（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的虹膜图像采集系统.pdf

合肥工业大学 m l l l l l 刖1 1 1 1 1 1 i | 1 1 1 1 1 1 1 洲刚| 1 1 i l l y 18 8 617 8 本论文经答辩委员会全体委员市硷，确认符合合肥 工业大学硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席：坍脐蹦镰彬列季 委 佛吨犬 、? f 匐科住久 面7 款 多1 瓠缀 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得金8 巴工些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：对书侄签字日期：洲年月2 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目垦王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权金胆王业太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名：研辜取缝 i、 签字眺洲年牛月五7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 新躲t 髟f i j 签字日期：弘f1 年缸月刃日 ， 电话： 邮编： 基于a r m 的虹膜图像采集系统 摘要 虹膜识别在生物特征识别技术中具有最高的识别率，但由于虹膜识别系统 存在的人机友好性差，采集装置复杂，成本昂贵等缺点，使得其在实际的应用 中受到了限制。虹膜图像采集系统作为虹膜识别系统中的重要组成部分，是提 高虹膜识别系统性能的关键点和难点。本文设计了一种新型的基于嵌入式 a r m 9 芯片的虹膜图像采集系统，以便在获得清晰的虹膜图像的前提下，提高 采集系统的用户友好性，减小体积并降低成本。 本文首先从虹膜图像采集系统的研究背景、发展现状和趋势出发，提出本 课题研究的意义，分析了虹膜图像采集的难点和现有的虹膜图像采集系统的特 点。提出了基于a r m 的虹膜图像采集方案。然后以$ 3 c 2 4 4 0 开发板设计虹膜 图像采集系统的硬件电路。采用高放大可变焦c c d 摄像头进行采集，采用 s a a 7 1 1 3 实现视频的编码，通过c a m i f 接口实现虹膜采集。硬件电路包括图 像信号处理模块、变焦驱动模块、和照明系统模块。基于l i n u x 和嵌入式l i n u x 编程技术，编写了虹膜图像采集驱动、步进电机控制驱动和红外照明驱动。最 后编写了测试程序，对所设计的虹膜图像采集系统的硬件和驱动程序进行了测 试。 测试结果表明，所设计的新型虹膜图像采集系统可以方便快速地采集到虹 膜图像，体积小巧，成本低廉，功能扩展性强。可提高虹膜识别系统的性能， 并降低成本，有利与虹膜识别技术的进一步推广。 关键词：虹膜；虹膜图像采集；$ 3 c 2 4 4 0 a ；摄像头模块；s a a 7 11 3 ；设备驱动 i r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do na r m a b s t r a c t i r i sr e c o g n i t i o nh a st h eh i g h e s tr e c o g n i t i o nr a t ei nt h eb i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y b u tb e c a u s eo ft h ed i s a d v a n t a g e so ft h ei r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m ，s u c ha s p o o rh u m a n f r i e n d l y ，c o m p l i c a t e di r i si m a g ea c q u i s i t i o na n dt h eh i g hc o s t s ，t h eu s e o fi r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mi sr e s t r i c t e di nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s a sa ni m p o r t a n t p a r to ft h ei