淺析人臉識(shí)別系統(tǒng)的中的DSP硬件平臺(tái)

肖英楠，楊 明

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川成都 614000

淺析人臉識(shí)別系統(tǒng)的中的DSP硬件平臺(tái)

肖英楠，楊 明

成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川成都 614000

人臉識(shí)別是模式識(shí)別領(lǐng)域中一個(gè)相當(dāng)網(wǎng)難又具有重要理論價(jià)值和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究課題，在身份鑒別、人機(jī)交互和視覺(jué)監(jiān)控等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。在DSP平臺(tái)上就人臉識(shí)別系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行探討，并對(duì)程序進(jìn)行了優(yōu)化，保證了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

人臉識(shí)別；DSP；硬件平臺(tái)；軟件設(shè)計(jì)；優(yōu)化

0 引言

生物特征鑒別技術(shù)是利用人體特有的生理特征來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別的一種技術(shù)，它提供了一種高可靠性，高穩(wěn)定性的身份鑒別途徑[1,2]。本文主要就人臉識(shí)別系統(tǒng)的中的DSP硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 DSP硬件平臺(tái)的構(gòu)成

本設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)采用的是北京瑞泰刨新科技有限責(zé)任公司的圖像處理工具箱：ICETEK-C6711—IDK。其主要組成為：ICETEK—C6711圖像處理板，CCD攝像頭LCD液晶顯示器。ICETEK—C6711圖像處理板包括USB板和M板。

1.1 USB板(系統(tǒng)的主板)

主要功能是通過(guò)擴(kuò)展總線(xiàn)與子板(M板)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的交流；完成圖像數(shù)據(jù)的處理。主要構(gòu)成是：1）基于Ti公司的TMS320C6711DSP的數(shù)據(jù)處理模塊；2）256MBit 100MHz的SDRAM，8MBit可編程可擦寫(xiě)只讀存儲(chǔ)器；3）并行端口控制器，通過(guò)并行端口的嵌入式內(nèi)置仿真或外部仿真器仿真；4）7個(gè)指示燈和4個(gè)用戶(hù)自定義開(kāi)關(guān)等模塊構(gòu)成。

1.2 M板(子板)

M板的豐要完成圖像的采集，存儲(chǔ)，顯示，并不進(jìn)行任何數(shù)據(jù)的處理。它的主要構(gòu)成有：1）PAL/NTSC標(biāo)準(zhǔn)圖像輸入模塊。視頻輸入模塊的任務(wù)是對(duì)輸入的模擬視頻信號(hào)進(jìn)行采樣并數(shù)字化。系統(tǒng)中使用Philips的SAA7113視頻解碼芯片來(lái)采集模擬視頻信號(hào)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)；2）數(shù)字圖像的存儲(chǔ)控制模塊。圖像的存取由Xilinx公司的10萬(wàn)門(mén)FPGA來(lái)控制。存儲(chǔ)器是兩塊2M×32bit的SDRAM，可以存儲(chǔ)4幅以上的圖像；3）圖像輸出模塊。圖像的輸出也有兩模式：VGA模式和PAL/NTSC模式，默認(rèn)的方式是PAL/NTSC。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

與系統(tǒng)的硬件組成一樣，軟件構(gòu)架也可以分為：圖像采集系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)以及圖像顯示系統(tǒng)4個(gè)模塊。由于本文采用的圖像處理工具箱已經(jīng)完成了圖像的采集／顯示模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，因此，本文的件設(shè)計(jì)工作重點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)圖像處理模塊。對(duì)于基于人臉識(shí)別的門(mén)禁系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它的圖像處理模塊可以分成：圖像預(yù)處理，人臉的檢測(cè)和特征提取與匹配3個(gè)子模塊。

2.1 圖像預(yù)處理

根據(jù)圖像預(yù)處理在整個(gè)人臉識(shí)別系統(tǒng)中運(yùn)行的位置，可以分為人臉檢測(cè)預(yù)處理和特征提取預(yù)處理，如圖5-5所示。直接用差分圖像來(lái)進(jìn)行人臉檢測(cè)是不合適的。一方面因?yàn)閳D像差分會(huì)引入噪聲，另一方面是不能保證差分圖像有理想的亮度。因此在人臉檢測(cè)之前進(jìn)行預(yù)處理是必要的。主要算法有：圖像差分，圖像去噪，光照補(bǔ)償。同樣在完成人臉檢測(cè)與定位后，圖像的大小，新引入的噪聲等因素都會(huì)對(duì)特征提取帶來(lái)負(fù)面的影響。人臉特征提取預(yù)處理主要算法有：圖像縮放，圖像灰度化，直方圖均衡，圖像去噪。

2.2 人臉檢測(cè)

