基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统

摘要

本发明公开了一种基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统，包括基于FPGA的正弦条纹投影模块、DLP投影仪模块、图像采集模块以及计算机，所述基于FPGA的正弦条纹模块用于向DLP投影仪模块发送包含条纹信息的HDMI视频信号并同时向图像采集模块发送触发信号，所述DLP投影仪模块用于接收包含条纹信息的HDMI视频信号向待测目标投影条纹图，所述图像采集模块用于响应于触发信号后采集图像，所述计算机根据采集的图像解码得到三维人脸点云数据，并通过和数据库中的三维人脸数据进行比对，得到识别结果。本发明可以实现快速投影且同步采集高质量的正弦条纹。

说明书

技术领域

本发明属于光学测量技术领域，具体为一种基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统。

背景技术

随着现在科技的不断发展和进步，人们的生活水平也在不断提升，在享受科技带来的便捷生活方式的同时，信息安全问题也逐渐引起了人们的重视。而人脸识别作为一种典型生物特征识别技术，以其自然性、高可接受性等优点广受人们青睐。人脸识别市场上主流采用二维识别方案，由于人脸部并非平坦，所以二维人脸识别在将三维人脸信息平面化投影的过程中会存在特征信息损失。而三维人脸识别使用三维人脸立体建模方法，可最大程度保留有效信息，因此三维人脸识别算法比二维算法更合理并拥有更高精度。

但三维人脸识别这个应用背景对三维人脸数据的采集速度提出了很高的要求。要实现三维人脸数据的快速采集，本质上就是要缩短投影仪投影完所有条纹图所需的时间，传统方法是将投影仪作为普通计算机的一个显示器，直接通过计算机去控制条纹投影，条纹的投影速度仅为10Hz左右，远远不能满足要求。

发明内容

本发明提出了一种基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统。

实现本发明的技术解决方案为：一种基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统，包括：基于FPGA的正弦条纹投影模块、DLP投影仪模块、图像采集模块以及计算机，所述基于FPGA的正弦条纹模块用于向DLP投影仪模块发送包含条纹信息的HDMI视频信号并同时向图像采集模块发送触发信号，所述DLP投影仪模块用于接收包含条纹信息的HDMI视频信号向待测目标投影条纹图，所述图像采集模块用于响应于触发信号后采集图像，所述计算机根据采集的图像解码得到三维人脸点云数据，并通过和数据库中的三维人脸数据进行比对，得到识别结果。

优选地，所述基于FPGA的正弦条纹投影模块包括AMS1117芯片、MP2359芯片、PL2303芯片和USB接口、FPGA芯片、闪存芯片以及Sil9134芯片，所述FPGA芯片通过PL2303芯片、USB接口接收一组自定义的条纹信息数据并生成对应的条纹图，所述Sil9134芯片用于根据条纹图产生HDMI信号，所述AMS1117系列芯片以及MP2359芯片用于供电。

优选地，所述FPGA芯片同步产生DLP投影仪模块触发信号以及图像采集模块触发信号。

优选地，所述的自定义的条纹信息数据包括相移、频率和方向。

优选地，所述图像采集模块包括2个黑白相机，所述黑白相机分辨率为960×720，最高采集速率为60帧每秒。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：本发明的正弦条纹投影模块基于FPGA控制，由于只投影横条纹或竖条纹，因此其每一列或行的像素值都是一样的，所以在FPGA中只需要动态生成一列或行的条纹的像素值，投影时只需将这一列或行的像素重复投满一帧即可，FPGA硬件系统来控制投影仪投影条纹，能实现每秒60帧的投影速度，与传统计算机控制投影方法每秒10帧的投影速度相比，能将投影每幅条纹所需的时间缩减到了原来的六分之一，能实现快速投影条纹图。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统工作流程图。

图2为基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统结构图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种基于FPGA的三维人脸采集与识别硬件系统，基于FPGA的正弦条纹投影模块、DLP投影仪模块以及图像采集模块，所述基于FPGA的正弦条纹模块用于向DLP投影仪模块发送包含条纹信息的HDMI视频信号并同时向图像采集模块发送触发信号，所述DLP投影仪模块用于接收包含条纹信息的HDMI视频信号向待测目标投影条纹图，所述图像采集模块用于响应于触发信号后采集图像。

进一步的实施例中，所述基于FPGA的正弦条纹投影模块包括AMS1117芯片、MP2359芯片、PL2303芯片和Micro USB接口、FPGA芯片、闪存芯片以及Sil9134芯片，所述基于FPGA的正弦条纹投影模块的工作过程为：FPGA芯片通过PL2303芯片、USB接口收到一组自定义的条纹信息数据(包括相移、频率和方向)；FPGA根据条纹信息从Rom表中读取正弦数据生成对应的条纹图，通过HDMI接口输出高清视频流给DLP投影仪模块；FPGA同步发送触发信号给图像采集模块来拍摄被测量物体调制后的条纹图。

其中，AMS1117系列芯片以及MP2359芯片用于供电。由于Sil9134芯片正常工作需要提供1.8V、3.3V和5V，本发明中，使用MP2359芯片为Sil9134芯片提供1.8V电压；AMS1117系列可提供系统中大部分芯片所需电压，诸如3.3V，2.5V以及1.2V电压，并能为每个电压分别提供最大800mA电流，可确保各个模块正常工作。电源通过各级滤波确保稳定性，各个电源之间进行了完整的隔离，为系统提供了稳定的电压与所需功率输出。

其中，PL2303芯片和Micro USB接口用于实现FPGA芯片与计算机的通讯功能，基于这两个器件定义了一种基于串口发送的数据协议用于控制条纹投影，上位机连续发送四段8位串口数据，用十六进制表示分别为0xB1、0xB2、0xB3、0xB4，通过COM1通信接口发送控制指令至FPGA控制其工作状态，使其输出不同频率、方向和相位的条纹至投影仪投影。其中0xB1与0xB2分别表示条纹信息频率值的高八位与低八位，0xB3表示条纹的方向信息，0xB4表示条纹的相位信息。上位机应用软件通过控制计算机串口连续发送包含上述字段的串口数据就能控制条纹图的图案参数。

其中，FPGA芯片用于作为核心控制部件，型号为

进一步的实施例中，DLP投影仪模块主要由DLP投影仪组成。由于只需要投影灰度的条纹图像，投影仪在接收基于FPGA的正弦条纹投影模块产生的一个60Hz的HDMI高清视频流信号后，顺序地将下一帧视频信号通过DMD以脉宽调制的形式显示出来。为了能够让相机完整无误地采集到这帧投影图像，需要严格控制投影仪与相机之间的时序与相机的曝光时间，使得投影仪的一个图像投影周期完整无误的包括在相机的曝光时间中。

进一步的实施例中，图像采集模块由两个型号为Basler-acA1300-60gm的黑白相机组成，其分辨率为960×720，最高采集速率为60帧每秒。FPGA芯片通过同步投影仪触发信号以及相机触发信号来控制图像采集模块中的相机与DLP投影仪模块中的投影仪同步工作，投影仪投一幅条纹图，相机就采集一幅被调制后的条纹图像。最后将相机采集的条纹图像传输给数据处理系统来实现目标人脸的三维重建。