r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m ，i r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mi st h ek e ya n d d i f f i c u l t yp o i n t st oi m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h ei r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m i nt h i s p a p e ran e wk i n do fi r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e da r m 9i s d e s i g n e d ，w h i c hh a sb e t t e rh u m a n - f r i e n d l yi n t e r f a c e ，s m a l lv o l u m ea n dl o wc o s t w i t hh i g hr e s o l u t i o ni r i si m a g e f i r s tt h er e s e a r c hb a c k g r o u n d ，d e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt e n d e n c yo f i r i s i m a g ec a p t u r i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d ，t h e ns i g n i f i c a n c eo ft h i sp r o je c ti ss h o w n ， t h e nt h ed i f f i c u l t ya n df e a t u r eo fi r i si m a g ec a p t u r i n gs y s t e mi s a n a l y z e d t h e d e s i g no fi r i si m a g ea c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do ne m b e d d e da r m 9i sp r o m o t e d s e c o n d ，b a s e do n $ 3 c 2 4 4 0 ad e v e l o pb o a r d ，t h eh a r d w a r ea n dc i r c u i ti sd e s i g n e d ： s i m u l a t e di r i s i m a g e i sc a p t u r e db yh i g h z o o mc c dc a m e r aa n dc o d e d b u y s a a 7113 h t h ed i g i t a li r i si m a g ei sc a p t u r e db yc a m i fi n t e r f a c eo fa r m t h e h a r d w a r ec i r c u i ti n c l u d e si m a g ep r o c e s s i n gm o d u l e ，z o o md r i v em o d u l ea n di n f a r e d l i g h ti l l u m i n a t i o nm o d u l e b a s el i n u xk e r n e l a n de m b e d d e dl i n u xp r o g r a m ，t h e s o f t w a r ed r i v e r so fi r i si m a g ea c q u i s i t i o n ，s t e pm o t o rd r i v e ra n di n f a r e dl i g h t i l l u m i n a t i o na r ep r o g r a m m e d l a s t ，t e s t i n gs o f t w a r ei sd e s i g n e da n dp r o g r a m m e d ， t h ed e s i g n e ds y s t e ma n dp r o g r a m m e dl i n u xd r i v e r sa r et e s t