0 引言

隨著計算機和網絡技術的發展，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。虹膜識別技術是基于眼睛虹膜的生物識別技術。虹膜的終生不變性以及信息提取的非接觸性等特性，使其成為各項生物識別技術中最突出的一項。本文論述了在基于Blackfin561的嵌入式操作系統uClinux的虹膜圖像采集以及預處理。為后期在嵌入式平臺上進行虹膜圖像運算提供了圖像來源。

1 Blackfin561中的DMA

Blackfin系列DSP產品是ADI公司的基于微信號體系結構的DSP，適用于各種視頻、音頻、通信領域。ADSP-BF561有多個獨立的DMA控制器，能夠以最小的DSP內核開銷完成數據自動傳輸。DMA傳輸可以發生在ADSP-BF561的內部存儲器和任一有DMA能力的外設之間。此外，DMA傳輸也可以在任一有DMA能力的外設和已連接到外部存儲器接口的外部設備之間完成（包括SDRAM控制器、異步存儲器控制器）。有DMA傳輸能力的外設包括SPORT、SPI端口、UART和PPI端口。每個獨立的有DMA能力的外設至少有一個專用DMA通道。BF561內部專門為適應視頻數據處理而增加了二維DMA。

2 PPI接口驅動的具體實現

uClinux是針對微控制領域而設計的Linux系統，面向沒有MMU（Memory Management Unit）的硬件平臺。它是Linux的一個變種，一方面它繼承了Linux的大部分優點，例如穩定性，強大的網絡功能；另一方面其內核相當精簡， 內核體積小于512KB， 內核加文件系統小于900KB。uClinux同標準Linux主要的區別在于兩者的內存管理機制和進程調度管理機制，另外它采用了romfs文件系統，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，因此在嵌入式領域得到廣泛應用。

為管理各種外圍硬件設備，uClinux系統對其采取面向對象的封裝機制。uClinux將所有的外圍設備看成是一類特殊文件，稱為“設備文件”，它抽象了對硬件的處理，用戶進程只需通過標準的系統調用如open()，read()，write()，close()而無需了解設備在硬件層上實現的細節即可實現對設備的訪問控制。驅動程序則負責這些系統調用的具體實現。

針對具體應用，在驅動程序中實現了模塊注冊注銷函數，open，release接口函數和read接口函數（如圖1所示）。驅動程序采用了中斷方式，對PPI和DMA進行了配置，采用BF561提供的二維DMA功能。詳細介紹如下：

(1)模塊初始化函數init_module()。該函數是每個內核模塊加載的時候首先調用的一個默認函數。程序中使用了module_init()宏來顯式命名模塊的注冊函數為 ppi_init()，在該函數中完成了設備’ppi’的注冊，當模塊加載完畢之后，內核即知曉該設備的存在。

(2)模塊卸載函數cleanup_module()，該函數與init_module()做相反的工作，在內核中取消設備的登記。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為 ppi_exit()該函數在模塊卸載的時候自動調用。

(3)設備驅動程序的file_operations結構。由于所使用的PPI接口只用來做數據采集，因此file_operation結構定義如下：

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。在這兩個函數中分別使用了MOD_INC_USE_COUNT和MOD_DEC_USE_COUNT宏，被操作系統內核用來記錄當前訪問設備文件的進程數。由于要使用中斷方式，所以在open和release中要分別實現中斷的申請和釋放。設備驅動程序通過調用request_irq()函數申請中斷，將一個硬件處理函數掛到相應的處理隊列中，通過調用free_irq()函數釋放中斷。在open函數中初始化了PPI和DMA的部分相關寄存器。擇要描述如下：

*pDMA1_0_Y_COUNT = 625; 二維DMA的外層循環計數寄存器，用于保存外層循環的數目。

*pDMA1_0_X_COUNT = 1728/4; 二維DMA的內層循環計數寄存器，用于保存內層循環的數目。

*pDMA1_0_X_MODIFY= *pDMA1_0_Y_MODIFY = 4; 內層外層循環地址增量寄存器。為有效利用DMA帶寬，設置了PPI使之能處理32位DMA，且數據緩沖區是連續的，此處兩個增量寄存器都被設置為4。

*pPPI0_FRAME = 625; 在PPI被設置成ITU-656輸入模式下，該寄存器用于保存每幀的數據線路數。

(5)read接口函數。在該函數中初始化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;

設置好寄存器后，使進程進入睡眠隊列，等待DMA結束產生的中斷將其喚醒。

數據緩沖區在用戶區定義，因一幀數據大小確定，所以在用戶應用程序中定義的數據存儲區大小指定為625*1728B。通過調用函數時傳遞指針的方式通知數據緩沖區的位置。在該函數中不再使用copy_to_user()函數，此方式節省了內存空間，對于嵌入式應用來說意義重大。事實上每次DMA開始傳送的頭4個字節總是被忽略掉的，這4個字節是第一個活動視頻開始（EAV）代碼。即需要的一幀圖像數據比實際傳送的要少4個字節，但是為了數據處理的方便，仍將數據緩存區定義為完整一幀圖像的大小，這樣數據緩存區的最后4個字節是下一幀圖像的EAV代碼。到此，虹膜圖像采集的驅動程序基本完成，可以看出，驅動程序與應用程序聯系緊密，這也反應了嵌入式系統的一個特點，面向應用，專用性極強。

3 圖像數據的預處理

在用戶程序中，定義二維數組buf[625][1728]作為圖像數據的數據緩沖區，然后通過標準系統調用獲取一幀虹膜視頻圖像數據。虹膜視頻圖像數據是以ITU-656模式輸入的，一幀圖像分為奇場和偶場，且原始數據中還有顏色信息、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據進行預處理。提取原始數據中的所有亮度信息，并把兩個場的數據有規則的合并到一起，然后按照BMP的圖像數據存放順序重新排列，添加相應的文件頭生成灰度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，調色板管理非常容易，在數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個部分，位圖文件頭+位圖信息頭+調色板+圖像數據。

(1)第一部分為位圖文件頭，長度固定，為l4個字節。

(2)第二部分為位圖信息頭，長度固定，為40個字節。

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

(4)第四部分就是實際的圖像數據。

在實際調試過程中還要注意字節對齊問題。比如位圖文件頭長度固定為l4個字節，但若不注意字節對齊，定義后的結構體實際大小為16個字節，因此定義位圖文件頭時用__attribute__((packed))，使該結構體長度為14個字節。

4 結論

本文簡略概述了Blackfin561處理器的DMA相關寄存器，敘述了在uClinux下PPI接口的驅動程序實現過程及功能，對BMP文件格式進行了簡要介紹。所有代碼已經在BF561的嵌入式uClinux平臺上調試通過，符合設計要求。

本文作者創新點：完成了嵌入式系統上的虹膜圖像采集及預處理。在目前國內虹膜識別產業仍處于起步階段的情況下，本文就虹膜識別技術的實用化做了重要研究，具有重要的實用價值。

下圖是實驗中拍到的兩幅圖片

參考文獻

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