（信号与信息处理专业论文）结合生物特征的二维条形码编译码系统研究与实现.pdf

摘要 摘要 二维条形码技术作为信息安全和现代物流跟踪过程中的一项关键 技术，具有识别速度快、误码率低、设备便宜、应用成本低廉和技术成 熟等优点正在被越来越多的人重视。掌纹识鉴别作为新兴生物特征处 理技术，被认为是当今高度信息化社会的最高级别的安全密匙系统， 正以其独特的优势吸引了国际学术界。 二维条码作为安全便携高效的信息载体和具有唯一性的掌纹特征 相结合作为一个灵活可靠的身份验证方案应用于安全性要求比较高的 场合，二者可以起到相得益彰的效果。在科研创新不断发展的今天， 二者结合也具有集成创新的效果。 基于可编程逻辑器件的嵌入式系统具备硬件可重构性和前所未有 的灵活性。而可重用设计方法的引入可以大大缩短嵌入式系统设计周 期，软硬件协同设计也是一个必然的趋势。我们在可重用方法学的指 导下，贯彻i p 核复用理念，在s o p c 设计平台上成功地实现了结合生 物特征的二维条形码编译码系统。从系统级设计，算法研究与实现和 功能模块级设计各个角度体现可重用设计方法对于基于f p c 认和m 软 核的嵌入式系统设计的重要作用。 【关键字】：s o p c ，可重用设计方法，二维条形码，掌纹特征信息 a b s l r a c t a b s t r a c t 1 w od i m c n s i o n a lb a r c o d ei sak e yt e c h n o l o g yi ni n f o n 瑚n i o ns e c i l r i t y 黯dg d sm o b 诖i z a t i o 1 th 8 sm a n ya d v a n t a 萨sj n s tl 像et h ee 鼋轻翠m e n i s p o o r ，t h ep r o b a b j l i t yt l i a te r i d ro c c u r si sl i c t l e ，t h et e c l ( 1 l o l o g yi sm a t u r ea i l d s oo n a so n ek i n do ft h en e wb i o m e t r i ca u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g y p a l m p 蛀矗t 鞠i h e n t i c 砒i o 致i sr c g a f 如da st h em o s th i g hl e v e ls a f eb ys y s 姆mi 珏 t o d a y si n f o r m 砒i o ns o c i e t y - p a l mp r i n ta u t h e n t i c a t i o na m a c t sm a n yp e o p l e b e c a u s ei th a ss om u c h9 0 0 dc h a r a c t e l a sa s a f e ，p 雕确1 e i 曲嘲c i e 鞋c yi 蕤触氍a t i o 矗铭戚e r ，i f 淅o d i m e n s i o n a lb a r c o d ec o m b i n eb i o m e t r i c se x c l u s i v ec h a r a c t e r t h ea d v a n t a g e o fb o t ho ft h e mw i l lz o o mo u t i tc a i ib eac r e d i b l e n e x i b l ev a l i d a t a t i o n p r o j e c t 弧i sp 嘲e c l 铷泊eu s 遮| n 粕ys i 瓤a 蛀冁s | h a 毯醢s a 耗t yi sa s k e d f o 陬ec o m b i n a t i o no ft h e ma l s oh a si n t e g r a t i o ni n n o v a t i o nm e a i l i n g e m b e d c ds y s t e mb a s e do np m 酽a m m a b l el o 西cd e v i c eh 鹪t h e a b i l i t y o fh 拣| w a r e 糟c o 珏s t m c t i 盹a 积f l 巷x i b i l i t y t 弧e 黼eo f 嚣聪s e m e t h o d o l o g yd o e sd e c r e a s et h ec y c l ea b o u td e s i g 硒n gt h ee m b e d d e ds y s t e m b a s e d0 np r o 删m a b l el o g i cd e v i c e b l o wt h er e u s em e t h o d o l o g yw e 至l p l e m e n tt 莪ec 。