基于ARM的实时人眼定位系统.docx
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基于ARM的实时人眼定位系统
1绪论
1.1课题的背景及意义
随着我国社会和经济等各项事业的迅猛发展，许多行业对于快速和准确地识别有关人员身份的需求正日趋迫切。
由于生物特征是人体的内在属性，具有很强的自身稳定性和个体差异性，所以人体的生物特征是进行身份识别最理想的依据。
在这样的背景下，一门新的学科，即生物测定学引起了人们的研究热潮，生物测定学（Biometrics）是指通过计算机将人体固有的生理特征（如指纹、虹膜、面部、掌纹）或行为特征（如书写、声音等）收集并进行处理，来进行个人身份鉴定的技术。
其中利用人脸的特征进行身份识别[1]具有直接、友好、主动的特点，成为身份识别最自然和最直接的手段。
眼睛作为人脸上最显著、最稳定的特征，可以被用于帮助定位人脸，提供人的注视信息，识别人脸动作（如表情变化）等。
有资料表明，高速公路上发生的交通事故中有50％以上是由于长时间驾驶造成疲劳或由所见目标单调而形成注意力不集中，甚至打瞌睡等原因造成的，而驾驶员在车辆行驶过程中是否疲劳驾驶就可以从眼睛的状态反映出来。
当驾驶员精神饱满时，眼皮张开程度及眨眼频率都有统计的正常值；当驾驶员精神萎靡不振时，眼皮张开程度明显变小，眨眼频率也明显降低。
所以，利用驾驶员眼睛的状态信息来判断其疲劳状况是一种可行的方法。
在车辆中安装驾驶员疲劳监测系统，利用摄像头对驾驶员的驾驶行为进行监控，获取驾驶员脸部的一段连续图像，对每幅图像中的眼睛状态进行分析，综合每幅图像的数据来获得一个眨眼周期。
由于正常的眨眼频率与疲劳状态下的眨眼频率有着明显的区别，从而可以判断出该图像序列获取时驾驶员韵精神状态，在判断驾驶员疲劳时由系统适时的给出警告信号以避免事故发生。
因此，准确、快速的获得每幅图像中眼睛的精确位置，就成为实现驾驶员疲劳状态监控的关键。
作为人眼定位的另外一个重要应用就是人脸识别。
人脸识别不仅与模式识别、图像处理、计算机视觉和人工智能等多个学科相关，还与认知学、神经学、心理学等有紧密联系，在私法验证、安全监控、智能卡、档案管理、视频会议、人机交互等方面有着广泛的应用。
特别是，有专家提出要在北京2008年奥运会使用人脸识别系统。
如果在奥运会中使用人脸识别系统，就可以有效地管理奥运区内敏感区域和高风险实验室的人员出入，辨别后勤、食品运送人员及其他工人是否经过登记授权，防止恐怖人员等影响社会稳定的人员进入奥运区，防止意外事件发生。
随着后PC时代的来临，人们开始更多的关注这样一个全新的概念：
嵌入式处理器。
嵌入式处理器经过发展，已经由8位的单片机发展到32位的微处理器，已经能够满足图像处理等任务。
ARM（AdvancedRISCMachines，高级精简指令集机器）作为嵌入式技术中极其重要的一份子，发展极其迅猛[2]。
采用ARM技术的设备已在各项领域中被广泛应用。
在32位嵌入式微处理器市场上，基于ARM内核的微处理器在市场上处于绝对的领导地位，因此追踪ARM技术的发展趋势显得尤为重要[3]。
而采用基于ARM技术来实现的人眼定位系统，具有体积小、低功耗、方便、快捷、经济等优点，很具有研究意义，工业应用广泛，有很好的发展前景。
1.2国内外发展现状
人脸检测与人眼定位的研究[4]最早可追溯到十九世纪法国人Alton的工作，现代的研究，始于60年代末70年代初，在90年代以来成为了研究热点。
目前，国内外对人脸检测和人眼定位的研究越来越热，国外比较著名的美国麻省理工学院，卡耐基梅隆大学等高校都建立了人脸检测实验室，其中著名的研究机构有Medialab，Human-ComputerInterfaceInstitute、DepartmentofEngineeringinUniversityofCambridge等。
其它国家比如JAPAN、SINGAPO、KOREA等，在人脸检测方面也取得了相应的研究成果。
文献[5]利用了人脸的几何、空间和灰度的度量特征，对人脸进行粗定位，然后利用人眼与嘴巴的三角关系来精确地定位人脸，人脸的检测率达到96.7%，器官特征的检测率达到90.0%。
