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1、湖 北 民 族 学 院 科 技 学 院信息工程系DSP课程设计报告书题目: 基于TMS320VC5402的虹膜识别系统设计 专 业： 电气工程及其自动 班 级： 1 1 学 号： 学生姓名： 指导教师： 2010年 6月 25日信息工程系课程设计任务书学 号学生姓名专业（班级）11设计题目基于TMS320VC5402的虹膜识别系统设计设计技术参数Gabor滤波，FFR，安全系数，识别率。设计要求基于TMS320VC5402的虹膜识别系统设计。利用MATLAB试验箱仿真，用FPGA写程序。工作量完成5330字。总共画了4张图纸。工作计划十四周查阅资料十五周总体构架十六十七周完成论文，及修改参考资
2、料1.康浩，虹膜纹理的相位编码帆上海交通大学学报J，1999，33(5)：5425442.王向军，非接触式虹膜图像获取及特征提取方法的研究棚光学学报【J】，2005，25（0),319-3233.田启川，张洪才MATLABGUI的虹膜识别算法.计算机仿真J，2006，23(2)：227-2304.黄惠芳，胡广书红外与激光工程J，2002，3l(5)：404-4095.于秀丽虹膜定位算法的研究哪天津科技大学学报J，2004，190)：49-52指导教师签字 2010年 6 月 25日 摘 要信息化时代的到来，安全问题成为人们关注的焦点，作为一种新兴的生物识别技术虹膜识别，以其显著的优势得到了迅速
3、的发展。虹膜具有唯一性，稳定性，受保护的生物特性，使得在商业及安全领域虹膜识别技术都有很大的应用前景。本文针对虹膜识的系统中主要部分的算法进行了深入的研究，给出了一系列算法，通过实验验证，效果良好。 文章介绍了以TMS320VC5402为核心的虹膜识别系统的硬件设计，提出了一种由FPGA、OV5017与TMS320VC5402组成的DSP应用硬件平台，并详细介绍了系统的设计方案和关键硬件的结构设计以及软件设计方法。关键词: TMS3205402 DSP虹膜识别OV5017 FPGA数字摄像机 硬件设计abstract：with Informationization time arrival,
4、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 protects, cause
5、s 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 verification, the
6、 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 hardwares structural des
7、ign as well as the software design method in detail.Keyword:TMS320VC5402 DSP Iris recognition OV5017 FPGA Digital cameraHardware design目 录任务提出与方案论证41.1任务提出41.2方案42.总 体 设 计53.详 细 设 计63.1系统硬件设计63.2图像采集73.3图像处理73.4数据存储73.5图像显示73.6电源部分74系统软件设计84.1 虹膜定位84.3 虹膜的相位匹配算法95.结 束 语106.参考文献：11 引言：21世纪是信息技术、网络技术的
8、世纪，也是人类摆脱传统的技术束缚，越来越自由的世纪。在这个以信息、自由为特点的世纪里，生物认证技术，作为20世纪末期才开始蓬勃发展的高新技术，必将在社会生活中占据越来越重要的位置，从根本上改变人类的生活方式。虹膜、指纹、DNA这些人体本身的特点，将逐步取代现有的密码、钥匙、成为人们习惯的生活方式，同时，最大限度的保证个人资料的安全，最大限度的防止各种类型的刑事、经济犯罪活动。虹膜识别技术，由于其在采集、精确度等方面独特的优势，必然会成为未来社会的主流生物认证技术。未来的安全控制、海关进出口检验、电子商务等多种领域的应用，也必然的会以虹膜识别技术为重点。这种趋势，现在已经在全球各地的各种应用中逐
