內容摘要：為了解決傳統會議簽到問題，利用S5PV210與CC2530、攝像頭、按鍵、液晶顯示屏等硬件設備設計了一種人臉識別會議簽到硬件終端。在定義的通信協議的基礎上，采用C語言開發出了下位機與上位機間進行數據傳輸的程序。利用QT編制了人臉識別會議簽到終端控制系統軟件，重點研究了基于PCA算法的人臉識別實現、QT與CC2530的串口通信、ZigBee組網的數據傳輸。實驗結果表明：基于PCA算法的人臉識別穩定可靠、上位機軟件操作方便，ZigBee無線通信穩定，軟硬件設計達到了預期的功能和要求。

    引言

    人臉識別，特指利用分析比較人臉視覺特征信息進行身份鑒別的計算機技術。人臉識別是一項熱門的計算機技術研究領域，它屬于生物特征識別技術，是對生物體(一般特指人)本身的生物特征來區分生物體個體。

    很多由政府部門組織召開的大型會議的簽到工作仍然采用傳統的手工簽到的方式：會務組工作人員手里拿著參會代表的名單，參會代表報到時，工作人員根據代表提供的信息查找名冊。這種報到方式存在很多不方便的地方，首先代表報到的時間長，容易造成擁擠，要解決這個問題就得增加工作人員，把代表按地區或行業分類，這樣就會增加會議的人力和財力投入。

    本文所設計的基于PCA算法的人臉識別會議簽到系統正是為了解決這些問題而設計的，與會人員只需要站在攝像頭前，系統識別出后會在窗口顯示出與會人員姓名，并且將會議簽到信息自動保存到SQLite數據庫文件中，同時將會議簽到信息通過ZigBee以單播的方式發送到上位機，以方便會議管理人員查看。

    1 系統方案論述

    本文提出了基于PCA算法的會議簽到系統，會議簽到系統包含人臉識別會議簽到終端和上位機軟件，其具體要求與功能為：人臉識別會議簽到終端要求具有人臉檢測和人臉識別的能力，人臉檢測利用OpenCV庫中Adaboost算法進行人臉檢測，人臉識別采用PCA算法。人臉識別會議簽到終端系統同時具有通過CC2530無線模塊往上位機發送會議簽到數據的能力。在ZigBee網絡中，協調器的網絡地址是固定的，所以CC25 30采用單播方式將人臉識別成功后的會議簽到數據發送到上位機。通過這種方法，就可以有效減少會議組織人員的工作量，并且使用成本低、能夠重復利用。

    2 系統設計

    人臉識別會議簽到終端運行Linux系統，運行于PC的上位機和人臉識別會議簽到終端的應用程序都是利用QT開發。完整的基于PCA算法的人臉識別會議簽到終端包括：USB攝像頭、通信總線、液晶屏、按鍵組、S5PV210主控芯片、CC2530無線芯片等。人臉識別會議簽到系統是集軟硬件為一體的專用與會人員身份識別系統。它通過USB接口接入人臉識別系統，為終端提供與會人員身份認證服務。基于QT開發的應用程序通過攝像頭模塊完成對人臉數據采集的操作，將獲取的數據與數據庫中存儲的人臉數據進行對比。人臉識別會議簽到硬件終端系統組成如圖1所示。

    2.1 硬件設計

    人臉識別會議簽到硬件終端采用核心板加底板的模式進行開發，核心板采用天嵌科技的TQ210核心板，自主設計底板，底板設計主要包括LCD接口電路、USB攝像頭接口電路、串口電路、核心板接口電路、復位電路、電源電路等。

    核心板以SSPV210為核心芯片，應用于整個硬件終端的控制。S5PV210采用了ARMCortex-A8內核，ARM V7指令集，主頻可達1 GHz，具有64/32位內部總線結構，可以實現2 000 DMIPS(每秒運算2億條指令集)的高性能運算能力。基于C0rtex-A8內核的處理器在進行人機交互設備管理、支持OS等方面擁有比較明顯的優勢。

    2.1.1 USB攝像頭電路設計

    本系統所采用的攝像頭是UVC(USB Video Class)，只需要標準的USB接口就可以使用，USB攝像頭驅動采用V4L2(Video 4 Linux 2)驅動。USB電路如圖2所示。

    2.1.2 ZigBee無線傳輸模塊

    ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據這個協議規定的技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。其特點是近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率、低成本，主要適合用于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備。簡而言之，ZigBee就是一種便宜的，低功耗的近距離無線組網通信技術。

    一個完整的ZigBee系統需要至少一個協調器，一個或多個路由器以及許多個終端節點組成，這樣才能完成網絡的搭建，路徑的分配和數據的采集及分配任務。ZigBee網絡根據實際組網的需要可以組成星型網、網狀網和簇狀網這三種拓撲結構，基于PCA算法的人臉識別會議簽到系統采用的是星型網絡，因為協調器在網絡中的網絡地址是固定的，人臉識別會議簽到終端往上位機發送數據采用單播的方式，上位機往下位機發送數據采用廣播的方式。

