CN102156544A

CN102156544A - 多模态码字无序交融密码输入装置

Info

Publication number: CN102156544A
Application number: CN 201110095848
Authority: CN
Inventors: 戴永; 周珂; 樊亮
Original assignee: Xiangtan University
Current assignee: Xiangtan University
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2031-04-18
Also published as: CN102156544B

Abstract

本发明公开了一种多模态码字无序交融密码输入装置，由密码键盘JP、黑箱子密码书写盘ZP、直接计算机IC1、并行接口IC2、串行接口IC3、键盘中断请求电路IC4、语音信息存储与播放驱动电路IC5、喇叭SP以及上位计算机PC机组成。本发明多模态码字无序交融密码输入装置安全隐患仅存于多模态时序同步摄像肩窥，而且黑箱子内必须是无光源摄像。可见，对多模态交融输入方式进行肩窥，所需的设备成本、密码重构技术等将是目前所有密码肩窥行为中最高的，以输入6位密码为例，即n＝6，本发明装置的密码数量为

窃取率为

可以有效的防止密码肩窥行为，保证密码安全。

Description

多模态码字无序交融密码输入装置

技术领域

本发明属密码信息安全输入技术领域。

背景技术

当前密码产生方法以指击密码键盘为主，也有通过书写板提供密码的。密码键盘在密码交互中，以其输入方便、保密性好、体积小、成本低、寿命长等优势已成为社会活动中与人们紧密相关的普及型身份认证装置。由于客户生物信息特征体现的不一致性、唯一性、时限性等重要属性使得这些生物特征信息识别系统无法替代密码键盘的存在。实用表明，密码键盘重要不足表现在安全性受到严峻挑战，用户密码被肩窥事件时有发生；机械结构的触点，常常出现密码因硬件问题输入出错的情况；不方便盲人等严重眼疾人士参入身份认证活动等不足。针对指击密码键盘的不足而产生的各种手写密码输入方法与装置虽然对密码输入的部分肩窥行为，如偷看、听音、有光摄像有完全预防作用，且设备寿命也有所改善，但如果遇无光设备肩窥同样存在安全隐患，同时，由于现有手写密码输入设备存在许多使用不方便的地方，如书写笔类型、码字符号结构、识别率等，加上均为独体设备，导致习惯于用密码键盘的单位与个人不愿改变现有密码输入方法和设备，而使密码书写输入方式与设备至今很难进入社会的身份认证领域。综上所述，给出既可保持密码键盘、手写密码盘的使用优势又可克服它们不足的密码输入方法与装置是十分必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种多模态码字无序交融密码输入装置。

本发明的目的通过如下技术方案实现：一种多模态码字无序交融密码输入装置，由密码键盘JP、黑箱子密码书写盘ZP、直接计算机IC1、并行接口IC2、串行接口IC3、键盘中断请求电路IC4、语音信息存储与播放驱动电路IC5、喇叭SP以及上位计算机PC机组成；密码键盘JP的4条行信号线R0、R1、R2、R3分别与直接计算机IC1的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3连接，密码键盘JP的3条列信号线L0、L1、L2既作为键盘中断请求电路IC4的3条输入信号线也分别与直接计算机IC1的P1.4、P1.5、P1.6相连；键盘中断请求电路IC4的输出与直接计算机IC1的外部中断请求端子INT0相连；直接计算机IC1与并行接口IC2的连线有：P0连D0～D7，P2.0连A0，P2.1连A2，P2.7连-CS，IC1的-WR、-RD分别连IC2的-WR、-RD；并行接口IC2与黑箱子密码书写盘ZP的连线有：PA0～3连RX0～3，PA4～7连RY0～3，PB0～3连RX4～7，PB4～7连RY4～7，PC连L0～7；直接计算机IC1与串行接口IC3的连线有：RXD连R1OUT，TXD连T1IN；串行接口IC3与上位计算机PC的连线有：R1IN连COM1的TXD，T1OUT连COM1的RXD；直接计算机IC1与语音信息存储与播放驱动电路IC5的连线有：T0连PLA；直接计算机IC1的INT1、T1和P0作为模态扩展接口。

