單片機(jī)技術(shù)下的人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)

胡欣偉 趙慶 陳出新

摘?要：在信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展至今的時(shí)代下，技術(shù)和人類生活的關(guān)系已經(jīng)變得密不可分。伴隨著生物科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人臉識(shí)別技術(shù)開始發(fā)展直至成熟，在人工智能領(lǐng)域隨處可見其身影。如今，人臉識(shí)別技術(shù)同樣也應(yīng)用到了單片機(jī)中，本文以STM32H743VIT6單片機(jī)為核心，利用OV7725圖像傳感器以及傳感器技術(shù)，再利用算法加以處理，實(shí)現(xiàn)了便攜式終端在家庭或?qū)W校以及一些小場(chǎng)景中的使用。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別；單片機(jī)技術(shù)；計(jì)算機(jī)技術(shù)；STM32H743VIT6；OV7725圖像傳感器；便攜式終端

Abstract：In?the?age?of?information?technology?and?the?Internet?of?things，the?relationship?between?technology?and?human?life?is?inextricably?linked.With?the?development?of?biological?science?and?technology，facial?recognition?technology?has?evolved?to?maturity?and?can?be?seen?everywhere?in?the?field?of?artificial?intelligence.Nowadays，face?recognition?technology?has?been?popular，but?also?applied?to?the?singlechip?machine.With?STM32H743VIT6?microcontroller?as?the?core，using?OV7725?image?sensor?and?sensor?technology，and?then?using?the?algorithm?to?process，we?realize?the?use?of?portable?terminal?in?the?home?or?school?and?some?small?scenarios.

Keywords：face?identification；singlechip；computer?technique；STM32H743VIT6；OV7725；portable?terminal

自人臉識(shí)別技術(shù)問世以來(lái)，我國(guó)對(duì)于人臉識(shí)別技術(shù)的需求日益增多，例如，在安防監(jiān)控、實(shí)時(shí)警報(bào)、身份驗(yàn)證等方面都得到了應(yīng)用。人臉識(shí)別，是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)。用攝像機(jī)或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，并自動(dòng)在圖像中檢測(cè)和跟蹤人臉，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行識(shí)別的一系列相關(guān)技術(shù)。然而受各種不確定的因素影響，導(dǎo)致了許多人臉識(shí)別技術(shù)精度不高，所以本文所研究的單片機(jī)技術(shù)與人臉識(shí)別結(jié)合將會(huì)是一個(gè)解決上述問題的有效的方法。

1?單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及特點(diǎn)

單片機(jī)也叫單片微控制器，是由集成電路和相關(guān)芯片組合成的一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)，和微型計(jì)算機(jī)一樣，可以處理分析數(shù)據(jù)，使用領(lǐng)域十分廣泛。從20世紀(jì)90年代開始，單片機(jī)技術(shù)在人類科技生活中已經(jīng)有了初步的體現(xiàn)，隨著人類對(duì)科技的不停探索，以及對(duì)高質(zhì)量生活的不停追求，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大量不同的領(lǐng)域。如今，人們開始重視單片機(jī)在智能技術(shù)方面的開發(fā)應(yīng)用，將單片機(jī)技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、人臉識(shí)別等各種新興技術(shù)相結(jié)合，在各行各業(yè)都有單片機(jī)的身影，單片機(jī)普遍性的特點(diǎn)使得其他科技領(lǐng)域以及生活層次方面都得到了不同發(fā)展，使得這些行業(yè)可以有了更廣闊的發(fā)展前景。如涉及交通系統(tǒng)、智能家居等領(lǐng)域。從智能家居角度來(lái)講，單片機(jī)技術(shù)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)、人臉識(shí)別技術(shù)等，用戶只需通過終端對(duì)系統(tǒng)下達(dá)命令即可控制家庭中的各種電器，某種意義上也促進(jìn)了智慧城市的發(fā)展。

單片機(jī)顯著的特點(diǎn)就是穩(wěn)定和高效，從單片機(jī)發(fā)展至今，它的結(jié)構(gòu)變得更加簡(jiǎn)單，但是性能更加強(qiáng)悍，可以保證持續(xù)的正常工作時(shí)間。同時(shí)單片機(jī)功耗也越來(lái)越小，處理速度快，體積也越來(lái)越小?？梢哉f(shuō)單片機(jī)就是便攜式電子技術(shù)的代名詞。單片機(jī)可以與各種高新技術(shù)相結(jié)合，來(lái)承擔(dān)計(jì)算、控制等功能，在使自身技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)也促進(jìn)了其他高新技術(shù)的發(fā)展。

