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在自然世界中人是獨特，人所表現出來(lái)的生物特征可謂獨一無(wú)二。對于每一個(gè)個(gè)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別的，這就是生物識別技術(shù)最基本的前提，這是在人類(lèi)文明和文化不斷發(fā)展進(jìn)程中對自身認識的又一次超越。隨著(zhù)電子時(shí)代的到來(lái)，生物特征識別技術(shù)獲得革命性的飛躍，而其市場(chǎng)的真正興起卻幾乎是與新世紀同步，特別是得益于數字信號處理器(DSP)的驅動(dòng)。本文希望通過(guò)分析生物特征識別技術(shù)和市場(chǎng)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(chǎng)化進(jìn)程的重要推進(jìn)作用，并展望更廣闊的市場(chǎng)前景。 生物特征識別核心引擎 通過(guò)當前領(lǐng)先的數字信息技術(shù)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統計學(xué)原理等高科技手段的密切結合，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(lái)進(jìn)行個(gè)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)比傳統的身份鑒定方法具有安全性、保密性和方便性，同時(shí)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(shí)隨地可用等優(yōu)點(diǎn)。 由于早期生物特征識別技術(shù)產(chǎn)品均借助于計算機技術(shù)實(shí)現，雖然很容易配合電腦和安全、監控、管理系統整合，實(shí)現自動(dòng)化管理，但其應用范圍受到限制。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(huì )福利保障、電子商務(wù)，直至家居保安和個(gè)人私隱等消費類(lèi)市場(chǎng)，嵌入式需求至關(guān)重要，因此DSP無(wú)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是一個(gè)典型的高速影像處理系統，首先其核心處理包括影像獲取、影像增強和模版提取，然后進(jìn)行匹配和加密，所有這些復雜的工作都需要在瞬間實(shí)現，如果沒(méi)有DSP的高速則難以勝任。其次其周邊包含傳感、存儲、外設、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厚，另外還可得益于TI的高性能電源等其它器件器件。當系統的高速和省電需求得到充分滿(mǎn)足之后，生物特征識別產(chǎn)品市場(chǎng)化的進(jìn)程便得到迅猛的發(fā)展。 圖1 生物特征識別系統是一個(gè)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識由來(lái)已久，但在快速自動(dòng)識別方面還是數字化的產(chǎn)物。一個(gè)手指的指紋特征點(diǎn)約在一百到一百二十之間，每個(gè)特征點(diǎn)以八個(gè)比特來(lái)描述將近一千個(gè)比特，在數據層面難以復制。另外其本身內在的生物特征也難以被盜取，這就難以被直接復制成指模。加之現有活體識別技術(shù)，即便復制出指模也是無(wú)濟于事。其實(shí)早在PC時(shí)代人們就對指紋識別技術(shù)進(jìn)行了系統的開(kāi)發(fā)，但真正的實(shí)用化還是從DSP開(kāi)始，特別是TI的C5402這樣的經(jīng)典平臺。C5402具有100MIPS運算性能，且性能與功耗都具優(yōu)勢，在指紋識別應用的歷史跨越了一個(gè)年代，只是后來(lái)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(shí)鐘提高的同時(shí)內部運算處理核心也加倍，因此往往200MHz或300MHz時(shí)鐘可以獲得400MIPS或600MIPS的高運算能力。由于芯片半導體工藝的改進(jìn)，加之特殊的內部供電管理機制，其工作功耗呈數量級下降，并成為可實(shí)現業(yè)界最低待機功耗的新型DSP平臺。其中C5509和C5507以片上集成USB接口而別具特色，C5503/02/01則以不同的內存配置而針對不同應用。特別值得一提的是，新近推出的C5506超低功耗器件，時(shí)鐘為108MHz下僅為58mW功耗，而性能可達216MIPS；在1.2V情況下待機功耗僅為0.120mW，為業(yè)界最低。另外還具有動(dòng)態(tài)頻率與電壓縮放、多種待機模式可分別關(guān)閉獨立外設與內部功能、128KB的SRAM可滿(mǎn)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(guò)電源優(yōu)化工具輔助實(shí)現低功耗設計。 憑借DSP的驅動(dòng)，指紋識別技術(shù)的實(shí)用化和市場(chǎng)化進(jìn)程不斷加快，其中最重要的一個(gè)應用就是指紋鎖。從一般鎖到指紋鎖的變遷說(shuō)明了安全的主題是恒久不變的，指紋門(mén)鎖目前也成為高檔住宅或安全重地的必然選擇。與此同時(shí)，指紋在保險箱等產(chǎn)品的應用，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中的應用是一個(gè)極具潛力的新興市場(chǎng)。在金融交易過(guò)程中，指紋特征信息由于每次采集的數據并不完全相同，若被攔截并進(jìn)行假冒驗證，系統可以判定出存在完全相同的兩次數據，則有機會(huì )拒絕服務(wù)，從而一定程度提高了交易安全。