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CN291
基于生物特征的实名制火车票检票系统
北京交通大学计算机与信息技术学院
Project
Name of Project: 基于生物特征的实名制火车票检票系统
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Name: 赵云颋 E-Mail: 09120451@bjtu.edu.cn Telephone: 010-51688636 Mobile Phone: 13466660848 Mailing Address: 北京市海淀区上园村3号北京交通大学第9教学楼北603A室
Contest Advisor
Name: 丁晓明 E-Mail: xmding@bjtu.edu.cn Telephone: 13366097763
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No. Name English Name 1 赵云颋 09120451@bjtu.edu.cn Zhao Yunting 2 张凯 09120402@bjtu.edu.cn Zhang Kai 3 续海涛 08120043@bjtu.edu.cn Xu Haitao
Project Paper - view as Preliminary(2010/06/01), Final(2010/09/18), Draft, Latest
1. 设计概述 (Preliminary Paper)
2010年春运，铁路部门率先在广州、成都等地试行购买火车票实名制。乘客购买火车票时将出示身份证明，一人一票，进站验证验票。对于实名制的实行，社会各界给予了高度关注。但是目前的实名制火车票系统在有效性及保护个人隐私方面存在着诸多问题。当前的火车票实名制体系中有效身份证件种类繁多，造成买票与检票耗费大量时间；同时火车票面包含有相关个人信息，造成信息泄露；而且该系统在对于遏制黄牛党方面也存在一定的缺陷。因此提出更为有效的实名制火车票系统具有重大的意义，而且最近铁道部出台了火车票将实现网上订，可自行打印，春运继续实名制的新政策，用户只需在家提供自己的手指静脉信息，就可以在家直接购票，既保证了实时，也实现了信息的保密，这样就给我们的作品提供了广阔的应用空间 。本设计是将当前比较前沿的生物特征——手指静脉网络与二维码相结合，形成一种全新的火车票实名制检票系统。购票时可现场提取旅客生物特征并生成相应的二维码打印到火车票面。旅客凭票进站时需要其相应特征与二维码内存储信息吻合才能顺利进站上车。所选取的生物特征手指静脉网路作为重要的身份鉴别特征，具有唯一性、稳定性、准确率高、非侵犯性等特点。结合该特征的实名制火车票可防止火车票造假以及黄牛党购票，同时火车票无需打印个人信息，可保护个人隐私。并且结合嵌入式系统设计的检票系统，也可保证系统的有效性。系统采用Altera的Nios软核为系统核心实现验票系统，通过DE2-70平台的模拟视频端口连接手指静脉网络采集设备；利用FPGA芯片，实现先进的专利特征采集算法；通过串口与扫描枪连接，读入包含手指静脉网络特征的二维码数据进行比较，完成验票过程；并实时提供由VGA显示的手指摆放位置及特征图像；验票结果则有声音及LCD提供友好提示。选用本款器件的原因：DE2-70平台其上的FPGA核心为数量高达70，000个逻辑单元的Altera CycloneⅡ 2C70，并具有大容量的内存元件，及丰富的应用接口，可实现复杂的算法和连接外部设备。同时在FPGA内部可以实现处理内核，通过NiosⅡ内核，可大大提高系统完成情况。(Revision: 10 / 2010-08-29 20:09:25)
2. 功能描述 (Final Project Paper)