e di nd e t a i l t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h ed e s i g n e di r i si m a g ec a p t u r i n gs y s t e mc a n c a p t u r ei r i si m a g ec o n v e n i e n t l ya n dq u i c k l y , i th a ss m a l lv o l u m e ，l o w e rc o s ta n d g o o de x p a n s i b i l i t y i tc a ni m p r o v et h ec a p a b i l i t yo ft h ei r i sr e c o g n i t i o ns y s t e ma n d c o n t r i b u t et of u r t h e rg e n e r a l i z ei r i sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y k e y w o r d ：i r i s ；i r i si m a g e sa c q u i s i t i o n ；$ 3 c 2 4 4 0 a ；c a m i fm o d u l e ；s a a 7 113 ： d e v i c ed r i v e r s 致谢 两年半的研究生学习即将结束，这段时间是我人生中一个重要的里程碑， 深刻难忘：这期间的学习使我受益匪浅，在这里我得到了家人、老师和同学的 无私关心和帮助，在此我衷心地向他们表示感谢! 首先，我要深深地感谢我的导师党学明老师。作为我的导师，党老师在学 习和研究上，给我创造了一个和谐自由的环境，极大提高了我的学习积极性。 同时还给我提供了一个很好的课题研究方向，而在论文开题、课题研究、论文 撰写过程中，党老师都给予了我很多宝贵的意见和建议，让我能如期顺利完成 本次论文的撰写。党老师渊博的知识、严谨的治学态度、求实的工作作风、乐 观的生活态度深深地影响着我，这些都将使我受益终身。 本论文的顺利完成，也离不开实验室的同窗。他们是张顺、代慧婕、郭鲁 皓、杨剑、吴健和黑金龙。感谢他们给我的帮助和支持。 感谢在我实习单位中的领导、老师和朋友们，感谢他们对我学习和科研上 的帮助，也感谢他们对我生活上的关心和照顾。那段时间的生活给我们留下美 好而愉快的回忆，祝愿他们在以后的事业中不断成功。 深深感谢我的家人，谢谢父母对我无私的爱，他们的支持和鼓励，使我能 有信心和勇气面对困难、迎接挑战、顺利完成硕士学业。 感谢各位评委老师和专家百忙之中对本文的审阅和提出宝贵意见! 最后，在此对这两年半的学习生活中，身边所有关心和帮助过我的老师、 同学和朋友，表示最真诚的谢意! 作者：邓斯佳 2 0 1 1 年3 月1 2 日 目录 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 课题研究的背景和意义1 1 2 1 虹膜识别系统的优势1 1 2 2 虹膜识别系统的发展及局限性2 1 3 课题研究目标、内容及拟解决的关键问题4 第二章系统总体设计方案5 2 1 虹膜图像采集的难点分析5 2 1 1 成像原理简介5 2 1 2 虹膜图像采集的难点5 2 2 虹膜图像采集系统设计方案一6 2 2 1 虹膜图像采集系统的实现方法6 2 2 2 拟采用的设计方案7 2 3 系统整体架构8 第三章系统硬件设计1 0 3 1 开发平台简介1 0 3 2 图像信号处理模块设计1 2 3 2 1 摄像头选型1 2 3 2 2 视频信号转换芯片1 2 3 2 3 图像信号处理模块的硬件接口电路设计1 3 3 3 变焦驱动模块设计1 4 3 4 照明系统模块设计1 6 第四章系统软件设计1 8 4 1 系统开发环境的搭建1 8 4 1 1a r m 交叉编译环境的搭建1 8 4 1 2l i n u x2 6 2 8 7 的移植及文件系统移植1 9 4 2 驱动程序的总体设计2 1 4 2 1l i n u x 驱动简介2 1 4 2 2 驱动程序的总体设计2 3 4 3 驱动程序的设计2 4 4 3 1 步进电机与照明系统驱动设计2 4 4 3 2s a a 7 1 1 3 控制应用程序设计3 0 4 3 3 虹膜采集驱动设计3 2 第五章系统调试部分。4 4 5 1 系统硬件总体结构4 4 5 2 驱动程序测试4 5 5 3 整体性能测试4 7 5 4 测试小结4 9 第六章总结与展望。5 1 6 1 总结5l 6 2 展望5 l 参考文献。