特征相比，具有形象、方便、易行、难以窃取和不易遗忘 等优点。但同时个人签名容易被模仿，有时会引起严重的社会后果，造成巨大的经济损 失。因此对签名进行实时自动的鉴别，具有重要的应用价值和社会意义。 签名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 的地方都用得着签名鉴别，如公安、司法部门的刑事调查和法庭审判，金融、财会部门 的签名对照，海关护照持有人的身份的验证，计算机终端访问人的认定，仓库保管员身 份的证实等等。在刑事调查中，签名笔迹是一种重要的犯罪证据，签名检验是寻找和确 认罪犯的重要手段。在金融领域，使用信用卡时，可以要求持卡人当场签字，并与卡上 的预留签名样本进行对照，判断是否为同一个人所写。此外，像保密问题，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存在计算机里，开机时，机器 提示用户输入签名并与存储的签名样本进行比较，从而来判断是接受还是拒绝本次访 问。 1 4 4 手写体签名鉴别的国内外研究动态 手写体签名鉴别是通过分析手写签名的书写风格来判断书写人身份的- - i 1 技术。近 年来，由于手写体签名鉴别技术在公安、金融、教育测评等领域得到广泛的应用，它正 逐步成为计算机视觉和模式识别领域中一个十分活跃但难度较高的研究课题。其实签名 鉴别有着非常悠久的历史，在我国古代( 可以追溯到公元前) 就有根据签名笔迹确认身 份和调查案件的记载嘲。到1 9 世纪，笔迹鉴别已在世界各国普遍兴起，在欧洲一些国 家率先走上理论化、系统化的道路。计算机签名鉴别的研究最早始于2 0 世纪6 0 年代， 1 9 6 6 年苏联的几名研究者发表了用电子计算机进行笔迹鉴别的研究报告，这大概是最 早的报导了。至七十年代，计算机签名鉴别的研究和开发形成了一个热潮，其中影响最 大的要算前联邦德国的刑警局住持研发的签名鉴别系统，该项目投资大、历时长、有大 量的专家参加了研究，提出了一系列行之有效的方法。当时的签名鉴别主要进行了：图 像的获取，预处理，分割等。当时的系统可以抽取签名的特征并进行分类，但是最后的 鉴别工作还需要由专家来完成。西方的一些学者，如m a m d 2 t r 等【9 】，试图从西文签名 图像中提取动态特征，主要是压力信息( p r e a s u r ef e a t u r e ) 来完成签名的鉴别。闩本虽 沈阳工业大学硕上学位论文 然未公开报道过他们的签名鉴别系统，但是他们在这方面做了很多研究，日本学者在这 方面发表的文献数量最多且质量也都很高。一些日本学者，如i s a oy a s h i n u r a ，m i t s u y o s h i n l 】r a 【1 0 1 对从日文汉字签名中提取笔划方向特征( s l a n tf e a t u r e ) 做了有益的研究。 由于语言文字方面的渊源，日本的研究成果更值得我们去借鉴。 中文手写体签名和西文手写体的签名相比有很大差异，即使是同文手写体和中文手 写体相比，也更接近于手写印刷体，远不如中文签名那么复杂。所中文签名鉴别不能完 全套用他们的经验。中科院自动化所文字识别实验室从1 9 9 2 年开始，与北京市刑事科 技研究所合作，开始了这方面的研究。1 9 9 7 年，刘成林、刘迎建、戴汝为发表的基 于多通道分解和匹配的笔迹鉴别研究等文章提出了自己的新的识别方法【1 ”，并取得了 较好的效果。2 0 0 0 年，谭铁牛提出的将笔迹、文字识别问题作为纹理识别来处理的方 法，也取得了较好的效果1 1 3 l 。目前国内有很多的公司都在致力于笔迹鉴别系统的开 发，并取得了一些成果，但真正达到实用水平的到现在还没有，众多的研究都还停留在 实验室阶段。 