（信号与信息处理专业论文）虹膜识别算法研究与系统设计.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着信息技术的快速发展，信息安全成为当今社会需要解决的个重要问题， 而准确可靠的身份鉴别又是信息安全的一个重要方面。基于生物特征的身份识别 技术因具有区别于传统身份鉴别方式的可靠性高、不会遗失或忘记、使用方便等 特点越来越受欢迎。其中虹膜识别以其高可靠性、稳定、不易伪造、非接触采集 等特点成为最有前景的生物识别技术之一。目前性能较好的虹膜识别系统因体积 庞大、价格昂贵等原因不易推广。 得益于光电技术的高速发展，高品质图像采集变得相对容易。c m o s 数字图像 传感器分辨率已经达到数百万像素。嵌入式技术的发展和嵌入式系统处理能力的 大幅度提高使虹膜识别系统的小型化实现成为可能。基于n i o si i 的嵌入式系统因 其先进的s o p c 架构以及高密度的f p g a 资源的支持使其成为嵌入式系统的理想解 决方案之一。 论文在分析研究虹膜识别技术和f p g a 技术的基础上，针对目前大多系统因虹 膜采集困难、体积庞大、价格昂贵等导致系统使用受限、不易推广等问题，提出 了基于n i o si i 嵌入式的虹膜识别方案。在算法设计上，提出了基于边界点搜索和 奇异边界点舍弃机制的虹膜定位算法，实现快速准确的虹膜定位；以f p g a 硬件加 速的方式实现运算量极大的基于g a b o r 滤波的特征提取算法，保证了系统的可靠 性和实时性，实现了虹膜识别算法的优化设计。在系统设计上，采用s o c 设计思 想，基于f p g a ，完成了虹膜识别系统处理板、虹膜采集设备设计以及系统显示模 块、p s 2 键盘模块等接口电路设计。系统具有虹膜训练、虹膜识别和虹膜库管理 等功能。系统采集的虹膜图像质量较好，l c d 能够显示动态虹膜图像、开机画面和 各种系统提示信息。 完成的虹膜识别系统具有成本低、操作简单方便，实时性高、可靠性好等特 点。系统测试中虹膜识别过程平均耗时o 3 秒，虹膜训练过程平均耗时o 2 秒， 在对百余人次的测试中系统识别率为9 4 ，拒识率为6 ，误识率为0 ，达到了预 期设计目标。 关键词：虹膜识别，虹膜定位，g a b o r 滤波，s o p c ，n i o s 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ei n f o r m a t i o n a lt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o ns e c u r i t y h a sb e c o m ea l lu r g e n tp r o b l e mn e e dt ob es o l v e dn o w a d a y s a c c u r a t ea n dr e l i a b l e i d e n t i f i c a t i o ni sa l li m p o r t a n ta s p e c to fi n f o r m a t i o ns e c u r i t y i nr e c e n ty e a r s ，t h e i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sh a sd e v e l o p e dr a p i d l y s u c ha sf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n , i r i sr e c o g n i t i o n , v o i c er e c o g n i t i o n , f a c er e c o g n i t i o na n d s oo n c o n t r a s t 、) i ，i mt r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o d s ，t h ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y b a s e do nb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sh a sh i g h e rr e l i a b i l i t y , w i l ln o tb el o s to rf o r g o t t e n , e a s yt ou s ea n ds oo n i ti sm o r ea n dm o r ep o p u l a r i r i sr e c o g n i t i o nb e c o m e so n eo ft h e m o s tp r o m i s i n gi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g i e sb yi t sh i g l lr e l i a b i l i t y , s t a b i l i t y , d i f f i c u l t yt o c o u n t e r f e i ta n dn o n - c o n t