d e cs y s t e mo f2 db a r c o d ec o m 毯a t i 珏gb i o 黠o l r i co n 馕e s o p cp l a t f 0 咖f r o m s y s t e m - l e v e l d e s i g i l ，a l g o r “h m r e s e a r c h 觚d i m p l e m e n t ， a n df u n c t i o nb l o c k l e v e l d e s i 弘， t h i st h c s i ss h o w st t l e i 翔p o n a 霸c e 幻壕ed o s i 弘o fe m b e d d e ds y s t i mb a s eo n 即g a 强i p c o 托 k e y w o r d s ：s o p c 、r e u s em e t h o d o l o g y 、p a l m p r i n li n f o 加a t i o n 、2 db a r c o d e i l 独创性声明 1 yd | ，9 8 6 5 本人声明，所呈交的学位论文是我个人在导师指导 下进行的研究工作及取得的研究成果。尽本人所知，除 了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北 京交通大学或其他教学机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本人签名：两闸涵 日期：型年土月兰日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论 文中所有创新和成果归北京交通大学计算机与信息技 术学院所有。未经许可，任何单位和个人不得拷贝。版 权所有，违者必究。 本人签名：岛司垫 日期：丛年三月兰日 第一章概述 1 1 二维条形码技术 1 1 1 条码概述 条码是由一组按一定规则排列的条、空符号组成的编码符号，用 以表示一定的字符、数字及符号信息；这穗编码霹以供机器识读。【1 】 条码技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门容编 码、印刷、识别、数据采集和处理于一身的新兴技术。人们日常见到 豹印刷在翥暴包装上豹条码，是酱逶的一维条鹦。作为一项自动识别 技术，一维条确自上世纪7 0 年代初期问世以来，由于箕识读快速、准 确、可靠、制作成本低等优点，很快受到了人们的膏睐，被广泛应用 在离业、图书管瑾、仓储、郯电、交逶和王堑控利等领域“。 条码技术与其它输入技术( 如键盘输入、o c r 输入、磁卡输入、射 频输入) 相比，具有识别速度快、误码率低、设备便宜、应用成本低 廉和技术成熟等优点。条秘的制作一般采雳印利鄢抒印，抒露条羁可 采用专用条码打印机或普通的激光打印机。识读条码的设备有手持型、 卡槽型、平台烈、固定型等多种，一般采用激光或c c d 方式。条码识 读设备一般都肉黉了解码程窿，输出的是条碣须表示豹信息。条码识 读设备与计算机的接口一般有采用键盘接口和r s 2 3 2 两种，其它的还 有t t l 接口和u s b 接口等。 条妈技术侔为物流蹑踪过程中的一磺若键技术，派在被越来越多 的人了解与重视。世纪之交，条码扫描器岛扩音器、方向盘、交通指 挥灯、鼠标图形界面等一起被专家评为二十世纪最伟大的l o 种人机 界预装置之一l 北京交通大学硕士学位论文 疆蘸，困际广泛使用的条码种类有e a n 、u p c 码( 商品条码，用于 在世界范围内唯一标识一种商品。我们在超市中最常见的就是这种条 碣) 、c o d e 3 9 码( 可表示数字和字母，在管理领域应用最广) 、1 个f 2 5 碣( 在物流管理中应用较多) 、c o d e b a r 码( 多用于医疗、图书领域) 、 c o d e 9 3 码、e o d e l 2 8 鹞等。其中，酞n 码是黔今邀界上广为使用豹商品 条码，已成为电予数据交换( e d l ) 的蒸础；u p c 码主器为美国帮加拿 大使用。 一维条码只是在一个方向( 一般是水平方向) 表达信息，丽在垂 邕方向则不表达任何信息，其一定的高度通常是为了便于阅读器的对 准。一维条码的应用可以提高信息录入的速度，减少差错率，可直接 爨示内容为英文、数字、筒单符号；但是一维条码也存在一些不足之 处： - 贮存数据不多，主癸依靠计算机中的关联数据库； 十保密性能不高：损污后可读性差； 砷数据容量较小：3 0 个字符左右； $ 只能包含字母和数字； 带条稻尺寸楣对较大( 空蠲利用率较低) ； 每条码遭到损坏骺便不能阅读。 。1 2 二维条形码的起源 二维条形玛；在承平和垂直方岛的二缨空闼存储信息的条码，称 为二维条码( 2 司i m e n s l o n a l b a rc o d e ) 。可童接盥示英文、中文、数字、 符号、图型；贮存数据量大。可存放1 k 字符，可用扫描仪盥接读取内 容，无儒另按数据库；保密性高( 可加密) ：安全级别最高时，损污5 0 仍可读取完整信息。 2 由于一维条码的信息容薰很小，如商品上的条码仅能容纳1 3 位 ( e a n 1 3 码) 阿拉伯数字，更多的信息只能依赖商品数据库的支持， 离开了预先建立的数据库，这秘条码就没寄意义了，因此在一定程度 上也限制了条码的应用范围。基于这个原因，人们迫切希望发明一种 新的码制，除具备一维条码的优点外，同时还有信息容最大、可靠性 高、保密l 涛伪拣强等甓点。