基于Nios Ⅱ軟核的人臉檢測系統(tǒng)設(shè)計

引言

人臉檢測跟蹤是計算機視覺中十分重要的研究領(lǐng)域，正受到越來越多的關(guān)注。傳統(tǒng)基于PC平臺的人臉檢測跟蹤系統(tǒng)體積大，不能滿足便攜的要求，更不適合露天使用；而采用通用的DSP芯片組成的系統(tǒng)，外圍電路較復雜，設(shè)計與調(diào)試都需要較長的時間，且系統(tǒng)的可擴展性和移植性不好。利用32位Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上完成設(shè)計，減小了系統(tǒng)的體積，而且在PC上開發(fā)的程序可移植到Nios Ⅱ處理器上，實現(xiàn)了片上系統(tǒng)。采用Nios Ⅱ處理器的自定義指令，用硬件實現(xiàn)部分算法，大大提高了數(shù)據(jù)的處理速度，保證了較好的實時性。在外圍電路不變的情況下，通過更新FPGA內(nèi)部的電路設(shè)計，能使系統(tǒng)功能升級和增強。

系統(tǒng)組成及工作原理

人臉檢測跟蹤系統(tǒng)根據(jù)具體應用場合可以定制為不同的功能，而且不同的功能只需要在Nios中寫入相應的C語言程序即可，不需要再做硬件板，非常方便。下面介紹一種比較通用的人臉檢測跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于Nios Ⅱ軟核的人臉檢測系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的人臉檢測跟蹤系統(tǒng)主要包括三個模塊：圖像采集模塊，人臉檢測跟蹤模塊以及數(shù)據(jù)通信模塊。

圖像采集模塊

該模塊主要包括攝像頭和外擴SRAM。本系統(tǒng)采用的圖像傳感器是OV7620，OV7620是美國OmniVision 公司開發(fā)的1/ 3英寸,30 萬像素CMOS 彩色圖像傳感器,該芯片將CMOS 光感應核與外圍輔助電路集成在一起,具有可編程控制與視頻模/ 數(shù)混合輸出等功能。該芯片的主要特性有：最大分辨率為664 ×492 ，同時支持VGA (640 ×480 分辨率) 和QVGA(320 ×240 分辨率) 兩種模式。輸出幀頻在0.5fps~30fps 之間可調(diào)。輸出窗口尺寸在4 ×2~ 664 ×492 之間可調(diào)。圖像數(shù)據(jù)輸出格式可以為8 位/ 16 位的YCrCb 4 : 2 :2 ITU2656 、IR2601GRB 4 :2 :2或RGB Raw Data。能工作在逐行/隔行掃描方式下,也能工作在彩色/ 黑白模式下。上述的所有性能,用戶可以根據(jù)自己的需要,通過SC2CB 接口設(shè)置芯片內(nèi)相應的寄存器進行選擇。

人臉檢測跟蹤模塊

該模塊采用的FPGA選擇Altera公司Stratix系列的EP1S25。該芯片的片上資源比較豐富，有25660個邏輯單元(LE)，1944576 bit的RAM，10個DSP模塊，6個數(shù)字鎖相環(huán)(DPLL)，用戶可用的I/O最多達到702個。在EP1S25中嵌入Nios軟核，控制連接在外部總線上的SRAM和Flash，用它的以太網(wǎng)模塊單元控制以太網(wǎng)接口芯片LAN91C11。

其中FPGA 是主芯片,在1 片F(xiàn)PGA 中包含了Nios 處理器、SRAM 控制器、SDRAM 控制器、Flash控制器、UART 以及攝像頭和外擴SRAM 控制器的用戶邏輯模塊。這正體現(xiàn)了Nios 的優(yōu)勢，將很多資源集中在FPGA中為設(shè)計PCB 帶來了便利， 而且對系統(tǒng)的更改也變得非常容易，只要重新在FPGA 中添加不同的模塊就可以了。SRAM 中存儲嵌入式系統(tǒng)所用的向量表、數(shù)據(jù)和程序。Flash 用于在系統(tǒng)掉電的情況下存儲程序和數(shù)據(jù)。