a c ta c q u i s i t i o n b u ti r i sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sd i f f i c u l tt o i m p l e m e n td u et ot h ed i f f i c u l ta c q u i s i t i o no fi r i si m a g ea n dt h ec o m p l e xa l g o r i t h m s p r o c e s s a tp r e s e n t , t h e r ea l es e v e r a ls u c c e s s f u ld e v e l o p e di r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m s b u t t h e ya l ed i f f i c u l tt op r o m o t eb e c a u s eo ft h e i rl a r g es i z e ，h i g l lc o s ta n ds o m eo t h e r r e a s o n s b e n e f i t i n gf r o mt h er a p i dd e v e l o p m e n to fp h o t o v o l t a i ct e c h n o l o g y , h i g h q 砌i t y i m a g ea c q u i s i t i o nh a sb e c o m er e l a t i v e l ye a s y c m o sd i 【g i t a li m a g es e n s o rr e s o l u t i o n h a sr e a c h e dt h en u m b e ro fm e g a p i x e l s t h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g ya n d s i g n i f i c a n t l yi m p r o v e de m b e d d e ds y s t e m sp r o c e s s i n ga b i l i t ym a k ei r i sr e c o g n i t i o n s y s t e mi m p l e m e n ti ns m a l ls i z ep o s s i b l e b e c a u s eo fi t sa d v a n c e ds o p ca r c h i t e c t u r e a n dt h es u p p o r to fh i g h d c n s i 哆f p g ar e s o u r c e s ，n i o si ie m b e d d e ds y s t e mb e c o m eo n e o ft h ep e r f e c te m b e d d e ds y s t e mr e s o l u t i o n a f t e rt h ea n a l y s i so f i r i sr e c o g n i t i o na n df p g at e c h n o l o g y ，t h i sp a p e rp r o p o s e dt h e i r i sr e c o g n i t i o ns y s t e md e s i g np r o g r a mb a s e do nn i o si if o r t h ep r o b l e m ss u c ha s l i m i t e du s i n ga n dd i f f i c u l tp r o m o t i n gb e c a u s eo ft h ed i f f i c u l t i e si ni r i sa c q u i s i t i o n , t h e l a r g es i z e ，a n dh i 曲p r i c eo ft h ec u r r e n ti r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m a sf o ra l g o r i t h md e s i g n , t h i sp a p e rp r o p o s e daf a s ta n da c c u r a t ei r i sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mb a s e do nb o u n d a r y p o i n ts e a r c ha n ds i n g t f l a rb o u n d a r yp o 硫d i s c a r dm e c h a n i s ma n du s et h em e t h o do f f p g ah a r d w a r ea c c e l e r a t i o nt oa c c o m p l i s ht h e f