基于S3C2440的人臉識(shí)別平臺(tái)的設(shè)計(jì)

李鵬飛，許金凱，韓文波，宋鴻飛

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

1 引 言

隨著近年圖像數(shù)字化技術(shù)的深入發(fā)展，在安防、門(mén)禁、監(jiān)控等諸多應(yīng)用領(lǐng)域都開(kāi)始使用生物識(shí)別技術(shù)對(duì)身份進(jìn)行驗(yàn)證，特別是人臉識(shí)別技術(shù)，具有無(wú)需接觸、識(shí)別準(zhǔn)確、無(wú)法造假的優(yōu)點(diǎn)，發(fā)展非常迅速。

目前國(guó)內(nèi)智能人臉識(shí)別平臺(tái)大都使用FPGA用于控制CCD攝像頭進(jìn)行視頻采樣、利用視頻解碼芯片信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，用DSP器件處理采集的數(shù)據(jù)，通常成本都比較高。

本文利用Samsung公司的S3C2440處理器和OmniVision公司的OV9650攝像頭搭建了硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)［1－5］。

S3C2440微處理器是一款由Samsung半導(dǎo)體公司推出的高性能、低功耗、高集成度，并具有工業(yè)級(jí)溫度范圍和性能的微處理器，具有工業(yè)級(jí)溫度范圍，主頻高達(dá)533MHz，具有數(shù)字?jǐn)z像頭接口，支持更多分辨率液晶屏，無(wú)需外圍電路的觸摸屏接口。

OV9650是OmniVision公司的COMS攝像頭，分辨率1 300×1 028，像素130萬(wàn)。CMOS感光器是一種可記錄光線(xiàn)變化的半導(dǎo)體。其制造技術(shù)和一般大規(guī)模集成電路芯片制造技術(shù)一樣，利用CMOS上共存著PN節(jié)互補(bǔ)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成圖像，成本很低。

程序開(kāi)發(fā)使用通用性很強(qiáng)的C語(yǔ)言，并利用成熟的Harris角點(diǎn)提取算法進(jìn)行人臉的檢測(cè)，同時(shí)開(kāi)啟Cache加速程序，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了對(duì)人臉圖像的實(shí)時(shí)采集—匹配。

2 總體設(shè)計(jì)

平臺(tái)的硬件部分由S3C2440微處理器、OV9650攝像頭和480×272分辨率的TFT電阻觸屏組成?？傮w硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體硬件設(shè)計(jì)Fig.1 Design of overall hardware

總體軟件設(shè)計(jì)的框架主要包括人臉檢測(cè)、特征點(diǎn)生成、數(shù)據(jù)庫(kù)圖像匹配3部分，算法流程如圖2所示。

圖2 總體軟件流程Fig.2 Process of overall software

3 硬件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

硬件驅(qū)動(dòng)部分主要包括顯示屏的驅(qū)動(dòng)和攝像頭的驅(qū)動(dòng)兩部分。

3.1 顯示屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

為了把采集到的人臉視頻圖像顯示在液晶顯示屏上，需要設(shè)置處理器的顯示接口時(shí)序，LCD一般需要3個(gè)時(shí)序信號(hào)：VSYNC、HSYNC和VCLK。

（1）VSYNC是垂直同步信號(hào)，在每一個(gè)幀（即一個(gè)屏）的掃描之前，該信號(hào)就有效一次，由該信號(hào)可以確定LCD的場(chǎng)頻，即每秒屏幕刷新的次數(shù)（單位 Hz）。

（2）HSYNC是水平同步信號(hào)，在每一行的掃描之前，該信號(hào)就有效一次，由該信號(hào)可以確定LCD的行頻，即每秒屏幕從左到右掃描一行的次數(shù)（單位 Hz）。

