CN113691667A - 一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，属于击键动力学和用户识别认证领域，在Android端设计UI界面并采集原始数据，经由frp服务完成内网穿透，将数据传输到PC端的Web服务，最后PC端处理收集的数据并训练模型；根据训练好的模型，返回重按/轻按判断结果并逆向传输回Android端。

Description

一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法
技术领域
本发明涉及击键动力学和用户识别认证领域，尤其涉及一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法。
背景技术
目前智能手机端的用户识别认证技术主要分为两类：一类是传统的密码解锁技术，包括基于PIN的密码(数字密码)解锁技术(一般是4位PIN和6位PIN)和基于九宫格图形的密码解锁技术；另一类是生物识别解锁技术，包括指纹识别解锁技术(包括物理按键指纹识别、背部指纹识别和屏下指纹识别)和面部识别解锁技术。
由于目前传感器硬件技术的局限，指纹识别解锁和面部识别解锁等生物识别技术会经常性失效。指纹解锁会在手指出汗或沾水时难以识别，面部识别解锁往往无法识别戴着口罩的用户，然而在如今全球新冠疫情没有得到良好控制的情况下，戴口罩外出是一个极其常见的场景。因此，在生物识别解锁失效的情况下，用户只能依靠传统的基于PIN的密码解锁和基于图形的密码解锁完成用户识别验证。然而，传统的密码解锁会有各种安全风险被攻击者利用，攻击者甚至可以通过智能手机屏幕上留下的油渍和污渍来推导用户输入的密码。因此，基于传统的密码解锁开发一种更加安全的用户验证机制作为生物识别解锁失效的补充手段非常重要，这种验证机制对于用户来说应该是易用的，对于攻击者来说应该是难以攻破的。
发明内容
本发明为提供一种更加安全可靠的数字密码解锁方案，作为生物识别解锁失效时的补充手段，使设置密码和使用密码解锁两个阶段的密码安全性得到有效的提升。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，所述屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统主要包括四大模块：Android Demo应用、内网穿透、Web服务和数据收集处理及训练，所述Android Demo应用端设计UI界面并采集原始数据，经由frp服务完成内网穿透，将数据传输到PC端的Web服务，最后PC端处理收集的数据并训练模型；根据训练好的模型，返回重按/轻按判断结果并逆向传输回Android端；实现的功能主要包括两个方面，第一方面是设置密码阶段，该阶段可以根据用户的屏幕按压习惯智能判断用户的单次按压是重按还是轻按；第二方面是使用密码解锁阶段，该阶段可以基于当前一组按压，即输入一次完整的4位密码或6位密码的平均按压力度判断每个单次按压是重按还是轻按，所述屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统，包含以下步骤：
S1、开发一个Android端的数字密码解锁Demo应用；
S2、收集设置密码和使用密码解锁过程中的用户按压数据；
S3、对收集到的用户按压数据进行预处理；
S4、使用预处理完成的数据集分别对设置密码和使用密码解锁两个阶段进行模型训练；
S5、进行整个系统的前后端联合调试。
优选地，所述一组按压至多只有一半单次按压是重按，即4位密码至多有2个数字是重按，6位密码至多有3个数字是重按。
优选地，所述S1中开发Android Demo应用包括以下三个部分：
A1、UI界面设计，包括设置密码界面和使用密码解锁界面；
A2、界面内交互逻辑及反馈、数据处理，包括密码输入正确和输入错误的反馈以及对密码的存储；
A3、界面间的交互、数据传输，包括不同界面之间的跳转和数据传输，以及Android应用与外部的数据传输。
优选地，所述开发的Android Demo应用的UI界面，分别设置有为设置密码阶段和使用密码解锁阶段的UI界面，两个UI界面主体部分均为“0”至“9”10个数字按键以及“删除”按钮，“确认”和“返回”按钮可在两个UI界面间跳转。
优选地，所述S2中收集数据，具体步骤如下：设置密码阶段收集单个虚拟数字按键的按压数据，包括单次按压的时长、按下时接触面积、抬起时接触面积、平均接触面积、按下时压力值、抬起时压力值和平均压力值；使用密码解锁阶段收集输入一次完整的密码，4位PIN或6位PIN时各次按压虚拟数字按键的按压数据，主要是单次按压的时长，将输入一次完整的密码时4个或6个按压数据分为一组。