5 3 图1 1 图1 2 图1 3 图1 4 图1 5 图2 1 图2 2 图2 3 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 - 6 图4 1 图4 2 图4 3 图4 - 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 - 9 图4 10 图4 11 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 15 图4 16 图4 1 7 图4 18 图4 19 插图清单 虹膜一3 虹膜纹理信息3 i r i sa c c e s s3 0 0 0 3 传统可变焦系统流程图3 用高分辨率摄像头采集虹膜图像的流程图4 景深原理图5 系统方案结构图一7 系统方案结构图二8 c a m i f 的接口顺序1 1 视频采集模块电路1 4 l 2 9 8p i n 引脚功能1 5 步进电机控制模块接口电路1 6 c d 4 0 6 6 引脚功能图1 7 光源控制电路1 7 测试交叉编译工具1 8 l i n u x 内核组成结构关系图及应用程序调用1 9 m a k em e n u c o n f i g 的界面2 0 l i n u x 系统设备程序结构2 l 虹膜采集系统的驱动功能示意图2 3 最终虹膜采集系统的驱动功能示意图2 3 步进电机与照明系统驱动功能示意图2 4 s 3 c 2 4 x xm o t o ri n i t 初始化程序流程图2 5 s 3 c 2 4 x xm o t o re x i t 程序流程图2 6 打开函数的程序流程2 7 中断处理函数的程序流程2 7 s 3 c 2 4 4 0m o t o ri o c t l 的程序流程图2 9 c a m e r a l 2 c l n i t 程序流程图3 2 c a m i f 原理图3 3 c a m i f 的d m a 乒乓存储结构3 4 总体驱动软件的功能划分3 4 s 3 c 2 4 4 0c a m i fi n i t i a l i z e 程序流程图3 6 s 3 c 2 4 4 0c a m i fe x i t 程序流程图3 7 v 4 1c a mo p e n 打开函数的程序流程3 8 图4 2 0 图4 2 1 图4 2 2 图4 2 3 图4 2 4 图4 2 5 图5 1 图5 2 图5 3 图5 - 4 图5 5 图5 - 6 图5 7 图5 8 图5 - 9 图5 1 0 图5 1 1 图5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 中断处理函数的程序流程3 9 v 4 1c a mr e l e a s e 函数的程序流程3 9 v 4 1c a mr e l e a s e 函数的程序流程4 0 v 4 1c a mi o c t l 函数的功能图4 l 设置参数的一般流程图4 l 启停采集的控制过程流程图4 2 虹膜图像采集系统实物图5 3 虹膜图像采集系统内部4 4 主动照明系统4 4 测试程序的主要功能流程图4 5 图像显示处理的流程图4 6 运行测试程序的显示操作界面4 6 测试效果图4 7 载入摄像头驱动程序的操作界面4 7 清晰度低的虹膜图像5 7 清晰度高的虹膜图像4 8 载入步进电机驱动程序的操作界面4 8 有效范围外采集5 8 有效范围内采集4 9 关闭照明系统4 9 表3 1 表3 2 表3 3 表4 1 表格清单 c a m i f 的主要引脚功能1l 摄像机参数1 2 l 2 9 8p i n 引脚功能说明15 s a a 7 1 1 3 与$ 3 c 2 4 4 0 的接口及其功能3 2 第一章绪论 1 1 引言 在高度信息化的现代社会中，信息的安全问题日益受到人们的关注，有效 的身份认证技术是建立信息安全体系的一个重要方面。传统的身份认证技术如 密码、口令、智能卡等存在着密码容易遗忘或被窃取，智能卡容易丢失或被伪 造以及无法区分真正的拥有者和冒充者的缺点。 近年来人们试图并已成功开发出了各种生物特征识别技术，生物特征识别 ( b i o m e t r i c s ) 是利用人体固有的各种生理特征或行为特征作为识别介质，从 而达到唯一识别个人身份，进行个人身份鉴定的新兴研究学科。这里的生物特 征通常具有唯一的( 与他人不同) 、可以测量或可自动识别和验证、遗传性或终 身不变等特点。与传统的身份鉴定手段相比，基于生物特征识别的身份鉴定技 术具有防伪性能好、不易遗忘或丢失、随身携带等优点。生物特征识别技术正 成为模式识别与信息安全领域的一个研究热点。生物特征识别技术主要包括虹 膜识别、指纹识别、人脸识别、掌形识别以及静脉识别等。 在多种生物特征识别技术中，虹膜识别被认为具有最高的识别率。