嵌入式虹膜识别系统研究文档格式.docx
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同时,对虹膜识别算法进行优化和嵌入式移植,
保证移植后的算法性能符合高准确度和实时性的性能要求。
2、构架一个嵌入式硬件系统:
在OK2440开发板的基础上添加虹膜采集模
块、键盘模块和门禁控制模块,并编写各硬件模块的驱动程序,构建
一个嵌入式虹膜门禁终端,可以实现虹膜采集和门禁控制等功能。
3、完成嵌入式端UI软件设计和PC端管理软件设计,并能实现联网通信
控制。
嵌入式端在Linux系统下编写一个简单的用户界面,让用户能
实现基本的注册、删除、识别和设置等功能;
PC端使用CSharp编写
门禁管理软件,可以联网管理各嵌入式终端。
最终,本文实现了一个简单的嵌入式虹膜门禁系统,可以快速有效的进行虹
膜识别,实现门禁管理功能。
同时,只要对该系统软硬件进行适量裁剪和修改就
可以快速应用于考勤、海关等各种场合。
关键词:
虹膜识别嵌入式ARMLinux驱动门禁管理
IAbstract
ABSTRACT
Withthedevelopmentofnetworkandinformationtechnology,therequirement
ofnationalandindividualsecuritybecomesmoreimportantandserious.Fastand
accurateidentificationtechniqueisneedurgently.Biometrictechnologyisanew
identificationmethodbyusingtheknowledgeofimageprocessingandpattern
recognition.Itisbasedonhumanphysicalandbehavioralcharacteristics.Asonekind
ofbiometrictechnology,irisrecognitionhasthefollowingfeatures:
uniquely,stability,
friendly,andsecurely.Irisrecognitioncanbeusedinmanyfieldslikefinance,
customhouse,coalmine,andsoon.Ithasbroadapplicationprospectsandcanget
goodeconomicbenefitsAtpresentmostofirisrecognitionproductsarebasedonpersonalcomputer,
theseproductsareusuallyveryinconvenientandmoreexpensivesothatitisaserious
impedimenttothepromotionofirisrecognition.Inthispaper,anembeddediris
recognitionsystemwillbepresented,whichisportable,stable,low-cost,lowpower
consumptionInthisthesisthefollowingissueshavebeenexploredandrealized:
I.Researchtheprinciplesandalgorithmofirisrecognition,presentanoise
detectmethod:
adoptgray-scalethresholdmethodtodetectfaculaand
block-eyelashes;
userealpartofimproved-Log-Gaborwavelettodetectthe
sparse-eyelashes;
calculatethegradientintegralalongdifferentanglearcsto
detectthetopeyelidandutilizeradialsymmetrytodetectthebottomeyelidThen,optimizetheirisrecognitionalgorithmandtransplantthealgorithmto
