本发明涉及模式识别及计算机控制
技术领域：
：，特别是涉及一种基于机械手臂的人脸识别系统。
背景技术：
：：建立一套图像识别系统需要庞大且复杂的系统资源，包含大量的内存、快速的处理器运算能力、图像捕获设备及显示设备，几十年来制造科技的进步以及大量生产的结果，使得目前市售便宜的个人计算机都已具备这些资源及装置，足以应付复杂的图像识别系统；加上网络资源的丰富，软件的取得或应用程序开发更加便利，因此目前有许多图像识别技术是在计算机系统上执行。然而，在某些特定场合不必浪费所有的计算机资源来完成单纯的图像识别系统，这个系统可能只需运作几分钟即可令其待机或关闭电源，例如应用于肢体残障人士的自动化嘴控开关递送装置。以计算机构成的图像识别系统经过长时间等待只为了在短时间内执行图像识别工作，而其它时间可能只是空耗电力以等待下一个不知何时会执行的指令，对于能源消耗方面可能是一个必须面对的问题。虽然可以让计算机系统进入待机模式，并利用唤醒装置启动图像识别工作，然而这整个系统所消耗的电力、以及屏幕键盘等外围装置额外占用的体积，无疑是额外的资源浪费。因此，在地球资源日益耗竭的今日，开发一个以低功耗为要求的图像识别系统是一个刻不容缓的议题。以个人计算机系统所架构的图像识别自动化残疾人员辅具的一例，如陈正贤发表的自动化嘴控开关递送装置，该装置采用高画质摄像机、马达轴控卡、三轴机器手臂，并通过LabVIEW软件完成图像识别与自动化功能。除了机械结构庞大体积占用病患的照看需求空间以外，个人计算机长时间待机与大马力伺服马达所耗费的电力，以及高额的软硬件成本，都不是一般的辅具需求者所能够负担；此外，欲修改该装置以适应不同的应用，也不是一件容易的事。从产品开发的角度来看，图像识别系统与机械结构(含电动装置)的设计分属不同领域，因此必须将两者区别独立进行开发，并以高普及率的接口(如RS-232)做为两者的间的沟通。技术实现要素：有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于机械手臂的人脸识别系统。为了实现上述目的，本发明实施例提供的技术方案如下：一种基于机械手臂的人脸识别系统，所述系统包括机械手臂、PC端、监视器、以及数字电路模块，其中：所述机械手臂设有摄像头，用于获取人脸图像；所述PC端用于监测及控制机械手臂；所述监视器用于监视拍摄人脸图像及处理后的人脸图像；所述数字电路模块用于对获取的人脸图像进行处理，滤除非指定颜色并减少图像噪声。作为本发明的进一步改进，所述数字电路模块包括FPGA处理单元、微处理器、SRAM存储器、EEPROM存储器及声音放大检测单元，所述FPGA处理单元用于与摄像头相连并进行内部处理，微处理器用于对对人脸图像进行处理，SRAM存储器用于存储人脸图像，EEPROM存储器用于储存颜色表，声音放大检测单元用于检测声音并控制机械手臂的操作。作为本发明的进一步改进，所述数字电路模块上设有若干RS-232接口，所述微处理器与PC端及机械手臂分别通过RS-232接口进行通讯。作为本发明的进一步改进，所述数字电路模块上设有VGA接口，所述微处理器与监视器通过VGA接口进行通讯。作为本发明的进一步改进，所述摄像头为内建CMOS图像感应芯片OV7670的摄像镜头模块，摄像头以扁平电缆连接到数字电路模块。作为本发明的进一步改进，所述摄像头与FPGA处理单元的传输距离大于或等于80cm。作为本发明的进一步改进，所述数字电路模块包括摄像电路及与摄像电路相连的电源调整器，所述摄像电路的XCLK输入端并联有第一电阻，FPGA处理单元的输出端串联有第二电阻，电源调整器与第一电阻和第二电阻用于对摄像头的输入电压进行降压。作为本发明的进一步改进，所述第一电阻为300欧姆，第二电阻为56欧姆，电源调整器用于将摄像头的输入电压从3.3V降压为2.8V。作为本发明的进一步改进，所述声音放大检测单元包括电容式麦克风及依次相连的第一放大器U1A、第二放大器U1B及第三放大器U1C，声音信号通过第一放大器U1A、第二放大器U1B放大后，在第三放大器U1C进行电位比较，当声音信号比噪声电位大时则输出高电位，反之则输出低电位。作为本发明的进一步改进，所述数字电路模块还包括设于微处理器与机械手臂之间的继电器及晶体管，所述晶体管用于根据点位驱动继电器进行开闭。本发明的有益效果是：本发明的人脸识别系统具有低耗能、低成本、且易于弹性修改的优点，仅让图像识别自动化更容易普及，而且也可以因应不同用户或机械结构所特制的辅具进行修改，以达成减轻肢体残障人士与照看者负担的目的。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本发明基于机械手臂的人脸识别系统的模块示意图；图2为本发明一具体实施方式中摄像头传输接口的电路图；图3为本发明一具体实施方式中声音放大检测单元的电路图；图4为本发明一具体实施方式中机械手臂电源继电器的驱动电路图；图5为本发明一具体实施方式中监测控制接口电路图；图6为本发明一具体实施方式中定位范围示意图。具体实施方式为了使本