2?人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展

人臉識(shí)別技術(shù)根據(jù)采集到的人臉或輸入的照片判斷是否存在人臉，然后進(jìn)一步通過計(jì)算機(jī)技術(shù)分析比較識(shí)別出不同的臉部特征，廣泛被應(yīng)用于交通出行管理領(lǐng)域。人臉識(shí)別在最初階段研究人臉識(shí)別的面部特征時(shí)只能機(jī)器識(shí)別，沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別。20世紀(jì)末，主要研究人工算法識(shí)別，屬于半自動(dòng)化。20世紀(jì)至今，人臉識(shí)別應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)，隨著技術(shù)的成熟，開始大面積的推廣，如今技術(shù)的發(fā)展已到了較高的程度。人臉識(shí)別不同于其他識(shí)別手段，其識(shí)別方式簡(jiǎn)單，屬于非接觸式且不易被人察覺。但目前對(duì)于面部被遮擋的對(duì)象（戴口罩）進(jìn)行識(shí)別還存在問題，此外隱私性和安全性也是所有技術(shù)都需要考慮到的問題?？偟膩?lái)說(shuō)，與其他傳統(tǒng)生物識(shí)別方法相比，人臉識(shí)別主要涵蓋非接觸式、非侵?jǐn)_性、硬件規(guī)模較小、識(shí)別或采集人臉效率高等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)。

3?高新技術(shù)下的人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)

目前傳統(tǒng)的人臉識(shí)別都是由CCD攝像機(jī)、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)上相應(yīng)的圖像收集軟件構(gòu)成。這類系統(tǒng)的檢測(cè)能力非常出色，但是造價(jià)太高，整個(gè)系統(tǒng)安裝相對(duì)復(fù)雜，適用的場(chǎng)景并不廣泛，只在重大的場(chǎng)合中使用。在多數(shù)的場(chǎng)合中，由于各種條件情況差異大，人員數(shù)量龐大，容易出現(xiàn)無(wú)法及時(shí)修補(bǔ)的漏洞。而且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)手段的應(yīng)用是個(gè)漫長(zhǎng)的過程，無(wú)法有效且及時(shí)處理突發(fā)的一些狀況。要以低成本高效的手段來(lái)解決不規(guī)范問題，就不得不在之前的人臉識(shí)別系統(tǒng)中完善以及加強(qiáng)技術(shù)。單片機(jī)的加入就是完善人臉識(shí)別系統(tǒng)的方式之一。利用單片機(jī)作為核心，單片機(jī)的低功耗以及高效性，完美符合報(bào)警系統(tǒng)對(duì)成本的把控需求。利用OV7725攝像頭模塊，使用C語(yǔ)言來(lái)提高核心算法，通過人臉檢測(cè)、標(biāo)志跟蹤、眼球跟蹤來(lái)精確地抓捕疑似異常行為。最后以抓捕的疑似異常行為圖片與視頻通過單片機(jī)的計(jì)算比對(duì)來(lái)判斷是否異常。如果存在不異常行為，單片機(jī)立刻控制相應(yīng)的警報(bào)系統(tǒng)做出反應(yīng)，并且保存下來(lái)相應(yīng)的視頻與圖片。整個(gè)過程也可設(shè)置到500ms的響應(yīng)時(shí)間，解決了以前人臉識(shí)別系統(tǒng)的時(shí)效問題。

4?新型人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)在市場(chǎng)上還沒有大規(guī)模普及人臉識(shí)別設(shè)備，因此，市場(chǎng)上迫切地需要一款能精準(zhǔn)識(shí)別人臉且高效的人臉識(shí)別設(shè)備。目前，大多數(shù)面部識(shí)別系統(tǒng)都是在大型圖像處理器上運(yùn)行的，盡管圖像處理速度很快，但通常規(guī)模更大，只適用于大群體。而面向普遍人流量小的群體或是個(gè)人的便攜式人臉識(shí)別設(shè)備比較少，且大部分都具有成本高、應(yīng)用價(jià)值低等特點(diǎn)。因此，新型的人臉識(shí)別系統(tǒng)具有非常重要的意義。在應(yīng)用場(chǎng)景中人臉的角度并不總是垂直的，因此可能會(huì)識(shí)別不準(zhǔn)確甚至無(wú)法識(shí)別，系統(tǒng)在識(shí)別過程中可能產(chǎn)生誤判，這是衡量人臉檢測(cè)和定位性能的重要因素之一。新的面部識(shí)別系統(tǒng)可以與STM32H743VIT6計(jì)算能力相結(jié)合，使用面部識(shí)別模塊能運(yùn)行更加復(fù)雜的算法，不同于傳統(tǒng)的使用C語(yǔ)言進(jìn)行編譯，STM32H743VIT6芯片編寫了能使用高級(jí)語(yǔ)言python進(jìn)行程序編寫的固件，python獨(dú)特的高級(jí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)使得圖像的處理能力大大提升，從而減少了系統(tǒng)在識(shí)別時(shí)可能產(chǎn)生的誤判。STM32H743VIT6單片機(jī)可對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行精確分析，對(duì)人臉進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別，使其對(duì)場(chǎng)景環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控來(lái)防止不規(guī)范行為。新的面部識(shí)別系統(tǒng)通過創(chuàng)建體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便宜和功能齊全的模塊，使大規(guī)模使用成為可能。使用攝像頭技術(shù)和面部識(shí)別微控制器，采用算法控制實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)面部識(shí)別，部分彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)的缺陷。

