基于ARM的文本獨立筆跡鑒別系統(tǒng)設(shè)計

筆跡，是具有個人特征的書寫文字符號的形象系統(tǒng)，與個人書寫習(xí)慣有密切聯(lián)系。利用計算機進行個人筆跡鑒別，是模式識別的分支問題，是通過分析比較不同人筆跡的書寫風(fēng)格來判斷書寫者身份的一種技術(shù)方法。文本獨立(Text—independent)是指進行鑒別時，對書寫者書寫的內(nèi)容沒有特殊要求，具有樣本依存性小、信息采集方便等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。通過對筆跡分析做出身份判斷，在計算機登錄、電子商務(wù)、金融安全、文物監(jiān)測、信息安全等方面具有重要應(yīng)用。國內(nèi)外對基于PC平臺的筆跡鑒別系統(tǒng)算法進行了細致研究，師寶山等人解決了紙質(zhì)筆跡信息的預(yù)處理問題，張德賢等人提出了筆跡信息的特征提取算法，劉海等人提出了基于輪廓方向特征提取的筆跡鑒別方法，劉愛真提出了利用希爾伯特-黃變換(HHT)方法對脫機手寫體漢字特征進行提取，楊彩霞提出了基于Gabor變換和最鄰近分類器的筆跡鑒別方法，劉宏等人提出了基于紋理分析優(yōu)化Gabor變換和支持向量機(Support Vector Machines，SVM)的筆跡鑒別方法。這些方法的鑒別性較好，可實現(xiàn)性強，但都局限在PC系統(tǒng)層面，筆跡的采集方式復(fù)雜，不能實現(xiàn)實時的筆跡鑒別系統(tǒng)。本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的實時筆跡鑒別系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要針對離線的文本獨立筆跡進行嵌入式鑒別研究，使用ARM終端實時采集筆跡信息，使用Gabor濾波器提取筆跡樣本的紋理特征，使用支持向量機(SVM)訓(xùn)練和識別筆跡信息的特征。

1 筆跡鑒別系統(tǒng)總體設(shè)計

基于ARM的文本獨立筆跡鑒別系統(tǒng)主要由3個模塊部分組成，包括筆跡采集端、數(shù)據(jù)傳輸部分、上位機處理部分。系統(tǒng)的總體設(shè)計原理如圖1所示。

進行筆跡鑒別時，需要提前將書寫人筆跡數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，以便于后期比對分析。待檢測人需通過筆跡采集端的手寫式觸摸屏實時輸入手寫筆跡信息。筆跡采集端進行簡單處理后通過數(shù)據(jù)傳輸部分傳送給上位機，上位機接收數(shù)據(jù)后采取筆跡鑒別算法對實時采集的筆跡信息進行預(yù)處理和歸一化操作。處理后的筆跡數(shù)據(jù)通過Gabor濾波器和支持

向量機方法與數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進行比對，從而實時顯示書寫者的身份信息。

2 基于ARM的筆跡采集端技術(shù)及設(shè)計

文本獨立的筆跡鑒別系統(tǒng)的筆跡采集端主要負責(zé)筆跡信息的實時采集及發(fā)送功能，主要由ARM核心處理器、觸摸屏模塊、書寫信息顯示模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送端口組成。

2.1 筆跡采集模塊

觸摸屏部分是筆跡采集的關(guān)鍵核心，主要由電阻式觸摸屏和觸摸屏控制器組成，負責(zé)筆跡信息的實時采集。采集的數(shù)據(jù)信息將被實時保存成圖片格式并簡單處理后發(fā)送。電阻式觸摸屏的基層是玻璃。玻璃上面涂覆有兩層透明氧化金屬(ITO氧化銦)導(dǎo)電層，兩導(dǎo)電層之間有細小的透明隔離點，這些隔離點起到了將兩導(dǎo)電層隔離和絕緣的作用。當書寫者的筆尖或手指按下觸摸屏?xí)r，兩個導(dǎo)電層就會相互接觸而形成回路，通過測量接觸點的電壓值等特定數(shù)據(jù)就可得到屏幕上的坐標位置。采用電阻式觸摸屏具有價格低廉、型號齊全、耐筆尖或手指磨損、感應(yīng)度高、精確性好等特點。

除了通過觸摸屏實時顯示書寫者的筆跡數(shù)據(jù)外，為了更便于書寫者觀察書寫，設(shè)計了專門書寫信息顯示模塊顯示筆跡信息。該模塊采用TFT液晶屏和液晶屏控制器組成。液晶顯示屏收到來自核心處理器的筆跡數(shù)據(jù)信息后，實時地將手寫筆跡顯示在屏幕上方，使得書寫者的筆跡輸入更加直觀。由于電阻式觸摸屏采集到的筆跡信息是當前觸摸點電壓值經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換后X坐標和Y坐標的數(shù)字值，對TFT液晶屏沒有使用價值，因而需要通過坐標轉(zhuǎn)換將觸摸屏坐標映射到TFT屏幕上。具體轉(zhuǎn)換過程可以由核心處理器及驅(qū)動程序完成。

