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PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Handschrifterkennung, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Verlauf des zu untersuchenden Schriftzuges gleichzeitig und in Abhängigkeit von diesem Verlauf mindestens ein Teil der vom Schreibenden über das Schreibmittel auf die Schreibunterlage ausgeübten Kraft festgestellt und mit entsprechenden, bereits gespeicherten Informationen verglichen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Schriftverlauf mindestens die senkrecht zur Schreibflähce der Schreibunterlage wirkende Schreibkraft festgestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit vom Schriftverlauf mindestens eine parallel zur Schreibfläche der Schreibunterlage wirkende Schreibkraftkomponente festgestellt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft zusätzlich in Funktion der Zeit festgestellt wird.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Schreibunterlage durch mindestens einen über mindestens drei Kraftsensoren abgestützten starren Kraftaufnahmeteil (4) gebildet wird, und die Kraftsensoren über eine Sensor-Signalaufbereitungs- und Digitalisierungsschaltung (6) mit einer digital arbeitenden Auswertschaltung elektrisch verbunden sind.
6. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Schreibunterlage durch eine Vielzahl von Kraftaufnehmern gebildet wird.
7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren mindestens zur Feststellung der senkrecht zur Schreibfläche wirkenden Schreibkraft ausgebildet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren zur Feststellung von mindestens zwei, vorzugsweise drei senkrecht zueinander verlaufenden Kraftkomponenten der auf die Schreibunterlage ausgeübten Schreibkraft ausgebildet sind.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftsensoren aus piezokeramischem Material aus Dehnungsmessstreifen oder aus Piezoquartzen aufgebaut sind oder nach induktiven Verfahren arbeiten.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichsdaten der zu erkennenden Person auf einer von einer vorzugsweise mindestens einen Mikroprozessor enthaltenden Auswertschaltung über eine Lesestation abfragbaren individuellen magnetisierten Karte oder auf einem Datenträger eines Computers speicherbar sind.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Analog-Digitalwandler vorgesehen ist, der im Multiplex-Verfahren alle Sensoren sequentiell abfrägt.
12. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erkennung einer Unterschrift.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Handschrifterkennung, eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens, sowie eine Anwendung dieses Verfahrens.
Es ist bekannt, z.B. Unterschriften durch visuellen Vergleich auf ihre Richtigkeit zu überprüfen, wobei jedoch ein grosser Unsicherheitsfaktor darin besteht, dass Unterschriften rein nach dem Schriftzug beurteilt relativ gut gefälscht werden können.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Verfahrens zur Handschrifterkennung, welches gegenüber den bekannten Verfahren eine bedeutend bessere Beurteilung einer Handschrift ermöglicht.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass zusätzlich zum Verlauf des zu untersuchenden Schriftzuges gleichzeitig und in Abhängigkeit von diesem Verlauf mindestens ein Teil der vom Schreibenden über das Schreibmittel auf die Schreibunterlage ausgeübten Kraft festgestellt und mit entsprechenden, bereits gespeicherten Informationen verglichen wird.
Dabei ist es zweckmässig, wenn in Abhängigkeit vom Schriftverlauf mindestens die senkrecht zur Schreibfläche der Schreibunterlage wirkende Schreibkraft festgestellt wird.
Zur weiteren Verbesserung der Erkennungssicherheit ist es vorteilhaft, wenn in Abhängigkeit vom Schriftverlauf mindestens eine parallel zur Schreibfläche der Schreibunterlage wirkende Schreibkomponente festgestellt wird.
Es ist ausserdem zweckmässig, wenn die Kraft zusätzlich in Funktion der Zeit festgestellt wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens die Schreibunterlage durch mindestens einen über mindestens drei Kraftsensoren abgestützten starren Kraftaufnahmeteil gebildet wird, und die Kraftsensoren über eine Sensor-Signalaufbereitungs- und Digitalisierungsschaltung mit einer digital arbeitenden Auswertschaltung elektrisch verbunden sind.
Gegenstand der Erfindung ist ausserdem eine Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass mindestens die Schreibunterlage durch eine Vielzahl von Kraftaufnehmern gebildet wird.
Es ist zweckmässig, wenn die Kraftsensoren mindestens zur Feststellung der senkrecht zur Schreibfläche wirkenden Schreibkraft ausgebildet sind.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Kraftsensoren zur Feststellung von mindestens zwei, vorzugsweise drei senkrecht zueinander verlaufenden Kraftkomponenten der auf die Schreibunterlage ausgeübten Schreibkraft ausgebildet sind.