9、渐开始显现出来。任务提出与方案论证1.1任务提出人体特征的鉴别方法有很多种。在任何生物特征中，指纹相对稳定但录取指纹不是非侵犯性的。脸像特征具备很多优点（如主动性、非侵犯性和用户友好等），但脸像特征随年龄而变化，可靠性不高，而且容易被伪装。声音特征具备和脸像特征相似的优点，但他随年龄、健康状况和环境等因素而变化，而且说话人识别系统也容易被录音所欺骗，容易被伪造。虹膜特征识别解决了这些问题，还具备上述其他生物特征所不具备的一些特性，故近年来虹膜识别技术被认为是最有前途的生物识别技术之一。虹膜识别系统包括虹膜图像采集装置和虹膜识别软件算法两部分，是一项门槛很高的高新技术。虹膜识别技术在20世纪90
10、年代前只有世界上少数的企业掌握其核心技术，技术水平也没有达到实际使用的程度，但随着科学技术的不断进步，现在虹膜识别的技术水平已经达到1秒钟完成100万次图像比对，并且错误率低于百万分之一，被公认为可靠性最高的生物识别技术，并且开始进入实际应用阶段。1.2方案设计思想，使系统具有结构简单，成本低廉，保密性好的特点。在系统性能上，系统可以利用FPGA的并行处理能力提高系统性能，如采用定制自定义模块用硬件实现耗时大的软件算法模块提高系统性能，也可以采用TMS320VC5042DSP的自定义指令方式用硬件实现部分复杂算法片段，方便的在软件程序中调用，大大提高了程序执行效率, 另外还可以用新推出的C2H
11、工具直接将一些软件程序进行硬件化，提高系统性能，这些多很好的保证了本系统很高的处理速度，具有很好实时性。2.总 体 设 计从模块化的角度而言，完整的虹膜识别系统可分为两个模块：虹膜图像采集系统和上位机识别系统。虹膜识别系统的原理框图如图21所示，其中，虹膜图像采集系统包括虹膜图像采集装置、虹膜图像存储及传输装置两部分。这部分主要是靠CCD或CMOS摄象机和基于DSP的采集和处理电路来实现。上位PC机识别系统由计算机和虹膜识别软件组成。由虹膜图像采集系统获取的虹膜图像上传到上位PC计算机进行软件识别处理。虹膜识别系统方框图本系统的硬件平台由五个部分组成，分别是图像采集、图像处理、数据存储、图像显
12、示和电源部分。1.画好电路图，在protel上仿真，2.将算法设计好，并在MATLAB上运行得到结果。3.写出软件设计方法，并写出程序。4.得出结果。3.详 细 设 计3.1系统硬件设计 本系统的硬件平台由五个部分组成，分别是图像采集、图像处理、数据存储、图像显示和电源部分。其结构框图如图1所示图1 系统结构框图3.2图像采集 图像采集是将CCD摄像机采集到的虹膜图像，经高精度的A/D转换后得到数字虹膜图像。A/D转换器采用TI公司的TVP5145芯片，其采样精度达到10bit，输出支持CCIR-656和BT656等格式。3.3图像处理 数字多媒体处理器TM320VC5402属于TI公司C60
13、00系列，是一款新型高性能的DSP。它是整个虹膜识别系统的核心。它的任务是对得到的数字虹膜图像进行处理和识别，将处理的数据存入数据存储器，将识别的结果送到LCD显示器进行显示。 TMS320VC5402基于C64x内核，采用高级甚长指令字（VelociTI）体系结构。具有64个32位通用寄存器，8个独立计算的功能单元。它可在600MHz时钟速率工作，每个指令周期可并行执行8条32位指令，峰值计算速率可达4800MIps。TMS320VC5402有L1和L2两级缓存，第一级包括L1P（16KB）程序缓存和L1D(16KB)数据缓存；第二级缓存L2（256KB）可灵活配置成缓存或片上内存。TMS3
