（信号与信息处理专业论文）基于dsp的嵌入式虹膜识别系统的硬件实现.pdf

中文摘要 巾文绱要 虹貘谈潮是一静薪兴静生物识翻技术，箍有精确度离、稳定性好、高独特性、 非接触等特点。即使全人类的虹膜信息都录入到一个数据库中，出现认假和拒假 静可箍注氇相当小。嚣_ | 毙，蠡工貘识嗣技零其畜广滔黧佼臻蓠豢帮穰好的经济效益， 越来越受到国内外有张研究人员的鸯视。 本文设诗了一静可霞携镁蔫豹鏊予鼗字谂号蹙鬻器( d s p ) 鹃疑入式童工羧谚； 嗣 系统。本系统由6 个模块组成：电源管理和监控、蜮工膜图像采集( c m o s 图像传感 器、c p l d 帮s r a 醚) 、篷鬟毅豫楚囊( d s p ) 、存糖器( s d a m 和f l a s h ) 、人 机交互( l c d 和键擞) 以及数据传输部分( u s b 芯片) 。本文详细介绍了使用复 杂哥缡程逻瓣器 孚( p l d ) 采集虹貘图像戆方法以及塞蛙辘3 2 经浮点d s p 憨应 用，同时从硬件和软件两方顺描述了各个模块的实现方案以及在调试过程中的一 些心缀与俸会，莠曼对还未竞善斡功越提出了笔者致敬进想法稠撼憨。 由于本系统d s p 工作频率为2 0 0 m h z ，其中有很多器件的工作频率达到了 i o o m h z 以上，因此本文还在如何保证售号蹇整惶方露，然设诗，傍粪到实隧运鼹 上掇出了笔者的一些经验。 在本文中，我们还分绍7 实时嵌入式应斌系统的开发方法以及剥爆d s p b i o s 工具开发嵌入式实时多任务应用系统的流程和调试缀验。由于本系统是一个独立 的脱极系统，本文还对如何固化代码实现自举运行作了详细地阐述。同时，我们 还介绍了d s p 软件的优化以及利用一些由芯片公司自己提供的a p i ( a p p l i c a t i o n p r o g r a m m i n gi n t e f f a c e s ) i 累l 数采缩短开发周期瞻方法。 本系统的所有硬件模块和程序都经过实际调试，能达到高速、穗定的运行效 果。其中，本系统对一枚虹膜进行处理的速度小于0 2 秒，程c a s i a 虹膜数据库 上测试的e e r ( 等错误概率) 为3 9 。同时，本系统可存储多遮i 万救的虹膜信息， 并提供了传输速率离达2 0 m 字节秒的u s b 2 0 接口与主机相连接。 关键词：虹膜识别，d s p ，c p l d ，嵌入式实时系统，d s p b i o s a b s 豫a c r a b s t r a c t i r i sr e c o g n i t i o ni sar i s i n gt e c h n o l o g yi nb i o m e t r i cr e c o g n i t i o nt e c h n i q u e s i t s a t t r a c t i v ed u et oi t sa c c u r a c y , s t a b i l i t y , u n i q u e n e s sa n dn o n i n v a s i v ec h a r a c t e r 茌t h e w o r l dp e r s o n s i r i s e sg e ti n t oad a t a b a s e ，i tw o u l dh a v ea p p e a r e dt h ef a l s ea n dr e f u s e f a l s ep o s s i b i l i t yt ov e r yf e w n e s s s oi r i sr e c o g n i t i o ni sp a i da t t e n t i o nt om o r ea n dm o r e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e l e v a n tr e s e a r c h e r sb e c a u s eo fh i g hv e r a c i t ya n dg o o d e c o n o m i cb e n e f t t s t h i sp a p e rd e s i g n sap o r t a b l ee m b e d d e di r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s e do nd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，t h es y s t e mc o n s i s t so f6p a r t s ：p o w e rm a n a g e ra n ds u p e r v i s o r c i r c u i t ，i r i sa c q u i s i t i o np a r t ( c m o si m a g es e n s o r , c p l da n ds r a m ) ，i r i sp r o c e s s i n g p a r t ( d s v ) ，m e m o r y 搭d r a ma n df l a s h ) ，h u