DSP課程設(shè)計報告書基于TMS320VC5402的虹膜識別系統(tǒng)設(shè)計

1、信息工程學(xué)院課程設(shè)計（論文）湖 北 民 族 學(xué) 院 科 技 學(xué) 院信息工程系dsp課程設(shè)計報告書題目: 基于tms320vc5402的虹膜識別系統(tǒng)設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動 班 級： 1 1 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 2010年 6月 25日信息工程系課程設(shè)計任務(wù)書學(xué) 號學(xué)生姓名專業(yè)（班級）11設(shè)計題目基于tms320vc5402的虹膜識別系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計技術(shù)參數(shù)gabor濾波，ffr，安全系數(shù)，識別率。設(shè)計要求基于tms320vc5402的虹膜識別系統(tǒng)設(shè)計。利用matlab試驗(yàn)箱仿真，用fpga寫程序。工作量完成5330字。總共畫了4張圖紙。工作計劃十四周查閱資料十五周總體構(gòu)架十六

2、十七周完成論文，及修改參考資料1.康浩，虹膜紋理的相位編碼帆上海交通大學(xué)學(xué)報j，1999，33(5)：5425442.王向軍，非接觸式虹膜圖像獲取及特征提取方法的研究棚光學(xué)學(xué)報【j】，2005，25（0),319-3233.田啟川，張洪才matlabgui的虹膜識別算法.計算機(jī)仿真j，2006，23(2)：227-2304.黃惠芳，胡廣書紅外與激光工程j，2002，3l(5)：404-4095.于秀麗虹膜定位算法的研究哪天津科技大學(xué)學(xué)報j，2004，190)：49-52指導(dǎo)教師簽字 2010年 6 月 25日 14摘 要信息化時代的到來，安全問題成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，作為一種新興的生物識別技術(shù)虹

3、膜識別，以其顯著的優(yōu)勢得到了迅速的發(fā)展。虹膜具有唯一性，穩(wěn)定性，受保護(hù)的生物特性，使得在商業(yè)及安全領(lǐng)域虹膜識別技術(shù)都有很大的應(yīng)用前景。本文針對虹膜識的系統(tǒng)中主要部分的算法進(jìn)行了深入的研究，給出了一系列算法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，效果良好。 文章介紹了以tms320vc5402為核心的虹膜識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計，提出了一種由fpga、ov5017與tms320vc5402組成的dsp應(yīng)用硬件平臺，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的設(shè)計方案和關(guān)鍵硬件的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及軟件設(shè)計方法。關(guān)鍵詞: tms3205402 dsp虹膜識別ov5017 fpga數(shù)字?jǐn)z像機(jī) 硬件設(shè)計abstract：with informationizatio

4、n time arrival, the security problem becomes the focal point which the people pay attention, as one emerging living thing recognition technology - - iris recognition, obtained the rapid development by its remarkable superiority. the iris has uniqueness, the stability, biological characteristic which

5、 protects, causes has the very big application prospect in commercial and the security domain iris recognition technology. this article in the system which knows in view of the iris main parts algorithm has conducted the thorough research, has given a series of algorithms, through the experimental v

6、erification, the effect is good.the article introduced take tms320vc5402 as the core iris recognition systems hardware design, proposed one kind the dsp application hardware platform which by fpga, ov5017 and tms320vc5402 is composed, and introduced systems design proposal and the essential hardware

7、s structural design as well as the software design method in detail.keyword:tms320vc5402 dsp iris recognition ov5017 fpga digital camerahardware design目 錄任務(wù)提出與方案論證41.1任務(wù)提出41.2方案42.總 體 設(shè) 計53.詳 細(xì) 設(shè) 計63.1系統(tǒng)硬件設(shè)計63.2圖像采集73.3圖像處理73.4數(shù)據(jù)存儲73.5圖像顯示73.6電源部分74系統(tǒng)軟件設(shè)計84.1 虹膜定位84.3 虹膜的相位匹配算法95.結(jié) 束 語106.參考文獻(xiàn)：11 引言

8、：21世紀(jì)是信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的世紀(jì)，也是人類擺脫傳統(tǒng)的技術(shù)束縛，越來越自由的世紀(jì)。在這個以信息、自由為特點(diǎn)的世紀(jì)里，生物認(rèn)證技術(shù)，作為20世紀(jì)末期才開始蓬勃發(fā)展的高新技術(shù)，必將在社會生活中占據(jù)越來越重要的位置，從根本上改變?nèi)祟惖纳罘绞?。虹膜、指紋、dna這些人體本身的特點(diǎn)，將逐步取代現(xiàn)有的密碼、鑰匙、成為人們習(xí)慣的生活方式，同時，最大限度的保證個人資料的安全，最大限度的防止各種類型的刑事、經(jīng)濟(jì)犯罪活動。虹膜識別技術(shù)，由于其在采集、精確度等方面獨(dú)特的優(yōu)勢，必然會成為未來社會的主流生物認(rèn)證技術(shù)。未來的安全控制、海關(guān)進(jìn)出口檢驗(yàn)、電子商務(wù)等多種領(lǐng)域的應(yīng)用，也必然的會以虹膜識別技術(shù)為重點(diǎn)。這種趨勢，

