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Soluções biométricas utilizando DSPs (MA037)

A biometria é a ciência que a partir da medida e análise estatísticas de dados biológicos obtidas de um ser humano permite a identificação e a autenticação. Nesta ciência são utilizados dados biológicos obtidos das impressões digitais, varredura da íris, varredura da retina, impressão vocal, assinatura, impressão da mão e detalhes faciais. Os DSPs (Processadores de Sinais Digitais) são os componentes especialmente indicados para o processamento dos sinais obtidos pelos sensores biométricos. A Texas Instruments, através de seu Application Note SPRA894 oferece soluções importantes para o desenvolvimento de aplicações biométricas. Como o documento original, que pode ser acessado pela internet pelo seu nome (www.ti.com) é longo, procuramos resumir seu conteúdo para dar uma idéia aos leitores das soluções que podem ser encontradas neste campo.

Os sistemas biométricos encontram hoje um vasto campo de aplicações, com o crescimento de suas vendas de uma forma bastante acentuada, como indica o Application Note da Texas, de 2003. Assim, as soluções apresentadas no documento podem em muitos casos encontrar componentes mais avançados, o que pode ser consultado na própria Texas.

Conforme indica o documento, os quatro elementos básicos que formam um sistema biométrico são o elemento sensor, elemento de processamento, elemento de armazenamento e interface com a estrutura existente, conforme mostra a figura 1.

Figura 1 - Os elementos que formam um sistema biométrico.
Figura 1 - Os elementos que formam um sistema biométrico.

 

 

O Elemento Sensor

O elemento sensor ou elemento de interface de entrada tem por finalidade converter dados do ser humano para a forma digital. Existem diversos dispositivos sensores que podem ser utilizados para esta finalidade.

Podemos utilizar um sensor CMOS de imagem ou ainda um CCD para o caso do reconhecimento da fisionomia ou ainda em sistema de reconhecimento pela íris ou retina. Também pode ser utilizado um sensor óptico ou CMOS para o caso de sistemas de reconhecimento de impressões digitais.

O microfone é o sensor utilizado no caso dos sistemas de reconhecimento de voz. As informações capturadas por todos estes sensores são convertidas para a forma digital e enviada ao bloco seguinte, o elemento de processamento.

Diversos sensores que podem ser utilizados neste bloco são fabricados pela Texas Instrumentos. Destacamos, por exemplo, o CCD que é adequado tanto para o reconhecimento da impressão da palma da mão como facial. Produtos que vão de 336 x 244 pixels até 1036 x 1010 pixéis, conforme o documento original de 2003 podem ser obtidos.

Acreditamos que outros com até maior resolução ou recursos adicionais importantes possam ter entrado em sua linha de produtos neste intervalo. Além disso, os sensores podem operar com radiação que vão do infravermelho próximo ao ultravioleta.

 

O Elemento de Processamento

O elemento de processamento pode ser um microprocessador, um DSP ou ainda um computador. Sua finalidade é processar os sinais digitais obtidos dos sensores. No caso do processamento de ima imagem normalmente é necessário algum tipo de melhoria, normalização, extração de padrão ou ainda o casamento e comparação com um modelo.

A vantagem dos DSPs é que eles possuem uma arquietura que suporta os algoritmos matemáticos que envolvem uma grande quantidade de multiplicações e soma, podendo realizar operações num único ciclo, diferentemente do que ocorre com processadores com arquitetura RISC.

A arquitetura Harvard dos DSPs (diversos barramentos) possibilita ainda o trabalho com instruções e operando no mesmo ciclo, o que aumenta a velocidade de operação.

Com tudo isso, os desenvolvedores de sistemas biométricos podem tirar vantagens desta arquitetura aumentando a resolução com o uso das transformadas rápidas de Fourier (FFT) bidimensionais.

O resultado final é que as performances do DSP possibilitam uma redução do tempo de reconhecimento sem um aumento do consumo. Informações sobre os DSPs que podem ser utilizados nesta aplicações podem ser obtidas no site http://dspvillage.ti.com/docs/dspvillagehome.jhtml.

 

Elemento de Armazenamento

A função do elemento de armazenamento é armazenar o modelo tomado como referência que é chamado para se verificar se casa com o elemento capturado pelo sensor. Para outras soluções em identificação, o elemento de armazenamento pode ser uma RAM ou EPROM flash ou ainda outro tipo de circuito integrado de memória.

Em outros casos ainda pode ser utilizado um servidor de dados ou ainda um smartcard.

Os DSPs da Texas possuem diversos tamanhos de memórias RAM interna que servem para o processamento de imagem e também para a extração dos modelos dos vários algoritmos biométricos, e juntamente com uma ROM para armazenar as partes constantes do código de programação, completa-se o bloco.

Alguns DSPs também suportam memória flash on-chip para o armazenamento do código do programa. Além disso, os DSPs suportam SRAM, SDRAM, SDRAM, flash e outros tipos de memórias voláteis e não voláteis no barramento externo de memória. A Texas, entretanto não fabrica elementos separados de memória ou armazenamento.

