背景技術(shù)：
：隨著筆式交互技術(shù)的發(fā)展，筆式輸入設(shè)備更為廣泛地使用于不同的設(shè)備，如手機(jī)、平板電腦、智能桌面以及個(gè)人計(jì)算機(jī)。在筆式交互系統(tǒng)下，筆式輸入設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)書寫、繪圖和命令操作等功能。進(jìn)行設(shè)計(jì)、繪圖、動(dòng)畫制作等工作時(shí)，通常涉及到設(shè)計(jì)人員組內(nèi)討論及設(shè)計(jì)方案共享，如何進(jìn)行快速有效的數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)保證自身數(shù)據(jù)的安全性，成為一個(gè)亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的便攜式存儲(chǔ)設(shè)備可以在一定程度上解決上述問題，然而其仍存在以下缺點(diǎn)：(1)由于接觸式物理接口的限制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)需要匹配與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)線或接口，且接觸式物理接口的數(shù)量有限，在多個(gè)外部設(shè)備同時(shí)接入時(shí)會(huì)發(fā)生接口數(shù)量不足的情況；(2)有些便攜式存儲(chǔ)設(shè)備體積較小，容易丟失；(3)在使用傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備時(shí)，數(shù)據(jù)保護(hù)的實(shí)現(xiàn)方式是輸入預(yù)設(shè)的密碼，而輸入密碼需要使用物理鍵盤或虛擬鍵盤實(shí)現(xiàn)，操作不流暢；(4)傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備在進(jìn)行頻繁的數(shù)據(jù)傳輸和交換時(shí)，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行多次插拔，操作繁瑣且浪費(fèi)時(shí)間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

實(shí)用新型目的：本實(shí)用新型提供一種支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆系統(tǒng)及方法，其目的是解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸過程中出現(xiàn)的接觸式接口多次插拔，安全驗(yàn)證操作繁瑣等問題。

技術(shù)方案：

一種支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆系統(tǒng),其特征在于：該系統(tǒng)包括電子筆和上位機(jī)，電子筆包括筆桿，其特征在于：筆桿內(nèi)設(shè)置有供電模塊、主控模塊、物理存儲(chǔ)模塊、通信模塊和通信天線；供電模塊、物理存儲(chǔ)模塊和通信模塊均與主控模塊連接，通信天線位于筆桿尾部，與通信模塊相連接；通信模塊連接供電模塊和物理存儲(chǔ)模塊，供電模塊與物理存儲(chǔ)模塊連接；上位機(jī)與通信模塊無線連接。

該手寫筆還包括USB接口，USB接口與物理存儲(chǔ)模塊連接，USB接口位于筆桿尾端置于筆尾蓋內(nèi)。

利用上述的支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆系統(tǒng)所實(shí)施的用戶身份驗(yàn)證方法，其特征在于：該方法通過在電子筆原有書寫功能的基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，以無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用筆跡識(shí)別進(jìn)行安全驗(yàn)證并觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

具體步驟為：

(1)安裝上位機(jī)客戶端，保持程序正常運(yùn)行；

(2)利用客戶端啟動(dòng)上位機(jī)的無線通信功能，保證上位機(jī)與電子筆間的實(shí)際距離在對(duì)應(yīng)通信方式的通信距離范圍內(nèi)；

(3)上位機(jī)對(duì)筆進(jìn)行設(shè)備識(shí)別，檢查是否已設(shè)定安全驗(yàn)證筆跡，若未設(shè)定，提供安全驗(yàn)證界面，要求用戶設(shè)定個(gè)性化安全驗(yàn)證筆跡，設(shè)置成功后將筆跡信息發(fā)送至電子筆；

(4)若已設(shè)定安全驗(yàn)證筆跡，則請(qǐng)求電子筆上傳驗(yàn)證筆跡信息，收到筆跡信息后，顯示安全驗(yàn)證界面，請(qǐng)求用戶進(jìn)行安全驗(yàn)證；

(5)若接收到的驗(yàn)證筆跡輸入符合預(yù)設(shè)，則開啟數(shù)據(jù)傳輸，允許用戶獲取電子筆存儲(chǔ)的文件信息并對(duì)其進(jìn)行操作；

(6)若接收到的筆跡輸入與預(yù)設(shè)不符，上位機(jī)客戶端生成用戶提示信息，要求用戶再次輸入；

(7)上位機(jī)客戶端提供電子筆內(nèi)存儲(chǔ)信息的瀏覽和操作功能，客戶端支持筆跡輸入、筆姿態(tài)命令輸入和控制命令輸入；

(8)文件傳輸完成后，允許在客戶端斷開連接，或電子筆與上位機(jī)間距離超過通信距離范圍一段時(shí)間之后，設(shè)備連接自動(dòng)斷開，再次連接需重新登錄。

