（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm9的人脸识别系统硬件平台设计.pdf

声、 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo f a u t o m a t i o ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nf a c e r e c o g n i t i o ns y s t e m h a r d w a r eb a s e do na r m 9 a 刀j e s i si n i n s t r u m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y b y j i a n gy u a d v i s e db y a s s o c i a t e p r o f e s s o rd i n gw a n s h a n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n ，2 0 1 0 一 ， 承诺书 l i i i i | i f i | i | | j j j f f | i | i | i | | l jj j i i | j j f i i f f i i f y 18 0 5 0 6 4 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：蔓荔珏作者签名：丞翌兰 日飙蚪 4 t ， 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 人脸识别技术涵盖了图像处理，模式分类以及机器视觉等学科。随着计算机技术的迅 猛发展，人脸识别系统中高性能自动识别技术的实现代价降低到了可以接受的程度。传统 的人脸识别系统由大型的、高性能的计算机和专用的成像设备组成，该类设备应用于大型 的识别场合，具有海量存储的属性。但是在小型场合，如企业考勤、家庭防盗、手机解锁 等，采用这样的计算机虽然在识别精度上能达到很好的效果，而由于其成本高，反而没有 较好的市场效益。本文提出了构建小型人脸识别系统的方案，并从硬件设计、硬件调试和 软件设计三方面详细描述了人脸识别系统硬件平台的设计流程。 1 、硬件电路的设计。首先描述了硬件设计的总体方案，然后将硬件设计按模块划分为 电源模块没计、数据采集模块设计、分类识别模块设计和输入输出模块设计四部分，并详 细阐述了其设计过程。 2 、硬件系统的调试过程。首先介绍了a d s 交叉编译工具、h - j t a g 调试代理以及a x d 调试工具的使用，然后设计了串口调试、t v p 5 1 4 7 m 1 芯片的初始化调试等子程序，并描述 了调试的结果。 3 、系统软件的设计和调试。软件设计包括嵌入式l i n u x 操作系统的移植及设备驱动程 序的开发、系统主程序的设计以及嵌入式w e b 服务器的构建三个方面。在l i n u x 操作系统 移植部分，简要阐述了交叉环境的搭建、u - b o o t 移植、内核编译以及文件系统建立，着重 介绍了驱动程序的开发。采集程序部分包括主程序、t v p 5 1 4 7 m 1 芯片初始化子程序、l c d 控制子程序以及图片的保存程序等。最后简要描述了嵌入式w e b 服务器的搭建过程以及实 现的结果。 本文选用三星公司生产的$ 3 c 2 4 4 0 a 高性能a r m 9 处理器，系统执行效率高。根据设 计，系统能完整采集单帧图片数据，有效地保护了数据的完整性。系统作为便携式人脸识 别硬件平台，也可通过程序的修改适应各种图像采集场合的应用。 关键词t 人脸识别，t v p 51 4 7 m 1 ，c p l d ，嵌入式l i n u x ，a r m 9 基于a r m 9 的人脸识别系统硬件平台设计 a b s t r a c t f a c er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yc o v e r si m a g ep r o c e s s i n g ，p a t t e r nc l a s s i f i c a t i o n ，m a c h i n ev i s i o n a n dm a n yo t h e rs t u d i e s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , t h ec o s to f a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw i t hh i g hp e r f o r m a n c ew h i c hi si n c l u d e di nf a c er e c o g n i t i o n s y s t e mh a sr e d u c e dt oa na c c e p t a b l el e v e l a st r a d i t i o n a lf a c er e c o g n i t i o ns y s t e mu s u a l l yc o n s i s t s o fg i a n to rh i g hp e r f o r m a n c ec o m p u t e r sa n