基于DSP的虹膜識別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1  引 言 
       在高度信息化的現(xiàn)代社會(huì)，信息安全問題日益受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的密碼、智能卡等身份鑒別方法由于其易遺忘或易假冒等缺點(diǎn)而不符合現(xiàn)代社會(huì)的需求。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(diǎn)。與臉像、聲音等身份鑒別方法相比，虹膜具有更高的準(zhǔn)確性。據(jù)統(tǒng)計(jì)虹膜識別的錯(cuò)誤率是各種生物識別中最低的。目前，虹膜識別系統(tǒng)可應(yīng)用于電子商務(wù)、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(shí)現(xiàn)方案。

2   系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
       本系統(tǒng)的硬件平臺由五個(gè)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(jī)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(dá)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(gè)虹膜識別系統(tǒng)的核心。它的任務(wù)是對得到的數(shù)字虹膜圖像進(jìn)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(jìn)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(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨(dú)立計(jì)算的功能單元。它可在600MHz時(shí)鐘速率工作，每個(gè)指令周期可并行執(zhí)行8條32位指令，峰值計(jì)算速率可達(dá)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(gè)獨(dú)立通道的EDMA（擴(kuò)展的直接存儲器訪問）控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)L2與其它外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。DM642具有豐富的外圍設(shè)備接口：包括三個(gè)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(yīng)用開發(fā)；10/100Mbps以太網(wǎng)口(EMAC)，便于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(diǎn)，能滿足虹膜圖像處理的實(shí)時(shí)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(jìn)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(dòng)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(shí)，上電后自動(dòng)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(yùn)行時(shí)的代碼以及臨時(shí)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(dòng)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(jī)能否可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，要著重考慮以下兩點(diǎn)：第一、要有一套保證DSP芯片內(nèi)核和I/O能同時(shí)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(gè)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(huì)干擾器件的實(shí)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(shí)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(shè)計(jì)了電壓監(jiān)控電路來實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，采用了TI公司的TPS3307芯片。

3  系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
       系統(tǒng)主程序運(yùn)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(jī)拍攝眼睛圖像，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理（虹膜定位、增強(qiáng)等），再對虹膜特征進(jìn)行分析，與存儲的虹膜特征進(jìn)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(jī)拍攝到細(xì)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(xué)的方法較精確地定出瞳孔的邊緣范圍。最后將圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)和邏輯運(yùn)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(diǎn)的坐標(biāo)值求平均的方法確定出瞳孔圓心。在確定虹膜外邊緣時(shí)，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(dòng)識別中通常是先存入一幅已知圖像（基準(zhǔn)子圖）作為模板，再對任一輸入圖像（實(shí)時(shí)圖）進(jìn)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(zhǔn)子圖和實(shí)時(shí)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(fù)共軛得到它們的互功率譜，歸一化后，便得到對應(yīng)于這個(gè)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(dāng)兩圖一樣時(shí)，相位相關(guān)函數(shù)是δ脈沖函數(shù)；當(dāng)兩圖不一樣時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果
       本系統(tǒng)對虹膜圖像進(jìn)行判斷和識別。實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] Daugman J. Biometric personal identification system based on iris analysis.US Patent 5291560.1994.
[2]Texas Instruments Incorporated.TMS320DM642 Technical Overview:DSP Video and Imaging Digital Applications.Sep.2002.
[3] 李方慧，王飛，何佩琨。TM320C6000系列DSP原理與應(yīng)用（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社，2003
[4] 沈庭之，方子文. 數(shù)字圖象處理及模式識別.北京：北京理工大學(xué)出版社 1998.