5?新型人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

5.1?關(guān)鍵技術(shù)

（1）OV7725圖像傳感器以及傳感器技術(shù)；

（2）STM32H743VIT6單片機(jī)技術(shù)；

（3）圖像處理算法。

OV7725是一款四分之一英寸單芯片的圖像傳感器，其分辨率可以達(dá)到640像素×480像素，刷新率能實(shí)現(xiàn)最快60fps的圖像采樣。同時(shí)傳感器的內(nèi)部也集成了相應(yīng)的圖像處理功能，其中包括自動(dòng)控制增益、自動(dòng)曝光控制、自動(dòng)白平衡等等。同時(shí)OV7725傳感器也具有比較高的靈敏度，在較低的光線影響下也可以正常運(yùn)行。

STM32H743VIT6具有高效率、低功耗的特點(diǎn)，得益于多功耗域架構(gòu)，每個(gè)功耗域都有與之匹配的低功耗模式，使功耗效率提高。同時(shí)芯片內(nèi)配置多個(gè)穩(wěn)壓器，有在運(yùn)行和停止期間為內(nèi)核提供不同電壓的，還有為專門USB?PHY供電的，以及一個(gè)備份穩(wěn)壓器。同時(shí)STM32H743VIT6還具有圖形處理功能，該單片機(jī)具有雙層應(yīng)用的新型LCDTFT控制器，使得內(nèi)容創(chuàng)建速度借助DMA2D內(nèi)存復(fù)制器的優(yōu)勢(shì)在單核運(yùn)行的基礎(chǔ)上翻了一倍。除了高效的2D原始數(shù)據(jù)復(fù)制以外，DMA2D還支持其他功能，比如，圖像格式轉(zhuǎn)換或圖像混合。這樣，DMA2D就提高了圖形內(nèi)容創(chuàng)建速度，節(jié)省了MCU內(nèi)核處理帶寬時(shí)間更多的資源應(yīng)用于其他程序。

5.2?硬件的設(shè)定

對(duì)于視覺處理來(lái)說(shuō)，想要獲得更加高質(zhì)量的圖片，就需要高像素的鏡頭，不僅如此，感光元件的選擇也對(duì)最終的結(jié)果有著很大的影響，感光元件的大小意味著分辨率的大小，而分辨率也決定著圖像質(zhì)量的好壞。

5.3?軟件的架構(gòu)設(shè)定

6?新型人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的運(yùn)行與應(yīng)用

工作開始時(shí)，人臉識(shí)別系統(tǒng)中的OV7725攝像頭第一次識(shí)別到人臉時(shí)，開始進(jìn)行是否存在異常行為判斷，鑒別當(dāng)前人臉和事先存入SD卡的人臉差異性。若有差異性，兩者不匹配時(shí)，則判斷為無(wú)法識(shí)別目標(biāo)的行為，報(bào)警開啟，長(zhǎng)鳴3s后停下。若無(wú)差異性，則循環(huán)判斷是否有異常行為。抓拍到有異常行為之后，延時(shí)500ms，若還是抓拍到存在異常行為，即視為異常，LED燈閃爍2s，并且把抓拍到的異常行為相片存入SD卡中，便于以后的鑒別和記錄在案。

新型人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)，適用于絕大多數(shù)的場(chǎng)景。該系統(tǒng)分為硬件和軟件兩個(gè)大板塊，便攜小巧的硬件設(shè)施，可以方便任何活動(dòng)場(chǎng)景的安裝與使用。例如，低廉的使用成本甚至可以運(yùn)用到個(gè)人或者家庭當(dāng)中。如此一來(lái)家庭監(jiān)控就可以與人臉識(shí)別相結(jié)合，從而達(dá)到監(jiān)控異?，F(xiàn)象和防盜報(bào)警的作用。新型人臉識(shí)別系統(tǒng)還應(yīng)用于汽車行業(yè)?，F(xiàn)在生產(chǎn)的高科技汽車都具有防盜和防疲勞駕駛的功能，但是真正使用中的還是老式的汽車多，并且不具備這些功能。新型人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的低成本特性，可以完美適配老式汽車的缺陷，判斷司機(jī)是否有異常疲勞駕駛行為，同時(shí)駕駛員是不是車主等。又或是用于醫(yī)療行業(yè)，進(jìn)行實(shí)時(shí)病患的狀態(tài)監(jiān)控。許多病人的病情是需要留院進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察的，在醫(yī)院病患多的情況下，人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的應(yīng)用就緩解了人工壓力。每個(gè)床位都進(jìn)行了監(jiān)控，緩解了家屬和醫(yī)護(hù)人員的壓力，而且由于報(bào)警模塊的存在，使得在異常情況時(shí)可以及時(shí)采取相應(yīng)措施。