e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h mb a s e do n g a b o rf i l t e r i n g i r i sr e c o g n i t i o na l g o r i t h ma c h i e v e do p t i m a ld e s i g na n dt h i se n s u r e s s y s t e mr e l i a b i l i t ya n dr e a l t i m e a sf o rs y s t e md e s i g n , w i t ht h ei d e ao fs o cs y s t e m d e s i g n , t h i sp a p e rd e s i g n e di r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mb o a r d , i r i sc a p t u r ed e v i c ea n d 重庆大学硕士学位论文英文摘要 i n t e r f a c ec i r c u i to fs y s t e md i s p l a ym o d u l e ，p s 2k e y b o a r dm o d u l ea n do t h e rm o d u l e s c o m p l e t e d i r i s r e c o g n i t i o ns y s t e mh a si r i st r a i n i n g ，i r i sr e c o g n i t i o n ，i r i s b a s e d m a n a g e m e n tf u n c t i o n s t h eq u a l i t yo ft h ei r i si m a g ec a p t u r e db yt h es y s t e mi sg o o d t h el c dc a nd i s p l a yd y n a m i ci r i si m a g e ，b o o ts c r e e na n dv a r i o u ss y s t e mi n f o r m a t i o n c o m p l e t e di r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha ss m a l lb e a u t i f u l a p p e a r a n c e ，e a s yo p e r a t i o n , f u l l f e a t u r e d ，h i g hr e a l - t i m e ，b e t t e rr e l i a b i l i t ya n ds oo n t h ea v e r a g ec o n s u m et i m eo ft h es y s t e ma r e0 3s e c o n d si nr e c o g n i t i o np r o c e s sa n d0 2 s e c o n d si nt r a i n i n gp r o c e s s a n dt h es y s t e mh a s9 4 r e c o g n i t i o nr a t e ，6 r e j e c t i o nr a t e a n do e r r o rr a t ei nt h et e s t i n go fm o r et h e nh u n d r e dp e r s o n - t i m e k e y w o r d s ：i r i sr e c o g n i t i o n , i r i sl o c a t i o n , g a b o rf i l t e r i n g ，s o p c ，n i o si i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的且士学位论文虹隧迟别篡选盟究生丕统逯让是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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己经发表或撰写过的研究成果。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 袜旋畸 俩节 i 签字日期：夕，7 莎4 签字日期：2 - 口7 6 i t 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的且士学位论文虹堕迟型箕鎏硒塞皇丕统逡 过提交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n k i ) 在中国博士学位论文全 文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文 全文数据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学 位论文全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编 入c n k i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和 在互联网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权 重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或 部分内容。 