    本文采用的ZigBee芯片是CC2530，ZigBee無線模塊和會議簽到終端通過串口連接。連接于PC端的ZigBee模塊作為協調器，連接于會議簽到終端的ZigBee模塊作為終端設備節點，ZigBee模塊原理圖如圖3所示。

    2.2 簽到終端軟件設計

    2.2.1 系統工作流程

    在本系統進行人臉數據采集時，首先自動從USB攝像頭獲取YUV格式的圖片，轉換成QImage格式并實時顯示在LCD屏上，再將其轉換成Ipl Image格式，利用OpenCV的Haar Cascade Face Detector(也稱為Viola Jones方法)進行人臉檢測，得到一個矩形區域。截取該矩形區域圖像進行直方圖均衡化處理，進行訓練或識別。當利用PCA算法進行人臉識別時，識別成功后首先會在LCD上顯示出姓名，同時也會把姓名信息通過ZigBee發送到上位機。

    2.2.2 Adaboost算法介紹

    Adaboost算法主要思想：在給定有限的數據情況下，基于特征的檢測能夠編碼特定區域的狀態，而且基于特征的系統比基于像素的系統要快得多。矩形特征對一些簡單的圖形結構(比如邊緣、線段)比較敏感。但是其只能描述特定走向(水平、垂直、對角)的結構，因此比較粗略。臉部一些特征能夠由矩形特征簡單地描繪，例如：眼睛要比臉頰顏色更深;鼻梁兩側要比鼻梁顏色要深;嘴巴要比周圍顏色更深。

    人臉檢測是人臉分析的第一步，對于任意一幅給定的圖像，采用一定的策略對其進行搜索以確定其中是否含有人臉，如果含有則返回人臉的位置、大小和姿態。本系統采用的是OpenCV庫中提供的Adaboost算法來實現人臉檢測，人臉檢測效果如圖4所示。

    2.2.3 PCA算法介紹

    PCA(主成分分析)算法是人臉識別中比較新的一種算法，該算法的優點是識別率高、識別速度快。OpenCV庫中cvEigenDecomposite()函數的作用是將人臉圖像通過Eigenface變換矩陣，投射到子空間中。子空間中的人臉向量是一個1×nEigens(nEigens由自己取得)的行向量，極大地降低了數據維度，便于下一步的聚類、識別。人臉識別成功后的效果如圖5所示。

    2.2.4 系統測試

    本軟件具有人臉檢測、人臉識別會議簽到等功能。首先需要通過人臉檢測存儲一定數量的與會者照片，經過訓練生成人臉特征數據保存在數據庫中。在實現會議簽到時，只要保持臉在攝像頭的正前方，軟件識別好后會在屏幕上顯示與會人員的姓名，并且把與會者的會議簽到信息通過ZigBee無線模塊，以單播的方式發送到上位機。系統首先采集5個人的人臉特征照片，經過訓練得到人臉特征數據并且存儲于數據庫中。然后開始對這5個人再進行人臉識別測試，經過測試得到的實驗結果如表1所列。

    通過實驗結果可以得出：本系統的人臉識別率在82%以上，可以區分數據庫內外的人臉。

    2.3 上位機軟件設計

    QT是1991年奇趣科技公司開發的一個跨平臺的C++圖形用戶界面應用程序框架。它提供給應用程序開發者建立藝術級的圖形用戶界面所需的功能。本設計的上位機軟件正是用QT開發，選用的集成開發環境是QT Creator。上位機界面如圖6所示。

    表2是上位機和人臉識別會議簽到終端之間數據傳輸所遵循的協議。下面分別對上位機和人臉識別會議簽到終端之間發送數據、接收數據、系統重啟、系統關機等操作的協議進行簡要的說明。

    ①上位機發送數據到部分下位機：上位機需要往部分下位機發送數據時，需要在待發送的數據前加上msd1～n，1～n代表某一臺下位機，如msd1代表數據發送到編號為1的下位機。

    ②上位機發送數據到所有下位機：上位機需要將數據發送到所有的下位機時，在待發送的數據前加上all標志。

    ③系統重啟：如果希望下位機重新啟動，發送數據rb即可以使下位機重新啟動。

    ④系統關機：如果希望下位機執行關機操作，發送數據ht即可以使下位機執行關機操作。

    結語

    本設計利用人臉識別的獨特性，設計了一種基于人臉識別的會議簽到系統。本系統在TQ210核心板的基礎上，利用OpenCV計算機視覺庫和QT圖形庫，通過普通的USB攝像頭實現了自動人臉識別，準確率較高，方便易用。