生物特征識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)及對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的挑戰(zhàn)

　　傳統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理中核心算法之一就是傅立葉變換，該變換在通信、圖像傳輸、雷達(dá)、聲納中都有很大的作用。但是，在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里，由于傅立葉變換的計(jì)算量太大，即使采用計(jì)算機(jī)也很難對(duì)問(wèn)題進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，所以并沒(méi)有得到真正的運(yùn)用。直到傅立葉變換的快速算法即快速傅立葉變換發(fā)現(xiàn)后，傅立葉變換的運(yùn)算量大大縮短，從而使傅立葉變換在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，也使得在數(shù)字信號(hào)處理器上實(shí)現(xiàn)傅立葉變換成為了可能。

　　盡管傅立葉變換對(duì)數(shù)學(xué)、物理產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，但對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用例如人臉識(shí)別而言是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如說(shuō)人臉圖像中，眼睛所含有的信息較其他部分對(duì)識(shí)別而言非常重要，需要找到一種方法，提取出眼睛這部分重要的信息，并盡量降低不重要的信息對(duì)識(shí)別的影響。這就需要對(duì)人臉圖像進(jìn)行局部分析。然而，傅立葉變換無(wú)法進(jìn)行局部分析，使得傅里葉變換在人臉識(shí)別中的應(yīng)用很有限。

　　為了提高性能，研究者將數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中新的復(fù)雜的變換如Gabor變換、小波變換引入人臉識(shí)別中，采用這些變換進(jìn)行局部分析，提取出對(duì)人臉識(shí)別有用的特征，從而大大提高了人臉識(shí)別的性能。然而，Gabor變換和小波變換的計(jì)算量較之傅立葉變換而言非常大，為了在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別系統(tǒng)，需要高主頻、高性能的數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就對(duì)數(shù)字信號(hào)處理器的設(shè)計(jì)提出了一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

　　從應(yīng)用角度而言，為了良好的交互性，在實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，要求實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)從視頻采集到人臉識(shí)別全過(guò)程完成(或者至少在1~2秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn))，否則，給人的感覺(jué)就不自然、不流暢。因而，從良好的交互性角度而言，在嵌入式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別系統(tǒng)需要高性能的數(shù)字處理器。

　　ADI公司的Blackfin系列處理器是一類專為滿足當(dāng)今嵌入式音頻、視頻和通信應(yīng)用的計(jì)算要求和功耗約束條件而設(shè)計(jì)的新型 16～32 位嵌入式處理器。Blackfin 處理器基于由 ADI 和 Intel 公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的微信號(hào)架構(gòu)(MSA)，它將一個(gè) 32 位 RISC 型指令集和雙 16 位乘法累加(MAC)信號(hào)處理功能與通用型微控制器所具有的易用性組合在了一起。 這種處理特征的組合使得 Blackfin 處理器能夠在信號(hào)處理和控制處理應(yīng)用中均發(fā)揮上佳的作用—在許多場(chǎng)合中免除了增設(shè)單獨(dú)的異類處理器的需要。該能力極大地簡(jiǎn)化了 硬件和軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)任務(wù)。

　　目前，Blackfin 處理器在單內(nèi)核產(chǎn)品中可提供高達(dá) 756MHz 的性能。Blackfin 處理器系列中的新型對(duì)稱多處理器成員在相同的頻率條件下實(shí)現(xiàn)了性能的翻番。Blackfin 處理器系列還提供了低至 0.8V 的業(yè)界領(lǐng)先功耗性能。對(duì)于滿足當(dāng)今及未來(lái)的信號(hào)處理應(yīng)用(包括寬帶無(wú)線、具有音頻/視頻功能的因特網(wǎng)工具和移動(dòng)通信)而言，這種高性能與低功耗的組合是必不可少的。

　　Blackfin處理器具有如下特點(diǎn)：

　　高性能處理器內(nèi)核。Blackfin 處理器架構(gòu)基于一個(gè) 10 級(jí) RISC MCU/DSP 流水線和一個(gè)專為實(shí)現(xiàn)最佳代碼密度而設(shè)計(jì)的混合 16/32 位指令集架構(gòu)，該架構(gòu)很適合于全信號(hào)處理/分析能力。這種架構(gòu)，使得人臉識(shí)別中的復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算在Blackfin上很容易實(shí)現(xiàn)。

　　高帶寬DMA能力。人臉識(shí)別中需要對(duì)圖像塊進(jìn)行操作，這就涉及到內(nèi)存數(shù)據(jù)存取。采用Blackfin的DMA控制器可以自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，所需的處理器內(nèi)核開(kāi)銷極少。這樣可以將寶貴的處理器的運(yùn)算能力用于人臉識(shí)別的計(jì)算，減小數(shù)據(jù)存取對(duì)性能的影響。

　　. 視頻指令。人臉識(shí)別中最常進(jìn)行的操作就是對(duì)像素值進(jìn)行處理，Blackfin處理器具有對(duì)8位數(shù)據(jù)以及許多像素處理算法所常用的字長(zhǎng)的固有支持，大大提高了人臉識(shí)別的處理速度?！?/p>

　　. 分層存儲(chǔ)器。Blackfin具L1 Cache和L2 Cache兩級(jí)Cache，由于Cache較之外部存儲(chǔ)器具有更快的存取速度，因而，在人臉識(shí)別時(shí)，可以把運(yùn)算密集的代碼放在L1 Cache或L2 Cache中，這樣可以有效提高處理速度。

　　上述Blackfin處理器特點(diǎn)表明，Blackfin系列處理器非常適合處理需要高性能運(yùn)算能力和高數(shù)據(jù)吞吐量的生物特征識(shí)別技術(shù)。

　　目前，Hisign已經(jīng)將人臉識(shí)別的算法移植到ADI的Blackfin上，性能正在優(yōu)化中。請(qǐng)繼續(xù)關(guān)注。

結(jié)語(yǔ)

　　本文討論了生物特征識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，結(jié)合人臉識(shí)別分析了生物特征識(shí)別技術(shù)需要高性能的數(shù)字信號(hào)處理器的原因，并簡(jiǎn)單介紹了Blackfin處理器的特點(diǎn)，指出正是由于Blackfin處理器的這些特點(diǎn)，使得該處理器非常適合作為嵌入式系統(tǒng)中的計(jì)算核心，以便將人臉識(shí)別等生物特征識(shí)別技術(shù)移植到嵌入式系統(tǒng)。