上位機(jī)為支持電子筆輸入且具有無線通信和屏幕顯示功能的計(jì)算機(jī)或平板電等，上位機(jī)幫助用戶瀏覽電子筆存儲(chǔ)器內(nèi)的文件結(jié)構(gòu)，并方便用戶對(duì)電子筆內(nèi)的文件進(jìn)行選擇、剪切、復(fù)制、粘貼和刪除操作。

所述筆跡為具有用戶生物特征的筆跡識(shí)別信息，安全驗(yàn)證筆跡為用戶自定義的個(gè)性化筆跡，在首次設(shè)定時(shí)，上位機(jī)對(duì)筆跡輸入進(jìn)行分析并將筆跡特征記錄在上位機(jī)和電子筆的存儲(chǔ)器中。

(3)步驟中：安全驗(yàn)證筆跡識(shí)別允許以下述算法實(shí)現(xiàn)：

1)用戶首次設(shè)定簽名時(shí)，實(shí)時(shí)捕捉簽名筆跡樣本點(diǎn)的x-y坐標(biāo)信息，并同時(shí)存儲(chǔ)每個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間t，形成簽名樣本點(diǎn)信息集P{[(x,y),t]|(x,y)∈簽名軌跡}；

2)根據(jù)時(shí)間信息t，計(jì)算集合P中相鄰樣本點(diǎn)組成的向量形成向量集

3)計(jì)算向量集V中相鄰向量間的夾角θ，若θ>90°，則將夾角頂點(diǎn)信息[(x,y),θ]加入集合Q中，形成特征點(diǎn)集，并設(shè)定Q{[(x,y),θ]|θ>90°，(x,y)∈簽名軌跡}為該用戶的筆跡識(shí)別匹配模板；

4)當(dāng)進(jìn)行筆跡識(shí)別驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉簽名筆跡樣本點(diǎn)的x-y坐標(biāo)和時(shí)間信息，形成簽名樣本點(diǎn)集P₁{[(x₁,y₁),t₁]|(x₁,y₁)∈簽名軌跡}；

5)針對(duì)簽名軌跡繪制矩形邊界框并縮放，得到與模板大小一致的樣本點(diǎn)圖及樣本點(diǎn)集P₂{[(x₂,y₂),t₁]|(x₂,y₂)∈縮放后的簽名軌跡}；

6)針對(duì)樣本點(diǎn)集P₂計(jì)算特征點(diǎn)集Q₂{[(x₂,y₂),θ₂]|θ₂>90°，(x₂,y₂)∈縮放后的簽名軌跡}；

7)計(jì)算樣本特征點(diǎn)集P₂與模板特征點(diǎn)集P中各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的歐拉距離r₂；

8)若歐拉距離r₂<r(r為經(jīng)驗(yàn)閾值)，且θ₂-θ<β(β為經(jīng)驗(yàn)閾值)則該點(diǎn)匹配成功；

9)若匹配成功的點(diǎn)數(shù)所占百分比值c₂>c(c為經(jīng)驗(yàn)閾值)，則判定驗(yàn)證筆跡匹配成功。

(8)步驟中電子筆與上位機(jī)的連接控制，涉及公式1和公式2，具體為：

其中P_T為無線信號(hào)發(fā)射功率，P_R為接收功率，r為電子筆與上位機(jī)之間的距離，n為損耗系數(shù)；P_K和T_K分別為接收功率和時(shí)間的閾值；S為1時(shí)，電子筆與上位機(jī)為連接狀態(tài)；S為0時(shí)，電子筆與上位機(jī)斷開連接。

優(yōu)點(diǎn)及效果：本實(shí)用新型提供一種支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆系統(tǒng)及方法，其將電子手寫筆的功能與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)集成在一起，通過無線通信的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，利用筆跡識(shí)別進(jìn)行安全性驗(yàn)證。通過電子筆與存儲(chǔ)設(shè)備結(jié)合的方式，擴(kuò)展電子筆的功能，實(shí)現(xiàn)一種安全、流暢的數(shù)據(jù)交換方式。通過本專利提出的電子手寫系統(tǒng)，能夠使得數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交換操作更加安全、簡(jiǎn)單和流暢。