筆跡采集端的核心處理器選擇三星公司ARM9內(nèi)核的S3C2440A處理器，它負責(zé)整個筆跡采集端的運行控制，包括負責(zé)完成觸摸屏模塊的顯示和手寫數(shù)據(jù)的采集、書寫信息顯示模塊的數(shù)據(jù)輸出、數(shù)據(jù)通信模塊的管理控制，還負責(zé)包括坐標映射和簡單筆跡數(shù)據(jù)處理等功能。

2.2 數(shù)據(jù)通信模塊

數(shù)據(jù)通信模塊主要負責(zé)筆跡采集端采集的筆跡信息實時傳送到上位機端的功能。實現(xiàn)上位機與筆跡采集端的通信，主要包括有線和無線兩種方式。

有線通訊方式即通過實體數(shù)據(jù)線路進行連接，包括串口線、USB通信線等方式。其中，USB通信模塊是S3C2440A核心處理器的集成部分。S3C2440A核心內(nèi)部包括USB控制器和外

圍電路，可以直接實現(xiàn)通過USB端口數(shù)據(jù)線將大量書寫數(shù)據(jù)實時準確傳送給上位機端的功能，具有簡單實用的特點。

為增加系統(tǒng)的可用性，實現(xiàn)相對較遠距離(10 m)的自由終端式筆跡采集模塊，可以采用基于無線通訊方式進行數(shù)據(jù)傳輸。目前較常用的無線通訊方式包括藍牙、Wi—Fi、基于nRF24L01工業(yè)模塊等方式。其中，nRF24L01是一款使用2.4 GHz ISM開放頻段、采用FSK調(diào)制、基于內(nèi)部自有協(xié)議的無線通信模塊，本身擁有126頻道，可以實現(xiàn)點對點或1對多點的無線通信功能，通信速度可以達到2 Mbps。采用基于nRF24L01的工業(yè)化通信模塊可以實現(xiàn)較小體積較遠距離的數(shù)據(jù)傳輸，且開發(fā)方便，可以極大提高筆跡鑒別系統(tǒng)的實用性。

3 上位機文本獨立筆跡鑒別模塊的設(shè)計

文本的筆跡信息包括在線和離線兩類。離線信息是指寫在紙上的字符，具有采集方便、信息量小的特點。筆跡鑒別方法主要包括文本依存和文本獨立兩種，其中文本依存要求必須使用相同的文字進行比對，而文本獨立是依據(jù)大量筆跡特征提取，與書寫內(nèi)容無關(guān)，應(yīng)用更廣。本文針對離線的文本獨立筆跡信息進行研究，利用多通道Gabor濾波器，作為圖像紋理特征提取分析方法，它被廣泛應(yīng)用于紋理分析、筆跡鑒別等領(lǐng)域。為了解決訓(xùn)練樣本不足的問題，可以采用支持向量機(SVM)的方法對筆跡特征進行訓(xùn)練和識別。上位機端的算法流程設(shè)計如圖2所示。

3.1 筆跡圖像預(yù)處理

筆跡圖像的預(yù)處理主要包括濾波、二值化、歸一化等。首先將圖像進行顏色聚類和二值化，以消除背景色的干擾，根據(jù)分布特征除去背景和網(wǎng)格線，并將圖像二值化。然后需要進行濾波以消除噪點的干擾，常用的圖像濾波方法有：中值濾波、鄰域均值濾波和低通濾波。由于筆跡采集終端采集的圖片質(zhì)量較高，噪聲多為小噪聲的孤立點，因此可以采用鹽和胡椒濾波法去噪。然后將圖像分別沿水平和豎直方向進行投影，以壓縮空行和字符間的空白。為便于數(shù)據(jù)處理，需要按統(tǒng)一的行高對每行字符進行歸一化處理，即調(diào)整不同字符的大小相同。歸一化處理時可以根據(jù)筆跡圖像的水平直方圖做行的分割，圖像的水平直方圖就是圖像在水平方向上的投影，即每一行像素值直接相加。實驗中我們采集了20人的筆跡信息，每人兩份，每份的漢字數(shù)量、內(nèi)容、紙張、書寫用筆均沒有特殊限制。與此同時，實驗還采用了哈爾濱工業(yè)大學(xué)多人手寫庫(HIT—MW)中的筆跡圖像作為樣本，共使用40份，由20個人書寫，每人兩份。對于采集的手寫筆跡信息，我們將每個人的筆跡信息一分為二，一份用于訓(xùn)練，另一份用于測試，以保證兩組數(shù)據(jù)完全不同。實驗采集筆跡圖像預(yù)處理效果如圖3所示。