基于HMM的嵌入式人臉識(shí)別系統(tǒng)研究

摘要：系統(tǒng)選用S3C2410A處理器作為硬件平臺(tái)，Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)，采用OV7640+OV511的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)圖像信息采集，使用基于V4L的方法編寫(xiě)圖像處理、檢測(cè)和識(shí)別程序，實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確識(shí)別人臉的功能；并對(duì)相關(guān)浮點(diǎn)算法進(jìn)行了改進(jìn)，極大地提高了ARM處理器上圖像預(yù)處理的速度。采用基于隱馬爾可夫模型(HMM)的方法，簡(jiǎn)化了人臉檢測(cè)和識(shí)別的過(guò)程。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；HMM；ARM；人臉識(shí)別

0 引言
嵌入式人臉識(shí)別系統(tǒng)與傳統(tǒng)鑒別身份的系統(tǒng)相比具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，無(wú)需特殊的采集設(shè)備，成本低廉，使用簡(jiǎn)單；同時(shí)，人臉識(shí)別不干擾使用者，不侵犯使用者的隱私，屬于非侵犯的主動(dòng)識(shí)別，易于為用戶(hù)所接受。
本文以嵌入式ARM9系統(tǒng)開(kāi)發(fā)為主線，以HMM模型為理論基礎(chǔ)，展示了完成圖像采集、人臉檢測(cè)與識(shí)別等功能相對(duì)應(yīng)的硬件平臺(tái)和軟件模塊的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)過(guò)程；并對(duì)圖像預(yù)處理的浮點(diǎn)算法做了優(yōu)化，極大提高了嵌入式系統(tǒng)的速度。
本系統(tǒng)軟件部分可直接應(yīng)用于帶有Linux操作系統(tǒng)的智能手機(jī)中，利用手機(jī)以及內(nèi)置的攝像頭，即可進(jìn)行個(gè)人面部特征數(shù)據(jù)分析，然后對(duì)比最初存儲(chǔ)的人臉信息庫(kù)，完成身份識(shí)別功能。

1 系統(tǒng)架構(gòu)及其設(shè)計(jì)方案
本系統(tǒng)采用了Samsung推出的以ARM 920T RISC為內(nèi)核的處理器——S3C2410A。其優(yōu)秀的處理性能理所當(dāng)然地成為便攜式設(shè)備開(kāi)發(fā)的首選。同時(shí)為適應(yīng)智能手機(jī)對(duì)視頻圖像采集的需求，系統(tǒng)采用了基于USB總線的視頻采集模塊，與串行傳輸相比極大地提高了數(shù)據(jù)的采集速率。本系統(tǒng)涉及到數(shù)字圖像的采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和HMM算法等多種技術(shù)。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

2 圖像采集硬件設(shè)計(jì)
鑒于傳統(tǒng)CCD圖像傳感器昂貴的成本、相對(duì)復(fù)雜的附加電路和較高的功耗，本系統(tǒng)采用OmniVision公司的OV7640 CMOS芯片作為圖像傳感器。OV7640是一款低電壓(2．5 V)、高靈敏度的CMOS圖像傳感器。
實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)需要高速的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)系統(tǒng)硬件之問(wèn)的配合提出較高的要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在采集部分和傳輸部分之間配有相應(yīng)的緩存區(qū)。實(shí)際中，采用OV7640及配套的芯片OV511擴(kuò)展DRAM起緩存作用，實(shí)現(xiàn)將數(shù)字視頻圖像通過(guò)高速USB送入ARM處理器。OV511是一個(gè)專(zhuān)用的數(shù)字?jǐn)z像IC的USB接口芯片。

3 圖像采集程序
本系統(tǒng)采用Linux做為操作系統(tǒng)平臺(tái)，操作系統(tǒng)的移植在此不做過(guò)多介紹。
Video4 Linux(簡(jiǎn)稱(chēng)V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它為針對(duì)視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，這些視頻設(shè)備包括現(xiàn)今市場(chǎng)上流行的TV卡、視頻捕捉卡和USB攝像頭等。Linux內(nèi)核提供Video4Linux應(yīng)用程序接口，在程序開(kāi)發(fā)時(shí)，首先是基于Video4Linux API函數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)程序。