基于Nios Ⅱ軟核的人臉檢測系統設計

引言

人臉檢測跟蹤是計算機視覺(jué)中十分重要的研究領(lǐng)域，正受到越來(lái)越多的關(guān)注。傳統基于PC平臺的人臉檢測跟蹤系統體積大，不能滿(mǎn)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，外圍電路較復雜，設計與調試都需要較長(cháng)的時(shí)間，且系統的可擴展性和移植性不好。利用32位Nios Ⅱ軟核處理器在FPGA上完成設計，減小了系統的體積，而且在PC上開(kāi)發(fā)的程序可移植到Nios Ⅱ處理器上，實(shí)現了片上系統。采用Nios Ⅱ處理器的自定義指令，用硬件實(shí)現部分算法，大大提高了數據的處理速度，保證了較好的實(shí)時(shí)性。在外圍電路不變的情況下，通過(guò)更新FPGA內部的電路設計，能使系統功能升級和增強。

系統組成及工作原理

人臉檢測跟蹤系統根據具體應用場(chǎng)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(xiě)入相應的C語(yǔ)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。系統的結構如圖1所示。

圖1 基于Nios Ⅱ軟核的人臉檢測系統設計

本文設計的人臉檢測跟蹤系統主要包括三個(gè)模塊：圖像采集模塊，人臉檢測跟蹤模塊以及數據通信模塊。

圖像采集模塊

該模塊主要包括攝像頭和外擴SRAM。本系統采用的圖像傳感器是OV7620，OV7620是美國OmniVision 公司開(kāi)發(fā)的1/ 3英寸,30 萬(wàn)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(shí)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。輸出窗口尺寸在4 ×2~ 664 ×492 之間可調。圖像數據輸出格式可以為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(hù)可以根據自己的需要,通過(guò)SC2CB 接口設置芯片內相應的寄存器進(jìn)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(gè)邏輯單元(LE)，1944576 bit的RAM，10個(gè)DSP模塊，6個(gè)數字鎖相環(huán)(DPLL)，用戶(hù)可用的I/O最多達到702個(gè)。在EP1S25中嵌入Nios軟核，控制連接在外部總線(xiàn)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FPGA 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(hù)邏輯模塊。這正體現了Nios 的優(yōu)勢，將很多資源集中在FPGA中為設計PCB 帶來(lái)了便利， 而且對系統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 中存儲嵌入式系統所用的向量表、數據和程序。Flash 用于在系統掉電的情況下存儲程序和數據。