技术领域
[0001] 本
发明涉及计算机信息领域和
电子领域，特别涉及包含手掌侧表面信息的手写笔迹输入设备。
背景技术
[0002] 随着
电子商务的飞速发展，网络环境下的用户身份认证问题变得日益突出。手写笔迹因其具备的种种特性天然地适合于网络环境下的应用。但是，由于真实笔迹之间固有的差异以及潜在高相似性摹仿笔迹的威胁使得目前在线笔迹认证方式无法完全满足应用系统的安全需求。因此，人们想到将手写笔迹与其它生理特征进行融合，来提高认证系统的整体安全性。在中国
专利公开号为CN1794266A，名称为“
生物特征融合的身份识别和认证方法”专利中，公开了将手写笔迹与人脸、虹膜等生理特征相融合的方法。
[0003] 然而，在网络环境下使用上述的融合方法存在的一个安全漏洞，即相互独立的特征采集过程。攻击者在分别收集到用户的特征后，将其依次呈现给认证系统，在这种情况下，认证系统整体安全性为各个子系统的最大者。所谓独立的特征采集过程是指因为生理特征属于身体的不同部分或行为特征蕰涵在不同的过程中，一种特征的采集不以其它特征的采集为前提。显然，采集过程相互独立的多特征融合无法真正解决在线认证的安全问题。
[0004] 一种常见的书写过程是持笔手在稳定
支撑平面的支撑下进行的。在这个过程中，除了包含体现行为特征的手写笔迹，还包含随持笔手运动手掌侧表面与支撑面相
接触产生的各种动态和静态信息。动态信息包括手掌接触面施加在支撑面上的压
力、变化的接触面轮廓形状及面积、接触面到笔尖的距离；静态信息包括接触面的侧手掌掌纹图像。对攻击者而言，在摹仿笔迹的同时，还要向系统呈现手掌侧表面与书写平面接触的各种信息却是非常困难的。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：避免上述
现有技术的不足之处，研制一种可包含手掌侧表面信息的手写笔迹输入设备。特别是，本发明能够实现对手写输入过程中，手写笔迹信息和手掌侧表面信息的同时获取，从而解决现有技术因相互独立的特征采集进行认证带来的安全问题。其中，手写笔迹信息包括笔尖运动的轨迹信息、笔尖施加在书写平面上的三维力以及笔杆相对书写平面的
角度等信息；手掌侧表面信息包括与书写平面相接触的手掌侧掌面的二维掌纹图像信息。
[0006] 本发明采用的技术方案是：一种手写输入设备，包括：侧掌纹
传感器，显示屏和天线阵列，其中，天线阵列位于显示屏的下部，显示屏位于天线阵列的上部，侧掌纹传感器置于显示屏的上部，所述的侧掌纹传感器用于实现对侧掌纹二维图像信息获取，天线阵列用于实现对手写笔迹信息的获取，显示屏则用于实现对手写轨迹信息的显示，并呈现给用户。
[0007] 作为对现有技术的进一步改进，本发明还提供了一种应用于所述手写输入设备的手写输入信息获取方法，步骤包括：
[0008] A.在同步模
块控制下，同时读取电磁手写传感器和侧掌纹
传感器数据。
[0009] B.数据去噪，特别是侧掌纹图像中笔尖处的噪点。
[0010] C.如果Z方向力大于
阈值或侧掌纹图像面积大于阈值，则进入下一步,否则，跳转至A，再次读取电磁手写传感器和侧掌纹传感器数据。
[0011] D.如果Z方向力大于阈值，保存该
采样时刻的笔尖
位置和笔尖压力等数据，否则，置该采样时刻的笔尖位置和压力等数据为空。
[0012] E.如果侧掌纹图像面积大于阈值，保存该采样时刻的侧掌纹图像数据，否则，置该采样时刻的侧掌纹图像为空。
[0013] F.将该采样时刻的笔尖位置、笔尖压力、侧掌纹图像以及时间戳等数据传送至
接口模块，跳转到A，读取下一采样时刻数据。
[0014] 本发明另外提供一种包含手掌侧表面信息的手写笔迹输入设备，包括信息获取模块、处理模块、同步模块、存储模块和显示模块，其中：