theembeddedLinuxflatII.Hardwaredesign:
buildanembeddedhardwaresystem,whichcanrealize
iriscaptureandaccesscontrol.First,designiriscapturemodule,keyboard
module,andaccesscontrolmodulebasedonOK2440;
then,writedriversfor
eachmoduleIII.Softwaredesign:
designembeddedirissoftwareandpcaccessmanagement
system,theycancommunicatewitheachother.Forembeddedclient,write
theuserinterfaceprogramusingQtonLinuxsystem.Itcanrealizeiris
recognition,usermanagement,systemset,andsoon.Forpcclient,the
programisrealizedbyC#,itcanmanageembeddedmachinesremotelyFinally,wefinishasimpleembeddedirisaccesssystem,whichcancontrolthe
IIAbstract
accesscontrolregioneffectively.Furthermore,thissystemcanbechangedeasilyto
realizeotherfunctions
KeyWords:
IrisRecognition,EmbeddedARM,LinuxDrive,AccessControl
III中国科学技术大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成
果。
除已特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含任何他人已经发表或撰写
过的研究成果。
与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确
的说明。
作者签名:
___________签字日期:
_______________
中国科学技术大学学位论文授权使用声明
作为申请学位的条件之一,学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥
有学位论文的部分使用权,即:
学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交
论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅,可以将学位论文编入《中国学
位论文全文数据库》等有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制
手段保存、汇编学位论文。
本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。
保密的学位论文在解密后也遵守此规定。
□公开□保密（____年）
_______________导师签名:
_______________
签字日期:
_______________签字日期:
_______________第一章绪论
第一章绪论
1.1引言
随着社会的发展和科技的进步,人类的生活已经变得高度数字化、信息化和
网络化。
网上银行、网上购物、远程电子支付等各种网络信息化手段给人们的生
活带来了极大的便捷,但同时由于各种伪造身份信息而导致的一系列泄密、财产
损失、人生安全等问题也日益受到人们的关注。
因此,快速准确的鉴别个人身份,
保证信息安全,是现代社会的迫切需求。
传统的身份识别手段主要依赖于标识物品和标识知识:
标识物品是一些方便
携带的实际物品,如钥匙、证件等;
