基于DSP芯片TMS320DM642的虹膜識別系統(tǒng)設計

1 前言

近年來興起的生物特征識別技術(shù)具有很好的可靠性。虹膜作為重要的身份鑒別特征，具有唯一性、穩(wěn)定性、可采集性和非侵犯性等優(yōu)點。與臉像、聲音等身份鑒別方法相比，虹膜具有更高的準確性。據(jù)統(tǒng)計虹膜識別的錯誤率是各種生物識別中最低的。目前，虹膜識別系統(tǒng)可應用于電子商務、條件登錄、授權(quán)支付、權(quán)限信息和金融交易等領(lǐng)域。本文提出了基于TMS320DM642 DSP的虹膜識別系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)硬件和軟件的實現(xiàn)方案。

2 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)的硬件平臺由五個部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲、圖像顯示和電源部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 圖像采集

圖像采集是將CCD攝像機采集到的虹膜圖像，經(jīng)高精度的A/D轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字虹膜圖像。A/D轉(zhuǎn)換器采用TI公司的TVP5145芯片，其采樣精度達到10bit，輸出支持CCIR-656和BT656等格式。

2.2 圖像處理

數(shù)字多媒體處理器TM320DM642屬于TI公司C6000系列，是一款新型高性能的DSP。它是整個虹膜識別系統(tǒng)的核心。它的任務是對得到的數(shù)字虹膜圖像進行處理和識別，將處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器，將識別的結(jié)果送到LCD顯示器進行顯示。

TMS320DM642基于C64x內(nèi)核，采用高級甚長指令字(VelociTI)體系結(jié)構(gòu)。具有64個32位通用寄存器，8個獨立計算的功能單元。它可在600MHz時鐘速率工作，每個指令周期可并行執(zhí)行8條32位指令，峰值計算速率可達4800MIps。TMS320DM642有L1和L2兩級緩存，第一級包括L1P(16KB)程序緩存和L1D(16KB)數(shù)據(jù)緩存;第二級緩存L2(256KB)可靈活配置成緩存或片上內(nèi)存。TMS320DM642具有64個獨立通道的EDMA(擴展的直接存儲器訪問)控制器，負責片內(nèi)L2與其它外設之間的數(shù)據(jù)傳輸。DM642具有豐富的外圍設備接口：包括三個可配置的雙通道視頻接口(Video Port)，可以和視頻輸入，輸出或傳輸流輸入無縫連接;具有多通道音頻串行端口(McASP)，便于音頻應用開發(fā);10/100Mbps以太網(wǎng)口(EMAC)，便于網(wǎng)絡應用;66MHz32bit的PCI接口;以及64 bit的外部存儲器接口(EMIF)，可連接異步或同步的存儲器，如SDRAM。此外，還具有I2C總線模塊、數(shù)據(jù)管理輸入輸出模塊(MDIO)等。

TM320DM642具有以上的特點，能滿足虹膜圖像處理的實時性要求。

2.3 數(shù)據(jù)存儲

數(shù)據(jù)存儲部分包括FLASH、SDRAM和CF卡三部分。FLASH存儲器具有可在系統(tǒng)進行電擦寫，掉電后信息不丟失的功能，用它來保存系統(tǒng)自啟動代碼以及系統(tǒng)程序代碼，本系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT29LV020 FLASH芯片，它是NOR型的FLASH芯片，總?cè)萘繛?56KB，數(shù)據(jù)總線為8位。DSP 選擇了EMIFA boot模式時，上電后自動從CE1空間裝載程序，所以FLASH 必須接在EMIF的CE1空間。SDRAM存儲器的存取速度較高，用它來存放系統(tǒng)運行時的代碼以及臨時圖像數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用四片三星公司的SDRAM K4S561632E，每片為16位，32MB，接在DSP的EMIF接口的CE0空間。CF卡接在EMIF的CE2空間，用來存儲原始圖像數(shù)據(jù)和識別結(jié)果。

2.4 圖像顯示

圖像顯示部分采用數(shù)字LCD，可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，而只需一片可編程邏輯器件CPLD驅(qū)動LCD，該CPLD選用Altera公司的MAX3000系列。

