DSP课程设计报告书 基于TMS320VC5402的虹膜识别系统设计

1、信息工程学院课程设计湖 北 民 族 学 院 科 技 学 院信息工程系dsp课程设计报告书 题目: 基于tms320vc5402的虹膜识别系统设计专 业：电气工程及其自动化班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010 年 06 月20 日 信息工程系课程设计任务书学 号学生姓名专业（班级）电气11班设计题目基于tms320vc5402的虹膜识别系统设计设计技术参数图像采集、图像处理、数据存储、图像显示、虹膜定位、 虹膜的相位匹配算法、设计要求1）绘制系统框图(visio)，主要包括虹膜图像采集、图像处理和图像识别，c5402与pc间通过rs232通信；（2）包括电源设计、复位电路设计、时

2、钟电路设计、存储器设计、虹膜图像采集电路设计、jtag接口设计等，用protel软件绘制原理图和pcb图；（3）研究虹膜识别算法，并在matlab环境下仿真；（4）给出程序流程图，编写部分程序；（5）参考文献、论文格式规范。工作量要求：字数在50008000范围内；字数多少？5408图纸多少？两个图注：可填写课程设计报告的字数要求或要完成的图纸数量。工作计划十四周：我上网查关于虹膜识别的资料十五周：将本篇论文的大纲列出来 十六周到十七周：写论文参考资料1 李方慧，王飞，何佩琨。tm320c6000系列dsp原理与应用（第二版）.北京：电子工业 出版社，20032 沈庭之，方子文. 数字图象处理

3、及模式识别.北京：北京理工大学出版社 1998指导教师签字 信息工程系课程设计成绩评定表学生姓名： 学号： 专业（班级）： 11班 课程设计题目： 基于tms320vc5402的虹膜识别系统设计 指导教师评语： 成绩： 指导教师： 年 月 日摘 要 在高度信息化的现代社会，信息安全问题日益受到人们的关注。传统的密码、智能卡等身份鉴别方法由于其易遗忘或易假冒等缺点而不符合现代社会的需求。近年来兴起的生物特征识别技术具有很好的可靠性。虹膜作为重要的身份鉴别特征，具有唯一性、稳定性、可采集性和非侵犯性等优点。与脸像、声音等身份鉴别方法相比，虹膜具有更高的准确性。据统计虹膜识别的错误率是各种生物识别中

4、最低的。目前，虹膜识别系统可应用于电子商务、条件登录、授权支付、权限信息和金融交易等领域。本文提出了基于tms320dm642dsp的虹膜识别系统，给出了系统硬件和软件的实现方案。关键词：虹膜识别；dsp；系统硬件；软件abstract at the height of the informatization of modern society, the problem of information security is concerned. the traditional password, such identification method of smart because it te

5、nds to be forgotten or easy fake shortcomings, such as not accord with the demands of modern society. in recent years, rise biometric technology has good reliability. iris identification as an important characteristic, has uniqueness and stability and can gather and non-invasive etc. with a face lik

6、e, voice identification method has higher accuracy, iris. according to the statistics of the iris identification of biological recognition error rate is the lowest. at present, the iris recognition system can be applied in e-commerce, conditions, and authorized payment, login information and financi

7、al transactions, etc. this paper proposes a tms320dm642 dsp iris identification system, the realization of hardware and softwarekeywords:iris;recognition;dsp;hardware;software目 录1. 绪论51,2 虹膜识别技术的发展历程51.3 虹膜识别技术的现状61.4 本文的主要研究内容62.系统硬件设计72.1 图像采集72.2 图像处理72.3 数据存储82.4 图像显示82.5 电源部分83.系统软件设计93.1虹膜定位93

8、.2 虹膜的相位匹配算法104.实验结果115.结束语126.参考文献131. 绪论1.1 引言 随着信息化社会的到来，如何可能有效的鉴别个人身份，已成为越来越重要的问题，而传统的基于密码、证件、钥匙以及信用卡等鉴别身份发方法已不能满足社会发展的需求。当今社会对安全提出了更高、更具体的要求，安全已经不能再仅仅维系于某种单一的手段，而是必须构建包括功能分区、权限分层等管理措施和目标识别、身份核对等认证措施以及追踪等反击措施在内的系统的安全框架。在这样的框架内，准确、真实的识别人的身体就成为整个系统安全链上的核心环节。 生物特征识别技术是指使用人体本身所谓的生物特征或行为特征，通过图像预处理和模式

9、识别的方法对个人身份进行鉴定的技术。生物特征多为先天性，行为特征多为后天形成，它们通称为生物特征，常见的生物特征如指纹、手形、虹膜、视网膜、脸形、脸部热量图等属于生理特征，另外还有一些生物特征如书写、击键等行为特征也可用于身份鉴别。但如果要把生物特征用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。据研究表明，人的指纹、手形、虹膜、脸形等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征与别人的都不同，且终生不变，因此就可以据此识别出人的身份。基于这些特征，人们发展了指纹识别、人脸识别以及虹膜识别等多种生物特征识别，解决了一些传统身份鉴别方法存在的问题，提供了相对方便、快捷、准确的身份识别方法。它们中