dt e c h n i c a li m a g i n ge q u i p m e n t s ，t h e ya r eo f t e na p p l i e d t oh u g er e c o g n i t i o no c c a s i o n sw i t ht h e i rg o o ds t o r a g ep r o p e r t i e s h i t h e r t o ，i ns m a l lo c c a s i o n s ，l i k e a t t e n d a n c em a n a g e m e n t ，h o m es e c u r i t ys y s t e m ，p h o n eu n l o c k i n g ，t h e s ec o m p u t e rw o n tb eu s e d b e c a u s eo ft h e i rh i i g hc o s t s ，e v e ni ft l l e yw i l lp e r f o r m a n c ew e l l i nt h i sp a p e r ，am i c r of a c e r e c o g n i t i o ns y s t e mi sr a i s e d ，a n di t sh a r d w a r ep l a t f o r md e s i g np r o c e s si si n t r o d u c e df r o mt h r e e a s p e c t s ：h a r d w a r ed e s i g n ，h a r d w a r ed e b u g g i n ga n ds o f t w a r ed e s i g n f i r s t ，h a r d w a r ed e s i g n i n gi sp r e s e n t e d i ti sd i v i d e di n t of o u rp a r t si n c l u d i n gp o w e rs y s t e m d e s i g n ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l ed e s i g n ，c l a s s i f i c a t i o na n dr e c o g n i t i o nm o d u l ed e s i g na n di n p u t a n do u t p u tm o d u l ed e s i g n ，a n dad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ed e s i g np r o c e s si sa l s og i v e ni nt h e p a p e r s e c o n d ，s y s t e md e b u g g i n gp r o c e s si sp r e s e n t e d w h a ta r ei n t r o d u c e df i r s t l ya r ea b o u tt h e a d sc r o s s c o m p i l e r , h d t a gd e b u ga g e n ta n dt h eu s eo fa x dd e b u g g i n gt o o l s ，a n dt h e nt h es e r i a l p o r td e b u g g i n g , t v p 51 4 7 m 1c h i pi n i t i a l i z a t i o n ，a n ds oo n a n dt h er e s u l t so ft h e s ed e b u g g i n g s a r ea l s os h o w e di nt h ep a p e r w h i c hi sg i v e nf i n a l l yi st h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g np r o c e s sw h i c hi n c l u d e se m b e d d e dl i n u x o p e r a t i n gs y s t e mm i g r a t i o n ，s y s t e mm a i np r o g r a md e s i g n i n ga n de m b e d d e dw e b s e r v e rb u i l d i n g i nt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e mm i g r a t i o ns e c t i o n , t h e c r o s s c o m p i l i n ge n v i r o n m e n t ，u b o o t t r a n s p l a n t a t i o n ，t h ek e r n e lc o m p i l i n g a n df i l es y s t e mb u i l d i n ga r eb r i e f l yd e s c r i b e d ，a n dt h ed r