直接计算机IC1采用89S51，并行接口IC2采用8255，串行接口IC3采用MAX232A，键盘中断请求电路IC4采用74LS11，语音信息存储与播放驱动电路IC5采用ISD1402，上位计算机PC机的串口为COM1。

本发明多模态码字无序交融密码输入装置安全隐患仅存于多模态时序同步摄像肩窥，而且黑箱子内必须是无光源摄像。可见，对多模态交融输入方式进行肩窥，所需的设备成本、密码重构技术等将是目前所有密码肩窥行为中最高的，以输入6位密码为例，即n＝6，本发明装置的密码数量为

窃取率为

可以有效的防止密码肩窥行为，保证密码安全。

附图说明

图1是本发明的电路图。

图2是本发明的原理示意图。

图3是本发明的直接计算机主程序流程图。

图4是本发明的直接计算机键盘中断服务程序流程图。

图5是本发明的PC机多模态密码生成程序流程图。

图6是本发明密码键盘与黑箱子红外密码指书盘的合体结构示例图。

图7是本发明密码键盘与黑箱子红外密码指书盘的分体结构示例图。

图8是本发明应用于自动取款机(ATM机)的密码键盘与黑箱子红外密码指书盘一体化结构示例图。

具体实施方式

以N表示密码模态种类，N≥1，n表示密码位数，n≥1；建立一个多模态公共的当前有效密码信息存放单元MM；建立多个模态共享的具有n个密码码字存放单元的FIFO密码缓冲区MFIFO。将密码键盘的符号集合设为多个模态的公共密码符号集合。设置N个密码模态信息实时获取器，各获取器输出的信息在N模态原始信息结构规范化环节进行模态标注、代码长度整定等处理，即将N个不同模态的原始信息统一编号、统一表达数据长度等。对于规范化处理之后的信息，按模态标注进行相应的前置处理。不同的模态信息采用不同的前置处理方法，如密码键盘模态只要进行键位分析，键头译码，键头译码的密码码字编码直接存入MM；手写模态、语音模态、手语模态等需进行原始数据导入，数字滤波、信息增强、插值重构、质心归范等。对于非密码键盘模态的模态密码信息通过相应的模式识别方法识别当前输入的模态信息是否为有效信息，不是则通过语音及显示装置通报，是则将模态信息编码送入MM。分析MM中的信息是功能信息还是密码码字信息，是功能信息则转入功能实现过程，否则为某位密码码字信息。若遇密码码字，将密码码字输入字数加1，判已输入的密码码字数是否超出系统设置的上限密码码字位数，超出则通过语音或显示装置通报，没有超过则将MM存储的码字送MFIFO。随后等待输入新的随机模态信息。如果接到的功能信息是密码确认信息，则将MFIFO中的密码读出送入密码识别环节。如果是密码清除信息，则将MFIFO清0，然后等待输入新的随机模态信息。

需专门说明的是语音模态作为单一模态输入密码是不合适的，但如果和其他模态结合，尤其和黑箱子密码书写模态结合，可以大幅提高密码破解难度，获得前所未有的非常好的防肩窥效果。

实现上述工作原理的硬件由多个模态信息获取器和计算机系统硬件两部分组成。获取器的工作原理及机电结构因密码模态的区别有各种各样。计算机硬件体系分为两个层面，第一个层面为面向获取器的计算机，称为直接计算机，完成接收获取器提供的密码原始信息、对原始信息进行格式规范化处理以及原始信息传送等，该层面计算机通常采用单片机；第二个层面计算机下联直接计算机，上联计算机网络，称为上位机，主要完成直接计算机送来的模态原始信息的前置处理、密码码字识别、密码生成、密码识别及与密码关联的事物处理，该层面计算机使用PC机。

直接计算机如果为单片机则须建立用于模态原始信息传送的公用的缓冲区MBUF，为便于上位机接收，其长度服从多个模态中原始信息最多的模态的字节数目，并由单片机串口将MBUF的内容送到上位机进行后续处理；若采用嵌入式微处理器作为核心器件，则模态原始信息的前置处理、密码码字识别、密码生成等工作可在直接计算机上完成，PC机仅负责密码识别及其他后续事物，但设备成本远高于采用单片机方案。直接计算机采用不同的接口与不同的获取器进行信息交互，直接计算机与PC机通过RS232串行接口进行信息交互。