技术领域：
：的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。参图1所示，本发明公开了一种基于机械手臂的人脸识别系统，该系统包括机械手臂10、PC端20、监视器30、以及数字电路模块40，其中：机械手臂10设有摄像头11，用于获取人脸图像；PC端20用于监测及控制机械手臂；监视器30用于监视拍摄人脸图像及处理后的人脸图像；数字电路模块40用于对获取的人脸图像进行处理，滤除非指定颜色并减少图像噪声。进一步地，数字电路模块40包括FPGA处理单元41、微处理器42、SRAM存储器43、EEPROM存储器44及声音放大检测单元45，FPGA处理单元用于与摄像头相连并进行内部处理，微处理器用于对对人脸图像进行处理，SRAM存储器用于存储人脸图像，EEPROM存储器用于储存颜色表，声音放大检测单元用于检测声音并控制机械手臂的操作。另外，数字电路模块40上设有若干RS-232接口46，微处理器42与PC端20及机械手臂10分别通过RS-232接口46进行通讯。数字电路模块上还设有VGA接口47，微处理器42与监视器30通过VGA接口47进行通讯。本发明数字电路模块40的主要核心为FPGA处理单元及微处理器XScale。摄像头(camera)取得的图像数据输入FPGA及SRAM后，数字电路依据EEPROM内储存的颜色表，将非指定的颜色滤除、以及减少图像噪声等图像处理，进行图像识别前处理的工作。其中的可编程颜色表(programmablecolortonetable)，可让用户依照不同环境编辑目标物的颜色，以降低系统误判的机会。图像处理的结果数据输出至XScale微处理器进行后续处理及分析，并通过RS-232接口控制机械手臂的运作。本发明可由个人计算机控制的RS-232传输接口，通过窗口程序进行颜色表的编辑、写入或读取，或者将目前拍摄的图像以及处理后的图像图片储存到个人计算机。另外，VGA接口可以接上监视器，通过监视器得到实时的拍摄图像以及处理后的图像。这两个接口装置不需要与系统连接即可正常运作，只有在使用上有需求时才需要开启个人计算机或屏幕连接。最后，声音检测部分用于启动机械手臂进行物品抓取的动作，以方便残疾人员的用户以声音启动系统运作。电路系统全部采用RGB色彩空间(colorspace)，包括摄像头、FPGA内部处理及单元格式、以及输出至监视屏幕的VGA接口。本发明一具体实施方式中采用的数字电路模块主要内建XilinxXC3S400-PQ208、以及内含8kbytes程序内存的XScale系列微处理器，另外还有256k*16bitsSRAM、两组RS-232接口分别为FPGA及XScale使用。以下对本发明一具体实施方式中数字电路模块中的各单元进行详细说明。(一)摄像电路设计摄像头使用内建CMOS图像感应芯片OV7670的摄像镜头模块，并以扁平电缆连接到主电路。由于芯片工作频率达24-MHz，为了考虑信号完整性(signalintegrity)的电路设计，传输接口及扁平电缆接脚安排如图2，在各信号的间穿插接地，且于clock信号源输出端串联电阻。如此的安排让摄像镜头模块传输距离达80cm仍可正常运作，长度也足以顺利安装于机械手臂前端。摄像头的电源由电源调整器(regulator)将3.3V转为2.8V提供，另外为了避免FPGA输出信号3.3V准位影响OV7670的2.8V准位，于摄像头模块XCLK输入端并联300欧姆电阻，搭配FPGA输出端串联的56欧姆电阻分压后降为3.3*300/(56+300)＝2.78V。摄像机分辨率设定为QVGA320*240，信号格式为RGB5-6-5(R：5-bit，G：6-bit，B：5-bit)、每两个clock输出一个像素16-bit数据。XCLK信号由于摄像头模块端的信号准位较低，并联电阻降压的作法同时可降低信号终端的输入阻抗，虽然没完全做到阻抗匹配，但还是可以减少相当程度的反射波。VGA接口采用显示器，内部主要由数字-类比转换芯片DAC(D/Aconverter)、IC编号为ATT20C492所组成，将数字信号转换为VGA接口R、G、B分离的类比信号。输出分辨率设定为标准VGA680480，垂直扫描频率为60Hz。