DSP推進(jìn)下的生物特征識別市場化進(jìn)程

在自然世界中人是獨(dú)特，人所表現(xiàn)出來的生物特征可謂獨(dú)一無二。對于每一個個體的人，總是能夠找到一種或多種生物特征與其他任何人有所區(qū)別的，這就是生物識別技術(shù)最基本的前提，這是在人類文明和文化不斷發(fā)展進(jìn)程中對自身認(rèn)識的又一次超越。隨著電子時代的到來，生物特征識別技術(shù)獲得革命性的飛躍，而其市場的真正興起卻幾乎是與新世紀(jì)同步，特別是得益于數(shù)字信號處理器(DSP)的驅(qū)動。本文希望通過分析生物特征識別技術(shù)和市場入手，闡述德州儀器(TI)的DSP在以指紋識別和面相識別為代表的生物特征識別市場化進(jìn)程的重要推進(jìn)作用，并展望更廣闊的市場前景。

生物特征識別核心引擎

通過當(dāng)前領(lǐng)先的數(shù)字信息技術(shù)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段的密切結(jié)合，利用人體所固有的諸如指紋、面相、虹膜、脈絡(luò)等生理特性，和諸如筆跡、聲音、步態(tài)等行為特征來進(jìn)行個人身份的鑒定的技術(shù)手段，就成為生物識別技術(shù)。該技術(shù)比傳統(tǒng)的身份鑒定方法具有安全性、保密性和方便性，同時還具有不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身“攜帶”和隨時隨地可用等優(yōu)點(diǎn)。

由于早期生物特征識別技術(shù)產(chǎn)品均借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，雖然很容易配合電腦和安全、監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)自動化管理，但其應(yīng)用范圍受到限制。為使生物識別技術(shù)廣泛用于從公共安全、金融業(yè)務(wù)、社會福利保障、電子商務(wù)，直至家居保安和個人私隱等消費(fèi)類市場，嵌入式需求至關(guān)重要，因此DSP無疑是生物特征識別處理的核心引擎。

如圖1所示生物特征識別系統(tǒng)是一個典型的高速影像處理系統(tǒng)，首先其核心處理包括影像獲取、影像增強(qiáng)和模版提取，然后進(jìn)行匹配和加密，所有這些復(fù)雜的工作都需要在瞬間實(shí)現(xiàn)，如果沒有DSP的高速則難以勝任。其次其周邊包含傳感、存儲、外設(shè)、供電和主控單元，整體耗電量要求盡可能低，因此TI的DSP的低功耗和MSP430的超低功耗特性得天獨(dú)厚，另外還可得益于TI的高性能電源等其它器件器件。當(dāng)系統(tǒng)的高速和省電需求得到充分滿足之后，生物特征識別產(chǎn)品市場化的進(jìn)程便得到迅猛的發(fā)展。

圖1  生物特征識別系統(tǒng)是一個高速影像處理系

指紋識別技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

人們對指紋特征的認(rèn)識由來已久，但在快速自動識別方面還是數(shù)字化的產(chǎn)物。一個手指的指紋特征點(diǎn)約在一百到一百二十之間，每個特征點(diǎn)以八個比特來描述將近一千個比特，在數(shù)據(jù)層面難以復(fù)制。另外其本身內(nèi)在的生物特征也難以被盜取，這就難以被直接復(fù)制成指模。加之現(xiàn)有活體識別技術(shù)，即便復(fù)制出指模也是無濟(jì)于事。其實(shí)早在PC時代人們就對指紋識別技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的開發(fā)，但真正的實(shí)用化還是從DSP開始，特別是TI的C5402這樣的經(jīng)典平臺。C5402具有100MIPS運(yùn)算性能，且性能與功耗都具優(yōu)勢，在指紋識別應(yīng)用的歷史跨越了一個年代，只是后來逐步升級到C55X平臺。圖2所示為基于TI的C55X平臺指紋識別參考框圖。

