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一文教你輕松為MCU添加人臉識別攝像頭

電子設計 ? 來源:互聯(lián)網(wǎng) ? 作者:佚名 ? 2018-08-07 09:43 ? 次閱讀
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人們現(xiàn)在越來越多地要求設計人員為當前網(wǎng)絡系統(tǒng)和新產(chǎn)品添加圖像和視頻分析功能,特別是針對安防應用。人臉和車輛識別功能非常受用戶歡迎,能夠帶來可觀的價值,但是,了解基于微控制器的系統(tǒng)的人臉識別模型細節(jié)并對其進行編程,可能耗費大量時間,而且非常復雜。

通常情況下,開發(fā)人員必須盡可能快地開展試驗和開發(fā)。本文將展示開發(fā)人員如何利用硬件和軟件的現(xiàn)成組合,加快將人臉識別功能整合到嵌入式系統(tǒng)中的速度,從而節(jié)省時間。

人臉識別的基礎知識

大多數(shù)開發(fā)人員對人臉檢測已經(jīng)非常熟悉了。這個過程就是分析圖像,確定人臉出現(xiàn)的位置。很多智能手機都提供這種功能。人臉識別是人臉檢測的下一個階段。這個過程就是分析人臉,利用從人臉特征的相對距離得出的數(shù)據(jù),開發(fā)一個數(shù)學模型。這些數(shù)據(jù)包括雙眼之間的距離,以及眼睛與鼻子、下巴、耳朵和顴骨的相對位置。另外還要確定人臉相對于人臉識別攝像頭的位置,因為這對于確定相對距離非常重要。也可以檢測膚色并用于識別。

然后,再將該模型與數(shù)據(jù)庫中存儲的已知人臉數(shù)學模型進行比較,由算法確定最佳匹配。檢測的人臉與存儲的人臉有一定的匹配機率(百分比)。也有可能兩者不匹配,那么檢測的人臉就是未知的。

人臉識別硬件

為了實現(xiàn)人臉識別,設計人員需要挑選并組合攝像頭傳感器、視頻和圖像前端信號調(diào)節(jié)裝置、GPU、控制處理器、存儲器及相關軟件和固件。當然,這需要花費時間,可能是一段很長的曲折學習過程。或者,您可以利用現(xiàn)成的硬件和固件,構(gòu)建人臉識別系統(tǒng)。來自Omron Electronics的B5T-007001攝像頭傳感器是很好的入手點,它是經(jīng)過測試的硬件和固件的交鑰匙解決方案(圖 1)。

圖 1:Omron B5T-007001 人臉識別攝像頭具備了人臉識別應用必需的全部功能。(圖片來源:Omron)

B5T-007001 帶有 USB 2.0 接口,可將攝像頭電路板連接到運行 Omron 評估軟件的 Windows? PC。另外還有 UART 接口。使用 USB 或 UART 接口都可將攝像頭電路板連接到主機,可以是微控制器或 PC。

USB 和 UART 都支持用于配置攝像頭的命令 API。Omron 的板載攝像頭固件會分析視頻并執(zhí)行檢測處理,然后將視頻發(fā)送到主機。

從主機發(fā)送到 B5T-007001 的命令按順序執(zhí)行。主機固件向攝像頭發(fā)送命令之后,必須等待攝像頭返回該命令的結(jié)果,然后才能發(fā)送另一個命令。如果主機檢測到超時(取決于應用要求),主機固件可以重新發(fā)送命令,或者通過發(fā)送 RESET 命令來復位攝像頭。

配置攝像頭以實現(xiàn)人臉識別

啟動 B5T-007001 之后,首先必須對其進行配置,讓它能夠在將要使用它的物理環(huán)境下工作。命令是通過 USB 或 UART 接口發(fā)送的,遵循指定的命令結(jié)構(gòu)(表 1)。每個命令的第一個字節(jié)始終是 0xFE,稱為同步碼。

表 1

表 1:B5T-007001 的命令格式。LSB 在左側(cè),MSB 在右側(cè)。首先傳輸 LSB。在寫入命令的過程中,寫入 B5T-007001 的數(shù)據(jù)在“命令數(shù)據(jù)”字段中。(圖片來源:Omron)

B5T-007001 支持 20 個命令。有關這些命令的完整描述,請參見表 2。

表 2

表 2:B5T-007001 的命令列表,包括每個命令的簡短解釋。每個命令會返回響應碼或錯誤碼。所有寫入都是主機寫入攝像頭。所有讀取都是主機從攝像頭讀取數(shù)據(jù)。(數(shù)據(jù)來源:Omron)

