人臉識(shí)別會(huì)議簽到的嵌入式系統(tǒng)

內(nèi)容摘要：為了解決傳統(tǒng)會(huì)議簽到問題，利用S5PV210與CC2530、攝像頭、按鍵、液晶顯示屏等硬件設(shè)備設(shè)計(jì)了一種人臉識(shí)別會(huì)議簽到硬件終端。在定義的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，采用C語言開發(fā)出了下位機(jī)與上位機(jī)間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦?。利用QT編制了人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端控制系統(tǒng)軟件，重點(diǎn)研究了基于PCA算法的人臉識(shí)別實(shí)現(xiàn)、QT與CC2530的串口通信、ZigBee組網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：基于PCA算法的人臉識(shí)別穩(wěn)定可靠、上位機(jī)軟件操作方便，ZigBee無線通信穩(wěn)定，軟硬件設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的功能和要求。

引言

人臉識(shí)別，特指利用分析比較人臉視覺特征信息進(jìn)行身份鑒別的計(jì)算機(jī)技術(shù)。人臉識(shí)別是一項(xiàng)熱門的計(jì)算機(jī)技術(shù)研究領(lǐng)域，它屬于生物特征識(shí)別技術(shù)，是對(duì)生物體(一般特指人)本身的生物特征來區(qū)分生物體個(gè)體。

很多由政府部門組織召開的大型會(huì)議的簽到工作仍然采用傳統(tǒng)的手工簽到的方式：會(huì)務(wù)組工作人員手里拿著參會(huì)代表的名單，參會(huì)代表報(bào)到時(shí)，工作人員根據(jù)代表提供的信息查找名冊(cè)。這種報(bào)到方式存在很多不方便的地方，首先代表報(bào)到的時(shí)間長，容易造成擁擠，要解決這個(gè)問題就得增加工作人員，把代表按地區(qū)或行業(yè)分類，這樣就會(huì)增加會(huì)議的人力和財(cái)力投入。

本文所設(shè)計(jì)的基于PCA算法的人臉識(shí)別會(huì)議簽到系統(tǒng)正是為了解決這些問題而設(shè)計(jì)的，與會(huì)人員只需要站在攝像頭前，系統(tǒng)識(shí)別出后會(huì)在窗口顯示出與會(huì)人員姓名，并且將會(huì)議簽到信息自動(dòng)保存到SQLite數(shù)據(jù)庫文件中，同時(shí)將會(huì)議簽到信息通過ZigBee以單播的方式發(fā)送到上位機(jī)，以方便會(huì)議管理人員查看。

1 系統(tǒng)方案論述

本文提出了基于PCA算法的會(huì)議簽到系統(tǒng)，會(huì)議簽到系統(tǒng)包含人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端和上位機(jī)軟件，其具體要求與功能為：人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端要求具有人臉檢測和人臉識(shí)別的能力，人臉檢測利用OpenCV庫中Adaboost算法進(jìn)行人臉檢測，人臉識(shí)別采用PCA算法。人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端系統(tǒng)同時(shí)具有通過CC2530無線模塊往上位機(jī)發(fā)送會(huì)議簽到數(shù)據(jù)的能力。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址是固定的，所以CC25 30采用單播方式將人臉識(shí)別成功后的會(huì)議簽到數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。通過這種方法，就可以有效減少會(huì)議組織人員的工作量，并且使用成本低、能夠重復(fù)利用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端運(yùn)行Linux系統(tǒng)，運(yùn)行于PC的上位機(jī)和人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端的應(yīng)用程序都是利用QT開發(fā)。完整的基于PCA算法的人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端包括：USB攝像頭、通信總線、液晶屏、按鍵組、S5PV210主控芯片、CC2530無線芯片等。人臉識(shí)別會(huì)議簽到系統(tǒng)是集軟硬件為一體的專用與會(huì)人員身份識(shí)別系統(tǒng)。它通過USB接口接入人臉識(shí)別系統(tǒng)，為終端提供與會(huì)人員身份認(rèn)證服務(wù)?；赒T開發(fā)的應(yīng)用程序通過攝像頭模塊完成對(duì)人臉數(shù)據(jù)采集的操作，將獲取的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。人臉識(shí)別會(huì)議簽到硬件終端系統(tǒng)組成如圖1所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別會(huì)議簽到硬件終端采用核心板加底板的模式進(jìn)行開發(fā)，核心板采用天嵌科技的TQ210核心板，自主設(shè)計(jì)底板，底板設(shè)計(jì)主要包括LCD接口電路、USB攝像頭接口電路、串口電路、核心板接口電路、復(fù)位電路、電源電路等。