圖2 TI C55X平臺指紋識別參考框圖

C55X是C54X的升級平臺，時鐘提高的同時內(nèi)部運(yùn)算處理核心也加倍，因此往往200MHz或300MHz時鐘可以獲得400MIPS或600MIPS的高運(yùn)算能力。由于芯片半導(dǎo)體工藝的改進(jìn)，加之特殊的內(nèi)部供電管理機(jī)制，其工作功耗呈數(shù)量級下降，并成為可實(shí)現(xiàn)業(yè)界最低待機(jī)功耗的新型DSP平臺。其中C5509和C5507以片上集成USB接口而別具特色，C5503/02/01則以不同的內(nèi)存配置而針對不同應(yīng)用。特別值得一提的是，新近推出的C5506超低功耗器件，時鐘為108MHz下僅為58mW功耗，而性能可達(dá)216MIPS；在1.2V情況下待機(jī)功耗僅為0.120mW，為業(yè)界最低。另外還具有動態(tài)頻率與電壓縮放、多種待機(jī)模式可分別關(guān)閉獨(dú)立外設(shè)與內(nèi)部功能、128KB的SRAM可滿足高效代碼需求以盡可能減少片外存儲器存取。C55X平臺還可以通過電源優(yōu)化工具輔助實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。

憑借DSP的驅(qū)動，指紋識別技術(shù)的實(shí)用化和市場化進(jìn)程不斷加快，其中最重要的一個應(yīng)用就是指紋鎖。從一般鎖到指紋鎖的變遷說明了安全的主題是恒久不變的，指紋門鎖目前也成為高檔住宅或安全重地的必然選擇。與此同時，指紋在保險箱等產(chǎn)品的應(yīng)用，除了確保物理安全之外，還能保證信息存儲更加安全可靠。指紋識別在銀行系統(tǒng)中的應(yīng)用是一個極具潛力的新興市場。在金融交易過程中，指紋特征信息由于每次采集的數(shù)據(jù)并不完全相同，若被攔截并進(jìn)行假冒驗(yàn)證，系統(tǒng)可以判定出存在完全相同的兩次數(shù)據(jù)，則有機(jī)會拒絕服務(wù)，從而一定程度提高了交易安全。傳統(tǒng)的類似銀行卡的結(jié)算方式，需要輸入帳號和密碼、加載數(shù)字證書，操作環(huán)節(jié)多且繁瑣，而采用指紋則確認(rèn)交易的過程可以一次完成。隨著DSP產(chǎn)品及應(yīng)用的“平民化”，面向消費(fèi)類的指紋識別市場將會呈現(xiàn)空前繁榮的局面。

面相識別技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

與指紋特征識別技術(shù)相比，面相識別算法非常復(fù)雜而代碼長度也非常大，這就需要很大的處理性能和系統(tǒng)資源。如果在電腦上實(shí)現(xiàn)需要“奔騰4”級別以上，然而面相識別類產(chǎn)品需要相當(dāng)高的可靠性，基于PC的通用操作系統(tǒng)很難保證這種持久的可靠性。另一個方面，面相識別在例如門禁、移動便攜式設(shè)備、智能監(jiān)控相機(jī)等應(yīng)用場合必須是嵌入式產(chǎn)品類型，而這對系統(tǒng)功耗也就提出了更高的要求，顯然通用的CPU難以勝任，只有高性能的DSP才有機(jī)會不斷推進(jìn)面相識別的市場化進(jìn)程。圖3為基于DSP的典型應(yīng)用示范。

圖3基于DSP的典型應(yīng)用示范

在面相識別應(yīng)用中，DM642是一個理想的平臺，首先這是業(yè)界第一顆高性能、軟件可編程的通用媒體處理器，其核心是主頻為600MHz名為C64X的DSP，由于有八個并行運(yùn)算單元，所以等效性能為4800MIPS。DM642集成有多個高精度數(shù)字視頻接口，可以作為視頻輸入也可以作為視頻輸出，同時還有以太網(wǎng)接口用于傳輸壓縮的數(shù)據(jù)流和音頻輸入輸出接口。DM642通過擴(kuò)展外圍總線連接同步動態(tài)存儲器和閃速存儲器，在視頻前端可以采用TI的視頻解碼器、視頻放大器及電源等高性能模擬器件。
DM642的C語言編譯效率很高，所以很容易將基于PC的軟件算法進(jìn)行移植，還可以借助于TI特有實(shí)時操作系統(tǒng)DSP/BIOS構(gòu)建嵌入式面相識別系統(tǒng)，這樣就可以之作為一個獨(dú)立的設(shè)備，完成視頻采集、人臉定位、特征提取，同時還可將該資料以及壓縮的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時地傳到遠(yuǎn)程的服務(wù)器，然后在人臉影像數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行檢索和匹配，并及時地通報結(jié)果。若是需要錄入新的人臉影像，則可以通過簡單的拍攝完成，便添加到影像數(shù)據(jù)庫中去。