具體意義如下：

(1)擴(kuò)展了筆的功能。本實(shí)用新型在傳統(tǒng)電子手寫筆基本功能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步集成了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和非接觸式數(shù)據(jù)交換的功能，利用筆跡命令進(jìn)行文件操作，無需使用其他外部設(shè)備，增加了文件操作的流暢性，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)交換和筆操作的耦合；

(2)使用無線通信技術(shù)，消除接觸式物理接口的限制。傳統(tǒng)存儲(chǔ)設(shè)備通過有線連接的方式傳輸數(shù)據(jù)，在操作頻繁的情況下，尋找和將存儲(chǔ)設(shè)備插入接觸式物理接口的動(dòng)作成為肢體疲勞的主要成因，而近場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)巧妙地解決了這一問題，同時(shí)，接觸式物理接口的數(shù)量有限，在連接多個(gè)外部設(shè)備時(shí)需要擴(kuò)展接口的數(shù)量，而使用無線通信技術(shù)可以避免此類問題；

(3)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全管理功能。允許用戶設(shè)定個(gè)性化的安全驗(yàn)證識(shí)別筆跡，在電子筆進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸之前，通過用戶輸入的安全驗(yàn)證筆跡對(duì)其進(jìn)行身份識(shí)別，保證了筆存儲(chǔ)設(shè)備上數(shù)據(jù)的安全性。

附圖說明：

圖1為本實(shí)用新型電子筆系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2為電子筆使用場(chǎng)景圖；其中2-1為其中的一種場(chǎng)景，圖2-2為另一種使用場(chǎng)景；

圖3為電子筆內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；

圖4為電子筆系統(tǒng)的安全驗(yàn)證過程圖。

圖5為上位機(jī)工作原理圖。

具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說明：

如圖1和3所示，一種支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆系統(tǒng),該系統(tǒng)包括電子筆和上位機(jī)，電子筆包括筆桿6，筆桿6內(nèi)設(shè)置有供電模塊1、主控模塊2、物理存儲(chǔ)模塊3、通信模塊4和通信天線5；供電模塊1、物理存儲(chǔ)模塊3和通信模塊4均與主控模塊2連接，通信天線5位于筆桿6尾部，與通信模塊4相連接；通信模塊4連接供電模塊1和物理存儲(chǔ)模塊3，供電模塊1與物理存儲(chǔ)模塊3連接；上位機(jī)與通信模塊4無線連接。

該手寫筆還包括USB接口7，USB接口7與物理存儲(chǔ)模塊3連接，USB接口7位于筆桿6尾端置于筆尾蓋內(nèi)。

利用該支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆系統(tǒng)所實(shí)施的驗(yàn)證方法，通過在電子筆原有書寫功能的基礎(chǔ)上增加數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，以無線通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，利用筆跡識(shí)別進(jìn)行安全驗(yàn)證并觸發(fā)數(shù)據(jù)傳輸。

下面對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)說明：

系統(tǒng)包括硬件部分和軟件部分：

(1)硬件部分

硬件部分包括電子筆和上位機(jī)。

主控模塊用于對(duì)物理存儲(chǔ)模塊、通信模塊進(jìn)行信息處理及控制；物理存儲(chǔ)模塊用于文件數(shù)據(jù)、設(shè)備標(biāo)識(shí)碼和安全驗(yàn)證筆跡特征的存儲(chǔ)；通信模塊用于讀取支持近場(chǎng)通訊功能設(shè)備的身份標(biāo)識(shí)碼信息，進(jìn)行設(shè)備身份驗(yàn)證并傳輸數(shù)據(jù)；上位機(jī)為支持電子筆輸入且具有無線通信和屏幕顯示功能的計(jì)算機(jī)或平板電腦等設(shè)備。

所述通信模塊允許以近場(chǎng)通訊、Wi-Fi或藍(lán)牙等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。在不同的實(shí)現(xiàn)方式下，設(shè)備連接和數(shù)據(jù)傳輸需滿足其各自的通信距離要求。

