CN101005353B - 一种实现定位和导航功能的智能密钥设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现定位和导航功能的智能密钥设备，除了包括智能密钥单元、指纹认证单元和通讯单元，还包括用于采集相邻两帧图像的指纹数据采集单元、用于对上述采集到的指纹图像数据进行处理的指纹数据处理单元，以及用于实现本发明智能密钥设备不同功能之间转换的功能切换单元。本发明充分利用了现有技术中具有指纹识别功能的智能密钥设备上均配有的指纹传感器，使其在用于采集用户指纹信息的同时还实现了类似于鼠标和键盘方向键的定位和导航功能，扩展了现有智能密钥设备的用途，实现了多功能，方便了用户操作。

Description

一种实现定位和导航功能的智能密钥设备

技术领域

本发明涉及一种信息安全技术领域的设备，尤其涉及一种可以实现定位和导航功能的智能密钥设备。

背景技术

智能密钥设备是一种带有处理器和存储器的小型硬件装置，它可通过计算机的数据通讯接口与计算机连接。智能密钥设备具有密钥生成功能，并可安全的存储密钥，还可预置加密算法功能。智能密钥设备与密钥相关的运算完全在其设备内部进行。一般情况下，智能密钥设备通过USB接口与计算机相连。

目前智能密钥设备主要用于网络身份认证。智能密钥设备可以支持数字签名和PKI体系，从而极大地提高了身份认证的安全性和可靠性。另外，由于此类硬件很难被复制，因此帐号的安全性就得到了保证。同时，用户无需再记忆和输入帐号及密码，简化了用户操作，方便了用户的使用。

基于智能密钥设备的身份认证系统主要有两种应用模式：一种是基于PKI体系的认证模式，另一种是基于冲击/响应的认证模式。非对称密钥机制是目前应用最广泛的一种身份验证机制，在这一机制中，加密密钥与解密密钥各不相同，用公钥加密的数据只能用与之对应的私钥解密。公钥机制的数字签名既保证了信息的机密性，又保证了信息具有不可抵赖性，其原理是：首先将明文用被验证方私钥签名，得到数字签名，然后将数字签名发向验证方，验证方用被验证方的公钥进行验证。

通过输入PIN码(个人身份识别码)或个人生物特征(如指纹、掌纹、声纹、视网膜、虹膜、脸形等)，可以验证用户是否是智能密钥设备的合法持有者。PIN码存储在智能密钥设备不可读的存储空间中，因此任何人都不可能从该设备中读取PIN码的值，用户只有输入正确的PIN码才能证明其合法身份。同样，个人生物特征值也被存储在智能密钥设备不可读的存储空间中，智能密钥设备通过生物特征采集单元采集用户的生物特征信息后，将其与预存的生物特征值进行比对，以此来判断用户是否具有合法身份。

目前，在各种生物特征识别技术中，应用最广泛、技术最成熟的是指纹识别技术。具有指纹识别功能的智能密钥设备早已面世。与传统的利用PIN码验证的智能密钥设备相比，这类设备由于利用了人体独特的指纹，而具有更高的安全性和可靠性。

一般来说，具有指纹识别功能的智能密钥设备均配有一个指纹传感器，用于采集用户的指纹信息，以便确认智能密钥设备的使用者为其合法持有者。但是，此类设备的功能比较单一，没有充分利用硬件设备的性能，不符合计算机外围设备越来越趋于多功能化的潮流。

发明内容

本发明旨在提供一种利用智能密钥设备附带的指纹传感器实现定位和导航功能的智能密钥设备，扩展了现有智能密钥设备的用途，方便了用户操作。

本发明公开了一种实现定位和导航功能的智能密钥设备，除了包括用于实现智能密钥功能的智能密钥单元、用于确认智能密钥设备使用者为其合法持有者的指纹认证单元和用于实现智能密钥设备与主机之间数据交互的通讯单元，还包括用于采集相邻两帧指纹图像的指纹数据采集单元、用于对采集到的指纹图像数据进行处理的指纹数据处理单元和用于控制智能密钥设备执行不同功能的功能切换单元。

所述指纹数据处理单元对所述指纹数据采集单元采集到的指纹图像数据进行处理的过程包括：

(1)定义重合图像块的相似程度；

(2)计算所述相邻两帧指纹图像的不同重合图像块的相似度，取最相似的两个重合图像块作为所述相邻两帧指纹图像的重合区域；

(3)通过所述重合区域计算手指的相对位移。

所述指纹数据处理单元计算相似度时采用灰度值的距离函数。

所述灰度值的距离函数包括灰度值的方差计算。

所述指纹数据处理单元采用遍历方法来确定重合图像块。所述指纹数据处理单元将计算出的相对位移值通过所述通讯单元传递给智能密钥设备所连接的主机，所述主机执行相应的向上、向下、向左或者向右移动光标操作，实现定位和导航的功能。

