基于Nios Ⅱ軟核處理器和FPGA實現(xiàn)人臉檢測跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

人臉檢測跟蹤是計算機視覺中十分重要的研究領(lǐng)域，正受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)基于PC平臺的人臉檢測跟蹤系統(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)，外圍電路較復雜，設(shè)計與調(diào)試都需要較長的時間，且系統(tǒng)的可擴展性和移植性不好。利用32位Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上完成設(shè)計，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，保證了較好的實時性。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，能使系統(tǒng)功能升級和增強。

系統(tǒng)組成及工作原理

人臉檢測跟蹤系統(tǒng)根據(jù)具體應用場合可以定制為不同的功能，而且不同的功能只需要在Nios中寫入相應的C語言程序即可，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跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文設(shè)計的人臉檢測跟蹤系統(tǒng)主要包括三個模塊：圖像采集模塊，人臉檢測跟蹤模塊以及數(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SRAM。本系統(tǒng)采用的圖像傳感器是OV7620，OV7620是美國OmniVision 公司開發(fā)的1/ 3英寸，30 萬像素CMOS 彩色圖像傳感器，該芯片將CMOS 光感應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)相應的寄存器進行選擇。

人臉檢測跟蹤模塊

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個邏輯單元（LE），1944576 bit的RAM，10個DSP模塊，6個數(shù)字鎖相環(huán)（DPLL），用戶可用的I/O最多達到702個。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SRAM 控制器的用戶邏輯模塊。這正體現(xiàn)了Nios 的優(yōu)勢，將很多資源集中在FPGA中為設(shè)計PCB 帶來了便利， 而且對系統(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)掉電的情況下存儲程序和數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)通信模塊

根據(jù)實際情況選擇用以太網(wǎng)或GPRS把人臉檢測跟蹤后的結(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進行通信。同時，如果用戶需要，也可以直接在LCD上顯示。

圖1 基于Nios Ⅱ軟核的人臉檢測系統(tǒng)設(shè)計

人臉檢測跟蹤算法的實現(xiàn)

在實現(xiàn)人臉檢測跟蹤算法之前，圖像的預處理很重要。圖像預處理主要有噪聲濾除和圖像增強，提高圖像的質(zhì)量。本系統(tǒng)采用中值濾波進行噪聲濾除。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，還能保護邊界信息。圖像增強技術(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，實際的人臉檢測系統(tǒng)采用圖像增強來消除光照影響。

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，提高人臉檢測的準確性，還可以保證檢測與跟蹤的實時性。大量實驗表明，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。

（1）根據(jù)公式

可將圖像轉(zhuǎn)化為一個二值圖像，其中白色像素點為膚色點，黑色像素點為非膚色點。由于頭部與背景的相對運動，差分幀法是運動圖像分析的有效方法。它檢測圖像序列相鄰兩幀之間的變化，即直接比較兩幀圖像對應像素點的灰度值。幀與幀之間的變化可用一個二值差分圖像表示：

（2）式中的T是閾值

使用Nios II 的定制指令，可以將一個復雜的標準指令序列簡化為一個用硬件實現(xiàn)的單一指令，從而簡化系統(tǒng)軟件設(shè)計并加快系統(tǒng)運行速度。在人臉檢測跟蹤算法中，對圖像的處理數(shù)據(jù)運算量大，循環(huán)數(shù)目多，而Nios II 的定制指令個數(shù)已增加到256個，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€可添加256 條定制指令的圖形用戶界面，在該界面中導入設(shè)計文件，設(shè)置定制指令名，并分配定制指令所需的CPU 時鐘周期數(shù)目。系統(tǒng)生成時，Nios II IDE 為每條用戶指令產(chǎn)生一個在系統(tǒng)頭文件中定義的宏，可以在C 或C + + 應用程序代碼中直接調(diào)用這個宏。

結(jié)語

本文的人臉檢測跟蹤系統(tǒng)利用32 位Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上完成設(shè)計， 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，實現(xiàn)了片上系統(tǒng)。Nios 是性價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、 同時能夠延長產(chǎn)品的生命周期、 可以不斷地在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進行升級設(shè)計。

責任編輯：gt