本发明实现多模态码无序交融密码输入主要采取以下措施

(1)多个模态中以密码键盘信号模态符号集为公共符号集，即其他模态均以如何产生与密码键盘模态相同码字及功能符号编码而开展各项设计；

(2)多位密码可由N个密码模态无序交叉产生；

(3)直接计算机为单片机时，多个密码模态原始信息规范为统一格式、同一长度的串行发送数据帧。

(4)PC机的工作软件中设置多个密码模态当前模态密码信息公共存储单元MM；

(5)PC机的工作软件中设置多位长度的多个密码模态密码码字融合缓冲区MFIFO。

本发明的密码数量为

窃取率为

本方法的多模态码无序交融性体现在同一密码在任何时候输入，密码的各码字输入模态不限，可在多个模态中任选一个或多个输入；前后顺序不限；模态的重复使用次数不限，即同一个密码，用户既可采用单一模态输入，也可采用不同模态交融输入。

多个密码模态信息实时获取器可以是分体的也可以是合体的，各获取器与同一直接计算机进行信息交互方法有全中断、全查询、中断查询结合、中断与无条件扫描以及其他方式。

以密码键盘模态和黑箱子密码书写盘模态为缺省模态，可扩展语音、手语等模态，并且能多模态密码码字无序交融的密码输入装置包括密码键盘JP、黑箱子密码书写盘ZP、单片机IC1、可编程并行接口IC2、串行通信接口IC3、键盘中断请求逻辑电路IC4、语音生成电路IC5、喇叭SP、PC机串行通信口COM1、PC机系统等。

密码键盘JP为3×4矩阵键盘，其键头操作信息通过键盘中断请求逻辑电路IC4与单片机IC1进行中断方式联系；黑箱子密码书写盘ZP与单片机通过可编程并行接口IC2交互信息；单片机IC1接收到JP、ZP实时获取的模态信息，进行模态原始信息结构规范化处理。为便于PC机对多模态原始信息的统一接收，且每轮串行通信发送一个完整模态符号信息，以多字节模态数据为依据统一多模态原始信息的表达字节数。为区别模态数据，在统一长度的模态信息数据前加一个模态属性标注字节。属性标注代码的分配：01H是键盘模态，02H是黑箱红外指书盘模态，03H是语音模态，04H是手语模态，……，N代码是相应模态。规范化后的信息经串行通信接口IC3送PC机串行通信口COM1；PC机从COM1获得单片机IC1送来的原始模态信息后，根据数据的模态标注信息分别启动键盘或书写盘信息处理过程；对于键盘信息，将键头码变换成相应键帽上的码字或功能码；对于书写信息，还原成二值图素点阵，进行去噪平滑、笔迹还原，符号识别，确认当前符号是功能符号还是密码码字符号；在PC机中设置有长度为n个变量单元的存放密码码字的缓冲区，如果此次输入的是码字，则判本轮已输入码字数目是否小于系统规定的上限密码长度，若是则将码字存入缓冲区，否则提示密码错信息；如果是功能码或功能符号，则系统转去完成相应的功能，尤其是当遇到密码确认功能时，系统将缓冲区的密码作为本次密码接收结果输出到密码识别环节。

本发明的书写盘ZP为黑箱子操作，即ZP被安装在黑箱子中，人将手伸入黑箱子中利用指头(或其他笔状物)书写密码符号及相关功能符号。该输入方式将密码键盘与人的关系由“心

眼

指

键”关联改为仅有“心

指”关联，可完全避免需光源摄像的肩窥，不会因用户输入密码缩短系统硬件使用寿命，为盲人参入普及型的身份认证活动提供完全可行的设备条件。黑箱子操作法属无眼参与操作法，应尽量避免多笔画符号，以防止因笔画关系对密码输入人提出额外要求、降低本装置的工作质量乃至无法使用，对此，本发明装置的所有符号全部采用可一笔书写完成结构符号，具体如表1所示。

