基于 FPGA 的膚色檢測設(shè)計與實現(xiàn)

引 言

在先進(jìn)信息技術(shù)的不斷迭代更新下，膚色檢測已成為與人相關(guān)的絕大多數(shù)機(jī)器視覺 [1-2] 感官應(yīng)用的基石，例如手勢識別及控制、人的臉部檢測及定位和一些不合法規(guī)的圖片或視頻的過濾等。膚色檢測不僅可應(yīng)用于人體臉部及手部動作的識別體系，且在安全保密系統(tǒng)及醫(yī)療 [3] 方面也尤為重要。隨著攝像頭的大眾化，掀起了對視頻圖像膚色分割 [4] 的研究熱潮。利用 FPGA 的邏輯粘合性、實時控制性和對高速信號的采集及處理 [5]，結(jié)合 OV5640 作為視頻圖像采集設(shè)備采集視頻信息送至 FPGA 做膚色檢測處理，隨后通過 VGA 顯示輸出結(jié)果。

1 膚色檢測設(shè)計

在雙色差或色調(diào)飽和度平面上，不同地域的人膚色變化不大，具備一致性和穩(wěn)定性，膚色存在差異的原因在于灰階值而非色度 [6]。因此將灰階值剝離出來，只在 CbCr 平面檢測像素點。

1.1 Matlab統(tǒng)計閾值

Matlab 對膚色進(jìn)行建模，利用 imhist 函數(shù)分別對黑人和黃種人的部分膚色圖像Cb 和 Cr 值進(jìn)行直方圖統(tǒng)計，找出其集中落點區(qū)域，并將此區(qū)域標(biāo)記為膚色區(qū)域。圖 1 所示為不同膚色原圖像，圖 2 為對應(yīng)膚色 Cb，Cr 值直方圖。

圖 1 不同膚色原圖

圖 2 對應(yīng)膚色 Cb，Cr 值直方圖

由圖 2、圖 3 可以看出不同人種膚色的 Cb 和 Cr 值都集中在 Cb=[100，126]，Cr=[132，165] 區(qū)域，因此將落在此區(qū)域的像素點認(rèn)作人體的膚色。

1.2 膚色檢測原理

通常的色度彩色信號以 RGB 形式儲存，因此要先將彩色視頻信息從 RGB 信號轉(zhuǎn)換成 YCbCr 信號，再對其進(jìn)行膚色分割、膚色建模 [7]。YCbCr 是一種分別從灰階值和色度兩方面對圖像信號進(jìn)行編碼的色彩空間，其中灰階值、明亮度用 Y 表示，色調(diào)與飽和度用 CbCr 表示 [8-10]，其通過輸入RGB 彩色信號生成，將 RGB 信號的特定部分依據(jù)一定的關(guān)系進(jìn)行疊加 [11]，公式如下 ：

轉(zhuǎn)換過程中有浮點小數(shù)的存在，由于 FPGA 很難完成浮點運算，因此將浮點小數(shù)轉(zhuǎn)換成定點小數(shù)，利用 8 bit 來表示小數(shù)部分，將小數(shù)擴(kuò)大 28 倍，計算完成后，再右移 8 位即可， 操作如下 ：

為了提高硬件運行性能，降低組合邏輯的復(fù)雜程度，采用流水線處理，將一個復(fù)雜的運算分布到 4 個時鐘周期完成轉(zhuǎn)換。

轉(zhuǎn)換完成后，根據(jù) Matlab 統(tǒng)計的結(jié)果，對 Cb 和 Cr 分量設(shè)置閾值，人體的膚色從背景里分離出來。如果輸入信號Cb 和 Cr 分量在閾值之間，將輸出設(shè)置為全 1，即把膚色標(biāo)記為白色 ；反之則將輸出設(shè)置為全 0，即把非膚色標(biāo)記為黑色。閾值設(shè)置如下 ：

100 ≤ Cb ≤ 126

132 ≤ Cr ≤ 165

2 設(shè)計仿真

2.1 Matlab仿真

隨機(jī)找了兩張不同膚色的圖片，用 Matlab 仿真膚色檢測方案，證明該方案的可行性，結(jié)果如圖 3 所示。可見，即便膚色、背景大相徑庭，依然能夠?qū)⑷梭w的膚色成功剝離出來， 總體效果較好，說明該方案可行。

2.2 QuartusⅡ仿真

繼 Matlab 仿真之后，將其轉(zhuǎn)換成 Verilog 語言在 QuartusⅡ平臺上進(jìn)一步驗證。

膚色檢測的 RTL 圖如圖 4 所示。rgb_to_ycbcr 模塊完成了 RGB565 到 YCbCr 的轉(zhuǎn)換并且將膚色區(qū)域用白色標(biāo)記出來。攝像頭通過 cmos_write_req_gen 模塊寫入請求并生成讀寫地址索引 ；lut_ov5640_rgb565_1024_768 模塊進(jìn)行配置查找表 ；video_timing_data 模塊進(jìn)行生成幀讀取數(shù)據(jù)請求 ；frame_read_write 模塊進(jìn)行視頻幀數(shù)據(jù)讀寫控制 ；coms_8_16bit 模塊將 OV5640 輸出的 8 bit 數(shù)據(jù)拼接成 16 bit RGB565 數(shù)據(jù)，完成一個圖像的傳輸 ；各模塊所需時鐘信號均通過 PLL 模塊倍頻或分頻得到。

3 硬件驗證

系統(tǒng)選用 Altera 公司的CycloneIV 系列EP4CE10F17FC8 芯片，500 萬像素的 OV5640 攝像頭組塊顯示 1 024×768 分辨率的視頻畫面，通過 DVP 接口與 FPGA 連接，先將視頻數(shù)據(jù)暫存到外部存儲器，再從外部存儲器將信息讀取出來， 送到 VGA 顯示模塊完成圖像的實時傳輸。其中 OV5640 通過硬件 FPGA 的 I2C 接口來完成寄存器的配置，將攝像頭的輸出分辨率和顯示器的分辨率設(shè)置一致，并在 0x4300 寄存器里將 OV5640 配置成 RGB565 輸出格式。外部存儲器選用同步動態(tài)隨機(jī)存儲器，其存取數(shù)據(jù)的速度比 FLASH 高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用同步接口和完全流水線 [12-13]，數(shù)據(jù)的傳輸速率較高，設(shè)計的運行速率大幅提高。

由于光線分布不均及攝像頭像素等因素，導(dǎo)致圖像出現(xiàn)像素點化且伴有光斑，離攝像頭越近，膚色剝離效果越好， 圖 5 為膚色檢測驗證結(jié)果。

圖 5 膚色檢測驗證結(jié)果

4 結(jié) 語

使用 Matlab 對不同膚色仿真得到膚色在色調(diào)和飽和度上的閾值，利用 FPGA 的并行性，在使用少量資源的前提下實現(xiàn)膚色檢測，將人體膚色從復(fù)雜背景中抽離出來，其結(jié)構(gòu)相對來說比較簡單且實時控制性強(qiáng)，實驗效果較好，同時還能將其封裝成專用 IP 核 [14]，便于其他系統(tǒng)使用，為后續(xù)建立與人體膚色相關(guān)的體系或過濾不雅觀圖片、視頻提供基礎(chǔ)。