标识知识是一些用户所知道的信息,如用户
名、密码、问题答案等。
可以通过对标识物品或标识知识的鉴定和验证来判断持
有者的身份,在一些安全性要求较高的场合也可以组合使用标识物品和标识知识
来提高安全级别。
但是,标识物品容易丢失和被伪造,标识知识容易遗忘和泄露,
而系统无法区分持有标识物品或标识知识的非法入侵者和真正的拥有者。
一旦其
他人获得标识物品或知晓标识知识,就可以拥有相同的权限,造成严重的损失。
例如,当前金融系统使用的银行卡基本上都是采用标识物品和标识知识结合识别
的方法,用户只有在持有专用的银行卡并输入正确的口令密码时才能够进行一系
列的交易操作,但时常仍会有丢卡、遗忘密码甚至钱财被冒领等现象发生,给人
们带来不必要的损失。
可见,传统的身份识别方法根本无法满足现代社会对高安
全性的要求,人类必须寻求更加安全、方便的身份识别方法。
[1-3]
生物特征识别技术是以人体固有的各种生理和行为特征作为识别介质,
通过图像处理和模式识别的方法来鉴别个人身份的技术。
生理特征一般是与生俱
来的,不随人们的意愿而改变,且具有较强的稳定性和较大的差异性,如指纹、
虹膜、掌纹、视网膜、颅骨等;
行为特征是人们在长期的日常生活中形成的各种
行为习惯,具有较强的独特性和较高的防伪性,如语音、签名、步态等。
与传统
的身份识别手段相比,生物特征识别具有随身携带、不易伪造和泄露、不易遗忘
和丢失等优点。
目前,各种生物特征识别技术已被广泛应用于银行、医疗、海关、
监狱等众多领域,常见的身份识别技术有指纹识别、人脸识别、语音识别和虹膜
识别等。
其中,指纹识别研究较早,技术发展也最为成熟,应用程度最广,指纹
相对稳定,但是由于其特征自由度较少和指纹采集的侵犯性限制了其进一步的发
展和应用;
人脸识别具有主动性、非侵犯性和用户友好性等优点,但是人脸会随
着年龄、健康状况、表情和环境等因素的改变而变换,识别难度较高,识别准确
1第一章绪论
性较低;
语音识别除了对环境噪声有限制外,还容易被伪造、容易被录音所欺骗。
因此,虹膜识别由于其具有唯一性、高稳定性、天然的防伪性和非侵犯性等优势,
日益受到人们的关注和重视,具有广阔的应用前景。
1.2虹膜识别技术简介
虹膜是围绕着瞳孔的圆环状组织,含有丰富的纹理信息,且具有高独特性、
高稳定性、高防伪性和采集的非侵犯性等优点。
与其它生物特征识别技术相比,
虹膜识别具有更高的准确性。
据统计,在现有的各种生物特征识别中,虹膜识别
[4]
的错误率是最低的,它是目前为止生物特征识别中最为精确的识别方法。
[3]
1.2.1虹膜生理特征
图1-1虹膜外观图图1-2虹膜生理细节图
解剖学认为虹膜是一个处于角膜和晶状体之间的圆盘形薄膜,其厚度大约为
300微米,直径大小为1厘米左右。
由于虹膜是处于透明的角膜之后,使其成为
了人体中少有的外部可见的内部组织,其外观如图1-1所示。
可见,虹膜的形状
大致为一个圆环,具有内外两个显著的边缘,内边缘与瞳孔交接,外边缘与角膜
交接。
虹膜的颜色因人种不同会有所差异,一般黄种人的虹膜多为棕褐色,而白
种人的虹膜则有蓝、灰和浅棕色等不同的颜色。
虹膜的外观效果是由其从内到外
的真皮层、肌肉层、基质层和前角膜层等综合作用的结果,这些层上分布着不规
则的色斑、血管、色素细胞和可伸缩的肌肉。
虹膜的纹理细节可分为近瞳孔区和
纤毛区,如图1-2所示,其上具有大量的斑点、收缩线和小囊等特征,这些特征
共同组成了虹膜复杂的纹理。
虹膜的形成是由遗传基因和胚胎发育环境共同作用的结果,尽管虹膜的基本
结构是由内在的遗传基因决定的,但是,在生命初期虹膜形成之前的胚胎发育环
2第一章绪论
境却对虹膜独特的细微结构起着决定性作用。
因此,自然界中不可能出现两个完
全相同的虹膜,即使同一个人两只眼睛的虹膜也有很大的差别。
同时,虹膜在一
岁左右就已发育完成,随着人的生长发育虹膜细节基本不会改变,相当稳定。
另
外,由于虹膜的外部有透明的角膜保护,发育完全的虹膜也不易受到外界伤害而
产生变化,要改变虹膜外观,需要非常精细的外科手术,而且具有很大的风险。
由此可见,人眼的虹膜完全可以作为个人身份识别的标志。