10、有的已经逐步得到推广和应用，有的还处于实验研究阶段。 生物特征识别系统对人体的生物特征进行取样，提取某特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组成为特征模板，人们与识别系统进行互身份认证时，识别系统获取其特征并与数据库中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而对此人的身份认证请求做出接受或拒绝的判断。由于人的身份特征具有不可复制的特点，人们在很早以前就把目光转向了生物识别技术，希望可以借此技术来应付各种身份认证所面临的挑战。它的历史可以追溯到古代埃及人通过测量人体各部位的尺寸来进行身份鉴别。现代生物识别技术始于10年代中期，由于早期的识别设备比较昂贵，因而仅限于安全级别要求较高的地方。现在由

11、于微处理器及各种电子元器件成本不断下降，精度逐渐提高，人体生物特征识别系统逐渐应用于很多领域。一类是公共安全领域，一类是民用领域。其主要用途在高可靠性的身份认证，如银行的atm取款机和普通的银行身份认证（代替密码和身份证），电子商务的个人身份认证，内部两安全、建筑物通道安全、单位的门禁保安、个人家庭安全系统、海关等。1,2 虹膜识别技术的发展历程 虹膜识别的发展历程可以追溯至19世纪80年代。1885年，alphonse bertillon将利用生物特征识别个体的思路应用在巴黎的刑事监狱中，当时所用的生物特征包括：耳朵的大小、脚的长度、虹膜等。1987年，眼科专家aran safir和leon

12、ard flom首次提出利用虹膜图像进行自动虹膜识别的概念，到1991年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的johnson实现了一个自动虹膜识别系统。1993年，john daugman实现了一个高性能的自动虹膜识别原型系统。1997年，中国第一个虹膜识别专利得到批准，申请人，王介生。 2005年，中科院自动化所模式识别国家重点实验室，因为在“虹膜图像获取以及识别技术”方面取得的突出成绩，获得“国家技术发明二等奖”，代表国内虹膜识别技术发展的最高水平。 2007年11月，信息安全技术虹膜识别系统技术要求(gb/t20979-2007)国家标准颁布实施，起草单位为：北京凯平艾森信息技术有限公司。1.3

13、 虹膜识别技术的现状 国际上主要的虹膜识别厂商：iriscan,从19941998年的5年间公司收入增长了10倍，公司入选全求增长最快的公司500强。到2002底为止，公司提供的虹膜识别产品已经在全球超过1000家单位使用，包括银行、机场、学校、政府等各种各样的单位。累计销售收入超过1亿美元。同时，公司的销售收入从1994年开始，每年均已超过80%的规模增长。在it大环境一冷再冷的同时，以虹膜识别技术为核心技术的iriscan却取得了令人惊讶的增长速度。 根据国际生物特征识别集团（international biometic group）的统计分析，2007年，基于人的生物特征（如指纹、虹膜、

14、脸相、声纹等）而实现身份识别的全球市场为30亿美金，而虹膜识别占其中的5.1%，约为1.53亿美金。2007年，美国fbi宣布投资10亿美金建立名为“识别下一代”的公民生物特征数据库，并希望在此基础之上进一步构建美国的反恐和公民安全网络，而虹膜是其重点考虑的生物特征之一，足见虹膜识别技术的应用前景十分广阔。有资料显示，美国军方和政府部门正在有计划的购买和使用虹膜身份认证设备和系统，比如在2007年仅从l1 identity solutions公司就购买了超过8000万美金的虹膜设备。在中东，irisguard公司已经建立了一个超大规模的虹膜识别架构irisfarm，完成了阿联酋全国的机场旅客虹

15、膜通关和恐怖分子黑名单比对。 在中国，全国共有超过1万家支行级的银行分支机构，大约150家机场运用了虹膜识别技术，仅这两个市场的应用潜力就达到了25亿人民币。其他如：军事基地、枪械库、核能设施、物料放置库房、电脑机房、政府办公室、保密资料室等重要区域的门禁管制等有潜力应用虹膜识别技术的市场超过30亿人民币。以上估计不包括相关的配套设备的市场。所以，在国内虹膜识别产业是一个尚未开发的，有着巨大潜力的处女地。1.4 本文的主要研究内容 本文提出了基于tms320dm642dsp的虹膜识别系统，给出了系统硬件和软件的实现方案。 2.系统硬件设计 本系统的硬件平台由五个部分组成，分别是图像采集、图像处

16、理、数据存储、图像显示和电源部分。其结构框图如图1所示图1系统结构框图2.1 图像采集图像采集是将ccd摄像机采集到的虹膜图像，经高精度的a/d转换后得到数字虹膜图像。a/d转换器采用ti公司的tvp5145芯片，其采样精度达到10bit，输出支持ccir-656和bt656等格式2.2 图像处理 数字多媒体处理器tm320dm642属于ti公司c6000系列，是一款新型高性能的dsp。它是整个虹膜识别系统的核心。它的任务是对得到的数字虹膜图像进行处理和识别，将处理的数据存入数据存储器，将识别的结果送到lcd显示器进行显示。tms320dm642基于c64x内核，采用高级甚长指令字（veloc