1 4 5 计算机签名鉴别的一般方法和所选取的特征 计算机签名鉴别是一个典型的模式识别问题。计算机签名鉴别的一般方法是：首先 将各个参考签名录入计算机，建立样本库，并为每个人的参考样本库建立一个不同的标 号，以便区别。当待鉴别签名输入后，就将它与参考签名进行比较，以鉴别其真伪。视 所考虑的问题不同，其模式识别的过程有会稍有差异，但是从总体上说它就是一个分类 判决的问题。 为了有效的实现分类决策，需要对原始数据进行变换，选取最能反映分类本质的特 征，这在模式识别系统中是有决定意义的一步。根据签名特征提取所考察的对象的角度 可以将计算机签名鉴别方法分为两大类：文本独立( t e x ti n d e p e n d e n t ) 方法和文本依存 方法( t e x td e p e n d e n t ) 方法【1 4 1 。文本独立方法比较签名文本的布局特征和字符大致形 态，文本依存方法则从检验签名和参考签名中选择相同字( 在签名笔迹识别领域称为特 征字) 进行比较。接下来我们将对目前在计算机离线签名鉴别系统较常被提取的特征归 结为如下三类： 沈阳工业大学硕上学位论文 ( 1 ) 全局特征。所谓全局特征就是在由一个矩形框或者某种限制型框架所决定的签 名区域中，针对每个象素( p i x e l ) 做特征提取所得出的结果。这些特征与签名笔迹信号 的局部属性、几何属性和扩扑属性关系不大。但与签名笔迹的形变，序列化扩张和其图 形的梯度属性关系密切。对汉字来说，可将其行字排列看作是一种有规则的纹理，单个 字符搭配关系也可以用纹理来衡量。常用的签名鉴别方法很多都采用了纹理分析的方 法，比如：游程长度直方图的方法，多通道二维短时傅立叶( g a b o r ) 变换方法【1 5 】，简 化的图象局部频谱w i g n e r 分布纹理分析法，基于二维快速d c t 变换的分析方法【1 6 】以及 一些基于小波基多分辨分析纹理特征提取方法等切。 ( 2 ) 统计特征。此类特征来源于签名笔迹象素的统计分布。例如可以通过一种高强 度分割方法在垂直方向将签名分为高，中，低三段。汉字作为一种最古老的象形文字， 具有独特的空间组织结构特征，正是这种独一无二的组织结构决定了汉字签名的统计特 征可以作为它的鉴别的标准。在汉字签名笔迹的统计特征提取中，根据所需鉴别汉字签 名的笔划长短，密集程度等动态统计象素特征，可以有效的提高分辨率。显然，在汉字 签名笔迹的统计特征中包含有一些签名笔迹的扩扑和动态信息，这使得鉴别过程对于小 的型变和字型变化具有一定的适应性。 ( 3 ) 几何特征。这类特征是指手写体签名中所保留的笔迹全局或局部几何或扩扑特 征，这些特征对于识别各种高畸变，多字型的手写体样本可以表现出很好的效果。这种 特征提取方法是伴随着图象处理领域研究热点的出现而出现的，其研究高峰期主要集中 于二十世纪八十年代中到九十年代初期，较常见的几何特征提取方法1 目有：多边形近似 ( p o l y g o n a la p p r o x i m a t i o n ) ，卷积( c o n v o l u t i o n ) ，笔划分割，括扑轮廓跟踪等。最 近的研究成果提出了一种多小波分析识别方法，这是对传统意义上的图象处理方法的继 承和发展。 除了上面针对三类具体特征的不同而提出的不同特征提取方法，还有那些经典的传 统模式识别方法在整个计算机签名鉴别的构造中扮演穿针引线，不可或缺的角色。这些 常见的方法主要有：动态匹配( d y n a m i cm a t c h i n g ) ，神经网络( n e u r a ln e t w o r k s ) ， 隐马尔可夫模型( h i d d e nm a r k o v m o d e l ) i t g l ，支持向量机( s u p p o r t v e c t o rm a c h i n e ) 等 等。 