基于TI DSP器件和MSP430在生物特征識(shí)別中的應(yīng)用研究

在自然世界中人是獨(dú)特，人所表現(xiàn)出來(lái)的生物特征可謂獨(dú)一無(wú)二。對(duì)于每一個(gè)個(gè)體的人，總是能夠找到一種或多種生物特征與其他任何人有所區(qū)別的，這就是生物識(shí)別技術(shù)最基本的前提，這是在人類文明和文化不斷發(fā)展進(jìn)程中對(duì)自身認(rèn)識(shí)的又一次超越。隨著電子時(shí)代的到來(lái)，生物特征識(shí)別技術(shù)獲得革命性的飛躍，而其市場(chǎng)的真正興起卻幾乎是與新世紀(jì)同步，特別是得益于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的驅(qū)動(dòng)。本文希望通過(guò)分析生物特征識(shí)別技術(shù)和市場(chǎng)入手，闡述德州儀器（TI）的DSP在以指紋識(shí)別和面相識(shí)別為代表的生物特征識(shí)別市場(chǎng)化進(jìn)程的重要推進(jìn)作用，并展望更廣闊的市場(chǎng)前景。

生物特征識(shí)別核心引擎

通過(guò)當(dāng)前領(lǐng)先的數(shù)字信息技術(shù)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段的密切結(jié)合，利用人體所固有的諸如指紋、面相、虹膜、脈絡(luò)等生理特性，和諸如筆跡、聲音、步態(tài)等行為特征來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定的技術(shù)手段，就成為生物識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)比傳統(tǒng)的身份鑒定方法具有安全性、保密性和方便性，同時(shí)還具有不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身“攜帶”和隨時(shí)隨地可用等優(yōu)點(diǎn)。

由于早期生物特征識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品均借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，雖然很容易配合電腦和安全、監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，但其應(yīng)用范圍受到限制。為使生物識(shí)別技術(shù)廣泛用于從公共安全、金融業(yè)務(wù)、社會(huì)福利保障、電子商務(wù)，直至家居保安和個(gè)人私隱等消費(fèi)類市場(chǎng)，嵌入式需求至關(guān)重要，因此DSP無(wú)疑是生物特征識(shí)別處理的核心引擎。

如圖1所示生物特征識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)典型的高速影像處理系統(tǒng)，首先其核心處理包括影像獲取、影像增強(qiáng)和模版提取，然后進(jìn)行匹配和加密，所有這些復(fù)雜的工作都需要在瞬間實(shí)現(xiàn)，如果沒(méi)有DSP的高速則難以勝任。其次其周邊包含傳感、存儲(chǔ)、外設(shè)、供電和主控單元，整體耗電量要求盡可能低，因此TI的DSP的低功耗和MSP430的超低功耗特性得天獨(dú)厚，另外還可得益于TI的高性能電源等其它器件器件。當(dāng)系統(tǒng)的高速和省電需求得到充分滿足之后，生物特征識(shí)別產(chǎn)品市場(chǎng)化的進(jìn)程便得到迅猛的發(fā)展。

圖1 生物特征識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)高速影像處理系

指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

人們對(duì)指紋特征的認(rèn)識(shí)由來(lái)已久，但在快速自動(dòng)識(shí)別方面還是數(shù)字化的產(chǎn)物。一個(gè)手指的指紋特征點(diǎn)約在一百到一百二十之間，每個(gè)特征點(diǎn)以八個(gè)比特來(lái)描述將近一千個(gè)比特，在數(shù)據(jù)層面難以復(fù)制。另外其本身內(nèi)在的生物特征也難以被盜取，這就難以被直接復(fù)制成指模。加之現(xiàn)有活體識(shí)別技術(shù)，即便復(fù)制出指模也是無(wú)濟(jì)于事。其實(shí)早在PC時(shí)代人們就對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，但真正的實(shí)用化還是從DSP開(kāi)始，特別是TI的C5402這樣的經(jīng)典平臺(tái)。C5402具有100MIPS運(yùn)算性能，且性能與功耗都具優(yōu)勢(shì)，在指紋識(shí)別應(yīng)用的歷史跨越了一個(gè)年代，只是后來(lái)逐步升級(jí)到C55X平臺(tái)。圖2所示為基于TI的C55X平臺(tái)指紋識(shí)別參考框圖。

圖2 TI C55X平臺(tái)指紋識(shí)別參考框圖

C55X是C54X的升級(jí)平臺(tái)，時(shí)鐘提高的同時(shí)內(nèi)部運(yùn)算處理核心也加倍，因此往往200MHz或300MHz時(shí)鐘可以獲得400MIPS或600MIPS的高運(yùn)算能力。由于芯片半導(dǎo)體工藝的改進(jìn)，加之特殊的內(nèi)部供電管理機(jī)制，其工作功耗呈數(shù)量級(jí)下降，并成為可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最低待機(jī)功耗的新型DSP平臺(tái)。其中C5509和C5507以片上集成USB接口而別具特色，C5503/02/01則以不同的內(nèi)存配置而針對(duì)不同應(yīng)用。特別值得一提的是，新近推出的C5506超低功耗器件，時(shí)鐘為108MHz下僅為58mW功耗，而性能可達(dá)216MIPS；在1.2V情況下待機(jī)功耗僅為0.120mW，為業(yè)界最低。另外還具有動(dòng)態(tài)頻率與電壓縮放、多種待機(jī)模式可分別關(guān)閉獨(dú)立外設(shè)與內(nèi)部功能、128KB的SRAM可滿足高效代碼需求以盡可能減少片外存儲(chǔ)器存取。C55X平臺(tái)還可以通過(guò)電源優(yōu)化工具輔助實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

