基于Nios的掌紋鑒別系統設計與實(shí)現

圖像采集模塊主要包括攝像頭和外擴SRAM。由于手掌凹凸不平及受壓力不同時(shí)，導致的形變較大，所以采集掌紋圖像，一般不使用像采集指紋時(shí)使用的掃描設備。而如果采用數碼相機，系統的體積和成本必然上升，喪失了莫優(yōu)越性。筆者采用OmniVvision公司的OV7649攝像頭作為圖像采集設備，OV7649是30萬(wàn)像素的CMOS數字攝像頭，體積極小，價(jià)格便宜，分辨率足以達到掌紋鑒別的要求。因為OV7649輸出為8位數據寬度，所以SRAM采用了與OV7649的數據寬度相同的IDT7lV424，用來(lái)作為存儲掌紋圖像的緩沖區。
鑒別處理模塊采用的FPGA選擇Altera公司的APEX20K200F，配置了256KB的SRAM及1MB的Flash，另外我們還添置了32MB的SDRAM. SRAM和SDRAM用來(lái)為Ni0s運行程序和存儲相關(guān)數據，Flash用來(lái)存儲提取好的掌紋樣本特征。選擇Nios軟核CPU作為核心處理模塊主要考慮到它為設計帶來(lái)了高的集成度和靈活性，這樣再對設計方案作更改時(shí)比較方便，而且核心算法如果用Nios的用戶(hù)指令實(shí)現，那么運算速度將會(huì )得到很大提高。AIIera也提供了一些免費的IP核，包括常用的UART、SRAM、F1ash和SDRAM控制器。這樣在S0PCBuilder里很容易定制好自己需要的Nios處理器，假如想更改其中的某些部分只需在S0PC Builder里重新配置即可。實(shí)踐證明，選擇Nios軟核處理器給后續的工作帶來(lái)很多便利。
輸入輸出模塊和通信模塊結構相對簡(jiǎn)單.前者包括一些按鍵和1塊162的漢字LCD，用來(lái)提示用戶(hù)操作和顯示系統相關(guān)信息，后者采用的是西門(mén)子的slml00-tcp無(wú)線(xiàn)通信模塊。這樣可保證系統的報告直接可以發(fā)到系統管理員的手機上．同時(shí)也為連接1naternaet提供了條件，這樣系統的擴展性就得以增強了。

2 系統的硬件設計
系統硬件結構如圖2所示．可以看到在l片FPGA中包含了Nios處理器、SRAM控制器、SDRAM控制器、Flash控制器、uART以及攝像頭和外擴SRAM控制器、2維DCT變換的用戶(hù)邏輯模塊。這正體現了Nios的優(yōu)勢，將很多資源集中在FPGA中為設計PCB帶來(lái)了便利，而且對系統的更改也變得非常容易，只要重新在FPGA中添加不同的模塊就可以了。筆者分別設計了2塊PCB，分別是圖像采集板和無(wú)線(xiàn)通信模塊，工作的重點(diǎn)主要在以下兩個(gè)方面。
(1)Nios與OV7649的工作協(xié)調機制
OV7649控制信號線(xiàn)使用的是oMniVisn公司的SCCB總線(xiàn)。SCCB總線(xiàn)包括SIO_C和SIO_D兩條信號線(xiàn)，分別代表時(shí)鐘和串行數據I/O，無(wú)論是傳輸控制命令還是讀寫(xiě)數據，都是由不同的時(shí)序來(lái)區分不同的操作。筆者并沒(méi)有用Nios直接與OV7649相連．而是獨立用VHDL編寫(xiě)了一個(gè)控制模塊。這樣做的原因主要有兩方面:第一，OV7649輸出的像素同步時(shí)鐘頻率為24MHz，同時(shí)以30幀/s的速率輸出分辨率為640480的圖像數據，如此高的數據率直接用Nios提取其中一幀圖像是不好實(shí)現的，因此必須編寫(xiě)提取圖像寫(xiě)入外擴sRAM的VHDL模塊,直接用FPGA將掌紋圖像數據寫(xiě)入外擴SRAM；第二，Nios只占用了FPGA資源的三分之一左右，完全可以利用剩下的資源，這樣編寫(xiě)C代碼的時(shí)候就不必考慮SCCB總線(xiàn)的時(shí)序。對于Nios來(lái)說(shuō)，圖像采集只需發(fā)啟動(dòng)和配置命令就可以實(shí)現．然后等待控制模塊的完成信號返回，直接到外擴SRAM取數據即可。
攝像頭控制模塊首先對攝像頭進(jìn)行初始化配置。初始設定為 自動(dòng)增益控制、自動(dòng)白平衡、VGA格式(640 x80)、30幀/s、YuV 4:2:2數字視頻信號輸出、設置默認的圖像對比度、亮度及飽和度。然后接收OV7649產(chǎn)生的數字視頻信號、控制信號和狀態(tài)信號，即把幀同步信號VREF、行同步信號HREF、復位信號RST、像素時(shí)鐘信號PCLK等引腳連接到FPGA，根據這些信號將數據寫(xiě)入外擴SRAM。圖3和圖4是OV7649輸出的各種同步信號的時(shí)序圖。
(2)外擴SRAM的讀寫(xiě)控制
如前所述，開(kāi)發(fā)板上配有256KB的SRAM和IMB的Flash。因為提取的每幀掌紋圖像至少為320402=150KB．同時(shí)圖像處理的相關(guān)代碼和掌紋樣本庫也有相當的容量，所以還需要外擴1MB的SRAM作為存儲采集圖像的緩沖區。為了和攝像頭的數據寬度匹配，外擴的SRAM選用了IDT7lV424，作為FPGA從OV7649輸出視頻中提取一幀圖像的存儲器。這2片SRAM必須達到以下要求 在采集圖像時(shí)為FPGA中的攝像頭控制模塊迅速將圖像數據寫(xiě)入，其余時(shí)間則將資源釋放，被Ni0s統一管理。為此，一方面根據輸出視頻數據的高速時(shí)鐘信號利用FPGA的資源編寫(xiě)了VHDL模塊;另一方面,根據SOPC Builder提供的配置文件修改．寫(xiě)出了控制IDT71424的IP，并將其集成到SOPC Builder中。