1.2.2虹膜识别的特点虹膜身份识别是一种较新的生物识别技术,与其它基于生物特征的身份鉴
[6,7]
别方法相比,虹膜识别具有以下优点:
a高独特性:
由解剖学和生理学研究证明,没有任何两个虹膜是一样的,
即使是双胞胎或者是同一个的两只眼睛的虹膜也存在着较大的差异。
由于虹膜的
纹理非常丰富,具有200多个自由度,远多于其它的技术,所以理论上虹膜身份
识别具有较指纹识别、掌纹识别、人脸识别等更高的准确度。
b高稳定性:
虹膜是人体唯一外部可见的内部器官,它受眼皮和角膜的保
护,不易受到外部物质的伤害,而且由于受到体液的润滑保护也很少发生病变。
这样就避免了像指纹、掌纹、人脸等由于长期磨损和外伤等缘故造成的特征变化
等问题。
同时,虹膜在一岁左右就已发育完成,随着人体的生长虹膜细节特征基
本不会改变。
可见,虹膜在人的一生中都比较稳定。
c天然的防伪性:
虹膜的生理特性为虹膜识别系统提供了防伪的依据。
虹
膜对光线的变化有震颤效应,所以可以通过检测瞳孔的大小变化来实现活体检
测,可以比较容易的分辨虹膜的真伪。
相比之下,目前应用较广的指纹的防伪性
较差,容易被伪造。
d非侵犯性:
虹膜识别的过程只需要用户在镜头前,无需物理接触,甚至
可以在没有引起人们注意的情况下就可以拍摄下虹膜图像,用户友好性较好。
而
指纹识别、掌纹识别等识别方法都则需要用户与传感器接触,容易让用户产生抵
触心理和不舒服感。
当然,目前虹膜识别技术也存在着一些问题,比如快速、准确、用户友好的
虹膜识别系统对虹膜采集装置的要求较高,如今可见的各种虹膜识别产品基本上
都满足不了高用户友好性的要求,而且价格昂贵。
但是,随着科学技术的不断发
展,这些问题都将会被不断解决,虹膜识别技术仍旧是生物特征识别中最具竞争
性和最值得推广的技术。
3第一章绪论
1.2.3虹膜识别技术的发展历史及现状利用虹膜图像进行虹膜识别的概念首先是由眼科专家AranSafir和Leonard
Flom于1987年提出来的,之后很多研究单位和公司开始投入研究虹膜识别系统,
并取得了一系列成果。
Johnson、JohnDaugman、RichardWildes等人先后提出和
实现了各自的虹膜识别系统原型,极大的推动了虹膜技术的发展。
尤其是John
Daugman提出的虹膜识别算法和系统原型都具有较高的性能,目前大部分自动
虹膜识别系统都是基于该算法的改进。
随着生物识别技术的发展,越来越多的人
开始关注和研究虹膜识别技术,并成功推出了一系列的虹膜识别产品。
国外的虹膜产品相对比较成熟,也得到了较为广泛的应用,可见的虹膜产品
主要有LG公司的IrisAccess3000、IrisAccess4000,日本松下公司的ET120、
ET330、ET500,日本OKI公司的IRISPASS-M虹膜系统等。
这些虹膜产品目前
主要用于边境检查、通关认证以及企业门禁考勤等,例如美国新泽西州肯尼迪国
际机场和纽约奥尔巴尼国际机场、德国柏林的法兰克机场、荷兰史基浦机场、日
本成田机场等都安装了虹膜识别仪器,用于工作人员的安检和乘客的通关。
总体
上来说,虹膜识别技术已经在国际上的众多领域得到了较为广泛的应用。
国内对虹膜识别的研究起步较晚,同时由于受到国内电子和光学等技术发展
的限制,虽然目前研究的单位也不少,但真正能看到的产品却很稀少,而且产品
的性能和价格也远远达不到人们的期望值。
但即使如此,目前国内也有部分煤矿、
银行和国家安全部门采购了虹膜识别产品,部署了自己的安全门禁系统。
可见,
高性能、低价格的虹膜识别产品在国内具有非常广阔的应用前景。
1.2.4虹膜识别技术的应用前景
虹膜识别技术以其高独特性、高稳定性、天然防伪性、非接触性等优点得到
了迅速发展,被广泛认为是二十一世纪最具有发展前途的生物认证技术,市场应
用情景非常广阔。
虹膜识别系统的主要应用领域包括:
（a）高端门禁:
国家机关、军事基地、档案室、保险柜、银行金库、机械库、
科研机构、企事业单位、高档住宅楼、核电站、机场、计算机机房和保密部门等
的出入控制;
（b）医疗社保:
公费医疗确认、血液管理、个人医疗档案管理等;
（c）公安刑侦:
出入境管理、身份证管理、罪犯查缉过滤、流动人口管理、
驾驶执照管理等;
（d）金融、证?