Es ist ferner zweckmässig, wenn die Kraftsensoren aus piezokeramischem Material aus Dehnungsmessstreifen oder aus Piezoquartzen aufgebaut sind oder nach induktiven Verfahren arbeiten.
Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Vergleichsdaten der zu erkennenden Person auf einer von einer vorzugsweise mindestens einen Mikroprozessor enthaltenden Auswertschaltung über eine Lesestation abfragbaren individuellen magnetisierten Karte oder auf einem Datenträger eines Computers speicherbar sind.
Es ist ausserdem zweckmässig, wenn ein Analog-Digitalwandler vorgesehen ist, der im Multiplex-Verfahren alle Sensoren sequentiell abfrägt.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Erkennung einer Unterschrift.
Nachstehend wird die Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigt
Fig. 1 einen Grundriss einer ersten beispielsweisen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung mit zwölf Kraftaufnehmern;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1; und
Fig. 3 eine Draufsicht auf das Schreibfeld einer zweiten beispielsweisen Ausführungsform einer erfindungsgemässen Einrichtung, in stark vergrössertem Massstab.
Vorerst ist folgendes grundsätzliches zu bemerken:
Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik ist es möglich, die äusseren Kräfte welche auf einen starren Körper wirken auf eine Dyname zu reduzieren. Diese besteht aus zwei Vektoren: dem Kraftvektor und dem Momentvektor. In den Fällen wo der Momentvektor orthogonal zum Kraftvektor ist, oder falls der
Momentvektor verschwindet, ist eine Reduktion der Kräfte auf eine Einzelkraft möglich. Diese resultierende Einzelkraft ist längs ihrer Wirkungslinie frei verschiebbar.
Wird nun ein starrer Körper (z.B. eine Metall- oder Glasplatte) als Schreibunterlage verwendet und in geeigneter Weise mit Kraftaufnehmern (Sensoren) versehen, so lässt sich aus der resultierenden Dyname aller äusseren Kräfte die vom Schreibenden auf diese Unterlage ausgeübte Kraft und das Moment bestimmen. Im Falle wo nur die Spitze des Schreibstiftes die Unterlage berührt, erhält man auf diese Weise volle Information über die drei Kraftkomponenten der vom Stift auf die Unterlage ausgeübten Kraft, sowie die zwei Koordinaten des Kraftangriffspunktes auf der Unterlage.
Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, werden die drei von den an den Abstützpunkten 1, 2 und 3 des Kraftaufnahmeteiles 4 angeordneten Kraftaufnehmern beim Schreiben auf dem Schreibfeld 5 abgegebenen analogen elektrischen Signale (Ladungen oder Ströme) verstärkt und einem Analog-Digital Wandler 6 zugeführt, der im Multiplex-Verfahren alle Sensoren sequentiell abfrägt. In einer Datenverarbeitungsanlage 7, welche aus einem Mikroprozessor oder Computer besteht, werden die Sensordaten gespeichert. Die Messfehler, welche von der Temperaturabhängigkeit der Sensoren und der Elektronik sowie von konstruktionsbedingten mechanischen Vorspannungen herrühren, werden mittels einer Kalibrierungsmessung sofort korrigiert. Solche Korrekturalgorithmen sind notwendig, da die Bestimmung kleiner Kräfte mit mehreren Sensoren naturgemäss stark mit Messfehlern behaftet ist.
Aus den korrigierten Grössen werden nun die Kraftkomponenten und die Koordinaten des Kraftangriffspunktes berechnet.
Aus den nun vorliegenden Daten kann z.B. ein naturgetreues Bild des Schriftzuges auf einem Bildschirm 8 gezeigt werden. Zusätzlich liefert dieses Verfahren jedoch auch den zeitlichen Verlauf der folgenden Grössen:
Koordinaten x(t), y(t) des Angriffspunktes
Kraftkomponenten Fx(t), Fy(t), Fz(t)
Im Falle, wo auch die Bewegungen der Hand auf der Platte (grosse Schreibunterlage) gemessen wird oder falls die Spitze des Schreibstiftes 10 nicht kugelförmig ist, erhält man zusätzlich noch die
Momente MX(t), My(t), Mz(t) wobei vor allem das Moment Mz(t) um eine vertikale Achse von Interesse ist.
