Использование DSP компании Texas Instruments в биометрических системах доступа

В последнее время увеличивается интерес к биометрическим системам доступа. В основном это связано с угрозой активизировавшегося международного терроризма и киберпреступности, вследствие чего возникает необходимость в системах, взломать которые очень сложно или невозможно. Но кроме этого, представьте, насколько удобно было бы входить в дом или офис без использования ключа, просто поместив руку на дверную ручку. А для пользования банкоматом не нужно бы было носить с собой карту и запоминать пароль, доступ может производиться по распознаванию сетчатки глаза. В настоящей статье мы рассмотрим основы построения биометрических систем доступа, а также цифровые сигнальные процессоры компании Texas Instruments для их реализации.

Биометрия - наука, занимающаяся измерением и статистическим анализом биологических данных. В информационных технологиях биометрия означает использование биологических характеристик человека для его идентификации и аутентификации. При этом могут использоваться как статические биометрические параметры: отпечатки пальцев, геометрия руки, сетчатка глаза, так и динамические параметры: голос, динамика воспроизведения подписи или рукописного текста.

Все биометрические системы работают практически по одинаковой схеме: считывание, обработка, хранение, интерфейс с инфраструктурой (рис. 1).

Рис. 1. Основные элементы биометрической системы доступа

Считывающий элемент, осуществляющий входной интерфейс, является аппаратным ядром биометрической системы и преобразует биологические характеристики человека в цифровую форму. В случае осуществления доступа на основе распознавания лица, отпечатка руки или сетчатки/радужной оболочки глаза в роли такого элемента выступает блок формирования изображения КМОП- или ПЗС-типа. Если доступ производится по отпечатку пальца, используется КМОП или оптический датчик; при распознавании голоса - микрофон. После преобразования в цифровую форму биометрические сигналы поступают на этап обработки.

Обработка обычно выполняется с помощью микроконтроллера, цифрового сигнального процессора или компьютера и подразумевает улучшение изображения, нормализацию, формирование образца, сравнение образца с полученным изображением. Со всеми этими функциями, а также вторичными задачами биометрических систем великолепно справляются цифровые сигнальные процессоры компании Texas Instruments, оставляя при этом запас производительности, необходимый для будущих усовершенствований. Биометрические системы на базе DSP-процессоров отличаются малыми габаритами, высокой производительностью и низкой ценой.

Архитектура цифровых сигнальных процессоров разработана для выполнения сложных математических алгоритмов. За счет наличия аппаратного модуля умножения/сложения в составе арифметико-логического устройства, DSP-процессор выполняет операцию умножения/сложения за один цикл. Раздельные шины доступа к памяти команд и данных позволяют одновременно извлекать команды и операнды, что также увеличивает скорость вычислений.

Используя цифровые сигнальные процессоры в биометрических системах доступа, разработчики могут увеличить разрешение входного изображения, используя двухмерное быстрое преобразование Фурье (БПФ) и фильтры с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры). Поскольку точность системы одинаково зависит как от качества входного изображения, так и от точности алгоритма обработки, применение БПФ и КИХ-фильтрации приводит к уменьшению суммарной погрешности и частоты появления ошибок биометрической системы.

Цифровые сигнальные процессоры компании Texas Instruments отличаются низким энергопотреблением, которое достигается за счет аппаратных «ноу-хау» и новейших технологических процессов производства, поэтому они успешно применяются в биометрических системах доступа с питанием как от сети, так и от батареи. Высокая производительность в сочетании с низким энергопотреблением позволяет уменьшить время распознавания образа без увеличения энергозатрат системы, чего нельзя добиться, применяя процессоры общего назначения.

Для хранения базы данных образцов, с которыми производится сравнение в момент запроса доступа, используются микросхемы памяти RAM- или flash-типа, карты памяти либо сервер данных. DSP-процессоры компании Texas Instruments содержат ОЗУ, объем которого зависит от процессора, использующегося при реализации алгоритмов обработки изображений различных биометрических приложений. Кроме ОЗУ, процессоры содержат ПЗУ для хранения неизменяемой части программного кода. Некоторые DSP имеют встроенную flash-память. Через шину внешней памяти к DSP-процессорам подключается SRAM, SDRAM, SBRAM, flash и другие типы энергозависимой и энергонезависимой памяти.

Через интерфейсный элемент биометрическая система выдает разрешение или запрет доступа пользователя. Интерфейсным элементом может быть простой коммуникационный протокол RS232, более быстрый USB или сложные сетевые протоколы на базе проводного 10/100 Ethernet или беспроводных 802.11b, RFID, Bluetooth. В номенклатуре компании Texas Instruments имеется большое разнообразие компонентов для реализации таких интерфейсных элементов.

Помимо аппаратных компонентов, компания Texas Instruments и ее «третьи» партнеры предлагают программное обеспечение, средства разработки и инструментарий, необходимые для реализации полноценных систем биометрического доступа (рис. 2). Представляемое программное и аппаратное обеспечение соответствует стандарту eXpressDSPTM, что гарантирует совместимость и простоту использования - ключ к снижению времени разработки.

Рис. 2. Решение для полной биометрической системы

На сегодняшний день большинство биометрических систем доступа представляют собой сенсорный элемент, подключенный к ПК. В некоторых случаях один сервер обслуживает несколько сенсоров для обеспечения множества точек доступа. Такие системы имеют два больших недостатка. Первый - высокая стоимость компьютера, второй - уязвимость канала передачи данных между датчиком и компьютером с точки зрения безопасности и конфиденциальности. Решения на базе DSP-процессоров свободны от этих недостатков и могут работать как защищенные автономные устройства, а также как сетевые устройства, надежные с точки зрения обеспечения секретности данных.