为了满足人们的这秘需求，美国s y m b o l 公 司经过几年的努力，于1 9 9 1 年正式推出名为p d f 4 1 7 的二维条码，简 称为p d f 4 1 7 条码( 见下图卜1 ) ，即“便携式数据文件”。p d f 4 1 7 成为最有影响力的二维条码。 戳黼黼l 喇卜lp d f 4 1 7 = 维条码 目前二维条码主要有p d f 4 1 7 码、c o d e 4 9 码、c o d e1 6 k 码、d a t a m 鑫t r i x 码、m a x i c o d e 码等，主要分为堆积或层排式和棋盘或矩阵式两 丈类。 二维条码作为一种新的信息存储和传递技术，从诞生之时就受到 了国际社会的广泛关注。经过几年的努力，现已应用糕国防、公共安 全、交通运输、医疗傈健、工业、商业、金融、海关及政府管理等多 个领域。 二维条鹤可把照片、生物特征编制予其中，可有效地解决证伴的 w 机读和防伪闯题。因此，可广泛应用予护照、身份诞、行车证、军 人证、健康证、保险卡等。另外在海关报关单、长途货运单、税务报 袭、保险登记袭上也都骞使用二维条码技术来解决数据辕入及防止伪 造、删改表格豹例子。在我匿部分地区注册会计师证和汽车销售及售 北京交通大学硕士学位论文 后服务等方面，二维条码也得到了初步的应用。 1 1 3 二维条码的特点 二维条码是一种高密度、高信息含量的便携式数据文件，是实现 证件及卡片等大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动 识读的理想手段。具有如下特点： 1 信息容量大 根据不同的条空比例每平方英寸可以容纳2 5 0 到1 1 0 0 个字符。在 国际标准的证卡有效面积上( 相当于信用卡面积的2 3 ，约为 7 6 删 2 5 啪) ，可以容纳1 8 4 8 个字母字符或2 7 2 9 个数字字符，约5 0 0 个汉字信息。这种二维条码比普通条码信息容量离几十倍。 2 编码范围广 可以将照片、指纹、掌纹、签字、声音、文字等凡可数字化的信息 进行编码。 3 保密、防伪性能好 具有多重防伪特性，它可以采用密码防伪、软件加密及利用所包 含的信息如生物特征、照片等进行防伪，因此具有极强的保密防伪性 能。 4 译码可靠性高 普通条码的译码错误率约为百万分之二左右，而二维条码的误码率 不超过千万分之一，译码可靠性极高。 5 修正错误能力强 采用了世界上最先进的数学纠错理论，如果破损面积不超过5 0 ， 条码由于沾污、破损等所丢失的信息，可以照常破译出丢失的信息。 6 容易制作且成本很低 4 利用现有的点阵、激光、喷墨、热敏热转卸、制卡机等打印技术， 即可在纸张、卡片、p v c 、甚至金属表面上印出二维条码。由此所增加 的费用仅是油墨的成本，因此二维条码人们又称是”零成本技术。 7 条码符号韵形状可变 同样的信息量，二维条码的形状可以根据载体面积及美工设计等 进行囊我调整。 1 1 4 最有影晌力的p d f 4 1 7 码 与一维条码一样，二维条码也有许多不同的编码方法，或称码制。 就这些码剖豹编鹳原理两言，遘常霹分为以下两萃申类裂：矩阵式寒锯 排式咖。 矩阵式= 维条码( 又称棋盘式二维条码) 它是在一个矩形空间通 过爨、自像素在矩阵孛豹不瓣分奄迸嚣编羁。在矩阵相应元素位置上， 用点( 方点、圊点或其他形状) 的出现表示二进制“1 ”，点的不出现 表示二进制的“0 ”，点的排列组合确定了矩阵式二维条码所代表的意 义。矩阵式二缍条妈是建立在诗算觐匿像处理技术、组合编码原理等 蒸础上的一种新型图形符号自动识读处理码制。具有代表性的矩阵式 二维条码有：c o d e0 n e 、m a x ic o d e 、q rc o d e 、d a t am a t r i x 等。 在目前凡十稚二维要码中，常用豹玛制有：p d 弛1 7 ，d 8 t a t r i x ， m a x ic o d e ，q rc o d e ，c o d e4 9 ，c o d e1 6 k ，c o d eo n e ，等，除了这魑 常见的二维条硝之外，还有v e r i c o d e 条码、c p 条码、c o d a b l o c kf 条 码、田字玛、u l t r a e o 托条秘，a z t e c 条秘。 行排式= 维条码( 又称堆积式二维条码或层排式二维条码) ，其 编码原理是建巍在一维条码慕础之上，按嚣要堆积成= 行或多行。它 在编码设计、控验原理、谖读方式等方鼷继承了一维条筠的一些特点， 北京交通大学硕士学位论文 识读设备与条码印刷与一维条码技术兼容。但由于行数的增加，需要 对行进行判定，其译码算法与软件也不完全相同于一维条码。有代表 性的行排式二维条码有：c o d e1 6 k 、c o d e4 9 、p d f 4 1 7 等。其中最著名 的就是p d f 4 1 7 码。 p d f 4 1 7 码是由留美华人王寅敬博士发明的。p d f 是取英文p o r t a b l e d a t af i l e 三个单词的首字母的缩写，意为“便携数据文件”。因为组 成条码的每一符号字符都是由4 个条和4 个空构成，如果将组成条码 的最窄条或空称为一个模块，则上述的4 个条和4 个空的总模块数一 定为1 7 ，所以称4 1 7 码或p d f 4 1 7 码。 