作者签名： 斗丈乒 导师签名： 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是 坌珏 ，涉密期限至年一月一f 1 。 说明：本声明及授权书：岖装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文绪论 1 绪论 1 1 虹膜识别技术简介 虹膜识别技术是是种生物特征识别技术。生物特征识别技术是随着光电技 术、微计算机技术、圈像处理技术与模式识别等技术的快速发展而出现的一种新 的身份验证技术。人体生物特征识别技术是指利用人的独特的生理及行为特征进 行鉴别的身份验证技术手段。目前，常用的生物特征识别技术所用的生物特征有 基于生理特征的如人脸、指纹、虹膜，也有基于行为特征的如笔迹、声音等。虹 膜识别技术是利用人眼中的虹膜纹理特征进行身份验证的技术。 虹膜作为重要的身份验证特征，具有唯一、稳定、可采集、非侵犯性等特点， 与指纹、语音等特征相比具有更高的可靠性据统计虹膜识别的错误率是现有各 种生物特征识别技术中最低的。 圈l1 是采集的一幅人眼特写图片，图中可【= 王看到虹膜是位于深黑色瞳孔与浅 色巩膜间的圆环，有着极其丰富的纹理，纹理总体呈现为由内向外的放射状结构， 纹理中分布着医学上称为斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等的细节特征，这些特 征是在人出生以前就已经形成，当人成长到两岁左右虹膜就基本发育完全，进入 相对稳定时期，除非对象在精神或身体上受到大的创伤导致虹膜的改变。另外因 为虹膜是位于角膜后面的内部组织，很难实现在不破坏视力的情况下进行手术方 式人为改变。因此虹膜具有高度的唯一性和稳定性，这决定了虹膜识别具有可靠 性高，稳定性好等特点。 圈】1 跟特写图 f i g 】lp i c t u r e o f e y e 重庆大学硕士学位论文1 绪论 虹膜识别的基本原理就是用一定的规则提取虹膜纹理中的特征作为识别对象 的特征码，将系统合法人员进行训练后得到特征库，然后就可以根据用同一规则 提取的特征码与特征库中的特征码比对来确定对象是否为系统合法用户以及对象 的具体身份。 虹膜识别等生物识别技术可以弥补很多传统身份验证手段存在的缺点和问 题，比如使用虹膜识别的门禁系统就不用担心忘带钥匙进不了门，用虹膜识别的 存款机可以不担心遗忘密码或密码被盗等带来的麻烦。虹膜识别技术与其他生物 识别技术相比也有着更加可靠，更加稳定的优点。因此虹膜识别有着广泛的应用 领域，包括：1 ) 高端门禁：国家机关、企事业单位、科研机构、高档住宅楼、银 行金库、保险柜、枪械库、档案库、核电站、机场、军事基地、保密部门、计算 机房等的出入控制；2 ) 公安刑侦：流动人口管理、出入境管理、身份证管理、驾 驶执照管理、嫌疑犯排查、抓逃、寻找失踪儿童、司法证据等；3 ) 医疗社保：献 血人员身份确认、社会福利领取人员、劳保人员身份确认等；4 ) 网络安全：电子 商务、网络访问、电脑登录等；5 ) 其它应用：考勤、考试人员身份确认、信息安 全等。随着远距离虹膜图像获取技术的成熟以及识别算法性能的进一步提升，虹 膜识别应用于日常生活已经成为可能。 1 2 虹膜识别技术的发展 虹膜识别技术有着悠久的历史，其发展大致可分为三个阶段。 第一阶段：理论提出阶段。最早的记录是1 8 8 5 年，法国人a l p h o n s eb e r t i l l o n 在巴黎的刑事监狱中尝试利用虹膜进行标试和识别犯人。到了1 9 8 7 年，两位眼科 专家a r a ns a f i r 和l e o n a r df l o r a 正式提出了人的虹膜具有唯一的特征，可以作为身 份识别的依据，并获得虹膜识别概念的专利。 第二阶段：理论研究阶段。这个阶段的主要代表是1 9 9 3 年英国剑桥大学的j o h n d a u g m a n 博士提出的一套基于数字图象处理的二维小波编码虹膜纹理的识别算 法，他开创性的工作使得自动的虹膜识别成为可能。随后大量的虹膜识别理论在 此基础上不断提出和发展，并取得了较大的进展。 第三阶段：实际应用发展阶段。近年来一些发达国家投入大量的资金和研究 人员进行虹膜识别技术研究，已经有一些产品问世，如具有虹膜识别功能的自动 提款机、出入口虹膜识别系统等。另外在美国已经将虹膜识别系统应用在机场人 员监控，这些代表着虹膜识别技术的进一步成熟。 虽然现在的虹膜识别技术已经日趋成熟，但现在的虹膜识别产品种类少，且 大多数有着体积庞大、价格昂贵等特点。 2 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 3 虹膜识别技术的国内外现状 近年来国际上随着反恐，信息安全需求的提高，以美、英为代表的西方发达 国家纷纷出台了多项围绕生物特征身份认证技术开发的大型信息安全应用项目。 