新型的單片媒體處理器將使面相識別系統(tǒng)功能更加強(qiáng)大。

TI所推出的達(dá)芬奇(Davinci)平臺不僅包含更高性能的C64X+核心，還集成了ARM9通用處理器，既可以高速地處理人臉影像，還可以運(yùn)行高級的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux,甚至WinCE。視頻輸入與視頻輸出包含在一個視頻處理子系統(tǒng)中，前端有CCD的控制器、預(yù)覽、縮放，還具有自動聚焦、自動爆光、自動白平衡的“3A”功能，后端集成字幕疊加“OSD”、四個視頻 DAC和24位數(shù)字RGB輸出。Davinci集成有豐富的外圍接口，除了與DM642同樣的以太網(wǎng)口和音頻接口外，還有USB2.0、硬盤ATA接口、MMC和SD等存儲卡接口。于是許多有用的識別資料有了靈活的存儲方式。

目前已有不少專業(yè)公司成功推出基于DM642的面相識別系統(tǒng)，并推出實(shí)用性的產(chǎn)品。由于DM642目前已成為數(shù)字視頻監(jiān)控的主流平臺，那么基于DM642的面相識別算法也就很容易集成到數(shù)字視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)中，從而增強(qiáng)了其附加值，這也成為數(shù)字視頻監(jiān)控的一個趨勢。

隨著基于Davinci的數(shù)字視頻監(jiān)控產(chǎn)品的推出，相應(yīng)的面相識別系統(tǒng)也將更新的面貌出現(xiàn)。
面相識別技術(shù)已開始應(yīng)用于銀行安全防范管理系統(tǒng)、會議代表身份認(rèn)證系統(tǒng)、面像識別門禁、面像識別考勤、社會保障管理、公共場所巡察等應(yīng)用系統(tǒng)，并在不同程度地發(fā)揮著作用。

其它識別技術(shù)發(fā)展進(jìn)程

生物識別技術(shù)可劃分為生物生理特征和生物行為兩類，前兩部分介紹的指紋識別和面相識別屬于前者，同屬生物生理特征的還有虹膜識別、視網(wǎng)膜識別和掌紋識別。生物行為特征則包含手動簽名以及聲音識別。那么在這些識別技術(shù)中哪一個還具有潛力呢？根據(jù)權(quán)威性實(shí)驗(yàn)報告，在技術(shù)特性方面虹膜識別特別適合于信息安全和通道控制領(lǐng)域的身份認(rèn)證。

虹膜就是人眼瞳孔和眼白之間的環(huán)狀組織，是人眼的可視部分，也是最可靠的人體生物終身身份標(biāo)識。虹膜識別有條件成為人體生物特征識別技術(shù)中的最佳選擇，其原因在于其所具有最高的唯一性、終身不變性、最強(qiáng)的生物活性，其識別準(zhǔn)確性最高，而且識別速度最快， 防偽性最強(qiáng)也。曾經(jīng)有國際權(quán)威部門對人體生物特征識別技術(shù)分析結(jié)果顯示，虹膜識別的匹配速度超出所有其它生物統(tǒng)計(jì)技術(shù)至少20倍。

當(dāng)然虹膜識別的可靠性需要有極高的識別準(zhǔn)確度來保證，特別是采用核心技術(shù)在深色虹膜的“無紋理”區(qū)域分析提取紋理特征并加以精確的數(shù)字表述的實(shí)現(xiàn)，因此需要采用更高性能的DSP，如主頻高達(dá)千兆的C6416系列。隨著識別技術(shù)更加成熟和優(yōu)化，還有高性能DSP的價位的降低，虹膜識別同樣可以廣泛應(yīng)用于政府、軍事部門、廠礦企業(yè)、社會公共安全防范以及信息安全領(lǐng)域。

在視網(wǎng)膜識別與虹膜識別，指紋識別與掌紋識別在某種程度上有共同性，只是在各自的傳感器上有所不同，在處理方式方法上也大相徑庭，但是DSP都有發(fā)揮的余地。

聲音識別是數(shù)字語音處理技術(shù)的一個重要課題，也是DSP應(yīng)用的一個重要方向。TI的DSP從早期的C25、C50、C54X到現(xiàn)在的C55X都在不同階段起到了重要的作用。

信息化的數(shù)字時代，人們的公共利益、人身安全、私有財(cái)產(chǎn)、商業(yè)交易、個人情感、商務(wù)記錄、工作成果、娛樂收藏等均是數(shù)字化的存儲形式。如果要確保這些具有巨大價值的珍貴資料安全保存，人們完全可以由自身的生物特征來尋求保護(hù)，因此使生物特征識別發(fā)揮最有效的作用無疑是個明智的選擇。