В защищенном автономном устройстве все функции идентификации выполняются в пределах встроенного процессора, а результат сообщается или отображается одновременно с передачей управляющего сигнала для разрешения или отказа в доступе пользователю. Образцы биометрических характеристик хранятся в памяти устройства, либо на смарт-карте пользователя.

В биометрических устройствах доступа, работающих с распознаванием лица, сетчатки или радужной оболочки глаза, захваченное изображение передается во встроенный процессор, который преобразует/кодирует аналоговый видеопоток в цифровую форму. Для DSP-процессоров компании TI доступно программное обеспечение для кодеков JPEG, MPEG2, MPEG4, H.264 и др. В устройствах, производящих распознавание отпечатков пальцев руки, кодирование не требуется, так как на выход датчика поступает битовый образ в уровнях серого. В случае оптического датчика, для генерации битового изображения иногда требуются аналоговые компоненты, такие как усилители и аналогово-цифровые преобразователи.

После захвата и кодирования (рис. 3) над изображением могут производиться такие функции, как выравнивание гистограммы, фильтрация, коррекция фронтов и др. В результате этих действий получается изображение с большим разрешением, которое затем нормализуется. Нормализация - это процесс создания стандартного входного изображения с определенным количеством пикселей, независимым от датчика, использующегося при захвате изображения. Такое нормализованное изображение затем обрабатывается по определенному алгоритму, в результате чего формируется образец. Полученный образец сохраняется в памяти устройства (внешней или встроенной) и извлекается каждый раз для сравнения с биометрическими характеристиками идентифицируемого пользователя.

Рис. 3. Алгоритм работы DSP в автономном устройстве

Если биометрическое устройство доступа работает в сети, оно считывает биометрические характеристики пользователя, преобразует их в образец, кодирует и сжимает (в случае изображения), зашифровывает и передает серверу, который сравнивает полученный образец с имеющимися в базе.

В случае обеспечения доступа к устройствам, работающим в сети, например, к локальной сети компьютеров или к сети терминалов продаж, используется множество точек доступа, и пользователь должен идентифицироваться согласно базе авторизованных пользователей. Чтобы гарантировать безопасность сети, сетевые биометрические устройства выполняют определенные функции защиты. Первая из таких функций защиты - шифрование образца биометрической характеристики или изображения перед передачей его серверу (рис. 4). При этом исключается возможность получения доступа за счет внедрения в линию связи между сетевой точкой доступа и сервером и подмены реальной биометрической характеристики цифровым файлом.

Рис. 4. Алгоритм работы DSP в сетевом устройстве

В сетевом биометрическом устройстве доступа на базе DSP-процессора используются те же программные функции, что и в автономном устройстве, за исключением «сопоставления», которое выполняется на сервере, в результате чего высвобождаются ресурс DSP-процессора для выполнения алгоритмов шифрования (например, 3DES, RSA1024). Кроме всего прочего, программируемый DSP-процессор позволяет конфигурировать одну и ту же разработку для двух различных устройств: сетевого и автономного биометрического устройства доступа.

В заключение рассмотрим несколько примеров реализации биометрических систем доступа. На рис. 5 изображена блок-схема системы, осуществляющей аутентификацию по отпечатку пальца.

Рис. 5. Блок-схема биометрической системы доступа по отпечатку пальца

Ядром системы является цифровой сигнальный процессор. В зависимости от сложности алгоритма и необходимой производительности можно остановить выбор на одном из представителей семейств TMS320C55x, TMS320C64x, TMS320C672x. Первые два семейства имеют архитектуру с фиксированной точкой, последнее - с плавающей. Если биометрическое устройство доступа входит в состав клавиатуры или «мышки», связь с компьютером осуществляется через USB. Причем, некоторые процессоры уже содержат в своем составе USB-интерфейс, в этом случае потребуется только физический уровень USB. Если процессор не имеет USB-интерфейса, используется одна из микросхем семейств TUSB32x (full-speed-приемопередатчики), TUSB110x (универсальные приемопередатчики), TPD2E00x (приемопередатчики с защитой от электростатического разряда). Если же биометрическое устройство работает в сети, связь с сервером организуется с помощью интерфейса RS232 (микросхемы TRS232E, SN65xxxx, SN75xxxx), либо Ethernet, подключаемого через интерфейс внешней памяти процессора. Для преобразования мощности при организации питания от сети или батареи, управления зарядкой батареи используются микросхемы TPSxxx.

Систему биометрического доступа по распознаванию лица (рис. 6) удобнее построить на базе специальных цифровых медиапроцессоров TMS320DMxx, так как они имеют в своем составе множество аппаратных функций для видеообработки. Изображение захватывается либо ПЗС-матрицей, либо аналоговой камерой. Кроме осуществления доступа, такое устройство может работать как камера системы безопасности. При этом видеоинформация подается на монитор или передается по сети (IP-камера).

Рис. 6. Блок-схема биометрической системы доступа на основе распознавания лица

Заключение

Итак, после того, как мы рассмотрели основные элементы и принципы работы биометрических систем доступа, становится очевидной целесообразность использования цифровых сигнальных процессоров как ядра таких систем. При этом приложение получается компактным, надежным, недорогим, способным реализовать сложные алгоритмы. Компания Texas Instruments имеет в своей номенклатуре не только множество семейств DSP-процессоров, способных решать задачи различных приложений биометрического доступа, но и сопутствующие компоненты, программное обеспечение и инструментарий для построения полноценного решения.

Алексей Пантелейчук

Источник: журнал "Новости электроники"