开 发 与 应 用 DS P 文章编号 :1008-0570(2009)01-2-0150-03 中文核心期刊 微计算机信息 嵌入式与 S OC )2009 年第 卷第 期 1-2 25 》( 《 基于 AdaBoost 人脸检测算法在 上实现 DSP DSP Implementation Of AdaBoost Algorithm For Face Detection （昆明理工大学）姚 瑶 刘 辉 王 浩 YAO Ya o LIU Hui WANG Ha o 摘要 : 以 DSP TMS320DM642 为核心处理器, 设计了一种通用的实时人脸检测系统 。采用 Viola et al.’s 提出的人脸检测 Ad- aBoost 算法,该算法实现了人脸检测的高速性和高准确性。本文主要介绍将该检测算法在 DSP 上实现,利用了它的流水线操 作、多机并行处理等特点。本系统能够在高分辨率图像和实时视频数据中 ,实现实时的人脸检测,从而使算法计算量及载入 速度的瓶颈问题得到解决。 关键词 中图分类号 实时人脸检测 文献标识码 : DSP TMS320DM642; AdaBoost; : TP391.4 : A 技 术 创 新 Abstract: A general -purpose real time face detection system using DSP TMS320DM642 as its key processor is designed. Based on AdaBoost method for face detection proposed by Viola et al.’s , which offered impressive accuracy at high speed. The paper lay em- phases on how to implement the algorithm on DSP, which characteristics such as pipelining, parallel are utilized. The system can ac- complish the real -time face detection in the cases of high resolution image and real -time video, the algorithm ’s bottleneck that the high computation and loading speed could be settled. Key words: TMS320DM642； AdaBoost; Real Time Face Detection 引言 人脸检测由于其在机器视觉、安防监控、图像视频检索等 领域的重要意义，被认为是较为活跃的研究课题，并且它也是 人脸识别、跟踪的关键步骤。早期的人脸检测技术的研究是基 于肤色、行为及皮肤肌理等特征的，现实场景的复杂性对其检 测率有很大限制。如今，许多高速的检测方法被提出，例如 SVM （基于向量积）、神经网络、AdaBoost，其中 AdaBoost 算法是最可 实现的。Viola 首次提出此前沿的人脸检测算法，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实用。 AdaBoost 算法在 PC 机上已相对成熟，并且一些开源类库 例如 OpenCV 的使用，使得算法的研究和发展有了更快捷的方 式。然而，对于实时的视频进行快速准确的人脸检测，算法要求 的计算量大，占用了 PC 机 CPU 的大量资源。因此，本文提出了 小型的嵌入式系统技术与数字图像处理技术相结合的实时人 脸检测系统。本系统平台是基于 TI 公司推出的高性能 DSP 评 估板 DM642EVM. 该评估板的核心为 TMS320DM642 数字多媒 体处理芯片，它集成了适合于多媒体信号的各种信号接口，也 设计了适用于多媒体通信的接口，并且在 CPU 内部附设了专用 于视频或图像处理的辅助单元，是一种非常理想的适用于多媒 体产品开发的可编程硬件平台。 人脸检测算法描述 1 1.1 检测流程 整个检测流程分为两个部分，训练过程和测试过程。测试 过程是输入图像，用不同比例大小的模板对输入图像窗口用穷 举的方法进行扫描。之后对通过扫描的图像进行预处理，预处 姚 瑶 : 硕士研究生 - 150 - 360元 / 年 邮局订阅号：82-946 理是为了能够得到平滑的图像而进行的图像增强和图像去噪 操作。