基于DM3730的中距離虹膜識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

方益平，姚 鵬，莊鎮(zhèn)泉

（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 電子科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥230027）

0 引 言

隨著現(xiàn)代信息社會(huì)的發(fā)展，與傳統(tǒng)的密碼、智能卡等身份認(rèn)證方式相比，生物特征識(shí)別以其不易遺忘或丟失、防偽性好等性能而備受關(guān)注。目前研究熱門的生物特征識(shí)別技術(shù)主要有:人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、靜脈識(shí)別、語音識(shí)別等。

虹膜是指介于瞳孔與角膜之間，具有豐富紋理細(xì)節(jié)的環(huán)狀區(qū)域，有200多個(gè)自由度。與其他生物特征認(rèn)證方式相比，虹膜識(shí)別具有高準(zhǔn)確性[1]、高穩(wěn)定性、高防偽性、唯一性等特點(diǎn)。一般情況下，虹膜識(shí)別識(shí)別系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分:圖像采集、圖像預(yù)處理、瞳孔虹膜定位、虹膜歸一化、特征提取與對(duì)比等。

近幾年，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)智能信息處理實(shí)驗(yàn)室在虹膜識(shí)別技術(shù)上積累了很多經(jīng)驗(yàn)，并且產(chǎn)生了很多有價(jià)值的成果[2－4]。

然而，虹膜識(shí)別目前還沒有大規(guī)模普及，制約虹膜識(shí)別技術(shù)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素主要有以下幾點(diǎn):虹膜圖像采集困難，由于虹膜圖像尺寸小而要求做虹膜識(shí)別的圖像必須達(dá)到較高的分辨率，如果使用長(zhǎng)焦鏡頭便會(huì)使景深變小，因此圖像獲取不方便，必須用戶積極配合才能完成。并且在較遠(yuǎn)距離，用戶很難找到正確的位置；識(shí)別算法依賴圖像。在非約束環(huán)境下，當(dāng)被測(cè)試者配合度不夠的時(shí)候，圖像質(zhì)量較差，虹膜識(shí)別率會(huì)顯著下降，很難實(shí)用。必須研究在非約束條件下的魯棒的虹膜識(shí)別算法。本文研究目的就是設(shè)計(jì)一種虹膜識(shí)別系統(tǒng)，使虹膜采集呈現(xiàn)高度友好性，并且在較遠(yuǎn)距離的非約束條件下虹膜識(shí)別算法仍能表現(xiàn)出很好的性能。

文中提出的基于DM3730的中距離虹膜識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先是系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)，采集模塊采用的是高分辨率的cmos圖像傳感器，結(jié)合液晶對(duì)采集圖像的實(shí)時(shí)反饋，和人臉采集一樣達(dá)到 “所見即所得”的效果。結(jié)合調(diào)焦模塊和高分辨的攝像頭可以使拍攝景深變大，拍攝距離變長(zhǎng)，從而達(dá)到在較遠(yuǎn)距離對(duì)用戶虹膜的拍攝。系統(tǒng)處理器選用是DM3730，該處理器采用ARM Cortex A8和TMS320C64X＋DSP雙核架構(gòu)，使系統(tǒng)在算法速度，事務(wù)處理能力都得到極大提升。其次，由于在較遠(yuǎn)距離對(duì)用戶拍攝，對(duì)用戶限定性較小，本文介紹了再非限定性條件下虹膜識(shí)別相關(guān)算法的設(shè)計(jì)，包括了非限定性條件下虹膜預(yù)處理算法，非限定條件下虹膜識(shí)別定位與歸一化算法等。此外還介紹了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。最后，相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析驗(yàn)證了本虹膜采集系統(tǒng)的有效性、實(shí)時(shí)性，具有很強(qiáng)應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)

圖1 采集模塊結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)包括了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)和系統(tǒng)功能任務(wù)框架設(shè)計(jì)。下面分別進(jìn)行介紹，對(duì)于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架設(shè)計(jì)，本文主要是指系統(tǒng)中采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)于處理器部分的設(shè)計(jì)將在下節(jié)的硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

對(duì)于采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其主要包括以下模塊:高分辨率CMOS攝像頭，可調(diào)焦鏡頭，步進(jìn)電機(jī)及其控制電路，紅外LED模塊，測(cè)距模塊，與CPU接口模塊等。其框架示意圖如圖1、2所示。圖1描述的是采集模塊的整體框架，圖2描述的是其中的攝像單元、調(diào)焦模塊的示意圖。

