嵌入式虹膜图像采集及预处理

0 引言
   随着计算机和网络技术的发展，信息安全显示出前所未有的重要性，而身份识别作为保证信息安全的必要前提，也越来越受到重视。虹膜识别技术是基于眼睛虹膜的生物识别技术。虹膜的终生不变性以及信息提取的非接触性等特性，使其成为各项生物识别技术中最突出的一项。本文论述了在基于Blackfin561的嵌入式操作系统uClinux的虹膜图像采集以及预处理。为后期在嵌入式平台上进行虹膜图像运算提供了图像来源。
   1 Blackfin561中的DMA
   Blackfin系列DSP产品是ADI公司的基于微信号体系结构的DSP，适用于各种视频、音频、通信领域。ADSP-BF561有多个独立的DMA控制器，能够以最小的DSP内核开销完成数据自动传输。DMA传输可以发生在ADSP-BF561的内部存储器和任一有DMA能力的外设之间。此外，DMA传输也可以在任一有DMA能力的外设和已连接到外部存储器接口的外部设备之间完成（包括SDRAM控制器、异步存储器控制器）。有DMA传输能力的外设包括SPORT、SPI端口、UART和PPI端口。每个独立的有DMA能力的外设至少有一个专用DMA通道。BF561内部专门为适应视频数据处理而增加了二维DMA。
   2 PPI接口驱动的具体实现
   uClinux是针对微控制领域而设计的Linux系统，面向没有MMU（Memory Management Unit）的硬件平台。它是Linux的一个变种，一方面它继承了Linux的大部分优点，例如稳定性，强大的网络功能；另一方面其内核相当精简， 内核体积小于512KB， 内核加文件系统小于900KB。uClinux同标准Linux主要的区别在于两者的内存管理机制和进程调度管理机制，另外它采用了romfs文件系统，并对Linux上的C语言库glibc做了简化。uClinux完全符合GNU／GPL公约，完全开放源代码，因此在嵌入式领域得到广泛应用。
   为管理各种外围硬件设备，uClinux系统对其采取面向对象的封装机制。uClinux将所有的外围设备看成是一类特殊文件，称为“设备文件”，它抽象了对硬件的处理，用户进程只需通过标准的系统调用如open()，read()，write()，close()而无需了解设备在硬件层上实现的细节即可实现对设备的访问控制。驱动程序则负责这些系统调用的具体实现。
   针对具体应用，在驱动程序中实现了模块注册注销函数，open，release接口函数和read接口函数（如图1所示）。驱动程序采用了中断方式，对PPI和DMA进行了配置，采用BF561提供的二维DMA功能。详细介绍如下：
   