在预处理单元后，通过直方图均衡化，亮度对比度调节后 的图像，能够轻易的提取出来图像的特征，将提取出的特征向 量级输入分类器来判断窗口是否包含人脸。分类器是利用 Ad－ aBoost 算法训练的多级分类器的级联结构，在每个子窗口中都 采用一系列的分类器进行计算。分级分类器中的第一级可以只 使用较少的计算量，去除大量的非人脸窗口。接下来的一些子 分类器层进一步去除剩余部分中的非人脸窗口，但是需要更多 的计算量。经过几级分类器的处理，候选人脸的子窗口数量急 剧下降。对于人脸对应的矩形特征，第一个特征提取是眼睛，通 常眼睛是脸部区域中最暗的部分，这个特征在与检测的子窗口 相关性较大，并且不受人脸尺寸和位置的影响。第二个特征鼻 子是最暗的眼睛区域中心的最亮的区域。通过这两部分像素垂 直和水平的范围，人脸区域基本符合。如果我们认为存在人脸， 标定并存储人脸在窗口中的位置和范围。 1.2 AdaBoost 算法描述 Adaboost 算法是一种分类器算法，其基本思想是为给定训 练图像初始化数值，归一化训练图像数值，对每一个特征，训练 一个分类器（basic classifier），通过一定的方法叠加（boost）起 来，构成一个分类能力很强的强分类器（stage classifier），再将若 干个强分类器串联成为分级分类器（classifier cascade）完成图 像搜索检测. 串联的级数依赖于系统对错误率和识别速度的要 求。基于 AdaBoost 的学习流程如图 1 所示： 在级联的检测器中不断增加更多的强分类器，这样可以很 快排除背景区域，从而节约出时间用于对那些更像人脸的区域 进行计算。因为在典型的图像中，多数子图像都是无人脸模式， 级联技术试图尽最大可能抛弃这些窗口。级联的分类器可视为 一个智能的具有能集中注意力的机构，而不像以前的那些算法 通过统计来保证去掉的那些区域不包括感兴趣的区域。 现场总线技术应用 例 》 200 《 

您的论文得到两院院士关注 开 发 与 应 用 DS P ,For t=1,,,,T 1. ,,,,,,,,,; ,. ,,,,,,,,S ,,,,,,,,,,w
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总线相连接。在系统运行期间，算法所需的检测程序和训练数 据通过接口从计算机自动载入。外部存储器接口 EMIF 提供与 外部 SDRAM 的接口。通过摄像头采集进来的数据视频流经解 码器解码后送到 DM642 的视频端口 VP 的缓存 FIFO 中，当 FIFO 数据满时，产生扩展的直接存储器访问（EDMA）中断，然 后由 EDMA 高速地将图像数据搬移到 SDRAM 中，此过程不需 要 CPU 的干预，完全由 EDMA 自动完成数据从源地址到目的 地址的搬移，避免了 CPU 的频繁切换。在图像数据被搬移到 SDRAM 后，产生中断。中断服务程序首先利用直接存储器存取 从 SDRAM 将图像数据传送到内存，通过配置 EDMA 控制寄存 器，再次对图像取样在 EDMA 传输时完成。利用这种方法，我们 得到了保存在内存中的大量的分解的图像。因此，图像扫描、人 脸模板的匹配以及 AdaBoost 分类都在内存中完成。然后将处理 结果由 EDMA 传送到视频端口 FIFO，由编码器编码输出到液 晶显示器显示，速度得到了快速的提高。 2.1 TMS320DM642 结构及特点 TMS320DM642 是 TI 公司推出的一款针对多媒体处理领域 应用的 DSP。它的主频是 600MHz，8 个并行运算单元，处理能力 达 4800MIPS，L1PCache 和 L1DCache 分别为 16KB，L2Cache 为 256KB，采用高级超长指令字结构和硬件流水机制，使其在一个 指令周期能够并行处理多条指令，从而加速了处理速度。每条 指令都带有自动条件执行，减少了分支语句的代价，使得本来 有较高延迟的语句有可能并行执行。TMS320DM642 是一个强 大的多媒体处理器，是构成多媒体通信系统的良好平台，其丰 富的外围接口接近于一个多媒体嵌入式系统的单芯片硬件平 台，并且其完全的可编程性，能够兼容各种多媒体信号处理标 准，构成通用的软件平台。 整个系统中，我们除了利用开源类库 Opencv 中的函数之 外，还用到了 TI 公司为用户提供的 IMG64X.LIB 中的库函数， 来对图像进行预处理和检测。主要完成的功能是直方图均衡 化，图像大小归一化等。这些函数都是优化过的，完全能够实现 软件优化，效率很高。