本文提出的上述采集模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，攝像頭傳感器采用的是10MP的高分辨率CMOS圖像傳感器。其能夠同時(shí)拍攝到人臉和虹膜圖像，并且LCD反饋單元能夠?qū)崟r(shí)的顯示拍攝圖像，實(shí)現(xiàn) “所見即所得”的功能。結(jié)合調(diào)焦模塊，以及高分辨率的攝像頭能夠使拍攝景深進(jìn)一步加大，從而能夠?qū)崿F(xiàn)中距離對(duì)用戶虹膜圖像進(jìn)行拍攝。近紅外光主要用來消除外部光照的影響，測(cè)距模塊能夠?qū)τ脩魧?shí)時(shí)測(cè)距，提醒拍攝者進(jìn)入攝像頭的拍攝區(qū)間。從攝像頭拍攝到的人臉圖像中，能夠扣取虹膜圖像作為識(shí)別圖像。

系統(tǒng)功能任務(wù)框架設(shè)計(jì)如圖3所示，本系統(tǒng)完成一次虹膜系統(tǒng)的識(shí)別過程，主要包括以下幾個(gè)部分:測(cè)距模塊提醒拍攝者進(jìn)入景深范圍，人臉拍攝，人眼檢測(cè)，剔除不合格眼睛圖像，調(diào)焦使圖像清晰，清晰度判斷，圖像預(yù)處理，瞳孔定位，虹膜定位，圖像歸一化，特征提取，特征匹配。

圖2 調(diào)焦模塊結(jié)構(gòu)

圖3 系統(tǒng)功能框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括采集模塊的硬件設(shè)計(jì)和處理器模塊的硬件設(shè)計(jì)。

采集模塊的硬件設(shè)計(jì)主要介紹:cmos攝像頭硬件電路設(shè)計(jì)和步進(jìn)電機(jī)調(diào)焦模塊電路設(shè)計(jì)。

2.1 基于MT9J003CMOS圖像傳感器的硬件電路設(shè)計(jì)

MT9J003是Aptina公司推出的一款10MP的CMOS圖像傳感器，其尺寸是1／2.3inch.它能支持10MP（3664HX2748V）的靜態(tài)圖像以及1080P（3840HX2160V）的視頻模式等多種模式。其是一款循環(huán)掃描以輸出固定幀頻的數(shù)據(jù)流，在并行模式能達(dá)到7.5fps。其最大傳輸數(shù)據(jù)速率為80MP／S.其采用片上鎖相環(huán)產(chǎn)生內(nèi)部時(shí)序，輸入時(shí)鐘為6－48MHZ，片上ADC分辨率為12位。

對(duì)于該芯片的電路設(shè)計(jì)，輸入信號(hào)有:IIC的數(shù)據(jù)線SDATA和信號(hào)線SCL，復(fù)位信號(hào)線RESET＿BAR，以及外圍控制線GPI[3∶0]，輸出信號(hào)線:PIXCLK，LV，F(xiàn)V，以及數(shù)據(jù)線D[11∶0].對(duì)于電源線，要注意添加去耦電路，并且數(shù)字電源和模擬電源要做隔離，防止發(fā)生干擾，如圖4所示。

圖4 攝像頭模塊電路

2.2 步進(jìn)電機(jī)調(diào)焦模塊電路設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)采用的是20HS3406A4型號(hào)，其參數(shù)為兩相四拍，步距角為1.8°，額定轉(zhuǎn)矩為0.003NM。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用的是一款THB6064H型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器具有過流保護(hù)，支持正反轉(zhuǎn)，PWM方波輸入，支持8種細(xì)分。相應(yīng)的電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.3 主控單元模塊電路設(shè)計(jì)