（3）VCLK是像素時(shí)鐘信號(hào)。相互關(guān)系如圖3和圖4所示。

圖3 LCD時(shí)序信號(hào)關(guān)系1Fig.3 Relationship of LCD timing signal 1

LCD的時(shí)鐘源是HCLK，通過(guò)寄存器LCDCON1中的CLKVAL可以調(diào)整VCLK頻率大小，相互關(guān)系為：

VCLK＝HCLK／［（CLKVAL＋1）×2］

圖4 LCD時(shí)序信號(hào)關(guān)系2Fig.4 Relationship of LCD timing signal 2

同時(shí)在每一幀時(shí)鐘信號(hào)中，還會(huì)有一些與屏顯示無(wú)關(guān)的時(shí)鐘出現(xiàn)，包括在HSYNC信號(hào)先后會(huì)有水平同步信號(hào)前肩（HFPD）和水平同步信號(hào)后肩（HBPD）出現(xiàn)，在VSYNC信號(hào)先后會(huì)有垂直同步信號(hào)前肩（VFPD）和垂直同步信號(hào)后肩（VBPD）出現(xiàn)，在這些信號(hào)時(shí)序內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)有效像素信號(hào)，而且HSYNC和VSYNC信號(hào)電平要保持一定的時(shí)間，分別叫做水平同步信號(hào)脈寬HSPW和垂直同步信號(hào)脈寬VSPW，這段時(shí)間也沒(méi)有有效像素信號(hào)。這些值是通過(guò)寄存器LCDCON2、LCDCON3和LCDCON4來(lái)配置，只要把這些值配置成與所要驅(qū)動(dòng)的LCD中相關(guān)內(nèi)容的數(shù)據(jù)一致即可。

3.2 OV9650驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

由于S3C2440提供了一個(gè)攝像接口，要實(shí)現(xiàn)其功能，需要利用SCCB（串行攝像控制總線(xiàn)）對(duì)OV9650內(nèi)部寄存器配置［6－10］。

SCCB由兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)組成：一個(gè)是用于傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的SIO＿D，另一個(gè)是用于傳輸時(shí)鐘信號(hào)的SIO＿C。SCCB的傳輸數(shù)據(jù)時(shí)一次要傳輸9位數(shù)據(jù)，前8位為有用數(shù)據(jù)，而第9位數(shù)據(jù)在寫(xiě)周期中是不需關(guān)心的，在讀周期中是空位。

SCCB數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕締卧獮橄啵匆粋€(gè)相傳輸一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，一次只能讀或?qū)懸粋€(gè)字節(jié)。SCCB包括3種傳輸周期，即3相寫(xiě)傳輸周期（3個(gè)相依次為設(shè)備從地址，內(nèi)存地址，所寫(xiě)數(shù)據(jù)），2相寫(xiě)傳輸周期（兩個(gè)相依次為設(shè)備從地址，內(nèi)存地址）和2相讀傳輸周期（兩個(gè)相依次為設(shè)備從地址，所讀數(shù)據(jù)）。在寫(xiě)操作時(shí)，應(yīng)用3相寫(xiě)傳輸周期；在讀操作時(shí)，依次應(yīng)用2相寫(xiě)傳輸周期和2相讀傳輸周期，如圖5所示。

S3C2440攝像模塊有兩個(gè)相互獨(dú)立的DMA通道：C通道（編解碼通道）和P通道（預(yù)覽通道）。C通道主要是存儲(chǔ)用于編解碼的YCbCr圖像數(shù)據(jù)，P通道主要是存儲(chǔ)用于視頻顯示的RGB圖像數(shù)據(jù)。平臺(tái)是把OV9650采集到的視頻信息實(shí)時(shí)顯示在LCD上，因此使用P通道。

圖5 SCCB傳輸時(shí)序Fig.5 SCCB transfer timing

使用P通道前首先要進(jìn)行相關(guān)的設(shè)置，S3C2440需要在內(nèi)存中各開(kāi)辟四塊乒乓存儲(chǔ)區(qū)域，寄存器CIPRCLRSA1－4分別用于表示這四塊內(nèi)存的首地址。同時(shí)使用DMA傳輸數(shù)據(jù)，還要設(shè)置DMA傳輸方式，即一次傳輸多少個(gè)字節(jié)，還需要設(shè)置在完成每一幀視頻采集后，會(huì)觸發(fā)一個(gè)視頻中斷。

其次設(shè)置視頻分辨率。由OV9650采集到的原始視頻分辨率為640×480，把這兩個(gè)值分別放入輸入源格式寄存器CISRCFMT的第16位至第28位，和第0位至第12位內(nèi)即可。

