引言

         在數字化網絡化飛速發展的今天，門禁技術也得到了迅猛的發展。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。傳統的人臉圖像識別系統依賴于較大型設備，速度較慢、實時性較差、價格昂貴。隨著數字信號處理器DSP的飛速發展，以DSP為核心的硬件系統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，系統功能、數據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機開發出基于DSP的圖像處理系統。

        本文利用DSP和實時嵌入式操作系統DSP/BIOS開發了基于人臉識別技術的門禁系統。系統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，主要面向實時調度與同步、主機與目標系統通訊以及實時監測等應用，具有實時操作系統的諸多功能，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先級線程搶先低優先級線程的方式支持不同優先級的多種線程，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據結構，用于task之間交換信息。

1．2 DSP/BIOS程序開發

DSP/BIOS支持交互式的應用程序開發模式，開發人員可以用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。系統部分：Global Settings體現系統所用處理器型號及其各種參數特性；MEM體現系統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后臺線程所調用的子函數，任務的優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與片級支持庫CSL的鏈接，從而實現微驅動和參數傳遞。

2 門禁系統的硬件結構

        本系統基于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位的同步動態存儲器接口，用于存儲程序、數據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／控制寄存器、UART等資源使用。因此，Flash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，本系統采用分頁技術來實現對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位并行總線實現數據的傳輸。

         系統將模擬PAL視頻信號轉換為BT．656格式的YCbCr(4：2：2)模式的數字視頻信號，選用SAA7121視頻編碼芯片，將BT．656格式的數字視頻信號轉換為PAL格式的視頻輸出。選用TL16C752B實現二路異步串口，每路異步串口占用8個8位存儲單元。本系統可通過網絡接口實現功能擴展。門禁系統的硬件結構如圖2所示。

圖 2    門禁系統的硬件結構

     加電后，系統完成初始化，存儲在FLASH中的程序和數據被加載到SDRAM中。在無人進門時，系統進行視頻的采集和回放。當有人要進門時，系統通過串口給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據進行解碼，實現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中的模板數據作對比，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送開門信號或報警信號。

3 基于DSP/B10S的軟件程序設計實現

        本系統基于DSP/BIOS架構開發實現，系統結構分為三部分：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據；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 。系統流程如圖3所示。

         當系統上電啟動后，首先對系統進行初始化。初始化完成后，系統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將視頻數據YCbCr(4：2：2)傳遞到視頻輸入任務請求的緩沖I~capFrameBuf中。當系統接收到串El中斷信號后，視頻處理任務通過SCOM通訊從capFrameBuf中將數據取走，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。實驗發現當Cb取值范圍為[90，135]，Cr取值范圍為[120，168]時，系統對膚色檢測效果最好。人臉粗檢測后再通過數學形態學中的開運算去除孤立的小點、毛刺和小橋(即連通兩塊區域的小點)，最后通過對膚色中連通域的標記和統計去除非人臉區域，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DSP/BIOS應用于門禁系統，實現了完全脫離PC機的圖像采集、處理和結果顯示系統。算法運算速度快，實時性高。系統可以通過串口或網絡接口實現人機交互，并具有良好的可擴展性和獨立性。