Die Identifikation des Schriftzuges 12 erfolgt nun durch die Auswertung der Korrelationen der obengenannten Zeitfunktionen. Es werden dabei die numerischen Integrale über die Kraftkomponenten über bestimmte Segmente der Handschrift mit dem örtlichen und zeitlichen Verhalten der Bewegung des Kraftangriffspunktes verglichen. Weitere Parameter, die zur Identifikation des Schreibenden dienen, können abgeleitet werden aus:
Reibungskraft, Kraftbetrag, Moment, Kraftwinkel gegen über der Horizontalen, Umriss eines Segmentes, sowie das Verhalten der Kraftintegrale innerhalb des Umrisses, benötigte Schreibzeit und dazugehöriges Kraftverhalten innerhalb festgelegter örtlicher Bereiche.
Die obige Liste ist nicht vollständig.
Mit den entsprechenden Algorithmen werden nun eine Anzahl charakteristischer Grössen (Parameter) bestimmt, die für den Schreibenden, z.B. im Falle der Unterschriftenverifizierung, charakteristisch sind und wegen der Abstraktheit der verwendeten Messmethode (Kraftbetrag und Kraftrichtung) praktisch absolut fälschungssicher sind.
Anwendungsbeispiel: Verifikation von Unterschriften an Geldausgabeschaltern oder für die Zutrittskontrolle.
Die Anlage besteht aus vier Teilen:
Kraftaufnehmerplatte 4 mit je drei Sensoren in ihren drei Abstützpunkten 1, 2 und 3
Sensor-Signalaufbereitungs- und Digitalisierungselektronik
Digitale Auswertungselektronik (Mikroprozessor, Kleincomputer)
Interface zum Grosscomputer des Betriebes oder Magnet streifen-Kundenkartenleser.
Die Kraftaufnehmerplatte 4 besteht aus Stahl, und an den Ecken 1, 2 und 3 eines gleichseitigen Dreiecks mit der Seitenlänge s sind je drei Kraftaufnehmer so montiert, dass die Platte 4 in horizontaler Lage im Gleichgewicht ist, d.h. die Summe der Momente um die x- und um die y-Achse gleich Null sind.
Die Sensorgruppen sind im Gegenuhrzeigersinn mit 1, 2 und 3 numeriert (siehe Figur 1). Jede Sensorgruppe besteht aus 3 senkrecht zueinander angeordneten Kraftaufnehmern, bzw. aus einem integralen 3-Komponentenkraftaufnehmer. Die von der Platte auf die Sensoren ausgeübten Kräfte sind: in der z-Richtung Z1, Z2, Z3, in der y-Richtung Yl, Y2, Y3, in der x-Richtung X1, X2, X3.
Unter der vereinfachenden (aber nicht notwendigen) Annahme, dass die x-y-Ebene mit der Schreibebene identisch ist, erhalten wir für die Koordinaten des Kraftangriffspunktes und für die Kraftkomponenten die folgenden Gleichungen: xl = Xl + X2 + X3
Fy = Yi + Y2 + Y3
Fz = Z1 + Z2 + Z3
EMI2.1
Falls die Schreibfläche 5 zur x-y-Ebene Parallel verschoben ist (siehe Fig. 2) kommen in den letzten beiden Gleichungen noch Korrekturglieder vor, welche von FX/Fz und Fy/Fz sowie vom Abstand der beiden Ebenen abhängen. Als vereinfachte Anordnung kann man das Anbringen der sechs X- und Y-Sensoren unterlassen, man erhält dann allerdings nur die Koordinaten des Angriffspunktes der Kraft und die Vertikalkomponente Fz der Kraft.
Die Signale werden analog verstärkt und mittels eines herkömmlichen Analog-Digital-Wandlers 6 in den Mikroprozessor oder Computer 7 eingespeist. Nun werden die derart mit den Erkennungsalgorithmen bestimmten Parameter mit den für die unterschreibende Person bereits auf dem Computer vorhandenen, von Probeunterschriften stammenden Parametern verglichen. Je nach Güte der Übereinstimmung wird die Unterschrift von der Anlage als authentisch erklärt. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, den Schriftzug auf einem optionellen Bildschirm 8 in vergrösserter Form darzustellen und zusätzlich den Wahrscheinlichkeitsgrad der Übereinstimmung einer Kontrollperson zugänglich zu machen.