i v e r d e v e l o p m e n t i s d e t a i l e d l yp r e s e n t e db e h i n d a c q u i s i t i o np r o g r a m s e c t i o ni n c l u d e sm a i n f r a m e w o r k , t v p 5 1 4 7 m 1c h i pi n i t i a l i z a t i o n ，l c dc o n t r o ls u b p r o g r a m ，a n dt h ei m a g es t o r i n g p r o g r a ma r ei n t r o d u c e dt o o a n df i n a l l ya ne m b e d d e dw e b s e r v e ri sb u i l df o rf u r t h e ru s e as a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 ap r o c e s s o rw i t hh i g h - p e r f o r m a n c ea r m 9c o r ei ss e l e c t e df o rt h e s y s t e m ，w h i c he n s u r e sh i g he f f i c i e n c y b yt h ed e s i g n , t h es y s t e mc a nc a p t u r ea w h o l ef r a m eo f 南京航空航天大学硕士学位论文 i m a g ed a t aw h i c hb r i n g su pt h ee f f e c t i v ep r o t e c t i o no fd a t ai n t e g r i t y t h i sh a r d w a r ep l a t f o r ma sa p o r t a b l ef a c er e c o g n i t i o n s y s t e mc a na l s ob ep r o g r a m e dt oa d a p tt ot h ea p p l i c a t i o n so fv a r i o u s k i n d so fi m a g ea c q u i s i t i o no c c a s i o n s k e y w o r d s ：f a c er e c o g n i t i o n ，t v p 5 1 4 7 m 1 ，c p l d ，e m b e d d e dl i n u x ，a r m 9 基于a r m 9 的人脸识别系统硬件平台设计 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 2 国内外研究现状l 1 3 人脸识别系统的相关原理2 1 3 1p c a 和l d a 及其相关方法一2 1 3 2 支持向量机( s ) 的人脸识别方法2 1 3 3 基于小波变换的人脸识别3 1 4 论文的主要研究内容及结构3 1 5 本章小结4 第二章系统总体实现方案5 2 1 系统的总体结构设计5 2 2 课题的技术难点与拟完成目标6 2 2 1 课题的技术难点6 2 2 2 课题完成的目标7 2 3 本章小结8 第三章系统硬件设计9 3 1 系统硬件结构总体方案9 3 2 摄像头选择以及输出格式研究一1 0 3 3 电源模块设计1 l 3 4 视频采集模块设计12 3 4 1t v p 5 1 4 7 m 1 芯片介绍1 3 3 4 2t v p 5 1 4 7 m 1 外围电路设计1 3 3 5 数据缓存模块设计1 9 3 5 1 器件选择19 3 5 2c p l d 外围电路设计2 1 3 5 3 数据缓存模块电路设计一2 l 3 6 识别分类模块设计2 5 纛。 一 南京航空航天大学硕士学位论文 3 6 1 $ 3 c 2 4 4 0 a 处理器简介2 5 3 6 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 核心板2 6 3 6 3s d r a m 硬件接口电路2 7 3 6 4n a n df l a s h 硬件接口电路2 9 3 6 5j t a g 接口电路3 0 3 6 6 图像数据读取电路设计3 0 3 6 。7u a r t 接口电路设计31 3 6 8l c d 与触摸屏接口电路设计。3 3 3 7 输入输出模块设计3 4 3 7 1 键盘和l e d 电路设计3 5 3 7 2 网络接口电路设计。3 5 3 7 3u s b 接口电路设计。