下面介紹主控單元，處理器模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，主控單元包含兩部分，一部分是核心板，另一部分是底板。核心板定義了一個(gè)TI DM3730的最小系統(tǒng)，主要包括DM3730、MCP（包括了DDR、NAND）和電源管理芯片TPS65930這3個(gè)部分。DM3730處理器集成高達(dá)1GHZ的ARM CortexTM－A8內(nèi)核及高達(dá)800MHz的具有高級(jí)數(shù)字信號(hào)處理的DSP核，并提供了豐富的外設(shè)接口。核心板通過DIP連接器連接到底板，底板主要提供一些接口電路，包括了網(wǎng)絡(luò)接口、鍵盤模塊、UART模塊、USB模塊、SD卡模塊、音視頻模塊、液晶顯示模塊、攝像頭接口模塊等等。如圖6所示，圖7是主控單元的實(shí)物圖。

3 中距離虹膜識(shí)別相關(guān)算法設(shè)計(jì)

3.1 非限定性條件下的預(yù)處理算法

3.1.1 人眼檢測(cè)和不合格圖像的剔除

中距離條件下的虹膜采集系統(tǒng)，由于對(duì)用戶的限定性較小，之前的近距離對(duì)用戶約束很強(qiáng)的虹膜識(shí)別算法已經(jīng)不滿足系統(tǒng)需求，因此需要介紹在非限定性條件下的虹膜識(shí)別算法。

圖5 步進(jìn)電機(jī)調(diào)焦模塊電路設(shè)計(jì)

人眼檢測(cè)，采用了基于學(xué)習(xí)的adaboost算法[5]。利用adaboost算法，訓(xùn)練人眼檢測(cè)器的關(guān)鍵在于樣本的選取。正樣本，主要來源于設(shè)備采集和國(guó)內(nèi)外虹膜數(shù)據(jù)庫裁剪的質(zhì)量較好的眼睛圖像7000多幅。負(fù)樣本，主要來源于設(shè)備采集和國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)上素材選取的閉眼，不合格虹膜圖像，背景圖片等多樣化負(fù)樣本2萬幅。對(duì)于不合格圖像的剔除，由于在負(fù)樣本中加入了閉眼，斜視，質(zhì)量不高的虹膜檢測(cè)圖片，所以在檢測(cè)中可以剔除很多合格度不高的眼睛圖片。

3.1.2 人眼粗定位和清晰度評(píng)價(jià)

對(duì)于人眼粗定位，本文采用了基于瞳孔的分級(jí)粗定位方法，該方法由鄧宏平在文獻(xiàn)[6]中提出。首先采用自適應(yīng)閾值二值化的方法進(jìn)行瞳孔粗定位獲得瞳孔的大致位置和尺寸。然后采用徑向?qū)ΨQ變換[7]的方法估計(jì)瞳孔中心，判斷瞳孔是為圓形瞳孔還是橢圓形瞳孔。

圖6 主控單元硬件結(jié)構(gòu)

圖7 硬件實(shí)物

虹膜圖像清晰度評(píng)判算法，本文提出一種基于無參考圖像的邊緣平均寬度的清晰度計(jì)算方法。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算復(fù)雜度低，對(duì)圖像內(nèi)容不敏感，對(duì)噪聲不敏感。圖8顯示了該算法的主要步驟。

3.2 非限定性條件下的虹膜定位與歸一化算法

3.2.1 非限定性條件下的瞳孔精定位

根據(jù)上述的瞳孔粗定位的結(jié)果，對(duì)于圓形瞳孔，經(jīng)典的Daugman圓周差分方法雖然在大多數(shù)情況下效果很好，但當(dāng)瞳孔收到嚴(yán)重的眼瞼、睫毛和光斑等的干擾時(shí)，該方法的定位準(zhǔn)確性會(huì)顯著降低。本系統(tǒng)采用了周足紅等在文獻(xiàn)[8]中提出的在非限定性條件下，采用基于改進(jìn)的圓周差分算子的瞳孔精定位方法。該方法能更好的去除眼瞼、光斑以及睫毛的干擾，具有非常高的準(zhǔn)確性和魯棒性。

對(duì)于橢圓瞳孔，本文采用了鄧等在文獻(xiàn)[9]中提到的采用基于改進(jìn)的橢圓差分和PSO的橢圓瞳孔的定位方法。改進(jìn)后的橢圓差分算子增強(qiáng)了在眼部圖像受眼瞼和睫毛干擾嚴(yán)重的情況下的魯棒性和準(zhǔn)確性。而PSO算法則提高了算法的速度，加強(qiáng)了算法的實(shí)時(shí)性。