沈阳工业大学硕士学位论文 综观近十年来的签名研究的成果，在签名笔迹的特征提取和签名笔迹的分析等方面 并未取得突破性的进展【驯，其遇到的主要困难就是签名的不稳定性以及精心模仿的伪造 签名，对此即使是鉴别专家也是无法保证百分之百的鉴别正确率，用计算机实现更是困 难。由于离线的签名鉴别无法像在在线签名鉴别那样可以获得许多动态信息，所以离线 的签名鉴别难度更大，离线手写体签名鉴别也一直无法达到实用的程度。本文希望能够 为这方面的进步做出一点有益的工作。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 计算机签名鉴别的系统构成 2 1 人工签名鉴别的流程和特点 传统的签名鉴别都是由专门的专家来进行，他们进行签名鉴别大致可以分为如下几 个阶段： ( 1 ) 受理检验，收集样本。即检验专家收集，获取待检验人合乎质量要求的签名， 以次作为待检验的签名样本。 ( 2 ) 比较笔迹间的异同点。对待检验签名样本和参考签名样本的字型，笔划，部首 搭配以及各个局部的细节一一进行比较，确定相同点和差异点，并且在比对表上记录下 来。 ( 3 ) 比较签名笔迹间的异同点。对待检验的签名样本和参考签名样本间的异同点， 结合书写人的文化社会背景以及书写的环境和书写的时问等因素综合考虑，分析相同点 和差异点的成因并估计它们在签名鉴别中的价值。 ( 4 ) 综合判断并做出评价。把通过比较和初步分析所展示出来的相同点和差异点综 合起来进行权衡和考虑，并根据相同和差异双方的主次对比，得出最终的鉴别结论。 从上面的人工操作过程中不难看出，签名鉴别的每一步都需要丰富的经验和知识， 没有受过专f 。j i ) l l 练的人是不可能胜任的。因此，人工签名鉴别的成本是很高的，而且， 鉴别过程中会受到人的主观性的影响。 2 2 计算机签名鉴别的特点 正是由于上节所介绍的人工签名识别中所存在的问题，人们开始希望能够利用计 算机程序来减轻鉴别人员的工作量并克服人工鉴别的主观性。 计算机签名鉴别的优点是： ( 1 ) 能够可靠地长期运转，因为一个程序一旦正确的设计完成，就可以一劳永逸地 反复运行。完成指定的功能和服务，它的可靠性远远超过了人工操作。 ( 2 ) 技术进步快。任何复杂的功能强大的程序都是由多个简单的功能单一的程序组 成的，程序的不断开发会自然地积累下来，而程序的积累就会直接带来技术上的进步， 并且，技术更新往往只是软件的更新，这样所花费的成本和代价都是比较小的。 沈阳t 业大学硕士学位论文 ( 3 ) 便于构造大系统。大系统可以被分解为众多的子系统来构造，子系统内部靠内 部程序控制，子系统之间靠数据或者协议来联系和协调。依靠这种方式，一个覆盖全球 的大服务系统就不难建立起来。 但是计算机只是一种高速的数字计算工具，它的结构与运行机制与人脑的结构和思 维相去甚远，如果没有人在软件中嵌入一些经验，知识和方法，计算机是没有智能的。 然而就是这种通过软件和程序的实现，就目前的技术水平而言，也是非常有限的。人的 知识和技能并非都能让计算机掌握。因此在让计算机完成有关智能的活动时，我们必须 深入分析计算机的长处和短处，充分了解人工智能技术发展的现状，使计算机在工作中 充分发展计算速度快的优点，在技术水平和代价允许的范围内充分实现智能化。 2 3 计算机签名鉴别的系统流程 2 3 1 模式识别系统的基本组成 计算机签名鉴别从其学科分类来说是一个典型的模式识别问题，具有模式识别系统 的普遍特性。模式识别系统都由两个过程组成，即设计和实现。设计是指用一定数量的 样本进行分类器的设计，实现是指用户所设计的分类器对待鉴别的样本进行分类决策。 模式识别系统的基本原理如图2 1 所示： 魁2 1 模式识别系统的基本组成 ( 1 ) 数据获取。