美国国土安全部规定进入美国的外国人须持有附有指纹和虹膜等生物特征的护 照，国会现已确定从2 0 0 5 年开始，英国、西班牙、澳大利亚和日本等2 7 个免签 证国家启用新型生物护照，将旅客的指纹和虹膜扫描图片等信息存在护照的芯片 中。英国计划开发一种含有生物识别技术的智能身份证，这种新型的智能身份证 将对反恐起到关键作用，该智能身份证件里包含远距离虹膜、指纹识别数据等信 息，它可以控制犯罪、打击恐怖主义及非法移民。而德国更是率先在机场实施基 于虹膜识别技术的新式护照系统。商业应用上，目前也有许多国外的高新技术公 司正在试图用虹膜、指纹、面貌特征等取代人们手中的信用卡或密码，并且已经 开始在机场、银行和各种电子器具上进行了实际应用。美国一家高技术公司研制 出的虹膜识别系统已经应用在美国得克萨斯州联合银行的三个营业部内。储户来 办理银行业务，无须银行卡，更没有回忆密码的烦恼。上述西方发达国家对虹膜 识别产品的研制和应用已充分代表了各国政府大力推广虹膜等基于生物特征身份 识别技术的决心以及此类新技术终将成熟应用于各个领域不可阻挡的趋势。 国内，原中国科学院计算技术研究所副所长王介生教授在研究创新数学方法 的基础上，发展出了我国自己的虹膜识别技术，于1 9 9 7 年印申请了发明专利和实 用新型专利，成为我国虹膜识别领域最早的专利技术。此后数年来，王介生教授 及其带领的技术团队经过多年潜心研究，逐一解决了面向不同人种虹膜识别技术 中的关键问题，在完善核心技术的同时，形成了完整的产品技术，成功实现了产 品化。产品在准确性、实用性和生产成本方面都具有显著优势。产品在信息安全 和门禁、考勤等方面针对大规模人群的成功应用，向社会证明了虹膜识别产品不 仅能满足社会安全的需要，更是信息安全领域迫切需求的产品。同时也说明我国 在这样一个学术难度大、技术门槛高、应用需求迫切的高新技术领域，现已拥有 先进的自主技术和系列化产品，并在虹膜识别应用领域独立开拓出了国外产品几 乎没有的虹膜识别信息安全这一全新市场。中国科学院自动化所模式识别国家重 点实验室也是国内最早从事虹膜识别研究的单位之。从1 9 9 9 年起，该实验室的 生物识别研究小组就开始了这方面的相关研究，而且于2 0 0 1 年开发出了具有我国 自主知识产权的虹膜识别原型系统，获得了国家三项专利。另外华中国防科技大 学和浙江大学也在这方面的研究取得了一定的成果。一些国内科研人员也一直在 探索和研究并提出了一些新的虹膜识别算法，比较典型的有谭铁牛等提出的基于 各向同性的g a b o r 滤波器的虹膜识别算法，康浩等在d a u g m a n 的工作基础上提出 的一种新的虹膜纹理的相位编码方法。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 4 本文研究的主要内容 本文旨在学习和研究最新的虹膜识别技术，以一些较为成熟的虹膜识别算法 为基础，改进并设计一套适合嵌入式系统实现的虹膜识别算法并在基于f p g a 的 嵌入式系统中实现，另外设计制作一个采集方便，采集效果较好的虹膜采集装置， 最终完成一个完整的嵌入式虹膜识别系统的设计和制作。 本文研究的主要内容包括： 1 ) 虹膜采集装置的设计和制作。虹膜采集装置是虹膜识别系统中极为重要的 一个部分，设备采集到的虹膜图像质量的好坏一定程度上直接影响了系统的好坏。 本系统的虹膜采集装置的设计主要是选择一款合适的摄像头进行改装，使之可以 保证虹膜图像质量的情况下方便的进行虹膜采集并将图像数据传给处理器，主要 需要考虑设备图像分辨率、光路、焦距、外型等问题。 2 ) 虹膜识别算法的研究和设计。虹膜识别算法主要包括虹膜定位、虹膜图像 的归一化展开、虹膜特征提取和虹膜特征匹配等算法处理模块。虹膜定位顾名思 义是为了确定虹膜部分图像区域在采集器采集到的虹膜图像中的位置，这里是利 用虹膜有着近似几何圆形的内外边沿进行定位的，也就是确定虹膜内圆圆心和半 径以及虹膜外圆圆心和半径实现虹膜定位。当前已经有研究人员提出了一些行之 有效的虹膜定位算法，本文需要对各种算法进行研究和验证，并结合本系统的特 点设计一种定位即快速又可靠的算法。虹膜图像的归一化展开是利用虹膜定位的 信息将虹膜区域的图像提取并展开成固定大小的长方形图像，一方面是为了消除 虹膜因瞳孔伸缩引起的变形，另一方面是方便后续算法处理。虹膜特征提取是虹 膜识别算法的核心，也是最为复杂的一部分，是通过算法处理将一个虹膜图像区 别与其他虹膜图像的特征信息以特征码的方式提取出来。当前也已经有一些特征 提取理论，本文需要通过研究和验证，分析各种算法理论的优缺点，通过优化和 改进得到一套适合本系统的虹膜特征提取算法。 3 ) 虹膜识别嵌入式平台的设计和制作。本文通过先分析评估虹膜识别系统的 指标要求，虹膜识别软件算法对硬件平台的要求，然后就性能、成本等方面比较 a r m ，d s p ，f p g a 等几种可能的硬件平台设计方案，最终确定采用当下较为流行 的嵌入式硬件设计方案，即在f p g a 中嵌入n i o s i i 软核处理器的嵌入式方案。 n i o s i i 软核处理器有着不错的性能并可以方便的裁减和添加各种接口模块，他为软 件算法提供了运行平台。n i o si i 软核处理器外部大量的f p g a 资源可以方便的实 现很多其他嵌入式系统无法实现的功能模块，这些功能模块可以是显示扫描、键 盘扫描等相对独立的接口模块，也可以是辅助进行大量并行算法处理的硬件加速 模块。