基于Nios Ⅱ軟核處理器和FPGA實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

人臉檢測(cè)跟蹤是計(jì)算機(jī)視覺中十分重要的研究領(lǐng)域，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。傳統(tǒng)基于PC平臺(tái)的人臉檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)體積大，不能滿足便攜的要求，更不適合露天使用；而采用通用的DSP芯片組成的系統(tǒng)，外圍電路較復(fù)雜，設(shè)計(jì)與調(diào)試都需要較長(zhǎng)的時(shí)間，且系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和移植性不好。利用32位Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上完成設(shè)計(jì)，減小了系統(tǒng)的體積，而且在PC上開發(fā)的程序可移植到Nios Ⅱ處理器上，實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)。采用Nios Ⅱ處理器的自定義指令，用硬件實(shí)現(xiàn)部分算法，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度，保證了較好的實(shí)時(shí)性。在外圍電路不變的情況下，通過更新FPGA內(nèi)部的電路設(shè)計(jì)，能使系統(tǒng)功能升級(jí)和增強(qiáng)。

系統(tǒng)組成及工作原理

人臉檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)合可以定制為不同的功能，而且不同的功能只需要在Nios中寫入相應(yīng)的C語(yǔ)言程序即可，不需要再做硬件板，非常方便。下面介紹一種比較通用的人臉檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計(jì)的人臉檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)主要包括三個(gè)模塊：圖像采集模塊，人臉檢測(cè)跟蹤模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊。

圖像采集模塊

該模塊主要包括攝像頭和外擴(kuò)SRAM。本系統(tǒng)采用的圖像傳感器是OV7620，OV7620是美國(guó)OmniVision 公司開發(fā)的1/ 3英寸，30 萬(wàn)像素CMOS 彩色圖像傳感器，該芯片將CMOS 光感應(yīng)核與外圍輔助電路集成在一起，具有可編程控制與視頻模/ 數(shù)混合輸出等功能。該芯片的主要特性有：最大分辨率為664 ×492 ，同時(shí)支持VGA （640 ×480 分辨率） 和QVGA（320 ×240 分辨率） 兩種模式。輸出幀頻在0.5fps“30fps 之間可調(diào)。輸出窗口尺寸在4 ×2” 664 ×492 之間可調(diào)。圖像數(shù)據(jù)輸出格式可以為8 位/ 16 位的YCrCb 4 ： 2 ：2 ITU2656 、IR2601GRB 4 ：2 ：2或RGB Raw Data。能工作在逐行/隔行掃描方式下，也能工作在彩色/ 黑白模式下。上述的所有性能，用戶可以根據(jù)自己的需要，通過SC2CB 接口設(shè)置芯片內(nèi)相應(yīng)的寄存器進(jìn)行選擇。

人臉檢測(cè)跟蹤模塊

該模塊采用的FPGA選擇Altera公司Stratix系列的EP1S25。該芯片的片上資源比較豐富，有25660個(gè)邏輯單元（LE），1944576 bit的RAM，10個(gè)DSP模塊，6個(gè)數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），用戶可用的I/O最多達(dá)到702個(gè)。在EP1S25中嵌入Nios軟核，控制連接在外部總線上的SRAM和Flash，用它的以太網(wǎng)模塊單元控制以太網(wǎng)接口芯片LAN91C11。

其中FPGA 是主芯片，在1 片F(xiàn)PGA 中包含了Nios 處理器、SRAM 控制器、SDRAM 控制器、Flash控制器、UART 以及攝像頭和外擴(kuò)SRAM 控制器的用戶邏輯模塊。這正體現(xiàn)了Nios 的優(yōu)勢(shì)，將很多資源集中在FPGA中為設(shè)計(jì)PCB 帶來(lái)了便利， 而且對(duì)系統(tǒng)的更改也變得非常容易，只要重新在FPGA 中添加不同的模塊就可以了。SRAM 中存儲(chǔ)嵌入式系統(tǒng)所用的向量表、數(shù)據(jù)和程序。Flash 用于在系統(tǒng)掉電的情況下存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通信模塊

