CN106503532A - 一种基于指纹识别的鼠标及其使用方法 - Google Patents

一种基于指纹识别的鼠标及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于指纹识别的鼠标及其使用方法。该鼠标包括鼠标本体、指纹身份认证的配套电子元件；所述鼠标本体上设有数据采集窗口、触发窗口，鼠标本体内部设有指纹信息采集模块、指纹信息处理机、触发模块、GSM通信模块；结合传感器技术、模式识别技术、可靠性验证技术以及无线通信技术，以电脑鼠标为承载体进行设计。本发明首先存储并传输使用者的指纹信息，判定手掌放在鼠标上人的身份，根据判定完成对电脑桌面的解锁操作；丰富了电脑人机交互的新体验，增强了鼠标作为一种电脑外设的便捷性。

Description

一种基于指纹识别的鼠标及其使用方法
技术领域
本发明涉及一种基于指纹识别的鼠标及其使用方法，属于电子设备技术领域。
背景技术
物特征识别技术已经被广泛应用到身份认证领域，包括指纹识别、人脸识别、静脉识别以及虹膜识别等，其中以指纹识别较具有代表性。指纹识别与人脸识别相比，不会受变化特征以及年龄的影响；与静脉识别和虹膜识别相比，指纹识别对采集设备的要求更低，采集过程也更为迅速。指纹识别技术已在近年来成为生物特征识别应用领域的热点之一。
生物特征识别技术的应用与当前快节奏智能化的生活息息相关，手机作为最先最大量普及的数码产品，它的身份认证模式是这个领域的先驱。手机的身份认证也在近几年由传统的手动密码认证过渡到了指纹识别认证。智能化生活的深入发展使得电脑的普及率越来越高，有价值的信息往往被人们寄存在自己的电脑中，由此也带来巨量的安全隐患。电脑传统的加密手段一般是普通密钥加密，即直接在电脑上设置密码。这样的加密方式势必导致大量重复地输入密匙，安全性与便捷性已渐渐落后于这个时代。2014年3月，日本富士通推出了全球首款利用掌纹识别的笔记本电脑。这项技术的关键核心是一枚位于电脑右下角的扫描式指纹识别传感器，使用时将手掌悬浮在传感器上端就能解锁电脑。这款设计并没有得到大规模推广，原因在于便捷性欠佳以及掌纹识别传感器成本过高。直接在电脑上安装识别传感器的做法虽然可以达到利用生物特征进行身份认证的目的，但却需要刻意地将手掌放在指定区域，便捷性欠佳。同时，利用扫描来获取待测指纹图像，必然要增加硬件的成本。本发明将利用鼠标作为载体开发一种电脑指纹身份认证***，鼠标作为最重要和最灵活的外设，能够结合指纹识别加密技术带来全新的电脑身份认证方式。
发明内容
本发明旨在提供一种基于指纹识别的鼠标，将生物特征识别技术运用到鼠标等电子产品领域，主要解决了使用鼠标情境下使用者指纹的无障碍采集的问题，采集指纹后数据的存储与传输问题，指纹的处理与分析识别的问题以及本发明的可靠性设计与验证。
本发明提供了一种基于指纹识别的鼠标，包括鼠标本体、指纹身份认证的配套电子元件；所述鼠标本体上设有数据采集窗口、触发窗口，鼠标本体内部设有指纹信息采集模块、指纹信息处理机、触发模块、GSM通信模块；所述数据采集窗口位于鼠标左键一侧，窗口是透明的，且窗口整体为下凹式，与拇指肚贴合；所述触发窗口镶嵌在数据采集窗口内，为直径1~3毫米的圆形小孔；所述指纹信息采集模块包括接触式电容指纹传感器、数据预存储器、电压跟随电路；所述指纹传感器设置在数据采集窗口对应处，与按压在鼠标上的拇指相对；所述数据预存储器包括模数转换芯片与存储芯片,存储芯片通过模数转换芯片与指纹传感器相连；所述电压跟随电路是一个用三极管构成的共集电路；所述指纹信息处理机为以微处理器为主的数据处理***，指纹信息处理机设置在鼠标的后方，即：指纹信息处理机整***于手掌自然按压在鼠标的着力点偏后处，通过数据预存储器与指纹传感器相连；所述触发模块在数据采集窗口设置，触发模块是以光敏电阻与限流电阻为主的电路，该模块与指纹传感器的供电电路直接串联；所述GSM通信模块内嵌在鼠标内，直接与指纹信息处理机连接，由指纹信息处理机控制。
进一步地，所述数据采集窗口是一种类拇指肚形状的仿生窗口，其特征在于略微凹陷更适宜拇指按压。
进一步地，所述触发窗口设置在数据采集窗口的内部，均匀分布1~5个小型窗口，每个窗口对应独立的触发电路。
