基于TI DSP器件和MSP430在生物特征識別中的應用研究

在自然世界中人是獨特，人所表現(xiàn)出來的生物特征可謂獨一無二。對于每一個個體的人，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，這就是生物識別技術最基本的前提，這是在人類文明和文化不斷發(fā)展進程中對自身認識的又一次超越。隨著電子時代的到來，生物特征識別技術獲得革命性的飛躍，而其市場的真正興起卻幾乎是與新世紀同步，特別是得益于數(shù)字信號處理器（DSP）的驅動。本文希望通過分析生物特征識別技術和市場入手，闡述德州儀器（TI）的DSP在以指紋識別和面相識別為代表的生物特征識別市場化進程的重要推進作用，并展望更廣闊的市場前景。

生物特征識別核心引擎

通過當前領先的數(shù)字信息技術與光學、聲學、生物傳感器和生物統(tǒng)計學原理等高科技手段的密切結合，利用人體所固有的諸如指紋、面相、虹膜、脈絡等生理特性，和諸如筆跡、聲音、步態(tài)等行為特征來進行個人身份的鑒定的技術手段，就成為生物識別技術。該技術比傳統(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”和隨時隨地可用等優(yōu)點。

由于早期生物特征識別技術產品均借助于計算機技術實現(xiàn)，雖然很容易配合電腦和安全、監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合，實現(xiàn)自動化管理，但其應用范圍受到限制。為使生物識別技術廣泛用于從公共安全、金融業(yè)務、社會福利保障、電子商務，直至家居保安和個人私隱等消費類市場，嵌入式需求至關重要，因此DSP無疑是生物特征識別處理的核心引擎。

如圖1所示生物特征識別系統(tǒng)是一個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、影像增強和模版提取，然后進行匹配和加密，所有這些復雜的工作都需要在瞬間實現(xiàn)，如果沒有DSP的高速則難以勝任。其次其周邊包含傳感、存儲、外設、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厚，另外還可得益于TI的高性能電源等其它器件器件。當系統(tǒng)的高速和省電需求得到充分滿足之后，生物特征識別產品市場化的進程便得到迅猛的發(fā)展。

圖1 生物特征識別系統(tǒng)是一個高速影像處理系

指紋識別技術發(fā)展進程

人們對指紋特征的認識由來已久，但在快速自動識別方面還是數(shù)字化的產物。一個手指的指紋特征點約在一百到一百二十之間，每個特征點以八個比特來描述將近一千個比特，在數(shù)據(jù)層面難以復制。另外其本身內在的生物特征也難以被盜取，這就難以被直接復制成指模。加之現(xiàn)有活體識別技術，即便復制出指模也是無濟于事。其實早在PC時代人們就對指紋識別技術進行了系統(tǒng)的開發(fā)，但真正的實用化還是從DSP開始，特別是TI的C5402這樣的經(jīng)典平臺。C5402具有100MIPS運算性能，且性能與功耗都具優(yōu)勢，在指紋識別應用的歷史跨越了一個年代，只是后來逐步升級到C55X平臺。圖2所示為基于TI的C55X平臺指紋識別參考框圖。

圖2 TI C55X平臺指紋識別參考框圖

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

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

面相識別技術發(fā)展進程

與指紋特征識別技術相比，面相識別算法非常復雜而代碼長度也非常大，這就需要很大的處理性能和系統(tǒng)資源。如果在電腦上實現(xiàn)需要“奔騰4”級別以上，然而面相識別類產品需要相當高的可靠性，基于PC的通用操作系統(tǒng)很難保證這種持久的可靠性。另一個方面，面相識別在例如門禁、移動便攜式設備、智能監(jiān)控相機等應用場合必須是嵌入式產品類型，而這對系統(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才有機會不斷推進面相識別的市場化進程。圖3為基于DSP的典型應用示范。

圖3基于DSP的典型應用示范

在面相識別應用中，DM642是一個理想的平臺，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，由于有八個并行運算單元，所以等效性能為4800MIPS。DM642集成有多個高精度數(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通過擴展外圍總線連接同步動態(tài)存儲器和閃速存儲器，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語言編譯效率很高，所以很容易將基于PC的軟件算法進行移植，還可以借助于TI特有實時操作系統(tǒng)DSP/BIOS構建嵌入式面相識別系統(tǒng)，這樣就可以之作為一個獨立的設備，完成視頻采集、人臉定位、特征提取，同時還可將該資料以及壓縮的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時地傳到遠程的服務器，然后在人臉影像數(shù)據(jù)庫中進行檢索和匹配，并及時地通報結果。若是需要錄入新的人臉影像，則可以通過簡單的拍攝完成，便添加到影像數(shù)據(jù)庫中去。

新型的單片媒體處理器將使面相識別系統(tǒng)功能更加強大。

TI所推出的達芬奇（Davinci）平臺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，還可以運行高級的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux，甚至WinCE。視頻輸入與視頻輸出包含在一個視頻處理子系統(tǒng)中，前端有CCD的控制器、預覽、縮放，還具有自動聚焦、自動爆光、自動白平衡的“3A”功能，后端集成字幕疊加“OSD”、四個視頻 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ATA接口、MMC和SD等存儲卡接口。于是許多有用的識別資料有了靈活的存儲方式。

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

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

面相識別技術已開始應用于銀行安全防范管理系統(tǒng)、會議代表身份認證系統(tǒng)、面像識別門禁、面像識別考勤、社會保障管理、公共場所巡察等應用系統(tǒng)，并在不同程度地發(fā)揮著作用。

其它識別技術發(fā)展進程

生物識別技術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別和面相識別屬于前者，同屬生物生理特征的還有虹膜識別、視網(wǎng)膜識別和掌紋識別。生物行為特征則包含手動簽名以及聲音識別。那么在這些識別技術中哪一個還具有潛力呢？根據(jù)權威性實驗報告，在技術特性方面虹膜識別特別適合于信息安全和通道控制領域的身份認證。

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識。虹膜識別有條件成為人體生物特征識別技術中的最佳選擇，其原因在于其所具有最高的唯一性、終身不變性、最強的生物活性，其識別準確性最高，而且識別速度最快， 防偽性最強也。曾經(jīng)有國際權威部門對人體生物特征識別技術分析結果顯示，虹膜識別的匹配速度超出所有其它生物統(tǒng)計技術至少20倍。

當然虹膜識別的可靠性需要有極高的識別準確度來保證，特別是采用核心技術在深色虹膜的“無紋理”區(qū)域分析提取紋理特征并加以精確的數(shù)字表述的實現(xiàn)，因此需要采用更高性能的DSP，如主頻高達千兆的C6416系列。隨著識別技術更加成熟和優(yōu)化，還有高性能DSP的價位的降低，虹膜識別同樣可以廣泛應用于政府、軍事部門、廠礦企業(yè)、社會公共安全防范以及信息安全領域。

在視網(wǎng)膜識別與虹膜識別，指紋識別與掌紋識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。

聲音識別是數(shù)字語音處理技術的一個重要課題，也是DSP應用的一個重要方向。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)字時代，人們的公共利益、人身安全、私有財產、商業(yè)交易、個人情感、商務記錄、工作成果、娛樂收藏等均是數(shù)字化的存儲形式。如果要確保這些具有巨大價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尋求保護，因此使生物特征識別發(fā)揮最有效的作用無疑是個明智的選擇。

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