文献[6-7]对人脸样本和非人脸样本采用了Kohonen自组织映射网络进行聚类。
Samaria[8]等人提出了使用HMM模型进行人脸检测的算法。
他们将隐马尔可夫模型的状态迁移的条件使用人脸区域的结构信息来表示，这种方法的鲁棒性较好，对不同角度和不同光照条件的人脸图像都可以取得较好的识别效果。
国内开展人脸检测研究的主要单位有清华大学，哈尔滨工业大学，北京工业大学等，相对而言都取得了一定的成果。
针对人脸检测环境的复杂性，文献[9-11]提出了一种利用肤色和支持向量机（SVM）的人脸检测方法，该方法可以有效地从复杂背景信息中检测出人脸。
该方法是在统计学习理论的基础上发展出的一种新的模式识别方法，它采取基于结构风险最小化原理的方法，在检测速度上取得了很好的效果。
虽然经过国内外众多学者们的共同努力，人脸检测的速度有了一定的提高，但是相对于人脸检测的精度而言进步相对较慢。
2001年，P.Viola的一篇文章[12]的发表可以认为是检测速度提高的一个转折点。
他通过综合Adaboost和Cascade算法实现了实时的人脸检测系统，使得人脸检测从真正意义上走向了实用。
之后，更多的学者，如Rainer、Lienhart、B.Froba、StanZ.Li、C.Liu等[13-15]，开始将注意力集中到Boosting算法上来，使得在提高检测精度的同时也大幅度地提高了速度。
著名的IntelOpenCV开源库[16]的人脸检测与跟踪算法正是使用了Adaboost算法实现的，它对正面人脸的检测及跟踪达到了相当好的效果。
目前的人眼定位方法大多都是在经过人脸检测确定人脸基本位置的基础上进行人眼定位的，显然，这样做可以减少背景干扰，缩小搜索区域，从而提高人眼检测的精度和速度。
主要有以下几种方法：
（1）灰度投影法,该方法多用于在人脸矩形区域中进行人眼的粗定位。
由于在人脸图像中人眼的灰度较低，在人脸的水平灰度投影曲线上，认为曲线的最大值点（对应人的额头部位）和次最大值点（对应人的鼻中部）之间的一个极小值点对应位置为眼睛所在的大致水平位置[17]。
（2）二值化法,该方法首先用直方图阈值法将图像二值化，然后根据其中黑色区域的面积、形状和相对位置等几何特征确定出瞳孔的位置[18]。
（3）Hough变换法[19],Hough变换是一种用于区域边界形状描述的方法，常常用于直线段、圆和椭圆的检测。
由于眼球的圆形结构特征，人眼定位问题可以转化为在图像中确定圆形结构位置的问题。
该方法的缺点是占用存储空间大，耗费时间长。
（4）基于模版匹配的方法[20],根据上眼睑曲线特征构造了一种弹性模板。
（5）眼角检测法[21],该方法通过Gabor滤波器检测眼角，因此要求脸像尺寸较大，对图像质量，尤其是对眼角的对比度要求较高。
（6）对称性检测法,对称性是识别物体可利用的基本性质之一，它包括点对称性（也叫中心对称性）和轴对称性。
对于人脸图象来说，人眼、眉毛、嘴等都具有很强的点对称性[22]。
（7）特征眼法,类似于特征脸法，该方法将候选眼部投影到特征眼空间得到构造眼部[23]。
。
目前大多数人脸检测与人眼定位都是在运算速度很快的PC机上实现的，随着嵌入式系统运算速度的不断加快，人们开始在嵌入式系统中实现一些简单的图像处理。
所谓的嵌入式系统就是软件硬件结合紧密的系统，一般而言，嵌入式系统的构架可以分为4个部分：
处理器、存储器、输入输出接口和软件。
而嵌入式处理器则是整个系统的心脏。
从应用的角度来划分，嵌入式处理器可以分为以下四个类型：
嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP、嵌入式片上系统。
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU，在应用中，将处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与完成功能有关的部分，这样可以大大减小系统的体积和功耗。
