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基于汇聚式处理器的生物认证系统设计


基于汇聚式处理器的生物认证系统设计
在实际应用中,几乎所有的生物认证技术均通过以下步骤实现:传感器采集原始生物特征数据;处理采 集数据,完成特征提取,形成代表目标对象的特征集;模式匹配,将提取的特征集与数据库中保存的模板 进行对比;判断程序,根据对比结果判断用户声明的身份是否能通过验证。对于便携式的生物认证终端来 说,所有这些步骤都必须由处理器在很短的时间内完成,因而对处理器性能提出了较高的要求。

图 1:基于生物认证技术的大楼管理系统示意图。 近年来,ADI 公司推出的汇聚式处理器 Blackfin 系列已经在全球多家领先的生物认证系统中得到使用。 Blackfin 处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的新 型 16/32 位嵌入式处理器。Blackfin 处理器将一个 32 位 RISC 型指令集和双 16 位乘法累加(MAC)信号处理 功能,与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种处理特征的组合使得 Blackfin 处理器能够在信 号处理和控制处理应用中都具有突出优势,在很多应用中避免了增设单独的异类处理器,可以轻松实现各 种生物认证方法所涉及的复杂数字信号处理运算。 Blackfin 处理器已广泛用于视频及图像处理应用,而图像处理正是几乎所有生物认证系统的基础技术。以 指纹识别为例,其预处理主要包括指纹图像增强、指纹图像二值化、指纹图像细化和指纹图像细化的后处 理,这些都依赖于处理器的图像处理能力。特别是,Blackfin 处理器所具有的以下独特特性对生物认证技 术的实现提供了重要支持:Blackfin 处理器支持 8 位数据以及许多像素处理算法所常用的字长,大大提高 了虹膜识别、人脸识别等应用中常见的动态图像处理、像素值处理;Blackfin 具有 L1 和 L2 两级高速缓存 结构;由于具有快速的读取速度,这种缓存结构可以有效提高生物特征参数处理速度;生物认证需要对图 像进行处理,大量涉及到内存数据存取,而 Blackfin 处理器所具有的 DMA 控制器可以自动完成数据传输, 所需的处理器内核开销极少,节约了处理器的宝贵运算能力。

图 2:Blackfin 处理器内核架构。 目前, Blackfin 处理器在单内核产品中可提供高达 600MHz 的性能。 Blackfin 处理器系列还提供了低至 0.8V 的业界领先功耗性能。不同于其它的处理器只允许调整工作频率,Blackfin 处理器允许设计工程师同时调 整电压和频率,从而能最大限度地降低功耗。生物认证广泛地应用于电池供电的便携式设备中,因此对于 当今及未来的生物认证应用而言,这种高性能与低功耗的组合特性是必不可少的。 生物认证所涉及的技术及产品种类广泛,相关的汇聚式处理器应用案例众多,包括 Qritek 公司推出的全球 首款创新型虹膜识别鼠标;AuthenTec 公司的 FingerLoc AFS 8600 嵌入式指纹识别装置;Suprema 公司 Unifinger SFM3000 和 SFM3500 指纹识别模块; Biometric Access 公司的 SecureTouch 先进系统(STAm)等。 本文以全球首款虹膜识别鼠标产品为例,介绍基于 Blackfin 处理器的产品设计和方案选型参考思路。 鼠标虹膜识别系统设计 电脑中保存有敏感数据, 如何有效避免非授权用户使用电脑?韩国首尔的 Qritek 公司利用其创新型 IRIBIO 鼠标虹膜识别系统可以帮助您“密切注视”所使用的电脑。 Qritek 公司的 IRIBIO 鼠标系统工作过程如下: 用户拿起鼠标,向凹面镜望去以聚焦眼睛,鼠标上的虹膜照相机开始计算眼睛位置,根据眼睛的行为、感 光、 大小, 以及东西方国家眼睛形状的差异等进行调整; 接着, 照相机进行黑白成像并进行大量相关处理; 最后,将获得的虹膜信息与数据库中存储的模版进行核对。 该系统使用了微型照相机与嵌入式虹膜认证引擎电路板,这些都安装在体积紧凑的计算机鼠标中,实现了 与主计算机的物理与逻辑分离。因此,它显著区别于其它生物认证系统,IRIBIO 鼠标不会把您重要的个人 生物数据注册或存储在电脑硬盘上,同时内置的虹膜辨认运算是在鼠标内的微处理器上实现的,注册及识 别过程在鼠标内部进行,与 PC 机分开,可以避免被病毒感染或被网络黑客盗取,嵌入在鼠标内部的软件利 用用户特有的虹膜模式作为口令处理认证。 Qritek 公司为该产品选择处理器的最终目标,是为用户提供快速但极具成本效益的认证解决方案。IRIBIO 鼠标内部嵌入的处理器,不仅需要在极小占位面积情况下承担诸多功能,而且要价格合理、功耗低。对于

Qritek 公司来说,快速视频处理能力非常重要,其所采用的 BF533 处理器的 500 MHz 运行速度不仅能够提 供所需的性能,而且价格适中。该处理器片上内存达 148KB,对于 Qritek 的 IRIBIO 鼠标产品来说这是另 一个极具吸引力的特性,可以很轻松地满足 Qritek 公司的虹膜识别算法对存储空间的要求。 BF533 将高性能内核与行业标准接口组合,因而可以让 Qritek 不必采用高成本的外部组件。Blackfin 处理 器内置的系统外设包括 UART 端口、SPI 端口、两个串行端口(SPORT)和四个通用定时器、一个实时时钟、 一个看门狗定时器和一个并行外设接口(PPI),从而加强了处理器的系统扩展特性。Qritek 公司利用 Blackfin 处理器的 I/O 功能来控制白光 LED 和红外 LED,并连接 CMOS 传感器。 Blackfin 处理器的高速性能与 Qritek 公司的快速算法相结合,使该产品的虹膜信息注册只需要 7~10 秒, 而虹膜识别仅需要 1~2 秒,在同类产品中具有十分明显的性能优势。 工具支持 任何一款产品解决方案的选择都不可能抛开其它因素而仅局限于性能,方案的实现成本和配套技术支持也 很重要。 Suprema 公司除了采用 ADI 公司的 Blackfin 处理器外,还充分利用了其仿真工具,采用了 ADI 公司的集成 软件开发和调试环境——VisualDSP++ 软件,该工具使 Suprema 公司自始至终地在统一的界面中管理其设 计方案。此外,Suprema 公司还采用了 VisualDSP++内核(VDK)库用于任务调度和处理器之间的通信,从 而能使 Suprema 充分利用先进的调度和资源分配方法,以便专门解决存储器分配和定时约束条件问题。这 些工具帮助 Suprema 公司更有效地利用例程代码,无须从头开始设计,因此节省了开发和调试时间。


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