[发明专利]一种基于可穿戴手环的手势密码破解系统

权利要求书

1.一种基于可穿戴手环的手势密码破解系统，其特征包括：数据处理器和可穿戴手环终端；

所述数据处理器集成有无线传输主模块、信号预处理模块、加速度数据分析模块、角速度数据分析模块、第一模型分类模块、第二模型分类模块、剪枝模块和手势密码输出模块；

所述可穿戴手环终端集成有无线传输从模块、三轴加速度传感器和三轴陀螺仪；

所述三轴加速度传感器和三轴陀螺仪分别获取从输入开始到输入结束时腕部的加速度数据和角速度数据并通过所述无线传输从模块发送给所述数据处理器；

所述信号预处理模块通过无线传输主模块获取加速度数据和角速度数据后，利用巴特沃斯低通滤波器分离数据中的高频噪声，再通过所设定的角速度能量阈值来判断去燥后的数据中用户开始输入和结束输入的时间点，从而确定用户输入手势密码的有效时间段；提取有效时间段所对应的角速度数据的统计特征用于判断手势密码方向发生变化的时间点，根据所述时间点将有效时间段所对应的加速度数据和角速度数据进行分割，从而得到一系列只包含单一方向的加速度信号段和角速度信号段；

所述加速度数据分析模块对所述加速度信号段进行特征提取，得到腕部向每个不同方向运动时的加速度特征向量，包括x、y、z三轴加速度的平均值、加速度最大值、加速度最小值和三轴位移；

所述角速度数据分析模块对所述角速度信号段进行特征提取，得到腕部向每个不同方向转动时的角速度特征向量，包括x、y、z三轴角速度的平均值、角速度最大值、角速度最小值和角位移；

所述第一模型分类模块获取加速度特征向量和角速度特征向量并输入至训练好的支持向量机的方向分类模型中进行手部运动方向的分类，得到手腕每一段运动方向的判断结果；

所述第二模型分类模块获取三轴位移和角位移、以及手腕每一段运动方向的判断结果并输入至训练好的支持向量机的位移分类模型中进行手部位移的分类，得到手腕每一段运动的带有方向的位移；

所述剪枝模块对手势密码的九宫格图中的9个点建立转移矩阵，并利用转移矩阵将手腕每一段运动的带有方向的位移转化为手指在手势密码的九宫格图中经过点的轨迹序列；

所述剪枝模块中的转移矩阵是按如下过程获得：

将手势密码的九宫格图中的9个点按照从左到右、从上到下的顺序依次编号为1-9；

在用户解锁手势密码时，令手指的位移方向包括：上、下、左、右、45°左上、45°左下、45°右上、45°右下的八种方向；

令手指的位移大小是在所选择的位移方向下，由当前点经过九宫格内另一个点所构成的一段位移，或是由当前点经过连续九宫格内的另外两个点所构成的一段位移；

从而得到手指的运动的16种位移状态，并用一个维度为9×16的矩阵表示手势密码九宫格图内的所有9个点通过每种位移状态所能到达的下一个点，其中，矩阵的列代表九宫格图中的点，矩阵的行代表手指的不同位移状态，矩阵中元素的值表示所对应的点经过所对应的位移状态能到达的下一个点的编号，若矩阵中元素的值为0，则表示不存在下一个点的编号；

所述手势密码输出模块将轨迹序列在图形界面中进行展示，并作为手势密码的破解结果。

2.根据权利要求1所述的手势密码破解系统，其特征是，所述信号预处理模块中的角速度数据的统计特征是按如下过程获得：

使用滑动窗口法扫描有效时间段所对应的角速度数据，且每个滑动窗口内均包含一定长度时间内的角速度数据；

对每个滑动窗口内的所有角速度数据，利用式(1)计算时刻t的角速度统计特征D(t)：

D(t)＝|G_x(t)-G_y(t)|+|G_y(t)-G_z(t)|+|G_z(t)-G_x(t)| (1)

式(1)中，G_x(t)、G_y(t)、G_z(t)分别代表t时刻的x轴、y轴、z轴的角速度；

以D(t)在当前滑动窗口内取得最小值所对应的时间点作为手势密码方向发生变化的时间点。