优选地，所述S3中对收集到的数据进行预处理，具体步骤如下：设置密码阶段收集的各项按压数据中，由于不同Android设备对压力传感器的支持程度不同，不采用压力值相关的数据用于后续的训练过程，只保留单次按压时长和平均接触面积两类数据形成数据集；使用密码解锁阶段，给一组按压中的每次按压打上重按/轻按的标签，对于每一组数据中的按压时长duration，计算其平均按压时长avg_duration，并按照公式(1)计算每次按压时长相对于平均按压时长的偏移率above_rate，将每次按压的偏移率数据与对应的重按/轻按标签形成新的数据集。
Figure BDA0003223892200000041
优选地，所述S4中使用预处理完成的数据集分别对设置密码和使用密码解锁两个阶段进行模型训练，具体步骤如下：设置密码阶段以单次按压时长和平均接触面积作为特征进行聚类(采用K-Means算法)，结果分为重按和轻按两类；使用密码解锁阶段以单次按压在一组按压中的偏移率作为特征，对应的重按/轻按标签作为目标值进行分类(采用KNN算法)，结果分为一组按压中的重按和轻按两类。
优选地，所述S5中对整个系统的前后端进行联合调试，具体步骤如下：训练好的模型存储在PC端，并在PC端开启Web服务提供两个阶段的重按/轻按判断API，利用公网云服务实现内网穿透，使PC端的Web服务可以直接在公网访问。Android端Demo应用在设置密码和使用密码解锁两个阶段分别调用不同的API进行重按/轻按判断，并在网络条件不佳时进行本地判断。
与现有技术相比，本发明提供了一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，具备以下有益效果：
1.本发明的有益效果是：本申请现有的工作已经完成了一些基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方案：(1)基于iPhone6s这一设备，有人提出了将压敏型触摸屏交互集成到基于知识的身份验证方案中，根据压力传感器获取的数值判断重按和轻按；然而，这一工作对于压力阈值(用于判断用户是重按还是轻按)的设置采用的是固定值0.5(压力值范围为0～1)，这一设置显然不合理，它忽略了按压压力的个体差异。(2)还有人提出由于用户按下触摸屏幕时的习惯不同(一个用户可能按得比另一个用户更轻)，因此不能使用一个恒定的阈值衡量重按和轻按，而是针对每个用户调整阈值，适应用户的个体压力习惯，从而提高检测精度；然而，这一工作没有将个性化阈值检测与传统的PIN认证系统结合，而是另外开发了一套新的认证系统，这无疑增大了用户的学习成本。
本发明在现有工作及发明的基础上进行了一系列的改进和优化，主要可以分为以下几点：
(1)由于绝大多数智能手机的压力传感器不可用，本发明没有直接采用压力传感器获取的数据，而是通过屏幕按压时长及接触面积间接判断重按和轻按，从而减少不同设备压力传感器的差异对判断结果的影响。
(2)由于设置密码和使用密码解锁的场景不同，设置密码一般是较为简单的场景，而使用密码解锁往往是处于各种复杂的场景之下，本发明将设置密码与使用密码解锁两个不同阶段的重按/轻按判断方法分离开。
(3)对于设置密码阶段，该阶段一般场景较为简单，用户的重按与轻按力度不会有较大的波动，本发明可以根据用户的按压力度习惯，智能地判断单次按压是重按还是轻按。图8是对设置密码阶段预处理后的数据集进行聚类(采用K-Means算法)后的结果，以单次按压时长和平均按压面积作为两个特征，图中“o”类为“轻按”类，“x”为“重按”类。从图中可以看出，重按或轻按的结果与单次按压时长强相关，而与平均按压面积相关性不高，造成这一结果的主要原因是大多数智能手机上获取屏幕按压面积的接口返回的数据准确度不高，有较大的误差。
(4)对于使用密码解锁阶段，该阶段场景一般较为复杂，用户的整体按压力度与设置密码阶段相比可能有较大的波动，本发明可以根据用户当次解锁时的整体按压力度智能判断每个单次按压是重按还是轻按。图9是对使用密码解锁阶段预处理后的数据进行分类(采用KNN算法)的结果(准确率约为80％)，以单次按压在一组按压中按压时长的偏移率作为特征，图中虚线为“轻按”类，实线为“重按”类。
附图说明
图1为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的系统架构图；
图2为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的Android Demo应用模块；
图3为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的内网穿透模块；
图4为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的Web服务模块；
图5为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的数据收集及处理、训练模块；