2.5 電源部分

電源部分在系統(tǒng)的硬件部分中占有重要的地位，它將影響到整機能否可靠運轉(zhuǎn)。其中，要著重考慮以下兩點：第一、要有一套保證DSP芯片內(nèi)核和I/O能同時上電的解決方案，這樣避免對芯片造成損害。本系統(tǒng)采用D型邊沿觸發(fā)器來開關(guān)電源輸出，很好的解決了這個問題;第二、在高速電路板中，開關(guān)的電磁輻射和線路噪音會*件的實際工作電壓，而DSP芯片一般要求工作電壓偏差不超過5%，否則，長時間工作在非正常電壓容易縮短芯片壽命甚至于燒毀。因此，本系統(tǒng)中特別設計了電壓監(jiān)控電路來實時監(jiān)控電壓。根據(jù)本系統(tǒng)特點，采用了TI公司的TPS3307芯片。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)主程序運行在DSP中，完成虹膜圖像處理的全部算法。虹膜識別的流程圖如圖2所示。識別過程是：先用攝像機拍攝眼睛圖像，然后進行圖像預處理(虹膜定位、增強等)，再對虹膜特征進行分析，與存儲的虹膜特征進行模式匹配，最后得出識別結(jié)果。在這過程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。

3.1 虹膜定位

本系統(tǒng)采用CCD攝像機拍攝到細節(jié)較清晰的眼睛圖像。虹膜是眼睛瞳孔和鞏膜間的環(huán)形可視部分。虹膜定位，即是確定虹膜的內(nèi)外邊緣。一般而言，瞳孔灰度值比虹膜灰度值小，而虹膜灰度值又比鞏膜灰度值小。因此，先以眼圖的灰度平均值為尺度，取得眼圖的二值化圖像。再選取合適的較小的閾值就可粗略定出瞳孔的邊界。然后用取圖像最大連通域和二值圖像形態(tài)學的方法較精確地定出瞳孔的邊緣范圍。最后將圖像進行適當?shù)男D(zhuǎn)和邏輯運算，可消除瞳孔內(nèi)部的光照的影響。這樣可較好定出虹膜的內(nèi)邊緣，并通過對邊緣點的坐標值求平均的方法確定出瞳孔圓心。在確定虹膜外邊緣時，要選擇較大的合適閾值大致定出虹膜與鞏膜的邊界。其余步 驟基本與定內(nèi)邊緣的類似。這樣定位的方法速度快，避免了搜索的盲目性。

3.2 虹膜的相位匹配算法

虹膜圖像的紋理特征具有唯一性，不同人的虹膜紋理是不一樣的。在虹膜自動識別中通常是先存入一幅已知圖像(基準子圖)作為模板，再對任一輸入圖像(實時圖)進行匹配比較，判斷兩者的關(guān)系。

由于虹膜成像過程中引入的主要是高頻成份的非線性幾何失真，且虹膜圖像的頻譜能量主要集中在低頻區(qū)域。所以本系統(tǒng)采用基于低通濾波和傅里葉頻譜的相位相關(guān)算法。該算法原理為：對基準子圖和實時圖分別求出離散傅里葉變換。將兩圖變換結(jié)果的乘積取復共軛得到它們的互功率譜，歸一化后，便得到對應于這個功率譜的相位譜，然后對相位譜求逆傅里葉變換，得到相位相關(guān)函數(shù)。

此功率譜的相位譜包含了兩圖之間差異的信息。當兩圖一樣時，相位相關(guān)函數(shù)是δ脈沖函數(shù);當兩圖不一樣時，相位相關(guān)函數(shù)不能形成δ脈沖函數(shù)。因此，相位相關(guān)函數(shù)可以用來度量兩圖之間的相似程度。并且相位相關(guān)算法具有較高的匹配精度。此外，還由于相位相關(guān)函數(shù)對于灰度值及其尺度的變化是不敏感的，所以，這種算法不易受這些誤差因素影響。

4 實驗結(jié)果

本系統(tǒng)對虹膜圖像進行判斷和識別。實驗結(jié)果表明同一人的虹膜圖像的相位相關(guān)函數(shù)是δ脈沖函數(shù)，其相位相關(guān)面如圖3所示。不同人的虹膜圖像的相位相關(guān)函數(shù)不能形成δ脈沖函數(shù)，其相位相關(guān)面如圖4所示。由于圖像信息高頻部分具有噪聲干擾，為獲得較好的效果，取低頻部分信息進行比較。從圖中可知，同一人的虹膜圖像有一致性，相位相關(guān)函數(shù)幅值最大值為1。而不同的人的虹膜圖像比較的結(jié)果圖中則是雜亂無章的，無規(guī)律可尋。兩個圖的區(qū)別非常明顯。

圖3 同一人的虹膜圖像比較結(jié)果 圖4 不同人的虹膜圖像比較結(jié)果

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于DSP的虹膜識別系統(tǒng)。大量實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)識別率較高，系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠。本系統(tǒng)已經(jīng)完成調(diào)試，效果良好，具有廣泛的應用前景。