把實(shí)際顯示的視頻稱(chēng)為目標(biāo)，目標(biāo)的分辨率即目標(biāo)水平像素?cái)?shù)和目標(biāo)垂直像素?cái)?shù)，這個(gè)分辨率就是平臺(tái)所用的4.3寸LCD分辨率，為480×272，把這兩個(gè)值分別放入預(yù)覽DMA目標(biāo)圖像格式寄存器CIPRTRGFMT的第16位至第28位，和第0位至第12位內(nèi)即可。另外還需要把這兩個(gè)值的乘積放入預(yù)覽縮放目標(biāo)面積寄存器CIPRTAREA內(nèi)。源分辨率和目標(biāo)分辨率通常不一致，還需要設(shè)置偏移量，即水平偏移量和垂直偏移量，應(yīng)該把這兩個(gè)值分別放入窗口偏移寄存器CIWDOFST的第16位至第26位，和第0位至第10位內(nèi)，其中這個(gè)寄存器的第31位用于控制是否需要設(shè)置偏移量，當(dāng)偏移量為0或不需要設(shè)置偏移量時(shí)，這一位為0，否則為1，在本設(shè)計(jì)中該值為1。

4 人臉檢測(cè)與識(shí)別

目前的人臉識(shí)別方法都是基于二維圖像的，通過(guò)檢測(cè)人臉并定位面部關(guān)鍵特征點(diǎn)確定人臉的主要區(qū)域，經(jīng)過(guò)預(yù)處理之后，通過(guò)測(cè)量眼睛、顴骨、下巴等之間的間距來(lái)進(jìn)行人臉特征的認(rèn)證，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的人臉圖像進(jìn)行比對(duì)，完成最終的分類(lèi)。特征點(diǎn)提取算法使用已經(jīng)廣泛使用的Harris算法，該算法成熟可靠，運(yùn)算量較小，利用該算法提取特征點(diǎn)的分布如圖6所示。

圖6 人臉特征點(diǎn)和特征區(qū)域的分布Fig.6 Distribution of facial feature points and characteristic region

為了檢測(cè)圖像特征區(qū)域是否匹配，使用了基于圖像灰度值匹配的歸一化互相關(guān)匹配法算法。該算法是通過(guò)計(jì)算原有圖和新采集圖的歸一化互相關(guān)值來(lái)確定匹配程度，當(dāng)原有圖和新采集圖所計(jì)算出的互相關(guān)值R（u，v）最大時(shí)，就認(rèn)為此原有圖就是與新采集圖是相匹配的圖像，歸一化互相關(guān)匹配算法的計(jì)算公式如下：

通常，這種算法需要對(duì)圖像的每個(gè)像素進(jìn)行灰度運(yùn)算，故運(yùn)算量比較大，處理速度比較慢，為了加快判斷速度，在算法中，使用了圖像的中心區(qū)域來(lái)代替整幀圖像，減小了計(jì)算量；在硬件上為了加快顯示程序的執(zhí)行速度，開(kāi)啟處理器的Cache模塊。

Cache也稱(chēng)作高速緩存，是基于程序訪(fǎng)問(wèn)的局部性，在內(nèi)存和處理器通用寄存器之間設(shè)置一個(gè)高速的、容量相對(duì)較小的存儲(chǔ)器，把當(dāng)前正在執(zhí)行指令附近的一部分指令或數(shù)據(jù)從內(nèi)存調(diào)入這個(gè)存儲(chǔ)器，供處理器在一段時(shí)間內(nèi)使用，可以極大的提高程序的運(yùn)行速度。

平臺(tái)的實(shí)測(cè)結(jié)果如圖7所示，紅色箭頭處是OV9650攝像頭，可以看出，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠識(shí)別出數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的人臉。

但該平臺(tái)識(shí)別時(shí)間較長(zhǎng)，還有進(jìn)一步提升的潛力。

圖7 平臺(tái)的實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.7 Actual test result of platform

5 結(jié) 論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了低成本人臉識(shí)別的解決方案，系統(tǒng)采用S3C2440處理器驅(qū)動(dòng)OV9650和TFT液晶屏，把采集到的人臉圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，較好地實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。但是由于圖像運(yùn)算量比較大，所以處理速度比較慢，可以使用專(zhuān)用的DSP處理器加速圖像運(yùn)算以取得更好的效果。

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