根據(jù)實(shí)際情況選擇用以太網(wǎng)或GPRS把人臉檢測(cè)跟蹤后的結(jié)果發(fā)送到主控制站。在有以太網(wǎng)連接的條件下優(yōu)先選用以太網(wǎng)連接，可以提供較高的傳輸速率和可靠性，在沒有以太網(wǎng)的條件下選用GPRS進(jìn)行通信。同時(shí)，如果用戶需要，也可以直接在LCD上顯示。

圖1 基于Nios Ⅱ軟核的人臉檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人臉檢測(cè)跟蹤算法的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)跟蹤算法之前，圖像的預(yù)處理很重要。圖像預(yù)處理主要有噪聲濾除和圖像增強(qiáng)，提高圖像的質(zhì)量。本系統(tǒng)采用中值濾波進(jìn)行噪聲濾除。與其它濾波方法相比，中值濾波不僅能有效濾除圖像中的孤立噪聲點(diǎn)，還能保護(hù)邊界信息。圖像增強(qiáng)技術(shù)主要包括直方圖修改處理、圖像平滑處理和圖像銳化處理等。所以，實(shí)際的人臉檢測(cè)系統(tǒng)采用圖像增強(qiáng)來(lái)消除光照影響。

本系統(tǒng)采用基于膚色和差分幀相結(jié)合的方法來(lái)確定視頻序列中的人臉。這樣不但可以排除類似膚色背景的干擾，提高人臉檢測(cè)的準(zhǔn)確性，還可以保證檢測(cè)與跟蹤的實(shí)時(shí)性。大量實(shí)驗(yàn)表明，人臉膚色在YCrCb 空間內(nèi)的Cr和Cb 值分布在特定的范圍之內(nèi)，Cr 范圍為135～156，Cb 的范圍為108～123。由此建立人臉膚色聚類模型，即彩色圖像的像素B 滿足條件：108 ≤Cb ≤123 和135≤Cr≤156，則B 是膚色點(diǎn)。

（1）根據(jù)公式

可將圖像轉(zhuǎn)化為一個(gè)二值圖像，其中白色像素點(diǎn)為膚色點(diǎn)，黑色像素點(diǎn)為非膚色點(diǎn)。由于頭部與背景的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，差分幀法是運(yùn)動(dòng)圖像分析的有效方法。它檢測(cè)圖像序列相鄰兩幀之間的變化，即直接比較兩幀圖像對(duì)應(yīng)像素點(diǎn)的灰度值。幀與幀之間的變化可用一個(gè)二值差分圖像表示：

（2）式中的T是閾值

使用Nios II 的定制指令，可以將一個(gè)復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)指令序列簡(jiǎn)化為一個(gè)用硬件實(shí)現(xiàn)的單一指令，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)并加快系統(tǒng)運(yùn)行速度。在人臉檢測(cè)跟蹤算法中，對(duì)圖像的處理數(shù)據(jù)運(yùn)算量大，循環(huán)數(shù)目多，而Nios II 的定制指令個(gè)數(shù)已增加到256個(gè)，可以使用定制指令完成許多循環(huán)內(nèi)的數(shù)據(jù)處理，從而加速數(shù)據(jù)處理的速度。定制指令邏輯和Nios II 的連接在SoPC Builder 中完成。Nios II CPU 配置向?qū)峁┝艘粋€(gè)可添加256 條定制指令的圖形用戶界面，在該界面中導(dǎo)入設(shè)計(jì)文件，設(shè)置定制指令名，并分配定制指令所需的CPU 時(shí)鐘周期數(shù)目。系統(tǒng)生成時(shí)，Nios II IDE 為每條用戶指令產(chǎn)生一個(gè)在系統(tǒng)頭文件中定義的宏，可以在C 或C + + 應(yīng)用程序代碼中直接調(diào)用這個(gè)宏。

結(jié)語(yǔ)

本文的人臉檢測(cè)跟蹤系統(tǒng)利用32 位Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上完成設(shè)計(jì)， 減小了系統(tǒng)的體積， 而且在PC上開發(fā)的程序可移植到Nios Ⅱ處理器上，實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)。Nios 是性價(jià)比較高的微處理器軟核，可以方便地把用戶需要的接口和自定義的邏輯加入到系統(tǒng)中。本文介紹的方法體現(xiàn)了SoPC 嵌入式系統(tǒng)的靈活性。因此，這種方法能夠有效地縮短開發(fā)周期、 同時(shí)能夠延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期、 可以不斷地在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)設(shè)計(jì)。

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