基于FPGA的嵌入式人脸识别系统设计

论文摘要

随着微电子技术和计算机科学的发展,人脸识别技术慢慢地从实验室的理论研究,开始变成实际的产品应用到各种领域。SOPC片上可编程系统和嵌入式系统是当前电子设计领域中最热门的概念。系统选用FPGA平台开发,采用了Altera的NiosII嵌入式处理器软核和用户自定义逻辑组建成一个片上专用嵌入式系统。本文在综合考虑多种应用情况的基础上,特别是人脸样本需要的海量存储,以网络技术、数据库技术、人脸识别技术和嵌入式系统技术为理论基础,提出了基于C/S原理的系统架构方案。对人脸识别技术中各个环节的原理和算法进行了深入研究,合理地改进和融合了部分人脸识别算法,使之能够满足系统可靠有效的要求;同时为了提高系统的实时性,采用NiosII嵌入式处理器、自定义指令和FPGA硬件模块实现人脸图像处理主要算法。论文主要包括以下几个方面:1、采用了基于C/S原理的架构方案,使系统分为通过网络连接的前、后台两部分。2、使用FPGA、视频解码芯片、网络芯片和其他一些外围芯片电路搭建了一个拥有视频采集和显示,网络连接,按键控制的多功能系统。3、对人脸图像预处理、特征提取和特征匹配算法原理进行了研究。在样本训练和特征提取算法中,采用了适用于FPGA的改进性2DPCA算法,采用Jacobi过关法求取压缩系数,在缩短训练时间的情况下保证了训练的精度;在分类算法中提出了最近邻域算法和K-近邻算法的融合,使识别率和拒识率得到了大大改善。4、对软件实现耗时较长的人脸图像预处理算法（即图像中值滤波、不同人脸图像采样成标准人脸图像算法）采用基于FPGA的硬件化,并集成在采集模块中采用流水线方法方式实现。对大量的浮点数运算采用了自定义指令化。在保证系统误识率较低、可靠性高的基础上,大大提高了系统的执行速度。实验结果表明,本文所提出的系统构架有效可行。基于FPGA的自动人脸识别系统在速度、功耗、扩展性等方面具有独特的优势,拥有广阔的发展前景。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人脸识别研究目的和意义
• 1.3 人脸识别的发展历史
• 1.4 人脸识别的常见算法
• 1.4.1 基于面部几何特征的方法
• 1.4.2 基于模板匹配的方法
• 1.4.3 基于动态链接结构的弹性图匹配方法
• 1.4.4 基于K-L 变换的特征脸方法
• 1.4.5 基于隐马尔可夫模型
• 1.4.6 基于神经网络的方法
• 1.5 本文的主要内容
• 2 开发平台及相关技术
• 2.1 FPGA 和SOPC 的介绍
• 2.1.1 FPGA 简述
• 2.1.2 SOPC 概述
• 2.2 NIOSII 嵌入式软件系统的介绍
• 2.2.1 NiosII 的CPU 介绍
• 2.2.2 NIOSII 软核对系统性能提升
• 2.2.3 MicroC/OS-II 和Lightweight IP （lwIP）
• 2.3 MICROSOFT VISUAL STUDIO 和ACCESS
• 2.3.1 Microsoft Visual Studio 简述
• 2.3.2 ACCESS 简述
• 3 基于 FPGA 的嵌入式人脸识别系统的方案设计
• 3.1 一般人脸识别系统架构
• 3.1.1 大型人脸识别服务系统
• 3.1.2 简易人脸识别服务系统
• 3.2 人脸识别系统的评价指标
• 3.2.1 拒识率与误识率
• 3.2.2 系统的工作速度
• 3.3 基于FPGA 人脸识别系统的方案设计
• 4 人脸识别的算法研究
• 4.1 人脸识别算法简述
• 4.2 PCA（主成分分析）的一些概念
• 4.2.1 PCA 的原理
• 4.2.2 基于PCA 的人脸识别算法
• 4.3 二维矩阵双向压缩投影（2DPCA）
• 4.3.1 二维投影（2DPCA）的理论
• 4.3.2 双向压缩的二维特征抽取算法
• 4.4 JACOBI 过关法求特征值和特征向量
• 4.4.1 Jacobi 旋转变换
• 4.4.2 Jacobi 过关法的计算步骤
• 4.5 分类算法
• 4.5.1 最近邻分类器
• 4.5.2 变形的K 近邻法
• 4.6 实验结果
• 5 基于 FPGA 人脸识别系统硬件模块设计
• 5.1 AVALON 总线模块
• 5.1.1 Avalon 从端口写操作
• 5.1.2 Avalon 从端口读操作
• 5.1.3 Avalon 主端口写操作
• 5.1.4 Avalon 主端口读操作
• 5.2 视频接口
• 5.2.1 视频输入端口的总体结构
• 5.2.2 12C 配置模块
• 5.2.3 采集模块
• 5.3 显示接口
• 5.4 网络接口
• 5.4.1 DM9000A 简述
• 5.4.2 DM9000A 的电路和接口设计
• 5.4.3 DMA9000A 的软件设计
• 5.4.4 通信协议
• 5.5 其他接口
• 5.5.1 七段译码接口
• 5.5.2 按键接口
• 5.6 自定义指令
• 5.6.1 浮点数和浮点数的乘法
• 5.6.2 8 位无符号整型数和浮点数的乘法
• 5.6.3 浮点数和浮点数的加法
• 5.6.4 浮点数和浮点数的减法
• 6 人脸识别系统的总体设计
• 6.1 基于FPGA 的嵌入式设计
• 6.1.1 SOPC 构成Nios II 处理器
• 6.1.2 嵌入式软件系统
• 6.2 PC 机服务端软件
• 6.2.1 人脸样本库
• 6.2.2 管理信息库
• 6.3 基于FPGA 的人脸识别系统实物
• 7 总结和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录