本系统所有算法均使用 c++和汇编语言混 合编程,在开发平台上实现起来简单快捷。 实验环境如图 3 所示，实验结果如图 4 所示。该系统的处 理速度可以达到 25fps，基本能够实现人脸的实时检测。从图中 可以看到，对于单张人脸、多张人脸、不同角度的人脸信息都能 实现检测，并且将检测结果用圆形框标注出来。 2.2 硬件系统概述 整个系统结构框图可分为三个部分，如图 2 所示。 ,,,,,,,,,,, h(x). 图 1 基于 AdaBoost 的大致学习流程 硬件系统构成及原理描述 2 实验结果 3 技 术 创 新 图 2 系统结构框图 系统的工作流程描述如下： （1） 从摄像头获取 PAL/NTSC 制式的视频信号，通过 A/D 转换为 DSP 提供能够处理的数字信号。此处视频解码器采用 TI 公司的 TVP5150，8 位 BT.656 数字视频数据流输出。经过视 频解码器得到的是 4：2：2 格式 8 位宽的 YCbCr 格式的信号。该 视频解码器可以通过 DM642 的 IIC 总线编程设置其内部寄存 器以接受大多数的视频信号。通过 VP 端口与 DM642 进行无缝 连接，实现视频的输入。 （2）DSP 读入数字化的视频数据，完成需要的数字图像处 理运算。调用功能强大的图像处理库对图像进行预处理，并利 用开源函数库 OpenCv 来实现图像数据格式的转化以及训练特 征样本及检测人脸。利用 Data_copy()等函数对内存模块进行操 作，实现检测功能，并对检测到的人脸进行标注。 （3） 将 DSP 处理过的数字视频经过 Phillips 的 SAA7121H 视频解码器进行数模转换数字信号，通过与解码器复用的 VP0 端口传入编码器将模拟信号数字化后输出在显示屏上。 本系统采用 TI 公司推出的 CCS2.20 集成开发环境来进行 DSP 应用程序的开发，TI 设计的基于 DSP 集成开发环境 CCS IDE，将建立 DSP 应用程序所需要的工具集成在一起，并且简化 了 DSP 系统的配置和应用程序的设计。在 CCS 的集成开发环 境中包括 DSP/BIOS 实时操作系统和芯片支持库（CSL）插件，利 用 DSP/BIOS 编写代码，借助 CCS 提供的多种分析和评估工具， 可以直观的了解各部分代码的运行开销，高效地调试实时应用 程序，缩短软件开发时间。 TMS320DM642 是系统的核心，它通过主机接口 HPI 与 PCI 图 3 实验环境 图 4 实验结果 结论 4 本文介绍了用 DSP 来实现的实时人脸检测系统。人脸检测 算法利用 AdaBoost 的 Haar-like 特征及 Cascade 算法，所有用 AdaBoost 训练得到的特征都是平行计算的，因此计算速度快。 将此算法用于数字多媒体处理芯片，利用这样的小型化的嵌入 式检测系统，在保证检测准确率的同时加快了检测速度，实现 了检测的实时性。鉴于现实生活中安防系统等领域的多摄像头 并行工作的情况，下一步的工作在改进算法的同时, 尝试采用 多块 DSP 协同工作, 以提高系统的运算速度, 这样就可以在不 影响实时性的情况下, 采用运算量庞大但处理效果更好的算法 《P LC 技术应用 例 》 200 邮局订阅号：82-946 360 元 / 年 - 151 - 

开 发 与 应 用 DS P 对图像进行检测、识别等处理。 中文核心期刊 本文作者创新点是将在 pc 机上实现的基于 AdaBoost 算法 实现的人脸检测用于数字多媒体处理芯片,利用这样的小型化 的嵌入式检测系统，在保证检测准确率的同时加快了检测速 度，实现了检测的实时性。 参考文献 [1]P. Viola and M. Jones. “Robust real -time object detection”. IEEE ICCV Workshop on Statistical and Computational Theories of Vision, Vancouver, Canada, July 2001. [2]Yu Wei “ FPGA Implementation Of AdaBoost Algorithm For Detection Of Face Biometrics”IEEE International Workshop on Biomedical Circuits & System,2004. [3]P. Viola “Rapid object detection using a Boosted cascade of simple features.”In: