基于DSP和人脸识别技术的门禁系统设计.docx

基于DSP和人脸识别技术的门禁系统设计一、引言随着计算机技术和模式识别等相关技术的飞速发展,使运用当今先进技术来研制安全监测系统成为可能,人脸识别是安全监测系统中身份识别的一种最方便、最直接的方法。传统的人脸图像识别系统是由大规模或超大规模集成电路来完成的,图像采集依赖于较大型设备,速度比较慢,实时性较差,在小范围内使用价格比较昂贵。随着数字信号处理器DSP的飞速发展,它以其高速、准确的性能为图像获取带来了新的途径,而且用硬件来实现人脸图像识别价格比较低廉。考虑到门禁系统的可靠性,时效性和经济性等技术指标,本文选择了用CCD摄像头进行视频信号的采集,TI5000系列功能强大的DSP芯片作为前端系统的核心图像处理器件,配合CPLD芯片控制图像采集和处理系统的时序和逻辑,又考虑到系统的便利性和扩展性,用网络控制芯片RTL8109AS作为通信接口实现与上位机的通讯。本文旨在基于DSP设计一种可扩展的人脸识别门禁系统,并讨论了DSP外围电路的设计以及软件设计中的若干关键问题。二、系统硬件构成及工作过程门禁系统硬件结构如图1所示,整个系统的硬件结构由采集系统、识别动作系统以及网口通信3部分组成。620)this.style.width=620;"border=0>图1门禁系统硬件构成系统的工作原理是:加电后系统完成初始化,存储在FLASH中的程序和数据加载到SRAM中。当有人要通过门时,通过按键中断给DSP一个中断信号,DSP通过缓冲串行接口BDX1向采集系统发出采集指令,SAA7111将从CCD摄像头采集的视频数据进行解码,实现A/D转换,并给出LLC2(采集时钟)、VREF(场同步参考信号)、HREF(行同步参考信号)等采集参考控制信号,然后通过CPLD控制图像采集,并将解码图像信号存储在SRAM中。当完成图像信号存储后,CPLD给DSP发出结束命令。DSP在接到采集结束命令后,对在SRAM中的图像信号进行检测算法的处理,获得特征数据并传给PC机,特征数据和PC机数据库中的人脸模板进行对比,PC机把识别结果传给DSP,DSP则通过多通道缓冲串口给门锁控制器发送开门信号或报警信号。由于DSP系统的存储能力有限,又考虑到系统的便利性和扩展性,DSP与PC机采用了以太网通讯,将PC机作为DSP系统的备份设备,记录识别日志,同时存放识别对比程序和模板数据库,并随时可以从远处PC机上得到前端识别系统的状态。三、DSP系统硬件设计1、视频图像采集电路设计本设计采用可编程视频解码器SAA7111对CCD摄像头采集视频数据进行解码,实现A/D转换,系统以可编程逻辑器件CPLD实现采集控制和图像传输接口单元,其中CPLD的I/O口模拟I2C总线接口,实现对SAA7111的控制。视频图像采集电路如图2所示。620)this.style.width=620;"border=0>图2视频图像采集电路当系统要求采集图像时,DSP通过缓冲串行接口BDX1向采集系统发出采集指令,并通过串行接口BFX1产生CPLD的复位信号,使其内部的寄存器进行清零工作。当这一切完成之后,DSP与存储器SRAM之间的总线控制器为断开状态,CPLD根据SAA7111传过来的LLC2(采集时钟)、VREF(场同步参考信号)、HREF (行同步参考信号)、FIELD(奇偶场指示)信号控制A/D的采集及访问存储器,将A/D解码的视频信号依次存入SRAM中,当CPLD采集控制完成之后,将结束采集工作,并发出一个完成信号OVER给DSP的中断引脚INT2,告知DSP采集到的图像信号已经存储在SRAM中。DSP在接到中断后,开始相应的处理程序。2、DSP外部存储器接口设计由于图像信号数据量很大,DSP内部的RAM和ROM较小,因此外扩了SRAM和FLASH,并将DSP的执行程序放在外部的FLASH中。对于本系统来说,终端部分的数据处理量比较大,而且数据处理速度要求很快,因此需要比较快速的存储器接口。对于数据存储器,本文选用的是高速静态存储器CY7C1041BV33,它的存储容量为256K×16bit/片,存储速度为12ns,数据宽度为16位。对于程序存储器,本文选用SST39VF400芯片,所有的用户程序均写入FLASH中,同时将编写一个引导程序,在DSP上电时,从DSP外部程序存储器FLASH中逐条地读取程序代码并运行。DSP和扩展存储器之间的连接电路如图3所示。