毕业设计论文人脸识别系统硬件平台.docx
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毕业设计论文人脸识别系统硬件平台
[摘要]本论文讨论了人脸识别的硬件平台的搭建。
人脸识别的硬件系统主要包括三个模块:
图像采集模块、图像处理模块和数据输出模块。
图像采集模块主要由摄像头和图像专用数模转换电路组成。
专用图像A/D有三个模拟输入端分别接摄像头的R、G、B,分别转换摄像头输出的三种颜色的模拟信号。
由于采集的图像是实时的,所以转换后的数据量非常大,系统使用了两路SRAM,组成“乒乓”式存储方式,采集的图像数据先缓存到其中一个SRAM中,当第一个SRAM存满后立即由FPGA切换到另外一个SRAM中,同时第一个SRAM就会经FPGA被读到DSP中进行处理,DSP把处理过的结果即人脸的生物特征值保存在FLASH存储器中,并把采集来的图像转换到VGA设备上以便实时显示采集到的图像内容,以作监视用。
控制信号主要是系统对人脸识别正确与否时的相应提示信号,如语音等。
关键词:
人脸识别,数字信号处理器(DSP),现场可编程逻辑门阵列(FPGA),图像采集
Abstract:
Thisthesisdiscussesthehardwareplatformstructuresoffacerecognition.Thehardwaresystemoffacerecognitionconsistsofthreemainmodules:
imageacquisitionmodule,imageprocessingmoduleandthedataoutputmodule.Imageacquisitionmodulemainlyconsistsofcameraandspecialdigital-to-analogconvertercircuitofimages.Specialdigital-to-analogconvertercircuitofimagesincludesthreeanaloginputterminalsthatwerereceivedR,G,Bofcamera,andwereconvertedoutputofthethreecolorsoftheanalogsignaltodigitalsignalseparately.Becausetheimageisacollectionofreal-time,theconversionofdataisverylarge,thesystemusestwopartsofSRAM,formeda"ping-pong"memory,theimagedatacollectionfirstlygotoacacheSRAM,whenthefirstoneisfull,theimagedataswitchtoanotherSRAMbyFPGAimmediately.MeanwhilethefirstSRAMwillbereadthroughFPGAbytheDSPprocessing,DSPstoretheresultofthefacevalueofbiologicalcharacteristicsintheFLASHmemory,andconverttheimageacquisitiontotheVGAforreal-timeprocessingofimagecontent,touseforsurveillance.Controlsignalismainlythefacerecognitionsystemtocorrectthecorrespondingpromptsignals,suchasspeech.
Keywords:
FaceRecognition,DigitalSignalProcessing,FieldProgrammableGateArray,
ImageAcquisition
1绪论
1.1人脸识别技术
计算机人脸自动识别技术是利用计算机分析人脸图像,从中提取有效的识别信息,用来辨识身份的一门技术,它涉及到模式识别、图像处理、计算机视觉、生理学、心理学及认知学等诸多学科的知识。
人脸识别技术与指纹识别、虹膜识别等其他基于生物特征的识别技术相比,有其独特的方便性、非接触性及准确性。
人脸识别已成为当前模式识别和人工智能研究领域的一个重要课题,在公安刑侦中的罪犯身份识别、身份证件的验证、银行及海关等重要场所的监控、自动门禁系统等领域有着广泛的应用。
人脸识别包括动态人脸识别和静态人脸识别。
人脸识别的过程一般可以描述为:
给定一个静止或动态图像,利用已有的人脸数据库来确认图像中一个或多个人。
目前较多的研究针对的是静态人脸识别,但动态人脸识别相比静态人脸识别有更广阔的应用前景,已成为这一领域发展的一个趋势。
1.1.2本课题研究的内容
由于本课题只研究人脸识别的硬件平台的搭建,关于非常复杂的人脸识别算法,则没有深入地考虑,这便于把更多的精力放在系统硬件平台的设计上。
1.1.3DSP技术在图像处理中的应用
随着DSP(DigitalSignalProcessing,数字信号处理)技术的迅速发展,应用DSP的领域也越来越广泛。
DSP芯片的诞生更是推动了DSP技术在通信、计算机、自动控制、图像处理等领域的大量应用与发展。
目前高性能的硬件图像处理系统基本上都是基于DSP芯片的。
DSP芯片一般具有如下一些主要特征:
(1)在一个指令周期内可完成一次乘加运算;
(2)程序和数据空间分开,可以同时访问指令和数据;
(3)片内的快速RAM通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问;
(4)具有低开销或无开销的循环和跳转硬件支持;
