基于匯聚式處理器的生物認(rèn)證系統(tǒng)設(shè)計

2010年2月，一則近似于007電影情節(jié)的國際謀殺案占據(jù)了大量媒體版面——哈馬斯高官迪拜被暗殺。除了迪拜警方證實的涉嫌國外，英國、愛爾蘭、德國等西方國家也因為盜用護(hù)照的原因而牽扯其中。一場涉及多國的外交風(fēng)波由此而生。

這場風(fēng)波中，護(hù)照成為一個十分重要的關(guān)鍵詞，其中至少有8名嫌疑人持有偽造的英國護(hù)照。據(jù)透露，偽造的英國護(hù)照都是相對較易被涂改盜用的老版護(hù)照，而新版的英國護(hù)照則應(yīng)用了微型晶片技術(shù)，其中存有持有人面部特征、指紋、虹膜照片等生物認(rèn)證信息。此類生物認(rèn)證護(hù)照是目前全球最安全的護(hù)照之一，已經(jīng)成為各國加強(qiáng)護(hù)照安全管理的有效手段。

事實上，生物認(rèn)證所涉及的應(yīng)用遠(yuǎn)不止護(hù)照。生物特征認(rèn)證技術(shù)是指利用人體固有的生理特征或行為特征來進(jìn)行個人身份鑒別認(rèn)證的技術(shù)，與傳統(tǒng)的身份鑒定手段相比，基于生物特征識別的身份鑒定技術(shù)具有如下優(yōu)點：不會遺忘或丟失；防偽性能好，不易偽造或被盜；“隨身攜帶”，隨時隨地可用。鑒于生物認(rèn)證技術(shù)的安全可靠及方便性，其已經(jīng)在公共安全(證照系統(tǒng)、出入境控制系統(tǒng)等)、商業(yè)(考勤、門禁、智能卡等)、公眾項目應(yīng)用(醫(yī)療、教育、社會保險等應(yīng)用）、個人消費（與PC、PDA、手機(jī)及其他IT產(chǎn)品等的結(jié)合應(yīng)用、智能家居等）等非常廣泛的領(lǐng)域。

正是由于生物特征身份認(rèn)證技術(shù)具有上述優(yōu)點，因此受到了各國的極大重視。據(jù)市場調(diào)研公司Frost & Sullivan的數(shù)據(jù)顯示，2008年僅在EMEA地區(qū)(歐洲、中東及非洲)，生物認(rèn)證技術(shù)市場規(guī)模就達(dá)到3億美元，預(yù)計到2015年將達(dá)到10.58億美元，年復(fù)合增長率達(dá)25.5%，相關(guān)的大型政府項目如電子護(hù)照和居民身份證都將帶動該市場的快速增長。

圖1：基于生物認(rèn)證技術(shù)的大樓管理系統(tǒng)示意圖。

生物認(rèn)證中使用的匯聚式處理器

在實際應(yīng)用中，幾乎所有的生物認(rèn)證技術(shù)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(biāo)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(jìn)行對比；判斷程序，根據(jù)對比結(jié)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(rèn)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(nèi)完成，因而對處理器性能提出了較高的要求。

近年來，ADI公司推出的匯聚式處理器Blackfin系列已經(jīng)在全球多家領(lǐng)先的生物認(rèn)證系統(tǒng)中得到使用。Blackfin處理器是一類專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計算要求和功耗約束條件而設(shè)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(yīng)用中都具有突出優(yōu)勢，在很多應(yīng)用中避免了增設(shè)單獨的異類處理器，可以輕松實現(xiàn)各種生物認(rèn)證方法所涉及的復(fù)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(yīng)用，而圖像處理正是幾乎所有生物認(rèn)證系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)。以指紋識別為例，其預(yù)處理主要包括指紋圖像增強(qiáng)、指紋圖像二值化、指紋圖像細(xì)化和指紋圖像細(xì)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(rèn)證技術(shù)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(yīng)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(jié)構(gòu)；由于具有快速的讀取速度，這種緩存結(jié)構(gòu)可以有效提高生物特征參數(shù)處理速度；生物認(rèn)證需要對圖像進(jìn)行處理，大量涉及到內(nèi)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(nèi)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(nèi)核架構(gòu)。