相对与其他几种方案，该方案有着高性能，低成本，设计灵活，开发周期 短等特点。完成一个完整的基于n i o si i 的虹膜识别嵌入式平台的设计和制作需要 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 完成虹膜采集接口电路、键盘接口电路、显示接口电路、以及n i o si i 嵌入式系统 本身电路设计，然后完成硬件制作和调试，并完成各个外设接口模块的设计。 4 ) 虹膜识别算法在嵌入式平台上的实现与优化设计。虹膜识别算法在嵌入式 平台上的实现与优化设计过程是指将虹膜识别的全套软件算法移植到n i o si i 嵌入 式平台上实现，然后进行软件优化，并针对性的对一些耗时大的软件程序进行硬 件加速处理使系统实时性达到可以接受的程度。 1 5 本章小结 本章介绍了虹膜识别技术的原理、虹膜识别技术的发展历史以及国内外现状， 并分析了虹膜识别技术的特点，为本文进行虹膜识别系统的设计和制作打下良好 的基础。通过对虹膜识别技术的现状分析，指出现在虹膜识别技术存在的问题和 不足也为本文的研究提供了很好的借鉴和参考。最后还简单介绍了下本文研究的 主要内容，指出本文研究的重点和难点。 5 重庆大学硕士学位论文2 嵌入式虹膜识别系统总体方案 2 嵌入式虹膜识别系统总体方案 2 1 系统方案比较 虹膜识别系统具有处理算法复杂、运算量大、实时性要求高等特点，因此大 多数虹膜识别系统以高性能的计算机为算法处理平台，这样在系统完整实现上只 需要添加虹膜采集装置就可以构成一个虹膜识别系统。这样的虹膜识别系统具有 成本高、体积庞大等缺点。随着光电技术和嵌入式技术的发展，使用合适的图像 传感器制作虹膜采集装置，在嵌入式平台实现自动虹膜识别系统是可行的，这样 就可以实现廉价、小巧的虹膜识别系统，可以方便的应用到更多的场合。于是本 文以学习和研究最新虹膜识别算法，设计并开发一个完整的嵌入式虹膜识别系统 为目的。为了选择一个合适的嵌入式系统方案，现对几种常用的嵌入式系统实现 方案进行分析。 1 ) a r m 等单芯片处理器嵌入式系统。当前嵌入式处理器种类繁多，应用广 泛，但由于本系统对处理器的运算能力要求高，而且虹膜图像采集设备和显示扫描 等外设不间断的工作成为普通嵌入式处理器不能承受的负担。另外这样的系统在板 级设计前需要对采用的处理器进行严格的评估来确保其能满足系统需求，开发周期 较长，灵活性差。 2 ) a r m 等单芯片处理器与d s p 或f p g a 相结合的多芯片嵌入式系统。这样 的系统具有强大的系统处理能力，d s p 或f p g a 可以作为协处理器辅助完成许多 d s p 运算或接口扫描等工作，大大提高主处理器的效率，但是这样的系统硬件相 对复杂，开发难度较大，成本较高。 3 ) 基于s o p c ( s y s t e m o n - a - p r o g r m n m a b l c c h i p ) 嵌入式系统。s o p c 即可编 程片上系统，是一种特殊的嵌入式系统，是新提出的一种在f p g a 芯片上嵌入软 核处理器实现嵌入式系统的全新架构。s o p c 嵌入式系统具有灵活的设计方式，可 裁减、可扩充、可升级，并具备软硬件在系统可编程的功能。另外有丰富的处理 器接口提供使用，也可以灵活的使用f p g a 编程接口，设计中可以使用丰富的i p c o r e 资源，丰富的片上可编程逻辑资源为硬件算法加速提供了条件。采用s o p c 嵌入式系统既可以满足虹膜识别系统对接口的需要，也可以保证完成繁重算法处 理。 经过比较几种嵌入式系统结构方案后最后选定采用s o p c 嵌入式系统来进行 设计。 6 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式虹膜识别系统总体方案 2 2 嵌入式虹膜识别系统结构 本文设计虹膜识别系统具有虹膜训练、虹膜识别、虹膜特征库管理功能。整 个系统的功能结构大致如图2 1 所示，系统通过拨盘设置方式确定工作模式，通过 键盘输入进行选择操作和信息输入，通过液晶显示屏显示各个步骤信息和结果。 对应系统的虹膜训练、虹膜识别、虹膜特征库管理三个功能系统有三种运行模式。 下面分别说明三个运行模式的处理过程。虹膜训练模式：在该模式下系统会要求 识别对象采集虹膜图像，系统在开始采集图像后会进行图像质量的评估，当确定 采集到一幅清晰、可靠的虹膜图像后停止采集，然后通过一系列的虹膜识别算法 处理得到该图像的虹膜特征码，系统会要求输入虹膜对象的信息，最后把输入虹 膜对象的信息与虹膜特征码一起组成一条完整的虹膜对象数据，并保存到虹膜特 征库，也可以选择进行多次训练保证系统的可靠性。虹膜识别模式：在该模式下 系统会要求识别对象采集虹膜图像，系统在开始采集图像后会进行图像质量的评 估，当确定采集到一幅清晰、可靠的虹膜图像后停止采集，然后通过一系列的虹 膜识别算法处理得到该图像的虹膜特征，接着系统使用得到的特征与虹膜库中的 特征进行匹配，最后显示匹配结果，如果有与识别对象特征匹配的则显示对象信 息，否则提示识别对象为非法用户。虹膜特征库管理模式：该模式只有具有特定 权限的管理员可以进入，在该模式下可以进行特征库的浏览，对象删除等操作。 