CN103870518A - 一种模式匹配装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种模式匹配装置及方法，包括数据接口，用于与主机系统连接通信；所述的数据接口连接有数据匹配模块(PMM)，用于数据的匹配操作；所述的PMM包括控制器，与控制器相连接的可编程门阵列(PGA)，所述的PGA与存储器相连接，所述的存储器包括若干数据库存储器和辅助存储器；所述的数据库存储器阵列布置，并平行耦合到PGA，所述的辅助存储器用于存储配置文件及程序。PMM可以独立实现数据的匹配操作，减轻了主机系统CPU的压力，尤其PGA与数据库存储器形成的多通道结构，避免了现有技术中按序的对大数据库的进行读取匹配的低效率，提高了匹配性能。

Description

一种模式匹配装置及方法
技术领域
本发明涉及计算机领域，尤其涉及一种模式匹配装置及方法。
背景技术
随着社会的发展，数据库的应用越来越广泛，而且数据库的规模也越来越大，各种数据组成的数据库总量小则几百MB，大则常常达到数GB乃至数百GB，这就对数据处理设备提出了更高的要求，近年来，数据处理设备朝着高速、便携的方向不断发展，尤其在生物特征识别领域，诸如轻巧的指纹识别设备，较为高端的虹膜识别设备都从科幻变为现实。
然而，各种生物特征识别设备，尤其是各种便携式的小型设备常常面临数据量大，模式匹配识别缓慢，续航能力差的现实问题，尤其在大数据处理上，设备的性能常难以达到应用的要求，较慢的识别效率已经成为此类设备普及的严重障碍。例如，在虹膜识别领域，鉴别过程主要是通过比较虹膜特征差异来判别当前虹膜特征是否能与数据库中的虹膜特征相匹配，为满足识别的精度，虹膜识别过程中通常创建约256个量化生物特征点，这比高端指纹系统测量至少高了100倍，这就促使数据量成倍增长；另一方面，识别过程是“一对多”按序的形式进行比较，即一个虹膜目标特征值与整个虹膜数据库的特征数据进行按序的匹配，数据的存取速度对于数据匹配过程也有一定影响，再加上，每次甄别就须将当前的虹膜目标特征值逐个与数据库中每个已登记的特征值进行虹膜匹配算法的运算，比如Hamming距离计算等，巨大的数据量和反复的运算，需要CPU具有比较高的处理性能，才能按序的快速完成匹配。在实际匹配中，通常是按序的读取磁盘文件在内存中与目标特征值进行匹配，匹配效率仍很难达到满意的效果。现有的解决方法，通常是优化算法以及单方面提高CPU工作频率，算法的优化带来的作用十分有限，很难从根本上解决问题；而单方面提高CPU频率使得CPU高频运行，不仅稳定性受到影响，也带来了比较严重的高功耗问题，高功耗意味着需要充足的电力供应和散热性能，对于便携设备来说这是极为不利的。因此，如何提高便携式设备领域大数据库的匹配性能成为生物特征识别技术发展的重要难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高匹配性能的模式匹配装置及方法，尤其适用于虹膜识别系统中的模式匹配。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种模式匹配装置，包括数据接口，用于与主机系统连接通信，通常采用比较常见的USB接口，该接口与其他设备兼容性比较好，成本低。
所述的数据接口连接有模式匹配模块(PMM)，该模块用来执行虹膜特征数据的匹配操作。现有的技术中，一般是通过主机系统的CPU完成匹配操作，即通过CPU对内存中的虹膜目标特征数据和从磁盘上读取的虹膜特征数据进行按序的匹配，除此之外CPU还要维持系统其他进程的运行，比如虹膜数据采集装置的信号处理、匹配结果显示的控制等等，尤其在现有便携性设备CPU性能有限的情况下，过多的CPU负载，也很大的影响了识别速度。PMM的设置，使得识别的匹配过程可在PMM中独立进行，仅将识别结果反馈到CPU，从而使CPU处理的数据量和运算量大大减少，减轻了CPU的负载压力，对CPU性能的要求得以降低，有利于控制功耗及成本。
