【毕业学位论文】基于DSP和ARM的虹膜识别系统设计及实现-信号与信息处理

电子科技大学硕士学位论文基于涛申请学位级别：硕士专业：信号与信息处理指导教师：解梅20090501摘要摘要生物识别技术是根据人体自身所固有的生理特征或行为特征来进行身份识别。与传统识别方法相比，生物特征的身份识别技术不存在携带不便、丢失、遗忘等问题。虹膜识别以其精确度高、稳定性好、高独特性、非接触等特点作为一种新兴的生物识别技术使它受到国内外研究人员的重视。近年虹膜识别理论的发展十分迅速，到目前为止已经有虹膜识别系统投入了商业应用，但大多数此类系统都需要是嵌入式应用是虹膜识别技术走向实际应用的必然趋势。因此本文提出了一个利用系统由6个模块组成：电源管理和监控、虹膜图像采集、虹膜图像处理(存储器(人机交互(及数据传输部分。在硬件设计方面介绍了解了软件设计方面介绍了利用外还介绍了如何基于后，文章对未来工作方向进行了简要的说明。关键词：虹膜识别系统，is on to O 011as it at n O tO of of is an of s a 11e of as as of In SP of n of to a to a RM a il of ey 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已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它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。签名： 通嗑关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分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应遵守此规定)签名： 用嘞 导师签名：日期：臼乡 年口R I 引言第一章绪论进入二十一世纪以来，随着生产力的发展，人类社会已经进入信息化社会。各种数字化、信息化的设备进入人们的日常生活中，给人们带来了极大的便利。但是随之而来的信息安全问题成为了快乐生活中的一块乌云，困扰这现代社会的人们。于是越来越多的基于生物特征的识别技术被人们用于银行系统，信息安全领域，而寻求一种准确、方便、有效的生物识别技术这一问题引起人们越来越多的关注。所谓生物识别技术是指应用图像处理的技术将人个体所特有的生理特征进行处理，并进行身份识别的技7魁11。目前应用比较多的生物特征识别技术有指纹、步态、虹膜与些生物特征之所以能用于特征识别是因为其具有以下特点：唯一性，每个人的这些生物特征是各不相同的，具有可以被区分识别的特性；不变性，这些生物特征不会因为人的成长而改变，一般这些生物特征在人类的幼年期就已经稳定，并且不容易被外界破坏；易获取性，生物特征还必须成为能被计算机所处理的图像数据，作为用于识别的物质基础。生物识别技术比传统的钥匙、身份证或者密码口令等具有更高的方便性和安全性，因为生物特征是每个人各异的，并且不易改变，所以生物特征不会像钥匙或者身份证一样被别人盗用或者像密码口令一样受到黑客攻击。虹膜是一种新兴的生物特征识别技术，据统计虹膜识别的错误率是生物特征识别中最低的121。根据英国国家物理实验室公布，虹膜识别是“最精确的”，“处理速度最快的以及“最难伪造的。”12虹膜识别技术121虹膜识别技术的特点虹膜识别有着无可比拟的优点：(1) 高独特性。在整个人类中，所有人的虹膜纹理完全相似的可能性小于10。5，就是说从人类诞生以来，没有两个人的虹膜纹理是完全一致的、任意两个虹电子科技大学硕士学位论文膜纹理所代表的数字特征是不同的，即使同卵双胞胎或者同一个人的两只眼睛，其虹膜纹理特征也不同。(2)高稳定性。虹膜处于眼睛内部，受到体液润滑，每次测试的环境相对稳定，不像指纹等会受到灰尘或者其他东西的影响。