图2 1 系统功能结构框图 f i g2 1s y s t e mf u n c t i o na r c h i t e c t u r eb l o c k - d i a g r a m 确定以上的系统工作模式后就可以确定系统结构框图如图2 2 所示。其中基本 7 重庆大学硕士学位论文 2 嵌入式虹膜识别系统总体方案 n i o s i i 嵌入式系统包括f p g a 芯片以及外围的配置电路、调试接口、晶振电路、 s r a m 、s d r a m 、f l a s h 等。f p g a 中内嵌的n i o si i 软核处理器是整个系统的核 心，n i o si i 软核处理器不但控制整个系统的运行，还负责系统的大部分算法处理。 为了n i o si i 软核处理器能够进行各种数据量较大的数据处理，系统使用大容量的 s d r a m 作为处理器的程序和数据空间。n i o s i i 处理器内部采用灵活高效的a v a l o n 总线结构，n i o s i i 系统的所有外设都是通过a v a l o n 总线与n i o s i i c p u 相接的。 n i o si ic p u 通过a v a l o n 总线与外界进行信息传递和数据传输。a v a l o n 总线具有接 口简单，使用灵活，功能强大等特点。用户可以直接添加s o p c 系统库提供的 a v a l o n 外设，也可以添加按照a v a l o n 总线规范设计用户定制外设。定制的外设可 以是用户接口模块也可以是硬件算法处理模块。这样系统就可以方便地进行接口 扩展，设计大量的硬件算法处理模块实现算法的硬件加速。更多关于a v a l o n 总线 的内容参见a l t e r a 公司的a v a l o n 总线接口规范【l 】。 图2 2 系统结构框图 f i g2 2s y s t e ma r c h i t e c t u r eb l o c k - d i a g r a m 2 3 本章小结 本章明确了系统的设计方案，确定了系统的工作模式，分析了系统的结构和 系统设计方法。这对系统的硬件设计和软件设计都有很好的指导意义。 8 重庆大学硕士学位论文 3s o p c 系统开发 3s o p c 系统开发 3 1s o p c 技术简介 在美国a l t e r a 公司2 0 0 0 年最早提出s o p c 的概念以来，可编程逻辑器件密度 的不断提高，芯片规模的扩大和性能的提升为s o p c 技术提供了物质基础，同时 先进的工具的出现极大地提高了开发人员的工作效率，知识产权得到充分认识， 更多的设计人员以重用的方式对现有的口核加以充分利用，从而提高设计效率并 缩短上市时间。近年来可编程逻辑器件价格的平民化也使得s o p c 嵌入式系统得 到越来越广泛的应用。s o p c 技术是一门全新的综合性技术，a l t e r a 公司的n i o s i i 系列3 2 位嵌入式处理器具有超过i o o d m i p 的性能，在f p g a 中实现成本非常 低廉，而且处理器是软核形式，具有很大的灵活性。n i o si i 软核c p u 与s o p c 技 术实现了完美结合，基于n i o si i 软核的s o p c 系统设计方法彻底颠覆了传统的嵌 入式系统设计理念，软硬件协同设计思想更是从整体设计上对嵌入式系统设计起 了极大的推动作用。 经过多年的发展，当前a l t e r a 公司的s o p c 系统设计工具s o p cb u i l d e r 支持 的p 越来越丰富，嵌入式处理器也有了更多的选择，它们是a l t e r an i o s i i 处理器 内核、a r mc o r t e xm 1 以及现在的f r e e s c a l ev 1c o l d f i r e 处理器。设计人员现在使 用s o p cb u i l d e r 工具时，可以选择f r e e s c a l e 、a r m 或者a l t e r a 软核处理器以及 5 0 多种其他的知识产权( 口) 模块。 3 2 基于n i o si i 的s o p c 系统软硬件设计 在f p g a 上嵌入软核c p u 实现嵌入式系统改变了以往以单片机或是d s p 为主 的嵌入式系统设计理念，它使f p g a 与微处理器、d s p 数字信号处理模块完美的 结合在一起，处理器的完全可定制和重新配置特性使设计人员可以灵活地设计和 建立最适合需要的嵌入式系统。同时基于技术的软硬件协同设计思想，极大地促 进了现代嵌入式系统的设计，降低了系统开发的成本，缩短了系统开发周期。新 的设计理念有着新的设计方法，本节对基于n i o s i i 的嵌入式设计方法进行简要的 介绍。主要包括s o p c 系统的硬件设计和s o p c 系统的软件设计，本节描述的硬 件设计是指q u a r t u si i 下用基于硬件描述语言的n i o si i 处理系统硬件设计，软件设 计是指运行在设计完成的n i o si i 处理系统上的c 语言程序设计。 3 2 1n i o si i 处理器核心结构 n i o si i 处理器核心是实现处理器指令集以及实现处理器其他相关功能单元的 硬件结构，核心本身并不包括处理器的外设以及与外设相连的a v a l o n 总线。处理 9 重庆大学硕士学位论文 3s o p c 系统开发 器的结构框图如图3 1 所示。 