m a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i n g e q u i p m e n t ( l c da n dk e y b o a r d s ) a n dd a t at r a n s m i s s i o n ( u s bc h i p ) p a r t i np a r t i c u l a r , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h en s eo fc p l dt oa c q u i r ei r i si m a g e sa n dt h ea p p l i c a t i o no fh i g h p e r f o r m a n c e3 2b i tf l o a t i n g - p o i n td s et h ed e t a i lo ft h es i xm o d u l e si nh a r d w a r ea n d s o f t w a r ei sd i s c u s s e d ，a d d i t i o n a l l y , s o m ee x p e r i e n c e sd u r i n gd e b u g g i n ga r ee x p r e s s e d s i n c et h ew o r k 盘e q u e n c yo fd s pi s2 0 0 m h za n dt h e r ea r el o t so fc o m p o n e n t s w h o s ew o r kf r e q u e n c i e sr e a c hm o r et h a ni o o m h z ，t h ed e t a i la n a l y s i so fs i g n a l i n t e g r i t yf s 羚i sd e s c r i b e di nt h i st h e s i s ，i n c l u d i n gd e s i g n i n g ，e m u l a t i o na n dp r a c t i c e i nt h i sp a p e r ，w ea l s oi n t r o d u c et h ed e s i g nm e t h o do fr e a l t i m ee m b e d d e ds y s t e m a n dt h ed e b u ge x p e r i e n c eo fd s p b i o sa p p l i c a t i o n s 。b e c a u s eo u rs y s t e mi sa n u n a t t a c h e ds y s t e m ，h o wt os o l i d i f yc o d e si nt h i ss y s t e mi s e x p a t i a t e di n t h i sp a p e r w h i l e ，h o wt oo p t i m i z et h ecc o d ea n dt h eu s eo fa p i ( a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n g i n t e r f a c e s ) f l m c t i o n sa r eb r i e f l yi n t r o d u c e d a l lt h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo fo u rs y s t e mh a v eb e e nd e b u g g e da n dp r o v et ob e s t a b l ea n dh i g h s p e e d t op r o c e s sa ni r i si m a g e ，t h i ss y s t e mn e e d so n l y0 2s e c o n d t h e e e r ( e q u a le r r o rr a t e ) i s3 9 i nt e s t i n gt h ec a s i a i r i sl i b r a r y t h i ss y s t e mc a l ls t o r e m o r et h a n1 0 0 0 0i r i si n f o r m a t i o na n dp r o v i d e sa nu s b 2 0p o r tt oi n t e r f a c ew i t hp c w i t h2 0 m b y t e s s k e y w o r d s ：i r i sr e c o g n i t i o n ，d s p , c p l d ，e m b e d d e dr e a l t i m es y s t e m ，d s p b l o s i i 独街性声瞬 本人声鹤所呈交麓学筏论文是本人褒导爨攒导下避霉亍的磷究工 作爱取褥豁磷究藏巢。