进一步地，所述指纹传感器的采集面与数据采集窗口紧密贴合，通过采集窗口与按压在鼠标侧壁与大拇指相对应接触。
所述触发模块电路为以光敏电阻与限流电阻为主要器件的电路，限流电阻一端连接指纹信息处理机，光敏电阻灯与限流电阻串联，在光线不足的情况下光敏电阻阻值减小，限流电阻分得的电压增大，连接指纹信息处理机的一端输出由低电平变化为高电平，从而发出驱动指纹采集模块工作的指令。
整个设计功耗最大的是指纹采集模块，让指纹传感器一直处于工作状态不符合低功耗的设计传统。指纹识别的部分也并不需要其一直处于开机状态，所以需要在数据采集窗口处安放触发模块。当大拇指初次覆盖数据采集窗时，触发启动，进而使得数据采集模块启动，完成数据采集，***设定N秒后待机。
本发明提供了所述的基于指纹识别的鼠标的使用方法，包括以下步骤：
（1）参数设置阶段：首次运行需要在软件中设定基础参数：无操作锁屏时间、指纹传感器敏感度参数、备用锁屏密码以及机主联系信息；
（2）注册阶段：通过机械或者软件激活，将手自然放在鼠标上，大拇指盖住数据采集窗口及触发窗口，光线变暗使触发模块工作，进而带动指纹采集模块工作，获得指纹图像，指纹图像经过指纹信息处理机处理提取出特征点，加密并存储模板；
（3）验证阶段：手放在鼠标上之后，大拇指盖住数据采集窗口及触发窗口，触发窗内光线发生变化，触发指纹采集模块运行；持续0.5~3秒，获得指纹图片，经由指纹信息处理机处理得出完整的指纹图像数据，提取特征信息后，通过预先储备的模板将两者进行匹配，进而判断出鼠标使用者的身份；
（4）强制锁定状态：当连续验证错误时，鼠标锁定，并且通过GSM通讯模块给机主发送报警短信；
（5）解锁强制锁定：当连续验证错误时，鼠标锁定，并且通过GSM通讯模块给机主发送报警短信。
上述使用方法中，所述步骤（3）中采集一次图像的时间为0.01~10毫秒；所述步骤（4）、（5）中连续验证错误的次数设定为3~10次。
本发明采用基于链码的指纹识别方法进行指纹特征的提取，并采用基于方向场描述子的匹配方法进行匹配，匹配效率满足实际使用的要求。指纹图像可通过Gabor滤波的方法进行滤波增强。为了提高特征的可区分性，特征点提取前将指纹图像分割成15*15的像素块，用脊线方向来对各个块的方向进行仿真。通过从上到下从左到右扫描一幅指纹图像，获得指纹图像中脊线的轮廓。然后，逆时针方向追踪脊线的轮廓，并把脊线上的元素信息记录在一个数组里。每一个轮廓元素就是轮廓上的每一个像素点。它包括这个像素点的x, y坐标、轮廓上像素的斜率或者方向以及附加的信息如曲率等。通过统计记录的信息即可得到指纹图像的细节点信息。
可靠性的加强主要通过修复***算法以及设计合理的传感器模型实现，匹配则借助基于方向场描述子的匹配方法进行匹配。
本发明的有益效果：本发明结合传感器技术、模式识别技术、可靠性验证技术以及无线通信技术，以电脑鼠标为载体进行设计；首先存储并传输使用者的指纹信息，判定手掌放在鼠标上人的身份，根据判定完成对电脑桌面的解锁操作；丰富了电脑人机交互的新体验，增强了鼠标作为一种电脑外设的便捷性。
附图说明
图1为本发明鼠标的外观图。
图2为图1的数据采集以及触发窗口图。
图3为本发明指纹识别的工作流程方框图。
图4为基于链码的指纹识别匹配流程图。
图5为***的电路连接图。
图6为GSM模块原理图。
图7为触发电路总图。
图8为电压跟随电路图。
图中：1-触发窗口，2-数据采集窗口，3-鼠标本体，4-TC315GSM，5-ZIF，6-身份芯片，7-ATMEGA128处理器，8-LED指示灯，9-SP3232，10-指纹处理机接口，11-排线，12-天线，13-电阻，14-光敏电阻，15-运算放大器。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例：
如图1~2所示，一种基于指纹识别的鼠标，包括鼠标本体3，指纹身份认证的配套电子元件；所述鼠标本体上设有数据采集窗口2、触发窗口1，鼠标本体3内部设有指纹信息采集模块、指纹信息处理机、触发模块、GSM通信模块。