为了满足应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、PowerPC、MIPS、ARM系列等。
其中，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，已经遍及各类电子产品市场，应用最为广泛，占有75%以上的市场份额。
人们在嵌入式系统中处理一些简单的图像时，最先得到应用是在高速运算的DSP系统中，但由于DSP系统控制功能不足，扩展能力也不理想，所以人们开始尝试在ARM系统中开发人脸检测与人眼定位系统。
1.3论文的主要研究工作
本文的研究目标是在ARM（S3C2440X）和嵌入式Linux组成的平台上进行图像采集、处理、计算及定位结果的显示，从而实现整个系统的功能，可以看作是对人眼定位便携化的一种新的尝试。
本文采用了高性价比的ARM9嵌入式处理器，处理速度可高达203MHz，可以很好地实现图像处理功能；采用开源的、可裁剪的嵌入式Linux为操作系统，使系统具有处理复杂情况的能力，尤其是它的内核可裁剪，移植性好，性能稳定，因此在此系统上进行应用软件的设计。
该系统构成简单，体积小，功耗小，性能稳定，安装简易，通用性强，可以满足多种工业应用的需要，而且开源操作系统的使用也降低了成本。
论文的主要内容包括以下几个方面:
（1）根据实时人眼定位系统的基本要求，从性能、价格、体积和实验室具体实验条件等各个方面进行软硬件选型，并依据嵌入式系统开发平台设计要求进行了系统设计。
（2）将Adaboost算法应用于人脸检测中，构建了一个实时人脸检测系统。
（3）系统的分析了OPenCV的结构，并将带有开源视觉处理库的OPenCV移植到嵌入式ARM平台上。
1.4论文的结构安排
第一章主要介绍了本课题的研究背景及意义、国内外的发展现状以及本文的主要内容。
第二章从系统要实现的功能出发，进行嵌入式操作系统和微处理器选型以及硬件模块的选择，搭建了系统所需的软硬件平台。
第三章介绍了基于Adaboost算法的人脸检测的原理，对该学习算法的原理做了详细的分析和研究。
其中包括如何利用积分图像快速地计算Haar特征、弱分类器、强分类器以及级联分类器的训练方法。
第四章介绍了OpenCV库的功能及优势，重点研究了如何移植OpenCV到ARM的嵌入式系统，以及使用OpenCV来实现实时人眼定位的软件设计。
第五章展示了实时人眼定位的结果。
第六章总结全文并提出了本文还存在的一些不足之处。
2系统的软硬件平台
2.1嵌入式系统
根据IEEE的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”（原文为devicesusedtocontrol,monitor,orassisttheoperationofequipment,machineryorplants）[24]。
这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。
根据这个定义，可以从3个方面来理解嵌入式系统：
嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，它必须与具体应用相结合才会具有生命力，才更具有优势。
嵌入式系统具有以下几个重要特征。
（1）系统内核小由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。
比如，嵌入式Linux系统中的内核只有700K左右。
（2）专用性强嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件结合得非常紧密，一般要针对硬件不断进行系统移植。
（3）系统精简嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。
（4）多任务的操作系统为了合理的调度多任务、利用系统资源、系统函数以及专家库函数接口，嵌入式系统必须使用多任务的操作系统。
从嵌入式系统的以上几个特征不难看出，它与实时人眼定位系统的设计要求契合度相当高，所以选用嵌入式系统作为整个定位系统的平台。
2.1.1嵌入式操作系统的选择