人的虹膜纹理在在婴儿时期已经发育完全，不会受年龄增长或其它因素的影响。除非发生病变等特殊情况，否则虹膜的纹理是不会产生改变。(3)防伪性。虹膜识别系统是基于眼睛的活体检测技术，在进行眼睛的定位的时候会首先监测眼睛瞳孔的收缩与扩展。而在指纹识别系统中，据报道橡胶指纹套可以有60的几率通过指纹识别系统。(4)无侵犯性：虹膜图像采集时无需去接触人体就能得到虹膜图像。与指纹识别相比，虹膜识别过程中不会与用户进行皮肤接触，避免了潜在的疾病传遍可能性，容易使用户产生安全感。12。2虹膜识别技术的国内外研究现状19世纪80年代，人们发现每个人的虹膜特征是不相同的，提出了使用虹膜作为身份识别的思想。但是在最近二十年来，虹膜识别才被广大科学家所研究。1987年，美国眼科专家1993年，英国剑桥大学的个算法作为虹膜识别的_个经典算法，对以后的算法起了很大的指导意义，是虹膜算法发展上的一个里程碑。在国内，虹膜识别的研究工作开始相对较晚。上海交通大学1998开始从事虹膜识别技术的跟踪研列41。2002年，中国科技大学的王蕴红，朱勇，谭铁牛给出了采用配采用方差倒数加权欧氏距离方法【5】。中科院自动化所已经完成了虹膜识别的实验室阶段的研究，并且申请了虹膜采集装置的专利，其成果处于国内领先地位。124虹膜识别技术的应用前景虹膜识别技术作为一项最为先进的生物识别技术得到了各个国家的关注。在安全监测要求最高的机场通关领域，美国新泽西州肯尼迪国际机场和纽约奥尔巴尼国际机场、德国柏林的法兰克福机场、荷兰史基浦机场以及日本成田机场安装了虹膜出入境管理系统。在一些特殊领域也有虹膜识别应用的场合：在阿富汗，2第一章绪论联合国难民署使用虹膜识别系统鉴定难民的身份；在阿联酋，将被驱逐的外国人使用虹膜注册，避免再次入境。根据国际组织预测虹膜识别的市场将在2012年变为10亿美元，随着电子商务领域的发展，这个数字还将扩大到百亿以上。13虹膜识别的基本原理图1个完整的虹膜识别算法由虹膜信息采集、质量评估、图像预处理、特征提取和编码，特征码后续处理五个部分组成。虹膜图像的预处理包括虹膜定位、归一化、图像增强等步骤。下面将分布描述其各个部分所负责的功能。3电子科技大学硕士学位论文131虹膜图像采集虹膜图像的获取是虹膜识别的第一个步骤，同时也是最重要的一个步骤，采集的虹膜图像质量直接关系到后续图像处理算法的实施。根据统计结论，虹膜大小一般为外径以为了使采集到得图像获得更多的虹膜的有效信息，虹膜摄像头的距离应该不能离眼睛过远，由于在红外光源下虹膜纹理会凸显出来，经验证明适合的距离为十几厘米左右。所以摄像头也需要加入红外光源，太强的红外光源会使虹膜下留下比较明显的光斑，太弱的红外光源又会使虹膜图像纹理不明显。虹膜摄像头的性能决定了整个虹膜采集系统的性能。132虹膜图像的评估虹膜图像采集完毕后，在图像处理之前就必须对采集到得虹膜进行质量评估。并不是所有采集到的虹膜图像都可以用来做虹膜算法处理的，质量评估的作用就是对采集到得图像进行鉴别，丢弃不清晰的虹膜图像，并且提示用户重新拍摄。133虹膜内外边沿定位虹膜定位是虹膜图像处理中最重要的一步，其作用就是在采集到得图像中选取出虹膜图像的区域。由于一般采集到得图像都会包含一些人脸、睫毛、瞳孔等区域，在进行虹膜编码之前必须将这些区域去除。人的虹膜区域为一环形区域，位于巩膜和瞳孔之间，虹膜定位算法通过虹膜的这一几何特性提取虹膜的内外边缘，内外边缘之间的区域就为虹膜区域。134虹膜图像归一化由于每次拍摄虹膜时候人眼与摄像头的距离是不完全一致的，并且人眼的瞳孔会随光线强弱进行收缩，所以拍摄到得虹膜大小也不一样，所以需要对虹膜图像进行归一化处理。135特征提取和编码以及后续处理当图像归一化完成后，就进入虹膜图像处理的环节。虹膜图像处理主要是针对采集到得图像进行特征值提取的过程。