14、20DM642具有64个独立通道的EDMA（扩展的直接存储器访问）控制器，负责片内L2与其它外设之间的数据传输。DM642具有丰富的外围设备接口：包括三个可配置的双通道视频接口（Video Port），可以和视频输入，输出或传输流输入无缝连接；具有多通道音频串行端口(McASP)，便于音频应用开发；10/100Mbps以太网口(EMAC)，便于网络应用；66MHz32bit的PCI接口；以及64 bit的外部存储器接口（EMIF），可连接异步或同步的存储器，如SDRAM。此外，还具有I2C总线模块、数据管理输入输出模块(MDIO)等。 TM320VC5402具有以上的特点，能满足虹膜图像处理的
15、实时性要求。3.4数据存储 数据存储部分包括FLASH、SDRAM和CF卡三部分。FLASH存储器具有可在系统进行电擦写，掉电后信息不丢失的功能，用它来保存系统自启动代码以及系统程序代码，本系统选用ATMEL公司的AT29LV020 FLASH芯片，它是NOR型的FLASH芯片，总容量为256KB，数据总线为8位。DSP 选择了EMIFA boot模式时，上电后自动从CE1空间装载程序，所以FLASH 必须接在EMIF的CE1空间。SDRAM存储器的存取速度较高，用它来存放系统运行时的代码以及临时图像数据，本系统选用四片三星公司的SDRAM K4S561632E，每片为16位，32MB，接在D
16、SP的EMIF接口的CE0空间。CF卡接在EMIF的CE2空间，用来存储原始图像数据和识别结果。3.5图像显示 图像显示部分采用数字LCD，可省去数模转换芯片，而只需一片可编程逻辑器件CPLD驱动LCD，该CPLD选用Altera公司的MAX3000系列。3.6电源部分 电源部分在系统的硬件部分中占有重要的地位，它将影响到整机能否可靠运转。其中，要着重考虑以下两点：第一、要有一套保证DSP芯片内核和I/O能同时上电的解决方案，这样避免对芯片造成损害。本系统采用D型边沿触发器来开关电源输出，很好的解决了这个问题；第二、在高速电路板中，开关的电磁辐射和线路噪音会干扰器件的实际工作电压，而DSP芯片
17、一般要求工作电压偏差不超过5%，否则，长时间工作在非正常电压容易缩短芯片寿命甚至于烧毁。因此，本系统中特别设计了电压监控电路来实时监控电压。根据本系统特点，采用了TI公司的TPS3307芯片。4系统软件设计系统主程序运行在DSP中，完成虹膜图像处理的全部算法。虹膜识别的流程图如图2所示。识别过程是：先用摄像机拍摄眼睛图像，然后进行图像预处理（虹膜定位、增强等），再对虹膜特征进行分析，与存储的虹膜特征进行模式匹配，最后得出识别结果。在这过程中，虹膜定位、特征分析和匹配是重要的部分。4.1 虹膜定位 本系统采用CCD摄像机拍摄到细节较清晰的眼睛图像。虹膜是眼睛瞳孔和巩膜间的环形可视部分。虹膜定位，
18、即是确定虹膜的内外边缘。一般而言，瞳孔灰度值比虹膜灰度值小，而虹膜灰度值又比巩膜灰度值小。因此，先以眼图的灰度平均值为尺度，取得眼图的二值化图像。再选取合适的较小的阈值就可粗略定出瞳孔的边界。然后用取图像最大连通域和二值图像形态学的方法较精确地定出瞳孔的边缘范围。最后将图像进行适当的旋转和逻辑运算，可消除瞳孔内部的光照的影响。这样可较好定出虹膜的内边缘，并通过对边缘点的坐标值求平均的方法确定出瞳孔圆心。在确定虹膜外边缘时，要选择较大的合适阈值大致定出虹膜与巩膜的边界。其余步 骤基本与定内边缘的类似。这样定位的方法速度快，避免了搜索的盲目性。 4.2设计程序!DOCTYPE HTML PUBLI
19、C -/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 -1 x y % G(x,y)
20、 = - * 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 image% Author :
