61011118基于摄像头的自动识别系统

n      题目，命题描述

    以XILINX公司的FPGA开发板为平台，配以OV7620摄像头外设，使用Verilog—HDL语言进行编程，实现一个基于摄像头的自动识别系统。此系统可以实现两种模式：1. 当有人进入摄像头的监控范围内时，摄像头会自动识别出来，LED灯会闪烁报警；2. 当有人在摄像头范围内时，照明灯会一直在照明（LED灯模拟），当人离开摄像头范围之后，照明灯会自动关闭。

 

n      存在问题、应用背景

    为了适应现代电子技术飞速发展的需要，更好地培养21世纪的应用型电子技术人才，在自动化技术日趋成熟的今天，如何以比较低的成本实现对区域环境照明电路的控制，这就是我们现在研究的课题了。照明电路不仅用在工业生产中而且已渗入到人们工作和生活的各个角落。几乎是从小到生活照明，大到工业控制，照明电路都起到了举足轻重的作用。自动感应照明控制系统有力地推动了各行业的技术改造和产品的更新换代，应用前景非常广阔.

目前，在各类学校教室的照明灯由于管理不善，经常是教室空无一人，却灯火通明，极大的浪费电源。而各类电子设施有时因为某些因素（例如安全）而设置地不易进行操作。为了更好更方便地利用起教室，同时节省资源，我们设计了这个关于教室照明系统的自动控制装置。具体而言就是通过判断教室中有没有人，发出电信号来控制开关以达到教室智能化管理来节省能源。这样的系统开发在诸如家庭防盗等其它地方也大有用处，因此意义重大。

 

 

n      功能，指标、规模

对于项目的功能来说，主要有以下几点：

1.      摄像头自动采集图像。供电后摄像头可以自动采集图像，然后根据帧中断、行中断以及像素中断来采集所需的图像信号。

2.      自动比较识别。系统可以自动的识别摄像范围内的移动物体（主要是人）。

3.     可调性。可以根据设备所处环境的具体情况来调节系统参数，以达到最好效果。

4.     两用性。设备的人机交互主要是通过LED灯来实现的。所以对于系统来说就可以有两种应用了：LED灯作为报警灯，但凡有人进入便进行报警；LED灯作为教室中的照明灯，但凡有人从摄像头区域离开，便自动关闭LED灯。

对于指标来说，主要就是系统自动识别的灵敏性与稳健性。灵敏性是指针对报警器来说的，但凡有人进入，便会立刻报警，识别时间一定要短。稳健性是指此系统是针对人来设计的，比如进入一只猫就可以不报警，这就需要对外界的干扰有足够的抗干扰性。

规模来说，主要是基于XILINX公司的FPGA开发板与OV7620摄像头。

n      面板（显示）、操作、规则

面板显示：主要是用LED灯来模拟的。在实际情况中，作为报警器要使用功率较大的报警灯，作为智能教室来说要使用日光灯。由于条件有限，所以均使用FPGA开发板上的LED灯来模拟了。

操作：由于此系统为一个自动识别，自动控制系统，所以系统工作的全过程中均不需要人为的操作。需要操作的知识系统的使能开关（开发板上的滑动开关模拟）。

规则：系统为自动识别系统，全自动化，不需要用户考虑太多。

n      输入、输出接口

    对于输入，输出接口来说，本系统只用到了输入接口。主要是使用开发板侧面的JC接口，直接输入图像数字信号。

n      核心问题

核心问题主要有以下几点：

1.      图像数据的采集。众所周知图像信号的数据量是非常大的。次自动识别系统要求能够很快的进行快速识别，所以就要求在很短的时间内完成数据的采集。这就涉及到两个问题的：开发板的系统时钟频率能否达得到要求？如此大的数据量能否有足够的存储器来存储？

    另外，如何采集也是一个很大的问题。由于之前没有接触过任何有关摄像头的信息，所以对摄像头的工作方式，输出信号的方式等等都一无所知，所以在一开始这就成为的最大的问题。

2.      图像数据的处理。采集到图像数据之后，采用什么样的方式进行处理？是一个一个数据点进行比较，还是比较一段时间数据的平均值？怎样才能够做到才保证可以顺利完成数据处理的情况下尽量减轻系统负担，提高系统运行的速率。