所述電子筆還配備USB接口，用于供電模塊充電，并允許實(shí)現(xiàn)有線傳輸。

所述物理存儲(chǔ)模塊為移動(dòng)硬盤或閃存等存儲(chǔ)介質(zhì)。

所述供電模塊為鋰電池等。

電子筆的功能包括：

1)輸入功能：包括筆跡輸入、控制命令輸入和筆姿態(tài)命令輸入。

2)存儲(chǔ)功能：存儲(chǔ)包括用戶數(shù)據(jù)、設(shè)備識(shí)別信息和安全驗(yàn)證筆跡信息。

3)通信功能：建立通信連接、上傳安全驗(yàn)證筆跡特征到上位機(jī)、交換文件數(shù)據(jù)和文件操作信息等。

上位機(jī)為支持電子筆輸入，且具有無線通信和屏幕顯示功能的計(jì)算機(jī)或平板電腦等設(shè)備。

上位機(jī)的功能包括：

1)存儲(chǔ)功能：包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)操作。

2)無線通信：允許以近場(chǎng)通訊、Wi-Fi或藍(lán)牙數(shù)據(jù)傳輸?shù)确绞綄?shí)現(xiàn)。

3)顯示功能：用于進(jìn)行文件的瀏覽和輔助文件操作。

(2)軟件部分

軟件部分為上位機(jī)客戶端程序，該客戶端具有以下功能：

1)無線通信：包括開啟和關(guān)閉無線通信、搜索電子筆、連接和斷開電子筆，傳輸文件操作信息及傳輸文件等功能。

2)安全驗(yàn)證：包括提供安全驗(yàn)證界面、設(shè)定和接收安全驗(yàn)證筆跡、筆跡特征對(duì)比等功能。

3)文件瀏覽：瀏覽電子筆內(nèi)的文件信息。

4)文件操作：允許通過菜單操作和筆跡命令進(jìn)行文件操作。

客戶端與電子筆斷開一定時(shí)間后，下一次連接時(shí)需要重新輸入驗(yàn)證筆跡進(jìn)行登錄。

為實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證筆跡的安全性，在安全驗(yàn)證界面中輸入驗(yàn)證筆跡時(shí)允許用戶取消書寫筆跡的視覺反饋。

實(shí)施上述的一種支持移動(dòng)非接觸式數(shù)據(jù)交換存儲(chǔ)的電子手寫筆的用戶身份驗(yàn)證方法，具體步驟為：

(1)安裝上位機(jī)客戶端，保持程序正常運(yùn)行；

(2)利用客戶端啟動(dòng)上位機(jī)的無線通信功能，保證上位機(jī)與電子筆間的實(shí)際距離在對(duì)應(yīng)通信方式的通信距離范圍內(nèi)；

(3)上位機(jī)對(duì)筆進(jìn)行設(shè)備識(shí)別，檢查是否已設(shè)定安全驗(yàn)證筆跡，若未設(shè)定，提供安全驗(yàn)證界面，要求用戶設(shè)定個(gè)性化安全驗(yàn)證筆跡，設(shè)置成功后將筆跡信息發(fā)送至電子筆；

安全驗(yàn)證筆跡識(shí)別允許以下述算法實(shí)現(xiàn)：

1)用戶首次設(shè)定簽名時(shí)，實(shí)時(shí)捕捉簽名筆跡樣本點(diǎn)的x-y坐標(biāo)信息，并同時(shí)存儲(chǔ)每個(gè)樣本點(diǎn)對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)間t，形成簽名樣本點(diǎn)信息集P{[(x,y),t]|(x,y)∈簽名軌跡}；

2)根據(jù)時(shí)間信息t，計(jì)算集合P中相鄰樣本點(diǎn)組成的向量形成向量集

3)計(jì)算向量集V中相鄰向量間的夾角θ，若θ>90°，則將夾角頂點(diǎn)信息[(x,y),θ]加入集合Q中，形成特征點(diǎn)集，并設(shè)定Q{[(x,y),θ]|θ>90°，(x,y)∈簽名軌跡}為該用戶的筆跡識(shí)別匹配模板；

4)當(dāng)進(jìn)行筆跡識(shí)別驗(yàn)證時(shí)，系統(tǒng)實(shí)時(shí)捕捉簽名筆跡樣本點(diǎn)的x-y坐標(biāo)和時(shí)間信息，形成簽名樣本點(diǎn)集P₁{[(x₁,y₁),t₁]|(x₁,y₁)∈簽名軌跡}；

5)針對(duì)簽名軌跡繪制矩形邊界框并縮放，得到與模板大小一致的樣本點(diǎn)圖及樣本點(diǎn)集P₂{[(x₂,y₂),t₁]|(x₂,y₂)∈縮放后的簽名軌跡}；

6)針對(duì)樣本點(diǎn)集P₂計(jì)算特征點(diǎn)集Q₂{[(x₂,y₂),θ₂]|θ₂>90°，(x₂,y₂)∈縮放后的簽名軌跡}；

7)計(jì)算樣本特征點(diǎn)集P₂與模板特征點(diǎn)集P中各個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的歐拉距離r₂；