目前，Blackfin處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá)600MHz的性能。Blackfin處理器系列還提供了低至 0.8V的業(yè)界領(lǐng)先功耗性能。不同于其它的處理器只允許調(diào)整工作頻率，Blackfin處理器允許設(shè)計工程師同時調(diào)整電壓和頻率，從而能最大限度地降低功耗。生物認(rèn)證廣泛地應(yīng)用于電池供電的便攜式設(shè)備中，因此對于當(dāng)今及未來的生物認(rèn)證應(yīng)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(rèn)證所涉及的技術(shù)及產(chǎn)品種類廣泛，相關(guān)的匯聚式處理器應(yīng)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(biāo)；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(jìn)系統(tǒng)(STAm)等。本文以全球首款虹膜識別鼠標(biāo)產(chǎn)品為例，介紹基于Blackfin處理器的產(chǎn)品設(shè)計和方案選型參考思路。

鼠標(biāo)虹膜識別系統(tǒng)設(shè)計

電腦中保存有敏感數(shù)據(jù)，如何有效避免非授權(quán)用戶使用電腦？韓國首爾的Qritek公司利用其創(chuàng)新型IRIBIO鼠標(biāo)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(biāo)系統(tǒng)工作過程如下：用戶拿起鼠標(biāo)，向凹面鏡望去以聚焦眼睛，鼠標(biāo)上的虹膜照相機(jī)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(jìn)行調(diào)整；接著，照相機(jī)進(jìn)行黑白成像并進(jìn)行大量相關(guān)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(jìn)行核對。

該系統(tǒng)使用了微型照相機(jī)與嵌入式虹膜認(rèn)證引擎電路板，這些都安裝在體積緊湊的計算機(jī)鼠標(biāo)中，實現(xiàn)了與主計算機(jī)的物理與邏輯分離。因此，它顯著區(qū)別于其它生物認(rèn)證系統(tǒng)，IRIBIO鼠標(biāo)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(nèi)置的虹膜辨認(rèn)運算是在鼠標(biāo)內(nèi)的微處理器上實現(xiàn)的，注冊及識別過程在鼠標(biāo)內(nèi)部進(jìn)行，與PC機(jī)分開，可以避免被病毒感染或被網(wǎng)絡(luò)黑客盜取，嵌入在鼠標(biāo)內(nèi)部的軟件利用用戶特有的虹膜模式作為口令處理認(rèn)證。

圖3：基于Blackfin處理器的IRIBIO鼠標(biāo)應(yīng)用示意圖。

Qritek公司為該產(chǎn)品選擇處理器的最終目標(biāo)，是為用戶提供快速但極具成本效益的認(rèn)證解決方案。IRIBIO鼠標(biāo)內(nèi)部嵌入的處理器，不僅需要在極小占位面積情況下承擔(dān)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(nèi)存達(dá)148KB，對于Qritek的IRIBIO鼠標(biāo)產(chǎn)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(nèi)核與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)置的系統(tǒng)外設(shè)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(shè)接口（PPI），從而加強(qiáng)了處理器的系統(tǒng)擴(kuò)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(jié)合，使該產(chǎn)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(chǎn)品中具有十分明顯的性能優(yōu)勢。

工具支持

任何一款產(chǎn)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(shù)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(diào)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(shè)計方案。此外，Suprema公司還采用了VisualDSP++內(nèi)核（VDK）庫用于任務(wù)調(diào)度和處理器之間的通信，從而能使Suprema充分利用先進(jìn)的調(diào)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(shè)計，因此節(jié)省了開發(fā)和調(diào)試時間。