基于汇聚式处理器的生物认证系统设计

2010年2月，一则近似于007电影情节的国际谋杀案占据了大量媒体版面——哈马斯高官迪拜被暗杀。除了迪拜警方证实的涉嫌国外，英国、爱尔兰、德国等西方国家也因为盗用护照的原因而牵扯其中。一场涉及多国的外交风波由此而生。

这场风波中，护照成为一个十分重要的关键词，其中至少有8名嫌疑人持有伪造的英国护照。据透露，伪造的英国护照都是相对较易被涂改盗用的老版护照，而新版的英国护照则应用了微型晶片技术，其中存有持有人面部特征、指纹、虹膜照片等生物认证信息。此类生物认证护照是目前全球最安全的护照之一，已经成为各国加强护照安全管理的有效手段。

事实上，生物认证所涉及的应用远不止护照。生物特征认证技术是指利用人体固有的生理特征或行为特征来进行个人身份鉴别认证的技术，与传统的身份鉴定手段相比，基于生物特征识别的身份鉴定技术具有如下优点：不会遗忘或丢失；防伪性能好，不易伪造或被盗；“随身携带”，随时随地可用。鉴于生物认证技术的安全可靠及方便性，其已经在公共安全(证照系统、出入境控制系统等)、商业(考勤、门禁、智能卡等)、公众项目应用(医疗、教育、社会保险等应用）、个人消费（与PC、PDA、手机及其他IT产品等的结合应用、智能家居等）等非常广泛的领域。

正是由于生物特征身份认证技术具有上述优点，因此受到了各国的极大重视。据市场调研公司Frost & Sullivan的数据显示，2008年仅在EMEA地区(欧洲、中东及非洲)，生物认证技术市场规模就达到3亿美元，预计到2015年将达到10.58亿美元，年复合增长率达25.5%，相关的大型政府项目如电子护照和居民身份证都将带动该市场的快速增长。

图1：基于生物认证技术的大楼管理系统示意图。

生物认证中使用的汇聚式处理器

在实际应用中，几乎所有的生物认证技术均通过以下步骤实现：传感器采集原始生物特征数据；处理采集数据，完成特征提取，形成代表目标对象的特征集；模式匹配，将提取的特征集与数据库中保存的模板进行对比；判断程序，根据对比结果判断用户声明的身份是否能通过验证。对于便携式的生物认证终端来说，所有这些步骤都必须由处理器在很短的时间内完成，因而对处理器性能提出了较高的要求。

近年来，ADI公司推出的汇聚式处理器Blackfin系列已经在全球多家领先的生物认证系统中得到使用。Blackfin处理器是一类专为满足当今嵌入式音频、视频和通信应用的计算要求和功耗约束条件而设计的新型16/32位嵌入式处理器。Blackfin处理器将一个32位RISC型指令集和双16位乘法累加(MAC)信号处理功能，与通用型微控制器所具有的易用性组合在一起。这种处理特征的组合使得Blackfin处理器能够在信号处理和控制处理应用中都具有突出优势，在很多应用中避免了增设单独的异类处理器，可以轻松实现各种生物认证方法所涉及的复杂数字信号处理运算。

Blackfin处理器已广泛用于视频及图像处理应用，而图像处理正是几乎所有生物认证系统的基础技术。以指纹识别为例，其预处理主要包括指纹图像增强、指纹图像二值化、指纹图像细化和指纹图像细化的后处理，这些都依赖于处理器的图像处理能力。特别是，Blackfin处理器所具有的以下独特特性对生物认证技术的实现提供了重要支持：Blackfin处理器支持8位数据以及许多像素处理算法所常用的字长，大大提高了虹膜识别、人脸识别等应用中常见的动态图像处理、像素值处理；Blackfin具有L1和L2两级高速缓存结构；由于具有快速的读取速度，这种缓存结构可以有效提高生物特征参数处理速度；生物认证需要对图像进行处理，大量涉及到内存数据存取，而Blackfin处理器所具有的DMA控制器可以自动完成数据传输，所需的处理器内核开销极少，节约了处理器的宝贵运算能力。