符号结构 每一个p d f 4 1 7 符号由空白区包围的一序列层组成。嘲 p d f 4 1 7 堆栈式条码族中的所有类型条码都包含如下的元素： 起始与结束模式( s t a r ta n ds t o pp a t t e r n s ) ，左右行标示符( l e f t a n dr i g h tr 0 wi n d i c a t o r s ) ，数据列( d a t ac 0 1 u m n s ) ，和数据行 ( d a t ar o w s ) 。起始模式( s t a r tp a t t e r n ) 会告知扫描器这是一个 p d f 4 1 7 条码左边的的起始端。 结束模式( s t o pp a t t e r n ) 会告知扫描 器这是一个p d f 4 1 7 条码右边的结束端。 左右行标示符会告知扫描器 这是一个p d f 4 1 7 条码的行数和列数，并说明使用的纠错等级。一个 p d f 4 1 7 条码可有l 到3 0 列。一个p d f 4 1 7 条码可有3 到9 0 行。每一 层包括：左空白区；起始符；左层指示符号字符；1 到3 0 个数据符号 字符；右层指示符号字符；终止符；右空白区。如下图卜2 。 6 孵堂疆赶慑嚆话僻【匾女罾盘逝 j 、芏一上、，竺。上、，。竺。上 训黼眦惭l 符号字符的结构 每一个符号字符包括4 个条和4 个空，每一个条或空由l 、6 个模块组 酬嗲艄删 、i ，p 7 墨铲参s 蠼堡宜一 域哂：i 竟l l ，l 、r 1 t f 卜1 t t r 1 t 丁n o j1 0l5l j 挺粗敏 p d f 4 1 7 条码的标准化现状 条码为越来越多的标准化机构所接受嘲。如： a i 卜1 9 9 4 年被选定为国际自动识别制造商协会( a i m ) 标准； a n s i m h l 0 8 1 9 9 6 年美国标准化委员会( a n s i ) 已将p d f 4 1 7 条码 做为美国的运输包装的纸面e d i 的标准； c e n 1 9 9 7 年欧洲标准化委员会通过了p d f 4 1 7 的欧洲标准； 7 盛!譬凇翮簇粼隧 卜 3 = j ；卜 北京交通大学硕士学位论文 国际标准化组织( i s o ) 与国际电工委员会( i e c ) 的第一联合委员会 第三十一分委员会正在起草p d f 4 1 7 二维条码标准； 中国p d f 4 1 7 二维条码已列为9 5 期间的国家重点科技攻关项 目。1 9 9 7 年1 2 月p d f 4 1 7 条码国家标准四一七条码已经正式颁布 a i a g o d e t t e 1 9 9 5 年北美和欧洲汽车工业组织已将p d f 4 1 7 选 定为各种生产及管理纸面e d i 的标准； a a m v a 1 9 9 5 年美国机动车管理局将p d f 4 1 7 选定为所有驾驶员 及机动车管理的二维条码应用标准。美国一些州、加拿大部分省份已 经在车辆年检、行车证年审及驾驶证年审等方面，将p d f 4 1 7 选为机读 标准； t c i f _ 一美国工业论坛已将p d f 4 1 7 列为重要电讯产品的标识标 准 e d i f i c e 欧洲负责e d i 及条码在电子工业方面应用的工业组织 已将p d f 4 1 7 定为管理纸面e d i 应用标准，并列入运输标识条码标签 应用指南； 巴林已将p d f 4 1 7 定为身份证的机读标准，最近还将有一些国 家陆续在身份证上选用p d f 4 1 7 二维条码； 美国国防部在其新的军人身份证上采用p d f 4 1 7 条码作为机读标 准，将照片及紧急医疗信息编入条码，大约1 6 ，o o o ，o o o 多张军人卡已 在7 0 0 多个世界各地的美军基地投入使用。另外，美国国防部还将 p d f 4 1 7 条码作为后勤管理和纸面e d i 应用标准。 1 1 5 二维条码识读设备 二维条码的阅读设备依阅读原理的不同可分为： ( 1 ) 线性c c d 和线性图像式阅读器( l i n e a ri m a g e r ) 可阅读一维条码和线性堆叠式二维码( 如p d f 4 1 7 ) ，农阅读二维 码时需要沿条码的垂直方向扫过箍个条码，我们称为“扫动式阅读”。 这类产品比较便宜。 ( 2 ) 带光栅的激光阅读器 胃阅读一维条码辛珏线性堆叠式二维码。阅读二维褥对将光线对准 条码，由必糨元 牛完成垂童扫描，不鬟要手工扫动。 另步 ，：维条码的识读设备依工作方式的不同还可以分为：手撩 式、固定式和平版扫描式。 二维条码的识读设备对于二维条码的识读会有一些限制，但是均 能识别一维条码。 1 2 生物特征识别技术的发展 1 2 1 生物特征识别概述 生物识别技术( b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 y ) 是利用人 体生物特征进行身份认证的一种技术。生物特镊是难一的( 与能人不 同) ，可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理 特征和行为特征。 