表1书写盘与密码键盘密码码字与功能符号对照表

由表1可知，“4”用

来代替，实际上

是“4”的草写；“5”用“S”代替也是常见的急写结果；“确认”改为“∨”，相当于打钩；“清除”改为“∧”，相当于抹掉重来。

为方便用户使用及制造商生产，本发明装置的密码键盘JP和黑箱子密码书写盘ZP有合体结构和分体化结构。

本发明装置提供两类密码输入方式，第一类是单密码模态输入，如密码信息全由密码键盘JP输入或全由黑箱子密码书写盘ZP输入，与现有的输入方式及工作效果、安全效果等完全一样；第二类是密码信息由密码键盘JP、黑箱子密码书写盘ZP交叉输入。以密码“123456”输入为例，三种输入方法的过程对比如表2所示。

表2密码“123456”的三种输入方法的过程及效果对比表

由表2可知，单独使用黑箱子密码书写盘ZP输入的密码，采用无光摄像，即将微型无光摄像机安装在黑箱内有对指书过程进行摄像，然后通过慢镜头显示书写的无影笔迹，进而可破解密码。键盘、书写盘双模态交融方式是将密码中的一部分码字用键盘输入，一部分用书写盘输入，输入顺序随机而定，如同一密码“123456”，输入过程示例1的“1”、“3”、“5”、“确认”码字由键盘输入，“2”、“4”、“6”由书写盘输入，示例2的“1”、“2”、“5”、“6”及“∨”由书写盘输入、另外两个由键盘输入。由于本发明装置密码信息是双模态，为人的双手同时参与密码输入提供了条件，因此双模态交融输入方式又可分为单手输入和双手输入方式。单手方式时，一只手在键盘和书写盘之间换盘进行密码码字输入；双手输入方式时，手可不离输入盘而输入完密码，与单手方式相比隐蔽性更好。

本装置在硬件方面以中断和查询的方式预留语音、手语等其他模态信息扩展通道，在软件方面通过识别模态属性代码进入扩展模态的密码码字生成程序。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明多模态码字无序交融密码输入装置电路图；主要功能模块部件和器件包括4×3密码键盘JP、书写盘面为100×100mm²且图素为32×32(即X、Y方向分别32路共64路红外线)的黑箱子红外触摸密码指书盘ZP、直接计算机IC1、并行接口IC2、串行接口IC3、键盘中断请求电路IC4、语音信息存储与播放驱动电路IC5、喇叭SP以及上位计算机PC机。直接计算机IC1采用89S51，并行接口IC2采用8255，串行接口IC3采用MAX232A，键盘中断请求电路IC4采用74LS11，语音信息存储与播放驱动电路IC5采用ISD1402，上位计算机PC机的串口为COM1。密码键盘JP的4条行信号线R0、R1、R2、R4分别与IC1的P1.0、P1.2、P1.3、P1.4连接，JP的3条列信号线L0、L1、L2既作为IC43条输入信号线也分别与IC1的P1.4、P1.5、P1.6相连。IC4的输出与IC1的0号外部中断请求端子相连。IC1与IC2的主要连线有：P0连D0～D7，P2.0、P2.7连A0、A1，P2.7连-CS，IC1的-WR、-RD连IC2的-WR、-RD。IC2与ZP的主要连线有：PA0～3连RX0～3，PA4～7连RY0～3，PB0～3连RX4～7，PA4～7连RY4～7，PC连L0～L7。IC1与IC3的主要连线有：RXD连R1OUT，TXD连T1IN。IC3与PC的主要连线有：R1IN连COM1的TXD，T1OUT连COM的RXD。IC1与IC5的主要连线有：T0连PLA。IC1的INT1、T1和P0作为模态扩展接口，如接语音输入装置。

装置通入电源，IC1运行初始化程序使IC2的PA、PB、PC三个通道均处于方式0工作状态，PC为输出，PA、PB为输入；开放密码键盘中断INT0、串口中断源，如果扩展模态也采用中断方式同样要开放相应的中端源；设置模态信息串行传送规范长度缓冲区MBUF。

