嵌入式虹膜圖像采集及預(yù)處理

摘要：簡要介紹了Blackfin561的DMA功能和BMP文件的格式，敘述了在基于Blackfin561的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux下并行外部接口（PPI）驅(qū)動程序的框架，以及驅(qū)動程序中各個(gè)函數(shù)的具體功能與實(shí)現(xiàn)方式。完成了虹膜圖像數(shù)據(jù)的采集，并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)處理，提取其中所有亮度信息，生成BMP圖像文件。同時(shí)指出了調(diào)試過程中常遇的問題以及解決方法。關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；設(shè)備驅(qū)動程序；虹膜圖像采集；DMA；PPI

0 引言

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息安全顯示出前所未有的重要性，而身份識別作為保證信息安全的必要前提，也越來越受到重視。虹膜識別技術(shù)是基于眼睛虹膜的生物識別技術(shù)。虹膜的終生不變性以及信息提取的非接觸性等特性，使其成為各項(xiàng)生物識別技術(shù)中最突出的一項(xiàng)。本文論述了在基于Blackfin561的嵌入式操作系統(tǒng)uClinux的虹膜圖像采集以及預(yù)處理。為后期在嵌入式平臺上進(jìn)行虹膜圖像運(yùn)算提供了圖像來源。

1 Blackfin561中的DMA

Blackfin系列DSP產(chǎn)品是ADI公司的基于微信號體系結(jié)構(gòu)的DSP，適用于各種視頻、音頻、通信領(lǐng)域。ADSP-BF561有多個(gè)獨(dú)立的DMA控制器，能夠以最小的DSP內(nèi)核開銷完成數(shù)據(jù)自動傳輸。DMA傳輸可以發(fā)生在ADSP-BF561的內(nèi)部存儲器和任一有DMA能力的外設(shè)之間。此外，DMA傳輸也可以在任一有DMA能力的外設(shè)和已連接到外部存儲器接口的外部設(shè)備之間完成（包括SDRAM控制器、異步存儲器控制器）。有DMA傳輸能力的外設(shè)包括SPORT、SPI端口、UART和PPI端口。每個(gè)獨(dú)立的有DMA能力的外設(shè)至少有一個(gè)專用DMA通道。BF561內(nèi)部專門為適應(yīng)視頻數(shù)據(jù)處理而增加了二維DMA。

2 PPI接口驅(qū)動的具體實(shí)現(xiàn)

uClinux是針對微控制領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的Linux系統(tǒng)，面向沒有MMU（Memory Management Unit）的硬件平臺。它是Linux的一個(gè)變種，一方面它繼承了Linux的大部分優(yōu)點(diǎn)，例如穩(wěn)定性，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能；另一方面其內(nèi)核相當(dāng)精簡， 內(nèi)核體積小于512KB， 內(nèi)核加文件系統(tǒng)小于900KB。uClinux同標(biāo)準(zhǔn)Linux主要的區(qū)別在于兩者的內(nèi)存管理機(jī)制和進(jìn)程調(diào)度管理機(jī)制，另外它采用了romfs文件系統(tǒng)，并對Linux上的C語言庫glibc做了簡化。uClinux完全符合GNU／GPL公約，完全開放源代碼，因此在嵌入式領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

為管理各種外圍硬件設(shè)備，uClinux系統(tǒng)對其采取面向?qū)ο蟮姆庋b機(jī)制。uClinux將所有的外圍設(shè)備看成是一類特殊文件，稱為“設(shè)備文件”，它抽象了對硬件的處理，用戶進(jìn)程只需通過標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用如open()，read()，write()，close()而無需了解設(shè)備在硬件層上實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)即可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的訪問控制。驅(qū)動程序則負(fù)責(zé)這些系統(tǒng)調(diào)用的具體實(shí)現(xiàn)。

針對具體應(yīng)用，在驅(qū)動程序中實(shí)現(xiàn)了模塊注冊注銷函數(shù)，open，release接口函數(shù)和read接口函數(shù)（如圖1所示）。驅(qū)動程序采用了中斷方式，對PPI和DMA進(jìn)行了配置，采用BF561提供的二維DMA功能。詳細(xì)介紹如下：

(1)模塊初始化函數(shù)init_module()。該函數(shù)是每個(gè)內(nèi)核模塊加載的時(shí)候首先調(diào)用的一個(gè)默認(rèn)函數(shù)。程序中使用了module_init()宏來顯式命名模塊的注冊函數(shù)為 ppi_init()，在該函數(shù)中完成了設(shè)備’ppi’的注冊，當(dāng)模塊加載完畢之后，內(nèi)核即知曉該設(shè)備的存在。

(2)模塊卸載函數(shù)cleanup_module()，該函數(shù)與init_module()做相反的工作，在內(nèi)核中取消設(shè)備的登記。與模塊注冊類似，程序中使用module_exit()宏來顯式命名模塊的注銷函數(shù)為 ppi_exit()該函數(shù)在模塊卸載的時(shí)候自動調(diào)用。

(3)設(shè)備驅(qū)動程序的file_operations結(jié)構(gòu)。由于所使用的PPI接口只用來做數(shù)據(jù)采集，因此file_operation結(jié)構(gòu)定義如下：

static struct file_operations ppi_fops = {

owner:     THIS_MODULE,

read:        ppi_read,

open:       ppi_open,

release:    ppi_release,

};