9、現(xiàn)在已經(jīng)在全球各地的各種應(yīng)用中逐漸開始顯現(xiàn)出來。任務(wù)提出與方案論證1.1任務(wù)提出人體特征的鑒別方法有很多種。在任何生物特征中，指紋相對穩(wěn)定但錄取指紋不是非侵犯性的。臉像特征具備很多優(yōu)點(diǎn)（如主動性、非侵犯性和用戶友好等），但臉像特征隨年齡而變化，可靠性不高，而且容易被偽裝。聲音特征具備和臉像特征相似的優(yōu)點(diǎn)，但他隨年齡、健康狀況和環(huán)境等因素而變化，而且說話人識別系統(tǒng)也容易被錄音所欺騙，容易被偽造。虹膜特征識別解決了這些問題，還具備上述其他生物特征所不具備的一些特性，故近年來虹膜識別技術(shù)被認(rèn)為是最有前途的生物識別技術(shù)之一。虹膜識別系統(tǒng)包括虹膜圖像采集裝置和虹膜識別軟件算法兩部分，是一項(xiàng)門檻很高的高新

10、技術(shù)。虹膜識別技術(shù)在20世紀(jì)90年代前只有世界上少數(shù)的企業(yè)掌握其核心技術(shù)，技術(shù)水平也沒有達(dá)到實(shí)際使用的程度，但隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在虹膜識別的技術(shù)水平已經(jīng)達(dá)到1秒鐘完成100萬次圖像比對，并且錯誤率低于百萬分之一，被公認(rèn)為可靠性最高的生物識別技術(shù)，并且開始進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段。1.2方案設(shè)計思想，使系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，保密性好的特點(diǎn)。在系統(tǒng)性能上，系統(tǒng)可以利用fpga的并行處理能力提高系統(tǒng)性能，如采用定制自定義模塊用硬件實(shí)現(xiàn)耗時大的軟件算法模塊提高系統(tǒng)性能，也可以采用tms320vc5042dsp的自定義指令方式用硬件實(shí)現(xiàn)部分復(fù)雜算法片段，方便的在軟件程序中調(diào)用，大大提高了程序執(zhí)行效

11、率, 另外還可以用新推出的c2h工具直接將一些軟件程序進(jìn)行硬件化，提高系統(tǒng)性能，這些多很好的保證了本系統(tǒng)很高的處理速度，具有很好實(shí)時性。2.總 體 設(shè) 計從模塊化的角度而言，完整的虹膜識別系統(tǒng)可分為兩個模塊：虹膜圖像采集系統(tǒng)和上位機(jī)識別系統(tǒng)。虹膜識別系統(tǒng)的原理框圖如圖21所示，其中，虹膜圖像采集系統(tǒng)包括虹膜圖像采集裝置、虹膜圖像存儲及傳輸裝置兩部分。這部分主要是靠ccd或cmos攝象機(jī)和基于dsp的采集和處理電路來實(shí)現(xiàn)。上位pc機(jī)識別系統(tǒng)由計算機(jī)和虹膜識別軟件組成。由虹膜圖像采集系統(tǒng)獲取的虹膜圖像上傳到上位pc計算機(jī)進(jìn)行軟件識別處理。虹膜識別系統(tǒng)方框圖本系統(tǒng)的硬件平臺由五個部分組成，分別是圖像

12、采集、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲、圖像顯示和電源部分。1.畫好電路圖，在protel上仿真，2.將算法設(shè)計好，并在matlab上運(yùn)行得到結(jié)果。3.寫出軟件設(shè)計方法，并寫出程序。4.得出結(jié)果。3.詳 細(xì) 設(shè) 計3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計 本系統(tǒng)的硬件平臺由五個部分組成，分別是圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)存儲、圖像顯示和電源部分。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2圖像采集 圖像采集是將ccd攝像機(jī)采集到的虹膜圖像，經(jīng)高精度的a/d轉(zhuǎn)換后得到數(shù)字虹膜圖像。a/d轉(zhuǎn)換器采用ti公司的tvp5145芯片，其采樣精度達(dá)到10bit，輸出支持ccir-656和bt656等格式。3.3圖像處理 數(shù)字多媒體處理器tm32

