專利名稱：基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種手寫簽名與識別輸入設備。
背景技術：
手寫簽名與識別系統(tǒng)是一種生物統(tǒng)計學鑒別的類型。它廣泛應用于用戶訪問網(wǎng)絡、個人計算機等場合的身份鑒別。手寫簽名與識別系統(tǒng)對計算機的安全性做出了非常重要的貢獻，它相對于用戶口令或機械鑰匙的安全機制，具有不能被泄密或偷去的特點。手寫簽名與識別系統(tǒng)提取的是個人的生理行為，這為用戶的真實身份的識別提供了可靠的依據(jù)。
當今，盡管可以利用計算機化的文件，但在對文件有法律要求的場合，仍然依靠紙上的文件，這是因為法律要求文件簽署者的原始手寫簽名，否則文件不產(chǎn)生法律效力。然而，手寫簽名的安全性并不高，仍然能夠被人模仿簽名，進而產(chǎn)生不良的后果。手寫簽名與識別系統(tǒng)的出現(xiàn)，使簽署的文件變?yōu)殡娮有问?，改變了紙上文件的方式，同時由于手寫簽名與識別系統(tǒng)能夠俘獲手寫簽名者的生理行為，比如提取出書寫者的筆跡形狀、書寫順序、書寫速度、書寫加速度和書寫壓力等特征，為簽署的電子文件的安全性提供了可靠的保證。下面結合相關專利對手寫簽名與識別系統(tǒng)進行說明。
村瀨正等的發(fā)明專利《手寫簽名鑒別程序、方法和設備》，中國專利公開號1445663A，首先注冊簽名數(shù)據(jù)。當用戶注冊簽名時，對注冊的簽名數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應的用戶ID，用戶ID和注冊的簽名數(shù)據(jù)一一對應，儲存在筆跡詞典存儲單元中。當用戶用輸入筆和輸入板進行手寫簽名輸入后，系統(tǒng)根據(jù)用戶的ID從筆跡詞典存儲單元中讀取用戶的注冊簽名數(shù)據(jù)，并和輸入的簽名數(shù)據(jù)相比較，進行鑒別。系統(tǒng)的注冊簽名數(shù)據(jù)和錄入簽名的數(shù)據(jù)主要包括筆跡形狀、書寫速度、書寫加速度和書壓力等特征量。
村瀨正等的發(fā)明專利《手寫簽名認證程序、方法和裝置》，中國專利公開號1445723A，通過對手寫簽名的匹配數(shù)據(jù)進行預處理或后處理來改善匹配精度。它動態(tài)地對每個人的特征量進行加權，考慮特征量中的時效變化，自動確定所登記的簽名的訓練程度，和消除手跡中的不穩(wěn)定部分，進而能估算一個人最顯著的特征量，從而能避免對被認證的錯誤拒絕或使不正當?shù)娜吮徽J證。
克里斯托弗等的發(fā)明專利《用來俘獲、存儲、傳送和認證手寫簽名的方法和系統(tǒng)》，中國專利公開號1159238A，提供了一種綜合的方法和系統(tǒng)，用來電子俘獲手寫簽名、以電子形式存儲手寫簽名、電子傳送所捕獲的手寫簽名、以及認證索俘獲的手寫簽名。該發(fā)明的代表性實施例包括一個簽名俘獲模塊、一個簽名驗證模塊以及一個模塊數(shù)據(jù)庫。用戶手寫簽名時，用一支電子指示筆寫到計算機屏幕上，簽名俘獲模塊測出簽名動作的某些特征，并由簽名驗證模塊以及模塊數(shù)據(jù)庫進行驗證。
Eytan Suchard等的專利《Signature Recognition System and Method》，美國專利，專利號6661908，主要通過對簽名的采樣和存儲采樣數(shù)據(jù)，并將采樣數(shù)據(jù)轉化為高維矢量，傳輸?shù)綗o人管理的神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)中，一個與神經(jīng)網(wǎng)絡相聯(lián)的分析設備分析數(shù)據(jù)，進而對簽名進行鑒別。
何代水等的專利《電腦簽名安全保密裝置及保密方法》，中國專利公開號1197249A，利用一手寫板輸入簽名，處理設備讀入簽名數(shù)據(jù)后，提取出簽名中筆劃的書寫速度，筆劃的起始點到結束點的長度等特征常數(shù)，然后與儲存裝置中的原始簽名資料進行對比判別，確定簽名是否正確。