虹膜处理中提取出来的特征值表征了所属虹膜的唯一性的特征。为后续处理提供了物质条件。4第一章绪论在特征提取后就可以进行虹膜处理的后续操作，按照要求对虹膜信息进行注册或者匹配处理。14论文工作简介及章节安排在研究生学习期间我主要负责以下工作：(1)硬件部分。复杂整个硬件系统的设计以及调试工作。包括储器(音频接口、串行接口和责系统主板的2)软件部分。完成了系统的文的后面章节主要介绍了嵌入式虹膜识别系统的硬件平台的设计以及应用程序开发方法。每章的主要内容如下：第二章系统硬件设计方案主要介绍整个系统硬件平台的结构，围绕且对相应的模块做出简要分析，在最后提出作者对电路的抗干扰设计和硬件调试技巧的一点心得。第三章且讨论了利用绍了如何运用及利用四章基于单介绍了及相应的系统内核生成，并且介绍了后结合本系统分析了基于串口的应用程序编写实现。第五章总结总结全文，并提出了未来工作的方向。5电子科技大学硕士学位论文第二章系统硬件设计方案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。但大多数系统都需要计算机作为运行平台，本文提出了一种嵌入式虹膜识别系统的设计方案，具有速度快、体积小、功耗低、保密性强等优点。具体硬件结构框图如图21所示。图21虹膜识别系统硬件框图本系统主要划分为虹膜图像获取模块、虹膜信息处理模块、人机交互模块、数据通信模块以及电源管理模块等五个重要模块，本章将针对这五个主要模块，分别介绍模块中的芯片选型、在硬件上的实现及驱动程序设计等。其中膜信息处理模块；1虹膜图像获取模块虹膜图像的获取是虹膜识别中的第一步，也是非常重要的步骤。由于虹膜面积小，采集不方便，而且不同人种的虹膜颜色有着很大的差别，因此为了有效地进行虹膜特征提取和模式匹配，必须保证采集的有效性。在本文的实验系统中，我们采用了自行设计制作的虹膜采集仪，黑白分辨率为640480，实验中采集图像清晰，稳定，较好的达到了实验的要求。通常的图象处理硬件模块把图象存储模块和图象处理模块分开，一般情况下采用用可编程器件对时序控制的便利性把采集的图象存储在图226第二章系统硬件设计方案所示：图像采集 图像处理U 卜 摄像头 夕 k N；图22传统图像处理框图、 本文提出的基于图23)。具有与其他非多媒体处理芯片不具有的视频信号输入接口(该视频接口是接口可以获取四种格式(C，入的图像数据，所以系统只需一颗可完成图象传输处理功能【6】。图23基于1视频接口介绍与一般的数字信号处理芯片不同，2个端口的数据线有20位，可以构成当一的1620位数据输入、输出通道，又可拆分为A、0位数据通道。每个端口分配5120过不同的配置与于传送图像数据。每个视频口对应的5位控制信号线的定义会随不同的端口配置成不同的模式而不同。212视频接口配置图2棚每个视频端口均支持C、体采用何种格式的输入、输出由内部寄存器的值所决定。0位的56格式、810位的620位的Y620位的中810位时，端口分为A、120端口使用。本系统采用56格式的数据输入，其中数据宽度为8第二章系统硬件设计方案8位。 1、视频捕获模式下所示。， ，“ r f矿 trl 40懈)l L 7 64 7| 8，O， 64 ，r ，4 7：彤1e 7 Bt,40嘶64 ， 1， 。 ， L r 皤7 64 7 I 一图256格式的视频输入，对应的视频端口被分为A、个端口分别占用2560中数据输入端口9】为端口019】由端口个端口的、个缓冲区对应三个独立的指针(，和别指向个缓冲区同时被三个独立的事件(触发，旦、视频捕获相关设置视频捕获设置需要涉及到以下几个方面的内容：1)模式选择视频捕获模式共有9种，可通过视频捕获通道控制寄存器(9电子科技大学硕士学位论文系统采用的是8 T656模式，中各种模式对应的设置表格如下：表21视频捕捉模式配置表应捕捉模式0 000 8位56格式O 001 10位56格式O 010 8位1 l 10位00 8位Y01 10位Y6位11 20位10 获窗口设置由于系统采用56格式的图像传输，56对每一帧图像采用隔行扫描方式，每一帧图像分为奇、偶场。