3 系統的軟件設計
(1)軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境與用戶(hù)指令
Nios的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境叫做Nios SDK SHELL，它提供了一個(gè)基于命令行婁似于Nnix的界面，用戶(hù)在此環(huán)境下可以和Nios進(jìn)行通信。我們需要先將編寫(xiě)好的.c文件用nios-builder命令生成srec文件。這個(gè)過(guò)程是由Nlos SDKSHELL調用GNUpro編譯器來(lái)完成，GNUpro負責完成C代碼和相關(guān)的頭文件及庫函數的編譯、鏈接等工作。編譯通過(guò)后就可以用nios-run命令將生成的.srec文件通過(guò)串口下載到N1os上運行。在SOPC Builder中配置好Nios后，會(huì )得到為用戶(hù)生成的CPU_SDK文件夾，其中有個(gè)名為excalibur.h的頭文件，它包括Nios所有資源的地址映射和一些庫函數。

用戶(hù)指令是Nios的最大特點(diǎn)之一，也是硬核處理器無(wú)法提供給用戶(hù)的。使用好用戶(hù)指令可以給系統速度帶來(lái)極大的提升。掌紋鑒別算法有很多種，對掌紋特征提取通常包括提取掌紋幾何特征、變換域特征和代數統計特征三大婁。在本系統的設計過(guò)程中，對算法的選擇主要是從如何發(fā)揮Nios的優(yōu)勢出發(fā)，爭取能在系統的實(shí)時(shí)性、可靠性及軟硬件結合三方面拽到一個(gè)平衡點(diǎn)。對掌垃圖像進(jìn)行DCT變換是這個(gè)處理過(guò)程中運算量最大的部分，同時(shí)這也恰恰是利用用戶(hù)指令的機會(huì )。2維DCT的處理模塊是在1維DCT的基礎上加以改善得到的，并且在SOPC Builder中添加為用戶(hù)指令。用戶(hù)指令的引人為系統速度帶來(lái)極大的提升。首先在SOPC Builder配置Nios時(shí)，分別使用MSEP和MuL兩種乘法，運行C代碼實(shí)現，然后又用2維DCT的用戶(hù)指令來(lái)做相同圖像的處理對比.下文會(huì )有具體的測試數據。
(2)代碼流程分析
參照圖5所示，現在開(kāi)始分析流程圖中各操作的具體步驟。