DAC运作频率为50.53MHz，输入信号格式为RGB5-6-5、每两个clock采集一个像素16-bit数据。(二)声音放大检测电路设计为了方便气切病患能够以特定的声音启动机械手臂运作，这里采用舌头抵住上腭后发出清脆的“derk”两声，主要频率约为1.3kHz，且在声音起始端存在约3～5个振幅较大的波。利用这两个特性、以及两声音的间的间隔时间，即可实现简单的声音检测。声音放大检测电路采用电容式麦克风，如图3所示，声音放大检测单元包括电容式麦克风及依次相连的第一放大器U1A、第二放大器U1B及第三放大器U1C，声音信号并通过U1A、U1B放大后，在U1C进行电位比较，当声音信号比噪声电位大时则输出高电位；反的则输出低电位。再通过电阻分压转为3.3V逻辑电位后输出到FPGA，以数字逻辑依据声音的波宽度、波数量、以及两个声音的间的间隔时间判断是否为指定的启动声音。(三)机械手臂电源继电器开关设计为了降低系统耗电量以及机械手臂伺服机(servo)的损耗，于待机状态下必须关闭机械手臂电源直到接收声音启动信号。启动信号由FPGA(pin#51)输出至XScale(port3.4)以及蜂鸣器，XScale收到该信号后输出低准位(port3.5)以启动由晶体管驱动的继电器，再由继电器启动机械手臂电源。机械手臂在完成一连串预定的工作后，XScale输出高准位以关闭继电器，随的关闭机械手臂电源。图4为继电器驱动电路。(四)PC监测控制接口设计为了使PC能够监测及控制机械手臂，于XScale与机械手臂的控制板的间插入图5的界面电路，以RS-232与PC连接。XScale随时接收PC传送的数据，并依运作状况选择机械手臂的控制权为XScale或PC，当控制权为XScale时，由XScaleTXD传送数据给机械手臂的控制板，同时传送至RS-232提供给PC监测；当控制权为PC时，由PC通过RS-232传送数据给机械手臂的控制板，控制板同时传送数据至RS-232提供给PC监测。(五)机械手臂人脸识别系统实现本发明的电路系统包含主电路板与各式子板、摄像头模块、摄像灯、两组微动开关、电源系统、以及机械手臂的伺服机(servo)控制板。其中电路系统所使用的5V电源是由电源转换器直接提供，而机械手臂使用的电源模块则由微处理器所控制的继电器进行开关动作，两者皆使用110V电源并由电源总开关控制。摄像灯使用12V电源，由机械手臂电源模块提供，只有在机械手臂启动时才会被点亮。安装在机械手臂前端的微动开关用来避免过度卷线造成损毁，连接到微处理器的中断接脚在开关闭合时立即停止卷线伺服机的动作；另一组微动开关为侦测放线停止装置，避免伺服机过度放线使线松脱造成纠缠。整个机械手臂的控制是由XScale微处理器的UARTTXD接脚输出到伺服控制板，每一笔控制信息为3-byte格式，包含前置字节0xFF、伺服信道(channel，0～4)、以及角度位置等参数。XScale与伺服控制板的间可插入PC监测控制接口板。本实施方式中机械手臂使用五颗伺服机，其中CH0控制整支手臂的水平旋转，CH1、CH2控制两支干的角度，CH3控制前端基座的角度，CH4为卷线伺服机，做为升降奶嘴载具的用途。本发明的目的是为了确保机械手臂的运作，于不同的目标位置都能够正确定位，一旦定位偏差过大时可进行校正。另外，在安全因素的考虑下，为了避免异常状况发生，例如断电，导致机械手臂前臂突然下坠，受测者头部最高处距离离底座平台h至少需要保持20公分以上；而在心理层面的考虑，则必须保持更远距离以减少压迫感。因此在本实施方式中采用h＝50公分的高度进行测试，这样的高度在实际运作时随着机械手臂不同的运动位置，使得摄像头与人脸的垂直距离大约在65～90公分的间变化。摄像头的视角范围水平约为30度、垂直约为23度，在平台底座h＝50公分的高度下摄像头最高可活动至90公分，此时达到可视范围约为50*36公分。另外本实施方式中的机械手臂最大延伸长度为52公分(距离平台底座)，加上旋转盘中心与底座边缘的距离10公分，在半径62公分以内为机械手臂的活动范围。配合这些条件所形成的定位范围如图6中网格线区域，约为32*25公分或27*50公分。由上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：本发明的人脸识别系统具有低耗能、低成本、且易于弹性修改的优点，仅让图像识别自动化更容易普及，而且也可以因应不同用户或机械结构所特制的辅具进行修改，以达成减轻肢体残障人士与照看者负担的目的。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3