IC1运行ZP扫描程序时，通过P2.0、P2.1、P2.7确定的端口地址选择IC2，红外发射驱动信号经P0到达IC2的PC通道，PC通道每输出一次为8位，其中只有1位有效，有效位由PC0～PC7循环轮换；每一个有效位信号驱动产生8路红外发射信号，此8路红外发射信号有序分布在8路一段的8段的相应位置上，如PC0驱动的8个红外发射信号分布位置分别是X方向的第0路、第8路、第16路、第24路，Y方向的第0路、第8路、第16路、第24路。红外接收信号由RX0～3，PA4～7、RX4～7、RY4～7输出，IC2的PA、PB接收，PA负责各段的低4位接收，PB负责各段的高4位接收。IC1通过P0口从IC2中获取PA通道及PB通道接收到的红外数据，即原始书写信息数据，并将原始书写信息数据有序存入MBUF，加注黑箱红外指书模态标注代码。

当JP有操作信号时，JP的L0、L1、L2中任一信号将使IC4发出中断请求信号，该信号由IC1的INT0接收，IC1响应后进入JP中断服务程序运行。运行此程序，IC1通过P1.0～P1.3接收JP的行信号R0～R3，P1.4～P1.6接收JP的列信号L0～L2，并将原始JP信息有序送往MBUF，加注密码键盘模态标注代码。

其他模态信息通过INT1或T1等向IC1发中断请求时，IC1响应，相应的中断服务程序使相关信号有效及电路模块按要求工作。

无论是何种模态原始信息被装入MBUF，装入后IC1进入串行传送过程，即将MBUF的数据通过IC1的TXD送IC3的T1IN，通过IC3的T1OUT输出，由PC机COM1的RXD端接收。PC机对IC1送来的数据进行分析，如果发现信息有需要语音提醒操作者的错误，则通过COM1的TXD，将提示信息送到IC3的R1IN，再由IC3的R1OUT送到IC1的RXD，IC1根据串口接收到的信息属性，通过T0启动语音模块电路IC5，IC5驱动SP发出相应的提示语音，如“请再输入一次”等。

图2是多模态码字无序交融生成密码的方法原理示意图。包括多个模态信息实时获取1、多模态原始信息结构规范化处理与传送2、多模态信息前置处理与结构还原3、模态功能代码与密码码字识别4及多位密码输出5五个串行工作的环节，从密码模态信息实时获取到形成可供识别密码的过程经历五个大的信息获取、传送或处理环节。各环节的主要功能介绍如下

环节1包括多个模态信息实时获取器，多个模态信息只允许串行产生，而禁止并行出现。

环节2进行多模态原始信息结构规范化处理及结构规范模态原始信息传送，多个获取器以平等权限与该环节交互信息。

环节3对环节2送来的传送结构规范化信息解码，还原出模态原始信息的表达场景，并进行相应的前置处理，重现用户给出的模态信息结构。

环节4根据环节3提供的模态信息结构进行模态信息属性识别，主要完成正确与错误区分，如果正确则将该模式信息存入MM单元。

环节5依据MM中的模态信息属性进行相应工作，如果模态信息为密码码字信息则将码字作为输入密码的后继位送入MFIFO，如果遇到密码确认功能信息，便将MFIFO中的码字链作为本次接收的密码送入下一个环节进行密码识别。

如果直接计算机采用单片机，则环节2的功能由单片机实现，而环节3、4、5及其以后的功能由PC机实现；如果直接计算机采用嵌入式系统则环节2、3、4功能由直接计算机实现，环节5及其以后的功能由PC机实现。

图3是本发明装置的直接计算机主程序流程图。初始化内容主要有IC2中各通道的工作方式、数据传送方向设置；开放相关中断，如JP、串口中断，如果增加模态，则也需开放扩展模态中断；建立MBUF，其长度服从ZP，设置8+1个字节；置亮相关指示灯等。本发明装置在IC1的主程序中对ZP进行扫描，通过扫描获取1帧用8个字节表达的32×32二值图素点阵原始信息。然后判8个字节信息是否为有效信息，无效则重新扫描，有效则进行传送格式规范化处理，即在8个字节前加入模态属性标注码02H，将规范码送MBUF。在传送环节，直接计算机将MBUF的内容通过其TXD端子经MAX232A串行送至PC机COM1口。送完MBUF内容重返ZP扫描。

图4是JP中断服务程序流程图。进入JP服务流程，通过P1口对JP进行消抖扫描，获得可靠的JP行列信息；将融于一个字节的JP行列信息前加入键盘密码模态标注编码01H，并送入MBUF，在MBUF中前两个字节为有效直接，后7个字节为无效字节；传送MBUF工作过程与ZP相同；传完后中断返回，重新进入对ZP扫描。