Eine alternative Methode besteht darin, dass die unterschreibende Person eine magnetisierte Karte, welche die entsprechenden Parameter enthält in das Gerät einschiebt.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, ist es zur Bestimmung des Verlaufs des zu untersuchenden Schriftzuges 12 auch möglich, das Schreibfeld 5 aus einer grossen Anzahl von nebeneinander angeordneten Sensoren 14 aufzubauen, und die Schreibkräfte zum Beispiel mittels einem im Schreibstift angeordneten Kraftsensor festzustellen.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. A method for handwriting recognition, characterized in that, in addition to the course of the lettering to be examined, at least part of the force exerted by the writer on the writing pad on the writing pad is determined simultaneously and in dependence on this course and is compared with corresponding, already stored information.
2. The method according to claim 1, characterized in that, depending on the course of the writing, at least the typist acting perpendicular to the writing surface of the writing pad is determined.
3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that, depending on the course of the writing, at least one typist component acting parallel to the writing surface of the writing pad is determined.
4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the force is additionally determined as a function of time.
5. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that at least the writing pad is formed by at least one rigid force receiving part (4) supported by at least three force sensors, and the force sensors by means of a sensor signal processing and digitizing circuit (6) with a digital evaluation circuit are electrically connected.
6. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that at least the writing pad is formed by a plurality of force transducers.
7. Device according to claim 5 or 6, characterized in that the force sensors are designed at least to determine the typist acting perpendicular to the writing surface.
8. Device according to claim 7, characterized in that the force sensors are designed to determine at least two, preferably three mutually perpendicular force components of the typist exerted on the writing pad.
9. Device according to one of claims 5 to 8, characterized in that the force sensors are made of piezoceramic material from strain gauges or from piezo quartzes or work according to inductive methods.
10. Device according to one of claims 5 to 9, characterized in that the comparison data of the person to be recognized can be stored on an individual magnetized card which can preferably be queried by at least one microprocessor via a reading station or on a data carrier of a computer.
11. Device according to one of claims 5 to 10, characterized in that an analog-digital converter is provided, which polls all sensors sequentially in the multiplex method.
12. Application of the method according to claim 1 for recognizing a signature.
The invention relates to a method for handwriting recognition, a device for carrying out the method, and an application of this method.
It is known e.g. Checking the correctness of signatures by visual comparison, although a major uncertainty factor is that signatures can be falsified relatively well if they are judged solely by the lettering.
The object of the present invention is therefore to create a method for handwriting recognition which enables a significantly better assessment of a handwriting compared to the known methods.
This object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that, in addition to the course of the lettering to be examined, at least part of the force exerted by the writer on the writing pad via the writing means is determined simultaneously and in dependence on this course and with corresponding, already stored Information is compared.
It is expedient if, depending on the course of the writing, at least the typist acting perpendicular to the writing surface of the writing pad is determined.
To further improve the recognition reliability, it is advantageous if, depending on the course of the writing, at least one writing component acting parallel to the writing surface of the writing pad is determined.
It is also expedient if the force is also determined as a function of time.
The invention further relates to a device for carrying out the method according to the invention, which is characterized in that at least the writing pad is formed by at least one rigid force absorption part supported by at least three force sensors, and the force sensors by means of a sensor signal processing and digitizing circuit with a digitally operating circuit Evaluation circuit are electrically connected.
The invention also relates to a device for carrying out the method according to the invention, which is characterized in that at least the writing pad is formed by a large number of force transducers.
It is expedient if the force sensors are designed at least to determine the typing force acting perpendicular to the writing surface.
It is advantageous if the force sensors are designed to detect at least two, preferably three, force components of the typing force exerted perpendicular to one another.
It is also expedient if the force sensors are made from piezoceramic material from strain gauges or from piezo quartzes or work by inductive methods.
It has proven to be advantageous if the comparison data of the person to be recognized can be stored on an individual magnetized card that can be queried by a reading processor, preferably containing at least one microprocessor, or on a data carrier of a computer.
It is also expedient if an analog-digital converter is provided which sequentially polls all sensors in the multiplex method.
The invention also relates to an application of the method according to the invention for recognizing a signature.
The invention is explained below with reference to the drawing, for example. It shows
Figure 1 is a plan view of a first exemplary embodiment of an inventive device with twelve force transducers.
2 shows a section along the line II-II in Fig. 1. and
Fig. 3 is a plan view of the writing field of a second exemplary embodiment of a device according to the invention, on a greatly enlarged scale.
For the time being, the following basic points should be noted:
According to the laws of classical mechanics, it is possible to reduce the external forces that act on a rigid body to a Dyname. This consists of two vectors: the force vector and the moment vector. In cases where the moment vector is orthogonal to the force vector, or if the
The moment vector disappears, the forces can be reduced to a single force. This resulting single force can be freely moved along its line of action.