图6为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的Android Demo应用设置密码界面；
图7为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的Android Demo应用解锁界面；
图8为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的单次按压时长和平均按压面积为特征的聚类结果；
图9为本发明提出的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法的单次按压的偏移率为特征的分类结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，所述屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统主要包括四大模块：Android Demo应用、内网穿透、Web服务和数据收集处理及训练，所述Android Demo应用端设计UI界面并采集原始数据，经由frp服务完成内网穿透，将数据传输到PC端的Web服务，最后PC端处理收集的数据并训练模型；根据训练好的模型，返回重按/轻按判断结果并逆向传输回Android端；实现的功能主要包括两个方面，第一方面是设置密码阶段，该阶段可以根据用户的屏幕按压习惯智能判断用户的单次按压是重按还是轻按；第二方面是使用密码解锁阶段，该阶段可以基于当前一组按压，即输入一次完整的4位密码或6位密码的平均按压力度判断每个单次按压是重按还是轻按，所述屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统，包含以下步骤：
S1、开发一个Android端的数字密码解锁Demo应用；
S2、收集设置密码和使用密码解锁过程中的用户按压数据；
S3、对收集到的用户按压数据进行预处理；
S4、使用预处理完成的数据集分别对设置密码和使用密码解锁两个阶段进行模型训练；
S5、进行整个系统的前后端联合调试。
进一步，优选地，所述一组按压至多只有一半单次按压是重按，即4位密码至多有2个数字是重按，6位密码至多有3个数字是重按。
进一步，优选地，所述S1中开发Android Demo应用包括以下三个部分：
A1、UI界面设计，包括设置密码界面和使用密码解锁界面；
A2、界面内交互逻辑及反馈、数据处理，包括密码输入正确和输入错误的反馈以及对密码的存储；
A3、界面间的交互、数据传输，包括不同界面之间的跳转和数据传输，以及Android应用与外部的数据传输。
进一步，优选地，所述开发的Android Demo应用的UI界面，分别设置有为设置密码阶段和使用密码解锁阶段的UI界面，两个UI界面主体部分均为“0”至“9”10个数字按键以及“删除”按钮，“确认”和“返回”按钮可在两个UI界面间跳转。
进一步，优选地，所述S2中收集数据，具体步骤如下：设置密码阶段收集单个虚拟数字按键的按压数据，包括单次按压的时长、按下时接触面积、抬起时接触面积、平均接触面积、按下时压力值、抬起时压力值和平均压力值；使用密码解锁阶段收集输入一次完整的密码，4位PIN或6位PIN时各次按压虚拟数字按键的按压数据，主要是单次按压的时长，将输入一次完整的密码时4个或6个按压数据分为一组。
进一步，优选地，所述S3中对收集到的数据进行预处理，具体步骤如下：设置密码阶段收集的各项按压数据中，由于不同Android设备对压力传感器的支持程度不同，不采用压力值相关的数据用于后续的训练过程，只保留单次按压时长和平均接触面积两类数据形成数据集；使用密码解锁阶段，给一组按压中的每次按压打上重按/轻按的标签，对于每一组数据中的按压时长duration，计算其平均按压时长avg_duration，并按照公式(1)计算每次按压时长相对于平均按压时长的偏移率above_rate，将每次按压的偏移率数据与对应的重按/轻按标签形成新的数据集。
Figure BDA0003223892200000101
进一步，优选地，所述S4中使用预处理完成的数据集分别对设置密码和使用密码解锁两个阶段进行模型训练，具体步骤如下：设置密码阶段以单次按压时长和平均接触面积作为特征进行聚类(采用K-Means算法)，结果分为重按和轻按两类；使用密码解锁阶段以单次按压在一组按压中的偏移率作为特征，对应的重按/轻按标签作为目标值进行分类(采用KNN算法)，结果分为一组按压中的重按和轻按两类。
进一步，优选地，所述S5中对整个系统的前后端进行联合调试，具体步骤如下：训练好的模型存储在PC端，并在PC端开启Web服务提供两个阶段的重按/轻按判断API，利用公网云服务实现内网穿透，使PC端的Web服务可以直接在公网访问。Android端Demo应用在设置密码和使用密码解锁两个阶段分别调用不同的API进行重按/轻按判断，并在网络条件不佳时进行本地判断。