所述数据采集窗口位于鼠标左键一侧，窗口是透明的，且窗口整体为下凹式，与拇指肚贴合；所述触发窗口镶嵌在数据采集窗口内，为直径1~3毫米的圆形小孔；如图1~2所示，所述数据采集窗口2是一种类拇指肚形状的仿生窗口；所述触发窗口1设置在数据采集窗口的内部，均匀分布1~5个小型窗口，每个触发窗口1对应独立的触发电路。
所述指纹信息采集模块包括指纹传感器、数据预存储器、电压跟随电路；所述指纹传感器设置在数据采集窗口对应处，与按压在鼠标上的拇指相对；所述数据预存储器包括模数转换芯片与存储芯片,存储芯片通过模数转换芯片与指纹传感器相连；所述电压跟随电路是一个用三极管构成的共集电路。
所述指纹信息处理机为以微处理器为主的数据处理***，以最小***为主，加载以指纹匹配算法为主的程序，指纹信息处理机整***于鼠标偏后方向，通过数据预存储器与指纹传感器相连。所述触发模块在数据采集窗口设置，触发模块包括以光敏电阻与限流电阻为主的电路，模块与指纹传感器的供电电路串联。所述GSM通信模块内嵌在鼠标内，直接与指纹信息处理机连接，受指纹信息处理机的直接控制。
进一步地，所述触发模块电路为以光敏电阻与限流电阻为主要器件的电路，限流电阻一端连接指纹信息处理机，光敏电阻灯与限流电阻串联，在光线不足的情况下光敏电阻阻值减小，限流电阻分得的电压增大，连接指纹信息处理机的一端输出由低电平变化为高电平，从而发出驱动指纹采集模块。
图5为***的电路连接图，指纹采集电路、触发电路以及GSM电路并联后共同与微处理器电路串联后接入供电电路，电压跟随电路并联与上述部分并联，鼠标本体电路直接接入供电电路。图6为GSM模块原理图，主要包括天线、ATMEGA128处理器、SP3232等，模块以天线作为收发信号的媒介，经过处理器处理获得预设的信号，并由排线串接指纹处理机实现通信。
本发明提供了上述基于指纹识别的鼠标的使用方法，包括以下步骤：（对应图3）
（1）参数设置阶段：首次运行需要在软件中设定基础参数：无操作锁屏时间、指纹传感器敏感度参数、备用锁屏密码以及机主联系信息；
（2）注册阶段：通过机械或者软件激活，将手自然放在鼠标上，大拇指盖住触发窗，光线变化使鼠标的触发电路工作，并带动指纹采集电路运行。指纹传感器在0.1~10毫秒内将完整的指纹图像采集完毕，并将图像送入指纹信息处理机，通过预处理以及基于链码的特征提取算法求得图像的细节点信息，将细节点经过模糊保险箱加密得出最后的匹配模板。
（3）验证阶段：手放在鼠标上之后，大拇指盖住数据采集窗口及触发窗口，触发窗内光线发生变化，触发指纹采集模块运行；持续0.5~3秒，获得指纹图片，经由指纹信息处理机处理得出完整的指纹图像数据，提取特征信息后，通过预先储备的模板将两者进行匹配，进而判断出鼠标使用者的身份；见图4所示的指纹识别匹配流程图。
（4）强制锁定状态：当连续验证错误时，鼠标锁定，并且通过GSM通讯模块给机主发送报警短信；
（5）解锁强制锁定：当连续验证错误时，鼠标锁定，并且通过GSM通讯模块给机主发送报警短信。
上述使用方法中，所述步骤（3）中采集一次图像的时间为0.01~10毫秒；所述步骤（4）、（5）中连续验证错误的次数设定为3~10次。
本发明的工作原理：
参数设置成功并使得触发模块成功触发后，工作主要为机主注册以及身份验证两个部分。指纹图像的采集主在鼠标上完成，鼠标内侧大拇指按压处设置有采集窗口，通过拇指与指纹传感器的接触直接提取指纹信息。采集后的指纹图像经过Gabor滤波增强以及基于链码的特征提取方法提取出指纹的细节点信息，将细节点信息进行模糊保险箱加密后形成最终的匹配样本。在机主注册阶段，直接将最终形成的匹配样本当做匹配模板，在使用者验证阶段则将其与事先存库的模板进行匹配即可。匹配时直接采用方向场描述子的相似度，相似度大于一定的阈值我们认为是真匹配。成功匹配后将解锁电脑屏幕，否则电脑界面将提示警告。在经过3～10次错误匹配后，鼠标将锁定，并通过GSM向机主发送报警信息。