If a rigid body (e.g. a metal or glass plate) is now used as a writing pad and suitably equipped with force transducers (sensors), the resulting dyname of all external forces can be used to determine the force exerted by the writer on this pad and the moment. In the case where only the tip of the pen touches the surface, full information about the three force components of the force exerted by the pen on the surface and the two coordinates of the force application point on the surface are obtained.
As can be seen from FIGS. 1 and 2, the three analog electrical signals (charges or currents) emitted by the force transducers arranged at the support points 1, 2 and 3 of the force-absorbing part 4 are amplified and an analog-digital converter 6 supplied, which polls all sensors sequentially in the multiplex method. The sensor data are stored in a data processing system 7, which consists of a microprocessor or computer. The measurement errors, which result from the temperature dependence of the sensors and electronics and from design-related mechanical preloads, are corrected immediately using a calibration measurement. Such correction algorithms are necessary because the determination of small forces with several sensors is inherently heavily associated with measurement errors.
The force components and the coordinates of the force application point are now calculated from the corrected variables.
From the data now available, e.g. a lifelike image of the lettering can be shown on a screen 8. In addition, this method also provides the chronological progression of the following variables:
Coordinates x (t), y (t) of the point of attack
Force components Fx (t), Fy (t), Fz (t)
In the case where the movements of the hand on the plate (large writing pad) are measured or if the tip of the pen 10 is not spherical, one also receives the
Moments MX (t), My (t), Mz (t) where the moment Mz (t) about a vertical axis is of particular interest.
The lettering 12 is now identified by evaluating the correlations of the above-mentioned time functions. The numerical integrals over the force components over certain segments of the manuscript are compared with the local and temporal behavior of the movement of the force application point. Further parameters that serve to identify the writer can be derived from:
Frictional force, amount of force, moment, force angle with respect to the horizontal, outline of a segment, as well as the behavior of the force integrals within the outline, required writing time and associated force behavior within defined local areas.
The list above is not exhaustive.
With the corresponding algorithms, a number of characteristic quantities (parameters) are now determined, which for the writer, e.g. in the case of signature verification, are characteristic and, due to the abstract nature of the measurement method used (amount of force and direction of force), are practically absolutely forgery-proof.
Example of use: verification of signatures at cash dispensers or for access control.
The system consists of four parts:
Force transducer plate 4, each with three sensors in its three support points 1, 2 and 3
Sensor signal processing and digitizing electronics
Digital evaluation electronics (microprocessor, small computer)
Interface to the company's large computer or magnetic strip customer card reader.
The force transducer plate 4 is made of steel, and at the corners 1, 2 and 3 of an equilateral triangle with the side length s, three force transducers are each mounted so that the plate 4 is balanced in the horizontal position, i.e. the sum of the moments about the x and y axes are zero.
The sensor groups are numbered counterclockwise with 1, 2 and 3 (see Figure 1). Each sensor group consists of 3 force transducers arranged perpendicular to each other, or an integral 3-component force transducer. The forces exerted by the plate on the sensors are: in the z direction Z1, Z2, Z3, in the y direction Yl, Y2, Y3, in the x direction X1, X2, X3.
Under the simplifying (but not necessary) assumption that the x-y plane is identical to the writing plane, we get the following equations for the coordinates of the force application point and for the force components: xl = Xl + X2 + X3
Fy = Yi + Y2 + Y3
Fz = Z1 + Z2 + Z3
EMI2.1
If the writing surface 5 is shifted parallel to the x-y plane (see FIG. 2), there are correction elements in the last two equations, which depend on FX / Fz and Fy / Fz and on the distance between the two planes. As a simplified arrangement, the six X and Y sensors can be omitted, but only the coordinates of the point of application of the force and the vertical component Fz of the force are then obtained.
The signals are amplified in an analog manner and fed into the microprocessor or computer 7 by means of a conventional analog-digital converter 6. Now the parameters determined in this way with the recognition algorithms are compared with the parameters that already exist on the computer for the signing person and come from trial signatures. Depending on the quality of the match, the signature is declared authentic by the system. In addition, there is the possibility of displaying the lettering on an optional screen 8 in an enlarged form and, in addition, to make the degree of probability of agreement of a control person accessible.
An alternative method is that the signing person inserts a magnetized card, which contains the corresponding parameters, into the device.
As can be seen from FIG. 3, in order to determine the course of the lettering 12 to be examined, it is also possible to construct the writing field 5 from a large number of sensors 14 arranged next to one another and to determine the typists, for example by means of a force sensor arranged in the pen.