生物识别系统对生物特征进行取样，提取其唯一的特，征并息转化 成数字代码，并进一步将这些代码组成特征模板，人们同识别系统交 甄进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中的特征模板进 行比对，班确定是否瓯配，从而决定接受或拒绝该人。 现在由于徽处理器及各种电子元器件藏本不断下降，精度遂濒掇 离，生物识别系统逐渐应罔予商业上的授权控制如门禁、企业考勤管 理系统安全认证替领域用予生物识别的生物特征有掌纹、指纹、脸形、 虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等，行为特征育签字、声音、按键力度等。 9 北京交通大学硕士学位论文 基于这些特征，人们已经发展了手形识别、指纹识别、面部识别、发 音识别、虹膜识别、签名识别等多种生物识别技术。 一个实际的生物特征识别系统需要得到以下几点：( 1 ) 在合理的资 源需求下实现可接受的识别速度和准确度；( 2 ) 对用户没有伤害而且 可被用户简单方便的使用，用户易于接受；( 3 ) 对于工作欺诈攻击手 段具有足够的鲁棒性。目前，典型的生物特征识别技术主要有人脸识 别，指纹识别，虹膜识别，手形识别，掌纹识别，签名识别等。 掌纹识别技术简介1 事实上，生物特征识别还远远不够成熟，各种不同特征的识别系 统有各自的优缺点。比如指纹某些人或某些群体的指纹因为指纹特征 很少，故而很难成像；过去因为在犯罪记录中使用指纹，使得某些人 害怕“将指纹记录在案”。每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留 下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。 2 0 0 2 年，横滨国立大学的一名教授在演示中，从玻璃门上获得某人的 指纹资料，并制造出凝胶模型，成功的骗过了指纹识别器。 虹膜的唯一性最好，但是对图像质量要求很高而降低了普适性； 人脸、声音、笔迹等特征由于采集环境复杂且模式变化较大而难于达 到高准确性要求。衡量各个方面因素并以高准确率、高普适性、高抗 噪性为目标，我们提出了基于掌纹来进行生物特征识别。 掌纹的主要特征比以往用的指纹的主要特征明显得多，而且提取 这些主要特征时不易被噪声干扰，因此掌纹识别速度将指纹识别速度 高得多。另外，掌纹的主要特征比手形主要特征更稳定和更具分类性， 掌纹识别系统的正确识别率远高于手形识别的正确识别率。 富士通于去年中期发布的身份识别技术，根据人掌纹结构的不同 来区别身份。它使用远红外线扫描，采集真皮的掌纹图案，通过特定 1 0 概述 算法获得掌纹特性，并与数据库进行比较以确定身份。掌纹特性包括 掌纹数目，位置和相交点等。 富士通声称，掌纹识别系统误拒绝的可能性为万分之，误接受 的可能性为1 2 5 万分之。而指纹识剐的误接受率为l o 万分之一，是 鞫蓊安全性最高酌识别系统。其安全性运越过其他传统技术，包括语 音识别，蓖邦特摄识剐，指纹识别及虹膜识别。因此，掌纹识别系统 完全可胜任苛刻的高安全性要求。日本第三大银行，东京三菱银行已 将该系统应用到其2 6 7 台a t m 提款机上，到今年九月，将有超过3 0 0 0 台a t m 机使用该系统。东京大学医院也计划将某些病历资料室的指纹 识别系统升级到掌纹系统。 雨掌纹谖剐系统对，不需要直接接触识别器。这无疑穗保护了指 纹约安全。嗣对也照顾了一郝分鸯洁嬲的人士。 2 2 生物特征 巽别系统 生物特，征识别的一般分为数据采集、预处理、特征提取与匹配决 策四个步骤珏5 1 ，掌纹特征识别的研究也遵循这个过程。也就是以下四 个步骤： 一 用什么样的设备和装置采集掌纹的照片( 数据采集) 如何除去光照变化，形变等闲采集时间、地点、设备不同而引入的 差异( 预处理) - 用竹么样的特 正米有效的表示一幅手郝图像图? ( 特征提取与选择) - 如何在已有的模式表示中，判断特征的类别( 模式分类) 掌纹识别系统的流程模型如图1 4 所示： 北京交通大学硕士学位论文 数据采集 信息处理决策 图卜4 掌纹识别系统流程图 数据采集子系统：数据采集子系统是通过传感器装置将掌纹变换为 计算机可以处理的数字信号数字图象。这一过程要求尽可能获得 清晰、噪声小，无畸变的图像。由于光照条件，手掌位置，皮肤弹性 等因素，使采集的图象具有不稳定性。为了尽量减少不稳定性，一般 都会对掌纹的摆放和伸展有所规定。然而，数据采集不可能使理想条 件下的，因此所有的生物特征识别系统中，都会在后面的处理部分中 来补偿这些变化，减小数据采集带来的识别误差。 数据传输子系统：在一些生物特征识别系统中，数据的采集和存储， 处理可能会分别在不同的地点，例如分布式采集的数据可能在统一的 中央系统上存储，处理。为了减少传输带宽和存储的容量，通常要对 采集的数据进行压缩。传输子系统的需要主要根据具体应用的需求来 考虑。 信号处理子系统：信息处理予系统的目的是将原始的生物特征模式 转换成有乖j 于识剐决策的低维特征量，雨盈这些特征罴应该不受采集 对润、传感器、数据莲缩和传输的影响，然后通过特铤的距离度董来 判新生物特缝模式糍的握似性，并使不通模式特征间的距离较大，相 鼢模式闻的距离较小。信号处理又包括掌纹图像的预处理，感兴趣区 域提取，特征提取，质量控制，模式题配等功能。