、保险、社会福利机构的身份确认:
自动取款机、柜台取款、
运钞人员身份确认、大额取款客户身份确认等;
4第一章绪论
（e）其它应用:
考勤、矿工身份确认、考试人员身份确认、信息安全等。
虹膜识别产品的用途比密码和指纹具有更高的安全性,且使用方便,特别在
公安和军事领域,越来越受到人们的关注。
与世界的发展趋势一样,虹膜识别技
术也必将在不久的将来在中国掀起应用的高潮。
[8]
1.3嵌入式系统简介嵌入式系统是以应用为中心,以计算机技术、微电子技术、控制技术和通讯
技术为基础,并且软硬件可裁剪,适用于应用系统对功能、可靠性、体积、功耗、
成本有严格要求的专用计算机系统。
它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、
嵌入式操作系统和用户的应用程序等四个部分组成,实现诸如实时控制、监视、
管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。
1.3.1嵌入式系统分类
嵌入式系统可以有很多种不同的分类方法,由于嵌入式系统由硬件和软件两
大部分组成,所以可以从硬件和软件出发对其进行划分。
从硬件方面来讲,嵌入式处理器是嵌入式系统中最核心的部分,可根据嵌入
式处理器的类型来对嵌入式进行分类。
目前,已经存在的嵌入式处理器有上千种,
按照其体系结构可分为微控制器（MCU）、微处理器（MPU）、DSP等30多个系
列。
其中,MPU的特征是具有32位以上的处理器,具有较高的性能,但同时价
格也较高,目前主要有ARM、PowerPC、MIPS、SC-400等;
MCU的特点是单
片化、体积小、功耗低、成本低、可靠性高,其典型代表是单片机;
DSP是专门
用来做信号处理的处理器,它具有很高的编译效率和指令执行速度,可应用于谱
分析、FFT、数字滤波等各种仪器上。
随着半导体技术和微电子技术的发展,嵌
入式处理器的处理速度越来越快,功能越来越强,功耗越来越低,价格越来越低,
极大的促进了其进一步的推广应用。
从软件方面来讲,主要依赖操作系统的类型来划分。
嵌入式操作系统根据其
实时性分可分为实时系统和分时系统,其中实时系统又可进一步分为硬实时系统
和软实时系统;
根据其开源情况可分为开源系统和非开源系统;
根据收费标准又
可分为免费系统和收费系统。
嵌入式开发者应该根据产品的实际性能和成本等要
求合理的选择需要的嵌入式操作系统,常见的嵌入式操作系统有uCLinux、
Arm-Linux、VxWorks、WindowsCE、uC/OSII、Nucleus、Symbian、WindowsMobile、
Android等。
5第一章绪论
1.3.2嵌入式系统特点
嵌入式系统是集软硬件于一体,可编程实现智能控制的专用计算机系统,与
通用计算机系统相比,其具有如下一些特点:
a专用性强:
嵌入式系统是面向特定应用的,不同的嵌入式产品需要根据
其具体的功能和性能要求设计和配置相应的软件和硬件模块,而且可以将很多由
外围板卡完成的任务集成到芯片内部,有利于系统的小型化。
b实时性好:
嵌入式系统在软硬件架构上都进行了进行的设计,保证了其
对实时性的需求。
嵌入式系统在硬件上很少采用速度较慢的磁盘等存储器,同时
对软件进行了精心的设计,提供了完善的中断体系,从而使其可以快速的响应各
种外部事件。
c可裁剪性好:
嵌入式系统硬件和软件都是可裁剪的,使开发人员可以根
据实际应用需要量体裁衣,去除冗余,从而使系统在满足应用要求的前提下达到
最精简的配置,最大的降低系统的体积和成本。
d可靠性高:
嵌入式系统具有精简的软硬件架构,且系统集成度较高,极
大的提高了系统的可靠性。
嵌入式产品很多都是工作在无人值守的场合,且需要
应用于涉及人身财产安全、产品质量等重要领域,所以对嵌入式系统的可靠性要
求较高。
e功耗低:
嵌入式系统通过高度集成化,提供完善的电源管理机制,将软
件直接固化到存储器芯片中,而不是放在磁盘等载体中等一系列技术手段极大的
降低了系统的功耗,保证其可以应用于移动电话、数码相机、MP3等手持设备。
可见,要想实现虹膜识别技术在各个行业和领域的广泛应用,嵌入式系统平
台是必然的选择。
嵌入式虹膜识别系统具有虹膜识别技术和嵌入式系统的双重优
点,必将具有广阔的应用前景。
1.4课题目标和意义
本课题的目标是研究并实现一套嵌入式虹膜识别系统,且使该系统的性能满
足如下要求:
用户采集虹膜图像方便,能自动聚焦采集虹膜图像,实现快速采集（1秒）虹膜识别程序移植到嵌入式系统上,要保持识别的高准确率,程序执行速度
不能有明显的下降有液晶显示、键盘输入及语音提示功能,方便人机交互系统要有简单的界面支持,能实现基本的用户注册、用户删除与用户识别等
6第一章
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