主要应 用领域包括：( a ) 高端门禁；( b ) 公安刑侦；( c ) 医疗社保；( d ) 金融、证券、 保险、社会福利机构的身份确认；( e ) 其它应用：考勤、考试人员身份确认、矿 工身份确认、信息安全等。 目前国外的虹膜识别系统主要有l g 公司的i r i sa c c e s s4 0 0 0 ，日本松下公 司的e t l2 0 、e t 3 3 0 、e t 5 0 0 ，日本o k i 公司的i r i s p a s s - m 虹膜系统等。这些 系统价格高昂，并且所运行的软件为国外专利，若在一些重要的安全领域使用 绝对是一大隐患，为此我们需要有自己的知识产权和产品。目前，国内研究虹 膜识别的单位有中科院北京自动化所、浙江大学、华中科技大学等。 目前虹膜识别的算法已经发展得比较成熟，在能得到较好虹膜图像的前提 下，很多主流算法都能达到很高的准确度1 2 】1 3 j 【4 】。因此，我们需要针对现有的虹 膜采集系统的不足，设计出一套新型的虹膜采集系统，能方便用户采集，提高 用户友好性；能根据用户需求，灵活地拓展功能；并减小体积，降低成本，以 利于虹膜识别技术在各个应用领域的进一步推广。 1 2 课题研究的背景和意义 1 2 1 虹膜识别系统的优势 虹膜的生理结构和纹理特征：虹膜位于眼球中层，在睫状体前方，有自动 调节瞳孔大小，调节进入眼内光线多少舶作用。其颜色主要有蓝色及褐色，构 造基本可分为丝状、亚麻布状、网状等。 虹膜外 观图 图1 1 虹膜 虹膜生理 细节图 ，i 磴瞧孔莲掰皱 图1 2 虹膜纹理信息 与其它基于生物特征的身份鉴别方法相比，虹膜识别具有以下优点m 剐： 1 高复杂性：虹膜识别技术是将虹膜的可视化特征转换成一个5 1 2 比特的 虹膜代码，再储存在模板内作确认。在直径约l l m m 的虹膜上，约有2 6 6 个量 化特征点，远多于一般的生物特征识别技术的1 3 到6 0 个特征点。所以理论上 虹膜身份识别具有较指纹识别、人脸识别等更高的准确度。 2 高独特性：虹膜纤维组织细节复杂而丰富，并且它的形成与胚胎发生阶 段该组织局部的物理化学条件有关，具有极大的随机性，即便用克隆技术也无 法复制某个虹膜。同卵双胞胎的虹膜纹理信息不同，同一个人左右眼的虹膜纹 理都不会相同。每个虹膜所包含的信息都不相同，出现形态完全相同的虹膜组 织的可能性远远低于其他组织。 3 高稳定性：虹膜是人体唯一外部可见的内部器官，它受眼皮和角膜的保 护，不易受到外部物质的伤害，很少发生病变；同时，虹膜在一岁左右就已发 育完成，随着人的生长发育虹膜细节基本不会改变，相当稳定。 4 天然的防伪性：虹膜的自然生理特性为虹膜识别系统提供了鉴别伪造虹 膜的依据，虹膜对光有震颤效应，可通过对瞳孔大小的检测实现活体检测，因 而还增加了识别的防伪性。 5 非侵犯性：虹膜识别的过程中只需用户的眼睛对准镜头，无需物理接触， 避免了指纹识别需要与传感器接触带来的不舒适感，故而容易被公众接受。 1 2 2 虹膜识别系统的发展及局限性 一个完整的虹膜识别系统由两部分组成：虹膜识别模块和虹膜图像采集系 统。 虹膜识别模块由图像采集子系统、图像预处理子系统、虹膜定位子系统、 特征提取子系统以及特征匹配子系统组成。其中图像处理系统是采集到虹膜图 像，并判断所采集的虹膜图像是否清晰，是否能得到足够的虹膜信息等。虹膜 定位子系统是通过虹膜定位算法获得虹膜的信息。特征提取子系统是将圆环状 2 的虹膜展开并归一化，并基于不同的眼睑睫毛模板对虹膜信息编码。近年来， 越来越多的虹膜识别算法【2 - 4 1 被提出，使得虹膜识别性能得到不断的提高。因此 在识别模块之外，高质量的虹膜图像采集系统才是提高虹膜识别产品性能并降 低成本的一个关键点。 虹膜图像采集系统主要分为接触式的和非接触式的采集系统。传统的接触 式虹膜采集系统，要求用户在进行虹膜采集时将眼睛固定在采集系统的某个部 件上，这样会严重减弱用户的接受度。 传统可变焦距采集系统，一般采用自动调焦和聚焦镜头来采集到清晰的虹 膜图像，如在世界范围内应用最广泛的虹膜识别系统i r i sa c c e s s3 0 0 0 ( 图1 3 ) ， ( 调焦距离为8 一- 2 5 c m ) 就是要求用户站在设备前一定距离内( 8 c m 2 5 c m ) 1 是睛 对准摄像头一段时间，自动调整焦距来保证设备能采集到符合要求的虹膜图像。 图l - 3i r i sa c c e s s3 0 0 0 这种采集系统通常具有变焦电机和聚焦电机，采用闭环控制的方式，通过 图像清晰度评估等专门算法来判断对焦是否已经准确，然后通过控制系统，控 制变焦电机和聚焦电机转动改变焦距。这样反复多次之后，达到精确的聚焦( 图 1 - 4 ) 。它的优点是用户友好性较高，但结构相对复杂，成本较高。