Proc IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition, pp:511~518, 2001. [4]Texas Instruments Inc. DSP/BIOS Use’s Guide [EB\OL].http:// www.ti.com,2004. [5]BO -YA CHEN “2 -Channle Parallel Face Detection Board Using Two TMS320C201 DSPS”, Proceeding of the Fourth International Conference on Machine Learning and Cybernetics, 2005. [6]陈颖 王军华 陆亨立，基于 DSP 的虹膜识别系统设计，微计算 机信息，2006，2-2：21-23 作者 简 介 :姚瑶（1982— ），女，河南省新乡市人，昆明理工大学 信息工程与自动化学院，硕士研究生，研究方向图像处理与模 式识别；刘辉（1969— ），男，云南省昆明市人，昆明理工大学信 息工程与自动化学院，教授，主要研究方向图像处理与模式识 别；王浩（1983— ），男，河南省平顶山人，昆明理工大学信息工 程与自动化学院，硕士研究生，研究方向图像处理与模式识别。 (1982 -- ),female, Henan, Faculty of Biography:YAO Yao Information Engineering and Automation, Kunming University of Science and Technology, Postgraduate of Master degree, Major in image processing and pattern recognition. (650051 姚 瑶 刘 辉 王 浩 云 南 昆 明 昆 明 理 工 大 学 信 息 工 程 与 自 动 化 学 院 ） 技 术 创 新 of Information Engineering (Faculty and Automation, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650051, China) YAO Yao LIU Hui WANG Hao 通 讯 地 址 云 南 省 昆 明 理 工 大 学 新 迎 校 区 女 生 公 寓 5728 室 ) ：(650051 姚 瑶 (收稿日期:2008.12.05)(修稿日期:2009.01.03) (上接第 84 页) 结束语 5 随着微软公司加入到嵌入式操作系统的研制开发行列，且 其嵌入式 Windows CE.NET 系统日趋完善，预装 Microsoft Win－ dows.NET 的 Pocket PC 性能卓越，功能已日趋强大。同时，随着 5W 时代的到来，3G 系统的普及，以及嵌入式 Windows CE.NET 系统内建支持 Internet 技术，将更有利于 Pocket PC 在随身空间 信息移动服务中的应用。通过 GPRS、IEEE802.11 等网络设备， Pocket PC 还可以很方便地从各处将采集到的数据通过 Internet 无线传送到某一数据监控中心，实施统一分析与监控，具有广 泛的应用前景，也是下一项研究目标。 本文作者创新点：利用无线数传模块与 eMbedded Visual Tools 嵌入式编程工具，实现 Pocket PC 与 C200 多参数离子浓 - 152 - 360元 / 年 邮局订阅号：82-946 微计算机信息 嵌入式与 S OC )2009 年第 卷第 期 1-2 25 》( 《 度分析仪之间的无线数据传输与控制，可望实现野外水质监测 中自动化、随身化数据采集与分析。 项目经济效益（50 万元）。 参考文献 [1]陈向群，王雷，马洪兵等. Windows CE.NET 系统分析及实验 教程[M]. 北京：机械工业出版社. 2003.1。 [2]陈秀宏，钱东平，赵瑞明，程浩，赵东杰. 基于掌上电脑的地下 水自动监测系统软件的研究 ［J］． 微计算机信息，2006，10-1： 258-260。 [3]Bruce E. Krell[美]. Pocket PC 开发指南[M]. 北京：清华大学出 版社. 2003，3。 [4]Microsoft Corporation.What's New for Developers in Windows Mobile 2003-based Pocket PC. 2003.6. http://msdn.microsoft.com/ library/default.asp url=/library/en-us/dnppc2k3/html/winmob03.asp [5]谭灏，鄂卓茂. Visual Basic MSComm 控件下的微机串行通信 [J]. 计算机工程，1999，25-7：98～100。 [6]Nick Grattan [美]. 用嵌入式 Visual Basic 开发 Pocket PC/HPC [M]. 北京：清华大学出版社. 2003.1。 [7]杨晓春，赵哲身. VB6.0 在无线通信中的应用[J]. 自动化仪表， 2002，4：34～38。 作者 简 介 ：赵文玉（1974－），女，汉族，湖南娄底人，桂林电子科 技大学电子工程学院副教授，博士，主要从事环境监测与污水 处理研究。 Biography: ZHAO Wen -yu (1974 - ), Female (Han nationality), Guangxi, Guilin University of Electronic Technology, Doctor, En- vironmental Science, Environmental Monitoring and Wastewater Treatment. （541004 赵文玉 号 桂 林 电 子 科 技 大 学 电 子 工 程 学 院 桂 林 金 鸡 路 1 ） （Department of Electronic Engineering, Guilin University of Electronic Technology, 1 Jinji Load, Guilin, China, 541004） ZHAO Wen-yu 通讯 地 址 程学院 号 桂 林电 子 科 技大 学 电 子 工 ：（541004 赵文玉 桂 林 金 鸡路 1 ） (收稿日期:2008.12.05)(修稿日期:2009.01.03) 《PLC 技 术 应 用 200 例 》 ＰＬＣ（可编程序 控制器）广泛地应 用在冶 金 、机械、机 器人、石 油 化工、电 力传动 、纺织机 械、注塑机 、包装机 械、印 刷 机 械 、造 纸 机 械 、 机 床 、自 来 水 厂 、污 水 处 理 、煤 矿 机 械 、焊 接 机 器 、榨 糖 机 械 、制 烟 机 械 、工程机械 、水泥机 械、玻璃机 械、食品 机械、灌 装 机 械 、橡 胶 机 械 、 船 舶、铁路 、窑炉、车 辆、智能建 筑、电梯 控制、中央 空 调 控 制 、大 型 医 疗机械、起重卷扬机械，大坝闸门，大型泵站 ．．．．．。 各 行 各 业 机 械 工 程 师 ，电 气 设 备 工 程 师 ， 高 级 技 工 都 需 要 俱 备 ＰＬＣ 的 知 识 ， 才 能 做 好 本 职 工 作 。 本 书 汇 集 ２００ 多 个 硬 ＰＬＣ 和 软 ＰＬＣ 在 各 行 业 的 应 用 实 例 ，ＰＬＣ 故 障 诊 断 实 例 ，ＰＬＣ 抗 干 扰 措 施 ， ＰＬＣ 使用经验、ＰＬＣ 技术发展，均在本书之中论述。 本 书 适 合 大 专 院 校 机 械 类 、电 气 类 、电 力 类 、自 动 控 制 和 自 动 化 类专业 的本科 、研究生 做 毕 业 设 计 参 考 ，同 时 适 合 老 师 进 行 教 学 、搞 科研项目参考。本书是上述各行业的工程技术人员，技术工人的必备 参考书，同时也是工厂和科研单位的技术领导，设备 采购负责 人的参 考书。凡具备高中以上文化水平的人均可成为读者 。 ２００ 多 个 西 门 子 、三 菱 、美 国 通 用 电 气 、施 耐 德 、欧 姆 龙 、罗 克 韦 尔、松下电器、和 泉 ．．．．．等 ＰＬＣ 应 用实例，任 您选读 。一技之长 ，改变 人生。 大 １６ 开，每册定价 110 元 (含邮费）。预购者请将书款及邮寄 费通过邮局汇款至 地址:北京海淀区皂君庙 14 号院鑫雅苑 6 号楼 601 室 微计算机信息 电话：010-62132436 http ://www. a utocontrol. com . cn 邮编:100081 010-62192616（T/F） http ://www. a utocontrol. cn E-ma il:e ditor@a utocontrol. com . cn ; E-ma il:control-2@163 . com 现场总线技术应用 例 》 200 《