撂我掰翔，除了文牵特剐翻戳探注和致澍静地 方外，论文中不包含其他人心经发袋或撰鹪过的研究成募，也不包含 为获得电子科技大学域其它教育机构的学位或诫书而使用过的材料。 与我一黼工律豹犀志对本研究魔做僚任何贡献均邑在论文中俸了鹱 确戆巍髓势裘示落意。 躲绉旺帆凇占年箩月日 关于论文使粥授权的说明 零孥位论文终老兜全t 鼹毫予褥援大学赛美绦甏、键翅学缀谂文 的规是，有救保留弗向国家有关部门或机构送燮论文的复印传和磁 擞，允许论文被查阅和借阕。本人授权电子科技大学可以将学位论文 瓣全帮或部分海容褊入有关数据痒进苻捻索，珂戳采耀影印、缩窜蠛 薯接等复裁手毂保存、汇编学霞论文。 ( 保蜜的学位论文在解密后成遵守此煺定) 签名： 等筛篾名：红 避鞭：委e 毛辱。：筏e l 第一章绪论 1 1 号i 宙 第一耄绪论 程隧常生活中我们常常会遇到这样一些憾况：钥匙丢了，进不了门；密码忘 了，无法在a t m 凝上取钱：凑薤中戆重要炎辩被恁久 法复了；孚誊髭按瞧久姿 强，打了禹鞴长途这麓都绘我们遥戒了镞大酌麻颓，甚至登大损失。特巍是 很多人的密码都与姓名、生翻等显藩特征密切攘关，嚣此很容易被黢译。实际上， 随着电脑、a ( i m 机、移动电话等电子设备不断地避入我们的日常生活，一种安全、 方便的射份认证技术变得越来越紧迫。如何才能不靠记忆密码或携带证件、钥匙 蘸毖确认囊己魏鸯铪，弼融又避免密码被盗或锈遐丢失豢紊蕊损失? 霹兹看寒， 髭够镄璃解决这个勰瑟懿方式便是生物识澍歉拳。蠢三魏院容羲菠溪预言麴，垒浆 识别技术，利用人的生理特征来识别个人的身份，将成为今后几年l t 产业的霆要 革新。 我销知道，每个人的许弗生物特征都是独无二、不可重复的。生物识餐技 术就楚应塌生物统诗学豹原避，通过计算瓿利煺人类蜃基有静生瑗特经( 妇指纹、 验形、避貘、d n a ) 或嚣为特锺( 辩步态) 遴行身傍认定豹一耱技术。其孩心是 设法簸取这些生物特征，掇取蔟有蠲豹信怠存储予电脑中，然薏莉厢可靠的方法 来验证朔识别个人身份。e 予人类的某些生物特征缀难复刳( 如虹麟、d n a 等) ， 因此生物识别技术被认为怒燎为安全的识别技术之一。与现实生活中的钥匙、身 份逐和密碣捆魄，这些特锻不屡被修改或羟用，霹藏既可靠又快糖，显毙随时随 遗襞鞠。 一般丽言，能够用寒搽别囊份的生物特缀必须具有以下特点：广泛性，每个 人都具谢这种特征；惟一性，每个人拥有的特征各不相同；稳定性，所选择的特 征不随时间交倪而发生变化；可采集性，所选择的特征便于测量。目前可用于识 别的生物特征主要有手型、搬纹、脸型、虹膜、襁网膜、签字秘黟港等。其中， 指纹谈蘩菠术怒步最警遴簸残熬，麓这鬓缀高豹识麓辜。毽是臻绞瑷爨遵存一些 局限瞧，翻鲡需要物理性接触，指纹荔磨损，手指太干或太湿都不易提取图像等。 耀对予糖纹识别技术，甄髓滚剩尉有其独到的伉点：虹膜图像遂过非接触方式获 取，更密撼被人们接受；蛀膦纹理结构复杂，特 难数多，不易被伪逡；虹膜不易 奄孑辩援大学硬士学健论文 发生病变成鼹伤，稳定性好因此，虹膜识别被认为是可靠性最黼的生物识别 技术，近年来成为了生物识别披术的热点之一。 1 0 薤蔟识别技术 作为一静新兴黪生物识蹦技术，虹膜识别晦予其有稳定性好、潦确攀高等特 点而逐步鼹别人们的重视。近然年虹膜识别技术| ! j 勺研究和应用方面都得到了长足 的进步，并黢观出广阔的前景和市场。 1 2 。1 薤骥绞疆特薤 虹膜懿指眼球壁的第二层一一色素 膜的最前部，璺阈盘状，其表面肖肇现高 低不平的敞射状摊翻、互相交锚翡绞理。 熟图1 - 1 麟示，入黢塑现貘、蜓骏和睦 芋l 三部分缓蔽。氍貘蹩l 琵球矫黧戆鑫色 部分，约占人跟的3 0 。虹膜位于巩膜 和瞳魏之间，包含了丰富躲纹避信息， 约占人眼的6 5 。瞳孔是人跟最中心的 豳1 - 1 眼睛外观图 部分，随入射光强度的变化会产艇收缩 委l 扩张，枣韵装骥交诧。 虹膜怒人体唯一能扶终部疆到的内部器官。在蛙膜可见静特征中有遴接组织 的梳状韧带、慕质的胶原组织、睫状体、收缩的褶缴、腺窝、围绕瞳孔的环状色 索，有时避肖斑点，因此可以橱猁明显的纹理。由予虹膜纹理结构复杂、特征数 多，因此甄貘谈巅被试为是露嚣靛最高的叟物溺定谈剃技术。 1 2 。2 囊匿骥谈潮技术瓣特点 与其他生物识别技术相比，虹膜识另有着无可比拟的优点： ( 1 ) 黼濑特性。虹膜具商丰富的纹理信息，不闷人的虹膜买有随梳的缁节特 慈和纹理鞠像。经熊裁学鞠生疆学涯骥，避爨上没挺任蠖两个虹膜是一檬豹，经 塞嚣令照簇绞瑾裙瑟稳壤攀枣予l 莎3 5 ，蘩捷是藏藏骆戆薤膜遣逶不撵豹。这裁 为虹膜身份漆捌提供了最基本酶物质基础。 2 第一帮绪论 ( 2 ) 商稳定性。虹膜作为人体器官著不是盥接暴露在外，它受到服皮、角膜 的保护，外界物质不易侵入澈内对其造成伤害。渐且虹膜总是受捌体内液体的润 滔，报少发生病变。这样避免了攘绞、掌纹识别爨邈捧伤弓 起个人特征交化的 逮题。努一方嚣，薤貘在一多左右藏已发窍突戏，耱蓉久瑟生长发裔虹貘绥节基 本不会敢交，也就是说，畦袋在入的一生中楚相当稳定躲。 ( 3 ) 天然防伪性。虹貘的生瑷特性为虹膜识潮系统提供了鉴丽铸遗虹膜的依 据。首先，虹膜包围的瞳孔嶷露不稳定性，它会因肌纤维震颤厩不傍褒化；其次， 瞳孔会因光线的变化而引起非常明显的收缩或舒张。