基于FPGA平臺的人臉識別系統(tǒng)的實現(xiàn)

摘 要：本項目從基于PCA算法的人臉識別出發(fā)，采用了FPGA和Android智能終端結(jié)合構(gòu)建了人臉識別的測試平臺。選用Android終端來采集人臉圖像數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA作為后臺算法處理平臺測試和驗證算法。測試結(jié)果識別率準(zhǔn)確，效果良好。

關(guān)鍵詞：FPGA；PCA；人臉識別；特征臉

一、引言

傳統(tǒng)類似身份證或磁卡的人員識別方法，易遺失，易于偽造，無獨特性。所以現(xiàn)演化成虹膜、人臉、指紋以及聲紋等識別方式，這些生物特征不易遺失，安全性更高。其中人臉識別的過程速度快[1]，而且有非接觸性，屬于非侵犯性的識別方法。透過以上比較各種識別方式，本項目將選用人臉識別來進(jìn)行研究。

二、基于PCA的人臉識別方法

PCA（Principal Component Analysis））：主要用于數(shù)據(jù)處理過程中降低資料的維度，并使得原始數(shù)據(jù)所表達(dá)的信息得以保留。這被有效的運用于人臉識別中的特征提取[2]。基于PCA的人臉識別算法的工作過程包含多個步驟，各步驟的作用如下：

（一）創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫過程包括圖像灰度化和降維。

1、讀入人臉數(shù)據(jù)

進(jìn)行人臉的灰度化，如圖1所示。

2、人臉圖像降維處理

人臉圖像通常以二維方式進(jìn)行存儲，為提升識別效率，需進(jìn)行降維處理，將其由二維轉(zhuǎn)換成一維，過程如下：先獲得人臉圖像的大小，然后進(jìn)行行轉(zhuǎn)置處理，在此以列為對象獲得灰度值，從而可得到對應(yīng)的一維向量[3]。

（二）計算特征臉

獲得特征臉時，對降維之后的人臉矩陣規(guī)范化，如圖2所示。其次進(jìn)行協(xié)方差計算，從而得到特征向量形成特征臉。

（三）人臉識別過程

人臉識別需要對待測圖像進(jìn)行分析、識別，以此獲得特征向量，然后將其與特征庫中特征進(jìn)行投影，目的在于計算各特征之間的距離值，該值是選擇識別結(jié)果的基礎(chǔ)，一般選擇值最小的人臉圖像作為識別結(jié)果。

三、基于FPGA的人臉識別過程

本項目采用Android智能終端和FPGA相結(jié)合的方式實現(xiàn)基于FPGA的人臉識別，如圖3所示。

由圖4可知人臉識別流程，說明如下：

（1）由Android終端進(jìn)行人臉數(shù)據(jù)采集，F(xiàn)PGA作為PCA算法處理平臺測試和驗證算法。

（2）在FPGA平臺上將對人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括二值化、腐蝕和膨脹處理。

（3）從預(yù)處理后的人臉圖像中提取人臉特征，形成特征臉向量。

（4）通過AXI總線協(xié)議將特征向量傳輸?shù)紸RM，由ARM進(jìn)行人臉對比。

（5）在RAM中通過與人臉庫的對比獲得匹配結(jié)果，結(jié)果由Android終端顯示。

四、人臉識別系統(tǒng)應(yīng)用

為了實現(xiàn)人臉圖像采集的方便性和識別結(jié)果顯示的直觀性，本項目采用了Android終端作為了圖像抓取終端和顯示終端。

現(xiàn)將該應(yīng)用的功能介紹如下：

（一）人臉數(shù)據(jù)注冊

利用Android終端的攝像頭進(jìn)行人臉圖像抓取并注冊，目的是將待測人臉加入人臉庫中，同時錄入人臉的對應(yīng)姓名，用于識別成功后的顯示，也是啟動人臉識別的基礎(chǔ)。若沒有注冊人臉，將無法進(jìn)行識別。

（二）人臉識別

通過人臉識別界面的start按鈕，啟動人臉識別。將Android讀取的待測人臉轉(zhuǎn)換為FPGA可讀取的信息，傳輸?shù)紽PGA板以啟動人臉識別。

（三）識別結(jié)果的顯示

在識別完成后，F(xiàn)PGA把結(jié)果傳輸?shù)紸ndroid進(jìn)行顯示。若識別成功，將顯示人臉注冊時的姓名，如圖4（a）所示顯示待測人臉的姓名為“程遙”；若識別失敗，則顯示“查無此人”。

為驗證人臉識別算法的有效性，以及基于FPGA系統(tǒng)的能否正常運行，本項目設(shè)置了多個測試策略，以下對各測試策略進(jìn)行詳細(xì)說明。

將待測人臉進(jìn)行注冊之后，現(xiàn)將進(jìn)行非正常情況下的測試，例如側(cè)面角度和遮擋人臉部分特征情況下測試能否識別成功，其測試結(jié)果如圖4（b）（c）所示，與預(yù)期結(jié)果一致。

（a） Android終端界面 （b）有遮擋時識別結(jié)果顯示 （c）側(cè)臉時識別結(jié)果顯示

五、總結(jié)

（1）當(dāng)人臉圖像未注冊而直接進(jìn)行識別時，界面顯示查無此人，結(jié)果正確。

（2）當(dāng)待測人臉注冊后進(jìn)行識別，識別成功后會再界面顯示人臉對應(yīng)的姓名，同時在對人臉特征有部分遮蓋的情況下，識別結(jié)果也正確。

（3）在進(jìn)行了人臉識別速度進(jìn)行了測試，人臉識別速度與人臉圖像庫中人臉數(shù)量成正比關(guān)系。本項目測試了200張人臉圖像，其識別平均速度為0.932秒。

參考文獻(xiàn)：

[1]章毓晉.圖像處理[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007：87-89

[2]程自龍，雷秀玉.基于K-L變換（PCA）的特征臉人臉識別方法綜述[J].中國圖像圖形學(xué)報，2010，20（22）：15-18.

[3]倪世貴，白寶剛.基于PCA的人臉識別研究[J].現(xiàn)代計算機，2011，23（42）：20-22

作者簡介：

程遙（1983-），女，漢，四川成都人，講師，研究生，主要研究方向為電子信息技術(shù)。