憑借DSP的驅(qū)動(dòng)，指紋識(shí)別技術(shù)的實(shí)用化和市場(chǎng)化進(jìn)程不斷加快，其中最重要的一個(gè)應(yīng)用就是指紋鎖。從一般鎖到指紋鎖的變遷說(shuō)明了安全的主題是恒久不變的，指紋門(mén)鎖目前也成為高檔住宅或安全重地的必然選擇。與此同時(shí)，指紋在保險(xiǎn)箱等產(chǎn)品的應(yīng)用，除了確保物理安全之外，還能保證信息存儲(chǔ)更加安全可靠。指紋識(shí)別在銀行系統(tǒng)中的應(yīng)用是一個(gè)極具潛力的新興市場(chǎng)。在金融交易過(guò)程中，指紋特征信息由于每次采集的數(shù)據(jù)并不完全相同，若被攔截并進(jìn)行假冒驗(yàn)證，系統(tǒng)可以判定出存在完全相同的兩次數(shù)據(jù)，則有機(jī)會(huì)拒絕服務(wù)，從而一定程度提高了交易安全。傳統(tǒng)的類似銀行卡的結(jié)算方式，需要輸入帳號(hào)和密碼、加載數(shù)字證書(shū)，操作環(huán)節(jié)多且繁瑣，而采用指紋則確認(rèn)交易的過(guò)程可以一次完成。隨著DSP產(chǎn)品及應(yīng)用的“平民化”，面向消費(fèi)類的指紋識(shí)別市場(chǎng)將會(huì)呈現(xiàn)空前繁榮的局面。

面相識(shí)別技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

與指紋特征識(shí)別技術(shù)相比，面相識(shí)別算法非常復(fù)雜而代碼長(zhǎng)度也非常大，這就需要很大的處理性能和系統(tǒng)資源。如果在電腦上實(shí)現(xiàn)需要“奔騰4”級(jí)別以上，然而面相識(shí)別類產(chǎn)品需要相當(dāng)高的可靠性，基于PC的通用操作系統(tǒng)很難保證這種持久的可靠性。另一個(gè)方面，面相識(shí)別在例如門(mén)禁、移動(dòng)便攜式設(shè)備、智能監(jiān)控相機(jī)等應(yīng)用場(chǎng)合必須是嵌入式產(chǎn)品類型，而這對(duì)系統(tǒng)功耗也就提出了更高的要求，顯然通用的CPU難以勝任，只有高性能的DSP才有機(jī)會(huì)不斷推進(jìn)面相識(shí)別的市場(chǎng)化進(jìn)程。圖3為基于DSP的典型應(yīng)用示范。

圖3基于DSP的典型應(yīng)用示范

在面相識(shí)別應(yīng)用中，DM642是一個(gè)理想的平臺(tái)，首先這是業(yè)界第一顆高性能、軟件可編程的通用媒體處理器，其核心是主頻為600MHz名為C64X的DSP，由于有八個(gè)并行運(yùn)算單元，所以等效性能為4800MIPS。DM642集成有多個(gè)高精度數(shù)字視頻接口，可以作為視頻輸入也可以作為視頻輸出，同時(shí)還有以太網(wǎng)接口用于傳輸壓縮的數(shù)據(jù)流和音頻輸入輸出接口。DM642通過(guò)擴(kuò)展外圍總線連接同步動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器和閃速存儲(chǔ)器，在視頻前端可以采用TI的視頻解碼器、視頻放大器及電源等高性能模擬器件。

DM642的C語(yǔ)言編譯效率很高，所以很容易將基于PC的軟件算法進(jìn)行移植，還可以借助于TI特有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DSP/BIOS構(gòu)建嵌入式面相識(shí)別系統(tǒng)，這樣就可以之作為一個(gè)獨(dú)立的設(shè)備，完成視頻采集、人臉定位、特征提取，同時(shí)還可將該資料以及壓縮的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地傳到遠(yuǎn)程的服務(wù)器，然后在人臉影像數(shù)據(jù)庫(kù)中進(jìn)行檢索和匹配，并及時(shí)地通報(bào)結(jié)果。若是需要錄入新的人臉影像，則可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拍攝完成，便添加到影像數(shù)據(jù)庫(kù)中去。