实施例2：
本发明提供了一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方案，以下是本发明的4位PIN解锁方案的一个最佳实施方式：
步骤S0101：设计并实现如图6和图7所示的设置密码和解锁界面，界面中的核心部分密码输入区域是自定义组件，包括显示密码输入状态的4位空心圆(输入数字后变为实心圆)、“0”至“9”10个数字按键以及“删除”按钮。界面的整体布局方式为RelativeLayout，包括上方的自定义组件和下方的“确认”/“返回”按钮。
步骤S0102：实现两个界面内交互逻辑及反馈。对于设置密码界面，按下每个数字按键后，存储按键对应的数字值，并请求远程API，请求参数为单次按压的时长、按下时接触面积、抬起时接触面积、平均接触面积、按下时压力值、抬起时压力值和平均压力值，返回值为1(重按)或0(轻按)，存储代表重按和轻按信息的返回值。对于使用密码解锁界面，按下每个数字按键后，存储按键对应的数字值和单次按压的时长，输入完成一次4位PIN后，请求远程API，请求参数为输入4位PIN后的4个按压时长值，返回值为1和0组成的4位字符串，按输入顺序表示该次密码输入的重按和轻按分布情况。对于两个界面内的“删除”按钮，按下“删除”后，除了将显示密码输入状态的实心圆变为空心圆之外，还需要将存储的对应数据删除。
步骤S0103：实现两个界面间的交互。设置密码完成后按下“确认”按钮，将跳转至使用密码解锁界面，并传输存储的密码信息，包括4位数字值和4位重按/轻按信息。输入完成解锁界面的4位PIN后，若输入的密码信息与设置密码界面传输过来的密码信息相同，则弹出Toast提示密码正确，否则提示密码错误并清除该界面的已输入的密码(表示已输入的实心圆重新变为空心圆，并清除存储的当次输入的密码)。
步骤S0201：实现对两个阶段密码数据的收集。对于设置密码阶段，获取来自Android设备端的json格式数据，解析json数据获取其中的单次按压的时长、按下时接触面积、抬起时接触面积、平均接触面积、按下时压力值、抬起时压力值和平均压力值数据，一次按压的各项数据为一组数据。将各组数据按行写入数据文件中，一组数据内的各项数据以“,”隔开；对于使用密码解锁阶段，获取来自Android设备端的json格式数据，解析json数据获取一次密码输入的一组数据，包括4个按压时长数据，将各组数据按行写入文件中，并在每行末尾给该行的按压时长数据打上重按和轻按的标签(以1和0表示，每行后4项数据即为标签项)，行内各项数据以“,”隔开。
步骤S0301：实现对收集数据的预处理。正如(五)技术方案里所提到的，不同安卓设备对压力传感器的支持程度不同，因此不采用与压力值直接相关的数据用于后续的训练过程。对于设置密码阶段收集的数据，去除单次按压时长和平均接触面积外的其他项数据；对于使用密码解锁阶段收集的数据，按行读取文件中的数据，对前4项数据(4个按压时长数据)求均值，再根据公式(1)计算每个按压时长的偏移率above_rate，然后遍历后4项数据(重按/轻按标签)，将每个偏移率数据及其对应的标签写入一个新的数据文件中，写入格式与步骤S04中的类似。
步骤S0401：采集数据并训练模型。设置密码和使用密码解锁两个阶段分别采集一定量的按压数据(100组左右按压数据)，使用步骤S05中的方法对数据预处理。对于设置密码阶段，采用K-Means算法进行聚类，n_cluster值取2，结果聚为重按和轻按两类；对于使用密码解锁阶段，采用KNN算法进行分类，n_neighbors值取5(默认值)，将结果分为重按和轻按两类。
步骤S0501：实现前后端的通信。在PC端开启Web服务提供两个阶段的重按/轻按判断API，接收安卓端发送的按压数据，处理完毕后返回重按/轻按结果。在云服务器上部署frp服务端，PC上部署frp客户端，实现内网穿透，使PC端的Web服务可以直接在公网被访问。Android端请求公网的ip地址及对应的端口号，即可请求对应的API服务。
本发明所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方案，为智能手机用户识别技术提供了一种新思路，提供了一种更加安全可靠的数字密码解锁方案，作为生物识别解锁失效时的补充手段，使设置密码和使用密码解锁两个阶段的密码安全性得到有效的提升。