13、0vc5402屬于ti公司c6000系列，是一款新型高性能的dsp。它是整個虹膜識別系統(tǒng)的核心。它的任務(wù)是對得到的數(shù)字虹膜圖像進(jìn)行處理和識別，將處理的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)存儲器，將識別的結(jié)果送到lcd顯示器進(jìn)行顯示。 tms320vc5402基于c64x內(nèi)核，采用高級甚長指令字（velociti）體系結(jié)構(gòu)。具有64個32位通用寄存器，8個獨(dú)立計算的功能單元。它可在600mhz時鐘速率工作，每個指令周期可并行執(zhí)行8條32位指令，峰值計算速率可達(dá)4800mips。tms320vc5402有l(wèi)1和l2兩級緩存，第一級包括l1p（16kb）程序緩存和l1d(16kb)數(shù)據(jù)緩存；第二級緩存l2（256kb）可靈

14、活配置成緩存或片上內(nèi)存。tms320dm642具有64個獨(dú)立通道的edma（擴(kuò)展的直接存儲器訪問）控制器，負(fù)責(zé)片內(nèi)l2與其它外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。dm642具有豐富的外圍設(shè)備接口：包括三個可配置的雙通道視頻接口（video port），可以和視頻輸入，輸出或傳輸流輸入無縫連接；具有多通道音頻串行端口(mcasp)，便于音頻應(yīng)用開發(fā)；10/100mbps以太網(wǎng)口(emac)，便于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；66mhz32bit的pci接口；以及64 bit的外部存儲器接口（emif），可連接異步或同步的存儲器，如sdram。此外，還具有i2c總線模塊、數(shù)據(jù)管理輸入輸出模塊(mdio)等。 tm320vc5402具有

15、以上的特點(diǎn)，能滿足虹膜圖像處理的實(shí)時性要求。3.4數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)存儲部分包括flash、sdram和cf卡三部分。flash存儲器具有可在系統(tǒng)進(jìn)行電擦寫，掉電后信息不丟失的功能，用它來保存系統(tǒng)自啟動代碼以及系統(tǒng)程序代碼，本系統(tǒng)選用atmel公司的at29lv020 flash芯片，它是nor型的flash芯片，總?cè)萘繛?56kb，數(shù)據(jù)總線為8位。dsp 選擇了emifa boot模式時，上電后自動從ce1空間裝載程序，所以flash 必須接在emif的ce1空間。sdram存儲器的存取速度較高，用它來存放系統(tǒng)運(yùn)行時的代碼以及臨時圖像數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)選用四片三星公司的sdram k4s561632e

16、，每片為16位，32mb，接在dsp的emif接口的ce0空間。cf卡接在emif的ce2空間，用來存儲原始圖像數(shù)據(jù)和識別結(jié)果。3.5圖像顯示 圖像顯示部分采用數(shù)字lcd，可省去數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，而只需一片可編程邏輯器件cpld驅(qū)動lcd，該cpld選用altera公司的max3000系列。3.6電源部分 電源部分在系統(tǒng)的硬件部分中占有重要的地位，它將影響到整機(jī)能否可靠運(yùn)轉(zhuǎn)。其中，要著重考慮以下兩點(diǎn)：第一、要有一套保證dsp芯片內(nèi)核和i/o能同時上電的解決方案，這樣避免對芯片造成損害。本系統(tǒng)采用d型邊沿觸發(fā)器來開關(guān)電源輸出，很好的解決了這個問題；第二、在高速電路板中，開關(guān)的電磁輻射和線路噪音會干擾

17、器件的實(shí)際工作電壓，而dsp芯片一般要求工作電壓偏差不超過5%，否則，長時間工作在非正常電壓容易縮短芯片壽命甚至于燒毀。因此，本系統(tǒng)中特別設(shè)計了電壓監(jiān)控電路來實(shí)時監(jiān)控電壓。根據(jù)本系統(tǒng)特點(diǎn)，采用了ti公司的tps3307芯片。4系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)主程序運(yùn)行在dsp中，完成虹膜圖像處理的全部算法。虹膜識別的流程圖如圖2所示。識別過程是：先用攝像機(jī)拍攝眼睛圖像，然后進(jìn)行圖像預(yù)處理（虹膜定位、增強(qiáng)等），再對虹膜特征進(jìn)行分析，與存儲的虹膜特征進(jìn)行模式匹配，最后得出識別結(jié)果。在這過程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。4.1 虹膜定位 本系統(tǒng)采用ccd攝像機(jī)拍攝到細(xì)節(jié)較清晰的眼睛圖像。虹膜是眼睛瞳孔和