該攝像頭非常靈活,可通過連接到微型 USB 2.0 端口的電纜輕松配置。要識別的每個人被稱為用戶,以 2 字節(jié)的用戶 ID 進行標識。所有用戶 ID 數(shù)據(jù)首先由主機寫入 B5T-007001,其中包括用戶的灰階圖像。

用戶集合稱為相冊。每個相冊支持最多 100 個用戶。B5T-007001 將所有相冊數(shù)據(jù)及其他配置數(shù)據(jù)存儲在攝像頭電路板上的 RAM 中。工作過程中,設備使用存儲在 RAM 中的相冊數(shù)據(jù)來進行檢測。

攝像頭有板載閃存,用于相冊備份存儲。將相冊保存在閃存上命令可將存儲在 RAM 中的所有用戶相冊數(shù)據(jù)寫入閃存。閃存數(shù)據(jù)僅在攝像頭啟動時加載到攝像頭 RAM。如果在工作過程中,主機固件需要將攝像頭閃存數(shù)據(jù)重新加載到攝像頭 RAM,則它必須通過硬件電源開關來復位 B5T-007001。

執(zhí)行檢測命令 (04h) 用于根據(jù)“命令數(shù)據(jù)”字段的內(nèi)容,執(zhí)行各種內(nèi)置檢測算法。對于在攝像頭的視野中檢測到的每個人,可以執(zhí)行以下一個或所有十個檢測命令:

  1. 人體檢測命令- 檢測人體的上半身部分,按人體中心的坐標進行標識。

  2. 手部檢測命令- 檢測打開的手掌,按手部中心的坐標進行標識。

  3. 人臉檢測命令- 檢測最多 100 張人臉,按中心點坐標粗略值進行標識。

  4. 人臉方向估計命令- 估計受檢測人臉的方向,表示為偏航角(左,右)、俯仰角(下,上)、翻滾角(逆時針,順時針)。

  5. 年齡估計命令- 估計受檢測人臉的年齡,從 0 到 75 歲。

  6. 性別估計命令- 估計受檢測人臉的性別(男性,女性)。

  7. 注視點估計命令- 估計受檢測人臉的眼睛注視方向,表示為偏航角(左,右)和俯仰角(下,上)。

  8. 眨眼估計命令- 估計受檢測人臉每只眼睛的眨眼程度,1 = 眼睛全開,1000 = 眼睛全閉。

  9. 表情估計命令- 估計受檢測人臉的表情,結(jié)果表示為平和、快樂、驚訝、憤怒和悲傷。

  10. 人臉識別命令- 識別受檢測人臉,與存儲的人臉進行比較。結(jié)果返回最可能與受檢測人臉匹配的人臉的用戶 ID。

所有位置都以 [x,y] 坐標進行標識,其中圖像左上角的坐標為 [0,0]。對于每個結(jié)果,都有從 0% 到 100% 的關聯(lián)可信度,以 0 - 1000 的十進制數(shù)表示。

攝像頭支持圖像輸出功能,主要用于開發(fā)人員設置攝像頭和對準方向時的調(diào)試輔助。它的分辨率為 320 x 240,還不足以用作安防監(jiān)視器。如果需要流媒體視頻,建議安裝另一個高清攝像頭。

在應用中,放置攝像頭之前,首先必須在開發(fā)環(huán)境中進行配置。B5T-007001 附帶有軟件,允許 PC 通過 USB 端口與設備連接。該 PC 軟件也與 B5T-007001 配合使用,識別和注冊相冊中的用戶。正如我們此前在人臉識別基礎知識中所述,用戶的臉部照片應該清晰地顯示鼻子、眼睛、耳朵和下巴的主要特征(圖 2)。

圖 2:建議使用 Omron B5T-007001 人臉識別攝像頭的 PC 用戶界面進行攝像頭評估和開發(fā)。它也用作用戶應用程序,用于存儲、更改和刪除相冊數(shù)據(jù)。(圖片來源:Omron)

為微控制器系統(tǒng)添加人臉識別功能

B5T-007001 能夠通過 USB 或 UART 接口連接到微控制器。UART 接口支持 921600 位/秒的最大波特率,USB 2.0 接口支持 480 MB/秒。請注意,攝像頭不支持同時使用這兩種接口。