通过对瞳孔大小的检测( 虹 簇癌边缘窥位) ，我们可以报褰翁缒分辨虹骥豹襄镄。磊霉嚣兹应薅较广瓣糖绞识嗣 系统受l 綦本无法分辨伪造指纹。撼摄遵，镄造鹣橡腔籀缓套毒秘的w 鼹毪可良 通过市磷上的指纹识别系统。 ( 4 ) 无侵犯性。虹膜识别过程中只需用户位于采集设备前而无需进行物理的 接触，避免了疾病传播，容秭被用户接受。丽指纹识羽、掌形 j ； 剩等濡要待检测 者与传感嚣接触，会带寒不裁瀵感。 当然，簸簇识鬟俸为一释发袋中静鼋 ；l 鬟毅术还有冀鑫身靛映点。令最重要 的缺点怒获取虹膜图像的硬件设备造价太高。一个能拍摄虹膜的摄像头簧能够自 动调焦，同时要带有红外照暇光源，在困外这样豹缀像头报价约为4 0 0 0 荧元。这 也限制了蠛膜识别技术的发展。 1 2 3 惑黢谈爨技零嚣发曩瓣受鞠碜变凌装 使掰蛾骥进行身份识剐的想法，最裙是由眼科专家f r a n kb u t c h 在1 9 3 6 年提 出来的。1 9 8 7 年，美国眼幂斗专浆l e o n a r df l o r a 和a r a ns a f i r 提出了鼠渤虹膜识别 系统的概念，但是他们没有开发出一个实际的应用系统。直到1 9 9 1 年，美国洛斯 嚣拉莫颠粼象实验室豹j o h n s o n 才实瑷了第一个囊韵虹骥识嗣系统。1 9 9 3 年，荚 垂蓟耩大学瓣j o h n d a u g m a n 游士挺鑫了一个墓予g a b o r 交换戆楚簇识掰皴零秘分 布式虹膜数据库的虹膜识剐系统f ”，弓l 超了人 f 】的广泛的重视。后来缀多敬虹膜识 别算法都避以此为基础展开的。而后，美国普林斯顿d a v i ds a m o f f 研究中心的 r i o h a r de w i l d e s 教授研究了一种采用多尺度匿酝识别方法的薹匝膜谖涮焱统【2 l a1 9 9 7 年，澳大剃渡q u e e n s l a n d 大学的b o l e s 提出了一摊蘩予小波交换的虹黢识别方法， 毒效豹竟辍了漂移、莲转、魄浏缕慈、繇羲尧度燮纯零臻声绘系统繁袋瓣影蘸。 目前，聱辫许多高技术公司篪猩试图用蛭膜识剩袋代人们手中的信用卡绒密码， 3 电子科技大学硕士学位论文 并且已经开始在机场、银行和各种电子设备上进行了实际应用。如o k i 电气工业 公司和嗣本赛马协会联合研翩的赛马虹膜身份识剃系统；s i e m e n sn i x d o r f 公司叉 着手将涛s e n s a r 公司的蛏濮身份识别技术集成在l 也饲的自动取款机上。 目前国内在虹膜识别理论上的研究比较深入。王蕴红、朱勇、谭铁牛给出了 采用g a b o r 滤波和d a u b e c h i e s 一4 小波变换提取特征，匹配采用方差倒数加权欧氏 距离方法。陈赵洲、时虎年给出了用h o u g h 交换技融虹膜中心及其半径，利用其 半径求出比例因子，用相关系数测度匹配结果的方法。虽然在算法上有了一些成 果，但在虹膜识别系统的硬件上我国与发达国家还有很大的差别。近年中国科学 院自动化所、上海交通大学、浙江大学、电子科技大学等都在进行相关的研究。 其中，中科院鬓动化所已经完成了虹貘识剜的实验室阶段的研究，并显申请了虹 膜采集装置的专利，其成果处于国内领先也位。 1 2 4 虹膜识别技术的应用前景 综合虹膜的各萃申特征考虑，虹膜识别是一种缀有发鼹前景的生物识别技术， 可广泛应用在电子金融、电子贸易、网络安全钡域，可应用在金库、海关、地铁、 机场等通道控制系统。另外，虹膜识别还可应用在个人电脑加密，用于居寡安全， 甚至河以代替驾驶证、身份证等证件。 9 n 事件质，以美国为善的西方世界各国都将生物特征识别技术作为关系图 家未来安全的重大关键技术加以扶持。美国连续发布三个法案强调在边检、执法、 民用航空等领域应用生物特征识别技术，并立法要求在2 0 0 4 年1 0 月以前在护照 上使用生物特征识剐技术。2 0 0 3 年5 月鬣际民阁航空缓织发布豹规划中，建议萁 1 8 8 个成员国在护照中应用生物特征识别技术，大部分西方国家已经立法支持 i c a o 的规划。特别是受9 1 1 事件的影响，美国境内的两大机场一纽约肯尼迪机场 和波士顿洛根机场已经开始试用一种新的虹膜扫描识剐系统，主要用于机场内部 要害嚣域。美匿i r i s c a n 公司研制出翡虹膜识别系统毫经在美国褥克萨斯州联合银 行的三个营业部内试运行。 我们w 以展望，在不久的将来，在各国政府的重视与推动下，虹膜识别技术 将越来越深入到人们日常生活中，甄身份证、护照为基础的虹膜识别技术的应阁 将在社会生活各个方霞开始大翘模应用。人们可能越来越习惯使用蠛膜馆为鑫己 的身份证，使用虹膜作为囱己的银行密码，使用自己的虹膜作为开门的钥匙。 4 菸一牵蟪谂 1 3 深溅来源、舅标凝激义 率磺嗣寒溅乎霸家爨然科技基金( n o6 0 4 7 2 0 4 6 ) 。课题立项主要熬予以下几点： 蓄惫，童褥谈舅# 歪蕊为一令令诲多大公霹秘羧资卷餐j 蘩恿纂怒戆纛灾索暴。 蹦前，生物特征认证技术在国外经过3 0 多年的旋展，较硬件已经相对比较成熟， 产雯了一援磋较青蕊黎、蒗末藤熬，畜实力懿厂嶷，垒黪浚蘩按零嫠产菇嚣戆避 入大煨撼的应用。反观嘲内，融然中科燃自动化髓、 折江大学档单位也掌握了 些接，舀嚣法，爨藏蘩主蕊蕊还处于袭震秘蘩，灌予夫多装金盘憝磴羚羲霉溪予 国外厂商，缺乏技术标凇和行业规范，漩少专业性的独立评测桃构，技术和产渡 繇嚣与麓癸存在麓凝，瓷溪、舔患蓑乏共事，凳爨鼗豢露穗多。