21、 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(Sy):fix(Sy) G(fix
22、(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图像的纹理特征具有唯一性，不同人的虹膜纹理是不一样的。在虹膜自动识别中通常是先存入一幅已知图像（基准子图）作为
23、模板，再对任一输入图像（实时图）进行匹配比较，判断两者的关系。 由于虹膜成像过程中引入的主要是高频成份的非线性几何失真，且虹膜图像的频谱能量主要集中在低频区域。所以本系统采用基于低通滤波和傅里叶频谱的相位相关算法。该算法原理为：对基准子图和实时图分别求出离散傅里叶变换。将两图变换结果的乘积取复共轭得到它们的互功率谱，归一化后，便得到对应于这个功率谱的相位谱，然后对相位谱求逆傅里叶变换，得到相位相关函数。 此功率谱的相位谱包含了两图之间差异的信息。当两图一样时，相位相关函数是脉冲函数；当两图不一样时，相位相关函数不能形成脉冲函数。因此，相位相关函数可以用来度量两图之间的相似程度。并且相位相关算法
24、具有较高的匹配精度。此外，还由于相位相关函数对于灰度值及其尺度的变化是不敏感的，所以，这种算法不易受这些误差5.结 束 语本文对虹膜识别系统进行了深入地研究和分析，全文的主要工作如下：(1)了解了虹膜识别技术的背景和现阶段国内外的发展状况，（2）研究了基于TMS320VC5402DSP的虹膜识别系统，给出了系统的硬件和软件实现方案，尤其对虹膜的图像的采集装置和采集原理进行了详细的分析； (3)着重研究和掌握了虹膜图像识别系统的核心算法，并在现有算法的基础 上提出了一些改进方法，其中包括图像的预处理、特征提取、多尺度二维Oabor滤波器的构造、参数选择、虹膜编码及Hamming距离的计算等，完成
25、代码编写，实现虹膜图像的识别过程， (4)用MATLAB语言对虹膜识别算法进行了仿真，通过多次试验和对实验 结果的比较，根据实际情况选择参数，并对现有算法进行改进，获得较好的识 别结果。本文通过分析虹膜纹理的分布特点，提出了一种改进的的虹膜识别算法。 该算法通过二值法对虹膜内边缘定位，Hough变换对虹膜外边缘定位，采用Gabor滤波器对虹膜进行分带滤波编码，用加权Hamming距离判决匹配，既利用了Gabor滤波器的频率和空间选择性，又充分考虑了虹膜纹理的分布特点，有效地增大了虹膜的类间距，本算法具有平移、旋转、缩放的不变性，迸一步 减小了误识率和拒识率。 6.参考文献：1.康浩，徐国治虹膜
26、纹理的相位编码帆上海交通大学学报J，1999，33(5)：5425442.王向军，张敏。周鑫玲，刘冀非接触式虹膜图像获取及特征提取方法的研究棚光学学报【J】，2005，25（0),319-3233.田启川，潘泉，程咏梅，张洪才MATLABGUI的虹膜识别算法.计算机仿真J，2006，23(2)：227-2304.黄惠芳，胡广书虹膜识别算法的研究及实现红外与激光工程J，2002，3l(5)：404-4095.于秀丽虹膜定位算法的研究哪天津科技大学学报J，2004，190)：49-526.陈颖，王军华，陆亨立基于DSP的虹膜识别系统设计DSP开发与应用J，2006。22(2)：7.杜晓菡，曾庆宁虹膜识别中图像采集的研究视频技术应用与工程J,2004，(12)86-878.薛白，刘文耀，王金涛，左坤隆虹膜图像预处理算法研究川J光电子激光J，2003，9.贾志强，孟浩，王磊，曹丽娜基于DsP的虹膜图像采集系统们应用科技J，2006，33(1 1)：10.余成波数字图像处理及MATLAB实现重庆：重庆大学出版社J，2003：183-20911.石勇涛，叶虎年一种新型的虹膜定位算法-贵州工业大学报J，2003，32(6)：42-4412.韩方，陆亨立虹膜识别系统的研究哪上海大学学报J，2002，82(3)8284
