基于DSP的人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉澤超

（1.太原理工大學(xué)， 山西　太原　030024；

2.太原重工工程技術(shù)有限公司， 山西　太原　030024）

引言

隨著視頻監(jiān)控近年來(lái)在中國(guó)的迅速普及，需要有一種能夠迅速識(shí)別身份的技術(shù)應(yīng)用于視頻監(jiān)控中，以便實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。人臉識(shí)別技術(shù)是一種基于人臉部特種信息來(lái)開(kāi)展識(shí)別身份工作的技術(shù)，擁有可采集性、穩(wěn)定性、唯一性與廣泛性等眾多優(yōu)點(diǎn)，用于身份識(shí)別的最佳選擇無(wú)疑是人臉識(shí)別技術(shù)。而傳統(tǒng)的人臉識(shí)別系統(tǒng)有許多缺點(diǎn)，如在要求便于安裝設(shè)備、要求人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)備體積較小的場(chǎng)合就不算非常的實(shí)用，而這是因?yàn)樵撓到y(tǒng)的采集人臉圖像與驅(qū)動(dòng)外部硬件的工作都是靠計(jì)算機(jī)完成，這套人臉識(shí)別系統(tǒng)是基于微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的。所以，為了更好地進(jìn)行人臉識(shí)別，有必要設(shè)計(jì)一個(gè)便于安裝的小型化人臉識(shí)別系統(tǒng)。

隨著科技技術(shù)的不斷進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣，硬件電路設(shè)備的信息數(shù)據(jù)處理速度也在不斷加快，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的優(yōu)勢(shì)也愈加明顯?；贒SP技術(shù)的人臉識(shí)別系統(tǒng)具有使用方便、微型化、拓展靈活、控制功能強(qiáng)、功耗低和體積小等眾多優(yōu)點(diǎn)。DSP在人臉識(shí)別系統(tǒng)中的應(yīng)用為其帶來(lái)新的發(fā)展機(jī)遇。

1　人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于DSP技術(shù)的人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要有兩部分，分別是硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)與軟件算法設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)方法如下。

1.1　人臉識(shí)別系統(tǒng)的硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行人臉識(shí)別檢測(cè)的工作中，離不開(kāi)以下三個(gè)步驟：人臉圖像采集；人臉圖像壓縮處理；人臉圖像顯示。

1.1.1　采集圖像

常見(jiàn)的圖像采集攝像頭有CCD傳感器攝像頭、基于USB的攝像頭、長(zhǎng)焦鏡頭、針孔鏡頭和廣角鏡頭等。而從成本和普及率角度考慮的話，人臉識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)選擇一款性價(jià)比高、普及率高的攝像頭，且像素值不能過(guò)低，方便軟件處理圖像。而為了滿足上述要求，可以選擇CCD傳感攝像頭。CCD傳感攝像頭能夠轉(zhuǎn)化圖像成YCbCr圖像，滿足人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

1.1.2　顯示屏

要選擇一個(gè)720*588像素值的顯示屏來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行顯示才能夠和攝像頭采集到的圖像相匹配。此外，對(duì)于顯示屏還要求顏色鮮艷、層次感強(qiáng)、對(duì)比度高、亮度好、具備能夠“主動(dòng)”準(zhǔn)確控制屏幕上的每一個(gè)像素點(diǎn)的功能，這樣可以大大地縮短系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。經(jīng)過(guò)反復(fù)斟酌，人臉識(shí)別系統(tǒng)最終選擇了一種有源的矩陣液晶顯示屏—薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管顯示屏，即TFT。盡管薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管顯示屏成本高且功耗大。但瑕不掩瑜，因?yàn)楸∧?chǎng)效應(yīng)晶體管顯示屏豐富的色彩與較高的對(duì)比度，最終仍舊采用薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管顯示屏。