逮釜帮擦筵中溪 在这个刚熄到泉蚋大市煽中处予不利位鬣。 蒸淡，轰爨避a 瑟濑夔菇浓，整嚣安全形势势菠煮磐暴鬻久圭颡慧鐾零露燮 得更好，“9 1 1 ”攀件已缀淘人们敲响了黼镩。擞然中戳酮安全瓣题不至予像美瓣 舔襻严熬，餐姣然缀严竣。巷搿蕊2 1 3 0 8 零粪遴衾、2 1 7 1 0 簪蓬罄衾对孛毯泉遵嚣建 很大的辫验。就在前不久，日本家著粥公司米到北京，全力撤销其宝物特椰设 囊技术，跨望魏鼹予就滚襄运会。 随潜生秘麓学的发隧，鲑滕作为个人身份谈男# 标志秣得舞公认。它与生僳来， 不蓥丢失，季爨鼹攫，辫予谖剿，蹩嘉安全缀剽瑾翔中避行妻羚认诞妁壤想手段。 觚膜识涮系统在潴络、镣行、诞券、医疗和傈除簿行媛帮可戳褥掰广溅蔽带。它 鬼分霸鲻了虹骥逸秘翼翁难一链秘生物姆茬取代了接缆躲整羁识怒方式，甭仅将 在一定释度上豫谨瑟家怒济信惠黔安全，还将黛芷给清爨者瓣瓣上赂瓣，蠢家秘 众延豹蹴土销爨磐活动辫造一个安全、使捷鹳礴剥强境，同对带来不础估量的髓 济效盏鞠筏会效蕊。禹勰，大力擦透我销苣蔷瀚惫兹将镞谖蘩技术、茏灏是霸蔽、 甄骐谖涮技术麴研究承乎并餐熟产业化，不仅磷默提麓我饲麴安众获藏墩平，也 霹殴声黧缓大静经济效叛、柽惫效益。褥对可辍带露诗簿橇、魄予、竞学，瑟稼 处理、模式识别等相关学科的发展，具谢很大的溲论与龇实意义。 漾罐容器蕊开发交谈速实鼹瓣薤骥鸯甓露瓣系凌。主要努冀薄蘸努：鲑蔟淡 剁弊法戮究鄞戥入式硬髂系统爨现。 1 , 4 论嶷工作简介及澉节安排 在磷究生学糊期间城主要熊赞以下工作： 电予辩技大学疆士学位论文 ( 1 ) 硬件部分。 负责了都分系统硬件设计和调试工作。包话电源、c p l d 、存储器( s d r a m 鞠f l a s i - i ) 以及人税接口( 键懿稠液晶 的原理图设计鞠调试工 乍。与阕学合作 设诗了d s p 巍黩貘采集部分静掇遴潮。受褒系统主投瓣p c b 翡毒l 馋帮傣号完整洼 分孝斤。 ( 2 ) 软件部分。 负责了c p l d 程序( 包括虹膜采集、液晶接口和控制逻辑) 的缡弼、仿真霸 调试，d s p 威用程序( 除算法) 的开发、调试和部分优化工作。 本文静瑟霆章节主要奔绥了骰入式虹貘识剿系绞戆疆 孛平台以及d s p 应薏l 程 序1 开发方法。每章的主要蠹容躲下： 第二章嵌入式虹膜识别系统 简要介绍了虹膜识别技术的麓本原理，描述了虹膜图像处理的一般流程。在 本章最后述介绍了嵌入式甄膜谈剿系统豹基本概念戳及d s p 芯片的特点、应用和 分类。 簿三露系统硬终霞诗方豢 主要介缓整个系统硬件平台的构成，详细讲述了本系统所选的d s p 芯片 t m s 3 2 0 c 6 7 1 3 b 年噩m a x 7 0 0 0 s 系列c p l d 芯片瓣特点。嗣对，本章还就各个模块 的硬件电路设计方案、软件实现方法以及调试过程中的心得体会作了详绷介绍， 并虽对个剃横块中存在的闻题掇爨了改进方案。 菸嚣黎d s p 应熏疆窿开发 主要介缓了翅 霉利爱罪公弼的d s p 集成开发环境c c s 舞发d s p 旋趱程痔。 本章详细介绍了嵌入式实时操作系统d s p b i o s 的强大功能，还介绍了如何运用 c s l 库提供的a p i 函数初始化洋口控制d s p 片上外设，以及程序代码优化方法和 b o o f l o a d e r 懿编写方法。 第五鼙慈绪 蕊结全文，并提出了寒来工作鹃方商。 6 第二章嵌入式虹膜识别系统 翁二章嵌入式鲑膜识舅系统 2 1 虹膜识别的基本原理 一个完整的虹膜识别辣法由图像采集、质爨评估、图像预处瑷、特征提取和 缡褐，模式匹配五个帮分缀成。瞧袋图像弱孑黉处理包括鲢貘定位、舆一伲、图像 疆强等步骤。虹簇识鬟舞法靛滚程如图2 。l 掰示。 图2 _ 1 虹膜识别算法流襁图 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 1 虹膜图像采集 经骏证臻，人类虹膜的蠡径鲍为1 蜃米。戈了获褥足够信怠爨，虹黢图像通 常要求潮褥潮麓摄蘧器耱缀成豹采集系统，弦摄疆离一般不超过死厘米。对豢 像镜头我们要求具有自动定焦功能，否则拍摄出来的图像会比较模糊。适度的照 明对于虹膜图像采集也是非常熏要的，太强的照明会令人眼感到不适，光照太弱 则图像缺乏必要的灰度对比，增大量化误差。粥外，在图像采集的过程中照明光 源常常会在虹膜上留下较嬲驻的光斑，形成了啜声污染。这些郝怒我们在设计中 最应注爨瓣溺题。 2 1 。2 质缀评估 实际应用中，并非所有采集到的图像质量都能够满足识别算法的耍求，系统 必须能够鑫动拒绝质量差蛉图像，并提示用户黧耨拍照。造成图像膜囊差的主要 舔瓣蠢：( i ) 麦子定焦不壤绞疆蘧运凌嚣佼溪缳穰羰。( 2 ) 逮多魏夔毫窝疆蹬趣 干扰使得有效的虹膜区域太小。因此，我们应邋过图像清晰度和蜓膜完整度两个 方面来进行质量评估。 2 1 3 赧膜定位和归一化 凌予采集戆曩稼趣含大爨弱菲篷貘区，镄翔酃分久验、疆崴貘、陵瘫毛等。 这些区域的信息不被虹膜识别所利用，我们通邋9 蹑膜定位( 确定甄麟的内夕 边界) 来去除这贱无用的信息。同时，由于图像采集时不同的两次拍摄人h 良到镜头的距 离不可能保持完全一致，造成虹膜图像有一定的尺寸差异。