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基于FPGA的视频序列人脸目标跟踪技术研究

作　者: 周健
导　师: 高建坡
学　校: 南京理工大学
专　业: 物理电子学
关键词: FPGA 人脸跟踪 人脸肤色 色差信号 粒子滤波 Verilog HDL
分类号: TP391.41
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着FPGA技术的不断发展,其并行性、高速性及复用性在控制领域体现出了灵活运用的独到优势,IP核的调用大大缩短了研发者的开发周期,也保证了模块的稳定性、易维护性、可移植性。与此同时人脸目标跟踪技术作为视频目标跟踪技术的一个重要分支,越来越受到人们的关注。其在安保监控和智能人机交互领域都有广泛运用,并且呈迅速发展趋势。本课题为基于FPGA的视频序列人脸目标跟踪技术研究,系统以FPGA作为硬件开发平台,其特点是以人脸肤色信息为特征,构建粒子滤波系统模型最终完成人脸目标跟踪。论文首先简述了课题意义、人脸目标检测与跟踪技术。接着对色彩系统、FPGA开发流程、常规目标跟踪方法进行介绍,最终引入粒子滤波的思想。而本文正是基于粒子滤波算法在FPGA上实现人脸目标跟踪。课题主要分两部分：硬件电路和算法设计。硬件电路部分主要包括SAA7113H解码芯片、SAA7121编码芯片、Xilinx Spartan3E主控芯片、片外存储芯片等,论文通过Altium Designer软件完成了原理图及PCB板设计,并最终进行了制板及调试。在算法实现方面,也即用FPGA实现视频序列人脸目标检测与跟踪过程中,将人脸肤色色差信息作为特征,构建基于肤色特征的粒子滤波算法。通过一组采样粒子描述跟踪图像帧中人脸目标可能存在的区域,以色差信号构建观测方程,在观测过程中,对ITU-656视频格式和YCbCr4:2:2采样格式分析,定位提取色差信号并统计得到出粒子的权重。在此基础上以最大权重值对应的粒子状态值表示跟踪结果。本系统采用Verilog HDL语言编写,在Xilinx ISE软件平台下开发,调用了相关IP核资源,并运用仿真工具和示波器进行相关调试。最终系统可实现人脸目标的跟踪,并达到预期效果。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-7
1 绪论  7-12
  1.1 本课题的意义  7
  1.2 人脸检测与跟踪技术的发展概述  7-10
    1.2.1 人脸目标检测技术  8-9
    1.2.2 人脸目标跟踪技术  9-10
  1.3 FPGA应用于人脸跟踪的优势  10
  1.4 本课题主要工作  10-12
2 基础理论分析  12-22
  2.1 常见色彩系统  12-13
  2.2 FPGA开发流程  13-15
  2.3 粒子滤波算法  15-22
    2.3.1 视频目标跟踪技术  15
    2.3.2 基于滤波算法的目标跟踪  15-16
    2.3.3 状态空间模型  16-17
    2.3.4 贝叶斯滤波理论  17-18
    2.3.5 蒙特卡罗方法  18-19
    2.3.6 基本的粒子滤波理论  19-22
3 硬件电路具体实现  22-36
  3.1 系统概述  22
  3.2 视频采集单元  22-29
    3.2.1 YCbCr抽样格式  23-25
    3.2.2 I2C总线协议  25-28
    3.2.3 SAA7113H相关寄存器配置  28-29
    3.2.4 视频采集模块原理图  29
  3.3 FPGA主控单元  29-30
  3.4 片外存储单元  30-33
    3.4.1 数据流存储分析  30-31
    3.4.2 SDRAM作为片外存储  31-33
  3.5 视频输出单元  33-34
    3.5.1 SAA7121相关寄存器配置  33-34
    3.5.2 视频输出模块原理图  34
  3.6 电源系统  34-35
  3.7 总结  35-36
4 视频序列人脸目标检测与跟踪算法的FPGA实现  36-54
  4.1 算法实现思路  36
  4.2 基于FPGA实现粒子滤波目标跟踪  36-38
  4.3 基于FPGA的粒子滤波人脸目标跟踪  38-39
  4.4 有效像素点色差信号提取  39-44
    4.4.1 ITU-656视频格式  39-41
    4.4.2 实现色差信号提取  41-44
  4.5 人脸目标跟踪粒子滤波算法的FPGA实现  44-54
    4.5.1 实现机理  44-45
    4.5.2 系统模型建立  45-46
    4.5.3 均匀分布随机数的产生  46-48
    4.5.4 粒子采样和观测过程  48-53
    4.5.5 跟踪状态估计  53-54
5 PCB设计及跟踪效果  54-57
6 结束语  57-59
致谢  59-60
参考文献  60-62

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 计算技术、计算机技术 > 计算机的应用 > 信息处理（信息加工） > 模式识别与装置 > 图像识别及其装置
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