3.      比较晚图像信号之后后续的电路应当怎样设计？系统终端怎样设计才是合理的？

n      解决方案

针对核心问题，实现方案主要有以下几点：

由于之前并未了解过摄像头，而此次系统设计的最关键的部分就在于摄像头的使用，所以用好摄像头就成为了重中之重。

首先，市场上摄像头种类繁多，优缺点各异，选择哪种摄像头呢？经过查阅资料，最后划定了OV7620与OV7670两种型号。再经过仔细研究得知，OV7670和OV7620都是彩色摄像头，其感光像素为640*480的数字摄像头。他们之间有很多相似的参数，但是最大的不同就是，OV7670的像素输出格式为RGB565，而OV7620的像素输出格式为YUV422。具体来说，RGB是组成彩色的三基色，要想显示一个像素的颜色，每个像素都需要3个BYTE数据的R、G、B来表示，显然这是不利于我们处理数据的，过于复杂了。对于YUY来说，Y为灰度，UV为色差。如果是表示一副彩色图像，同样的道理，YUV444是无损的存储方式，但是需要3个字节，存储空间开销很大。由于Y分量比UV分量重要的多，因此人们用YUV422来表示。这样一来图像被压缩了很多，一个字节就可以表示其彩色的信息。对于OV7620，它有2 组并行的数据口Y[7..0]和UV[7..0]，其中对于数据口Y[7..0]，输出的是灰度值Y，对于UV[7..0]输出的色度信号UV。下图给出了k 个像素（K 个字节）输出的格式。

 

                             图1

                  显而易见，对于此系统的数据处理，由于灰度值是从0到255变化的数值（白色为255，黑色为0），所以使用灰度值是最佳的方案了。也就是说，我们只需要使用OV7620的Y输出口。

                                  图三：ov7620实物图

     由此，我便确定了使用OV7620。下面具体讨论OV7620的工作原理。

 

 

 

 

 

 

 

n      系统框图

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n      模块功能描述

采集图像

通过控制时钟来控制采样周期，采样时间

粗略测量一个采样周期中白色像素分布的情况，方便用户调节系统参数。

判断摄像头范围内是否有人

控制LED灯

 

n      模块接口标注（参数、协议）

FPGA开发板的输入输出的实际连线与管脚表

 

 

 

n      系统工作状态流程

 

 

n      预期的目标与当前实现功能的差异详细注释

本次课程设计基本完成了项目申请中的全部功能，性能良好。由于硬件条件有限，所以终端的外设，例如报警灯和日光灯均用开发板上的LED灯来模拟了。

n      可以进一步发挥提高的部分

下一步可以做更加详细的识别。例如不仅仅是识别有没有人，而是识别这个人是谁，即通常所说的人脸识别，这样的好处是报警灯可以根据识别结果有选择的报警，而不是遇到人就报警，这样可以扩大产品的应用范围。

n      课程设计体会

可以说，此次的课程设计进行的是有些艰难的。困难重重，所以收获也颇丰，主要有以下几点体会：

1.      对于硬件部分的体会

此次课程设计中我使用了摄像头这一外设。由于在开学初的课题申报时，知识储备还不够全面，也没有来得及做很多的调研，知识天马行空地想到了做摄像头识别方面的内容，盲目地报了这个题目。报完题目之后，我一仔细考虑项目的实现方法就傻眼了：摄像头是怎样用的？如何采集信号的？输出的信号时什么？是什么格式？如何将摄像头输出的数据输入开发板？输入的方式是什么？等等这些问题我都一无所知。摄像头的使用是我的课程设计的关键部分，所以必须搞清楚摄像头的使用。首先要选择合适的摄像头。市场上的摄像头可谓种类繁多，各式各样，要选择适合这次课程设计使用的摄像头着实不易。最终，在多方比较下，在以前做过智能车竞赛的同学的指导下，选择了OV7620摄像头。接下来就是苦苦地钻研摄像头使用方法的过程了。OV7620的数据手册非常的长，还十分难懂，各种各样的同步信号的时序让人眼花缭乱。其他的介绍资料也是非常稀少。本来这学期的课程就非常繁多，任务非常重，所以学习摄像头的过程可以说是非常辛苦。不过，最终我还是完全搞清了摄像头的使用，真的很有成就感。这也锻炼了我的自学能力和自我探究能力。

其实这次软件部分并没有遇到很多困难，我想，这主要归功于其中编写大系统的过程中以及完全掌握了Verilog-HDL这门语言。软件部分的编写完成的比较快，出错也很少，比较顺利。

3.      对于课程的建议

我觉得，数字系统这门课是非常好的，可以很好的锻炼学生的自我学习和自主探究的能力。就我自己的感受来说，我觉得我对于我这学期的数字系统这门的课所完成的事情很有成就感，感觉学到了很多，也培养了自己面对困难不屈不挠的精神。但是，一个学期做下来，我也对这门课程有着一些建议。对于吴健雄学院的学生来说，大二下的课程繁多，任务极重，可以说超出一般院系很多。在这样的情况下去完成数字系统设计这样的任务，而且是从一无所知开始自主完成，真的是太不容易。由于不肯能把所有时间都分配给数字系统设计，所以最终设计出的作品多多少少不能完全反应自身的真实水平。所以我建议把这门课放在其他学期，或者短学期，这样我们就有了更充裕的时间，自然也就可以做出更加完美的作品。