基于DSP的虹膜識別系統設計

2系統硬件設計
本系統的硬件平臺由五個(gè)部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數據存儲、圖像顯示和電源部分。其結構框圖如圖1所示

圖1 系統結構框圖

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轉換后得到數字虹膜圖像。A/D轉換器采用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)虹膜識別系統的核心。它的任務(wù)是對得到的數字虹膜圖像進(jìn)行處理和識別，將處理的數據存入數據存儲器，將識別的結果送到LCD顯示器進(jìn)行顯示。

TMS320DM642基于C64x內核，采用高級甚長(cháng)指令字（VelociTI）體系結構。具有64個(gè)32位通用寄存器，8個(gè)獨立計算的功能單元。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)數據緩存；第二級緩存L2（256KB）可靈活配置成緩存或片上內存。TMS320DM642具有64個(gè)獨立通道的EDMA（擴展的直接存儲器訪(fǎng)問(wèn)）控制器，負責片內L2與其它外設之間的數據傳輸。DM642具有豐富的外圍設備接口：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(wú)縫連接；具有多通道音頻串行端口(McASP)，便于音頻應用開(kāi)發(fā)；10/100Mbps以太網(wǎng)口(EMAC)，便于網(wǎng)絡(luò )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(xiàn)模塊、數據管理輸入輸出模塊(MDIO)等。

TM320DM642具有以上的特點(diǎn)，能滿(mǎn)足虹膜圖像處理的實(shí)時(shí)性要求。

2.3 數據存儲
數據存儲部分包括FLASH、SDRAM和CF卡三部分。FLASH存儲器具有可在系統進(jìn)行電擦寫(xiě)，掉電后信息不丟失的功能，用它來(lái)保存系統自啟動(dòng)代碼以及系統程序代碼，本系統選用ATMEL公司的AT29LV020 FLASH芯片，它是NOR型的FLASH芯片，總容量為256KB，數據總線(xiàn)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(lái)存放系統運行時(shí)的代碼以及臨時(shí)圖像數據，本系統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(lái)存儲原始圖像數據和識別結果。

2.4 圖像顯示
圖像顯示部分采用數字LCD，可省去數模轉換芯片，而只需一片可編程邏輯器件CPLD驅動(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。其中，要著(zhù)重考慮以下兩點(diǎn)：第一、要有一套保證DSP芯片內核和I/O能同時(shí)上電的解決方案，這樣避免對芯片造成損害。本系統采用D型邊沿觸發(fā)器來(lái)開(kāi)關(guān)電源輸出，很好的解決了這個(gè)問(wèn)題；第二、在高速電路板中，開(kāi)關(guān)的電磁輻射和線(xiàn)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(guò)5%，否則，長(cháng)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，本系統中特別設計了電壓監控電路來(lái)實(shí)時(shí)監控電壓。根據本系統特點(diǎn)，采用了TI公司的TPS3307芯片。

3系統軟件設計
系統主程序運行在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(guò)程是：先用攝像機拍攝眼睛圖像，然后進(jìn)行圖像預處理（虹膜定位、增強等），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，最后得出識別結果。在這過(guò)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
本系統采用CCD攝像機拍攝到細節較清晰的眼睛圖像。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)行適當的旋轉和邏輯運算，可消除瞳孔內部的光照的影響。這樣可較好定出虹膜的內邊緣，并通過(guò)對邊緣點(diǎn)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(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 驟基本與定內邊緣的類(lèi)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(guò)程中引入的主要是高頻成份的非線(xiàn)性幾何失真，且虹膜圖像的頻譜能量主要集中在低頻區域。所以本系統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(shí)時(shí)圖分別求出離散傅里葉變換。將兩圖變換結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(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。

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(shí)，相位相關(guān)函數是δ脈沖函數；當兩圖不一樣時(shí)，相位相關(guān)函數不能形成δ脈沖函數。因此，相位相關(guān)函數可以用來(lái)度量?jì)蓤D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)驗結果
本系統對虹膜圖像進(jìn)行判斷和識別。實(shí)驗結果表明同一人的虹膜圖像的相位相關(guān)函數是δ脈沖函數，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)函數不能形成δ脈沖函數，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)函數幅值最大值為1。而不同的人的虹膜圖像比較的結果圖中則是雜亂無(wú)章的，無(wú)規律可尋。兩個(gè)圖的區別非常明顯。

圖3 同一人的虹膜圖像比較結果 圖4 不同人的虹膜圖像比較結果

5結束語(yǔ)
本文介紹了一種基于DSP的虹膜識別系統。大量實(shí)驗結果表明，本系統識別率較高，系統穩定、可靠。本系統已經(jīng)完成調試，效果良好，具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

[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原理與應用（第二版）.北京：電子工業(yè)出版社，2003
[4] 沈庭之，方子文. 數字圖象處理及模式識別.北京：北京理工大學(xué)出版社 1998.