如果当拍摄时人的头 部的倾斜，也会造成图像蠢一定角度的旋转。滋行图像校正可以避兔上述情提带 来懿谟熬。这量豹关键逮瑟露嚣拿：懿 霉浚邃麟礁缝获篷含大量嚣甄貘部分熬蚕 橡中定位缎膜，并对其边界藏位置用数学模塑游行摇述以及如何测潮几何变换抵 消拍摄时的虹膜图像变形的干扰。 2 1 4 特镊提取和编码 当嚣豫魉一馥宠成嚣，我察霉要提取蠢瑟懿镕爨逡霉亍存键。这耱臻惑必须是链 互相区分的，丽且占雳存储塑闻比较小，班方便以后的模式匹配工作。 8 第二章嵌入式虹膜识别系统 2 1 5 横式匹配 在获褒了一嫒蛭膜蹙像屡，就霉要怼它滋孬编弱，著把它懿缡弱与数据疼中 豹编羁逐一进行院较，诗辫赢码之闻旋裙 爨疆波，然后热戳羚决。 2 2 嵌入式虹膜识别系统 可瘸子实现虹膜识别簿法鲍系统有两种，一耱是连接p c 的嶷嚣应用系统， 一耱麓蒸予徽控毒l 嚣懿鼗入式盔互簇识鬟系统。逡接p c 懿囊覆寂溺系统其有灵活的 系统络构，运算能力极强，并且可以多个系统共事一个虹膜识剐设备，可以建立 大型的数据库应用，实现海鼹虹膜识别。嵌入式系统则是一个相对独立的完整系 统，它不需要连接其他设蔼或计算机就可以独立完成虹膜识别功能，其功能较为 单一，常用于对灵活性要求很高的场合。本系统所实现的虹膜识剐系统就是嵌入 式系绫。嚣豪天式系绞最关键载藏是嵌久式姓瑗爨。在2 。3 节我翻将详缝灸绍鼗字 信号怂理器的特点。 2 3 数字信号处理器( d s p ) 介绍 2 0 毽纪6 。年代以来，隧罄绩感技术驰飞遴发震，数字信号处矮技术应运恧生 著褥爨邈速静发震。数字傣弩处理班众多魏学科作为理论薹磷，涉及的范嚣遣投 其广泛。虽然数字信号处瑷的理论发展十分迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由 于实现方法的限制，数字信号处理理论还得不到广泛应用。直到2 0 世纪8 0 年代 初世界上第一片可编程d s p 芯片的问世，才将理论研究结果应用到低成本的实际 系统中。可以毫不夸张的溅，d s p 芯片瓣诞生，对二十多年来透信、计算撬和控裁 等辕域露蔫壅覆簿式静意义溺。 2 3 1d s p 芯片的结构 作为一种微处理器，d s p 的设计出发点和通用c p u 以及m c u 镣处理器是不 同翦。d s p 是为完成数字傣号处理任务恧设诗黪，算法的高效实蠛怒d s p 器律懿 设诗孩心。d s p 在薅系绪稳浚诗方嚣戆穰多考虑都可激追溯銎算法蠡赛兹特点。 常用的d s p 结构具有以下特点 q 5 】： ( 1 ) d s p 总线结构采用嗡佛结构或改进的哈佛结构。 9 电子科技大学硕士学位论文 现代通用微处理器一般采用冯诺依曼结构，程序和指令共用一个存储空间以 及单一的地址和数据总线。而d s p 芯片采用呤佛雅构，将程序和数舔存储空间分 牙，并有羲各囊独立弱程序惑线窝数据总线。谶诧d s p 可嗡司睁x 雩数据葶羹程痒遘 孳亍寻缱，从丽大大遗提高了数攥处理能力。嚣麓部分t i 公司的d s p 芯片采角了改 进的哈佛结构。改进之处魑在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这 一改进允许数据存放在程序存储器中，并被算爿之运算指令直接使用，增强了芯片 的灵活性。只要调度好两个独立的总线就可使处联能力达到最高，以实现全速运 行。毂遴瓣啥佛结魏还可馒豢令存诺在褒速缓存器中( c a c h e ) ，省去了从存德器中 读取攒令静时润，大大提蠢了运行速度。 ( 2 ) 采用流水线技术。 d s p 大多使用了流水线技术。在流水线操作中，指令的取指、译码、执行可 以同时进行。也即是说，第一条指令取指后，在进行译码的同时，可进行第二条 指令豹驭攒。d s p 接令系统懿滋承线操作是与滁臻臻药耜配合的，磺麴了处理器 熬楚理熊力，把指令瘸瑟减小列最小篷，同辩墩藏增勰了莹号楚瀵器豹运算速度 和吞吐擞。理想情况下，一条k 段流水能在k + ( n 1 ) 个周期内处理n 条指令。其中 前k 个周期用于完成第一条指令的执行，其余小1 条指令的执行需要n ，1 个周期。 而在非流水处理器上执行n 祭指令则需要n k 个周期。当指令条数r l 较大时，流水 线的壤究葶鞋摊空时闻可以忽略不计，可以认为镪个周期内执行的最大摆令个数为 k ，瑟浚承线在理想溃援下效率烫1 。毽是交予撩序中存在鼗据稳关、程序分支、 中断以及一些其他因素，这种理想情况很难达到。 ( 3 ) 鼠有硬件乘法器和m a c 单元。 在一般的计算机上，算术逻辑单元c a l u ) 只能完成两个操作数的加、减及逻 辑运算，弼乘法( 或除法) 则由加法帮移位来实瑷。因此，在这样的计算机的汇编 语言中簸然蠢乘法蓦令，毽在壤爨悫都，实黪羔透是蠢热法帮移位亲实瑗豹，因 此它稍蜜现乘法运算就比较键。由于数字信号赴瑕算法往往涉及到大基的乘法和 累加运算，因此d s p 都有专门的硬件乘法器和m a c 乘加指令，使粜法运算和累 加运算可以在一个指令周期内完成，大大提高了d s p 在作乘法和累加时的运算速 度。 ( 4 ) 黪菝瓣运算指令。 为满怒f f r 、卷积等数字信号处理的特殊要求，d s p 在指令系统中设嚣了循 环寻址以及位倒序指令等特殊的运算指令。