[0015] 信息获取模块：用于实现对书写过程中，手写笔迹信息以及侧手掌图像信息的同时获取，其中，手写笔迹信息包括笔尖运动的轨迹信息、笔尖施加在书写平面上的三维力以及笔杆相对书写平面的角度等信息；
[0016] 处理模块：用于实现对信息获取模块同时采集的手写输入信息进行分析和处理，具体包括数字滤波处理、
信号调理分析、阈值判断以及手写特征提取功能；
[0017] 同步模块：用于提供手写装置的工作时钟功能，为信息获取模块提供对手写信息获取的同步功能，以使得处理模块能够根据同步时钟来判断手写输入信息的时间序列同步性；
[0018] 存储模块：用于对配置参数进行存储，和处理模块中需要对数据进行动态保存提供存储空间；
[0019] 显示模块：用于提供
人机交互界面功能，使得用户能够在手写输入过程中，实时观看所输入的信息。
[0020] 本发明另外提供一种包含手掌侧表面信息的手写笔迹输入方法，包括信息获取步骤、处理步骤、同步步骤、存储步骤和显示步骤，其中：
[0021] 信息获取步骤：用于实现对书写过程中，手写笔迹信息以及侧手掌图像信息的同时获取，其中，手写笔迹信息包括笔尖运动的轨迹信息、笔尖施加在书写平面上的三维力以及笔杆相对书写平面的角度等信息；
[0022] 处理步骤：用于实现对信息获取步骤同时采集的手写输入信息进行分析和处理，具体包括数字滤波处理、信号调理分析、阈值判断以及手写特征提取功能；
[0023] 同步步骤：用于提供手写装置的工作时钟功能，为信息获取模块提供对手写信息获取的同步功能，以使得处理步骤能够根据同步时钟来判断手写输入信息的时间序列同步性；
[0024] 存储步骤：用于对配置参数进行存储，和处理步骤中需要对数据进行动态保存提供存储空间；
[0025] 显示步骤：用于提供人机交互界面功能，使得用户能够在手写输入过程中，实时观看所输入的信息。
[0026] 作为对现有技术的进一步改进，本发明所提供的手写输入设备可以实现对书写过程中产生的手写笔迹信息以及侧掌纹二维图像信息的同时获取，以使得本发明为现有对多特征认证系统的独立特征提取所带来的问题提供有益的解决方法和思路。
[0027] 相对于现有技术，本发明的有益效果是：对书写过程中产生的手写笔迹信息以及侧掌纹二位图像信息的同时获取，为现有对多特征认证系统的独立特征提取所带来的问题提供有益的解决方法和思路。纵然攻击者可模仿出高相似度的伪造笔迹，但是，在模仿笔迹的同时，还要向系统呈现持笔手与书写平面接触的侧手掌表面纹路图像信息以及侧手掌接触面的轮廓形状、笔尖到接触面的距离和方位信息却是非常困难的。这是因为：摹仿笔迹的同时还要摹仿握笔书写的习惯无疑会增加摹仿难度，更重要的是侧手掌接触面纹路图像信息以及轮廓形状信息反映书写者执笔手的生理信息，是无法模仿的，因而使用本发明同时采集的多生物特征能够有效提高认证系统的整体安全。
附图说明
[0028] 图1为本发明手写输入设备的系统
框图；
[0029] 图2为本发明处理模块的组成框图；
[0030] 图3为本发明传感器组成框图；
[0032] 图5为包含侧手掌信息的书写方式示意图；
[0033] 图6为电磁手写装置结构框图；
[0034] 图7为光学式侧手掌信息获取原理图；
[0035] 图8为用户书写“一”字时手写设备采集的八
帧侧掌纹图像和笔迹数据；
[0037] 图10为在每一采样时刻手写设备获取的信息；
[0038] 图11为电磁输入装置获取的Z向压力；
[0039] 图12为电磁输入装置获取的笔杆与平面的倾角；
[0040] 图13为电磁输入装置获取的笔杆与平面的转动角。
具体实施方式
[0041] 下面结合附图以及具体
实施例进一步说明本发明。