这个子系统是整个 掌纹特征识别系统的核心。 存储子系统：存储子系统中可能存放两种数据，压缩的生物特征模 式和溶腮豹模板数据。为了加快搜索速度，这鏊数据往往是按照一定 的分类结构来缀织的，如性别，年龄，特征分类等。 决策子系统：决策子系统的输入就是由信号处理部分得到的采样特 征与数据库模板，如果结果显示采样特征与某模板非常相似，则判 断二者相匹配，如果结果盥示采样特征与模板的相似度不够，则判断 为不相似。 ，3 结合掌纹特征的二维条形码身份识别技术 上个世纪九十年代以来，随着计算机和信惠技术的飞逮发展，我们 整个社会的管理嗣趋奄子佬，自动佬。在这样一令庞大豹社会掰络体 系中，系绫安全十分重要，两准确地鉴别令人巍份是实现安全的必要 前提，于是人们对身份识别的可靠性和准确性提出越来越离的要求。 身份识别方法主要基于( 1 ) 持有物，例如各种证件；( 2 ) 所了解 的信息，例如口令或密码；( 3 ) 生理或行为特征，如指纹，掌纹，声 音，签名等。 北京交通大学硕士学位论文 第一种方法是最早的，成本比较低的方法，容易假冒。 第三种方法就是最近十年来受到广泛重视和研究的生物特征识别 ( b i 啪e t r i c s ) 技术，它是基于个人独特的生理或者行为特征进行自动 身份鉴别的一种安全解决方案。生物特征既不像密码那样容易被遗忘 和破解，也不像持有物那样容易被窃取或转移，因此，生物特征识别 被认为是当今高度互联的信息化社会的最高级别的安全密匙系统。近 年来生物特征识别技术正以其独特的优势吸引了国际学术界，企业界 政界以及国防军事部门的高度重视，相继投入大量的资金和人力加快 此项技术的研究与应用。掌纹识别和鉴别作为新兴生物特征识别技术， 经过几年的研究已经达到了商用的要求。 掌纹鉴别的适用范围广泛， 从特定领域来说，可以广泛应用在银行、法院、刑侦、监狱等需要保 密性要求比较高的部门。从大众领域来说住宅小区和生产车间是重要 的应用场合。 我们知道二维条码技术作为一种流通手段具有识别速度快、误码 率低、设备便宜、应用成本低廉和技术成熟等优点，条码技术作为物 流跟踪过程中的一项关键技术，正在被越来越多的人了解与重视。 二维条码技术作为一种成本最低的自动识别技术，现已广泛应用 于信息安全、现代物流、现代制造、电子商务、电子政务等领域。具 体如驾驶证、工作证、通行证等各类安全性要求高的卡式证件；护照、 签证、毕业证等各类纸质证件：税单、报关单、保险单等各类物流信息 流同步要求高的表单；邮件、货物标签等邮政、生产线、仓储、货物 配送等领域。 无疑二维条码作为证件持有物能够做到我们前面提到的要求，安 全、成本低、识读准确高效。如果我们将第一种方法和第三种方法相 结合，无疑是上了双保险，能起到倍加器的作用。由单纯的一种方式 1 4 换成两秘方式的结合，复杂程度也随之增加了，识别的时候会使用更 多的时间。这就要就对证件的识别要速度快和准确率高。证件还要便 于携带，制作成本低。安全。 从二维条码和掌纹识别的应用可以看出，两者有互补之处，比如 在一照安全性要求比较高的场合，二维条码与掌纹结合应孺，将起到 相得蕊彰静效栗。将掌纹信息编入二维条形玛，二维便手携带，成本 低廉。与掌纹特征的唯一性相结合，将是一个灵活且可靠的身份验谜 方案。 作为一个可靠的系统，除了要求本身算法的可靠性外还要求识别 设备小型化、便携化以及w 升级住所以摆脱p c 的束缚，在嵌入式系统 上实现二维条形码的译码和掌纹签羽更加具有实际应用价值，也势必 会将攀纹鉴别推囱更广阔的斑用领域然，愿在警蘸还没有嵌入戏结含 掌纹的二维条码身份鉴别系统闻世。 n i o s 是a l t e r a 公司推出的一款采用流水线技术单指令流的3 2 位r i s c 软核处理器嘲，并针对a l t e r a 公司的可编程逻辑器件和片上可 编程系统的思想做了相应优化。a 1 t e r a 公司提供豹s o p cb u i l d e r 不仅 可以剖建和配饕用户的ni o s 还商以添加自定义用户指令这使得n i o s 可 以很容易的与用户逻辑结会构成功能更加强大的s o c 系统。本文提出 了基予n i o s 软核处理器的结合掌纹特征的二维条码身份鉴别系统设 计方案并最终实现了该系统。该系统作如下描述： p d f 4 1 7 二维码将证件持有人的姓名，证件号，瓶型，掌纹等重要 信息进行编码，并可通过多种加密方式对数据进行加密，在验证现场 再采集掌纹，与条码保存的掌纹比对，可有效解决诞件的自动录入和 防伪| 、藤题。以下匿的铡子说臻具体妁应用见图l 一5 。 制作具有生物特征的二维条码身份识别验诞技术的肪伪证件： 北京交通大学硕士学位论文 系统对处理得到的掌纹、声纹特征信息进行编码，再对信息编码 进行加密、加入数字水印等防伪技术，然后将加密后的生物特征编码 信息生成符合国际标准的二维条形码，将此二维条形码同证件持有人 其他信息一起印刷到证件上。这样就完成了具有生物特征的二维条码 身份识别验证技术的防伪证件的制作。 检测系统的检测过程：当需要认证持证人身份是否真实时，系统 将先对证件上的二维条形码进行读码，通过图像识别技术解码读出存 储在二维条形码上的掌纹或声纹信息，并现场对持证人的掌纹、声纹 进行采样，通过系统的数字信号处理算法将现场采样得到的掌纹声纹 特征信息与从二维条码中读取出的掌纹声纹特征信息通过模式识别比 较算法进行比对，并显示认证结果。 