基于嵌入式平臺(tái)和OPENCV的人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張俊+李鑫+趙莎莎+鄧碩辰

摘要：該文設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式平臺(tái)的人臉識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用S3C2440A作為微處理器，以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)，QT為界面編輯語言，對(duì)攝像頭采集的圖像進(jìn)行分析處理。通過移植OpenCV視覺函數(shù)庫，調(diào)用PCA算法的相關(guān)庫函數(shù)完成人臉圖像的檢測(cè)與識(shí)別。具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：S3C2440A；QT；人臉識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）04-0195-03

Face Recognition System Design Based On Embedded Platform And OPENCV

ZHANG Jun， LI Xin， ZHAO Sha-sha， DENG Shuo-chen

（College of Information Engineering， Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024）

Abstract： In this paper， we design a face recognition system based on embedded platform， the system adopts the S3C2440A as microprocessor， based on embedded Linux operating system， QT is the interface editor language， analysis image which getting from camera. It complete face image detection and recognition by transplanting OpenCV vision function library and calling library function related PCA algorithm. It has strong practical value.

Key words： S3C2440A；QT；face recognition

如今， 生物特征識(shí)別技術(shù)正作為IT行業(yè)熱門的技術(shù)革新手段，應(yīng)用需求廣泛。在各種生物特征識(shí)別技術(shù)中，人臉識(shí)別技術(shù)以其非強(qiáng)制性、非接觸性、并發(fā)性和普遍性的特點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用。以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)的各種智能設(shè)備使用量劇增，但在嵌入式系統(tǒng)上增加人臉識(shí)別功能，開發(fā)周期長(zhǎng)，難度大。OpenCV是一個(gè)良好的跨平臺(tái)計(jì)算機(jī)視覺庫，資源豐富，將兩者結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別能夠有效提高開發(fā)效率。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1硬件組成

系統(tǒng)采用的微控制器是三星公司推出的S3C2440A，運(yùn)用ARM920T內(nèi)核，具有性能高、功耗低、成本低的特點(diǎn)。LCD顯示屏，采用支持4K色STN、分辨率為480*272的顯示屏。USB攝像頭，通過V4L2接口與主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)圖像采集。V4L2是一種由Linux內(nèi)核提供的可供用戶編寫驅(qū)動(dòng)程序后使用的編程接口，通過控制API即可靈活地完成攝像頭對(duì)整個(gè)圖像采集的過程。

1.2軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括人臉庫的錄入和人臉庫的匹配兩部分組成，人臉錄入便于盡快采集樣本數(shù)據(jù)，方便檢測(cè)系統(tǒng)識(shí)別的精度。同時(shí)提取特征值形成特征臉空間并進(jìn)行存儲(chǔ)。人臉匹配通過將攝像頭采集的數(shù)據(jù)投影到特征臉空間，并與存儲(chǔ)器中每一幅圖像進(jìn)行匹配，得到檢測(cè)結(jié)果。軟件流程圖如圖2所示：

1.3 基本原理

在人臉識(shí)別算法上，我們使用了當(dāng)前最廣泛使用的PCA算法，即主成分分析法（Principal Component Analysis），是通過協(xié)方差矩陣來對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行抽取主要特征維度的一種方法 ，可以把富含高維度的信息，投射到低的維度空間，進(jìn)而可以通過對(duì)低維度的描述，來表示事物的主要方面。

1.3.1 PCA主成分分析

人臉識(shí)別的過程，是把人臉樣本表征為向量，通過構(gòu)造出的特征臉子空間，求出平均向量即平均臉，計(jì)算訓(xùn)練集對(duì)于平均臉的偏差、協(xié)方差矩陣特征值與特征向量，并選取N個(gè)最大特征值表征人臉維數(shù)。

1.3.2人臉檢測(cè)與識(shí)別

采用最短歐式距離作為判定準(zhǔn)則，在錄入圖像的向量空間中尋找與特征空間最為相近的樣本，若此距離小于設(shè)定閾值，則系統(tǒng)判定人臉身份，否則拒絕陌生用戶的登錄申請(qǐng)。