3 7 3 8 本章小结3 9 第四章硬件系统调试4 0 4 1 印刷电路板的制作及抗干扰4 0 4 2 系统硬件的调试4 1 4 2 1 电源模块的调试4 2 4 2 2a r m 集成开发环境与调试工具4 2 4 2 3a r m 启动代码简介4 4 4 2 4 串口通讯模块调试4 5 4 2 5t v p 5 1 4 7 m 1 芯片调试4 6 4 2 6 数据缓存模块调试5 0 4 2 7c p u 外围电路调试5 1 4 3 本章小结5 5 第五章系统软件设计5 6 5 1 嵌入式操作系统的选择5 6 5 2 嵌入式l i n u x 系统的移植5 7 5 2 1 嵌入式交叉环境的搭建5 7 5 2 2u b o o t 的移植一5 9 5 2 3 嵌入式l i n u x 内核编译一61 5 2 4 文件系统映像的建立6 3 v 基于a r m 9 的人脸识别系统硬件平台设计 5 2 5 嵌入式l i n u x 驱动开发6 4 5 3 图像采集程序设计6 8 5 3 1 主程序设计6 8 5 3 2t v p 5 1 4 7 m 1 芯片的初始化6 9 5 3 3 数据的采集与处理程序设计7 0 5 3 4l c d 显示及移位控制程序设计7 2 5 3 5 图片存储程序设计7 3 5 3 6 嵌入式l i n u x 启动项的调整7 6 5 4 嵌入式w e b 服务器的应用。7 6 5 4 1 嵌入式b o a 服务器概述7 6 5 4 2 嵌入式b o a 服务器移植7 7 5 5 本章小结。7 8 第六章总结与展望8 0 6 1 全文工作总结8 0 6 2 后续工作展望8 2 参考文献8 3 蜀【谢8 6 在学期间的研究成果及发表的学术论文。8 7 附录ip c b 板8 8 附录i i 摄像头器件8 9 附录i i i 系统实物图9 0 南京航空航天大学硕士学位论文 图表清单 图2 1 系统的总体结构框图5 图3 1 系统硬件解决方案9 图3 2p a l 制式模拟视频信号示意图1 0 图3 35 v 电源电路1 1 图3 43 3 v 1 8 v 电源电路1 1 图3 5a r m 专供1 s v 、3 3 v 电源电路1 2 图3 6 高频噪声滤除电路。1 2 图3 7t v p 51 4 7 m 1 芯片结构示意图1 3 图3 8 视频输入端电路15 图3 9 晶振电路15 图3 1 0t v p 5 1 4 7 m 1 芯片i i c 总线连接和i i c 总线设备地址选择电路1 6 图3 1 lt v p 51 4 7 m 1 芯片复位电路16 图3 1 2t v p 5 1 4 7 m 1 芯片复位电路仿真一1 7 图3 1 3 视频采集模块j 二程图1 8 图3 1 47 4 h c 2 4 5 和7 4 l v x 4 2 4 5 引脚结构图2 0 图3 1 5d s l 2 6 5 a b 引脚结构图2 0 图3 1 6c p l d 器件j t a g 接口电路。2 1 图3 1 7c p l d 晶振电路2 l 图3 18t v p 5 1 4 7 m 1 与c p l d 电压匹配电路示意图2 2 图3 1 9 缓存模块原理图2 3 图3 2 0 数据缓存模块工程图2 4 图3 2 1a r m 核心板2 6 图3 2 2 $ 3 c 2 4 4 0 a 处理器的存储映射2 7 图3 2 3 两片1 6 位s d r a m 组成3 2 位存储系统2 8 图3 2 4n a n df l a s h 连接示意图2 9 图3 2 5j t a g 接口连接图3 0 图3 2 6 数据缓存模块与a r m 核心板连接示意图3l 图3 2 7u a r t 与p c 机通讯3 2 图3 2 8u a r t 接口连接图3 3 图3 2 9l c d 连接示意图3 4 基于a r m 9 的人脸识别系统硬件平台设计 图3 3 0 键盘和l e d 电路设计3 5 图3 3 1d m 9 0 0 0 a 外围连接示意图3 6 图3 3 2d m 9 0 0 0 a 与r j - 4 5 接口问的电平转换电路。3 7 图3 3 3u s b 接口电路。3 7 图3 3 4c p u 外围电路以及输入输出电路工程图3 8 图4 1h j t a g 调试主界面。4 3 图4 2a x d 运行的界面，4 4 图4 3l i n u x 平台串口测试工具4 6 图4 4t v p 5 1 4 7 m 1 芯片晶振波形与d a t a c l k 输出波形4 7 图4 5t 、伊5 1 4 7 m l 芯片i i c 总线操作流程示意图4 7 图4 6i i c 读写t v p 5 1 4 7 m 1 次空间子程序4 8 图4 7t v p 51 4 7 调试u a r t 输出- 5 0 图4 8t v p 5 1 4 7 m 1 数据输出时的信号时序5 0 图4 9d s l 2 6 5 a b 的写操作时序5 1 图4 1 0 键盘测试u a r t 输出5 4 图4 1 1 触摸屏调试的u a r t 输出5 5 图5 1l i n u x 环境变量的临时更换5 9 图5 2b o o t l o a d e r 移植一6 0 图5 3 嵌入式l i n u x 内核配置6 2 图5 4m i n i c o m 输出嵌入式l i n u x 内核运行结果6 3 图5 5q t o p i a 主界面6 4 图5 6 主程序流程图6 8 图5 7 视频制式调整流程图6 9 图5 8 视频制式初始化及按键选择端口7 0 图5 9 数据采集处理流程图7 1 图5 1 02 4 位r g b 数据格式：7 2 图5 1 ll c d 刷新子程序7 3 图5 1 2 保存b m p 格式图片程序流程图7 5 图5 1 3 采集效果图7 5 图5 1 4 本地访问嵌入式服务器。7 8 一 南京航空航天大学硕士学位论文 表3 1t v p 5 1 4 7 m 1 视频输入引脚1 4 表3 2 输入接口设计。