一種基于心電信號的組合解鎖系統及其方法與流程

本發明涉及解鎖領域，具體涉及一種基于心電信號的組合解鎖系統及其方法。

背景技術：

隨著信息技術的發展，手機、平板電腦、個人數字助理、電子書等移動終端和保險柜、智能鎖等需要極高安全性解鎖方式的設備在人們的生活中扮演著越來越重要的角色。如何保證這些設備的安全性，采用可靠穩定的方法解鎖，是非常重要的問題。

傳統的解鎖方法中，觸摸屏的滑動解鎖法操作簡單，但是安全性低，不利于保護個人信息安全；保險柜、智能鎖等普通屏幕的按鍵解鎖、觸摸屏的密碼鍵盤解鎖法、圖形解鎖，需要用戶牢記密碼或圖形，操作繁瑣，且破解技術較為成熟，安全性低。

新興的生物識別技術通過光、聲、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，利用人體固有的生理特性(如指紋、臉像、虹膜等)和行為特征(如筆跡、聲音等)來進行個人身份鑒定，具有不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身攜帶和隨時隨地可用等優點。目前的生物識別技術主要有采用人臉識別、聲音識別、指紋識別、虹膜識別和靜脈識別，分別簡述如下：

(1)人臉識別技術是根據人的臉面特征的唯一性特點而進行的個體識別和確認技術。人的面部特征的唯一性，可以在臉上某一單一器官或部位上得以體現，更重要的是可在這些單一特征之間的位置、距離、角度、數量、形狀和模式等相互關系上得以體現，而且這些面部特征都具有一定的穩定性。缺點是人臉識別技術受光線、妝容、發型、姿態、裝飾影響大，準確率不高，而且容易涉及隱私問題。

(2)聲音識別技術非常適合遠程身份確認，只需要一個麥克風就可以通過網絡(通訊網絡或互聯網絡)實現遠程登錄。缺點是對環境的要求非常高，在嘈雜的環境、混合說話下聲紋不易獲取；人的聲音也會隨著年齡、身體狀況、情緒等的影響而變化；此外，不同的麥克風和信道對識別性能有影響。同時，人們的聲音不像指紋那樣獨特和唯一，因此語音識別系統的安全性不高。

(3)指紋識別主要根據人體指紋的紋路、細節特征等信息進行身份鑒定。每個人都有自己唯一的、持久不變的指紋，指紋識別保密性強，易用。缺點是指紋識別對手指的干濕度和潔凈度要求比較高，且指紋痕跡存在被復制或被犯罪分子利用的可能性，容易泄露或被偽造。另外，缺少指紋的殘疾人無法使用指紋解鎖。

(4)虹膜識別是當前應用最為方便和精確的生物識別技術。虹膜是一個位于瞳孔和鞏膜之間的環狀可視部分，具有終生不變性和差異性，與其它的生物特征相比，虹膜識別具有高獨特性、高穩定性、防偽性好、易使用性、分析方便等優點。缺點是識別算法復雜，設備成本昂貴，不適合一般用戶。

(5)靜脈識別是指通過靜脈識別儀取得個人手指靜脈分布圖，將特征值存儲。比對時，實時采取靜脈圖，提取特征值進行匹配，從而對個人身份進行鑒定。靜脈識別具有高度防偽、簡便易用、快速識別及高度準確的優點，另外，指靜脈識別的特征已被國際公認具有唯一性。缺點是手背靜脈仍可能隨著年齡和生理的變化而發生變化，永久性尚未得到證實；仍然存在無法成功注冊登記的可能；由于采集方式受自身特點的限制，產品難以小型化；采集設備有特殊要求，設計相對復雜，制造成本高。

心電信號(ecg)是人類較早研究并應用于醫學臨床的生物電信號之一，不同層面上反映了心臟的生理和病理狀態，在臨床心診斷中得到了廣泛應用。隨著半導體、微電子和集成電路技術的發展，無需導電膠的小體積、低功耗和易集成的心電采集芯片已經出現，ecg信號的采集方式也從多導聯發展到單導聯，從肢體采集發展到手指采集，越來越方便靈活。相對于以上五種生物信號，心電信號具有以下優點：數據量小，占用存儲空間少；心電信號只能從活體采集，難以偽造；心電信號只需要從人體的肢干兩端采集，對于殘疾人來說，使用門檻很低；尤其是，現今心電可穿戴設備快速發展，帶來了ecg信號檢測的便利性和易實現性。

目前利用ecg信號解鎖的方法大多是利用心電信號的唯一性，提取特征值進行身份匹配。這種方法對心電信號的要求較高，特征點的選取受人的主觀因素影響較大，一旦出現心情變化或突發疾病等原因造成心電活動異常，準確性便大大降低。

技術實現要素：

本發明提出了一種基于心電信號的組合解鎖系統及其方法，通過對心電信號周期數和一定的編碼方式來實現解鎖，可有效避免使用心電信號唯一性解鎖帶來的不足，具有方式靈活、準確率高、安全可靠、設備成本低、覆蓋面廣的優點。