在种类繁多的嵌入式操作系统中，本系统选用嵌入式Linux操作系统作为软件开发平台，本小节将详细阐述选择Linux系统的原因。
Linux是一种计算机操作系统，中文读法为“里纳克斯”。
Linux操作系统的内核的名字也是“Linux”。
Linux操作系统是自由软件和开放源代码发展中最著名的例子。
Linux具有很高的可靠性和效率，它在这方面的表现是公认的[25]。
Linux的出现，最早开始于一位名叫LinuxTorvalds的计算机业余爱好者，当时他是芬兰赫尔辛基大学的学生。
他的目的是想设计一个代替Minix（是由一位名叫AndrewTannebaum的计算机教授编写的一个操作系统程序）的操作系统，这个操作系统可用于386、486或奔腾处理器的个人计算机上，并且具有Unix操作系统的全部功能，因而开始了Linux雏形的设计。
Linux以它的高效性和灵活性著称。
它能够在PC计算机上实现全部的Unix特性，具有多任务、多用户的能力。
Linux是在GNU公共许可权限下免费获得的，是一个符合POSIX标准的操作系统。
Linux操作系统软件包不仅包括完整的Linux操作系统，而且还包括了文本编辑器、高级语言编译器等应用软件。
它还包括带有多个窗口管理器的X-Windows图形用户界面，如同使用WindowsNT一样，允许使用窗口、图标和菜单对系统进行操作。
Linux之所以受到广大计算机爱好者的喜爱，主要原因有两个，一是它属于自由软件，用户不用支付任何费用就可以获得它和它的源代码，并且可以根据自己的需要对它进行必要的修改，无偿的对它使用，无约束地继续传播。
另一个原因是，它具有Unix的全部功能，任何使用Unix操作系统或想要学习Unix操作系统的人都可以从Linux中获益[26]。
Linux操作系统不仅能够运行于PC平台，还在广泛应用于嵌入式系统中，平台通用性很强，已经成功地用在几种微处理器上，包括x86、SPARC、ARM、PowerPC、MIPS和SuperH。
目前正在开发的嵌入式系统中，49%的项目选择嵌入式Linux操作系统作为软件平台。
嵌入式Linux操作系统之所以成为嵌入式产品的理想选择，主要由于嵌入式Linux系统具有如下显著特点。
（1）开放性开放性[27]是指Linux系统遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连（OSI）国际标准。
凡遵循国际标准所开发的硬件和软件，都能彼此兼容，可方便地实现互连。
源代码可以从互联网上免费下载使用，而且Linux操作系统上运行的大多数应用程序也是免费得到的，用户可以根据自己的需要对Linux操作系统进行修改，剪裁成适合于自己应用的系统。
从使用费用上看，Linux与其他操作系统的区别在于Linux是一种开放、免费的操作系统，而其他操作系统都是封闭的系统，需要有偿使用。
这一区别使得用户能够不用花钱就能得到很多Linux的版本以及为其开发的应用软件。
当用户访问Internet时，会发现几乎所有可用的自由软件都能够运行在Linux系统上。
（2）多用户多用户是指系统资源可以被不同用户各自拥有使用，即每个用户对自己的资源（例如：
文件、设备）有特定的权限，互不影响。
Linux和Unix都具有多用户的特性。
（3）多任务多任务是现代计算机的最主要的一个特点。
它是指计算机同时执行多个程序，而且各个程序的运行互相独立。
Linux系统调度每一个进程平等地访问微处理器。
由于CPU的处理速度非常快，其结果是，启动的应用程序看起来好像在并行运行。
事实上，从处理器执行一个应用程序中的一组指令到Linux调度微处理器再次运行这个程序之间只有很短的时间延迟，用户是感觉不出来的。
（4）可配置内核因为可供嵌入式操作系统使用的存储容量十分有限，嵌入式系统要尽量减少体积。
通常采用软件固化的方法，将程序和操作系统嵌入到整个产品里面。
嵌入式Linux除了本身体积较小以外，还保留了Linux操作系统中非常有特色的一点：
模块化内核。
用户可以自己裁剪系统内核，用户完全可以根据不同的任务来选择特定内核模块，而将不用的部分去掉，减少体积，从根本上解决了体积和功能的矛盾。