核心板以SSPV210為核心芯片，應(yīng)用于整個(gè)硬件終端的控制。S5PV210采用了ARMCortex-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1 GHz，具有64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)2 000 DMIPS(每秒運(yùn)算2億條指令集)的高性能運(yùn)算能力。基于C0rtex-A8內(nèi)核的處理器在進(jìn)行人機(jī)交互設(shè)備管理、支持OS等方面擁有比較明顯的優(yōu)勢。

2.1.1 USB攝像頭電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)所采用的攝像頭是UVC(USB Video Class)，只需要標(biāo)準(zhǔn)的USB接口就可以使用，USB攝像頭驅(qū)動(dòng)采用V4L2(Video 4 Linux 2)驅(qū)動(dòng)。USB電路如圖2所示。

2.1.2 ZigBee無線傳輸模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)。

一個(gè)完整的ZigBee系統(tǒng)需要至少一個(gè)協(xié)調(diào)器，一個(gè)或多個(gè)路由器以及許多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，這樣才能完成網(wǎng)絡(luò)的搭建，路徑的分配和數(shù)據(jù)的采集及分配任務(wù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)根據(jù)實(shí)際組網(wǎng)的需要可以組成星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和簇狀網(wǎng)這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基于PCA算法的人臉識(shí)別會(huì)議簽到系統(tǒng)采用的是星型網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)閰f(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)地址是固定的，人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端往上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采用單播的方式，上位機(jī)往下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)采用廣播的方式。

本文采用的ZigBee芯片是CC2530，ZigBee無線模塊和會(huì)議簽到終端通過串口連接。連接于PC端的ZigBee模塊作為協(xié)調(diào)器，連接于會(huì)議簽到終端的ZigBee模塊作為終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)，ZigBee模塊原理圖如圖3所示。

2.2 簽到終端軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)工作流程

在本系統(tǒng)進(jìn)行人臉數(shù)據(jù)采集時(shí)，首先自動(dòng)從USB攝像頭獲取YUV格式的圖片，轉(zhuǎn)換成QImage格式并實(shí)時(shí)顯示在LCD屏上，再將其轉(zhuǎn)換成Ipl Image格式，利用OpenCV的Haar Cascade Face Detector(也稱為Viola Jones方法)進(jìn)行人臉檢測，得到一個(gè)矩形區(qū)域。截取該矩形區(qū)域圖像進(jìn)行直方圖均衡化處理，進(jìn)行訓(xùn)練或識(shí)別。當(dāng)利用PCA算法進(jìn)行人臉識(shí)別時(shí)，識(shí)別成功后首先會(huì)在LCD上顯示出姓名，同時(shí)也會(huì)把姓名信息通過ZigBee發(fā)送到上位機(jī)。

2.2.2 Adaboost算法介紹

Adaboost算法主要思想：在給定有限的數(shù)據(jù)情況下，基于特征的檢測能夠編碼特定區(qū)域的狀態(tài)，而且基于特征的系統(tǒng)比基于像素的系統(tǒng)要快得多。矩形特征對(duì)一些簡單的圖形結(jié)構(gòu)(比如邊緣、線段)比較敏感。但是其只能描述特定走向(水平、垂直、對(duì)角)的結(jié)構(gòu)，因此比較粗略。臉部一些特征能夠由矩形特征簡單地描繪，例如：眼睛要比臉頰顏色更深;鼻梁兩側(cè)要比鼻梁顏色要深;嘴巴要比周圍顏色更深。