7?新型人臉識(shí)別報(bào)警系統(tǒng)的相關(guān)問題

7.1?防誤判功能的應(yīng)用

由于在人臉識(shí)別的過程中，會(huì)出現(xiàn)光線變化，人像的快速移動(dòng)、抖動(dòng)等因素。而在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的過程中，由不可抗因素產(chǎn)生的誤差是無(wú)法避免的，以至于在真正運(yùn)用時(shí)，會(huì)對(duì)判斷結(jié)果產(chǎn)生偏差。為了避免這類事情的發(fā)生，在程序設(shè)定的時(shí)候需要留下一定的容錯(cuò)率，要通過算法來(lái)排除這些因素對(duì)判斷結(jié)果的干擾。

7.2?人臉識(shí)別的精度

人臉圖像與其他的一般圖像，對(duì)于單片機(jī)來(lái)說(shuō)并沒有什么區(qū)別，讀取到單片機(jī)后就都成為了二進(jìn)制代碼。所以如何識(shí)別出圖片中的人臉部分所位于的像素點(diǎn)才是關(guān)鍵。具體解決方案就是通過訓(xùn)練來(lái)完成對(duì)人臉的判斷，使用許多含各類人臉信息的圖片與相應(yīng)且等量的沒有人臉的圖片進(jìn)行精神網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。在訓(xùn)練中找出數(shù)據(jù)的差異，然后把相關(guān)的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存起來(lái)，再通過與程序獲取到的圖片進(jìn)行對(duì)比，由此來(lái)提升人臉識(shí)別的精確度。

7.3?文件的儲(chǔ)存

各類圖片的大小會(huì)存在一定的差異，就連同一張圖片在不同清晰度的條件下，所占內(nèi)存的大小都是不同的。一般的圖片都介于100～300K之間，視頻的大小都是以兆帕為單位計(jì)量。而單片機(jī)的儲(chǔ)存芯片存儲(chǔ)不超過100KB，這樣的空間大小對(duì)于圖片視頻的儲(chǔ)存來(lái)說(shuō)太小了。然而通過對(duì)系統(tǒng)使用文件路徑的更改，把單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)空間轉(zhuǎn)移到外接的硬盤或者SD卡上面，儲(chǔ)存空間的問題就得到了有效的解決，甚至把代碼的運(yùn)行環(huán)境也轉(zhuǎn)移到了外接的硬盤或者SD卡中。在更大的運(yùn)行環(huán)境下，系統(tǒng)的運(yùn)行速度也會(huì)更快，系統(tǒng)的時(shí)效性也會(huì)更高。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在如今的生產(chǎn)生活中，各項(xiàng)新興技術(shù)的產(chǎn)生方便了人們的生活，這樣一來(lái)，各方面技術(shù)科技的完善使得單片機(jī)技術(shù)有了越來(lái)越多的應(yīng)用前景。在應(yīng)用的過程中，單片機(jī)技術(shù)和其他技術(shù)相互作用，共同發(fā)展，達(dá)到了意想不到的效果。順從單片機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，該技術(shù)促進(jìn)了單片機(jī)技術(shù)與人臉識(shí)別技術(shù)的結(jié)合，對(duì)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展都具有比較深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)：

［1］米勇，徐文葉，何朗，等.基于特征臉的人臉識(shí)別研究［J］.計(jì)算機(jī)科學(xué)與應(yīng)用，2019（9）：128129.

［2］程瑞龍.基于T5L芯片的電梯TFT顯示器設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)科技，2019（10）：6162.

［3］謝懿.基于stm32與ov7725的嵌入式工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2017（5）：110111.

［4］王艷芳，李莉.基于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的單片機(jī)技術(shù)發(fā)展分析［J］.信息與電腦（理論版），2019，31（24）：127128.

［5］范順治.單片機(jī)技術(shù)在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用策略研究［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（17）：168169.

項(xiàng)目：基于人臉識(shí)別的中小學(xué)生考試防作弊儀設(shè)計(jì)，項(xiàng)目編號(hào)：S202113241030

作者簡(jiǎn)介：胡欣偉（2001—?），男，湖北荊州人，本科在讀，就讀于武漢市武昌工學(xué)院，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)；趙慶（1983—?），女，湖北武漢人，研究生，副教授，研究方向：通信技術(shù)；陳出新（2000—?），男，湖南岳陽(yáng)人，本科在讀，就讀于武漢市武昌工學(xué)院，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)。