620)this.style.width=620;"border=0>图3DSP和扩展存储器之间的连接电路DSP提供外部存储器选通(MSTRB#)输出信号,该信号处于有效状态(低)说明DSP产生一个外部程序或者数据空间的访问。外部程序空间选通(PS#)和数据空间(DS#)选通,分别表明DSP是对外部程序空间和数据空间进行访问。读写选通(R/W#)输出表明DSP和外部器件之间数据传输的方向。这些信号在保持模式下都为高阻态。利用它们和SRAM的选通信号线相连实现正确的读写时序。3、以太网通信接口设计采用以太网口和PC机通信,PC机完成特征数据和人脸模板的对比,发送识别结果给DSP,PC机可以作为DSP系统的备份设备,人脸识别日志保存在PC机中,并可以随时从PC机上得到DSP系统的状态。同时可以对系统进行扩展,使各个前端DSP装置互连,构成基于网络的多门禁系统。本系统采用了应用比较普遍的以太网控制器芯片RTL8019AS。C5402和RTL8019AS连接方式如图4所示。620)this.style.width=620;"border=0>图4C5402和RTL8019AS连接方式其中RTL8019AS的IOCS16引脚接高电平,选择16位数据总线方式。TMS320C5402的总线电平是3.3V,而RTL8019AS的接口电平是5V,二者在连接时要使用电平转换器SN74ALVT16245;TMS320C5402的I/O口控制信号IS#、IOSTRB#、R/W#等信号经过74AHCT139译码后与RTL8019AS的IOR#、IOW#连接。由于TMS320C5402的I/O口读写速度很快,因此将RTL8019AS的IOCHRDY信号与DSP的READY相连。另外,将SMEMR和SMEMW引脚接高电平,屏蔽了远程自举加载功能。4、DSP系统的电源设计本系统是一个多电源系统,在整个系统中有5V模拟电源、5V数字电源、3.3V、1.8V四种电源,相对应的有模拟地和数字地。因为DSP所用的工作电压需要两种,外围I/O电源DVDD采用3.3V,内核电源CVDD采用1.8V,并且DSP对这两个电压有上电顺序的要求,内核电源CVDD必须先于I/O电源DVDD上电,关断时内核电源CVDD应晚于I/O电源DVDD,而且整个上电过程应在25ms内完成。这样要求的原因在于,如果CVDD先于DVDD上电,只是芯片周边输入输出无效,对于芯片本身没有损害,但如果次序相反,则芯片的缓冲和驱动部分将处于一个未知的状态,容易对芯片造成损害。根据上述的分析,在本系统中,采用了TPS73HD318电源管理芯片,它能同时输出3.3V和1.8V两种电压,每路最大输出电流达到1.0A,芯片本身可以提供较为严格的上电次序,再加上搭配的外围器件,保证了系统对上电次序和功率的要求。四、系统的软件流程系统软件由DSP软件和上位PC机软件构成。DSP软件完成人脸图像的采集、预处理以及特征提取。PC机软件采用基于模板匹配的算法来进行辨识和对比,给出识别结果。使用前需制作可辨识的人脸正面及左右旋转30°的模板并保存在数据库中。当识别结束后,通过硬件中断输出辨识结果。需要注意的是,由于人的脸部总是在不断变化的,过一定时间以后,需要重新制作待识别人脸的模板,不过PC机数据库可以很方便地进行更新升级。DSP系统上电以后,软件首先要对系统进行初始化。初始化结束后,通过硬件中断向识别系统提出请求,识别系统得到请求后响应中断,屏蔽中断,向采集系统发出采集控制指令,此时可以对人脸进行图像采集。当采集结束后,采集系统发出中断通知数据采集完毕。人脸检测的方法有多种,根据应用的场合和所用的硬件资源,选择了一种快速人脸检测方法,提取人脸的特征数据传到上位机。DSP软件的主流程如图5所示。620)this.style.width=620;"border=0>图5DSP软件的主流程五、结束语由于该系统复杂,限于篇幅,本文着重选择硬件和软件设计中的关键和难点做详细的论述,硬件的抗干扰以及上位机软件等等就不再一一叙述。本系统经过了运行检验,具有速度快,成本低,可靠性高,扩展性好等优点,具有很广的应用前景。（安防科技）杂志文/杨吴冰陆徐平许晋华参考文献： 1清源科技.TMS320C54XDSP硬件开发教程M.机械工业出版,2003. 2王科俊,姚向辉.人脸图像检测与识别方法综述J.自动化技术与应用,2004,(12). 3于淼,郑红.基于DSP的人脸图像识别系统J.微计算机信息,2003,19(6). 4魏华,李荐民.CPLD在图像采集系统中的应用J.计算机测量与控制,2002. 1