人臉檢測是人臉分析的第一步，對(duì)于任意一幅給定的圖像，采用一定的策略對(duì)其進(jìn)行搜索以確定其中是否含有人臉，如果含有則返回人臉的位置、大小和姿態(tài)。本系統(tǒng)采用的是OpenCV庫中提供的Adaboost算法來實(shí)現(xiàn)人臉檢測，人臉檢測效果如圖4所示。

2.2.3 PCA算法介紹

PCA(主成分分析)算法是人臉識(shí)別中比較新的一種算法，該算法的優(yōu)點(diǎn)是識(shí)別率高、識(shí)別速度快。OpenCV庫中cvEigenDecomposite()函數(shù)的作用是將人臉圖像通過Eigenface變換矩陣，投射到子空間中。子空間中的人臉向量是一個(gè)1×nEigens(nEigens由自己取得)的行向量，極大地降低了數(shù)據(jù)維度，便于下一步的聚類、識(shí)別。人臉識(shí)別成功后的效果如圖5所示。

2.2.4 系統(tǒng)測試

本軟件具有人臉檢測、人臉識(shí)別會(huì)議簽到等功能。首先需要通過人臉檢測存儲(chǔ)一定數(shù)量的與會(huì)者照片，經(jīng)過訓(xùn)練生成人臉特征數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中。在實(shí)現(xiàn)會(huì)議簽到時(shí)，只要保持臉在攝像頭的正前方，軟件識(shí)別好后會(huì)在屏幕上顯示與會(huì)人員的姓名，并且把與會(huì)者的會(huì)議簽到信息通過ZigBee無線模塊，以單播的方式發(fā)送到上位機(jī)。系統(tǒng)首先采集5個(gè)人的人臉特征照片，經(jīng)過訓(xùn)練得到人臉特征數(shù)據(jù)并且存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫中。然后開始對(duì)這5個(gè)人再進(jìn)行人臉識(shí)別測試，經(jīng)過測試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：本系統(tǒng)的人臉識(shí)別率在82%以上，可以區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)庫內(nèi)外的人臉。

2.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

QT是1991年奇趣科技公司開發(fā)的一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級(jí)的圖形用戶界面所需的功能。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)軟件正是用QT開發(fā)，選用的集成開發(fā)環(huán)境是QT Creator。上位機(jī)界面如圖6所示。

表2是上位機(jī)和人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端之間數(shù)據(jù)傳輸所遵循的協(xié)議。下面分別對(duì)上位機(jī)和人臉識(shí)別會(huì)議簽到終端之間發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、系統(tǒng)重啟、系統(tǒng)關(guān)機(jī)等操作的協(xié)議進(jìn)行簡要的說明。

①上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到部分下位機(jī)：上位機(jī)需要往部分下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，需要在待發(fā)送的數(shù)據(jù)前加上msd1～n，1～n代表某一臺(tái)下位機(jī)，如msd1代表數(shù)據(jù)發(fā)送到編號(hào)為1的下位機(jī)。

②上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到所有下位機(jī)：上位機(jī)需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到所有的下位機(jī)時(shí)，在待發(fā)送的數(shù)據(jù)前加上all標(biāo)志。

③系統(tǒng)重啟：如果希望下位機(jī)重新啟動(dòng)，發(fā)送數(shù)據(jù)rb即可以使下位機(jī)重新啟動(dòng)。

④系統(tǒng)關(guān)機(jī)：如果希望下位機(jī)執(zhí)行關(guān)機(jī)操作，發(fā)送數(shù)據(jù)ht即可以使下位機(jī)執(zhí)行關(guān)機(jī)操作。

結(jié)語

本設(shè)計(jì)利用人臉