引言
在數(shù)字化網(wǎng)絡化飛速發(fā)展的今天,，門禁技術也得到了迅猛的發(fā)展。生物認證技術由于其具有高可靠性,、安全性,、方便性等特點，逐漸受到社會的矚目,。傳統(tǒng)的人臉圖像識別系統(tǒng)依賴于較大型設備,，速度較慢、實時性較差,、價格昂貴,。隨著數(shù)字信號處理器DSP的飛速發(fā)展，以DSP為核心的硬件系統(tǒng)同樣可以用來進行圖像處理,。隨著DSP的運算速度和運算精度不斷提高,，片內的存儲容量不斷加大，系統(tǒng)功能,、數(shù)據(jù)處理能力以及與外部設備的通信功能不斷增強,，人們完全可以脫離PC機開發(fā)出基于DSP的圖像處理系統(tǒng)。
本文利用DSP和實時嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS開發(fā)了基于人臉識別技術的門禁系統(tǒng),。系統(tǒng)利用攝像頭獲取人臉圖像,，利用DSP完成人臉圖像的處理和特征提取以及識別，利用液晶顯示器完成識別信息的顯示,，并通過串口與外部通信,。
1 DSP/BIOS簡介
DSP/BIOS是一種簡易的實時嵌入式操作系統(tǒng)，主要面向實時調度與同步,、主機與目標系統(tǒng)通訊以及實時監(jiān)測等應用,，具有實時操作系統(tǒng)的諸多功能，如任務的調度管理,、任務問的同步和通訊,、內存管理、實時時鐘管理、中斷服務管理,、外設驅動程序管理等,。DSP/BIOS由三個部分組成：DSP/BIOS實時內核與API、DSP/BIOS分析工具以及DSP~IOS配置工具” ,。
1．1 DSP/BIOS中的線程
DSP~IOS內核通過在單一處理器上允許高優(yōu)先級線程搶先低優(yōu)先級線程的方式支持不同優(yōu)先級的多種線程,，并負責處理各線程之間的各種相互作用，包括通訊,、同步等,。DSP/BIOS支持四種線程：硬件中斷(HWI)、軟件中斷(SWI),、任務(TSK),、后臺線程(IDL)。它們的優(yōu)先級依次從高到低,。DSP~IOS用HWI模塊來管理硬件中斷,，為DSP中的每個硬件中斷配置了中斷服務程序(ISR)。硬件中斷用來處理時間要求苛刻的關鍵任務,，如系統(tǒng)時鐘等,。軟件中斷通過SWI模塊管理，用于處理一些對實時性要求較低的任務,。任務通過TSK模塊管理,，后臺線程的優(yōu)先級最低，用于沒有時間限制的處理,，只有在其它線程不運行時,，它才運行。
任務管理與軟件中斷的區(qū)別是,，每個任務都有自己的堆棧,，任務問支持同步和通訊，一個任務可以掛起以等待某一資源的釋放,，因此,，特別適用于門禁系統(tǒng)的應用。本文中用到了兩個任務：tskvideocapture與tskloopback,，其中tskvideocapture是視頻獲取任務,，tskloopback是視頻處理和顯示任務。TASK任務級的通訊主要使用SCOM(Synchronized COMmunication module)消息隊列,。SCOM消息是用戶定義的一個數(shù)據(jù)結構,，用于task之間交換信息。
1．2 DSP/BIOS程序開發(fā)
DSP/BIOS支持交互式的應用程序開發(fā)模式,，開發(fā)人員可以用DSP/BIOS先為應用程序生成一個框架,，在使用實際的算法之前給程序加上一個仿真的運算負荷來測試程序，看是否滿足時序要求。開發(fā)步驟如下：① 用配置工具建立應用程序要用到的對象,；②保存配置文件,，系統(tǒng)會生成編澤和鏈接應用程序時需的庫文件；③為應用程序編寫一個框架,，可以使用C,、c++、匯編語言,；④在CCS環(huán)境下編譯并鏈接程序,；⑤使用仿真器和DSP/BIOS分析工具來測試應用程序；⑥ 重復步驟① 到⑤ 直到程序運行正確,；⑦硬件開發(fā)好后,，修改配置文件以支持硬件，并進行測試,。
1．3 CDB配置文件
CDB文件包含了以下幾個部分內容：系統(tǒng)部分(System),、實時分析部分(Instrumentation)、調度部分(Scheduling),、同步部分(Synchronization)、輸入輸出部分(Input/Output),、芯片支持庫部分(CSL),。DSP/BIOS配置工具采用可視化界面，如圖l所示,。
圖 l DSP~IOS配置界面
具體地說,，CDB文件的主要配置內容有以下幾部分。系統(tǒng)部分：Global Settings體現(xiàn)系統(tǒng)所用處理器型號及其各種參數(shù)特性,；MEM體現(xiàn)系統(tǒng)的程序和代碼的放置位置以及占用空間的大小,。調度部分：TSK—Task Manager主要定義用戶定義任務及系統(tǒng)后臺線程所調用的子函數(shù)，任務的優(yōu)先級以及其存放位置和堆棧大小的設置情況,。輸入輸出部分：定義視頻各個輸入輸出端口如何實現(xiàn)與片級支持庫CSL的鏈接,，從而實現(xiàn)微驅動和參數(shù)傳遞。
2 門禁系統(tǒng)的硬件結構
