于匯聚式處理器的生物認證系統(tǒng)設計

在實際應用中，幾乎所有的生物認證技術均通過以下步驟實現(xiàn)：傳感器采集原始生物特征數(shù)據(jù)；處理采集數(shù)據(jù)，完成特征提取，形成代表目標對象的特征集；模式匹配，將提取的特征集與數(shù)據(jù)庫中保存的模板進行對比；判斷程序，根據(jù)對比結果判斷用戶聲明的身份是否能通過驗證。對于便攜式的生物認證終端來說，所有這些步驟都必須由處理器在很短的時間內完成，因而對處理器性能提出了較高的要求。

圖1：基于生物認證技術的大樓管理系統(tǒng)示意圖。

近年來，ADI公司推出的匯聚式處理器Blackfin系列已經在全球多家領先的生物認證系統(tǒng)中得到使用。Blackfin處理器是一類專為滿足當今嵌入式音頻、視頻和通信應用的計算要求和功耗約束條件而設計的新型16/32位嵌入式處理器。Blackfin處理器將一個32位RISC型指令集和雙16位乘法累加(MAC)信號處理功能，與通用型微控制器所具有的易用性組合在一起。這種處理特征的組合使得Blackfin處理器能夠在信號處理和控制處理應用中都具有突出優(yōu)勢，在很多應用中避免了增設單獨的異類處理器，可以輕松實現(xiàn)各種生物認證方法所涉及的復雜數(shù)字信號處理運算。

Blackfin處理器已廣泛用于視頻及圖像處理應用，而圖像處理正是幾乎所有生物認證系統(tǒng)的基礎技術。以指紋識別為例，其預處理主要包括指紋圖像增強、指紋圖像二值化、指紋圖像細化和指紋圖像細化的后處理，這些都依賴于處理器的圖像處理能力。特別是，Blackfin處理器所具有的以下獨特特性對生物認證技術的實現(xiàn)提供了重要支持：Blackfin處理器支持8位數(shù)據(jù)以及許多像素處理算法所常用的字長，大大提高了虹膜識別、人臉識別等應用中常見的動態(tài)圖像處理、像素值處理；Blackfin具有L1和L2兩級高速緩存結構；由于具有快速的讀取速度，這種緩存結構可以有效提高生物特征參數(shù)處理速度；生物認證需要對圖像進行處理，大量涉及到內存數(shù)據(jù)存取，而Blackfin處理器所具有的DMA控制器可以自動完成數(shù)據(jù)傳輸，所需的處理器內核開銷極少，節(jié)約了處理器的寶貴運算能力。

圖2：Blackfin處理器內核架構。

目前，Blackfin處理器在單內核產品中可提供高達600MHz的性能。Blackfin處理器系列還提供了低至 0.8V的業(yè)界領先功耗性能。不同于其它的處理器只允許調整工作頻率，Blackfin處理器允許設計工程師同時調整電壓和頻率，從而能最大限度地降低功耗。生物認證廣泛地應用于電池供電的便攜式設備中，因此對于當今及未來的生物認證應用而言，這種高性能與低功耗的組合特性是必不可少的。

生物認證所涉及的技術及產品種類廣泛，相關的匯聚式處理器應用案例眾多，包括Qritek公司推出的全球首款創(chuàng)新型虹膜識別鼠標；AuthenTec公司的FingerLoc AFS 8600嵌入式指紋識別裝置；Suprema公司Unifinger SFM3000和SFM3500指紋識別模塊；Biometric Access公司的SecureTouch先進系統(tǒng)(STAm)等。本文以全球首款虹膜識別鼠標產品為例，介紹基于Blackfin處理器的產品設計和方案選型參考思路。

鼠標虹膜識別系統(tǒng)設計

電腦中保存有敏感數(shù)據(jù)，如何有效避免非授權用戶使用電腦？韓國首爾的Qritek公司利用其創(chuàng)新型IRIBIO鼠標虹膜識別系統(tǒng)可以幫助您“密切注視”所使用的電腦。Qritek公司的IRIBIO鼠標系統(tǒng)工作過程如下：用戶拿起鼠標，向凹面鏡望去以聚焦眼睛，鼠標上的虹膜照相機開始計算眼睛位置，根據(jù)眼睛的行為、感光、大小，以及東西方國家眼睛形狀的差異等進行調整；接著，照相機進行黑白成像并進行大量相關處理；最后，將獲得的虹膜信息與數(shù)據(jù)庫中存儲的模版進行核對。

該系統(tǒng)使用了微型照相機與嵌入式虹膜認證引擎電路板，這些都安裝在體積緊湊的計算機鼠標中，實現(xiàn)了與主計算機的物理與邏輯分離。因此，它顯著區(qū)別于其它生物認證系統(tǒng)，IRIBIO鼠標不會把您重要的個人生物數(shù)據(jù)注冊或存儲在電腦硬盤上，同時內置的虹膜辨認運算是在鼠標內的微處理器上實現(xiàn)的，注冊及識別過程在鼠標內部進行，與PC機分開，可以避免被病毒感染或被網(wǎng)絡黑客盜取，嵌入在鼠標內部的軟件利用用戶特有的虹膜模式作為口令處理認證。

Qritek公司為該產品選擇處理器的最終目標，是為用戶提供快速但極具成本效益的認證解決方案。IRIBIO鼠標內部嵌入的處理器，不僅需要在極小占位面積情況下承擔諸多功能，而且要價格合理、功耗低。對于Qritek公司來說，快速視頻處理能力非常重要，其所采用的BF533處理器的500 MHz運行速度不僅能夠提供所需的性能，而且價格適中。該處理器片上內存達148KB，對于Qritek的IRIBIO鼠標產品來說這是另一個極具吸引力的特性，可以很輕松地滿足Qritek公司的虹膜識別算法對存儲空間的要求。

BF533將高性能內核與行業(yè)標準接口組合，因而可以讓Qritek不必采用高成本的外部組件。Blackfin處理器內置的系統(tǒng)外設包括 UART端口、SPI端口、兩個串行端口（SPORT）和四個通用定時器、一個實時時鐘、一個看門狗定時器和一個并行外設接口（PPI），從而加強了處理器的系統(tǒng)擴展特性。Qritek公司利用Blackfin處理器的I/O功能來控制白光LED和紅外LED，并連接CMOS傳感器。

Blackfin處理器的高速性能與Qritek公司的快速算法相結合，使該產品的虹膜信息注冊只需要7~10秒，而虹膜識別僅需要1~2秒，在同類產品中具有十分明顯的性能優(yōu)勢。

工具支持

任何一款產品解決方案的選擇都不可能拋開其它因素而僅局限于性能，方案的實現(xiàn)成本和配套技術支持也很重要。

Suprema公司除了采用ADI公司的Blackfin處理器外，還充分利用了其仿真工具，采用了ADI公司的集成軟件開發(fā)和調試環(huán)境——VisualDSP++ 軟件，該工具使Suprema公司自始至終地在統(tǒng)一的界面中管理其設計方案。此外，Suprema公司還采用了VisualDSP++內核（VDK）庫用于任務調度和處理器之間的通信，從而能使Suprema充分利用先進的調度和資源分配方法，以便專門解決存儲器分配和定時約束條件問題。這些工具幫助 Suprema公司更有效地利用例程代碼，無須從頭開始設計，因此節(jié)省了開發(fā)和調試時間。