綜上所述，現(xiàn)有的簽名識別系統(tǒng)的簽名輸入設備大多利用手寫板或相近的裝置，采用上述技術的簽名輸入設備的主要不足是手寫板對簽名的提取精度較低，不能很好體現(xiàn)簽名的真跡，尤其是在小字簽名的情況下，采樣點很少，為識別帶來困難。也不能提供書寫過程中的壓力信息。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，用于基于超聲、紅外的無線定位系統(tǒng)中，它能解決目前基于超聲、紅外的無線定位系統(tǒng)不提供書寫過程中筆的傾斜角信息和壓力信息的問題。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的它包括信號發(fā)射筆2、書寫板面1和信號接收處理器3，其中，信號發(fā)射筆2內包括電池21、普通書寫筆芯27、薄膜開關22、線路板23、力傳感器24、紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，薄膜開關22與力傳感器24連接，該力傳感器與線路板23連接。
線路板23上包括傾角傳感器231、差分放大器一232、差分放大器二234、微處理器235、紅外驅動電路236和超聲驅動電路237，傾角傳感器231連接差分放大器一232，差分放大器二234的前端接力傳感器24。
信號接收處理器3內包括左信號接收放大器31、右信號接收放大器32和信號處理器33。
左信號接收放大器31、右信號接收放大器32組成相同，其中左信號接收放大器31包括超聲傳感器311、前置放大器312、紅外傳感器313和紅外整形放大電路314。其中右信號接收放大器32包括超聲傳感器321、前置放大器322、紅外傳感器323和紅外整形放大電路324。
信號處理器33包括兩路對稱的可變增益放大器一331、二332、脈沖成形電路一333、二334、脈沖合成電路一335、二336和通信接口38、指示燈330、FLASH存儲器338、傾角傳感器及放大電路337及單片機339，F(xiàn)LASH存儲器連接單片機339，傾角傳感器及放大電路337連接單片機339。
在書寫過程中，書寫筆芯27與紙面接觸后，使薄膜開關22動作，常開觸點接通，電池21通過薄膜開關22向線路板23供電，薄膜開關22動作的同時，將力傳遞給力傳感器24。線路板23上電后，傾角傳感器231的輸出信號送至差分放大器232，經(jīng)放大后送至微處理器235；力傳感器24的輸出信號送至差分放大器234，經(jīng)放大后送至微處理器235；微處理器235定期采集傾角信號和書寫力度信號，通過內部的A/D變換器，將模擬信號轉換為數(shù)字信號，并定期產(chǎn)生紅外和超聲驅動信號分別送至紅外驅動電路236和超聲驅動電路237，紅外信號中包括傾角和書寫力度信息。采用多進制脈寬調制方式向信號接收處理器3發(fā)送傳遞傾角和書寫力度信息。紅外和超聲驅動信號經(jīng)紅外驅動電路236和超聲驅動電路237大后，分別驅動紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，發(fā)射紅外和超聲信號，由信號接收處理器3接收并處理。
當信號發(fā)射筆發(fā)出超聲和紅外信號時，左信號接收放大器的超聲傳感器和右信號接收放大器的超聲傳感器接收超聲信號，并分別送至經(jīng)過前置放大器和進行濾波放大。濾波電路采用帶通濾波器，濾波器中心頻率略高于接收傳感器的的諧振頻率，這樣可以使接收到的超聲脈沖前沿更加陡峭，便于提取時延。兩路超聲信號經(jīng)前置放大后，分別送至可變增益放大器，再送至脈沖成形電路，將模擬信號變?yōu)橐?guī)范的數(shù)字信號。單片機339根據(jù)上一次測量值調整增益，以保證送至脈沖成形電路333和334的信號幅度基本不變。
左、右信號接收器中的紅外傳感器接收到信號發(fā)射筆發(fā)出的紅外信號，將其轉換為電信號后，分別送至紅外整形放大電路一314、二324，經(jīng)處理后的紅外信號與脈沖成形電路一333、二334的輸出信號一起送至脈沖合成電路一335、二336，將同一側的超聲和紅外信號復合成一路送入單片機339。
當信號接收處理器3與PC機之間沒有通信連接時，信號接收處理器3將采集到的信息存儲在FLASH儲存器338中，一旦建立起通信連接，立即將存儲在FLASH儲存器338中的內容發(fā)送給PC機。