(4)open，release接口函數(shù)。在這兩個(gè)函數(shù)中分別使用了MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT宏，被操作系統(tǒng)內(nèi)核用來記錄當(dāng)前訪問設(shè)備文件的進(jìn)程數(shù)。由于要使用中斷方式，所以在open和release中要分別實(shí)現(xiàn)中斷的申請和釋放。設(shè)備驅(qū)動程序通過調(diào)用request_irq()函數(shù)申請中斷，將一個(gè)硬件處理函數(shù)掛到相應(yīng)的處理隊(duì)列中，通過調(diào)用free_irq()函數(shù)釋放中斷。在open函數(shù)中初始化了PPI和DMA的部分相關(guān)寄存器。擇要描述如下：

*pDMA1_0_Y_COUNT = 625; 二維DMA的外層循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器，用于保存外層循環(huán)的數(shù)目。

*pDMA1_0_X_COUNT = 1728/4; 二維DMA的內(nèi)層循環(huán)計(jì)數(shù)寄存器，用于保存內(nèi)層循環(huán)的數(shù)目。

*pDMA1_0_X_MODIFY= *pDMA1_0_Y_MODIFY = 4; 內(nèi)層外層循環(huán)地址增量寄存器。為有效利用DMA帶寬，設(shè)置了PPI使之能處理32位DMA，且數(shù)據(jù)緩沖區(qū)是連續(xù)的，此處兩個(gè)增量寄存器都被設(shè)置為4。

*pPPI0_FRAME = 625; 在PPI被設(shè)置成ITU-656輸入模式下，該寄存器用于保存每幀的數(shù)據(jù)線路數(shù)。

(5)read接口函數(shù)。在該函數(shù)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;

設(shè)置好寄存器后，使進(jìn)程進(jìn)入睡眠隊(duì)列，等待DMA結(jié)束產(chǎn)生的中斷將其喚醒。

數(shù)據(jù)緩沖區(qū)在用戶區(qū)定義，因一幀數(shù)據(jù)大小確定，所以在用戶應(yīng)用程序中定義的數(shù)據(jù)存儲區(qū)大小指定為625*1728B。通過調(diào)用函數(shù)時(shí)傳遞指針的方式通知數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的位置。在該函數(shù)中不再使用copy_to_user()函數(shù)，此方式節(jié)省了內(nèi)存空間，對于嵌入式應(yīng)用來說意義重大。事實(shí)上每次DMA開始傳送的頭4個(gè)字節(jié)總是被忽略掉的，這4個(gè)字節(jié)是第一個(gè)活動視頻開始（EAV）代碼。即需要的一幀圖像數(shù)據(jù)比實(shí)際傳送的要少4個(gè)字節(jié)，但是為了數(shù)據(jù)處理的方便，仍將數(shù)據(jù)緩存區(qū)定義為完整一幀圖像的大小，這樣數(shù)據(jù)緩存區(qū)的最后4個(gè)字節(jié)是下一幀圖像的EAV代碼。到此，虹膜圖像采集的驅(qū)動程序基本完成，可以看出，驅(qū)動程序與應(yīng)用程序聯(lián)系緊密，這也反應(yīng)了嵌入式系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)，面向應(yīng)用，專用性極強(qiáng)。

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3 圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理

在用戶程序中，定義二維數(shù)組buf[625][1728]作為圖像數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，然后通過標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)調(diào)用獲取一幀虹膜視頻圖像數(shù)據(jù)。虹膜視頻圖像數(shù)據(jù)是以ITU-656模式輸入的，一幀圖像分為奇場和偶場，且原始數(shù)據(jù)中還有顏色信息、消隱信息和控制字等，因此要獲得一幅虹膜圖像還需對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。提取原始數(shù)據(jù)中的所有亮度信息，并把兩個(gè)場的數(shù)據(jù)有規(guī)則的合并到一起，然后按照BMP的圖像數(shù)據(jù)存放順序重新排列，添加相應(yīng)的文件頭生成灰度BMP圖像文件。

BMP文件是Windows保存圖像的一種通用位圖文件格式，自帶顏色信息，調(diào)色板管理非常容易，在數(shù)字圖像處理方面占有重要的地位。

BMP文件大體上分成如下4個(gè)部分，位圖文件頭+位圖信息頭+調(diào)色板+圖像數(shù)據(jù)。

(1)第一部分為位圖文件頭，長度固定，為l4個(gè)字節(jié)。

(2)第二部分為位圖信息頭，長度固定，為40個(gè)字節(jié)。

(3)第三部分為調(diào)色板。需要注意的是真彩色圖不需要調(diào)色板，它們的位圖信息頭后面直接是圖像數(shù)據(jù)。而其他位圖，包括本文所討論的8位位圖，都需要調(diào)色板。

(4)第四部分就是實(shí)際的圖像數(shù)據(jù)。

在實(shí)際調(diào)試過程中還要注意字節(jié)對齊問題。比如位圖文件頭長度固定為l4個(gè)字節(jié)，但若不注意字節(jié)對齊，定義后的結(jié)構(gòu)體實(shí)際大小為16個(gè)字節(jié)，因此定義位圖文件頭時(shí)用__attribute__((packed))，使該結(jié)構(gòu)體長度為14個(gè)字節(jié)。

4 結(jié)論

本文簡略概述了Blackfin561處理器的DMA相關(guān)寄存器，敘述了在uClinux下PPI接口的驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)過程及功能，對BMP文件格式進(jìn)行了簡要介紹。所有代碼已經(jīng)在BF561的嵌入式uClinux平臺上調(diào)試通過，符合設(shè)計(jì)要求。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：完成了嵌入式系統(tǒng)上的虹膜圖像采集及預(yù)處理。在目前國內(nèi)虹膜識別產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段的情況下，本文就虹膜識別技術(shù)的實(shí)用化做了重要研究，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

下圖是實(shí)驗(yàn)中拍到的兩幅圖片

參考文獻(xiàn)

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