另外，有时 因为用户在采集过程中前后晃动，可变焦距采集装置就需要来回的调整焦距来 使得摄像头聚焦在用户的眼睛上【7 】【8 】【9 】【1 0 】【1 ，导致这种采集方法还存在有时采 集时间过长的问题。 二圈否圈 图卜4 传统可变焦系统流程图 虹膜识别系统接下来的发展趋势是提高用户友好性、降低对用户的要求， 主要方法包括虹膜图像采集装置采用多摄像头实现主动式寻找虹膜和采用高分 辨率摄像头扩大有效采集距离的范围，目前已有不少的科研单位在致力于这一 研引7 1 【9 】。 如图1 5 所示，系统采用高分辨率的摄像头，拍摄用户整个脸部图像。如 采用分辨率足够高的摄像头拍摄包含眼部图像的人脸图像，从中提取出虹膜图 像，仍然有很好的纹理细节，然后可用算法从中提取出双眼图像用于虹膜识别。 这样可以实现像采集人脸一样方便的采集虹膜图像，但是高分辨率的摄像头价 格昂贵，不利于对虹膜产品成本的限制。 图卜5 采用高分辨率摄像头采集虹膜图像的流程图 1 3 课题研究目标、内容及拟解决的关键问题 主要内容：本课题的研究内容是根据生产实际的需要，提出一种新型的虹 膜图像采集系统的设计方案，为系统选取合适的c p u ，设计图像信号处理模块、 变焦驱动模块、和照明系统模块的硬件电路。编写虹膜图像采集、步进电机控 制和光源控制的驱动程序。编写测试程序，对所设计的虹膜图像采集系统的硬 件和驱动程序进行测试和分析。 拟解决的问题： 1 如何在直径只有1 c m 的虹膜中采集到清晰度符合虹膜识别要求的虹膜图 像( 直径不能少于2 0 0 个像素) ； 2 现有的虹膜采集系统采用闭环控制的方式，通过图像清晰度评估等专门 算法判断对焦，存在对焦时间过长的问题，如何实现采集系统对焦过程的快速 性； 3 系统采用的a r m 芯片挂载了l ir l u x 操作系统，如何编写各个硬件接口模 块的驱动程序。 4 第二章系统总体设计方案 2 1 虹膜图像采集的难点分析 2 1 1 成像原理简介 要分析虹膜图像采集的难点，首先要了解景深的概念：在镜头前方( 清晰 调焦点的前、后) 有一段一定长度的空间，当被摄物体位于这段空间内时，其 在底片上的成像相对于人眼的分辨率来说是清晰的。被摄物体所在的这段空间 的长度，就叫景深( 如图2 1 所示) 。 放大率计算公式： 图2 1 景深原理图 z y u = 寿甜一_ 厂 圆 6 景深计算公式： 址= 赫 根据景深的计算公式可知：光圈f 越大，距离l 越近，镜头焦距f 越长，景 深越小；光圈f 越小，距离l 越远，焦距f 越短，景深越大。 2 1 2 虹膜图像采集的难点 在现有的虹膜图像采集装置中，接触式的采集方式要求用户将眼睛固定在 采集装置的某个部件上，缺乏舒适性，用户难以接受。因此，可采用非接触式 的采集方式。 虹膜直径一般仅有1 c m ，而采集装置需要采集到虹膜中清晰的纹理细节来 满足虹膜识别的要求，在所拍摄的虹膜图像中，虹膜的直径一般不能少于2 0 0 个像素，因此需要采用较大放大倍率的摄像头，这样用户头部的轻微偏移，就 可能造成所采集的图像中没有虹膜信息。并且由公式( 1 ) 可知在采集距离较远 时，要保证有较大的放大倍率，必须采用大焦距的镜头。由公式( 2 ) 可知，当摄 像头的焦距较长时，景深相应就会变得很短，这样用户眼睛相对于镜头的前后 位置如有轻微的变化，都有可能造成采集图像的不清晰。在非接触式的采集装 置中，固定焦距的采集装置要求用户的眼睛精确地位于合适位置，保持摄像头 始终聚焦在眼睛上，才能采集到清晰的虹膜图像。对于自动变焦的采集系统， 不需要用户在前后方向上移动头部来对焦，而是由采集装置自动的改变焦距， 使得摄像头能够聚焦在用户虹膜上，从而采集到足够清晰的虹膜图像。然而， 有时用户眼睛的位置若发生轻微移动，系统就需要反复地调整焦距来使得摄像 头重新聚焦在用户的眼睛上，因此这种采集方式存在有时采集时间过长的问题。 综上所述，非接触式的采集方式要求用户主动地把眼睛放在一个较小的范 围内对准摄像头才能采集到清晰的虹膜图像，对用户的限制比较大。此外，黄 种人的虹膜在自然光下，成深褐色，纹理信息较少。进行非接触式的虹膜图像 采集时，有可能会遇到因为光源不足导致采集到的虹膜图像不够清晰的问题。 2 2 虹膜图像采集系统设计方案 针对上述对虹膜图像采集难点和对传统虹膜图像采集系统缺陷的分析，本 文提出一种新型的虹膜图像采集系统的设计方案，该方案可有效解决上述问题： 2 2 1 虹膜图像采集系统的实现方法 目前，图像处理系统通用计算机软件实现或通用计算机加专用的加速卡实 现，都存在速度慢，系统性能受到限制的问题。基于工控机的方式有现成的操 作系统及网络软件可以利用，开发容易，但成本太高。而嵌入式系统则更适用 于对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【1 2 1 。 