1 4 研究的目的和意义 本论文的目的是开发设计一种结合掌纹特征的二维条码身份识别 的通用解决方案。本平台是以国际先进的二维条码作为信息的载体， 融合生物特征识别技术、数据采集技术、加( 解) 密技术、图像压缩 技术、自动识别技术以及数据库技术和网络技术等为一体的二维条码 应用系统平台。可广泛地应用于工业、公安、国防、致庶、金融、税 务、教育等颁域。市场前景广阔。 本项目符合国家十五期间重点支持的信息安全类项目发展条件， 糯于国家重点支持范围研。 刚刚发布的重点领域及其优先主趣国家中长期科学和技术发展规 划纲要( 2 0 0 6 2 0 2 0 年) 确定了的“亟待科技提供支撵”麴塞点领域 傣患产业及现代服务业。指出有七个优先生题，其中之一是传感器网 络及智能信息处理：煎点开发多种新型传感器及先进条码自动识别、 射频标签、基于多种传感信息的智能化信息处理技术，发展低成本的 传感器网络和实时信息处理系统，提供更方便、功能更强丈的信息服 务平食和环境。信惠领域应研究的前沿技术之是：智能惑知技术： 霪煮研究薹于生物特征、以叁然语言和动态图像的理解失基础的“戳 人为中心”的智能信息处理积控利技术，中文傣息处理；研究生物特 征识别、智能交通等棚关镁域的系统技术。 = 维信用条码2 0 0 4 年被信息产业部列入国家信息产业科技成果第 一批煮点推介项目。 1 5 论文的工作内容和组织结构 本文讨论了可重用设计方法在s o p c 系统设计中的应用。 可重用设计方法在嵌入式系统设计也应发挥巨大的作厢，尤其燕 基于s o 咒豹嵌入式系统设计，它以可编程逻辑嚣l 牛必物理平台，以i p 核复用和设计干筝为系统设计核心，完全与可重用设计方法的本质相吻 合。将可筮用设计方法应用于基于s o p c 的嵌入式系统设计最适食设计 人员进行原型系统的开发，更加有利于将科研机构的专用算法以最快 的速度转化为知识产权即i p 核，得以推广应用并加以保护。 北京交通大学硕士学位论文 二维条形码技术作为信息安全和现代物流跟踪过程中的一项关键 技术具有识别速度快、误码率低、设备便宜、应用成本低廉和技术成 熟等优点正在被越来越多的人重视。掌纹识别和鉴别作为新兴生物特 征识别技术，被认为是当今高度互联的信息化社会的最高级别的安全 密匙系统，正以其独特的优势吸引了国际学术界。 二维条码作为安全便携高效的信息载体和具有唯一性的掌纹特征 相结合作为一个灵活可靠的身份验证方案应用于安全性要求比较高的 场合，二者可以起到相得益彰的效果。在科研创新不断发展的今天， 二者结合也具有集成创新的意义。 论文的主要创新点和特色性工作主要有以下几个部分： l 、基于n i o s i l 嵌入式软核和二维条码识读技术和在可重用设计方 法的指导下，将掌纹特征提取与二维条码识读融合在一个s o p c 系统内 实现。 2 、在系统级设计上，发挥s o p c 系统的优势，设计了适合于n i o s i i 嵌入式软核处理器的二维条码图像预处理算法，有效的化解了锯齿效 应。 3 、从功能验证的角度，实现了二维条码与生物特征识别相结合有 广泛应用前景的专用二维条码识读系统。 针对上面叙述的工作内容，论文的结构分为以下几个章节： 第一章综述：介绍二维条码及生物特征识别的发展现状，结合生 物特征的二维条形码编译码系统嵌入式实现意义以及论文的内容和结 构。 第二章可重用设计方法介绍：介绍可重用设计理念的概念和发展 现状，实现方式和嵌入式系统软硬件协同设计方法。 第三章基于n i o s i i 软核的嵌入式系统构架：重点比较各种嵌入式 处理器和嵌入式操作系统，并给出选型原则。阐述了系统需求分析， 系统架构和软、硬件划分。 第四章各个模块的具体实现：详细介绍图像采集模块和h 、d 显 示模块的具体实现。 第五章预处理算法的研究：针对采集到的图像存在的边缘锯齿现 象提出了解决办法。 第六章总结和展望：总结可重用设计方法对设计基于f p g a 的嵌 入式系统意义和基于f p g a 的嵌入式系统优势和特点。同时指出工作 不足，展望后续工作。 北京交通大学硕士学位论文 第二章可重用和可重构设计技术 当今的电子设计自动化工具和半导体制造工艺已经允许人类设计 并制造出包含几亿个晶体管的超大规模集成电路，从而使得以往由许 多芯片组成的电子系统集成在一个单片硅片成为可能，构成所谓的片 上系统。与普通的集成电路相比，系统芯片不再是一种功能单一的单 元电路，而是将信号采集、处理和输入输出等完整的系统功能集成在 一起，成为一个专用功能的电子系统芯片嘲。因此，当今电子系统设计 已不再是利用各种通用集成电路实现板上系统级的设计和调试，而是 转向以专用集成电路或大规模现场可编程门阵列为物理载体的系统芯 片设计，前者称为s o c ，后者称为可编程片上系统s o p c 嘲。 随着芯片制造工艺的变化，芯片的设计方法也发生了巨大的改变。 现在复杂芯片设计中最常用的方法是采用可重用设计，就是使用以前 设计完成且已经过验证的i p 核进行系统构建9 1 。从结构分类i p 核包括： 硬核，固核和软核。硬核是一种以g d s i i ( g r a p h i cd e s i g ns y s t e mi i ， 第二代版图设计系统) 文件形式进行集成的核。