基于嵌入式操作系统uClinux的虹膜图像采集以及预处理
随着计算机和网络技术的发展，信息安全显示出前所未有的重要性，而身份识别作为保证信息安全的必要前提，也越来越受到重视。虹膜识别技术是基于眼睛虹膜的生物识别技术。虹膜的终生不变性以及信息提取的非接触性等特性，使其成为各项生物识别技术中最突出的一项。本文论述了在基于blackfin561的嵌入式操作系统uclinux的虹膜图像采集以及预处理。为后期在嵌入式平台上进行虹膜图像运算提供了图像来源。
1 blackfin561中的dma
blackfin系列dsp产品是adi公司的基于微信号体系结构的dsp，适用于各种视频、音频、通信领域。adsp-bf561有多个独立的dma控制器，能够以最小的dsp内核开销完成数据自动传输。dma传输可以发生在adsp-bf561的内部存储器和任一有dma能力的外设之间。此外，dma传输也可以在任一有dma能力的外设和已连接到外部存储器接口的外部设备之间完成（包括sdram控制器、异步存储器控制器）。有dma传输能力的外设包括sport、spi端口、uart和ppi端口。每个独立的有dma能力的外设至少有一个专用dma通道。bf561内部专门为适应视频数据处理而增加了二维dma。
2 ppi接口驱动的具体实现
uclinux是针对微控制领域而设计的linux系统，面向没有mmu（memory management unit）的硬件平台。它是linux的一个变种，一方面它继承了linux的大部分优点，例如稳定性，强大的网络功能；另一方面其内核相当精简， 内核体积小于512kb， 内核加文件系统小于900kb。uclinux同标准linux主要的区别在于两者的内存管理机制和进程调度管理机制，另外它采用了romfs文件系统，并对linux上的c语言库glibc做了简化。uclinux完全符合gnu／gpl公约，完全开放源代码，因此在嵌入式领域得到广泛应用。
为管理各种外围硬件设备，uclinux系统对其采取面向对象的封装机制。uclinux将所有的外围设备看成是一类特殊文件，称为“设备文件”，它抽象了对硬件的处理，用户进程只需通过标准的系统调用如open（），read（），write（），close（）而无需了解设备在硬件层上实现的细节即可实现对设备的访问控制。驱动程序则负责这些系统调用的具体实现。
针对具体应用，在驱动程序中实现了模块注册注销函数，open，release接口函数和read接口函数（如图1所示）。驱动程序采用了中断方式，对ppi和dma进行了配置，采用bf561提供的二维dma功能。详细介绍如下：
（1）模块初始化函数init_module（）。该函数是每个内核模块加载的时候首先调用的一个默认函数。程序中使用了module_init（）宏来显式命名模块的注册函数为 ppi_init（），在该函数中完成了设备’ppi’的注册，当模块加载完毕之后，内核即知晓该设备的存在。
（2）模块卸载函数cleanup_module（），该函数与init_module（）做相反的工作，在内核中取消设备的登记。与模块注册类似，程序中使用module_exit（）宏来显式命名模块的注销函数为 ppi_exit（）该函数在模块卸载的时候自动调用。
（3）设备驱动程序的file_operations结构。由于所使用的ppi接口只用来做数据采集，因此file_operation结构定义如下：
static struct file_operations ppi_fops = {
owner： this_module，
read： ppi_read，
open： ppi_open，
release： ppi_release，
};
（4）open，release接口函数。在这两个函数中分别使用了mod_inc_use_count和mod_dec_use_count宏，被操作系统内核用来记录当前访问设备文件的进程数。由于要使用中断方式，所以在open和release中要分别实现中断的申请和释放。设备驱动程序通过调用request_irq（）函数申请中断，将一个硬件处理函数挂到相应的处理队列中，通过调用free_irq（）函数释放中断。在open函数中初始化了ppi和dma的部分相关寄存器。择要描述如下：
*pdma1_0_y_count = 625; 二维dma的外层循环计数寄存器，用于保存外层循环的数目。
*pdma1_0_x_count = 1728/4; 二维dma的内层循环计数寄存器，用于保存内层循环的数目。
*pdma1_0_x_modify= *pdma1_0_y_modify = 4; 内层外层循环地址增量寄存器。为有效利用dma带宽，设置了ppi使之能处理32位dma，且数据缓冲区是连续的，此处两个增量寄存器都被设置为4。
*pppi0_frame = 625; 在ppi被设置成itu-656输入模式下，该寄存器用于保存每帧的数据线路数。
（5）read接口函数。在该函数中初始化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;
设置好寄存器后，使进程进入睡眠队列，等待dma结束产生的中断将其唤醒。
数据缓冲区在用户区定义，因一帧数据大小确定，所以在用户应用程序中定义的数据存储区大小指定为625*1728b。通过调用函数时传递指针的方式通知数据缓冲区的位置。在该函数中不再使用copy_to_user（）函数，此方式节省了内存空间，对于嵌入式应用来说意义重大。事实上每次dma开始传送的头4个字节总是被忽略掉的，这4个字节是第一个活动视频开始（eav）代码。即需要的一帧图像数据比实际传送的要少4个字节，但是为了数据处理的方便，仍将数据缓存区定义为完整一帧图像的大小，这样数据缓存区的最后4个字节是下一帧图像的eav代码。到此，虹膜图像采集的驱动程序基本完成，可以看出，驱动程序与应用程序联系紧密，这也反应了嵌入式系统的一个特点，面向应用，专用性极强。