本發明采用的技術方案如下：

一種基于心電信號的組合解鎖系統，包括以下模塊：安全級別自定義模塊，用于定義不同的安全級別及其心電信號驗證解鎖的編碼規則；心電信號采集處理模塊，用于采集人體肢干兩端的心電信號，并對采集到的心電信號進行處理；安全校驗模塊，基于處理過的心電信號，根據用戶選擇的安全級別及其心電信號驗證解鎖的編碼規則進行匹配解鎖。

本發明上述一種基于心電信號的組合解鎖系統的解鎖方法，包括如下步驟：

(1)用戶首先對系統的安全級別做出選擇，在安全級別自定義模塊中存儲解鎖模板，并設置一組數字密碼作為備用解鎖方法；

(2)系統響應來自人體肢干兩端的心電信號觸發進入解鎖界面，并對采集到的心電信號進行處理；

(3)根據用戶設置的安全級別以及存儲的解鎖模板進行匹配解鎖，當輸入的心電信號與驗證解鎖的編碼規則不匹配，即解鎖不成功時，用戶可通過輸入數字密碼的方式解鎖，密碼為用戶在步驟(1)中預先設定的數字密碼。

本發明的優點在于：

1.方式靈活，用戶可以根據需要設置不同的安全級別，低級別耗時短，可用于普通觸摸屏的解鎖，防止誤觸發；中級別安全可靠，可用于手機等較為隱私的設備解鎖；高級別保密性極強，可用于保險柜、智能鎖等高度保密的設備；

2.準確率高，相較于基于語音、人臉和心電信號唯一性解鎖方法，本發明通過對心電信號周期數和一定的編碼方式來實現解鎖，受外部環境和人體的影響小，且相應的r波識別算法簡單，可有效減少錯誤識別的概率；

3.安全可靠，本發明利用活體的心電信號進行解鎖，解決了偽造其他生物信號解鎖帶來的安全隱患，在用戶設置編碼規則及進一步加密方式后，有效提高了安全性；

4.設備成本低，相對于指紋、虹膜等生物信號，心電信號采集處理模塊無需攝像頭，成本低，市場前景廣闊；

5.覆蓋面廣，本發明方法的應用系統可以是手機、平板電腦、觸摸屏電腦、電子書、智能鎖、保險柜等具有各種操作系統的設備；

6.面向更多的消費人群，心電信號的采集只需要人體肢干兩端與采集設備相連，即使是某些部位有殘疾的人群也可采集到信號，有效避免了其他解鎖方式對于手指、眼睛、聲音等部位的依賴。

附圖說明

圖1為本發明方法的流程框圖；

圖2為本發明實例1的實施流程圖；

圖3為本發明實例2的實施流程圖；

圖4為本發明實例3的實施流程圖。

具體實施方式

為進一步詳細表述本發明的實施步驟、效果和優勢，下面將結合附圖及具體實施例對本發明進行詳細描述。其流程圖參見附圖1，包括如下模塊和步驟：

1.安全級別自定義模塊

用戶首先對系統的安全級別做出選擇，所述安全級別包括：1)低級別，心電信號采集模塊采集到連續三個完整周期的心電信號即完成解鎖，喚醒屏幕或打開開關；2)中級別，心電信號采集模塊采集到的心電信號成功匹配用戶預先編碼好的一組心電信號即完成解鎖，喚醒屏幕或打開開關；3)高級別，心電信號采集模塊采集到的心電信號匹配到預設編碼規則的心電信號后，還需要進一步驗證密碼、指紋或語音完成解鎖、喚醒屏幕或打開開關。

根據用戶所選擇的安全級別進行初始化，存儲匹配模板，具體包括：1)用戶選擇低級別時，無需存儲初始模板；2)用戶選擇中級別時，設置心電信號編碼規則，存儲用于驗證的模板，所述編碼規則具體包括采集的次數以及每次采集過程中心電信號的個數；3)用戶選擇高級別時，設置用于匹配的心電信號編碼規則，并選擇進一步安全加密的方式，然后存儲用于驗證的模板，所述進一步安全加密的方式包括但不限于數字密碼、圖案密碼、聲音驗證、指紋驗證、虹膜驗證、靜脈驗證等；

進一步地，用戶設置一組數字密碼作為特殊情況下的備用解鎖方法。

2.心電信號采集處理模塊

系統響應來自人體肢干兩端的心電信號觸發進入解鎖界面，并對采集到的心電信號進行處理，所述處理包括去除50hz工頻干擾、基線漂移和運動噪聲，以及對心電信號的r波進行判別，并在采集心電信號的過程中語音提示用戶已采集到的心電周期個數。