新型的單片媒體處理器將使面相識(shí)別系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大。

TI所推出的達(dá)芬奇（Davinci）平臺(tái)不僅包含更高性能的C64X+核心，還集成了ARM9通用處理器，既可以高速地處理人臉影像，還可以運(yùn)行高級(jí)的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux，甚至WinCE。視頻輸入與視頻輸出包含在一個(gè)視頻處理子系統(tǒng)中，前端有CCD的控制器、預(yù)覽、縮放，還具有自動(dòng)聚焦、自動(dòng)爆光、自動(dòng)白平衡的“3A”功能，后端集成字幕疊加“OSD”、四個(gè)視頻 DAC和24位數(shù)字RGB輸出。Davinci集成有豐富的外圍接口，除了與DM642同樣的以太網(wǎng)口和音頻接口外，還有USB2.0、硬盤(pán)ATA接口、MMC和SD等存儲(chǔ)卡接口。于是許多有用的識(shí)別資料有了靈活的存儲(chǔ)方式。

目前已有不少專業(yè)公司成功推出基于DM642的面相識(shí)別系統(tǒng)，并推出實(shí)用性的產(chǎn)品。由于DM642目前已成為數(shù)字視頻監(jiān)控的主流平臺(tái)，那么基于DM642的面相識(shí)別算法也就很容易集成到數(shù)字視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中，從而增強(qiáng)了其附加值，這也成為數(shù)字視頻監(jiān)控的一個(gè)趨勢(shì)。

隨著基于Davinci的數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品的推出，相應(yīng)的面相識(shí)別系統(tǒng)也將更新的面貌出現(xiàn)。

面相識(shí)別技術(shù)已開(kāi)始應(yīng)用于銀行安全防范管理系統(tǒng)、會(huì)議代表身份認(rèn)證系統(tǒng)、面像識(shí)別門(mén)禁、面像識(shí)別考勤、社會(huì)保障管理、公共場(chǎng)所巡察等應(yīng)用系統(tǒng)，并在不同程度地發(fā)揮著作用。

其它識(shí)別技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

生物識(shí)別技術(shù)可劃分為生物生理特征和生物行為兩類，前兩部分介紹的指紋識(shí)別和面相識(shí)別屬于前者，同屬生物生理特征的還有虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別和掌紋識(shí)別。生物行為特征則包含手動(dòng)簽名以及聲音識(shí)別。那么在這些識(shí)別技術(shù)中哪一個(gè)還具有潛力呢？根據(jù)權(quán)威性實(shí)驗(yàn)報(bào)告，在技術(shù)特性方面虹膜識(shí)別特別適合于信息安全和通道控制領(lǐng)域的身份認(rèn)證。

虹膜就是人眼瞳孔和眼白之間的環(huán)狀組織，是人眼的可視部分，也是最可靠的人體生物終身身份標(biāo)識(shí)。虹膜識(shí)別有條件成為人體生物特征識(shí)別技術(shù)中的最佳選擇，其原因在于其所具有最高的唯一性、終身不變性、最強(qiáng)的生物活性，其識(shí)別準(zhǔn)確性最高，而且識(shí)別速度最快， 防偽性最強(qiáng)也。曾經(jīng)有國(guó)際權(quán)威部門(mén)對(duì)人體生物特征識(shí)別技術(shù)分析結(jié)果顯示，虹膜識(shí)別的匹配速度超出所有其它生物統(tǒng)計(jì)技術(shù)至少20倍。

當(dāng)然虹膜識(shí)別的可靠性需要有極高的識(shí)別準(zhǔn)確度來(lái)保證，特別是采用核心技術(shù)在深色虹膜的“無(wú)紋理”區(qū)域分析提取紋理特征并加以精確的數(shù)字表述的實(shí)現(xiàn)，因此需要采用更高性能的DSP，如主頻高達(dá)千兆的C6416系列。隨著識(shí)別技術(shù)更加成熟和優(yōu)化，還有高性能DSP的價(jià)位的降低，虹膜識(shí)別同樣可以廣泛應(yīng)用于政府、軍事部門(mén)、廠礦企業(yè)、社會(huì)公共安全防范以及信息安全領(lǐng)域。

在視網(wǎng)膜識(shí)別與虹膜識(shí)別，指紋識(shí)別與掌紋識(shí)別在某種程度上有共同性，只是在各自的傳感器上有所不同，在處理方式方法上也大相徑庭，但是DSP都有發(fā)揮的余地。

聲音識(shí)別是數(shù)字語(yǔ)音處理技術(shù)的一個(gè)重要課題，也是DSP應(yīng)用的一個(gè)重要方向。TI的DSP從早期的C25、C50、C54X到現(xiàn)在的C55X都在不同階段起到了重要的作用。

信息化的數(shù)字時(shí)代，人們的公共利益、人身安全、私有財(cái)產(chǎn)、商業(yè)交易、個(gè)人情感、商務(wù)記錄、工作成果、娛樂(lè)收藏等均是數(shù)字化的存儲(chǔ)形式。如果要確保這些具有巨大價(jià)值的珍貴資料安全保存，人們完全可以由自身的生物特征來(lái)尋求保護(hù)，因此使生物特征識(shí)別發(fā)揮最有效的作用無(wú)疑是個(gè)明智的選擇。

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