17、iti）体系结构。具有64个32位通用寄存器，8个独立计算的功能单元。它可在600mhz时钟速率工作，每个指令周期可并行执行8条32位指令，峰值计算速率可达4800mips。tms320dm642有l1和l2两级缓存，第一级包括l1p（16kb）程序缓存和l1d(16kb)数据缓存；第二级缓存l2（256kb）可灵活配置成缓存或片上内存。tms320dm642具有64个独立通道的edma（扩展的直接存储器访问）控制器，负责片内l2与其它外设之间的数据传输。dm642具有丰富的外围设备接口：包括三个可配置的双通道视频接口（video port），可以和视频输入，输出或传输流输入无缝连接；具有多通

18、道音频串行端口(mcasp)，便于音频应用开发；10/100mbps以太网口(emac)，便于网络应用；66mhz32bit的pci接口；以及64 bit的外部存储器接口（emif），可连接异步或同步的存储器，如sdram。此外，还具有i2c总线模块、数据管理输入输出模块(mdio)等。 tm320dm642具有以上的特点，能满足虹膜图像处理的实时性要求。2.3 数据存储数据存储部分包括flash、sdram和cf卡三部分。flash存储器具有可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的功能，用它来保存系统自启动代码以及系统程序代码，本系统选用atmel公司的at29lv020flash芯片，它是n

19、or型的flash芯片，总容量为256kb，数据总线为8位。dsp 选择了emifa boot模式时，上电后自动从ce1空间装载程序，所以flash 必须接在emif的ce1空间。sdram存储器的存取速度较高，用它来存放系统运行时的代码以及临时图像数据，本系统选用四片三星公司的sdram k4s561632e，每片为16位，32mb，接在dsp的emif接口的ce0空间。cf卡接在emif的ce2空间，用来存储原始图像数据和识别结果。2.4 图像显示图像显示部分采用数字lcd，可省去数模转换芯片，而只需一片可编程逻辑器件cpld驱动lcd，该cpld选用altera公司的max3000系列。

20、2.5 电源部分电源部分在系统的硬件部分中占有重要的地位，它将影响到整机能否可靠运转。其中，要着重考虑以下两点：第一、要有一套保证dsp芯片内核和i/o能同时上电的解决方案，这样避免对芯片造成损害。本系统采用d型边沿触发器来开关电源输出，很好的解决了这个问题；第二、在高速电路板中，开关的电磁辐射和线路噪音会干扰器件的实际工作电压，而dsp芯片一般要求工作电压偏差不超过5%，否则，长时间工作在非正常电压容易缩短芯片寿命甚至于烧毁。因此，本系统中特别设计了电压监控电路来实时监控电压。根据本系统特点，采用了ti公司的tps3307芯片。3.系统软件设计系统主程序运行在dsp中，完成虹膜图像处理的全部

21、算法。虹膜识别的流程图如图2所示。识别过程是：先用摄像机拍摄眼睛图像，然后进行图像预处理（虹膜定位、增强等），再对虹膜特征进行分析，与存储的虹膜特征进行模式匹配，最后得出识别结果。在这过程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。3.1虹膜定位本系统采用ccd摄像机拍摄到细节较清晰的眼睛图像。虹膜是眼睛瞳孔和巩膜间的环形可视部分。虹膜定位，即是确定虹膜的内外边缘。一般而言，瞳孔灰度值比虹膜灰度值小，而虹膜灰度值又比巩膜灰度值小。因此，先以眼图的灰度平均值为尺度，取得眼图的二值化图像。再选取合适的较小的阈值就可粗略定出瞳孔的边界。然后用取图像最大连通域和二值图像形态学的方法较精确地定出瞳孔的边缘

22、范围。最后将图像进行适当的旋转和逻辑运算，可消除瞳孔内部的光照的影响。这样可较好定出虹膜的内边缘，并通过对边缘点的坐标值求平均的方法确定出瞳孔圆心。在确定虹膜外边缘时，要选择较大的合适阈值大致定出虹膜与巩膜的边界。其余步 骤基本与定内边缘的类似。这样定位的方法速度快，避免了搜索的盲目性。3.2 虹膜的相位匹配算法虹膜图像的纹理特征具有唯一性，不同人的虹膜纹理是不一样的。在虹膜自动识别中通常是先存入一幅已知图像（基准子图）作为模板，再对任一输入图像（实时图）进行匹配比较，判断两者的关系。由于虹膜成像过程中引入的主要是高频成份的非线性几何失真，且虹膜图像的频谱能量主要集中在低频区域。所以本系统采用基于低通滤波和傅里叶频谱的相位相关算法。该算法原理为：对基准子图和实时图分别求出离散傅里叶变换。将两图变换结果的乘积取复共轭得到它们的互功率谱，归一化