1.1.3　DSP微處理器

一幅圖像中的數(shù)據(jù)量是非常大的，因此選擇一款優(yōu)秀的處理芯片，能夠較好地支持圖像的運(yùn)算匹配，經(jīng)過(guò)反復(fù)挑選，人臉識(shí)別系統(tǒng)最終選擇DM642處理器芯片。因?yàn)橐韵聨c(diǎn)原因：一是DM642處理器芯片支持8個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算單位同時(shí)進(jìn)行，并支持這8個(gè)獨(dú)立的運(yùn)算單位進(jìn)行并行執(zhí)行與數(shù)據(jù)不對(duì)齊儲(chǔ)存；二是DM642處理器芯片的芯片內(nèi)核采用的是的C6000系列，C6000系列芯片內(nèi)核擁有各種不同外設(shè)接口，最高可以達(dá)到600MH的z處理器頻率，采用的是哈佛體系的結(jié)構(gòu)；三是DM642處理器芯片擁有64個(gè)32位的寄存器，并且這個(gè)寄存器功耗極低；四是DM642處理器芯片擁有一個(gè)64位的存儲(chǔ)接口，能夠連接異步或是同步的外設(shè)存儲(chǔ)器；五是DM642處理器芯片上集成了3個(gè)端口進(jìn)行視頻的輸入、輸出，可以與通用視頻圖像解碼器無(wú)縫連接，還集成了一個(gè)鏈接口，可以用于音頻的輸入、輸出；六是DM642處理器芯片使用的是10/100 Mbps的以太網(wǎng)多媒體控制器電路、32位/66 MHz的PCI主從機(jī)接口電路與12C總線控制模板。通過(guò)上述6點(diǎn)我們可以看出，DM642處理器芯片可以較好地支持人臉圖像的運(yùn)算匹配，是用于人臉識(shí)別系統(tǒng)顯示屏的最佳選擇。

1.2　人臉識(shí)別系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件算法設(shè)計(jì)

人臉檢測(cè)算法與人臉識(shí)別算法是人臉識(shí)別系統(tǒng)軟件算法的主要兩種，前者是定位人臉位置，后者是在人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中，選擇出與檢測(cè)圖像最為匹配的人臉圖像。

1.2.1　人臉檢測(cè)算法

基于膚色的人臉檢測(cè)法同基于知識(shí)基于統(tǒng)計(jì)、基于模板匹配等人臉檢測(cè)算法相較而言，能夠在多姿態(tài)人臉、背景復(fù)雜的檢測(cè)情況下取得更好地檢測(cè)效果，還擁有計(jì)算速度快、計(jì)算量小等優(yōu)勢(shì)，所以在人臉檢測(cè)算法中，多采用基于臉部膚色信息算法。

基于臉部膚色的信息算法，第一要實(shí)現(xiàn)膚色分離，這個(gè)可以使用YCbCr顏色空間，第二要根據(jù)橢圓膚色模型，對(duì)人臉識(shí)別圖像開(kāi)展二值化處理工作，第三要對(duì)圖像中的小毛刺與孤立的點(diǎn)進(jìn)行消除，可以使用形態(tài)學(xué)濾波，第四要根據(jù)八連通方法來(lái)進(jìn)行人臉標(biāo)記，第五要利用矩形方框來(lái)對(duì)圖像中人臉?biāo)诘膮^(qū)域進(jìn)行識(shí)別標(biāo)記。

1.2.2　人臉識(shí)別算法

先對(duì)比分析輸入系統(tǒng)的人臉圖像和人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉圖像，再利用識(shí)別算法來(lái)確定輸入識(shí)別系統(tǒng)中的人臉圖像和人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖像是否匹配。具體順序是輸入圖像→圖像預(yù)處理→特征提取→人臉匹配→輸出識(shí)別結(jié)果，這便是人臉識(shí)別系統(tǒng)的人臉識(shí)別主要工作過(guò)程。其中圖像預(yù)處理使用圖像灰度化法，人臉特征提取算法使用基于小波變換的主成分分析法（PCA法，也叫做K-L變換），最后圖像間相似度的判斷使用距離分類器。