可以通过配置寄存器捕获其中的一场图像或者两场图像。而捕获图像区域大小分别由场)，场)两对寄存器所设置，其中)中规定的数据值则会引起一次部在次读写数据均为64位。因此，每次于本系统，视频每行720个像素，所对应设置的)捕获场设置视频口对奇、偶场的捕获是通过寄存器中视频口捕获完一帧图像后不需要示非连续捕获模式，在一帧图像捕获完成后，需要示对应奇、偶场的标志是否在捕获完成后设置。在本系统中示采用连续捕获方式，当一帧捕获完成后设置帧完成标志。 ，5)行、场同步设置视频口通过行数目计数器(录当前场已经捕获的视频行数。通过场捕获完毕后，可以将计数器所记录的值与视频窗口中的行数进行比较，检查视频采集是否完整。行数目计数器在采集完一场后需要将计数器的值复位，其复位方式由系统中，行计数器复位采用的模式l，即中以后每次)场检测为了获取正确的场，需要在数据传输同步时添加场的标准信号。场的标志信号一般有三种方式：T656中常用方式)，于Y场的行、场同步信号表示(可以用于各种输出方式)。本系统采用场标识信号方式。在系统中摄像头与26)，由于采用的数据宽度为8位的数据宽度，所以摄像头输出的数据总线连接2，按照上面的配置，将子科技大学硕士学位论文7 入V 2 摄像头虹膜图像处理模块本模块是虹膜识别系统的核心模块，主要包括核心算法处理器(存储器及二者之间的接口设计，以下部分将分别介绍。221 。1。1。_。1。11_。_一图27 I)公司为了满足数字信号处理器领域对图像处理的的要求推出的一款多通道多媒体应用领域的高速中内核是基于中最具特色的模块是应用于图像处理的视频输入、输出接口2第二章系统硬件设计方案并且具有丰富的外围设备的接口。对于且每个时钟周期内可以最大并行处理8条指令，使得64结构的图像处理内核，其特性一般为500成4000中且具有1个可以和外部同步或非同步存储器无缝连接的数据吞吐量可以到达11且集成可以达到100部接口和64个独立的数据传输通道。同时系统还集成了2级片内的以使系统设计者在使用低速的外部存储器的同时获得更高的性能。三个可配置的视频接口(可以支持无缝连接视频输入、视频输出和传输流输入10100数据管理输入输出模块(多通道音频串行端口(内部集成12个多通道有缓存的串12(个独立的32位通用定时器令用户可配置的1666用输入、输出端口(64位的外部存储单元接口，支持和同步或异步存储器和其他设备的连接222 64)两个通用的寄存器集合个寄存器集合中包含了32个32为的寄存器(31和31)。通用功能寄存器可以配置成数据、指针电子科技大学硕士学位论文和状态寄存器。在1，1，47用作循环地址寄存器。两个通用的寄存器集合个寄存器集合中包含了32个32为的寄存器(31和31)。通用功能寄存器可以配置成数据、指针和状态寄存器。在1，1，47用作循环地址寄存器。这些寄存器支持8位、16位的打包数据，40位的定点数据和64位的浮点数据。在对超过32位数据的处理时候，低32位的数据存放在奇序列的寄存器中，高位存放在相邻的序号大于打包数据，则将4个8位数据或者2个16位数据一起打包存放在寄存器中。2)8个功能单元(2，2，2，2)，这8个功能单元可以被分为两组，每一组对应一个寄存器集合。这些功能单元里面包含了对应图像或者视频处理需要用到的8位或者16位的功能函数。其中单元负责相应的逻辑运算和算术运算，较等运算，法，线性地址寻址和从内存中读取数据等运算。3)两个从内存读取数据的通道(两个内存存储单元(于寄存器集合A，64图像滤波操作的时候很有用。