所述的PMM包括控制器，控制器用于控制数据传输，数据传输包括CPU指令、各种数据的加载等，为与前面所述的USB接口相兼容匹配，一般采用USB控制器；与控制器相连接有可编程门阵列(PGA)，所述的PGA用于执行虹膜算法以及控制数据的输入输出。
所述的PGA连接有若干的存储器，所述的存储器包括若干虹膜数据库存储器以及辅助存储器，所述的虹膜数据库存储器用来存储数据采集设备预先采集的虹膜特征数据，所述的虹膜数据库存储器阵列布置，通过数据线平行耦合到PGA，这样就组成了多通道的数据存取结构，使PGA具有同时访问各数据库的能力，因此相比现有技术中单个接口的访问，访问速度可以更高。所述的辅助存储器用于存储PGA的配置文件、虹膜匹配算法程序、虹膜目标特征、用于存储闪存或磁盘的检测和校正程序以及坏块表。
所述的存储器可以采用NAND闪存、SPI闪存、NOR闪存、SSD中的一种或任几种组合，各种类型的存储介质具有不同的性能特点，其容量和数量也可以根据实际需要选择。
PMM可以独立实现虹膜数据的匹配操作，减轻了主机系统CPU的运行压力，尤其PGA与数据库存储器形成的多通道数据存取结构，可以同时与各数据库存储器进行信号的传递交换，实现了匹配性能的提高。
一种模式匹配方法，包括以下步骤：
(1)将虹膜特征数据库加载到阵列布置的若干数据库存储器上。主机系统将采集好的虹膜特征数据库加载到各虹膜数据库存储器，PGA可以根据数据库索引同时访问各虹膜数据库存储器中虹膜特征数据库不同的区域位置，避免重复访问，从而实现高效的数据访问。
(2)检测和校正特征存储器中的坏块和错误。辅助存储器中存储有数据检测和校正程序，PGA可在主机系统控制下执行该程序，完成存储器的坏块和错误的检测以及校正，并且生成坏块表，避免对坏块进行操作。
(3)主机系统将采集的目标特征值加载到PGA内存，所述的虹膜目标特征可以直接来自于主机系统的数据采集装置，也可以从预先加载至SD卡上的目标特征读取。
(4)PGA执行虹膜匹配算法，比较目标特征值和数据库存储器中的特征值。PGA可读取并执行辅助存储器中虹膜匹配算法程序，完成匹配操作。
(5)向主机系统反馈匹配结果。通过步骤(4)可以将匹配的结果反馈给主机系统，如匹配目标特征的数据索引以及匹配度数据。
(6)根据存储在辅助存储器上的配置文件初始化PGA。匹配算法执行完毕后，根据配置文件初始化PGA以准备下一次的匹配操作。
通过上述匹配方法不仅可以实现数据的快速匹配，也提供了数据检测和校正的步骤，提高了数据匹配的准确度。
所述的一种模式匹配装置及方法不仅仅适用于虹膜数据的匹配，也可以扩展至其他生物特征数据的匹配，比如指纹、掌纹、声音、DNA等等，将采集的生物特征数字化后，然后采用或设计相应的匹配算法程序，即可采用此设备以及方法进行处理。
附图说明
图1为一种模式匹配装置的电路组成示意图。
图2为一种模式匹配方法的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出具体阐述：