3.2.2 干擾條件下的歸一化算法

由于外界光照等的變化，會(huì)引起瞳孔的縮放。傳統(tǒng)的虹膜紋理的線性歸一化無法消除這種不均勻縮放，從而會(huì)降低后續(xù)的虹膜識(shí)別的準(zhǔn)確率。方等通過對(duì)大量不同縮放程度的虹膜圖像樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn):在瞳孔縮放的過程中，近瞳區(qū)縮放的比例比遠(yuǎn)瞳區(qū)的縮放比例大，并據(jù)此提出了一種基于彈簧模型的非線性虹膜歸一化方法[10]。該方法能夠減少由于瞳孔的縮放所帶來的誤差，為后續(xù)的虹膜特征提取提供了便利，并進(jìn)以提高虹膜識(shí)別總體的識(shí)別率。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)的處理器采用的是基于ARM和DSP雙核架構(gòu)的處理器DM3730.如圖9所示，本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)可以分為3個(gè)層次[11]，應(yīng)用層中，編寫了上層虹膜應(yīng)用軟件，完成了對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)的I／O操作、利用虹膜識(shí)別算法API接口調(diào)用DSP端的算法。在信號(hào)層中，DSP運(yùn)行在DSP／BIOS操作系統(tǒng)上，負(fù)責(zé)完成各種虹膜識(shí)別算法的處理，并通過DVSDK軟件和ARM端的CODEC通信，將結(jié)果置于共同存貯空間供ARM調(diào)用。在I／O層，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件驅(qū)動(dòng)層的控制和訪問，本系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)的是視頻采集驅(qū)動(dòng)和LCD顯示驅(qū)動(dòng)。

圖8 圖像清晰度評(píng)價(jià)算法

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，包括整個(gè)硬件系統(tǒng)的研制和調(diào)試，以及對(duì)軟件系統(tǒng)的編寫。然后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，主要測(cè)試采集模塊對(duì)圖像采集的有效性和虹膜識(shí)別算法在處理器上的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

在DM3730上運(yùn)行l(wèi)inux操作系統(tǒng)，通過對(duì)采集模塊的控制。通過測(cè)試，如果采集圖片大小10MP時(shí)，分辨率為3664X2748，采集速率為7.5fps，如果是1080p模式，采集速率為30fps。采集圖像的有效性滿足要求。對(duì)于算法的識(shí)別率測(cè)試，對(duì)于測(cè)試集主要分為兩部份:一部分采用通用的虹膜數(shù)據(jù)庫對(duì)機(jī)器中的算法進(jìn)行測(cè)試，另一部分利用設(shè)備采集的近5000幅人臉圖片進(jìn)行測(cè)試。見表1。

圖9 系統(tǒng)軟件框架

表1 不同測(cè)試集上的識(shí)別率和誤識(shí)率

通過對(duì)設(shè)備的反復(fù)測(cè)試，注冊(cè)時(shí)間＜0.2秒，識(shí)別時(shí)間＜0.1秒。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

6 結(jié)束語

本虹膜識(shí)別系統(tǒng)，采用的是基于DM3730的ARM和DSP雙核架構(gòu)的處理器，其中虹膜識(shí)別算法部份放在DSP端進(jìn)行優(yōu)化，ARM端主要進(jìn)行事務(wù)處理，分工明確，提升了系統(tǒng)效率。對(duì)于虹膜采集模塊，采用10MP的高分辨率的cmos圖像傳感器，結(jié)合LCD反饋單元的實(shí)時(shí)反饋，以及調(diào)焦模塊對(duì)景深的擴(kuò)展，能夠?qū)崿F(xiàn)中距離對(duì)人眼虹膜圖像的采集，使虹膜識(shí)別和人臉識(shí)別一樣簡(jiǎn)便，與既有的虹膜采集模塊相比，突出了系統(tǒng)的高度友好性。在虹膜識(shí)別算法上，本文針對(duì)非限定條件下的預(yù)處理算法和虹膜定位以及歸一化算法進(jìn)行了介紹，實(shí)驗(yàn)表明，上述算法在系統(tǒng)中有效性和實(shí)時(shí)性均較好。目前，該系統(tǒng)的硬件和軟件平臺(tái)均已搭建完全，大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，系統(tǒng)的魯棒性，實(shí)時(shí)性，有效性均得到較好驗(yàn)證。

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