   (1)模块初始化函数init_module()。该函数是每个内核模块加载的时候首先调用的一个默认函数。程序中使用了module_init()宏来显式命名模块的注册函数为 ppi_init()，在该函数中完成了设备’ppi’的注册，当模块加载完毕之后，内核即知晓该设备的存在。
   (2)模块卸载函数cleanup_module()，该函数与init_module()做相反的工作，在内核中取消设备的登记。与模块注册类似，程序中使用module_exit()宏来显式命名模块的注销函数为 ppi_exit()该函数在模块卸载的时候自动调用。
   (3)设备驱动程序的file_operations结构。由于所使用的PPI接口只用来做数据采集，因此file_operation结构定义如下：
   static struct file_operations ppi_fops = {
   owner:     THIS_MODULE,
   read:        ppi_read,
   open:       ppi_open,
   release:    ppi_release,
   };
   (4)open，release接口函数。在这两个函数中分别使用了MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT宏，被操作系统内核用来记录当前访问设备文件的进程数。由于要使用中断方式，所以在open和release中要分别实现中断的申请和释放。设备驱动程序通过调用request_irq()函数申请中断，将一个硬件处理函数挂到相应的处理队列中，通过调用free_irq()函数释放中断。在open函数中初始化了PPI和DMA的部分相关寄存器。择要描述如下：
   *pDMA1_0_Y_COUNT = 625; 二维DMA的外层循环计数寄存器，用于保存外层循环的数目。
   *pDMA1_0_X_COUNT = 1728/4; 二维DMA的内层循环计数寄存器，用于保存内层循环的数目。
   *pDMA1_0_X_MODIFY= *pDMA1_0_Y_MODIFY = 4; 内层外层循环地址增量寄存器。为有效利用DMA带宽，设置了PPI使之能处理32位DMA，且数据缓冲区是连续的，此处两个增量寄存器都被设置为4。
   *pPPI0_FRAME = 625; 在PPI被设置成ITU-656输入模式下，该寄存器用于保存每帧的数据线路数。
   (5)read接口函数。在该函数中初始化PPI控制寄存器和DMA配置寄存器及DMA地址寄存器。
   *pDMA1_0_START_ADDR = buf;
   *pDMA1_0_CONFIG = 0x109B;
   *pPPI0_CONTROL = 0x01C5;
   设置好寄存器后，使进程进入睡眠队列，等待DMA结束产生的中断将其唤醒。
   数据缓冲区在用户区定义，因一帧数据大小确定，所以在用户应用程序中定义的数据存储区大小指定为625*1728B。通过调用函数时传递指针的方式通知数据缓冲区的位置。在该函数中不再使用copy_to_user()函数，此方式节省了内存空间，对于嵌入式应用来说意义重大。事实上每次DMA开始传送的头4个字节总是被忽略掉的，这4个字节是第一个活动视频开始（EAV）代码。即需要的一帧图像数据比实际传送的要少4个字节，但是为了数据处理的方便，仍将数据缓存区定义为完整一帧图像的大小，这样数据缓存区的最后4个字节是下一帧图像的EAV代码。到此，虹膜图像采集的驱动程序基本完成，可以看出，驱动程序与应用程序联系紧密，这也反应了嵌入式系统的一个特点，面向应用，专用性极强。
   3 图像数据的预处理
   在用户程序中，定义二维数组buf[625][1728]作为图像数据的数据缓冲区，然后通过标准系统调用获取一帧虹膜视频图像数据。虹膜视频图像数据是以ITU-656模式输入的，一帧图像分为奇场和偶场，且原始数据中还有颜色信息、消隐信息和控制字等，因此要获得一幅虹膜图像还需对原始数据进行预处理。提取原始数据中的所有亮度信息，并把两个场的数据有规则的合并到一起，然后按照BMP的图像数据存放顺序重新排列，添加相应的文件头生成灰度BMP图像文件。
   BMP文件是Windows保存图像的一种通用位图文件格式，自带颜色信息，调色板管理非常容易，在数字图像处理方面占有重要的地位。
   BMP文件大体上分成如下4个部分，位图文件头+位图信息头+调色板+图像数据。
   (1)第一部分为位图文件头，长度固定，为l4个字节。
   (2)第二部分为位图信息头，长度固定，为40个字节。
   (3)第三部分为调色板。需要注意的是真彩色图不需要调色板，它们的位图信息头后面直接是图像数据。而其他位图，包括本文所讨论的8位位图，都需要调色板。
   (4)第四部分就是实际的图像数据。
   在实际调试过程中还要注意字节对齐问题。比如位图文件头长度固定为l4个字节，但若不注意字节对齐，定义后的结构体实际大小为16个字节，因此定义位图文件头时用__attribute__((packed))，使该结构体长度为14个字节。
   4 结论
   本文简略概述了Blackfin561处理器的DMA相关寄存器，叙述了在uClinux下PPI接口的驱动程序实现过程及功能，对BMP文件格式进行了简要介绍。所有代码已经在BF561的嵌入式uClinux平台上调试通过，符合设计要求。
   本文作者创新点：完成了嵌入式系统上的虹膜图像采集及预处理。在目前国内虹膜识别产业仍处于起步阶段的情况下，本文就虹膜识别技术的实用化做了重要研究，具有重要的实用价值。
   下图是实验中拍到的两幅图片
   
   
   参考文献
   [1]杨瑞亚，肖璋嵌入式uClinux内核启动过程分析与设计[J]．中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC )2005 年第21 卷第8-2 期32－33
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   Analog Devices Ine．02/2005．
   [3]陈峰．Blackfin系列DSP原理与系统设计[M]．北京：电子工业出版社，2004． 61-72
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