本作品通过将生物特征——手指静脉网络与二维码结合实现实名制火车票检票系统。旅客购票时提取其手指静脉网络特征，并以二维码形式打印在火车票面上。当旅客检票进站时，用采集器采集个人的手指静脉信息，同时用扫描枪扫描火车票面上的二维条码，将扫描枪得到的信息与采集器采集到的信息进行对比，达到个人身份的认证。考虑检票系统的便携性，我们采用嵌入式平台DE2-70实现。采集设备通过平台的模拟视频接口连接到系统中，利用Nios软核实现特征提取算法以及检票过程。为保证系统的有效性，通过设计相应的自定义外设以及自定义指令加速算法实现，并通过串口控制扫描枪实现二维码读取与现场采集的特征进行对比。同时为保证特征信息的保密性，在系统内添加AES算法对特征数据加解密，防止信息泄露。作品的主要功能有：（一） 提供实名制火车票的检票系统（二） 能够实时显示手指静脉手指位置与效果除产生特定数据供CPU调用之外，还开辟了一个新的通道，用于给出待检乘客一个实时的手指静脉网络特征的LCD显示，方便乘客的使用。（三） 并给出人性化的全程语音与LCD提示通过DE2-70丰富的外设接口，可提供验票全程的语音及LCD显示提示。例如，调整手指位置，验票成功，验票失败等。
(Revision: 11 / 2010-08-29 21:54:54)
3. 性能参数 (Final Project Paper)
一、本性能实际性能参数
1、摄像头参数
采集图像大小：720*480 实际采用图像大小：360*480
信号传输方式：模拟视频输入
2、识别率
测试用户数：50人
测试识别数：94.5%
测试误识率：15.5%
二、系统资源消耗
(Revision: 4 / 2010-08-29 20:26:44)
4. 设计结构 (Preliminary Paper)
其中购票部分主要为手指静脉网络特征的注册（包括图像采集、预处理、特征提取、加密处理以及打印二维码到火车票等），通过PC机来实现。在此不作详细介绍。验票部分即通过扫描枪读取二维码与相应的生物特征进行认证，采用双核结构，其中Core0用于采集生物特征，Core1用于读取二维码。具体流程如下：硬件设计框图：
SOPC框图：
软件流程图：
(Revision: 5 / 2010-08-29 21:34:54)
5. 设计方法 (Final Project Paper)
整体硬件系统包括Nios软核、自主设计的手指静脉采集器、FPGA的视频控制与解码部分、图像硬件加速处理模块，音频输出控制、以及纯硬件AES加解密部分等，具体的使用情况及简要功能描述如下图所示。
整个项目主要包含三部分：采集器接入，特征提取和验证算法的实现以及为提高系统速度对算法实行硬件化。
(1)采集器接入：首先研究主流视频标准，研究解码图像，最终通过DE2-70的高速采样芯片Video decoder来进行AD变换并通过对decoder芯片的配置，获取图像数据，并将其存储于SDRAM当中。
(2)算法设计：首先，于PC机平台完成整个算法的设计，并将其移植到Nios系统中，根据系统运行情况，加速部分算法模块。
(3)加速实现：对于耗时较长部分的实现模块，通过Verilog语言设计加速模块进行硬件实现。
1. 图像数据采集
图像采集部分是通过DE2-70的高速采样芯片Video decoder来进行AD变换并通过对decoder芯片的配置，目前可以获取到NTSC或PAL制式的图像数据。并将其存储于SDRAM当中对于Video的控制与音频的控制部分，video是由硬件进行控制，而audio是由CPU进行控制，存在I2C总线的复用问题，我们采用了上电给出默认值并最终由CPU进行总线分配的方式来解决了这个问题。同时采用108M时钟，通过对图像数据进行分析处理，得出图像的起始位置以及各个点的YCbCr的数据，通过YCbCr 4:2:2到4:4:4的转换，然后转换到RGB，扩充到10bitRGB分量并通过调用VGA显示控制在LCD显示屏上显示出实时的视频效果。2. 感兴趣区域图像裁剪与提取图像亮度分量运用Verilog语言设计并实现，通过对图像数据的解析，给出图像数据的起始为止与行列信息，消除消隐行和行内消隐，最后提取亮度分量通过FIFO存储于与CPU共享的On-chip memory中，结合结束后给出CPU的裁剪结束信号，供采集完成后CPU获取并处理图像数据。3. 二维条码的采集（认证对象的数据接入）通过串口将扫描枪接入系统中，通过控制串口读写，获得条码数据。4. 图像预处理包含裁减适宜图片大小，并对图像进行直方图变换。其中裁减图片是由硬件完成。如图所示 。原图像 裁减后 直方图变换5. 特征提取算法的设计1）将获取的图像最外围的一圈点置为零点，消除由于边界原因而产生的一圈特征点。