 

Elemento de Interface

Como bloco final temos o elemento de interface, cuja finalidade é comunicar os dados da decisão do sistema biométrico para um elemento que possibilite o acesso ao usuário. Isso pode ser feito por um protocolo de comunicação simples como o RS-232 ou ainda um protocolo de banda mais larga como o USB.

Também pode ser usado um protocolo TCP/IP através de um meio via cabo como a Ethernet 10/100 ou através de um meio sem fio utilizando tanto o protocolo 802.11b, ISM RF band, RFID, Bluetooth ou qualquer dos encontrados na telefonia celular. A Texas Instruments fornece produtos que suportam muitos destes elementos de interface. Mais informações podem ser obtidas no site da empresa.

 

Uma Solução Completa de Sistema

Além dos produtos analógicos mencionados na seção de interface, as soluções analógicas da TI incluem ainda componentes conversores, amplificadores, clocks e timers. Adicione soluções de software e ferramentas de desenvolvimento ao amplo espectro de DSPs e componentes analógicos disponíveis da TI e pode-se conseguir a mais completa solução para um sistema. Na figura 2 temos um exemplo disso.

 

Figura 2 - Solução completa para um sistema.
Figura 2 - Solução completa para um sistema.

 

Para ferramentas especificas de desenvolvimento para biometria como, por exemplo, kits de reconhecimento de impressão digital, drivers de software e algoritmos múltiplos para verificação de impressão digital, identificação de voz e assinatura estão disponíveis de empresas terceirizadas os recursos necessários. Para mais informações visite http://www.ti.com/3p.

 

DSP para Biométrica Segura e Confiável

Nos dias atuais os sistemas biométricos são baseados principalmente no interfaceamento do elemento sensor com um computador pessoal. Os sensores são normalmente ligados a um servidor para atender a número ilimitado de usuários e pontos de acesso múltiplos.

O custo do uso de PCs é proibitivo e o link de comunicação entre o sensor e o PC/servidor pode ser a maior causa de preocupação em termos de segurança e privacidade. Uma solução biométrica baseada em DSP pode fornecer sozinha segurança e privacidade.

 

Dispositivo Independente Seguro

Um dispositivo independente seguro é aquele onde todas as funções de autenticação confinadas a um processador embutido e o resultado enviado ou apresentado num display assim como sinais de controle ou acesso. O modo original pode ser tanto armazenado na memória do produto ou num smartcard que é carregado pelo usuário.

Num dispositivo independente seguro, a imagem capturada é transferida para o processador embutido (DSP) que então faz as conversões e codificações da corrente de vídeo tornando uma imagem digital para biometria baseada na informação da câmera como, por exemplo, reconhecimento facial ou de retina/iris.

A codificação pode ser feita no DSP utilizando o software disponível como o MPEG2, JPEG, etc.

Para as impressões digitais não é necessária codificação já que a saída do módulo sensor é uma imagem bitmap em escala de cinzas. No caso de sensores ópticos, componentes de entrada analógicos como amplificadores e conversores analógicos-para-digital são necessários para gerar o bitmap.

Depois da captura e codificação a imagem deve ser melhorada com as funções existentes como equalização de histograma, filtragem, correção de contornos, etc. O processo de melhoria resulta numa imagem de melhor resolução. A imagem é então processada de modo a extrair-se a informação necessária à comparação com o modelo. A comparação pode ser feita pelos dados ou por uma função de padrão.

Todas as funções mencionadas podem ser melhor implementadas pelo uso de software num DSP programável, mantendo-se a flexibilidade do ajuste de parâmetros do sistema.

 

Dispositivo de Rede Confiável

Um dispositivo de rede confiável é aquele em que a informação biométrica capturada pode ser extraída para um modelo ou codificada e e comprimida e então encriptada antes de ser transmitida para um servidor ou de onde um modelo pode ser baixado e compactado para o processo de identificação.

No caso de um sistema de identificação em rede, existem diversos pontos de acesso e o usuário deve se identificado a partir de uma base de dados de usuários para se comprovar que é autorizado. Para assegurar que tal rede funcione apropriadamente o ponto de acesso deve ser confiável. Na figura 3 temos o diagrama de blocos para esta aplicação.

 

Figura 3 - Uso do DSP num Dispositivo de Rede Confiável
Figura 3 - Uso do DSP num Dispositivo de Rede Confiável

 

 

Exemplo de Sistema Biométrico

Damos a seguir um exemplo de solução para reconhecimento de impressão digital utilizando o DSP TMS320VC5509. Nesta solução, o TPSXXX faz o gerenciamento do consumo. Temos ainda os componentes TL16C550C, uma UART, o MAX232, que consiste num serial driver Rs232 e componentes comuns tanto lineares como lógicos tais como transceivers para barramento universal, portas NAND e outros. O diagrama de blocos para esta solução é mostrado na figura 4.

Mais informações sobre os componentes utilizados e o próprio Application Note podem ser obtidas no site da Texas Instruments em www.ti.com..

 

Figura 4 - Solução para reconhecimento de impressões digitais baseada em DSP da Texas Instruments.
Figura 4 - Solução para reconhecimento de impressões digitais baseada em DSP da Texas Instruments.

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