本发明涉及的软件部分，即基于模指纹鼠标的配套功能算法，包括基于链码的指纹特征提取、基于方向场描述子的指纹特征匹配以及基于Gabor滤波器的图像增强；所述基于链码的指纹特征提取是将特征点提取前将指纹图像分割成15*15的像素块，用脊线方向来对各个块的方向进行仿真，从上到下从左到右扫描一幅指纹图像，获得指纹图像中脊线的轮廓，逆时针方向追踪脊线的轮廓，并把脊线上的元素信息记录在一个数组里，每一个轮廓元素就是轮廓上的每一个像素点，它包括这个像素点的x, y坐标、轮廓上像素的斜率或者方向以及曲率，统计记录的信息得到指纹图像的细节点信息；所述基于方向场描述子的指纹特征匹配是将已经提取完毕的细节点特征进行有序的分配，设置3~8个特征区域，将每个区域的细节特征进行量化，两个不同的指纹根据每个区域的量化特征进行对应匹配，最终的匹配结果根据预设的权值计算；所述Gabor滤波增强图像是在指纹匹配前将图像进行Gabor滤波处理，参数按照经验值即可。

Claims (7)

1.一种基于指纹识别的鼠标，包括鼠标本体、指纹身份认证的配套电子元件；其特征在于：所述鼠标本体上设有数据采集窗口、触发窗口，鼠标本体内部设有指纹信息采集模块、指纹信息处理机、触发模块、GSM通信模块；
所述数据采集窗口位于鼠标左键一侧，窗口是透明的，且窗口整体为下凹式，与拇指肚贴合；所述触发窗口镶嵌在数据采集窗口内，为直径1~3毫米的圆形小孔；
所述指纹信息采集模块包括接触式电容指纹传感器、数据预存储器、电压跟随电路；所述指纹传感器设置在数据采集窗口对应处，与按压在鼠标上的拇指相对；所述数据预存储器包括模数转换芯片与存储芯片,存储芯片通过模数转换芯片与指纹传感器相连；所述电压跟随电路是一个用三极管构成的共集电路；
所述指纹信息处理机为以微处理器为主的数据处理***，指纹信息处理机设置在鼠标的后方，通过数据预存储器与指纹传感器相连；
所述触发模块在数据采集窗口设置，触发模块包括以光敏电阻与限流电阻为主的电路，该模块与指纹传感器的供电电路直接串联；
所述GSM通信模块内嵌在鼠标内，直接与指纹信息处理机连接，由指纹信息处理机控制。
2.根据权利要求1所述的基于指纹识别的鼠标，其特征在于：所述数据采集窗口是一种类拇指肚形状的仿生窗口。
3.根据权利要求1所述的基于指纹识别的鼠标，其特征在于：所述触发窗口设置在数据采集窗口的内部，均匀分布1~5个小型窗口，每个窗口对应独立的触发电路。
4.根据权利要求1所述的基于指纹识别的鼠标，其特征在于：所述指纹传感器的采集面与数据采集窗口紧密贴合，通过采集窗口与按压在鼠标侧壁的大拇指相对应接触。
5.根据权利要求1所述的基于指纹识别的鼠标，其特征在于：所述触发模块电路为以光敏电阻与限流电阻为主要器件的电路，限流电阻一端连接指纹信息处理机，光敏电阻灯与限流电阻串联，在光线不足的情况下光敏电阻阻值减小，限流电阻分得的电压增大，连接指纹信息处理机的一端输出由低电平变化为高电平，从而发出驱动指纹采集模块工作的指令。
6.一种权利要求1~5任一项所述的基于指纹识别的鼠标的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）参数设置阶段：首次运行需要在软件中设定基础参数：无操作锁屏时间、指纹传感器敏感度参数、备用锁屏密码以及机主联系信息；
（2）注册阶段：通过机械或者软件激活，将手自然放在鼠标上，大拇指盖住数据采集窗口及触发窗口，光线变暗使触发模块工作，进而带动指纹采集模块工作，获得指纹图像，指纹图像经过指纹信息处理机处理提取出特征点，加密并存储模板；
（3）验证阶段：手放在鼠标上之后，大拇指盖住数据采集窗口及触发窗口，触发窗内光线发生变化，触发指纹采集模块运行；持续0.5~3秒，获得指纹图片，经由指纹信息处理机处理得出完整的指纹图像数据，提取特征信息后，通过预先储备的模板将两者进行匹配，进而判断出鼠标使用者的身份；
（4）强制锁定状态：当连续验证错误时，鼠标锁定，并且通过GSM通讯模块给机主发送报警短信；
（5）解锁强制锁定：当连续验证错误时，鼠标锁定，并且通过GSM通讯模块给机主发送报警短信。
7.根据权利要求6所述的基于指纹识别的鼠标的使用方法，其特征在于：所述步骤（3）中采集一次图像的时间为0.01~10毫秒；所述步骤（4）、（5）中连续验证错误的次数设定为3~10次。
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