时钟信号 复位信与 c p it 复位请求 c p u 复位接受 j t a g 软件调试接口 n i o s1 1 处理器核心 到薹塞 j t a g i 飓抓，土服 塑堕攀鉴r 丽 r q l 3 1 。0 1 一 l ! 堑望型堡 用户信号叫用主黔 运算 逻辑单元 图3 1n i o si | 处理器核心结构框图 f i g3 1n i o s i ip r o c e s s o rc o r eb l o c k - d i a g r a m 外部 指令存储器 指令总线 数据总线 外部 数据存储器 图中可以看到处理器内部用户可见的单元有： 1 ) 寄存器文件； 2 ) 运算逻辑单元； 3 ) 用户自定义指令接口逻辑； 4 ) 异常控制器； 5 ) 中断控制器； 6 ) 指令总线； 7 ) 数据总线； 8 ) 内存保护单元； 9 ) 内存管理单元； 1 0 ) 指令和数据缓存； 1 1 ) 外部指令和数据存储器接口； 1 2 ) j t a g 调试模块； 可以看到n i o si i 处理器与一般处理器不同的是具有用户自定义指令接口逻 辑，也就是用户可以根据自己的软件算法需要使用f p g a 硬件资源设计一些功能 模块接入n i o si i 处理器作为自定义指令使用。这是提高n i o si i 处理器性能的一条 非常有效的途径。有关更为详细的n i o si i 处理器内部单元的可以参考a l t e r a 公司 1 0 重庆大学硕士学位论文 3s o p c 系统开发 的n i o si i 处理器参考手册闭。 3 2 2a v a l o n 总线介绍 a v a l o n 总线是s o p c 系统模块互联的一种很好的解决方案。s o p c 系统中的所 有模块都挂接在a v a l o n 总线上，包括n i o si ic p u 、各种系统库口核、各种用户 硬件模块等。a v a l o n 总线是n i o s i ic p u 与外围设备，各外围设备间的控制信号 和数据的传递通道。进行用户定义接口和用户硬件加速模块的设计必须严格按照 a v a l o n 总线接口规范进行。下面是a v a l o n 总线的一些相关介绍。 a v a l o n 总线接口按照数据传输方式可以分为a v a l o n 地址映射接口( a v a l o n m m ) 和a v m o n 流模式接口( a v a l o n - s t ) 。a v a l o n m m 接口设计和使用更为方 便。a v a l o n s t 接口具有更高的传输效率。 a v a l o n 总线接口按控制关系可以分为a v a l o n 主接口( m a s t e r ) 和a v a l o n 从接 口( s l a v e ) 。m a s t e r 和s l a v e 主要的区别是对于a v a l o n 总线控制权的把握。m a s t e r 具有相接的a v a l o n 总线的控制权，而s l a v e 接口是被动的。n i o si ic p u 就是典型 的m a s t e r 。常用的a v a l o n 的传输结构有：a v a l o n 总线主读( m a s t e rr e a d ) ，a v a l o n 总线主写( m a s t e rw r i t e ) ，a v a l o n 总线从读( s l a v er e a d ) ，a v a l o n 总线从写( s l a v e w r i t e ) 。这些传输模式的具体时序关系参见a l t c r a 公司的a v a l o n 总线接口规范【1 1 。 a v a l o n 总线的特点有： 所有外设的接口与a v a l o n 总线时钟同步，不需要复杂的握手应答机制。这 样就简化了a v a l o n 总线的时序行为，而且便于集成高速外设。a v a l o n 总线以及整 个系统的性能可以采用标准的同步时序分析技术来评估。 所有的信号都是高电平或低电平有效，便于信号在总线中高速传输。在 a v a l o n 总线中，由数据选择器( 而不是三态缓冲器) 决定哪个信号驱动哪个外设。因 此外设即使在未被选中时也不需要将输出置为高阻态。 为了方便外设的设计，地址、数据和控制信号使用分离的、专用的端口。 外设不需要识别地址总线周期和数据总线周期，也不需要在未被选中时使输出无 效。分离的地址、数据和控制通道还简化了与片上用户自定义逻辑的连接。 a v a l o n 总线还包括许多其他特性和约定，用以支持s o p cb u i l d e r 软件自动生 成系统、总线和外设，包括： o a v a l o n 总线具有最大4 g b 的地址空间，存储器和外设可以映射到3 2 位地 址空间中的任意位置 a v a l o n 总线内黄地址译码，可以自动产生所有外设的片选信号，极大地简 化了基于a v a l o n 总线的外设的设计工作 a v a l o n 总线支持多主设备总线结构，总线上可以包含多个主外设，并自动 生成仲裁逻辑 重庆大学硬士学位论文3s o p c 系统开发 a v a l o n 总线接口设计采用向导帮助用户配黄系统，软件根据配置参数自动 生成接口逻辑，方便用户设计。 a v a l o n 总线接口支持动态地址对齐