需要指出的是，超聲傳感器安裝在信號發(fā)射筆的前端，并不直接接觸紙面，而系統(tǒng)記錄的是超聲傳感器的運動軌跡，只要書寫過程中，信號發(fā)射筆沒有保證與紙面絕對的垂直，系統(tǒng)記錄的軌跡與真實筆跡就有區(qū)別，采用傾角傳感器后可以補償上述誤差。
為了確定信號發(fā)射筆2在書寫板面1上的坐標，須確定信號發(fā)射筆2分別與左信號接收器31和右信號接收器32的距離l、r。已知左信號接收器和右信號接收器的距離為L，并假設左信號接收器的坐標為(0，0)，右信號接收器的坐標為(L，0)，則信號發(fā)射筆的位置坐標由下式求得。
x=L2+l2-r22L---(1)]]>y＝(r2-x2)1/2(2)距離l和r等于左信號接收器和右信號接收器分別接收到紅外和超聲信號之間的時間差與超聲波的傳播速度乘積。紅外信號在空氣中的傳播速度為每秒三十萬公里，遠大于超聲信號的每秒三百四十米左右的傳播速度，所以這樣做產(chǎn)生的誤差不會帶來任何實質性的影響。
本發(fā)明的有益效果是，基于超聲、紅外與壓力傳感器的手寫簽名與普通識別裝置、手寫板相比，它對輸入簽名數(shù)據(jù)的俘獲的精度高，利于簽名識別系統(tǒng)對簽名的識別。在超聲紅外定位系統(tǒng)的發(fā)射裝置中增添了力傳感器和傾角旋轉傳感器，作為簽名輸入設備，能夠精確反映書寫軌跡和書寫習慣，并且能夠補償書寫過程中筆傾斜帶來的系統(tǒng)誤差，進而能夠提高手寫簽名識別系統(tǒng)的識別正確率。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意2為本發(fā)明的信號發(fā)射筆組成框3為本發(fā)明的信號發(fā)射筆的微處理器235的程序流程框4為本發(fā)明信號接收處理器電路原理框5為本發(fā)明的單片機339的程序流程框6為本發(fā)明信號發(fā)射筆軸向剖面7為本發(fā)明的筆芯腔隔板俯視8為本發(fā)明信號接收處理器結構9為本發(fā)明信號接收處理器外殼A-A視圖具體實施方式
實施例1如圖1，本發(fā)明包括信號發(fā)射筆2、書寫板面1和信號接收處理器3，其中，如圖2所示信號發(fā)射筆2內包括電池21、普通書寫筆芯27、薄膜開關22、線路板23、力傳感器24、紅外發(fā)射傳感器25和超聲發(fā)射傳感器26，薄膜開關22與力傳感器24連接，該力傳感器與線路板23連接。
線路板23上包括傾角傳感器231、差分放大器一232、差分放大器二234、微處理器235、紅外驅動電路236和超聲驅動電路237，傾角傳感器231連接差分放大器一232，差分放大器二234的前端接力傳感器24。
如圖3所示，信號發(fā)射筆的微處理器235的程序流程為信號發(fā)射筆工作開始，微處理器235設置I/O口，并開始采集信號筆壓力、傾斜角和旋轉等信息。微處理器235通過其I/O口輸出一定寬度的紅外脈沖，延時一段時間后I/O口輸出第二個紅外脈沖，兩個脈沖的時間間隔作為信號筆的顏色信息。在這之后，I/O口先后輸出分別包含壓力和傾斜角、旋轉信息編碼的脈沖串信號。緊接著，I/O口輸出超聲脈沖驅動超聲驅動電路237，并延時一段時間。延時時間到后，微處理器235重新開始采集壓力等信息和發(fā)送驅動脈沖，這樣周期性的進行，直到信號筆不工作。
如圖6所示，本發(fā)明信號發(fā)射筆的一個具體結構實例筆殼40由兩個半圓柱形外殼組合而成，內部形成若干相互連通的腔體。
書寫筆芯27放置于筆芯腔42，頭部從發(fā)射頭41伸出，尾部插在筆心座44上，筆芯腔隔板421中部有孔，用于防止書寫筆芯27在書寫過程中受力彎曲，其俯視圖如圖7所示。
筆芯座44放置在筆芯座腔43內，一端插在書寫筆芯27尾部，與其連成一體，另一端與薄膜開關22相接觸，筆芯座44在筆芯座腔43內，由于薄膜開關22及力傳感器24的限制，不會與分隔壁424接觸。
薄膜開關22與力傳感器24放置在開關腔45內，薄膜開關22夾在力傳感器24與筆芯座44之間，力傳感器24緊靠開關腔45與電路板腔46之間的分隔壁424。
線路板23垂直放置在線路板腔46內。
