Adaboost算法的FPGA實(shí)現與性能分析

　　像素積分陣列：像素積分單元陣列是本系統中進(jìn)行快速人臉檢測的核心處理模塊。在將 圖像進(jìn)入片內RAM 后，系統將采用20x20 的移動(dòng)窗口對整幅圖像進(jìn)行掃描處理。每個(gè)周期 的開(kāi)始階段，檢測窗口包含的一行(20 像素)的灰度值由底部進(jìn)入積分陣列，積分陣列上部輸 出按從左至右方向的行像素值的積分和，右部則輸出每行按從左至右方向的像素值的平方 和。陣列中的灰色方格則保存了檢測窗口對應原始圖像部分的像素積分值。陣列中的帶豎線(xiàn) 和右斜線(xiàn)的方格表示了存儲特征所包含的矩形權重和特征相似度等參數的流水線(xiàn)。在整個(gè)掃 描窗口的像素積分值都進(jìn)入此陣列后經(jīng)過(guò)左側編碼模塊的編碼控制后，從陣列的右側可以得 到當前一級分類(lèi)器所包含的矩形的像素灰度值。此灰度值被送到右側的檢測模塊(如圖 4)： 首先會(huì )和當前一級分類(lèi)器中對應特征的權重weight 相乘，然后將乘積進(jìn)行累加后即得到當 前區域對應此特征的特征值。接著(zhù)這個(gè)值會(huì )與分類(lèi)器中的特征閾值a 比較，從而選擇對應 的特征相似度γo(大于等于a )或者γ1 (小于a )，此相似度值也將被累加，當該級分類(lèi)器中 所包含的全部特征的特征相似度都累加完畢后會(huì )與最終的該級的檢測閾值β比較。比較后 的結果顯示了該窗口區域是否包含了人臉，1 即為包含，0 即為不包含。如果包含人臉，此 模塊還將把當前檢測到的人臉的區域信息(包括矩形的左上角起始坐標和矩形長(cháng)、寬)保存在 一個(gè)專(zhuān)用的存儲區域，以用于后面的結果輸出。

　　人臉信息處理單元：像素積分單元陣列檢測到人臉后，此單元將首先保存檢測到的人臉 位置信息。如同檢測階段中分類(lèi)器中的特征包含的矩形表達式一樣，人臉位置信息也是由起 始點(diǎn)坐標和矩形的長(cháng)、寬組成：(x, y, width, height)。接著(zhù)根據此信息控制后一級的視頻輸出 模塊用以顯示人臉。讀取(x, y)，在圖像RAM中檢索到對應人臉的起始點(diǎn)的地址，往該地址 中寫(xiě)入像素值0。接著(zhù)縱坐標不變，延x軸方向只至x+width-1的點(diǎn)的像素值均更新為0。然后 是繪制人臉的縱向邊界。保持橫坐標為x+width-1，y坐標依次增1只至y+height-1，將此列對 應點(diǎn)的像素值更新為0。后面再按照類(lèi)似的方法折回完成余下的人臉邊界的標識。此時(shí)存放 在RAM中的檢測后的圖像數據被送入到視頻輸出模塊，該模塊以800x600的分辨率將最后的 檢測結果顯示在VGA屏幕上，在屏幕顯示中，被黑色方框包圍的區域即是人臉。

　　圖像縮放單元：此模塊用以檢測圖像中大于20x20像素的人臉。本文采用的是固定大小 為20x20的移動(dòng)窗口，以從上至下，從左至右的方向遍歷掃描整幅圖像來(lái)檢測人臉。對原始 圖像數據掃描完一遍后，能夠直接檢測出圖像中大小在20x20以?xún)鹊娜四?。然后有檢測控制 狀態(tài)機負責啟動(dòng)該單元模塊，以一定系數對原始圖像進(jìn)行縮小處理。處理方法采用的是按照 縮小比例生成提取像素點(diǎn)的地址，并將這些像素點(diǎn)重新組成縮小后的圖像。其計算公式如下 所示，其中( x0 ,y0 ) 和(x1 , y1) 分別為原圖像和縮小后的點(diǎn)坐標，scale參數為查表所得：

　　測試結果

　　該 系 統 在 Xilinx ML509開(kāi)發(fā)板上進(jìn)行測試， 該開(kāi)發(fā)板上采用了一塊 XC5VLX110T-FF1136 的FPGA 芯片，測試方案為：將攝像頭實(shí)時(shí)采集到的圖像送進(jìn)系統視 頻輸入模塊，然后經(jīng)過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)控制板上的AD9880 芯片轉化為384x288 的8 位灰度圖送 入核心檢測模塊檢測并輸出在VGA 顯示器上。整個(gè)系統邏輯資源占用情況如表 1 所示。表 2 為最后系統能夠運行的最高頻率。

　　結論

　　本文創(chuàng )新點(diǎn)在于采用了一種像素積分單元陣列結構，能夠對 Adaboost 算法中的Haar 特征進(jìn)行并行處理。結合Virtex5 平臺豐富和特殊結構的邏輯資源，得到了理想的性能，甚 至已經(jīng)能夠和高性能的PC 平臺相提并論。從結果中可以看到，本系統只使用了部分資源。 通過(guò)在FPGA 芯片內部例化更多的處理單元，還有進(jìn)一步增大并行性以取得性能提升的空 間。