l l 1n蛔毒灯让d【姗时0a 矗 r B Rl,31一矗S 口a!t15 l ： $ L1 l D1 l 102 3 案。间的矛盾。选查询有则称C无则将引起一个便以后的29图所示)其中第一级缓存分为两部分：程序缓存皿1P)和数据缓存(两块缓存均为16们具有最快的访问速度，可以使级缓存为256K，对于二级缓存有许多种灵活的配置，既可以将二级缓存配置为外部内存的映射，又可以用于中断服务程序的存储等。224 些在如在的高低电平选择不同的本系统中涉及到的硬件配置的模块主要有，统统字节模式选择(面以余模块的配置在后文中介绍：配置选择选项如下表(表22)：表22 引脚输入O 1 l O 1 1 将25 M l (仅具有很强的数据吞吐率，而且可以和目前几乎所有类型的存储器直接连接(表23 存器000000 00004 00008 00010 00014 通过设置这些寄存器来完成对括配置各个空间上的存储器类型，设置相应的接16第二章系统硬件设计方案口时序等。这些寄存器如下表(表23)。其中全局控制寄存器完全对整个片外存储空间的公共参数的设置，四个外两个同步内存高速直接相连，最大总线速度为133够支持64263个寄存器控制器。56编程同步控制器提供和各种同步存储设备的直连；可编程异步控制器提供同异步存储设备的直连。本系统2表2址译码他设备管脚位时的状态决定(如表35)。本系统采用外部时钟源作为、表25 l l 1 O 1 1 统把5033倍频获得133统通过对0悬空把输出变为5333倍频。17电子科技大学硕士学位论文226 内部存储器容量不足时，就可以利用该总线实现与外部存储器如态随机存储器)、存)等的连接。通过关于知是由于本系统涉及到虹膜算法、虹膜库以及各种外设的驱动程序较大，内部此，就需要在4E【7： ：06：31 卜 A16：31 3：0 八 063：0 图像处理等需要大容量的用场合，统采用结构为4121。由于以并联2块分利用了以同时对8使存储器空间大大提高。其中0所示。227 F l 储在里面的程序和数据会在系统掉电时消失，因此需要一种非易失性存储器来保存数据。系统采用于于以以我们先把系统复位时，图所示，因为我们先将前者作为者作为系统的特殊功能使用(保存图2要对换页寄存器写入需要换的页号即可，当21产生相应的逻辑电平)，改变26)所示。与其他系列的29程序设计上兼容其他系列的加了编程的灵活性。在每次擦除操作完成后必须调用复位命令，返回 01。19电子科技大学硕士学位论文表2二总线周期 第三总线周期 第四总线周期 第五总线周期 第六总线周期指令数 数地址 地址 数据 地址 数据 地址 数据 地址 地址 数据据 据字编程 A 5H O 拜“ 5H 0 A 5 0芯片擦除 A 5 0H A 5 0复位 语音提示模块设计在目前很多人机交互设备都装备了语音提示功能模块，语音模块能使用户得到方便的提示。在本系统中采用了基于31 要应用在多通道的音频处理中【11】。两个部分可以进行同步操作，也可以完全独立的进行工作。位时钟：同步：据的接收和发送：0】静音输入与输出：同步事件由位时钟采样帧同步信号给出。行传输的数据流位数达到设定的长度后，结束本次传输，等下一帧同步信号达到，再发起另一次串行传输。冷每一个串行位的持续时间)由位时钟决定。：0定32音频接口芯片简介下简称置耳机输出放大器，支持选一)，并且输入与输出都具有可编程增益调节【12】。个是控制口，用语设置一个是数据口，用于传输、D本系统中，使用用别为冷面我们以1 1 ) 2音频芯片连接图6据口位时钟信号据口据口据口据口以同时支持4路音频输入输出。系统仅用了O和为语音模块。别仅在于者的帧同步信号宽度必须位一个字(16位)长，而前者的帧宽度可以为一个位长，比如字长(16位)，帧长32位的情况下，如果采用同步信号宽度应该为16位，而采用系统中采用时序如下图(图213)_-_3 别位2线制的系统将择2线制的使用由于