所述不同功能包括智能密钥功能、指纹认证功能、定位功能和导航功能。

本发明的原理技术方案如下：利用智能密钥设备附带的指纹传感器采集的连续两帧指纹图像片段有一定重合关系的特性，计算出后一帧f(m)相对于前一帧f(m-1)图像的偏移量(Δx，Δy)，从而确定手指在指纹传感器表面的运动轨迹，实现类似于鼠标和键盘方向键的定位和导航功能。

指纹传感器在1秒钟内能够采集上百张图片，所以当手指不断地在传感器的采集面上滑动时，指纹传感器就会在短时间内采集到许多帧图像，通过计算每相邻的两帧图像就能得出一个相对位移(Δx，Δy)值，从而可以获得手指在指纹传感器采集面上的运动轨迹。通过计算对应行的灰度差的函数，可以实现上述目的。主机通过通讯接口向指纹传感器发送获取(Δx，Δy)的命令后，指纹传感器便执行相应的操作，最后计算出(Δx，Δy)的值并将其返回给主机。然后，主机通过该值来确定光标在显示器屏幕上的位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：充分利用了现有技术中具有指纹识别功能的智能密钥设备上均配有的指纹传感器，使其在用于采集用户的指纹信息的同时还实现了类似于鼠标和键盘方向键的定位和导航功能，扩展了现有智能密钥设备的用途，实现了多功能，方便了用户操作。

附图说明

图1是本发明智能密钥设备的结构示意图；

图2-1是相邻两帧图像片段中先采集到的图像片段；

图2-2是相邻两帧图像片段中后采集到的图像片段；

图3是本发明智能密钥设备的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的系统和方法进行更详细的描述。

图1是本发明智能密钥设备的结构示意图。如图1所示，本发明智能密钥设备10包括指纹数据采集单元11、指纹数据处理单元12、通讯单元13、功能切换单元14、智能密钥单元15以及指纹认证单元16。其中，指纹数据采集单元11用于采集使用者相邻的两帧指纹图像片段图像信息。指纹数据处理单元12用于对所述指纹数据采集单元11采集到的指纹图像数据进行处理，具体包括：定义重合图像块的相似程度，再计算相邻两帧指纹图像的不同重合图像块的相似度，取最相似的两个重合图像块作为这两帧指纹图像的重合区域，最后通过重合区域计算手指的相对位移。通讯单元13用于智能密钥设备和主机之间的数据交互。

功能切换单元14用于控制智能密钥设备执行不同的功能，其中包括智能密钥功能、指纹认证功能、定位功能和导航功能。

如果功能切换单元切换到智能密钥功能，则智能密钥设备执行身份认证和数字签名等功能；如果功能切换单元切换到指纹认证功能，则智能密钥设备用于确认智能密钥设备的使用者是否为其合法持有者；如果功能切换单元切换到定位功能，则智能密钥设备与主机实现数据交互，将主机所连接的显示器屏幕上的光标置于特定位置；如果功能切换单元切换到导航功能，则智能密钥设备与主机实现数据交互，在主机所连接的显示器屏幕上相应的向上、向下、向左或向右移动光标，实现定位和导航的功能。

智能密钥单元15用于执行智能密钥功能，包括身份认证和数字签名等功能。指纹认证单元16用于确认智能密钥设备的使用者为其合法持有者。

为了更好地描述本发明智能密钥设备的工作原理，首先给出如下两个定义：

定义图像行的相似度：采用行对应，也就是在两帧图像中各取一行，按每个对应象素点的灰度值的差的平方和作为这两行的相似度。所述相似度的值越小，就说明这两行的相似度越高，也就是这两行越吻合。

定义图像块的相似度：就是两帧图像各取连续的n(n取大于等于1的自然数)行作为一个图像块，分别计算出两个图像块中对应行的相似度，然后将各行的相似度值加起来取平均值作为这两块图像的相似度。不难看出，行的相似度是当n＝1时的特殊情况。

图2-1是相邻两帧图像片段中先采集到的图像片段，图2-2是相邻两帧图像片段中后采集到的图像片段，依据上述原理，分别计算出前一帧f(m-1)图像片段(图2-1)中正向选取的图像块与后一帧f(m)图像片段(图2-2)中反向选取的块之间的相似度，前一帧f(m-1)图像片段(图2-1)中反向选取的块与后一帧f(m)图像片段(图2-2)中正向选取的块之间的相似度，比较两相似度的值。如果前者的值更小，说明图2-1中正向选取的块与图2-2中反向选取的块更吻合，因此，得出图像的采集方向为反向采集。本发明中所述“正向”意为图像片段的排列顺序与按时间先后采集的图像片段顺序一致；相应地，“反向”意为图像片段的排列顺序与按时间先后采集的图像片段顺序相反。

在本发明设备的指纹数据采集单元采集到连续两帧指纹图像片段后，设备的指纹数据处理单元具体执行以下操作：

(1)首先判断是正向采集还是反向采集；

(2)判断采集方向后，统计图像块的相似度，并取最小的相似度；

(3)计算出Δx和|Δy|的值，然后根据正反向来确定Δy的符号，正向采集为正号，反之为负号。

图3是本发明智能密钥设备的工作流程图，其步骤如下：

步骤301：由指纹数据采集单元判断是否有手指接触到传感器，一旦检测到手指接触，指纹采集单元采集连续的两帧指纹图像片段f(m)和f(m-1)，设每帧图像的大小为i行j列，本实施例中采集到的图像如图2-1和图2-2中所示，每帧图像片段为8行280列。