采集圖像矩陣與每個(gè)訓(xùn)練圖像特征臉矩陣的歐氏距離為：

[εi2=τ-τ0T2]

通過[εi]與指定閾值[κ]的大小比較，來確定該圖像是否被識(shí)別。

2 系統(tǒng)開發(fā)

2.1 嵌入式操作系統(tǒng)構(gòu)建

Linux內(nèi)核的嵌入式系統(tǒng)的構(gòu)建，主要分為Bootloader的移植，Linux內(nèi)核的配置與移植，文件系統(tǒng)的構(gòu)建與移植，應(yīng)用程序的移植。主要流程圖如圖3所示?；谇度胧降娜四樧R(shí)別系統(tǒng)的Bootloader采用Uboot對(duì)操作系統(tǒng)的啟動(dòng)進(jìn)行引導(dǎo)。Bootloader與文件系統(tǒng)均采用開發(fā)板原機(jī)所帶，故重點(diǎn)對(duì)內(nèi)核的配置，應(yīng)用軟件的編寫與移植進(jìn)行重點(diǎn)介紹。

2.2 內(nèi)核配置

2.2.1內(nèi)核簡(jiǎn)介

內(nèi)核是操作系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核負(fù)責(zé)管理系統(tǒng)的進(jìn)程、內(nèi)存、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、文件和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)核也具有以上功能。Linux是開源系統(tǒng)，在裁剪其系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)更為方便，使系統(tǒng)的體積更小。通過配置內(nèi)核，支持所需要的外圍硬件設(shè)備。通過Redhat圖形界面使內(nèi)核支持NAND和yaffs2，掛載文件系統(tǒng)；也使內(nèi)核支持基本的外圍設(shè)備，便于數(shù)據(jù)顯示和采集。

2.2.2配置過程

下載操作系統(tǒng)內(nèi)核linux-2.6.31.tar.gz源碼，解壓并進(jìn)入源碼目錄，打開圖形界面進(jìn)行配置：

1支持NAND和yaffs2，掛載文件系統(tǒng)

修改arch/arm/plat-s3c24xx/common-

smdk.c文件使支持NAND并且配置內(nèi)核支持yaffs2，如下：

File systems --->

DOS/FAT/NT Filesystems --->

<*> MSDOS fs support

<*> VFAT （Windows95） fs support

Miscellaneous filesystems --->

<*> YAFFS2 file system support

[*] Autoselect yaffs2 format

2基本外圍設(shè)備的配置

配置內(nèi)核，支持 LCD：

Device Drivers：

Graphics Support --->

<*>support for frame buffer devices --->

[*] Enable frameware EDID

[*] Enable Vidoe Mode Handling Helpers

<*> S3C24X0 LCD framebuffer support

Console display driver support --->

<*> Framebuffer Console Support

[*] Bootup Logo --->

<*> Standard 224-color Linux logo

啟動(dòng)時(shí)輸出：

Console： switching to colour frame buffer device 40x30

fb0： s3c2410fb frame buffer device

3配置內(nèi)核，支持 USB 攝像頭：

Device Drivers --->

<*> Multimedia support --->

<*> Video For Linux

[*] Enable Video For Linux API 1 （DEPRECATED）

[*] Video capture adapters --->

[*] V4L USB devices --->

<*> USB Video Class （UVC）

[*] UVC input events device support

[*] GSPCA based webcams --->

2.3 OpenCV的編譯與應(yīng)用

2.3.1 OpenCV的編譯

OpenCV是一個(gè)開源的計(jì)算機(jī)視覺庫，支持跨平臺(tái)運(yùn)行，利用特定的平臺(tái)編譯器編譯使得OpenCV可以運(yùn)行在不同的平臺(tái)?；谇度胧降娜四樧R(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式Linux系統(tǒng)。利用ARM-Linux-Gcc編譯OpenCV需要做以下工作。