人臉檢測(cè)是整個(gè)系統(tǒng)非常關(guān)鍵的一步，人臉檢測(cè)的效果對(duì)特征提取和識(shí)別的影響很大。根據(jù)第三章的分析，人臉檢測(cè)模塊的程序設(shè)計(jì)分為：膚色模型算法實(shí)現(xiàn)，基于面積的類(lèi)人臉排除算法的實(shí)現(xiàn)，基于人眼幾何特征的人臉確認(rèn)算法的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)這樣由粗到細(xì)，逐步排除類(lèi)人臉的算法，保證了人臉檢測(cè)有較好的效果。

圖1 人臉檢測(cè)流程框圖

2.3 硬件資源與優(yōu)化策略

TMS320DM642的強(qiáng)大處理能力的充分發(fā)揮，主要依賴(lài)于芯片資源的充分利用，尤其是處理器功能單元的充分利用，即對(duì)所運(yùn)行軟件的指令并行度有較高的依賴(lài)性。而軟件的指令生成是由相關(guān)芯片的編譯器和匯編器產(chǎn)生的。TI公司推出了世界上第一個(gè)效率可達(dá)70%～80%的匯編語(yǔ)言級(jí)C編譯器，它產(chǎn)生的代碼的平均效率是其他DSP編譯器的3倍。因此，對(duì)于TMS320C6711上運(yùn)行的一般的算法，技巧性的使用C語(yǔ)言即可達(dá)到性能要求。雖然，使用高級(jí)語(yǔ)言具有開(kāi)發(fā)容易、便于移植等多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于資源相對(duì)有限的嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，高級(jí)語(yǔ)言也有其不足之處：1）靈活性不足，由于高級(jí)語(yǔ)言的編譯一般是將語(yǔ)法結(jié)構(gòu)翻譯成固定的匯編語(yǔ)言段(不考慮優(yōu)化等手段的影響)，故不具有匯編語(yǔ)言的“捷徑”特性；2）高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句和芯片的指令集沒(méi)有對(duì)應(yīng)關(guān)系，故而無(wú)法使用這些特殊指令。而這些特性卻恰是匯編語(yǔ)言的長(zhǎng)處。使用匯編語(yǔ)言編程可實(shí)現(xiàn)對(duì)處理器的完全控制，并發(fā)揮它的最大性能。

但是對(duì)于較復(fù)雜的CPU，使用匯編語(yǔ)言編程卻有一定的難度。例如，在TMS320C671 l上編寫(xiě)匯編語(yǔ)言時(shí)需要考慮上述8個(gè)單元的分配，寄存器和存儲(chǔ)器的訪(fǎng)問(wèn)沖突等諸多問(wèn)題，所以，匯編程序編寫(xiě)起來(lái)困難很大，編寫(xiě)較大的匯編程序的成本、風(fēng)險(xiǎn)也比較高，為此，TI公司專(zhuān)門(mén)推出了針對(duì)其DSP的線(xiàn)性匯編語(yǔ)言，書(shū)寫(xiě)線(xiàn)性匯編程序不需考慮指令的并行性問(wèn)題，就像書(shū)寫(xiě)一般的匯編程序一樣。最后，由匯編器完成并行指令的排布，可實(shí)現(xiàn)高性能代碼相對(duì)輕松的開(kāi)發(fā)過(guò)程。所以，綜合考慮開(kāi)發(fā)難度和優(yōu)化效果，本設(shè)計(jì)采用的方法是綜合使用C和線(xiàn)性匯編，對(duì)于不太影響性能的部分，使用C提高開(kāi)發(fā)效率，對(duì)于對(duì)性能影響較大的部分，使用線(xiàn)性匯編來(lái)提升系統(tǒng)性能。對(duì)于像人臉識(shí)別這樣的運(yùn)算密集型算法，使用這種方法可使效率提高幾十倍甚至上百倍。

3 結(jié)論

首先介紹了系統(tǒng)硬件平臺(tái)的組成和結(jié)構(gòu)原理。結(jié)合硬件條件和門(mén)禁系統(tǒng)的要求，闡述了本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)構(gòu)架，并介紹各個(gè)功能模塊的軟件實(shí)現(xiàn)。并結(jié)合DSP6711芯片的特性，介紹了代碼的優(yōu)化方法。

[1]楊吳冰，陸徐平，許晉華.基于DSP和人臉識(shí)別技術(shù)的門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電氣傳動(dòng)自動(dòng)化，2007，29（2）.

[2]李金屏，韓延彬，楊清波，等.人臉識(shí)別新技術(shù)研究進(jìn)展[J].計(jì)算機(jī)科學(xué)，2004，31（Z2).

TP39

A

1674-6708（2010）23-0207-02