[0042] 图1为本发明手写输入设备的系统框图：包括同步模块1、信息获取模块2、处理模块3、存储模块4和显示模块5，其中：
[0043] 信息获取模块1：用于实现对书写过程中，手写笔迹信息以及侧手掌图像信息的同时获取，其中，手写笔迹信息包括笔尖运动的轨迹信息、笔尖施加在书写平面上的三维力以及笔杆相对书写平面的角度等信息；
[0044] 处理模块2：用于实现对信息获取模块同时采集的手写输入信息进行分析和处理，具体包括数字滤波处理、信号调理分析、阈值判断以及手写特征提取功能；
[0045] 同步模块3：用于提供所述手写装置的工作时钟功能，特别是为信息获取模块提供对手写信息获取的同步功能，以使得处理模块可以根据同步时钟来判断手写输入信息的时间序列同步性。
[0046] 存储模块4：用于对本发明装置的配置参数进行存储，和处理模块中需要对数据进行动态保存提供存储空间；
[0047] 显示模块5：用于提供所述发明装置的人机交互界面功能，使得用户可以在手写输入过程中，实时观看所输入的手写笔记信息。
[0048] 图2为本发明处理模块的组成框图：包括手写笔迹信息采集21、侧掌纹
图像采集22、分析模块23和总线接口模块24；其中，手写笔迹信息采集21用于实现对手写输入过程中手写笔尖的轨迹数据、笔尖施加在书写平面上的三维力以及笔杆相对书写平面的角度等信息的获取，侧掌纹图像采集22用于实现侧掌纹图像数据的获取，分析模块23用于实现对上述手写数据的分析和处理，具体包括数字滤波处理、信号调理分析以及手写特征数据的计算，总线接口模块24则对分析模块23输出数据进行总线驱动和发起总线数据传输功能，以和处理模块3建立总线数据通信链路。
[0049] 图3为本发明传感器组成框图：包括侧掌纹传感器S1，显示屏S2和天线阵列S3，其中天线阵列S3位于显示屏的下部，显示屏S2位于天线阵列S3的上部，掌纹传感器S1位于显示屏S2的上部，所述的侧掌纹传感器S1用于实现对侧掌纹的二维图像信息获取，显示屏S2则用于实现对手写轨迹信息的显示，并呈现给用户，天线阵列S3用于实现对手写笔迹信息的获取，具体是通过感应一只无源手写笔来实现对手写笔迹信息的感应，并通过处理模块3来实现对感应的手写输入轨迹信息进行分析和计算，从而得到手写输入的手写笔迹数据，特别地，侧掌纹传感器S1可以由
半导体图像传感器或光学图像传感器或
超声波图像传感器或可以实现对掌纹图像信息进行获取的元器件或模块或设备构成，进一步的，侧掌纹传感器S1和显示屏S2的厚度可以根据应用需求来设计，但不应影响天线阵列S3对手写输入轨迹信息的接收和计算。
[0050] 若受当前技术条件限制，侧掌纹传感器S1和显示屏S2的厚度之和影响到天线阵列S3对手写输入轨迹信息的接收和计算，作为次优的方案，将处于
中间层的显示屏S2移到手写设备的其它区域，使侧掌纹传感器S1直接置于天线阵列S3上面。该次选方案并不影响手写笔迹信息与侧掌纹图像信息的同时采集。
[0051] 所述天线阵列S3属于电磁手写装置的信号
感知部分。电磁手写装置的结构框图如图6所示。
[0052] 图4为手写输入信息获取流程图，具体步骤如下：
[0053] 步骤S101：在同步模块控制下，同时读取电磁手写传感器和侧掌纹传感器数据。
[0054] 步骤S102：数据去噪，特别是侧掌纹图像中笔尖处的噪点。
[0055] 步骤S103：如果Z方向力大于阈值或侧掌纹图像面积大于阈值，则进入步骤S104,否则，跳转至步骤S101，再次读取电磁手写传感器和侧掌纹传感数据。
[0056] 步骤S104：如果Z方向力大于阈值，则进入步骤S105，否则，进入步骤S106。
[0057] 步骤S105：保存该采样时刻的笔尖位置和笔尖压力等数据。
[0058] 步骤S106：置该采样时刻的笔尖位置和笔尖压力等数据为空