2　人臉識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

在完成相關(guān)的數(shù)據(jù)初始化設(shè)置之后，便可以開(kāi)啟攝像頭模塊。每次按下按鍵的時(shí)候，便會(huì)看見(jiàn)LED燈也會(huì)被點(diǎn)亮，同時(shí)在按鍵的時(shí)候，攝像頭便會(huì)對(duì)人臉圖像進(jìn)行一次采集，并且當(dāng)前的圖像會(huì)顯示在顯示屏上。而與此同時(shí)，通過(guò)EDMA通道將采集到的人臉圖像傳送到了計(jì)算機(jī)的RAM中，供之后的人臉圖像算法的使用。當(dāng)完成圖像采集工作之后，依次顯示一遍所采集的圖像，其中也包括有待識(shí)別的人臉圖像與訓(xùn)練庫(kù)中的人臉圖像，同時(shí)也會(huì)判斷采集到的人臉圖像是否滿足各項(xiàng)要求。最后是對(duì)比訓(xùn)練庫(kù)中的人臉圖像和待識(shí)別的人臉圖像，顯示屏上會(huì)顯示最為匹配的圖像。

在實(shí)現(xiàn)識(shí)別人臉的過(guò)程中，最先開(kāi)始嘗試存入人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中不戴眼鏡的人臉圖像和待識(shí)別的戴眼鏡的人臉圖像進(jìn)行識(shí)別的實(shí)驗(yàn)。進(jìn)過(guò)測(cè)試之后，發(fā)現(xiàn)基于DSP的人臉識(shí)別系統(tǒng)可以在時(shí)間較短的情況得出較好的識(shí)別效果。此外，在臉部偏轉(zhuǎn)、表情不正常、光照不正常的情況下，該系統(tǒng)的人臉圖像采集與識(shí)別的測(cè)試結(jié)果如下：一是被采集、測(cè)試對(duì)象是否配戴眼鏡對(duì)于人臉識(shí)別結(jié)果并沒(méi)有什么影響；二是當(dāng)光線較亮或是太暗的時(shí)候，對(duì)人臉識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果有較大影響；三是在識(shí)別對(duì)象的面部表情出現(xiàn)變化的時(shí)候，人臉識(shí)別系統(tǒng)仍舊能夠得到較好的識(shí)別結(jié)果；四是當(dāng)人臉識(shí)別對(duì)象的面部偏轉(zhuǎn)角度不超過(guò)20°的時(shí)候，對(duì)于人臉識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別結(jié)果基本不構(gòu)成影響。

3　結(jié)論

通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析能夠得到以下結(jié)論：基于DSP的人臉識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于識(shí)別對(duì)象面部偏轉(zhuǎn)一定角度、配戴眼鏡、表情變化都可以取得較為令人滿意的人臉識(shí)別效果，這同時(shí)也說(shuō)明了設(shè)計(jì)的此套人臉識(shí)別系統(tǒng)具備可靠的功能性。

人臉識(shí)別系統(tǒng)主體采用DSP芯片設(shè)計(jì)的人臉識(shí)別系統(tǒng)對(duì)于識(shí)別對(duì)象面部偏轉(zhuǎn)一定角度、配戴眼鏡、表情變化都可以取得較為令人滿意的人臉識(shí)別效果。此外，該系統(tǒng)還具備眾多優(yōu)點(diǎn)，如成本低、便于安裝維護(hù)、反應(yīng)速度快、識(shí)別成功率高和性能穩(wěn)定，因此擁有較強(qiáng)的應(yīng)用前景。

[1]王超.基于DSP的人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)[J].唐山學(xué)院學(xué)報(bào)，2017，30（3）：67-69.

[2]盧春雨.基于區(qū)域特征的快速人臉檢測(cè)法[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1999（1）：101-105.

[3]周鵬飛.基于嵌入式人臉采集前端的人臉識(shí)別系統(tǒng)研究[J].信息化研究，2013（6）：19-22.