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，包括基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统,其特征在于，所述基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统主要包括四大模块：Android Demo应用、内网穿透、Web服务和数据收集处理及训练，所述Android Demo应用端设计UI界面并采集原始数据，经由frp服务完成内网穿透，将数据传输到PC端的Web服务，最后PC端处理收集的数据并训练模型；根据训练好的模型，返回重按/轻按判断结果并逆向传输回Android端；训练好的模型实现的功能主要包括两个方面，第一方面是设置密码阶段，该阶段根据用户的屏幕按压习惯智能判断用户的单次按压是重按还是轻按；第二方面是使用密码解锁阶段，该阶段基于当前一组按压，即输入一次完整的4位密码或6位密码的平均按压力度判断每个单次按压是重按还是轻按，所述屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁系统，包含以下步骤：
S1、开发一个Android端的数字密码解锁Demo应用；
S2、收集设置密码和使用密码解锁过程中的用户按压数据；
S3、对收集到的用户按压数据进行预处理；
S4、使用预处理完成的数据集分别对设置密码和使用密码解锁两个阶段进行模型训练；
S5、进行整个系统的前后端联合调试。
2.根据权利要求1所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述一组按压至多只有一半单次按压是重按，即4位密码至多有2个数字是重按，6位密码至多有3个数字是重按。
3.根据权利要求1所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述S1中开发Android Demo应用包括以下三个部分：
A1、UI界面设计，包括设置密码界面和使用密码解锁界面；
A2、界面内交互逻辑及反馈、数据处理，包括密码输入正确和输入错误的反馈以及对密码的存储；
A3、界面间的交互、数据传输，包括不同界面之间的跳转和数据传输，以及Android应用与外部的数据传输。
4.根据权利要求3所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述Android Demo应用的UI界面，分别设置有为设置密码阶段和使用密码解锁阶段的UI界面，两个UI界面主体部分均为“0”至“9”10个数字按键以及“删除”按钮，“确认”和“返回”按钮可在两个UI界面间跳转。
5.根据权利要求1所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述S2中收集数据，具体步骤如下：设置密码阶段收集单个虚拟数字按键的按压数据，包括单次按压的时长、按下时接触面积、抬起时接触面积、平均接触面积、按下时压力值、抬起时压力值和平均压力值；使用密码解锁阶段收集输入一次完整的密码，4位PIN或6位PIN时各次按压虚拟数字按键的按压数据，主要是单次按压的时长，将输入一次完整的密码时4个或6个按压数据分为一组。
6.根据权利要求1所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述S3中对收集到的数据进行预处理，具体步骤如下：设置密码阶段收集的各项按压数据中，由于不同Android设备对压力传感器的支持程度不同，不采用压力值相关的数据用于后续的训练过程，只保留单次按压时长和平均接触面积两类数据形成数据集；使用密码解锁阶段，给一组按压中的每次按压打上重按/轻按的标签，对于每一组数据中的按压时长duration，计算其平均按压时长avg_duration，并按照公式(1)计算每次按压时长相对于平均按压时长的偏移率above_rate，将每次按压的偏移率数据与对应的重按/轻按标签形成新的数据集；
Figure FDA0003223892190000031
7.根据权利要求1所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述S4中使用预处理完成的数据集分别对设置密码和使用密码解锁两个阶段进行模型训练，具体步骤如下：设置密码阶段以单次按压时长和平均接触面积作为特征进行聚类，采用K-Means算法，结果分为重按和轻按两类；使用密码解锁阶段以单次按压在一组按压中的偏移率作为特征，对应的重按/轻按标签作为目标值进行分类，采用KNN算法，结果分为一组按压中的重按和轻按两类。
8.根据权利要求1所述的一种基于屏幕按压力度的智能手机数字密码解锁方法，其特征在于：所述S5中对整个系统的前后端进行联合调试，具体步骤如下：训练好的模型存储在PC端，并在PC端开启Web服务提供两个阶段的重按/轻按判断API，利用公网云服务实现内网穿透，使PC端的Web服务直接在公网访问；Android端Demo应用在设置密码和使用密码解锁两个阶段分别调用不同的API进行重按/轻按判断，并在网络条件不佳时进行本地判断。
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