（5）可移植性可移植性是指将操作系统从一个平台转移到另一个平台使它仍然能按其自身的方式运行的能力。
Linux是一种可移植的操作系统，能够在从微型计算机到大型计算机的任何环境中和任何平台上运行。
可移植性为运行Linux的不同计算机平台与其他任何机器进行准确而有效的通信提供了手段，不需要另外增加特殊的通信接口。
（6）良好的用户界面Linux向用户提供了两种界面：
用户界面和系统调用。
Linux的传统用户界面是基于文本的命令行界面，即Shell，它既可以联机使用，又可在文件上脱机使用。
Shell有很强的程序设计能力，用户可方便地用它编制程序，从而为用户扩充系统功能提供了更高级的手段。
可编程Shell是指将多条命令组合在一起，形成一个Shell程序，这个程序可以单独运行，也可以与其他程序同时运行。
系统调用给用户提供编程时使用的界面。
用户可以在编程时直接使用系统提供的系统调用命令。
系统通过这个界面为用户程序提供低级、高效率的服务。
Linux还为用户提供了图形用户界面。
它利用鼠标、菜单、窗口、滚动条等设施，给用户呈现一个直观、易操作、交互性强的友好的图形化界面。
（7）网络功能完善的内置网络是Linux的一大特点。
Linux在通信和网络功能方面优于其他操作系统。
Linux为用户提供了完善、强大的网络功能。
支持Internet是其网络功能之一。
Linux免费提供了大量支持Internet的软件，Internet是在Unix领域中建立并发展起来的，在这方面使用Linux是相当方便的，用户能用Linux与世界上的其他人通过Internet网络进行通信。
文件传输是其网络功能之二。
用户能通过一些Linux命令完成内部信息或文件的传输。
远程访问是其网络功能之三。
Linux不仅允许进行文件和程序的传输，它还为系统管理员和技术人员提供了访问其他系统的窗口。
通过这种远程访问的功能，一位技术人员能够有效地为多个系统服务，即使那些系统位于相距很远的地方。
（8）设备独立性设备独立性是指操作系统将所有外部设备统一看作文件来对待，通过它们的设备驱动程序，应用程序可以将设备作为一个文件进行读写等控制，不必知道它们具体的存放形式和地址。
Linux操作系统是具有设备独立性的操作系统，它的内核具有高度适应能力，根据公开的内核源代码，可以很方便的进行新型的外部设备驱动程序设计。
（9）可靠的系统安全Linux采取了许多安全技术措施，包括对读、写进行权限控制、带保护的子系统、审计跟踪、核心授权等，这为网络多用户环境中的用户提供了必要的安全保障。
2.1.2Linux操作系统的核心
内核是整个操作系统的核心[28]，是操作系统性能的主要体现，向外部提供了对硬件设备的核心管理调用。
Linux是最受欢迎的自由电脑操作系统内核[29]。
它是一个用C语言写成,符合POSIX标准的类Unix操作系统。
Linux是一个一体化内核（monolithickernel）系统。
设备驱动程序可以完全访问硬件。
Linux内的设备驱动程序可以方便地以模块化（modularize）的形式设置，并在系统运行期间可直接装载或卸载。
对Linux来说，可以将操作系统的代码分成两部分。
内核所在的地址空间称作内核空间。
而在内核以外的统称为外部管理程序，它们大部分是对外围设备的管理和界面操作。
外部管理程序与用户进程所占据的地址空间称为外部空间。
通常，一个程序会跨越两个空间。
当执行到内核空间的一段代码时，称程序处于内核态，而当程序执行到外部空间代码时，称程序处于用户态。
多进程并发运行时，每个进程都请求系统资源，比如处理能力、内存等。
内核作为大的可执行代码，负责处理所有这些请求，管理各个任务，或者说为每个任务分配CPU时间，并且负责任务间的通信。
Linux内核的主要模块包括几个部分[30]：
存储管理、CPU和进程管理、文件系统、设备管理和驱动、网络通信，以及系统的初始化（引导）、系统调用等。
2.2处理器选型
嵌入式系统是软件硬件结合紧密的系统，一般而言，嵌入式系统的构架可以分为4个部分：
处理器、存储器、输入输出接口和软件。