嵌入式数字视频图像采集系统的实现方法一般有以下几种：( a ) 单片机实 现。技术成熟可靠、成本低，但运算速度慢。( b ) 采用d s p 的方式实现，其数据 的处理能力较强，但是d s p 的外设不够丰富，并且在图像采集中和c m o s 或 c c d 电路有繁复的接口电路设计。( c ) 专用的a s i c 芯片实现，速度很快，专用 性强，但灵活性差，无法满足用户灵活多样的要求。( d ) a r m 芯片实现，芯片 具有比较强的事务管理功能，可以用来跑界面以及应用程序等，其优势主要体 现在控制方面和用户功能的扩展方面。 根据以上分析本系统采用a r m 芯片作为虹膜图像采集系统的c p u ，使系 统具有以下优点： ( 1 ) 软件、硬件可裁剪，设计灵活：当不需要某项功能时，可以去除相关的 软硬件，定制出各种专用系统。这样即可以缩小虹膜系统的体积，方便携带和 安装，亦可以使虹膜识别作为一个模块方便的集成到其它的系统中。 6 ( 2 ) 系统可移植性好，可靠性高：a r m 芯片采用的是高性能的嵌入式c p u ， 集成度非常高，而且没有多余的外围设备，因此硬件故障的概率显著降低。 ( 3 ) 成本小、功耗低：嵌入式芯片的专用性较强，可以最大程度的降低系统 成本和功耗，缩短设计周期，减少硬件投资风险。 2 2 2 拟采用的设计方案 方案一：采用普通摄像头搭配可变焦距镜头 图2 - 2系统方案结构图一 采集系统如图2 2 所示，由可变焦镜头、普通摄像头( 分辨率为4 0 0 * 6 0 0 ) 通过视频信号转换电路连接到c p u 上组成系统的图像采集模块。可变焦镜头中 的变焦镜片连接到变焦驱动电机上，在变焦驱动电机的带动下，前后移动来改 变镜头的焦距，系统的成像面也相应地发生改变。变焦驱动电路连接到c p u 上， 即可由c p u 发出的信号控制系统的焦距变化。为了解决黄种人的虹膜在自然光 下纹理信息较少和用户背光采集时光源不足的问题，可在镜头的周围使用一个 主动光源，通过光源控制电路连接到c p u 上，在采集时用来照亮被采集者的眼 睛部位。整个系统采用开环控制，当c p u 启动整个采集程序后，c p u 通过光 源控制电路打开光源，然后通过变焦电机控制电路使可变焦镜头的焦距由最远 向最近或由最近向最远改变，从而成像距离也相应地从最远向最近或者从最近 向最远连续的变化，因此总有某个时刻，可变焦镜头的清晰成像平面与用户的 眼睛所在的位置平面相重合，这时摄像头采集到的图像即为清晰的虹膜图像。 同时控制图像采集模块将镜头变焦过程中采集的一系列虹膜图像信号传输到 c p u 中。当采集结束时，c p u 控制光源关闭，变焦驱动电机停止移动。最后， c p u 通过图像清晰度判断算法，筛选出所接收到的一系列虹膜图像中最清晰的 一幅。即完成了整个虹膜图像的采集。 7 方案二：采用高分辨率摄像头 如图2 - 3 所示，系统采用高分辨率的摄像头( 分辨率为3 0 7 2 * 2 0 4 8 ) 。采 用高分辨率的摄像头时，焦距较短，景深较长，因此可以使用固定焦距的镜头 来实现较大范围内的有效采集，亦可使用可变焦镜头，通过较少的调焦次数来 实现中远距离的有效采集。如果采用固定焦距的采集方式，采集的过程为：系 统启动后，光源打丌，然后直接用高分辨率摄像头采集清晰的虹膜图像，然后 通过信号转换电路传输到c p u 处理。最后，光源关闭，采集过程结束。如果采 用可变焦距的方式采集，则采集的过程和方案一相同。 图2 - 3系统方案结构图二( 虚线部分可省略) 对比以上两种采集方案：虽然方案一的采集过程比方案二复杂，但是方案 一采用市场上常用的普通摄像头，成本较方案二所采用的高分辨率摄像头低廉 得多，有利于对整个虹膜采集系统成本的限制。同时，方案二中的高清摄像头 ( 分辨率为3 0 7 2 * 2 0 4 8 ) 所采集的虹膜图像数据量要比方案一中的普通摄像头 ( 分辨率为4 0 0 * 6 0 0 ) 大得多，因此将图像信号传输到c p u 的耗时也长得多， 从而使整个系统的性能受到限制。 在保证采集到清晰度符合要求的虹膜图像的前提下，方案一也能实现较为 方便的快速有效的虹膜图像采集。因此，根据设计要求，本课题采用方案一来 作为虹膜图像采集系统的设计方案。 2 3 系统整体架构 根据所选择的方案一，从性能、结构以及成本三个方面考虑最终选取了以 a r m 芯片作为虹膜图像采集系统的硬件平台。本文设计的可变焦的虹膜图像采 集系统的硬件电路部分利用a r m 芯片上的各个功能模块和接口控制外围设备 和芯片搭建的硬件电路可分为图像信号处理模块、变焦驱动模块和照明系统模 块。软件系统包括虹膜图像采集处理模块，步进电机控制模块，光源控制模块 和人机交互界面模块。