由于一个全版图是有 效的，它是已经经过全部设计、布局、布线的核，作为预设计版图出 现所以硬i p 模块大小、性能和功耗都可以精确地测定。 软核是一种以可综合的r t l ( r e g i s t e rt r 蛐s f e r k v e l ，寄存器传输 级) 代码交付的核；固核介于硬核与软核之间，可以以r t l 或网表的 形式提交，或者是带有部分布局信息和物理设计信息的r t l 代码咖。 s o p c 技术最早是由美国a j t e r a 公司于2 0 0 0 年提出的，是现代计 算机辅助设计技术、电子设计自动化e d a 技术和大规模集成电路技术 高度发展的产物。s o p c 技术的目标是将尽可能大而完整的电子系统在 一块f p g a 中实现，使得所设计的电路在规模、可靠性、体积、功能、 2 0 可重用和可重构设计技术 性能指标、上市周期、开发成本、产品维护及其硬件舞级等多方面实 现最优化。s o p c 的设计以i p 为基础，以硬件描述语言为主要设计手段， 借助以计算机为平台的e d a 工具，自动化、智能化地自顶向下地进行。 s o p c 技术是s o c 理念在f p g a 上的实现。 可重用设计方法已经成为设计系统芯片的必选方法，戮为只有使 用它才能在设计过程中发挥蹩离戆效率。 2 1 可重用设计方法和可重构技术 可重用设计方法悬基予知识产权核的，适用于设计可堑用核或者 集成可重用核的设计。知识产权核是经过预先设计、预先验证，符合 产业界普遍认同的设计规范和设计标准，具有相对独立功能的电路模 块或子系统。可重用于s o c ，s o p c 或复杂的a s i c 设计中【】。 可重用设计方法中最关键的技术就是p 核的设计与验证。可重用 设计在大大提高电子系统设计效率的同时，也提出了对狰核设计中代 鹦、接口、验证、配曼等方藏的璺高娶求 2 1 。 霹重用设计意义和f p g a 霹重构 霹重用设计意义 可重用设计方法已经成为s o c 设计团队必须采用的一种设计方 法，也正在被世界上越来越多的可重用i p 开发团队和s o c 集成设计者 使用。因此可重用设计方法的最大意义在予使整个芯片设计行业划分 两类：i p 核集成藏使用者和专业的i p 核设计或开发者。 虽然a s 王c 的成本缀低，僵设计周裳长、投入费用赢、风险较大， 1 珂可编程逻辑器l 牛( p r o g r a m m a b i el o g l c a ld e v l c e ) 设计灵活、功能 强大，尤其是高密度现场可编程逻辑器件( f i e i dp r o g r a m m a b i eg a t e a r r a y ) 其设计性能已宪全能够与a s i c 媲美，而且由于f p g a 的逐步普 北京交通大学硕士学位论文 及，其性能价格比已足以与a s i c 抗衡。因此，f p g a 在嵌入式系统设 计领域己占据着越来越重要的地位。 采用f p g a 器件正是回避了a s i c 和a s s p 这两者不可更改性的主要 缺陷，并针对工程设计的可重构性和i p 资源的可重用性而使得系统设 计师选择f p g a 达到降低系统研发成本和增加产品的生存寿命的目的。 当在提高和验证原型产品之后，表明设计稳定、性能可靠并有大批量 的需求，可将f p g a 的设计移植到a s i c 芯片上来大大减少投资风险。 借助f p g a 硬件结构的可重构性与i p 资源复用技术，使得基于 f p g a 和i p 软核的嵌入式系统设计达到了以下目标： ( 1 ) 加快产品的上市时间。 ( 2 ) 建立有竞争性的优势。维持一个基于通用硬件平台的产品竞 争优势是非常困难的，但依赖i p 的灵活配置和专用算法的i p 核，从 而在竞争中占有优势。 ( 3 ) 延长了产品生存时间。基于f p g a 和i p 软核的独特优势就是 它的软硬件可升级性。即使产品已交付用户，通过网络可实现远端 产品升级，可以不断有新特性添加到硬件中。 f p g a 可重构技术 f p g a 本身的可编程特性，决定了f p g a 系统设计的可重构和可配置 的灵活应用。实际上这是f p g a 技术的在系统设计中的最基本应用 电路的可重构性。系统设计中的硬件结构可变性称为可定制性；系统 设计完成后，即使己成产品后仍能随开发者甚至用户的要求随时进行 硬件结构的重构，这称为可重配置性。 f p g a 是由大量逻辑宏单元构成的，通过配置可以使这些逻辑宏单 元形成不同的硬件结构，从而构成不同的电子系统，完成不同的功能。 正是f p g a 的这种硬件重构的灵活性，使得设计者能在f p g a 设计中依 可重用和可重构设计技术 赖越来越规范的i p 核资源。 2 1 2i p 资源复用理念 由于芯片设计的复杂性和产品面市时间对于保证终端市场的成功 率至关重要，设计师不断寻求缩短设计周期的方法，以及更有效的设 计方式。随着我们步入系统级芯片时代，利用i p 内核和可编程逻辑进 行设计复用显得日趋重要。 i p 资源复用( i pr e u s e ) 是指在集成电路设计过程中，通过继承、 共享或购买所需的i p 核，然后再利用e d a 工具进行设计、综合和验证， 从而加速流片设计过程，降低开发风险。i pr e u s e 已逐渐成为现代集 成电路设计的重要手段，在日新月异的各种