信號發(fā)射筆的電源為兩節(jié)紐扣電池21，放置于電池腔47內，在電池腔47與電路板腔46之間的分隔壁上裝有電池觸片471，在電池蓋472一側裝有彈簧473，保證可靠接觸。電池蓋472通過轉軸49與筆殼40相聯(lián)，利用卡扣48將電池蓋472扣在筆殼40上。
彈簧473、電池觸片471、力傳感器24、薄膜開關22和發(fā)射頭41與電路板23之間的連線采用薄膜電路，均放置在線路腔423內。
發(fā)射頭41采用美國精量公司生產(chǎn)的筆頭套件PT80kKz-01，它內部含有超聲發(fā)射傳感器26和紅外發(fā)射傳感器25，超聲發(fā)射傳感器的固有頻率為80kHz。傳感器的驅動電路采用精量公司提供的配套電路。
力傳感器[24]采用霍尼維爾公司的FSL05N2C型觸力傳感器，其輸出為橋式輸出，后級差分放大器采用該公司提供的配套電路實現(xiàn)。
傾角旋轉傳感器采用霍尼維爾公司HMC1051單軸磁傳感器和HMC1052雙軸磁傳感器共同組成三軸傳感器，后續(xù)差分放大器仍然采用該公司提供的配套電路實現(xiàn)。
微處理器235采用PIC16F688，它帶有8路10bitA/D，可以減少元器件數(shù)量，利于小型化，并將低成本。
在超聲驅動電路237中，采用的諧振放大器中心頻率100Hz，中心頻率調整元件為可變電容。
如圖4所示，本發(fā)明的信號接收處理器3內包括左信號接收放大器31、右信號接收放大器32和信號處理器33。
左信號接收放大器31、右信號接收放大器32組成相同，其中左信號接收放大器31包括超聲傳感器一311、前置放大器一312、紅外傳感器一313和紅外整形放大電路314。其中右信號接收放大器32包括超聲傳感器321、前置放大器322、紅外傳感器323和紅外整形放大電路324。
信號處理器33包括兩路對稱的可變增益放大器一331、二332、脈沖成形電路一333、二334、脈沖合成電路一335、二336和通信接口38、指示燈330、FLASH存儲器338、傾角傳感器及放大電路337及單片機339，F(xiàn)LASH存儲器連接單片機339，傾角傳感器及放大電路337連接單片機339。
如圖5所示，本發(fā)明的單片機339的程序流程為單片機339首先和PC機建立通信聯(lián)系，并接收傾角傳感器及放大電路337的傾斜角信息。單片機339對接收到紅外信號采集，提取出信號筆發(fā)出的顏色、壓力信息、傾斜角等信息，并提取超聲波的時延信息。由于信號筆的位置變化，超聲傳感器一311、二312接收到的超聲信號強弱變化較大，單片機339控制可變增益放大器一331、二332，調整超聲信號的強弱。最后，單片機339將時延等信息傳給PC機，同時開始重復接收信號筆發(fā)出的信息。
在信號接收處理器3中，超聲傳感器一311、二312采用美國精量公司生產(chǎn)US80KS-01全向超聲接收傳感器，前置放大器一321、二322采用與超聲傳感器一311、二312配套的低噪聲電荷放大電路，帶通濾波采用LC并聯(lián)諧振濾波器，考慮到體積的原因，調整元件為電容，考慮到元件參數(shù)的容差，諧振頻率調整范圍不小于±5kHz。紅外整形放大電路一314、二324則采用通用的低噪聲放大電路，并采用TTL門電路進行整形。
可變增益放大器一331、二332可以是同相或者反相運算放大電路，反饋電阻采用數(shù)字電位計，數(shù)字電位計的輸出阻抗受單片機[39]控制，通過調整數(shù)字電位計的輸出實現(xiàn)增益的改變。根據(jù)信號發(fā)射筆2到超聲傳感器一311]、二312距離的不同，增益調整分為5檔。
脈沖成形電路一333、二334采用TTL電路實現(xiàn)，單片機339通過控制TTL電路的使能端來控制脈沖成形電路一333、二334的工作時機。
脈沖合成電路一335、二336采用TTL電路實現(xiàn)，將同一側的超聲和紅外信號復合成一路，根據(jù)信號電平的不同，相應采用與邏輯或者或邏輯，在本例中，信號在高電平時有效，故采用或邏輯。
傾角旋轉傳感器與信號發(fā)射筆相同。
通信接口38采用RS232串行接口，也可以采用USB接口或者無線形式的接口。
為使電路結構簡單，在信號接收處理器3中采用單電源供電。