18、鞏膜間的環(huán)形可視部分。虹膜定位，即是確定虹膜的內(nèi)外邊緣。一般而言，瞳孔灰度值比虹膜灰度值小，而虹膜灰度值又比鞏膜灰度值小。因此，先以眼圖的灰度平均值為尺度，取得眼圖的二值化圖像。再選取合適的較小的閾值就可粗略定出瞳孔的邊界。然后用取圖像最大連通域和二值圖像形態(tài)學(xué)的方法較精確地定出瞳孔的邊緣范圍。最后將圖像進(jìn)行適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)和邏輯運(yùn)算，可消除瞳孔內(nèi)部的光照的影響。這樣可較好定出虹膜的內(nèi)邊緣，并通過對邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)值求平均的方法確定出瞳孔圓心。在確定虹膜外邊緣時，要選擇較大的合適閾值大致定出虹膜與鞏膜的邊界。其余步 驟基本與定內(nèi)邊緣的類似。這樣定位的方法速度快，避免了搜索的盲目性。 4.2設(shè)計程序!do

19、ctype html public -/w3c/dtd html 4.0 transitional/en%version 1%the gabor filter is basically a gaussian (with variances sx and sy along x and y-axes respectively)%modulated by a complex sinusoid (with centre frequencies u and v along x and y-axes respectively) %described by the following equation% 1

20、 -1 x y % g(x,y) = - * exp (-(-) 2+(-) 2+2*pi*i*(ux+vy)% 2*pi*sx*sy 2 sx sy% describtion :% i : input image% sx & sy : variances along x and y-axes respectively% u & v : centre frequencies along x and y-axes respectively% g : the output filter as described above% gabout : the output filtered

21、 image% author : ahmad poursaberi e-mail : a.poursaberiece.ut.ac.ir% faulty of engineering, electrical&computer department,tehran% university,iran,june 2004function g,gabout = gaborfilter(i,sx,sy,u,v);i=imread(g:eye.jpg);if isa(i,double)=1 i = double(i);endfor x = -fix(sx):fix(sx) for y = -fix(s

22、y):fix(sy) g(fix(sx)+x+1,fix(sy)+y+1) = (1/(2*pi*sx*sy)*exp(-.5*(x/sx)2+(y/sy)2)+2*pi*i*(u*x+v*y); endendimgabout = conv2(i,double(imag(g),same);regabout = conv2(i,double(real(g),same);gabout = uint8(sqrt(imgabout.*imgabout + regabout.*regabout);4.3 虹膜的相位匹配算法虹膜圖像的紋理特征具有唯一性，不同人的虹膜紋理是不一樣的。在虹膜自動識別中通常是先

23、存入一幅已知圖像（基準(zhǔn)子圖）作為模板，再對任一輸入圖像（實(shí)時圖）進(jìn)行匹配比較，判斷兩者的關(guān)系。 由于虹膜成像過程中引入的主要是高頻成份的非線性幾何失真，且虹膜圖像的頻譜能量主要集中在低頻區(qū)域。所以本系統(tǒng)采用基于低通濾波和傅里葉頻譜的相位相關(guān)算法。該算法原理為：對基準(zhǔn)子圖和實(shí)時圖分別求出離散傅里葉變換。將兩圖變換結(jié)果的乘積取復(fù)共軛得到它們的互功率譜，歸一化后，便得到對應(yīng)于這個功率譜的相位譜，然后對相位譜求逆傅里葉變換，得到相位相關(guān)函數(shù)。 此功率譜的相位譜包含了兩圖之間差異的信息。當(dāng)兩圖一樣時，相位相關(guān)函數(shù)是脈沖函數(shù)；當(dāng)兩圖不一樣時，相位相關(guān)函數(shù)不能形成脈沖函數(shù)。因此，相位相關(guān)函數(shù)可以用來度量兩圖

24、之間的相似程度。并且相位相關(guān)算法具有較高的匹配精度。此外，還由于相位相關(guān)函數(shù)對于灰度值及其尺度的變化是不敏感的，所以，這種算法不易受這些誤差5.結(jié) 束 語本文對虹膜識別系統(tǒng)進(jìn)行了深入地研究和分析，全文的主要工作如下：(1)了解了虹膜識別技術(shù)的背景和現(xiàn)階段國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，（2）研究了基于tms320vc5402dsp的虹膜識別系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)方案，尤其對虹膜的圖像的采集裝置和采集原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析； (3)著重研究和掌握了虹膜圖像識別系統(tǒng)的核心算法，并在現(xiàn)有算法的基礎(chǔ) 上提出了一些改進(jìn)方法，其中包括圖像的預(yù)處理、特征提取、多尺度二維oabor濾波器的構(gòu)造、參數(shù)選擇、虹膜編碼及hamming距離的計算等，完成代碼編寫，實(shí)現(xiàn)虹膜圖像的識別過程， (4)用matlab語言對虹膜識別算法進(jìn)行了仿真，通過多次試驗(yàn)和對實(shí)