[0059] 步骤S107：如果侧掌纹图像面积大于阈值，则进入步骤S108，否则，进入步骤S109。
[0060] 步骤S108：保存该采样时刻的侧掌纹图像数据。
[0061] 步骤S109：置该采样时刻的侧掌纹图像为空。
[0062] 步骤S110：将该采样时刻的笔尖位置、压力、侧掌纹图像以及时间戳等数据传送接口模块，跳转到步骤S101，读取下一采样时刻数据。
[0063] 所述读取电磁手写传感器和侧掌纹传感器数据是指读取由信息处理单元处理过的分别由天线阵列和图像传感器感知的手写笔迹数据和侧手掌掌纹二维图像数据。
[0064] 图5为包含侧手掌信息的书写方式示意图，书写者手持无源感应式手写笔S4在手写输入设备提供的稳定书写平面上书写。在书写过程中，侧掌纹传感器S1获取持笔手与书写平面接触的手掌侧掌纹图像信息，同时，天线阵列S3感应无源感应式手写笔的运动，在相关设备的控制下，获取手写笔迹信息，显示屏S2用于实时显示手写笔迹信息。
[0065] 本发明方法中，电磁手写装置是现有技术。下面对其结构框图进行示例性说明，以便于实施。如图6所示，电磁手写装置包括电磁手写板和
电磁笔。电磁手写板包括天线阵列和信息处理模块。优选地，
信号处理模块包括第二
放大器、信号处理器、积分
电路、
模数转换器和
中央处理器。第二放大器对接
收线图接收的感应信号进行放大，并输出放大信号。信号处理器对放大信号进行处理。积分电路对信号处理器处理后的信号进行积分，输出积分信号。模数转换器对积分信号进行模数转换，输出
数字信号，中央处理器对数字信号进行处理，得到电磁笔的包括位置信息和压力信息在内的信息。
[0066] 如图6所示，信号处理模块还包括第二多路选择器，第一多路选择器、信号发生器和第一放大器。在中央处理器的控制下，信号发生器生成信号，经第一放大器放大后，通过第一多路选择器对发送线圈进行选通，以使具体的发送线圏向外发送
电磁波，电磁笔感应到发送线圈发送的电磁波后，发出感应信号，第二多路选择器选通接收线圈接收感应信号，并输出给第二放大器，进行上述的后续处理。
[0067] 本发明方法中，侧掌纹传感器是现有技术，现有的侧掌纹传感器包括半导体图像传感器；光学图像传感器；
超声波图像传感器等。下面以光学掌纹传感器为例，对侧掌纹采集过程进行示例性说明，以便于实施。如图7所示，其原理是，从采集头发射出来的强光（红色或者蓝色）射到侧手掌上，光由侧手掌漫射后进入三棱镜，折射后打在凸透镜上，经过透镜聚焦，侧手掌掌纹信号在CMOS屏幕上成像，经处理器处理后得到侧掌纹图像数据。
[0068] 图8给出了包含侧表面信息的手写笔迹输入设备获取的用户书写“一”字时采集的八帧手掌侧掌纹图像和笔迹数据，图11、12、13分别给出了电磁手写装置时同获取的电磁笔施加在书写平面上的Z方向压力信息、笔杆与平面的倾角及转动角信息。将八帧数据叠加在一起的结果如图9所示，在每一采样时刻手写设备获取的信息如图10所示，包括电磁手写装置获取的手写笔迹信息S5和侧掌纹传感器获知的侧掌纹图像信息S6，其中，手写笔迹信息包括笔尖的位置、笔尖施加于书写平面的压力、笔杆相对于书写平面的夹角、倾角信息。侧掌纹图像是一幅处于书写区域中的侧掌纹图像，而不应仅包含侧手掌的接触部分，如图10中的阴影部分。
[0069] 本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
[0070] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的
权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