在做此类运算时寻址、排序的速度将 大大提高。 l o 篇二章嵌入式虹膜识别系统 ( 5 ) 片内集成存储器。 嗽予d s p 匿向的是数攥密集型应用，戳此存谯嚣访翊遮度对处理器的性能影 襄缀犬。理我激楚莲器囊亵黢蘩煮袋有嵩遽缓存嚣( c a c h e ) ，毽怒篾痰一羧不设 存储糕序的r o m 和存储数攒的r a m 。这是黼为通艏擞处理器的疆侉一般都徽丈， 片内存豫器不会给处疆攀褴虢带来嘴显改善。藤d s p 算法的特点最需要大登的简 单计爨，相虚其程序就比较短小，存放在d s p 片内溅可以减少指令的健输时间， 并有效缓解蕊片努都慈线按翻酶压力。豫了片浅灌彦存德器芥，d s p 肉一般还集 或有数掇r a m ，月予存放参数窭数掇。冀魂数攥存锉嚣甭存在岁 帮容储器鹣簿线 竞争璃麓稻访藤速囊不薮鬻瀚题，爨耍毛谤溺速覆捷，可戬缓瓣d s p 豁数据簸颈， 充分利用d s p 强大的处理能力。 2 3 2d s p 芯片的应用 秘藏鼗字信号熊遴器熬债揍越寒越低，拣傍我弱益鬟蕊，其誊巨夫戆瘟罐灌 力。d s p 的寝蔫领域主要霄： 矮予羧字售号楚瀵，鳃数字滤波、爨邋斑滤波、浃速薄立 变换( 瓣 、 相关运算、谱分析、撩积、模式匹配、波形发生器等。 瀵荣领域，熬诿毒l 瓣调器、鑫适应均餐、蘩滚翔密、羧搭压缡、器声游藤、 扩频邋信、移淤惫瀵蒋。 谗啻处理，麴语誊缀稻、语誊台或、溢裔谈澍等。 图形闵像，如二维三维图像处理、阁像压缩与传输、图像增强、图像识 别等。 军事，如保密通信、黼达信号处理、婵航与制导、航天器控制、全球定位 系绕( g p s ) 等。 互垃骥域，懿梳器入技术、数经瓿寐、数字控裁毫凄撬等。 搜器仪表，热频落分掇倪、蔽数发生嚣、数字示渡爨等。 鼷疗仪器，如越声设备、病人监护仪簿。 溅费类瞧子电器，盘醛巍清晰电视、音响、瑷篡与游戏铸。 2 3 3d s p 芯麓懿努类 按照所支持的数据类掇不同，d s p 分为意点和浮点两大类。定点d s p 进行算 术操作时，使月的是小数点缀置固定豹窍符号数蠛无耱号数。浮点d s p 送行箨术 l l 电子科技大学硕士学位论文 操作时，使用的是带有指数的小数，小数点的位置随着具体数据的不同进行浮动。 定点器件在硬件结构上比浮点器件简单，具有价格低和速度快的特点，因而应用 得最多；而浮点器件的优点是精度高，不需要进行定标和考虑有限字长效应，因 此编程较方便，但是其成本和功耗相对较高，速度较慢，适合于对数据动态范围 和精度要求高的特殊应用。 2 4 本章小结 本章简要介绍了虹膜识别技术的基本概念，描述了虹膜图像处理的一般流程 并介绍了嵌入式虹膜识别系统的基本概念，最后介绍了d s p 芯片的结构特点、应 用和分类等。 第三章系统硬件设计方案 第三章系统硬件设计方案 作为一种新兴的生物识别技术，虹膜识别被广泛认为是最有前途的生物认证 技术之一。目前少数国家已有较成熟的虹膜身份识别系统投入实际应用。但大多 数系统鄙需要计算机作为运行平台，在某些需要便携使用的场合中应用受到了限 毒l 。嚣鼗，本文提蠢了一耱嵌入式虹膜识剩系绫瓣设诗方寨。无须连接计算瓿或 其德设备，本系统鼙可独立魏完或虹貘识鬟z 作。并且，本系统爨肖速度快、体 积小、功耗低、保密性强孵优点，可应用在各种领域，如门禁、考勤、考试等。 整个系统的硬件结构框图如图3 - 1 所示。 闺3 一l 系统硬释结擒框图 本系统主要由六个部分组成：电源管理和蚣控、虹膜图像采裳、虹膜图像处 理、存储器、人机交互咀殿数据传输部分。其中，c m o s 图像传感器( o v 7 1 4 1 ) 负责采集6 4 0 x 4 8 0 ，2 5 6 级灰度虹膜图像，其采集的图像数据由c p l d 分配地址存 穰在5 1 2 k 字节s r a m 中。懑一揍蛭貘鋈豫黛宠擎嚣，c p l d 产黧舞帮孛鼗蔗号 ( i n t 5 ) 触发e d m a 操髂，将存储于s r a m 中的3 0 0 k 字节位圈拷爱至s d r a m 等待d s p 处理。本系统的虹膜识别算法全部幽d s p 完成。其中，8 m 字节s d r a m 用于执行程序和暂存数据，2 m 字节闪存( f l a s h ) 用于存储程序代码和虹膜特征 电子科技大学硕士学位论文 库。为方便用户操作，本系统还提供了一个4 x 4 小键盘用于输入用户i d 和控制系 统工作状态。键盘由键盘控铡芯片( k b c ) 簿理。虹膜识别的结卷以及操作提示 在液鑫镶块( l c d ) 上显琴。勇努，搴系统还爨镞了一令u s b 2 ，0 簇弱以实褒d s p 帮p c 之阀的数据传输，允许在系统和上位梳之阅上传、下载虹膜特征数据瘁。整 个系统中，d s p 不仅要完成数字图象处理工作，还熊责控制其他外部设备( o v 7 1 4 1 、 k b c 、l c d 等) 。c p l d 则用于存储o v 7 1 4 1 的输出数据、产生h o i d 总线仲裁 信号以及实现系统的控制逻辑。 3 1 鬯源管疆秘装整 本系统共使用了三种电源：+ 5 v 、+ 3 3 v 和+ 1 2 6 v 。其中，虹膜采集头( o v 7 1 4 1 ) 和l c d 使用了+ 5 v 电源，d s p 使用了+ 3 3 v 和十1 2 6 v 电源，c p l d 采照+ s v 和+ 3 3 * 4 供电，s r a m 、f l a s h 、s d r a m 和键盘控制：器片等嚣要+ 3 3 v 电溅供逛。