应用程序和硬件系统的驱动程序都运行在嵌入式l i n u x 操作系统之上，软件系统可以通过对驱动程序中设备操作接口函数的调用控制 硬件设备。 9 第三章系统硬件设计 根据所采用的系统总体设计，虹膜图像采集系统的硬件电路部分以a r m 处理器为核心，整个系统可分为：图像信号处理模块、变焦驱动模块、照明系 统模块三个部分。 3 1 开发平台简介 虹膜图像采集系统需要a r m 芯片对各个模块进行控制并对采集的图像信 号进行处理。而s 3 c 2 4 4 0 a 最大的优势就是整合了众多的普通接口功能并且自 带有c a m i f ( c a m e r ai n t e r f a c e ) 模块，提供2 0 针的c a m e r a 接口，通过此c a m e r a 接口与外部的图像传感器相连，搭建接口电路简单方便，可缩短系统的设计周 期。同时s 3 c 2 4 4 0 a 可挂载l i n u x 操作系统，有利于系统的功能的扩展和后续 开发。因此，本课题选择了一块飞凌公司的三星$ 3 c 2 4 4 0 a 开发板作为开发平 厶 口。 开发板具有如下功能模块和接口： a r m 9 2 0 t 的内核，4 0 0 m 主频； 虚拟内存管理单元( m m u ) ； 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e ； l c d 控铝0 器； 4 路d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) ； 2 路s p i 和3 路u a r t ； i i c 总线接口，i i s 和a c 9 7 音频接口： s d 接口，1 个u s bd e v i c e 接口和2 个u s bh o s t 接口； 8 路1 0 位a d c 触摸屏接口； r t c 模块； c a m e r a 接口； 4 通道p w m 定时器和l 通道内部定时器看门狗定时器； 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口； 标准数字视频接口： 1 3 0 位通用i o 端口和2 4 路外部中断源； 电源管理，片上时钟发生器； 虹膜图像采集系统的图像信号处理模块主要用到$ 3 c 2 4 4 0 a 的c a m i f 模 块和i i c 总线接口。$ 3 c 2 4 4 0 a 的c a m i f ( c a m e r ai n t e r f a c e ) 单元由以下七部分 构成：图像处理多路选择器( p a t t e r nm u x ) ，特殊功能寄存器s f r ( s p e c i a lf u n c t i o n r e g i s t e r ) ，捕获单元；( c a p t u r i n gu n i t ) ，编码方式缩放器( c o d e cs c a l e r ) ，预览方式 缩放器( p r e v i e ws c a l e r ) ，编码d m a ( c o d e cd m a ) ，预览d m a ( p r e v i e wd m a ) 。 1 0 c a m i f 所支持的8 位y c b c r 视频格式符合i t u rb t 6 0 1 6 5 6 数字视频标 准，最大的输入像素大小为4 0 9 6 宰4 0 9 6 ( 即可达到17 0 0 m e g ap i x e l s ) ，内置有两 个缩放器( s c a l e r ) ：预览缩放器( p r e v i e ws c a l e r ) 专门用来产生比r g b 格式更小 的图像，即截取采集图像的一部分( p i p , p i c t u r ei np i c t u r e ) ，主要用来显示当时 摄像头采集到的图像，相当于摄像机的视频功能：编码缩放器( c o d e cs c a l e r ) 专 门用来产生有利于编码形式的图像数据y c b c r 4 ：2 ：0 或4 ：2 ：2 ，经此缩放器产生 的图像保持有原始性，也就是可用来进行编码，储存以供匹配作用。 一w 仨三= 图3 1c a m i f 的接口顺序 两个图像缩放器各连接一路d m a 通道，即p - 通道( p r e v i e wp a t h ) 和c - 通道 ( c o d e ep a t h ) ，两条通道分别连接到a h b ( a d v a n c e dh i g hp e r f o r m a n c eb u s ) 系统 总线上。因为采用d m a 方式可以通过系统总线将数据直接送往内存，所以提 高了对数据的读取速度。同时，由于减少了