信號接收處理器3的結構示意圖如圖8，所有的電路安裝在一個長條形塑料外殼53內，其兩端各有一個半圓柱形突出55，左、右信號接收器中的超聲和紅外傳感器安裝在其中。在兩個半圓柱形突出55之間的底部連接板上刻有若干圓功能孔54，外殼53的A-A剖視圖如圖9所示，扳手51、殼體、轉軸52和彈簧61形成一夾子，可將書寫紙夾住，書寫紙面與扳手水平部分平行。
實施例2將實施例1中的超聲驅動電路237中，采用的諧振放大器中心頻率180Hz，中心頻率調整元件為可變電感。
實施例3將實施例1中的超聲驅動電路237中，采用的諧振放大器中心頻率280Hz，中心頻率調整元件為可變電感。
權利要求
1.一種基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，包括信號發(fā)射筆[2]、書寫板面[1]和信號接收處理器[3]，其特征在于信號發(fā)射筆[2]內包括電池[21]、普通書寫筆芯[27]、薄膜開關[22]、線路板[23]、力傳感器[24]、紅外發(fā)射傳感器[25]和超聲發(fā)射傳感器[26]，薄膜開關[22]與力傳感器[24]連接，該力傳感器與線路板23連接。線路板23上包括傾角傳感器[231]、差分放大器一[232]、差分放大器二[234]、微處理器[235]、紅外驅動電路[236]和超聲驅動電路[237]，傾角傳感器231連接差分放大器一232，差分放大器二234的前端接力傳感器24。信號接收處理器[3]內包括左信號接收放大器[31]、右信號接收放大器[32]和信號處理器[33]。左信號接收放大器31、右信號接收放大器32組成相同，其中左信號接收放大器[31]包括超聲傳感器[311]、前置放大器[312]、紅外傳感器[313]和紅外整形放大電路[314]。其中右信號接收放大器[32]包括超聲傳感器[321]、前置放大器[322]、紅外傳感器[323]和紅外整形放大電路[324]信號處理器[33]包括兩路對稱的可變增益放大器一、二[331]、[332]、脈沖成形電路一、二[333]、[334]、脈沖合成電路一、二[335]、[336]和通信接口[38]、指示燈[303]、FLASH存儲器[338]、傾角傳感器及放大電路[337]及單片機[339]，F(xiàn)LASH存儲器連接單片機339，傾角傳感器及放大電路337連接單片機339。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，其特征在于傾角旋轉傳感器[231]采用能通過感受地磁變化，檢測書寫過程中筆的傾角和旋轉的單軸磁阻傳感器和兩軸磁阻傳感器組成3軸傳感器。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，其特征在于在超聲驅動電路[237]中，采用的諧振放大器中心頻率高于超聲頻率20-200Hz。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，其特征在于采用的并聯(lián)振放大器中心頻率調整元件為可變電容。
5.根據(jù)權利要求3所述的基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，其特征在于采用的并聯(lián)諧振放大器中心頻率調整元件為可變電感。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于超聲和紅外的手寫簽名識別輸入設備，屬于一種手寫簽名與識別輸入設備。包括信號發(fā)射筆2、書寫板面1和信號接收處理器3，信號發(fā)射筆包括力傳感器、薄膜開關與力傳感器連接，該力傳感器與線路板連接，線路板上包括傾角傳感器，信號接收處理器3內包括左信號接收放大器、右信號接收放大器和信號處理器。在超聲紅外定位系統(tǒng)的發(fā)射裝置中增添了力傳感器和傾角旋轉傳感器，作為簽名輸入設備，能夠精確反映書寫軌跡和書寫習慣，并且能夠補償書寫過程中筆傾斜帶來的系統(tǒng)誤差，進而能夠提高手寫簽名識別系統(tǒng)的識別正確率。
文檔編號G06K11/06GK1595426SQ20041001095
公開日2005年3月16日 申請日期2004年6月28日 優(yōu)先權日2004年6月28日
發(fā)明者王樹勛 申請人:王樹勛