1 4 表3 - 3t v p 5 1 4 7 m 1 芯片输出格式1 7 表3 47 4 h c 2 4 5 与7 4 l v x 4 2 4 5 功能列表2 0 表3 5n a n df l a s h 电路端口占用列表3 0 表3 6u a r t 端口复用引脚列表3 3 。 表3 7l c d 与触摸屏电路设计中使用的复用引脚列表3 4 基于a r m 9 的人脸识别系统硬件平台设计 x 略写 a d s a x d c c d c m o s c p l d c v b s d m a e e p r o m i i c j t a g l d a l a n m m u n t s c p a l p c a r i s c s e c a m s d r a m s v m u a r t v h d l 注释表 英文全称 a r m d e v e l o p e rs u i t e a r me x t e n d e dd e b u g g e r c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e c o m p o s i t ev i d e ob r o a d c a s ts i g n a l d i r e c tm e m o r ya c c e s s e l e c t r i c a l l ye r a s a b l ep r o g r a m m a b l er o m i n t e r - i n t e g r a t e dc i r c u i t j o i n tt e x ta c t i o ng r o u p l i n e a rd i s c r i m i n a n ta n a l y s i s l o c a la r e an e t w o r k m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t n a t i o n a lt e l e v i s i o ns t a n d a r d sc o m m i t t e e p h a s ea l t e r n a t i n gl i n e p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g s e q u e n t i e lc o u l e u ram e m o i r e s y n c h r o n o u sd y n a m i cr a m s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e 中文名称 a r m 集成开发工具 a r d 扩展调试工具 电荷耦合器件 互补金属氧化物半导体 复杂可编程逻辑器件 复合视频广播信号 直接存储器存取 电可擦可编程只读存储器 1 2 c 总线 联合测试行动小组 线性判别分析 局域网 内存管理单元 美国国家电视标准委员会 逐行倒相制式 主成份分析 精简指令集 按顺序传送彩色与存储 同步动态随机存储器 支持向量机 异步收发器 超高速硬件描述语言 南京航空航天大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第一章绪论 随着社会的发展以及技术的进步，尤其是最近十年来计算机以及嵌入式系统软硬件性能的 飞速提升，以及社会各方面对快速高效的自动身份验证的要求日益迫切，生物识别技术在科研 领域取得了极大的重视和发展。 人脸识别是模式识别和计算机视觉的交叉领域。人脸识别将计算机视觉和模式识别结合在 一起，广泛地应用在机器人等学科中【l 】。作为人类几个重要外在鉴别特征之一，人脸识别对自 动鉴别和人类自动分辨有着重要的意义【2 l 。在广域样本范围内，指纹识别和虹膜识别的取样样 本都具有唯一性，即对于任何两个样本，他们的指纹或虹膜不会是完全相同的，另外指纹和虹 膜的成像不会在不同时刻得到不同的效果，这就决定了待识别图像和样本本身一样是具有唯一 性的，但人脸图像受其成像角度、光照条件等外界因素的影响较大，即使是相同的人脸图像成 像后也可能有较大的差别，另外不同人脸在一定角度下，有时也有较大的相似度，这两个因素 导致了人脸识别复杂性比较高、识别难度比较大，这些都是人脸识别研究中遇到的实际困难【3 】 【4 】。与指纹识别和虹膜识别相比，人脸识别也有其独特的优势。指纹或虹膜的获取都要求待识 别对象与成像设备具有较近的空间距离，而人脸图像的采集突破了接触式的方式，在一般可视 情况下，人脸图像都能够正常被捕捉，这一因素决定了人脸识别比指纹识别和虹膜识别有更广 泛的应用范卧5 1 ，诸如远程安全、检疫、图像传送等。九十年代互联网蓬勃发展对于网络安全 和网络鉴别的需求，也导致了人脸识别越来越具有实用性 6 1 。 本课题便是在这样的背景下产生的。传统的人脸识别系统由大型的、高性能的计算机和专 用的成像设备组成，该类设备应用于大型的识别场合，具有海量存储的属性。但是在小型场合， 如企业考勤、家庭防盗、手机解锁等，采用这样的计算机虽然在识别精度上能达到很好的效果， 而由于其成本高，反而没有较好的市场效益。所以，课题提出了一种更加优越的解决方案，设 计一款嵌入式设备，其不仅拥有价廉的处理器以及简单的算法、而且具有相对较好地识别待测 人脸的功能，无疑是作为小型场合识别装置的最好选择。 1 2 国内外研究现状 计算机视觉和模式识别的研究人员从事自动人脸识别技术方面的研究工作已经有3 0 多年， 人类可以轻松地从背景中检测和识别出人脸，而且这种识别能力相当强，鲁棒性十分好1 7j 。