步骤302：由指纹数据处理单元统计按正向采集的最小相似度。本实施例中以遍历的方法为例，求出按此方向取图像块时的最小相似度及在相似度值最小时图像块的位置，实际应用中也可以采用二分法或其他快速查找方法获得最小相似度。遍历的过程是：由于块行数为1～i，先由图2-1的第i往上取n行(n＝2，3......i)，再由图2-2的第1行往下取n行，图2-2的第n-1行对应图2-1的第i行，算出n从2～i这i-1块的相似度temp1，然后将其中最小的相似度值赋予Min1，作为正向采集的相似度。

步骤303：由指纹数据处理单元统计按反向采集的最小相似度。同样采用遍历的方法，得出最小相似度的值及在相似度值最小时图像块的位置，只是块的选取方法不同。图2-1中是由第1行往下取n行，图2-2是由第i行往上取n行(n＝2，3......i)。图2-1的第n-1行对应图2-2的第i行，计算出n从2～i这i-1块的相似度temp2，然后将其中最小的相似度值赋予Min2，作为反向采集的相似度。

步骤304：比较这两个相似度Min1和Min2，取其小者为手指滑动的方向。如果条件305满足Min1≤Min2，则采用正向采集，进行步骤306，将记录方向的变量Dir的值赋为1，否则采用反向采集，进行步骤307，将记录方向的变量Dir的值赋为-1。

步骤308：当反向采集时，把两帧的图像都倒转过来。如果用A(i，j)表示帧的原始数据，B(i，j)表示倒转后的图像，则B(i，j)＝A(7-i，279-j)，(i＝0～7，j＝0～279)。

步骤309：将后一帧f(m)的最上一行的中点作为参照点，和前一帧f(m-1)中的第i行的某个点A(i，j)(0＜＝i＜＝7，140-i＜＝j＜＝140+i)相对应，计算后一帧f(m)的最上一行与前一帧f(m-1)的第i行的对应点的灰度值的差的平方和，将其作为这两行相对于A(i，j)点的相似度。

步骤310：遍历A(i，j)(0＜＝i＜＝7，140-i＜＝j＜＝140+i)，计算出相似度值最小的参照点，将其设为A(a，b)，计算得出Δx和Δy。如果是正向采集，则Δx＝b-140，Δy＝a；如果是反向采集，则Δx＝140-b，Δy＝-a。

步骤311：智能密钥设备通过通讯单元将得出的Δx和Δy的值返回给主机。

步骤312：主机基于上述相对位移值(Δx，Δy)来确定使用者手指的运动轨迹(这里包括方向和距离)，从而确定光标在显示器屏幕上的位置。

以上所述实施方式仅为本发明的具体实施个例，但是本发明不限于上述实施个例，对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都属于本发明的构思和所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种实现定位和导航功能的智能密钥设备，包括用于实现智能密钥功能的智能密钥单元、用于确认智能密钥设备使用者为其合法持有者的指纹认证单元和用于实现智能密钥设备与主机之间数据交互的通讯单元，其特征在于：还包括用于采集相邻两帧指纹图像的指纹数据采集单元、用于对采集到的指纹图像数据进行处理的指纹数据处理单元和用于控制智能密钥设备执行不同功能的功能切换单元；

所述指纹数据处理单元对所述指纹数据采集单元采集到的指纹图像数据进行处理的过程包括：

(1)定义重合图像块的相似程度，即在两帧图像各取连续的n行作为一个图像块，n取大于等于1的自然数，分别计算出两个图像块中对应行的相似度，然后将各行的相似度的值加起来取平均值作为这两块图像的相似度，相似度越小，两图像块的相似程度越高，

(2)计算所述相邻两帧指纹图像的不同的重合图像块的相似度，取最相似的两个重合图像块作为所述相邻两帧指纹图像的重合区域，

(3)通过所述重合区域计算手指的相对位移；

其中，所述指纹数据处理单元计算相似度时采用灰度值的距离函数，所述灰度值的距离函数包括灰度值的方差计算。

2.根据权利要求1所述的实现定位和导航功能的智能密钥设备，其特征在于：所述指纹数据处理单元采用遍历方法来确定重合图像块。

3.根据权利要求1所述的实现定位和导航功能的智能密钥设备，其特征在于：所述指纹数据处理单元将计算出的相对位移值通过所述通讯单元传递给智能密钥设备所连接的主机，所述主机执行相应的向上、向下、向左或者向右移动光标操作，实现定位和导航的功能。

4.根据权利要求1所述的实现定位和导航功能的智能密钥设备，其特征在于：所述不同功能包括智能密钥功能、指纹认证功能、定位功能和导航功能。

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