本系統(tǒng)基于TI公司的TMS320DM642設計硬件平臺,，因為DM642有豐富的外部設備接口,，完全能夠滿足門禁系統(tǒng)的需要。DM642通過外部存儲器接口(EMIF)訪問片外存儲器SDRAM和FLASH,。SDRAM為4M x 64位的同步動態(tài)存儲器接口,，用于存儲程序、數(shù)據(jù)和圖像處理中間結果,，配置在EMIF接口的CE0空間,；FL ASH為4M x8位的異步靜態(tài)存儲器接口，用來存儲人臉的模板特征、固化程序,、導入裝載和配置信息,，配置在DM642的EMIF的CE1子空間。此外,，CE1子空問還分配給狀態(tài)／控制寄存器,、UART等資源使用。因此,，F(xiàn)lash的最大的可尋址范圍為512K x 8位,。為了訪問到Flash的所有地址空間，本系統(tǒng)采用分頁技術來實現(xiàn)對Flash的訪問,，即將整個4M x 8位的Flash分成8個512×8位的頁,，而頁地址則由位于CPLD中的頁地址寄存器提供。選用TVP5150視頻解碼芯片,，通過I2C可編程總線進行控制,，采用8位并行總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
系統(tǒng)將模擬PAL視頻信號轉換為BT．656格式的YCbCr(4：2：2)模式的數(shù)字視頻信號,，選用SAA7121視頻編碼芯片,，將BT．656格式的數(shù)字視頻信號轉換為PAL格式的視頻輸出。選用TL16C752B實現(xiàn)二路異步串口,，每路異步串口占用8個8位存儲單元,。本系統(tǒng)可通過網(wǎng)絡接口實現(xiàn)功能擴展。門禁系統(tǒng)的硬件結構如圖2所示,。
圖 2 門禁系統(tǒng)的硬件結構
加電后,，系統(tǒng)完成初始化，存儲在FLASH中的程序和數(shù)據(jù)被加載到SDRAM中,。在無人進門時,，系統(tǒng)進行視頻的采集和回放。當有人要進門時,，系統(tǒng)通過串口給DSP一個中斷信號,，TVP5150視頻解碼芯片將對攝像頭采集的視頻數(shù)據(jù)進行解碼，實現(xiàn)A/D轉換,，并給出LLC2(采集時鐘),、VREF(場同步參考信號)、HREF(行同步參考信號)等采集參考控制信號,，并將解碼得到的YCbCr(4：2：2)模式的人臉圖像存儲在SDRAM中,。之后，DSP對存儲在SDRAM中的圖像進行人臉檢測和特征提取,，將提取的特征與存儲在FLASH中的模板數(shù)據(jù)作對比,，最后將識別結果顯示在液晶屏上,，并通過多通道緩沖串口給門鎖控制器發(fā)送開門信號或報警信號。
3 基于DSP/B10S的軟件程序設計實現(xiàn)
本系統(tǒng)基于DSP/BIOS架構開發(fā)實現(xiàn),，系統(tǒng)結構分為三部分：輸入控制部分,、視頻處理部分和輸出部分。輸入控制部分通過串口中斷來響應外部的輸入,；視頻處理部分主要完成視頻流中圖像的人臉檢測,、特征提取和人臉識別并將結果輸出；輸出部分主要是完成識別結果的顯示并通過串口向門鎖控制器發(fā)送信號,。整個DSP上的軟件由二個任務線程組成：tskvideo—capture線程從視頻輸入端口讀取數(shù)據(jù),；tskloopback線程完成視頻流中圖像的處理并將結果輸出。二者之間靠SCOM消息隊列進行同步和消息傳遞 ,。系統(tǒng)流程如圖3所示,。
當系統(tǒng)上電啟動后，首先對系統(tǒng)進行初始化,。初始化完成后,，系統(tǒng)進行視頻圖像的采集和回放，GIO/FVID(項層類驅動)控制TVP5150通過EDMA將視頻數(shù)據(jù)YCbCr(4：2：2)傳遞到視頻輸入任務請求的緩沖I~capFrameBuf中,。當系統(tǒng)接收到串El中斷信號后,，視頻處理任務通過SCOM通訊從capFrameBuf中將數(shù)據(jù)取走，進行人臉檢測,、特征提取和人臉識別等一系列操作,，并將結果輸出。
本系統(tǒng)軟件通過在YCbCr色彩空間中建立人臉膚色模型對人臉進行粗檢測,。實驗發(fā)現(xiàn)當Cb取值范圍為[90，135],，Cr取值范圍為[120,，168]時，系統(tǒng)對膚色檢測效果最好,。人臉粗檢測后再通過數(shù)學形態(tài)學中的開運算去除孤立的小點,、毛刺和小橋(即連通兩塊區(qū)域的小點)，最后通過對膚色中連通域的標記和統(tǒng)計去除非人臉區(qū)域,，得到人臉圖像 ,。在提取人臉特征之前對人臉圖像進行灰度拉伸和歸一化，使用離散余弦變換提取人臉特征,，提取的人臉特征可以進行兩種操作：作為模板存入人臉特征庫或進行人臉識別,。系統(tǒng)通過計算人臉特征，再與模板庫中的人臉特征進行相似度比對和識別,。
4 結束語
本文將DM642芯片結合視頻編解碼芯片和實時嵌入式操作系統(tǒng)DSP/BIOS應用于門禁系統(tǒng),，實現(xiàn)了完全脫離PC機的圖像采集,、處理和結果顯示系統(tǒng)。算法運算速度快,，實時性高,。系統(tǒng)可以通過串口或網(wǎng)絡接口實現(xiàn)人機交互，并具有良好的可擴展性和獨立性,。