2）创建与裁剪后的图像矩阵同等大小的存储矩阵Z，并将每个元素值初始为0。3）首先设定计数值counter=0，比较矩形方框中的两个序号为0的点，如果X（j ，k）> X（j-2 ，k-2）+threshold（threshold为阈值）且X（j ，k）> X（j+2 ，k+2）+threshold，则counter自加1，并将Z矩阵中与X点对应的位置置为1，为假则不变。再比较序号为2的点，以此类推，直到7。4）判断counter>N是否为真，若为真，则将X置为255，否则不变。5）对提取到的特征进行骨架化。如图。6）对最后的特征图提取特征点进行比对。其中火车票面的二维条码也根据最后提取的特征值进行生成。(Revision: 5 / 2010-08-30 16:05:40)
6. 设计特点 (Preliminary Paper)
1． 首次将生物特征与实名制火车票系统相结合，解决目前实名制火车票的有效性及个人信息泄露的问题。利用手指静脉网络特征的唯一性及不可伪造性，可充分表明个人身份，同时信息以二维码形式显示在火车票上，可有效防止个人信息泄露。
2．自主设计手掌静脉采集器，成本低，且图像质量符合认证需求。
3． 设计实现基于FPGA的手指静脉网络特征的提取设备，利用嵌入式设备完成特征提取等算法的实现，提高系统的有效性、便携性，同时降低系统的成本。
4． 本系统采用的是基于FPGA的Reconfigrable Hareware + softcore的方式来进行合理和高效的系统架构设计与开发，用来调度和控制的部分实现由CPU 软核来完成，而对于系统资源要求较高的功能部分，如图像的一些变换操作以及裁剪，大部分都是通过Verilog编写硬件模块来实现，从而可以高速地解决那些原本利用软件耗时很多的问题。这样的系统架构，如果不是构架在FPGA平台之上，是没有办法实现的。同时，ALTERA的FPGA芯片有着非常出色并且稳定的性能，并且提供自定义外设等功能，可以很方便的利用这些来进行系统的硬件加速。
5. 本设计的另一个独到之处是对存储器的使用、控制以及对共享存储的利用来极大程度上加速了整个实名制火车票检票系统。通过构建的两个数据通道，既可以通过CPU调度纯硬件实现部分存放于Shared on-chip memory中的数据并进行操作；另一方面，由存放于SDRAM的整幅图像数据提供乘客一个实时的手指静脉特征网络的现实效果。两者并行执行，各不影响，这也是本系统与FPGA使用的一大特色。
6. 本系统提供了对于芯片容量较小，并且片内存储单元有限的存储器的支持，由片内资源的使用情况来看，本系统所用到的资源情况完全可以由DE1或DE0平台实现。
7. 通过对FIFO的合理的利用，实现了对于跨时钟域数据的存储和转换的稳定性和安全性问题。
8． 提供良好的用户交互方式，通过声音、LCD显示等提示系统运行情况。
(Revision: 3 / 2010-08-29 20:51:45)
7. 总结 (Final Project Paper)
首先感谢Altera 公司提供了本次比赛的机会，以及在比赛过程中对我们所遇到的问题所提供的帮助和支持。通过此次比赛，我们对FPGA设计有了更深入的了解，深刻感受到了SOPC系统设计构架的博大精深。
同时在我们的实验过程中我们切实感受了一个嵌入式SOPC系统的设计流程，对软硬件协同设计的FPGA独特的实现方法产生了浓厚的兴趣，深深体会到FPGA和Nios II在设计应用中的特点和优越性。
并且通过本次竞赛，我们了解了当前视频编码的基本的几种不同的格式的数据流的基本结构，研究并实现了解码部分以及通过硬件对图像数据的转换、交叉，YCbCr与RGB的转换，以及Reconfirable Hardware 和嵌入式软核CPU对于存储器的共享和仲裁，各种存储器之间的数据调度和使用等。此外，通过这次竞赛，对于FIFO对于跨时钟域的数据冲突的解决，也有了一个更加明确的解决方法。
在此次比赛过程中，我们了解到团队合作的重要性，正是因为我们在设计过程中的分工合作，每个人都负责自己熟悉的部分，并及时交流沟通，使得我们收到了事半功倍的效果，最后顺利完成了预期的整个系统。
(Revision: 5 / 2010-08-29 21:51:10)