图5是PC机获得直接计算机送来的模态信息后软件处理流程。初始化内容主要是针对直接计算机串口的字节帧长度、波特率、MBUF大小等对PC机COM1口进行定义，定义内容为字节帧长度10位，波特率4800，接收处理激活字节为9字节；定义MM、MFIFO、32×32的图素矩阵数组及相关的工作变量与数组。界面为现有实用系统界面。COM1未接收到9个字节，系统运行于现有的界面内容显示，接到9个字节系统进入原始信息属性分析环节，根据属性代码进入相应的密码模态信息分析与处理。

如果为密码键盘模态，则根据JP的行列码求出键头位置及该位置键头对应的符号信息编码，将该符号编码送MM。

如果是黑箱子红外触摸密码指书盘模态，则根据8个字节的指书盘原始信息还原成X、Y方向红外对光混合采集32×32的二值图素点阵。对图素点阵进行去噪、平滑，信息增强，插值重构。对重构图形进行符号识别，如果符号有错，往直接计算机串行传送符号书写出错提示信息，然后返回界面显示；若结果正确，则将符号信息编码送MM。

如果是其他模态则进入对应模态符号信息识别过程，出错则先提示后返回界面显示；若结果正确，则将符号信息编码送MM。当模态属性编码非法时，系统先作非法处理然后返回界面显示。

MM是去模态属性化的符号单元，对MM中符号信息按两类区分，如果是码字信息，则将码字编码送入MFIFO缓存区，且送入次数加1，判已送入的码字数目是否达到了系统的上限码字数目，是则通过串行通信使下位机发出语音提示，上位机进行文字提示，清除MFIFO，然后转入界面运行；如果是功能信息，遇到的是“清除”则清除MFIFO中所有信息，然后转入界面运行，否则进入后面环节对MFIFO中密码进行识别。

图6是本发明密码键盘7与黑箱子红外密码指书盘8的合体示例结构。

图7是本发明密码键盘7与黑箱子红外密码指书盘8的分体示例结构。

以上两种结构适用于营业场所柜台服务。

图8是密码键盘7与黑箱子红外密码指书盘8装在自动取款机9(ATM机)的两缺省模态信息获取器的一体化示例结构。如果采用微型拾音器扩展语音模式，面向操作的装置的体积是不会明显增加的。

Claims

1.一种多模态码字无序交融密码输入装置，由密码键盘JP、黑箱子密码书写盘ZP、直接计算机IC1、并行接口IC2、串行接口IC3、键盘中断请求电路IC4、语音信息存储与播放驱动电路IC5、喇叭SP以及上位计算机PC机组成；其特征在于：密码键盘JP的4条行信号线R0、R1、R2、R3分别与直接计算机IC1的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3连接，密码键盘JP的3条列信号线L0、L1、L2既作为键盘中断请求电路IC4的3条输入信号线也分别与直接计算机IC1的P1.4、P1.5、P1.6相连；键盘中断请求电路IC4的输出与直接计算机IC1的外部中断请求端子INT0相连；直接计算机IC1与并行接口IC2的连线有：P0连D0～D7，P2.0连A0，P2.1连A2，P2.7连-CS，IC1的-WR、-RD分别连IC2的-WR、-RD；并行接口IC2与黑箱子密码书写盘ZP的连线有：PA0～3连RX0～3，PA4～7连RY0～3，PB0～3连RX4～7，PB4～7连RY4～7，PC连L0～7；直接计算机IC1与串行接口IC3的连线有：RXD连R1OUT，TXD连T1IN；串行接口IC3与上位计算机PC的连线有：R1IN连COM1的TXD，T1OUT连COM1的RXD；直接计算机IC1与语音信息存储与播放驱动电路IC5的连线有：T0连PLA；直接计算机IC1的INT1、T1和P0作为模态扩展接口。

2.根据权利要求1所述的一种多模态码字无序交融密码输入装置，其特征在于：直接计算机IC1采用89S51，并行接口IC2采用8255，串行接口IC3采用MAX232A，键盘中断请求电路IC4采用74LS11，语音信息存储与播放驱动电路IC5采用ISD1402，上位计算机PC机的串口为COM1。