图2：Blackfin处理器内核架构。

目前，Blackfin处理器在单内核产品中可提供高达600MHz的性能。Blackfin处理器系列还提供了低至 0.8V的业界领先功耗性能。不同于其它的处理器只允许调整工作频率，Blackfin处理器允许设计工程师同时调整电压和频率，从而能最大限度地降低功耗。生物认证广泛地应用于电池供电的便携式设备中，因此对于当今及未来的生物认证应用而言，这种高性能与低功耗的组合特性是必不可少的。

生物认证所涉及的技术及产品种类广泛，相关的汇聚式处理器应用案例众多，包括Qritek公司推出的全球首款创新型虹膜识别鼠标；AuthenTec公司的FingerLoc AFS 8600嵌入式指纹识别装置；Suprema公司Unifinger SFM3000和SFM3500指纹识别模块；Biometric Access公司的SecureTouch先进系统(STAm)等。本文以全球首款虹膜识别鼠标产品为例，介绍基于Blackfin处理器的产品设计和方案选型参考思路。

鼠标虹膜识别系统设计

电脑中保存有敏感数据，如何有效避免非授权用户使用电脑？韩国首尔的Qritek公司利用其创新型IRIBIO鼠标虹膜识别系统可以帮助您“密切注视”所使用的电脑。Qritek公司的IRIBIO鼠标系统工作过程如下：用户拿起鼠标，向凹面镜望去以聚焦眼睛，鼠标上的虹膜照相机开始计算眼睛位置，根据眼睛的行为、感光、大小，以及东西方国家眼睛形状的差异等进行调整；接着，照相机进行黑白成像并进行大量相关处理；最后，将获得的虹膜信息与数据库中存储的模版进行核对。

该系统使用了微型照相机与嵌入式虹膜认证引擎电路板，这些都安装在体积紧凑的计算机鼠标中，实现了与主计算机的物理与逻辑分离。因此，它显著区别于其它生物认证系统，IRIBIO鼠标不会把您重要的个人生物数据注册或存储在电脑硬盘上，同时内置的虹膜辨认运算是在鼠标内的微处理器上实现的，注册及识别过程在鼠标内部进行，与PC机分开，可以避免被病毒感染或被网络黑客盗取，嵌入在鼠标内部的软件利用用户特有的虹膜模式作为口令处理认证。

图3：基于Blackfin处理器的IRIBIO鼠标应用示意图。

Qritek公司为该产品选择处理器的最终目标，是为用户提供快速但极具成本效益的认证解决方案。IRIBIO鼠标内部嵌入的处理器，不仅需要在极小占位面积情况下承担诸多功能，而且要价格合理、功耗低。对于Qritek公司来说，快速视频处理能力非常重要，其所采用的BF533处理器的500 MHz运行速度不仅能够提供所需的性能，而且价格适中。该处理器片上内存达148KB，对于Qritek的IRIBIO鼠标产品来说这是另一个极具吸引力的特性，可以很轻松地满足Qritek公司的虹膜识别算法对存储空间的要求。

BF533将高性能内核与行业标准接口组合，因而可以让Qritek不必采用高成本的外部组件。Blackfin处理器内置的系统外设包括UART端口、SPI端口、两个串行端口（SPORT）和四个通用定时器、一个实时时钟、一个看门狗定时器和一个并行外设接口（PPI），从而加强了处理器的系统扩展特性。Qritek公司利用Blackfin处理器的I/O功能来控制白光LED和红外LED，并连接CMOS传感器。

Blackfin处理器的高速性能与Qritek公司的快速算法相结合，使该产品的虹膜信息注册只需要7~10秒，而虹膜识别仅需要1~2秒，在同类产品中具有十分明显的性能优势。

工具支持

任何一款产品解决方案的选择都不可能抛开其它因素而仅局限于性能，方案的实现成本和配套技术支持也很重要。

Suprema公司除了采用ADI公司的Blackfin处理器外，还充分利用了其仿真工具，采用了ADI公司的集成软件开发和调试环境——VisualDSP++软件，该工具使Suprema公司自始至终地在统一的界面中管理其设计方案。此外，Suprema公司还采用了VisualDSP++内核（VDK）库用于任务调度和处理器之间的通信，从而能使Suprema充分利用先进的调度和资源分配方法，以便专门解决存储器分配和定时约束条件问题。这些工具帮助Suprema公司更有效地利用例程代码，无须从头开始设计，因此节省了开发和调试时间。