用nr_installuserisr(na_button_pio_irq，palm_isr，(int)pi0)函數來(lái)建立一個(gè)用戶(hù)中斷服務(wù)，對按鍵中斷響應進(jìn)入中斷服務(wù)程序palm_isr.然后向攝像頭控制模塊發(fā)送指令，需要用的函數有
vold mitSCCBMPodule()
void WriteSCCB(unsigned char id_addr,unsigned char sub addr,unsigend char data);
unsigned char ReadSCCB(unsigned char id_addr,un-signed char sub_addr)
void EndSCCBModule();
首先用initSCCBModule函數對攝像頭控制模塊初始化，然后用WriteSCCB函數寫(xiě)入需要的攝像頭配置．EndSCCBModule表示結束配置，還可以用RemdSCCB來(lái)讀取攝像頭的寄存器配置，檢查與吸入的配置是否相同。檢測到攝像頭控制模塊的完成信號，就可以從外擴SRAM讀取數據了。接著(zhù)對圖像數據做一些預處理，包括提取圖像的Y分量并找到掌紋的感興趣區域。然后提取掌紋特征，這部分的運算量主要集中在DCT變換，需要使用用戶(hù)指令nm_det_2.在用戶(hù)指令執行完畢后，既是對特征的處理，并將處理結果顯示。對于提取的掌紋特征如果需要寫(xiě)入Flash儲存起來(lái)，那就需要調用
int nr_flash erase sector(unsigned short*flash base，unsigned short*sector address)
int nr_flash write(unsigned short*lash base unsigned short*address，unsigned short value)
無(wú)線(xiàn)通信模塊需要與Nios的串口連接，用AT命令來(lái)控制打電話(huà)、發(fā)短信和訪(fǎng)問(wèn)Internet。需要調用的串口控制函數是voidnr txstring(char*s)和int nr_rxchar(vpid)這兩個(gè)函數就是發(fā)送AT命令和接收無(wú)線(xiàn)模塊返回的狀態(tài)信息。

4 測試與分析
實(shí)驗主要分為兩個(gè)部分：正確鑒別率測試(如表1所列)和鑒別時(shí)間測試(如表2所列)。

從表1的數據來(lái)分析，可以看出在樣本數不大的范圍內隨著(zhù)閾值為130時(shí)得到了96.7％的正確鑒別率．對于在Nios平臺下的掌紋鑒別來(lái)說(shuō)這個(gè)結果是完全可以接受的，但是此時(shí)對擴展測試集有3.3％的錯誤接受率。筆者取的擴展測試集規模與樣本數相同，假設將此系統用于住宅小區門(mén)禁系統，這就意味著(zhù)此小區區外的31名人員中有1個(gè)可能能夠進(jìn)人該小區。為了保證安全性筆者將閾值減小至100，系統對擴展測試集的鑒別效果相當好，樣本之外的掌紋不會(huì )錯識為樣本庫中的掌紋，付出的代價(jià)就是正確鑒別率下降為93.5％。眾所周知，嵌入式處理器的運算能力有限，所以對特征提取時(shí)間比較關(guān)注，這也是系統能否邁向實(shí)用化的關(guān)鍵之一。表2是系統實(shí)時(shí)性的測試，從中可以看出在配置Nios時(shí)選用不同的乘法器(MSTEP是Nios的標準乘法器，MUL是Nios的全硬件乘法器)運算時(shí)間有所縮短，而使用用戶(hù)指令對運算的加速效果相當明顯，以上數據是使用函數hr_timer_milliseconds測試得到的。

結 語(yǔ)
本文所設計的“基于Nios的掌紋鑒別系統”，雖然這只能算是一個(gè)掌紋鑒別系統的雛形，但是完全可以完整地實(shí)現掌紋鑒別功能。由于本設計基于Nios軟核處理器，因此具有安裝簡(jiǎn)單，使用方便的特點(diǎn)，用戶(hù)使用并不需要任何特殊的技能或培訓。另外，整個(gè)掌紋的采集與處理過(guò)程也將非常舒適與快速，增大了產(chǎn)品的適用范圍。在設計過(guò)程中，將整個(gè)系統分為核心處理子系統、圖像采集和存儲子系統、通信子系統、顯示子系統和供電子系統，盡量做到這些子系統可以進(jìn)行獨立或者部分獨立的調試。由于采用這種設計思路，系統從硬件結構上相當靈活，因此該設計完全可以針對不同的具體應用場(chǎng)合加以定制和優(yōu)化。各個(gè)子系統在硬件結構上是模塊化的，而所有這些子系統的控制器全部集成在一片FPGA中，高集成度帶來(lái)的不僅是成本下降，還有便利性和靈活性。Nios軟核處理器的引入不僅使整個(gè)系統做到了真正的軟硬件可裁減．更加把這種新的設計理念帶入到嵌入式系統開(kāi)發(fā)中。
基于Nios的系統設計是傳統嵌入式設計和FPGA設計的綜合，而凸現Nios軟核處理器的特性幾乎全部需要HDL的支持?？墒褂肐P的數量和HDL的造詣將直接決定系統的品質(zhì)。在本設計中將兩者相結臺，對高速信號的處理和算法涉及到的大量運算采用VHDL來(lái)實(shí)現，而系統的總體控制及資源管理由Nios負責。在Ni0s為我們找到了高集成度與模塊化設計理想結合的問(wèn)時(shí)，本設計方案也給Nios提供了最佳的應用場(chǎng)合。