8)若歐拉距離r₂<r(r為經(jīng)驗(yàn)閾值)，且θ₂-θ<β(β為經(jīng)驗(yàn)閾值)則該點(diǎn)匹配成功；

9)若匹配成功的點(diǎn)數(shù)所占百分比值c₂>c(c為經(jīng)驗(yàn)閾值)，則判定驗(yàn)證筆跡匹配成功。

(4)若已設(shè)定安全驗(yàn)證筆跡，則請(qǐng)求電子筆上傳驗(yàn)證筆跡信息，收到筆跡信息后，顯示安全驗(yàn)證界面，請(qǐng)求用戶進(jìn)行安全驗(yàn)證；

(5)若接收到的驗(yàn)證筆跡輸入符合預(yù)設(shè)，則開啟數(shù)據(jù)傳輸，允許用戶獲取電子筆存儲(chǔ)的文件信息并對(duì)其進(jìn)行操作；

(6)若接收到的筆跡輸入與預(yù)設(shè)不符，上位機(jī)客戶端生成用戶提示信息，要求用戶再次輸入；

(7)上位機(jī)客戶端提供電子筆內(nèi)存儲(chǔ)信息的瀏覽和操作功能，客戶端支持筆跡輸入、筆姿態(tài)命令輸入和控制命令輸入；

(8)文件傳輸完成后，允許在客戶端斷開連接，或電子筆與上位機(jī)間距離超過通信距離范圍一段時(shí)間之后，設(shè)備連接自動(dòng)斷開，再次連接需重新核

對(duì)安全驗(yàn)證筆跡。

電子筆與上位機(jī)的連接控制，涉及公式1和公式2，具體為：

其中P_T為無線信號(hào)發(fā)射功率，P_R為接收功率，r為電子筆與上位機(jī)之間的距離，n為損耗系數(shù)；P_K和T_K分別為接收功率和時(shí)間的閾值。S為1時(shí)，電子筆與上位機(jī)為連接狀態(tài)；S為0時(shí)，電子筆與上位機(jī)斷開連接。

本實(shí)用新型所述方法中，上位機(jī)為支持電子筆輸入且具有無線通信和屏幕顯示功能的計(jì)算機(jī)或平板電腦等，上位機(jī)可以幫助用戶瀏覽電子筆存儲(chǔ)器內(nèi)的文件結(jié)構(gòu)，并方便用戶對(duì)電子筆內(nèi)的文件進(jìn)行選擇、剪切、復(fù)制、粘貼和刪除等操作。

本實(shí)用新型所述方法中，所述筆跡為具有用戶生物特征的筆跡識(shí)別信息。安全驗(yàn)證筆跡為用戶自定義的個(gè)性化筆跡。在首次設(shè)定時(shí)，上位機(jī)對(duì)筆跡輸入進(jìn)行分析并將筆跡特征記錄在上位機(jī)和電子筆的存儲(chǔ)器中。

本實(shí)用新型所述方法中，文件數(shù)據(jù)傳輸過程中，筆與上位機(jī)間的距離需要保持在對(duì)應(yīng)通信方式的通信距離(即有效工作距離)內(nèi)。

圖2為電子筆使用場(chǎng)景圖，上位機(jī)檢測(cè)到電子筆后提示用戶輸入筆跡識(shí)別信息，將用戶的輸入與預(yù)先設(shè)置的筆跡信息進(jìn)行對(duì)比，若匹配成功則觸發(fā)讀文件進(jìn)程，將電子筆內(nèi)存儲(chǔ)的文件信息發(fā)送給上位機(jī)；若筆跡未匹配成功，則通過上位機(jī)通知用戶重新輸入筆跡。整個(gè)過程需要保證筆與上位機(jī)間有效工作距離范圍內(nèi)。

圖3為電子筆內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖所示，其具體實(shí)施方法如下：

(1)電子筆中裝置供電模塊1、主控模塊2、物理存儲(chǔ)模塊3、通信模塊4和通信天線5；

(2)主控模塊2對(duì)交互過程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行收集和處理，并根據(jù)信息對(duì)物理存儲(chǔ)模塊3和通信模塊4進(jìn)行控制；

(3)物理存儲(chǔ)模塊3負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，具體包括用戶數(shù)據(jù)、主控模塊的控制信息以及安全驗(yàn)證筆跡特征等；

(4)通信模塊4在主控模塊2的控制下與上位機(jī)通信，包括首次連接上位機(jī)時(shí)發(fā)出設(shè)備識(shí)別碼信息、筆跡識(shí)別驗(yàn)證信息、控制信息和用戶數(shù)據(jù)等的傳輸；

(5)供電模塊1為筆內(nèi)各部件供電。