(5)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器;
(6)可以并行执行多个操作;
(7)支持流水线操作,使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
这些特点决定了DSP芯片具有快速处理数据运算的能力。
随着高性能DSP芯片的不断推出,DSP系统开发已经成为控制与实时处理领域发展的一个新热点。
而图像处理领域对于处理速度的要求也越来越高,例如监控系统的处理要求能够实时完成,工厂中的生产线在线检测系统也要求能尽可能快地处理图像数据,总之在图像处理系统特别是动态处理系统中,处理速度始终是衡量性能的一个重要指标。
DSP芯片由于其特殊的硬件结构,具备强大的数据处理功能,并且处理速度很快,因此对图像处理有速度要求的系统可以广泛应用DSP芯片来实现。
2人脸识别系统硬件平台的方案设计
2.1系统硬件平台的方案比较
目前的图像处理主要有基于PC微机的软件处理与硬件处理两种实现途径。
基于PC微机进行的图像处理主要是运用软件对图像进行处理,其性能很大程度上依赖于软件算法的优劣以及CPU的处理能力,并且速个系统体积庞大,成本较高,而基于硬件的图像处理则没有这些缺点,本文就是研究人脸识别的硬件平台的设计。
方案一:
基于可编程逻辑器件FPGA的嵌入式系统,在FPGA中嵌入微处理器和相关外围电路来实现对图像的采集、处理、识别等功能。
但算法处理并不是可编程逻辑的强项,因此用这种方式实现图像处理系统难度较大。
方案二:
采用DSP+FPGA组成系统
采用DSP+FPGA系统,进行图像处理和各种算法的实现,FPGA电路与DSP相连,利用DSP处理器强大的I/O功能实现系统内部的通信。
从DSP角度看,FPGA相当于它的宏功能协处理器。
外围电路辅助核心电路进行工作。
DSP和FPGA各自带有RAM,用于存放处理过程所需要的数据及中间结果。
FLASHROM中存储了DSP执行程序和FPGA的配置数据。
这种设计方式比较灵活,并且DSP芯片处理数据的能力相对较强,由于其特殊的硬件结构,具备强大的数据处理功能,并且处理速度很快,在图像处理中可以充分发挥其特点。
DSP+FPGA系统最大优点是结构灵活,有较强的通用性,适合于模块化设计,从而能够提高算法效率;同时其开发周期较短,系统容易维护和扩展,适合实时信号处理。
考虑图像的数据流非常庞大,而且对速度要求也很高,所以选择第二种方案。
2.2系统设计中的关键问题
(1)由于系统比较复杂,对硬件的各种要求比较高,所以系统对各种芯片型号的选择尤其重要,需要非常全面地考虑。
(2)电源电路:
系统中会出现各种芯片的工作电压不同,所以要有不同的电源转换电路,还要考虑模拟部分与数字部分间的相互干扰问题。
(3)系统的硬件需要合理地布局,并且要考虑(EMC)电磁兼容的问题等。
2.2.1DSP的发展
数字信号处理DSP(DigitalSignalProcessing)是一门跨学科、应用面广的新兴学科。
随着计算机技术的发展,DSP技术得到了广泛的应用。
数字信号处理器DSP(DigitalSignalProcessors)目前己经成为很多领域嵌入式系统的核心器件,用来快速处理数字化信号,如音频、视频和传感器信号。
DSP可以对数字信号流执行快速的数学运算,其运算能力是普通处理器所无法比拟的。
这些数学运算包括简单的加、减法和乘法以及复杂的滤波算法和信号分析算法如快速傅立叶变换FFT(FastFourierTransforms)和离散余弦变换DCT(DiscreteCosineTransforms)。
其特点是实时、快速、数据运算量大。
1978年AMI公司发布了世界上第一个单片DSP芯片S2811,DSP芯片发展的一个重要里程碑1979年美国lintel公司发布的商用可编程器件2920。
这两种芯片内部都没有现代DSP芯片所必须具备的单周期芯片。
第一个具有乘法器的商用DSP芯片是1980年日本NEC公司推出的CPD7720。
第一个采用CMOS工艺生产浮点DSP芯片的是日本的Hitachi公司,其1982年推出的浮点DSP芯片使DSP处理的吞吐量发生了一个大的飞跃。
1983年日本Fujitsu公司推出的MB8764,其指令周期为120ns,具有双内部总线。
第一个高性能的浮点DSP芯片是AT&T公司1984年推出的DSP32。
在众多的DSP芯片种类中,最成功的是美国德克萨斯仪器公司TI(TexasInstruments)的系列产品。
TI公司在1982年成功推出启迪一代DSP芯片TMS32010及其系列产品TMS32011,TMS32C10/C14/C15/C16/C17等之后相继推出了第二代DSP芯片TMS32020,TMS320C25/C26/C28,第三代DSP芯片TMS32C30/C31/C32,第四代DSP芯片TMS32C40/C44,第五代DSP芯片TMS32C50/C51/C52/C53以及集多个DSP于一体的高性能DSP芯片TMS32C80/C82等。
自1980年以来,DSP芯片的发展可谓突飞猛进,DSP芯片的应用也越来越广泛。
从运算速度来看,MAC(一次乘法和一次加法)时间已经从80年代初的400ns(如TMS32010)降低到0.25ns(如TMS32C6414),处理能力提高了1600多倍。
DSP芯片的引脚数量从1980年的最多64个增加到现在的200个以上,封装形式也有所变化,引脚数目多的大都采用BGA封装。
引脚数量的增加,意味着结构灵活性的增加。
此外DSP芯片的发展,使DSP系统的成本、体积、重量和功耗都有很大程度的下降。
TMS320DSP系统发展历程如图2.2.1所示:
图2.2.1DSPTMS320系列发展历程
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