图1所示，一种用于虹膜识别的装置的硬件连接示意图，USB接口109通过数据线与模式匹配模块PMM100连接，所述的USB接口首先与USB控制器102相连接，为保持系统电压稳定，USB接口与USB控制器之间还连接有稳压器104。USB控制器102通过数据线连接可编程门阵列即PGA107，PGA107用于执行虹膜数据匹配操作，PGA107通过数据线并行连接有若干个NAND闪存用以存储虹膜数据库，分别为NAND闪存110、NAND闪存111、NAND闪存112、NAND闪存113、NAND闪存114，NAND闪存的数量与容量大小可根据虹膜特征数据库的大小以及PGA107的接口数进行安排，另外还要考虑到占用的空间以及耗电的问题。如果数据库很大可以尽量多设置NAND闪存以存储数据，NAND闪存越多，PGA107访问NAND闪存的通道越多，访问数据库的速度也就越快，但是相应的占用空间也就越大，耗电量也就越大，因此要根据适用对象综合考虑。PGA107还连接有一个辅助存储器SD卡103，用于存储PGA107配置文件、虹膜匹配算法程序、虹膜目标特征、闪存或磁盘的检测和校正程序以及坏块表等信息文件。
图2所示，为采用图1所述装置的一种用于虹膜识别的方法的流程图；
步骤201，通过主机系统将虹膜特征数据库分别加载到阵列布置的四个NAND闪存上；
步骤202，PGA107运行SD卡103中检测和校正程序，对数据库存储器中的坏块和错误进行扫描；
步骤203，通过坏块映射器203，将坏块和错误映射到坏块表；
步骤204，通过SD卡103中的校正程序校正特征数据库中的数据；
步骤205，将来自主机系统的虹膜目标特征加载至PGA107内存；
步骤206，通过PGA107执行虹膜匹配算法程序，完成特征数据库与目标特征的匹配；
步骤207，通过匹配选择器，选出最匹配目标特征的数据索引以及匹配度；
步骤208，将最匹配目标特征的数据索引以及匹配度复制到PGA寄存器中；
步骤209与步骤210，将寄存器中的数据通过USB接口传输到主机系统中。
上述步骤完成后，根据SD卡103中的配置文件，初始化PGA以准备下一次数据匹配操作。
上述装置与方法，所需的硬件均是现有的比较成熟的技术，所需的程序也可以采用现有的技术程序，或者本领域人员可以针对该装置的操作方法比较容易的设计相应的程序，该装置及其方法可以应用于多种类型数据匹配，尤其在生物特征识别领域，应用十分广泛。

Claims (7)

1.一种模式匹配装置，其特征在于，包括数据接口，用于与主机系统连接通信；所述的数据接口连接有模式匹配模块(PMM)，用于数据的匹配操作；所述的PMM包括控制器，与控制器相连接的可编程门阵列(PGA)，所述的PGA与存储器相连接，所述的存储器包括若干数据库存储器和辅助存储器；所述的数据库存储器阵列布置，并平行耦合到PGA，所述的辅助存储器用于存储配置文件及程序。
2.如权利要求1所述的一种模式匹配装置，其特征在于，所述的数据接口为USB接口，所述的控制器为USB控制器。
3.如权利要求1所述的一种模式匹配装置，其特征在于，所述的存储器可以采用NAND闪存、SPI闪存、NOR闪存、SSD中的一种或几种组合。
4.如权利要求1所述的一种模式匹配装置，其特征在于所述的数据匹配装置应用于虹膜识别。
5.一种模式匹配方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将特征数据库加载到PMM的若干数据库存储器上；
(2)运行辅助存储器中存储的检测和校正程序，检测和校正特征存储器中的坏块和错误；
(3)将目标特征值加载到PGA内存；
(4)由PGA执行虹膜匹配算法比较目标特征值和若干数据库存储器中的特征值；
(5)向主机系统反馈匹配结果；
(6)根据存储在辅助存储器上的配置文件初始化PGA。
6.如权利要求5所述的一种模式匹配方法，其特征在于，所述的PGA同时加载各数据库上的特征值。
7.如权利要求6所述的一种模式匹配方法，其特征在于，所述的PGA加载的数据库特征位于数据库上的不同区域位置。
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