3 图像数据的预处理
在用户程序中，定义二维数组buf［625］［1728］作为图像数据的数据缓冲区，然后通过标准系统调用获取一帧虹膜视频图像数据。虹膜视频图像数据是以itu-656模式输入的，一帧图像分为奇场和偶场，且原始数据中还有颜色信息、消隐信息和控制字等，因此要获得一幅虹膜图像还需对原始数据进行预处理。提取原始数据中的所有亮度信息，并把两个场的数据有规则的合并到一起，然后按照bmp的图像数据存放顺序重新排列，添加相应的文件头生成灰度bmp图像文件。
bmp文件是windows保存图像的一种通用位图文件格式，自带颜色信息，调色板管理非常容易，在数字图像处理方面占有重要的地位。
bmp文件大体上分成如下4个部分，位图文件头+位图信息头+调色板+图像数据。
（1）第一部分为位图文件头，长度固定，为l4个字节。
（2）第二部分为位图信息头，长度固定，为40个字节。
（3）第三部分为调色板。需要注意的是真彩色图不需要调色板，它们的位图信息头后面直接是图像数据。而其他位图，包括本文所讨论的8位位图，都需要调色板。
（4）第四部分就是实际的图像数据。
在实际调试过程中还要注意字节对齐问题。比如位图文件头长度固定为l4个字节，但若不注意字节对齐，定义后的结构体实际大小为16个字节，因此定义位图文件头时用__attribute__（（packed）），使该结构体长度为14个字节。
4 结论
本文简略概述了blackfin561处理器的dma相关寄存器，叙述了在uclinux下ppi接口的驱动程序实现过程及功能，对bmp文件格式进行了简要介绍。所有代码已经在bf561的嵌入式uclinux平台上调试通过，符合设计要求。
本文作者创新点：完成了嵌入式系统上的虹膜图像采集及预处理。在目前国内虹膜识别产业仍处于起步阶段的情况下，本文就虹膜识别技术的实用化做了重要研究，具有重要的实用价值。
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uclinux是针对微控制领域而设计的linux系统，面向没有mmu（memory management unit）的硬件平台。它是linux的一个变种，一方面它继承了linux的大部分优点，例如稳定性，强大的网络功能；另一方面其内核相当精简， 内核体积小于512kb， 内核加文件系统小于900kb。uclinux同标准linux主要的区别在于两者的内存管理机制和进程调度管理机制，另外它采用了romfs文件系统，并对linux上的c语言库glibc做了简化。uclinux完全符合gnu／gpl公约，完全开放源代码，因此在嵌入式领域得到广泛应用。
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针对具体应用，在驱动程序中实现了模块注册注销函数，open，release接口函数和read接口函数（如图1所示）。驱动程序采用了中断方式，对ppi和dma进行了配置，采用bf561提供的二维dma功能。详细介绍如下：
（1）模块初始化函数init_module（）。该函数是每个内核模块加载的时候首先调用的一个默认函数。程序中使用了module_init（）宏来显式命名模块的注册函数为 ppi_init（），在该函数中完成了设备’ppi’的注册，当模块加载完毕之后，内核即知晓该设备的存在。
（2）模块卸载函数cleanup_module（），该函数与init_module（）做相反的工作，在内核中取消设备的登记。与模块注册类似，程序中使用module_exit（）宏来显式命名模块的注销函数为 ppi_exit（）该函数在模块卸载的时候自动调用。
（3）设备驱动程序的file_operations结构。由于所使用的ppi接口只用来做数据采集，因此file_operation结构定义如下：
static struct file_operations ppi_fops = {
owner： this_module，
read： ppi_read，
open： ppi_open，
release： ppi_release，
};
（4）open，release接口函数。在这两个函数中分别使用了mod_inc_use_count和mod_dec_use_count宏，被操作系统内核用来记录当前访问设备文件的进程数。由于要使用中断方式，所以在open和release中要分别实现中断的申请和释放。设备驱动程序通过调用request_irq（）函数申请中断，将一个硬件处理函数挂到相应的处理队列中，通过调用free_irq（）函数释放中断。在open函数中初始化了ppi和dma的部分相关寄存器。择要描述如下：
*pdma1_0_y_count = 625; 二维dma的外层循环计数寄存器，用于保存外层循环的数目。
*pdma1_0_x_count = 1728/4; 二维dma的内层循环计数寄存器，用于保存内层循环的数目。
*pdma1_0_x_modify= *pdma1_0_y_modify = 4; 内层外层循环地址增量寄存器。为有效利用dma带宽，设置了ppi使之能处理32位dma，且数据缓冲区是连续的，此处两个增量寄存器都被设置为4。
*pppi0_frame = 625; 在ppi被设置成itu-656输入模式下，该寄存器用于保存每帧的数据线路数。
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4 结论
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