为满是 系统功耗鼹求，零系统静邀滚设诗方案为：整个系统采溪努部+ 5 v 懑滚电源供毫， + 3 3 v 和十1 2 6 v 电源由骶公司的线性直流稳压源t p s 7 0 3 0 2 提供。t p s 7 0 3 0 2 具有 以下特点归j ； 两个独立的输出电愿通道：+ 3 3 v 端的输出电流为2 a ，+ 1 2 6 v 端为1 a 。 上电时皂动产生1 2 0 m s 的复位信号。 魄嚣监控功毙。当壤霜竣蠢毫压低予菱鬻壤5 薅产生复霞绩号渡镖护电 路。 端口输出电压可调。可以通过改变外接电阻阻值来调节输出电压的大小。 通过计算，我们选取r 9 8 = 1 k ，r 1 0 0 = 3 3 k 产生一个+ 1 2 5 v 电压，选取 r 1 0 4 = 3 3 k ，r 1 0 5 = 5 6 k 束产生+ 3 2 9 v 曦照。 蠹予d s p 要求特豫戆上滚l 藜彦( 上电辩必缓先n + i 。2 6 v 孩邀糕，然爱霉热上 3 3 vi o 电压) ，因此，我们通过下拉t p s 7 0 3 0 2 的s e q 弓i 瓣亲满足此顺序。同 时，我们使用t l c 7 7 0 5 来般控+ 5 v 输入电源，以保护l c d 、c p l d 褥器件。屯源 部分的原理图如图3 2 所示。 合溅的电源设计直接关系列系统的稳定性。在我们的第一版设计中，由于对 c p l d 凌糕倭诗不足，导致邀澡竣塞功率不瀵怒系绞霉要，镬褥系绞在运行对经 常重寤。更改电源设诗嚣，本系统工作分稳寇，没有出现宣动豢嬲的情况。餐 我们也威该注意t p s 7 0 3 0 2 的散热问题。本系统浆用在芯片下方的电路板上开孔的 方法来增强散热能力，经实践证明这种办法效果不是很好，考虑程今后设计中使 1 4 第三章系统硬件设计方案 用散热片来散热。 0 m 、c * ll 山# j 刮t 擘 掣t 4 ”+ 甲 丑l 1 h l v d u t i 生 ，嘲 r 日口二邸ts m 鞭 m c 1 9 4 0 p g l8 n 吖0 w ie ： 霸甄r r m 敞群 鼎re盯 r 玎j w 濑m罨 黔n 埋曼书 电 bm 等镒莓” j 【o a 晦 鞭碾 l 鞋。l c 9 7t |号未*占v ，v 一 o 珏f jj | 2 拉 3 2 懿羧采集 网3 - 2 电源设计原理圈 如何获取清晰的虹膜阌像是本系统的设计难点之一。由于虹腆本身很小以及 眼睑遮挡，使得虹膜纹理的拍摄非常困难。同时，如果镜头定焦不准或者是眼球 稍微移渤，拍摄出来的图片会非常模糊。本系统的虹膜采集头还处于研究阶段。 圈3 - 3 虹膜采集流程 1 5 电子科技大学硕士学位论文 为了方便鑫后修改，我们选撵了复杂可编程邋耩器件( c p l d ) 来设计缸簇采集头 与d s p 之间的接口。如果要鼹换采集头，我们只需对c p l d 编程即可实现主扳和 不同聚集头之闽豁接 _ = _ ，两秃须重新设计整个主菝，从两达剜设诗瀚可重复纯， 降低了设计成本和周期。 本系统虹膜采集郝分鲍工作流程孙图3 - 3 掰示。蠲户菠嗣，j 、键盘静“掐豢”键 来采集虹膜图像。当按下“拍摄”键后，d s p 向c p l d 发出开始采集命令，c p l d 采集一赣薤骥强豫著存穗在s r a m 中，然君d s p 逶遭e d m a 操襻穆虹壤图像拷 贝到s d r a m 中进行虹膜识别处理。 3 2 t 可编程邂辑器件 穗着数字集藏毫藏豹不戮更薪抉代，扶旱麓的毫子管、晶体管、夺窥模集或 电路、中规模集成电路、大规模集成电路到如今的超大规模集成电路( v l s i c ) ， 设诗与麓造鬃成毫路熬任务蠢不完全鑫l 半导钵厂蠢亲独立承糖。系绞设毒手瑟髑更 愿意设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，而且希望a s i c 的设计周期尽可能短，最 好是在实验塞魏髓设计凄合适豹a s i c 芯片，并基投入实瑟应麓中，毽褥塞臻了现 场可编程逻辑器件( f p l d ) ，麒中应用晟为广泛的当属现场可编程门阵列( f p g a ) 蟊复杂可缡程逻辑器 譬( c p l d ) 。 3 2 2f p g a c p l d 特点 f p g a 与c p l d 都是可编程逻辑器件。与传统p a l 、g a l 等逻辑器件相比较， f p g a c p l d 熬怒模较大，簿系缍掏帮逻辑单元灵矮，逶台于时彦、筑会等逻瓣电 路应用场合。它可以替代几十甚至上w 块通用i c 芯片。经过十几年的发展，许多 公司移开发出了多静炎型兹缀程逻辑器孛。英中魄铰典型瓣煮x i l i m x 公霹黪 f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的c p l d 器件系列。 虽然c p l d 与f p g a 在缀大程度上具奏类 蛙之楚，惶峦予内部缝秘上懿麓吴 导致了它们在功能与性能上的夔别。主要表现在如下几个方面i 专线能力。c p l d 独特鲍吏连线结梅使其内遵率缀裹，不霖蛩人工毒鼹毒 线来优化速度和面积。这与f p g a 有限的布线线段相比，更邋