微控制器只需支持基本輸入/輸出,即可用于 B5T-007001,而更高級的開發(fā)可能需要圖像處理或多攝像頭管理功能。

對于此類應用,來自STMicroelectronics的STM32F469Arm? Cortex?-M4F 微控制器支持四個標準 UART,帶有一個具板載物理層 (PHY) 的 USB 2.0 接口,以節(jié)省電路板空間和減少元件數(shù)(圖 3)。微控制器還帶有片載 MIPI? Alliance D-PHY,以支持 MIPI? CSI-2 和 DSI-2。

對于視頻處理,STM32F469 Arm 內(nèi)核在 180 MHz 頻率下運行。它還通過單獨的 Chrom-ART Accelerator?,支持硬件圖像處理。該圖形加速器能夠加快顏色轉(zhuǎn)換,同時還執(zhí)行快速塊存儲器移動操作。STM32F469 帶有一個 128 位接口,連接 2 MB 的閃存,還提供指令預取隊列和分支緩存,在 180 MHz 的 CPU 速度下,實現(xiàn) 0 等待狀態(tài)的閃存訪問。

STMicroelectronics 的 STM32F469 微控制器的圖片

圖 3:STM32F469 微控制器帶有兩個 USB 2.0 端口和八個串行端口,可以輕松連接到 B5T-007001,而且仍然有足夠的性能來支持圖像處理。(圖片來源:STMicroelectronics)

STM32F469 能夠通過兩個 USB 2.0 接口中的一個接口連接到 B5T-007001。在 STM32F469 主機和攝像頭之間讀取和寫入相冊數(shù)據(jù)時,USB 2.0 接口的速度尤其突出。STM32F469 帶有四個 UART 接口、四個 USART 接口、兩個 USB 2.0 端口,能夠連接最多十個 B5T-007001。

STM32F469 還帶有 SDMMC 外部存儲卡接口(圖 4)。該接口適用于多種閃存卡,例如商用 microSD 和 MMC 卡,可用于傳輸相冊數(shù)據(jù)。例如,可以使用連接到 PC 的 B5T-007001,提取需要識別的所有用戶的照片。然后,PC 將相冊數(shù)據(jù)存儲在閃存卡上,您即可將該閃存卡插入 STM32F469 單板計算機,用作更新的相冊數(shù)據(jù)。

STMicroelectronics STM32F469 的外部存儲卡接口的示意圖

圖 4:STM32F469 的外部存儲卡接口可用于傳輸數(shù)據(jù),例如來自 PC 的更新相冊數(shù)據(jù)。(圖片來源:Omron)

使用表 2 中所列的命令,STM32F469 和 B5T-007001 能夠用作自主型安防監(jiān)控系統(tǒng)。通過執(zhí)行人臉識別命令,STM32F469 能夠識別攝像頭采集區(qū)域中的已知或未知人員。微控制器固件可將返回的已識別人員的用戶 ID 與存儲在微控制器中的內(nèi)部人員表格進行比較。

如果與已知用戶 ID 匹配,STM32F469 可以使用其多個外設中的任何一個來執(zhí)行操作,例如發(fā)出提示音或開門。微控制器帶有一個以太網(wǎng)端口,可將設備連接到網(wǎng)絡,因而能夠根據(jù)匹配的用戶 ID 發(fā)送電子郵件。

STM32F469 微控制器還帶有 LCD TFT 控制器,用于控制外部彩色 LCD 顯示屏。但是,要進行更多視頻擴展,可以使用 MIPI? DSI 兼容接口,連接到帶有 MIPI? 多媒體接口的視頻攝像機。這樣可添加其他攝像機來進行視頻串流和其他處理,從而實現(xiàn)后期的視頻擴展。雖然這樣可能大幅增加復雜性,但可以真正擴展安防系統(tǒng)的功能。

STM32469I-EVAL 評估板支持該微控制器,從而可實現(xiàn)對所有微控制器功能的快速評估。評估板還帶有 LCD 顯示屏,可用于顯示來自 B5T-007001 的視頻。

圖 5:STM32469I-EVAL 是適用于 STM32F469 微控制器的完整評估套件,可使用任何 USB、UART 或 USART 端口,輕松連接到 B5T-007001。(圖片來源:STMicroelectronics)

總結(jié)

借助現(xiàn)成的交鑰匙硬件,我們可以通過將所需的算法集成到攝像頭電路板固件中,輕松為嵌入式系統(tǒng)項目添加人臉識別功能。通過簡單的命令界面,我們可以快速開發(fā)微控制器固件,用于與電路板進行交互,而無需了解圖像處理的細節(jié)。

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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