① 準(zhǔn)備環(huán)境變量

#export OPENCV_BUILD_DIR=/home/openCV/install

② 解壓OpenCV

#tar xjf OpenCV-2.0.0.tar.bz2

③ 軟件包進(jìn)行配置

#cd OpenCV-2.0.0

#./configure --host=arm-linux --without-gtk --without-carbon --without-quicktime --without-1394libs --without-ffmpeg --without-python --without-swig --disable-static --enable-shared --disable-apps CXX=arm-linux-g++ --prefix=$OPENCV_BUILD_DIR/install --libdir=$OPENCV_BUILD_DIR/install/lib -includedir=$OPENCV_BUILD_DIR/install/include

④ OpenCV進(jìn)行編譯

#make

⑤ OpenCv進(jìn)行安裝

#make install

2.3.2 OpenCV的移植與應(yīng)用

將編譯好的OpenCV庫移植到開發(fā)板的根文件系統(tǒng)的/usr/lib目錄中。圖像采集和圖像處理利用OpenCV函數(shù)進(jìn)行編寫，運(yùn)行時(shí)依賴移植后的庫運(yùn)行。在QT程序中嵌入依賴OpenCV庫的人臉識(shí)別程序，在編譯Qt程序時(shí)需要在Makefile文件中進(jìn)行以下設(shè)置。

1 添加OpenCV頭文件路徑

-I/home/openCV/install/install/include/opencv

2 添加openCV庫文件路徑

-L/home/openCV/install/install/lib -lm -lcv -lcvaux -lcxcore -lhighgui -lml -lpthread -ljpeg -lrt -lcxcore -lz

2.4 QT編寫人臉識(shí)別程序

Qt是跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，既可以用來開發(fā)GUI程序，也可用于開發(fā)非GUI程序。QT具有優(yōu)良的跨平臺(tái)特性，支持多種操作系統(tǒng)，多用于嵌入式系統(tǒng)的顯示界面。

由于基于嵌入式的人臉識(shí)別系統(tǒng)需要在上位機(jī)Linux平臺(tái)和ARM平臺(tái)利用QT顯示，所以需要分別利用特定的編譯器編譯QT和Qt Embedded，前者編譯后可以在上位機(jī)平臺(tái)使用，后者可以在上位機(jī)平臺(tái)用交叉編譯器編譯，將編譯后的庫移植到ARM平臺(tái)的根文件系統(tǒng)中，就可以在ARM平臺(tái)成功運(yùn)行QT程序。顯示界面通過Qt Creator 中集成的Qt Designer工具進(jìn)行與開發(fā)板顯示屏大小匹配的界面設(shè)計(jì)，界面包含三個(gè)Label標(biāo)簽，將采集到的圖像放入其中一個(gè)Label標(biāo)簽進(jìn)行顯示，并對(duì)界面進(jìn)行刷新。進(jìn)行人臉識(shí)別后的結(jié)果顯示在另外兩個(gè)標(biāo)簽上，其中一個(gè)標(biāo)簽放入動(dòng)態(tài)采集的人臉圖片，另外一個(gè)標(biāo)簽顯示從樣本庫中選取的識(shí)別結(jié)果，如圖6所示。

3 結(jié)束語

開源庫可以很好的移植到嵌入式操作系統(tǒng)上，利用OpenCV開源庫使人臉識(shí)別技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)上得以實(shí)現(xiàn)，并借助QT顯示界面使圖像采集和識(shí)別結(jié)果得以顯示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，界面簡(jiǎn)潔，使用方便，易于移植，軟硬件搭配合理，根據(jù)需要裁剪系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的各方面優(yōu)點(diǎn)。而且可以應(yīng)用在各門禁系統(tǒng)，考勤，圖片歸檔，身份驗(yàn)證，公共安全等多種場(chǎng)合。

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