对本系统来说，在选择嵌入式系统各部分的时候需要考虑以下几个方面：
系统的工作频率；存储器容量；I/O口的种类和数量；操作系统和内核。
其中，由嵌入式处理器决定的工作频率是其核心部分，它决定着系统其它部分的功能强弱，相当于计算机的CPU，可以说是整个系统的心脏。
2.2.1嵌入式处理器的广泛应用
从应用的角度来划分，嵌入式处理器可以分为以下四个类型：
嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式DSP、嵌入式片上系统。
嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU，在应用中，将处理器装配在专门设计的电路板上，只保留与完成功能有关的部分，这样可以大大减小系统的体积和功耗。
为了满足应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本一样，但在工作温度、抗电磁干扰、可靠性等方面一般都做了各种增强。
嵌入式微处理器目前主要有Am186/88、PowerPC、MIPS、ARM系列等。
其中，采用ARM技术知识产权（IP）核的微处理器，即通常所说的ARM微处理器，已经遍及各类电子产品市场，应用最为广泛，占有75%以上的市场份额。
2.2.2ARM9的选择
ARM既是一个公司的名字，也是对一类微处理器的通称，一种技术的名字[31]。
1991年ARM公司于英国剑桥成立，主要出售芯片设计技术的授权。
ARM本身不从事芯片生产而是转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的ARM微处理器核，根据应用领域不同加入适当的外围电路，从而形成自己的ARM微处理器芯片。
ARM7处理器采用3级流水线，而ARM9采用5级流水线。
增加的流水线设计提高了时钟频率和并行处理能力。
5级流水线能够将每一个指令处理分配到5个时钟周期内，在每一个时钟周期内同时有5个指令在执行。
指令周期的改进对于处理器性能的提高有很大的帮助。
性能提高的幅度依赖于代码执行时指令的重叠，这实际上是程序本身的问题。
对于采用最高级的语言，一般来说，性能的提高在30％左右。
指令周期数的改进最明显的是loads指令和stores指令。
从ARM7到ARM9这两条指令的执行时间能够减少30％。
指令周期的减少是由于ARM7和ARM9两种处理器内的两个基本的微处理结构不同所造成的。
一方面，ARM9有独立的指令和数据存储器接口，允许处理器同时进行取址和读写数据，这叫作改进型哈佛结构。
哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。
而ARM7则采用冯·诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。
程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，因此程序指令和数据的宽度相同。
所以，ARM7只有数据存储器接口，它同时用来取指令和数据访问。
另一方面，5级流水线引入了独立的存储器和写回流水线，分别用来访问存储器和将结果写回寄存器。
以上两点实现了一个周期完成loads指令和stores指令。
新一代的ARM9处理器，通过全新的设计，采用了更多的晶体管，能够达到两倍以上于ARM7处理器的处理能力。
这种处理能力的提高是通过增加时钟频率和减少指令执行周期实现的。
因此，与适用于工业控制、网络设备、移动电话等的ARM7系列相比ARM9更适用于成像和安全产品。
由于本文需完成图像采集、显示和处理等功能，因此采用ARM9系列。
2.2.3S3C2440的选择
在ARM9系列中，S3C2440X是韩国三星公司推出的16/32位RISC微处理器,为手持设备和一般类型应用提供了低价格、低功耗、高性能小型微控制器的解决方案。
S3C2440采用了ARM920T的内核，0.13um的CMOS标准宏单元和存储器单元。
其低功
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