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。 

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。 

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。 

图3 DSP 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。 

图4 C5402 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。 

图5 DSP 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. TMS320C54X DSP 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.