即 使在视觉刺激上有非常大的变化，如不同的视角、表情、年龄、是否戴眼镜和发型变化等，人 基于a r m 9 的人脸识别系统硬件平台设计 们都能相当好地进行识别，然而，要完全模拟人类如何进行人脸识别或在图像形成过程中有明 显变化的情况下能完成人脸识别任务的自动系统却是一个非常困难的任务。 见诸文献的机器自动人脸识别研究始于1 9 6 6 年b l e d s o e 的工作，三十多年以来，科研工作 者在机器自动人脸识别方面进行了大量的研究，取得了丰硕的成果。其中m i t 媒体实验室、 m i t a i 实验室、a r y l a n d 大学、s t a n f o r d 大学的贡献尤为突出。国内关于人脸自动识别的研究始 于8 0 年代，我国许多高校、研究机构，在图像处理和模式识别领域有很好的研究基础，至今， 不论在算法方面，还是在应用方面，都已经取得了一系列可喜的成果。但从总体上，与国外先 进水平还有相当大的差距，特别是在商业软件方面。国内主要从事该工作的单位有：中科院自 动化所、清华大学、南京理工大学、哈尔滨工业大学掣引。积极开展对包括人脸识别在内的基 于生物测量学识别技术的基础研究和应用开发工作，组织力量开发相应的商业软件，并通过市 场竞争促使其逐步成熟，已经成为当务之急。 1 3 人脸识别系统的相关原理 人脸识别经过近四十年的研究，涉及到模式识别、图像处理、计算机视觉、生理学、心理 学及认知学等诸多学科的知识，得到了各领域研究者们的高度关注，并取得了长足的发展。完 整的人脸识别一般包括人脸检测，人脸表征和人脸识别三个步骤。近年来，静止图像的人脸识 别方法主要有：特征脸方法、隐马尔科夫模型方法、神经网络方法、弹性图匹配方法等【9 】。 1 3 1p c a 和l d a 及其相关方法 p c a ( 主成分分析) 方法和l d a ( 又称f l d a ，线性判别分析) 方法无疑是人脸识别中里 程碑式的工作，两者本质上都是子空间投影法。就使用的方法而言，p c a 和l d a 都不是新方 法，但是他们都是被第一次十分明确的用在人脸识别中的方法，两者都能对原始图像进行降维， p c a 的降维方法目的是降维后的数据可以晟佳重构原图像，但不一定利于分类。针对这一点， l d a 方法做出了改进，原数据经l d a 方法投影后，同一类的样本点会尽量靠拢，而不同类的 样本点会尽量散开，这是一种利于分类的降维方法，即f i s h e r f a c e 方法【l 0 1 。 1 3 2 支持向量机( s v m ) 的人脸识别方法 近年来，支持向量机是统计模式识别领域的一个新的热点，它试图使学习机在经验风险和 泛化能力上达到一种妥协，从而提高学习机的性能。支持向量机主要解决的是一个2 分类问题， 它的基本思想是试图把一个低维的线性不可分的问题转化成一个高维的线性可分的问题【1 1 1 。通 常的实验结果表明s v m ( s u p p o r tv e c t o rm a c h i n e ) 有较好的识别率，但是它需要大量的训练样 本( 每类3 0 0 个左右) ，这在实际应用中往往是不现实的。而且支持向量机训练时间长，方法实 2 南京航空航天大学硕士学位论文 现复杂，该函数的取法没有统一的理论【1 2 l 。目前，s v m 方法也可以用于多类问题，扩展了该方 法的应用范围，但是解决多类分类问题时存在盲区，且在实现上比较复杂。 1 3 3 基于小波变换的人脸识别 小波变换在人脸识别领域占据有很重要的地位。研究表明，人类视觉数据的处理是一个分 等级的过程，其中最底层的视觉过程( 视虹膜功能) 起信息、转储的作用，即将人眼接收的大 量数据变换为一个比较规则的紧凑表达形式。生理学的研究表明，人眼视网膜上存在低层次和 高层次的细胞。其中，低层次的细胞对空间的响应与小波变换的结果相似。而高层次的细胞则 依据一群低层次细胞的响应作出具体的线、面及模式的响应。 近年来，小波变换在图像分析中己经成为一个非常有用的工具。小波变换通过对信号用一 种不同尺度的带通滤波器进行滤波，将信号分解到不同的频带上再进行分析处理，具有良好的 时频域局部性能、多分辨率分析等优点。小波变换可以应用于人脸识别，主要是由于人脸图像 通过小波分解后在不同方向上子图的分辨率降低，计算复杂度也相应降低，同时也为人脸的识 别提供了良好的局部信息。由于人脸图像信息中低频部分描述的是图像的整体( 形状) ，高频部 分描述的是图像的细节信息，n a s t a r 等研究了人脸外观变化与频谱变化之间的关系，指出入脸 的光照、少许遮罩、旋转、扭曲和面部表情等只影响图像中高频部分，人脸图像的低频部分仍 然保持稳定。为此，利用小波变换可以猎取人脸低频信息，能较好地对人脸进行分类。 另外，小波变换还可以和其他方法结合起来。例如，小波变换可作为p c a 数据的预处理或 与弹性匹配方法相结合，实现更加准确的分类。 1 4 论文的主要研究内容及结构 本课题旨在为复杂的人脸识别算法提供较完善硬件平台和图像样本，由于嵌入式系统资源 有限，所以精良的图像采集系统是系统设计成功的关键因素。本文就硬件设计、硬件调试、采 集程序设计以及w e b 服务器搭建作了详细阐述。 本文共分六章，各章节的内容安排如下： 第一章阐明了本课题研究工作的目的、意义、人脸识别的相关原理、研究的主要工作及论 文结构框架等。 第二章构建了硬件的总体框架，并对每部分的功能做了详细阐述，最后简要介绍了课题的 技术难点和拟完成的目标。 第三章按照硬件总体的框架，首先进行器件选择，然后按照模