作者：西安电子科技大学电路cad研究所 孙莹涛 李玉山

    引言

    人脸检测跟踪是计算机视觉中十分重要的研究领域，正受到越来越多的关注。传统基于pc平台的人脸检测跟踪系统体积大，不能满足便携的要求，更不适合露天使用；而采用通用的dsp芯片组成的系统，外围电路较复杂，设计与调试都需要较长的时间，且系统的可扩展性和移植性不好。利用32位nios ⅱ软核处理器在fpga上完成设计，减小了系统的体积，而且在pc上开发的程序可移植到nios ⅱ处理器上，实现了片上系统。采用nios ⅱ处理器的自定义指令，用硬件实现部分算法，大大提高了数据的处理速度，保证了较好的实时性。在外围电路不变的情况下，通过更新fpga内部的电路设计，能使系统功能升级和增强。

    系统组成及工作原理

    人脸检测跟踪系统根据具体应用场合可以定制为不同的功能，而且不同的功能只需要在nios中写入相应的c语言程序即可，不需要再做硬件板，非常方便。下面介绍一种比较通用的人脸检测跟踪系统。系统的结构如图1所示。

    本文设计的人脸检测跟踪系统主要包括三个模块：图像采集模块，人脸检测跟踪模块以及数据通信模块。

    图像采集模块

    该模块主要包括摄像头和外扩sram。本系统采用的图像传感器是ov7620，ov7620是美国omnivision 公司开发的1/ 3英寸,30 万像素cmos 彩色图像传感器,该芯片将cmos 光感应核与外围辅助电路集成在一起,具有可编程控制与视频模/ 数混合输出等功能。该芯片的主要特性有：最大分辨率为664 ×492 ，同时支持vga (640 ×480 分辨率) 和qvga(320 ×240 分辨率) 两种模式。输出帧频在0.5fps~30fps 之间可调。输出窗口尺寸在4 ×2~ 664 ×492 之间可调。图像数据输出格式可以为8 位/ 16 位的ycrcb 4 : 2 :2 itu2656 、ir2601grb 4 :2 :2或rgb raw data。能工作在逐行/隔行扫描方式下,也能工作在彩色/ 黑白模式下。上述的所有性能,用户可以根据自己的需要,通过sc2cb 接口设置芯片内相应的寄存器进行选择。

    人脸检测跟踪模块

    该模块采用的fpga选择altera公司stratix系列的ep1s25。该芯片的片上资源比较丰富，有25660个逻辑单元(le)，1944576 bit的ram，10个dsp模块，6个数字锁相环(dpll)，用户可用的i/o最多达到702个。在ep1s25中嵌入nios软核，控制连接在外部总线上的sram和flash，用它的以太网模块单元控制以太网接口芯片lan91c11。

    其中fpga 是主芯片,在1 片fpga 中包含了nios 处理器、sram 控制器、sdram 控制器、flash控制器、uart 以及摄像头和外扩sram 控制器的用户逻辑模块。这正体现了nios 的优势，将很多资源集中在fpga中为设计pcb 带来了便利， 而且对系统的更改也变得非常容易，只要重新在fpga 中添加不同的模块就可以了。sram 中存储嵌入式系统所用的向量表、数据和程序。flash 用于在系统掉电的情况下存储程序和数据。

    数据通信模块

    根据实际情况选择用以太网或gprs把人脸检测跟踪后的结果发送到主控制站。在有以太网连接的条件下优先选用以太网连接，可以提供较高的传输速率和可靠性，在没有以太网的条件下选用gprs进行通信。同时，如果用户需要，也可以直接在lcd上显示。

    图1 基于nios ⅱ软核的人脸检测系统设计

    人脸检测跟踪算法的实现

    在实现人脸检测跟踪算法之前，图像的预处理很重要。图像预处理主要有噪声滤除和图像增强，提高图像的质量。本系统采用中值滤波进行噪声滤除。与其它滤波方法相比，中值滤波不仅能有效滤除图像中的孤立噪声点，还能保护边界信息。图像增强技术主要包括直方图修改处理、图像平滑处理和图像锐化处理等。所以，实际的人脸检测系统采用图像增强来消除光照影响。

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