为了使计算机能够对这种对象进行分类识别，要用计算机可以运 算的符号来表示所研究的对象。通常来说，输入对象的信息可以分为下列三种不同类 型： 1 ) 二维图象，如文字，指纹，地图，照片这类对象。 沈阳工业大学硕士学位论文 2 ) 一维波形，如脑电波，心电图，机械震动波形等。 3 ) 物理参量和逻辑值，前者如在疾病诊断中病人的体温以及各种化验数据等；后 者如某参量正常与否的判断或是对症状有无的描述，如疼与不疼可以用逻辑值1 和0 表 示。在引入逻辑的系统中，这些值还可以包括模糊逻辑值，比如：很大，比较大，大 等。 通过测量，采样和量化，可以用矩阵或向量表示二维图象或一维波形，这就是数据 获取的过程。 ( 2 ) 预处理。预处理的目的是去除噪声，加强有用的信息，并对输入测量仪器或 其他因素造成的退化信号进行复原。其主要包括：图象的去除噪声，图象二值化，图象 归一化，等等操作。 ( 3 ) 特征提取和选择。由图象或波形所获得的数据量是相当大的。例如：一个文 字图象可以有几千个数据，一个心电图波形也可能有几千个数据，一个卫星遥感图象的 数据量就是更大了。为了有效的实现分类识别，就要对原始数据进行变换，得到最能反 映分类本质的特征，这就是特征提取和选择的过程。一般，我们把原始数据组成的空间 叫测量空间，把分类识别赖以进行的空间叫特征空间，通过变换，可以把在维数较高测 量空间中表示的模式变为在维数较低的特征空间中表示的模式。在特征空间中的一个模 式通常也叫做一个样本，它往往也可以表示成一个向量，即特征空间中的一个点。 ( 4 ) 分类决策。分类决策就是在特征空间中用统计方法把被识别对象归为某一 类。基本做法是在训练样本集基础确定某个判决规则，使按这种判决规则对被识别对象 进行分类所造成的错误识别率最小或者引起的损失最小。 2 3 2 计算机签名鉴别系统的流程 作为模式识别系统的一个分支，签名鉴别具有模式识别系统的一般特征又有其独特 的针对性。这里我们给出一个签名鉴别系统的更详细的系统流程图： 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 2 签名鉴别系统流程图 签名文件包括待检验样本和参考样本通过图像输入设备( 如扫描仪等) 转换为灰度 图像。我们可事先将用户的多个参考签名输入系统，提取它们的特征值，经过反复训 练，形成参考签名的样本数据库，而以待检验签名的特征值与数据库中的值进行比较， 以进行鉴别。 沈阳工业大学硕士学位论文 3 签名图像的预处理 由于图像在扫描过程中会带来噪声，且不同的扫描分辨率所产生的图像的质量也各 不相同。而对签名图像做j 下确的文字分割以及进行签名鉴别都需要以高质量的签名图像 为基础，【习此对扫描图像的预处理的好坏将直接影响到鉴别的效果和效率。在预处理过 程中需要解决的问题主要有去噪声，图像二值化，图像归一化。 3 1 图像噪声的去除方法 签名图像除了其本身的噪声外在扫描输入计算机的过程中通常也会产生一定的噪 声，这些噪声将会对图像的预处理，如：签名的分割等造成许多干扰，更会直接影响到 签名特征的提取，使得鉴别系统发生签名拒识或者误识这样的错误。因为，在噪声比较 大的情况下，系统就有可能认为该噪声即是签名的一个笔画，这会对签名的鉴别带来巨 大的困难。由此，我们可以看出噪声的消除的好坏会直接影响到签名鉴别的效果。去噪 声的算法比较多也比较的成熟，我们可以直接拿来使用，但是现在还不存在对所有图像 都绝对适用的方法，必须要具体情况具体分析，我们需要通过对比来选择出效果较好的 方法。去除噪声的算法总体上可以分为线性滤波和非线性滤波两类1 2 ”，各种不同的去除 噪声的算法都有其各自的优缺点。 3 ，1 1 线性滤波方法 ( 1 ) 简单邻域平均法 这里我们假设图像是由许多灰度相同的小块组成，相邻象素间有很高的空间相关