3.安全校驗模塊

根據用戶設置的安全級別進行匹配解鎖；1)若用戶設置為低級別，采集到三個完整周期的心電信號后完成解鎖，打開開關；2)若用戶設置為中級別，匹配到符合用戶預設編碼規則的心電信號后完成解鎖，打開開關；3)若用戶設置為高級別，匹配到符合用戶預設編碼規則的心電信號后，再驗證用戶設置的進一步加密方式，兩者皆匹配后完成解鎖，打開開關；

當輸入的心電信號與編碼規則的心電信號三次不匹配，即三次解鎖不成功時，用戶可通過輸入數字密碼的方式解鎖，密碼為用戶在系統中預先設定的數字密碼。

實施例1

本發明提出的基于心電信號的組合解鎖方法，低級別的解鎖方法如圖2所示，包括以下步驟：

系統初始化時，用戶在安全級別中選擇低級別；

用戶設置一組數字密碼作為特殊情況下的備用開鎖方法；

系統響應來自人體肢干兩端的心電信號觸發進入解鎖界面；

采用自適應陷波器去除50hz及其諧波干擾，采用截止頻率為4hz的高通濾波器濾除基線漂移和運動干擾；

采用差分閾值法或小波變換等方法對心電信號的r波進行識別；

在采集心電信號的過程中語音提示用戶已采集到的心電周期個數；

心電信號采集模塊采集到連續三個完整周期的心電信號即完成解鎖，喚醒屏幕或打開開關；

當輸入的心電信號與編碼規則的心電信號三次解鎖不成功時，用戶可通過輸入數字密碼的方式解鎖，密碼為用戶在系統中預先設定的一組數字密碼。

實施例2

本發明提出的基于心電信號的組合解鎖方法，中級別的解鎖方法如圖3所示，包括以下步驟：

系統初始化時，用戶在安全級別中選擇中級別；

用戶設置心電信號編碼規則，設置心電信號采集的次數以及每次采集過程中心電信號的個數，如選擇共采集三次，第一次為5個心電周期，第二次為2個心電周期，第三次為3個心電周期，并存儲用于驗證的模板；

用戶設置一組數字密碼作為特殊情況下的備用解鎖方法；

系統響應來自人體肢干兩端的心電信號觸發進入解鎖界面；

采用自適應陷波器去除50hz及其諧波干擾，采用截止頻率為4hz的高通濾波器濾除基線漂移和運動干擾；

采用差分閾值法或小波變換等方法對心電信號的r波進行識別；

在采集第一次心電信號的過程中語音提示用戶已采集到5個心電周期時，用戶將肢干接觸部位抬起并重新觸發信號采集設備；

系統進行第二次心電信號采集，語音提示用戶已采集到2個心電周期時，用戶將肢干接觸部位抬起并重新觸發信號采集設備；

系統進行第三次心電信號采集，語音提示用戶已采集到3個心電周期時，完成解鎖，喚醒屏幕或打開開關；

當輸入的心電信號與編碼規則的心電信號三次解鎖不成功時，用戶可通過輸入數字密碼的方式解鎖，密碼為用戶在系統中預先設定的一組數字密碼。

實施例3

本發明提出的基于心電信號的組合解鎖方法，高級別的解鎖方法如圖4所示，包括以下步驟：

系統初始化時，用戶在安全級別選擇高級別；

用戶設置心電信號編碼規則，設置心電信號采集的次數以及每次采集過程中心電信號的個數，如選擇共采集三次，第一次為5個心電周期，第二次為2個心電周期，第三次為3個心電周期；

用戶設置進一步加密方式，并存儲模板，所述進一步加密方式包括但不限于數字密碼、圖案密碼、聲音驗證、指紋驗證、虹膜驗證、靜脈驗證等；

用戶設置一組數字密碼作為特殊情況下的備用解鎖方法；

系統響應來自人體肢干兩端的心電信號觸發進入解鎖界面；

采用自適應陷波器去除50hz及其諧波干擾，采用截止頻率為4hz的高通濾波器濾除基線漂移和運動干擾；

采用差分閾值法或小波變換等方法對心電信號的r波進行識別；

在采集心電信號的過程中語音提示用戶已采集到的心電周期個數；

在采集第一次心電信號的過程中語音提示用戶已采集到5個心電周期時，用戶將肢干接觸部位抬起并重新觸發信號采集設備；

系統進行第二次心電信號采集，語音提示用戶已采集到2個心電周期時，用戶將肢干接觸部位抬起并重新觸發信號采集設備；

系統進行第三次心電信號采集，語音提示用戶已采集到3個心電周期時，驗證用戶設置的進一步加密方式，兩者皆匹配后完成解鎖，喚醒屏幕或打開開關；

三次解鎖不成功時，用戶可通過輸入數字密碼的方式解鎖，密碼為用戶在系統中預先設定的數字密碼。

需要說明的是上述實施例，并非用來限定本發明的保護范圍，在上述技術方案的基礎上所作出的等同變換或替換均落入本發明權利要求所保護的范圍。