论文速递 ACM Trans. IoT, 2023 | mmHSV: An In-Air Handwritten Signature Verification System employing Mi

注1：本文系“无线感知论文速递”系列之一，致力于简洁清晰完整地介绍、解读无线感知领域最新的顶会/顶刊论文(包括但不限于 Nature/Science及其子刊; MobiCom, Sigcom, MobiSys, NSDI, SenSys, Ubicomp; JSAC, 雷达学报 等)。
本次介绍的论文是：ACM Trans. Internet Things, 2023 | mmHSV: An In-Air Handwritten Signature Verification System employing Millimeter-wave Radar
文章DOI: https://doi.org/10.1145/3614443

1 Introduction

在身份验证的广阔天地里，签名一直占据着重要的位置。但是，传统的签名方式存在一些固有的缺点，如易受复制或重放攻击的威胁，或者在使用触摸设备进行在线电子签名时可能对用户的健康产生威胁。而这篇文章提出的系统，mmHSV，使用毫米波（mmWave）雷达实现了空中手写签名验证，以解决这些问题。

2 Motivation

手写签名是一个深受人们喜爱的身份验证方式，它具有独特的生物特征和行为特征，这使得其在保护用户权益和财产安全方面起着至关重要的作用。然而，传统的签名方式往往需要物理接触，这在新冠病毒流行的时期可能带来健康风险。为了解决这个问题，mmHSV提出了一种完全在空中进行的手写签名验证方式，使得用户无需接触任何物体就能完成签名，大大降低了病毒传播的风险。

3 Methodology

mmHSV的设计包含三个主要部分：数据收集模块，信号预处理和特征提取模块，以及身份验证模块。

3.1 Data Collection

在数据收集阶段，mmHSV利用毫米波雷达精确感知用户在空中的微动作。毫米波信号具有小波长和高抗干扰性，因此可以在一定范围内独立于距离和方向。用户只需面向毫米波设备，在定义的区域上方空中写下自己的名字，即可完成签名，无需触摸物体表面。

3.2 Signal Preprocessing and Feature Extraction

在信号预处理和特征提取阶段，首先设计了一个目标检测器，用于确定用户手写签名位置和毫米波雷达的相对位置。然后，根据频率调制连续波（FMCW）雷达信号的特性，从毫米波雷达混合信号中提取出相位依赖的生物特征和行为特征。这些特征形成了电子签名，用于确定用户的合法性。

在特征提取部分，我们从连续的相位变化和相位差信息两个方面提取特征。为了更好地表征用户的生物特征，我们将相位差信息规范化到[-1,1]的范围，这样可以消除奇异样本带来的影响。

3.3 User Identification

在用户身份验证阶段，考虑到时间效率，我们首先使用FastDTW算法来计算用户的STL-based特征序列的相似性。这样，我们可以通过比较与模板数据的距离，来进行预先的用户分类。然后，MFCC-based特征被送入Siamese网络进行进一步的验证。

4 实验和结果

在实验中，我们邀请了11名志愿者参与，包括6名男性和5名女性。其中8位志愿者（u1, u2, u3, u4, u5, u6, u7, u8）需要在位置2进行签名，以收集总共50个真实的签名样本，同时模拟其他用户的签名至少5次。这些数据被用于形成一个基础的数据集，每个用户都有50个真实的签名样本和50个伪造的签名样本。其余三个志愿者（u9, u10, u11）收集15个真实签名样本，并选择另一个用户进行5次模拟签名，这些数据被用作未训练的用户进行测试。

我们还选择了2个用户（u3, u6）在位置1和位置3各收集10个真实签名样本，并进行了两个用户在每个位置互相模拟对方的签名的数据收集，这些数据用于后续在不同位置进行用户身份验证的检测。

实验结果显示，mmHSV可以实现准确、高效、稳健和可扩展的手写签名验证。在测试中，我们发现，当阈值设定为固定值1时，AUC是98.96%，FAR是5.1%。对于未经训练的用户，AUC是97.79%。这些结果强烈表明了mmHSV在手写签名验证中的可靠性和有效性。

5 不足和未来展望

尽管mmHSV在手写签名验证上表现出色，但也存在一些不足和挑战。例如，现有的工作主要关注了在一个固定位置进行签名的情况，但实际应用中，用户的签名位置可能会有所变化。此外，对于新用户的接入，可能需要进一步的研究和改进。

为了解决这些问题，未来的工作可以尝试优化目标检测器，以更准确地确定用户的签名位置。此外，可以探索新的方法来提高对新用户的支持，比如通过使用迁移学习或者增量学习的方法。

6 总结

总的来说，这篇文章提出的mmHSV系统开创了利用毫米波雷达进行空中手写签名验证的新方法，具有准确、高效、稳健和可扩展等优点。通过实验验证，mmHSV表现出了很高的身份验证精度，同时也显示出了很好的稳定性和伸缩性。这不仅为身份验证提供了一种新的可能，也为毫米波雷达的应用开辟了新的领域。

当然，mmHSV还有很多可以改进和研究的地方，比如如何更准确地确定用户的签名位置，如何更好地支持新用户的接入等。我们期待未来能看到更多关于mmHSV的研究和应用，以推动无线感知技术的发展。