傳統的類(lèi)似銀行卡的結算方式，需要輸入帳號和密碼、加載數字證書(shū)，操作環(huán)節多且繁瑣，而采用指紋則確認交易的過(guò)程可以一次完成。隨著(zhù)DSP產(chǎn)品及應用的“平民化”，面向消費類(lèi)的指紋識別市場(chǎng)將會(huì )呈現空前繁榮的局面。 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雜而代碼長(cháng)度也非常大，這就需要很大的處理性能和系統資源。如果在電腦上實(shí)現需要“奔騰4”級別以上，然而面相識別類(lèi)產(chǎn)品需要相當高的可靠性，基于PC的通用操作系統很難保證這種持久的可靠性。另一個(gè)方面，面相識別在例如門(mén)禁、移動(dòng)便攜式設備、智能監控相機等應用場(chǎng)合必須是嵌入式產(chǎn)品類(lèi)型，而這對系統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才有機會(huì )不斷推進(jìn)面相識別的市場(chǎng)化進(jìn)程。圖3為基于DSP的典型應用示范。 圖3基于DSP的典型應用示范 在面相識別應用中，DM642是一個(gè)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(gè)并行運算單元，所以等效性能為4800MIPS。DM642集成有多個(gè)高精度數字視頻接口，可以作為視頻輸入也可以作為視頻輸出，同時(shí)還有以太網(wǎng)接口用于傳輸壓縮的數據流和音頻輸入輸出接口。DM642通過(guò)擴展外圍總線(xiàn)連接同步動(dòng)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(yǔ)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(shí)操作系統DSP/BIOS構建嵌入式面相識別系統，這樣就可以之作為一個(gè)獨立的設備，完成視頻采集、人臉定位、特征提取，同時(shí)還可將該資料以及壓縮的視頻數據通過(guò)網(wǎng)絡(luò )實(shí)時(shí)地傳到遠程的服務(wù)器，然后在人臉影像數據庫中進(jìn)行檢索和匹配，并及時(shí)地通報結果。若是需要錄入新的人臉影像，則可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拍攝完成，便添加到影像數據庫中去。 新型的單片媒體處理器將使面相識別系統功能更加強大。 TI所推出的達芬奇(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，還可以運行高級的嵌入式操作系統，如Linux,甚至WinCE。視頻輸入與視頻輸出包含在一個(gè)視頻處理子系統中，前端有CCD的控制器、預覽、縮放，還具有自動(dòng)聚焦、自動(dòng)爆光、自動(dòng)白平衡的“3A”功能，后端集成字幕疊加“OSD”、四個(gè)視頻 DAC和24位數字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(pán)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(zhuān)業(yè)公司成功推出基于DM642的面相識別系統，并推出實(shí)用性的產(chǎn)品。由于DM642目前已成為數字視頻監控的主流平臺，那么基于DM642的面相識別算法也就很容易集成到數字視頻監控應用系統中，從而增強了其附加值，這也成為數字視頻監控的一個(gè)趨勢。 隨著(zhù)基于Davinci的數字視頻監控產(chǎn)品的推出，相應的面相識別系統也將更新的面貌出現。 面相識別技術(shù)已開(kāi)始應用于銀行安全防范管理系統、會(huì )議代表身份認證系統、面像識別門(mén)禁、面像識別考勤、社會(huì )保障管理、公共場(chǎng)所巡察等應用系統，并在不同程度地發(fā)揮著(zhù)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(lèi)，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(dòng)簽名以及聲音識別。那么在這些識別技術(shù)中哪一個(gè)還具有潛力呢？根據權威性實(shí)驗報告，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、最強的生物活性，其識別準確性最高，而且識別速度最快， 防偽性最強也。曾經(jīng)有國際權威部門(mén)對人體生物特征識別技術(shù)分析結果顯示，虹膜識別的匹配速度超出所有其它生物統計技術(shù)至少20倍。 當然虹膜識別的可靠性需要有極高的識別準確度來(lái)保證，特別是采用核心技術(shù)在深色虹膜的“無(wú)紋理”區域分析提取紋理特征并加以精確的數字表述的實(shí)現，因此需要采用更高性能的DSP，如主頻高達千兆的C6416系列。隨著(zhù)識別技術(shù)更加成熟和優(yōu)化，還有高性能DSP的價(jià)位的降低，虹膜識別同樣可以廣泛應用于政府、軍事部門(mén)、廠(chǎng)礦企業(yè)、社會(huì )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。 聲音識別是數字語(yǔ)音處理技術(shù)的一個(gè)重要課題，也是DSP應用的一個(gè)重要方向。TI的DSP從早期的C25、C50、C54X到現在的C55X都在不同階段起到了重要的作用。 信息化的數字時(shí)代，人們的公共利益、人身安全、私有財產(chǎn)、商業(yè)交易、個(gè)人情感、商務(wù)記錄、工作成果、娛樂(lè )收藏等均是數字化的存儲形式。如果要確保這些具有巨大價(jià)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(lái)尋求保護，因此使生物特征識別發(fā)揮最有效的作用無(wú)疑是個(gè)明智的選擇。 |
