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FPGA图像处理学习——基于肤色的人脸识别_咸鱼fpga

作者：不正经 | 2024-02-21 08:09:11

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咸鱼fpga

本文针对咸鱼FPGA的FPGA实现人脸检测以及直方图拉伸进行原理学习。工程在文末。

一、人脸识别大致流程

获取人脸图像——肤色提取（Ycbcr+阈值）——滤波处理（中值、腐蚀膨胀）——人脸框选——显示

肤色提取：顾名思义，将肤色从外界环境中提取出。在肤色识别算法中，常用YCbCr颜色空间（亮度、蓝色、红色分量），因为肤色在 YCbCr 空间受亮度信息的影响较小，从而肤色类聚性好，由此，在Ycbcr空间基础上，我们用人工阈值法将肤色与非肤色区域分开，最终形成二值图像，实现肤色的提取。

滤波处理：人脸内部可能存在黑点、人脸外的某些地方也可能会被误检测为人脸，这些情况都会造成识别失败，因此加入中值滤波以及腐蚀、膨胀，这些之前都整理过，不展开说了。
在这里插入图片描述

1、人脸肤色识别

原理：先进行Ycbcr空间转换得到亮度、蓝色、红色分量，给cb和cr设置阈值，即可将肤色提取出来。（共采用四级流水线）

1.1 Ycbcr三级流水线

首先三级流水线后，可得到三分量如下：

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)begin
        Y2  <= 8'd0;
        Cb2 <= 8'd0;
        Cr2 <= 8'd0;
    end
    else begin
        Y2  <= Y1[15:8];  
        Cb2 <= Cb1[15:8];
        Cr2 <= Cr1[15:8];
    end
end

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1.2 第四级流水线进行肤色识别

Cb和Cr设置阈值：Cb：77 ~ 127 ；Cr：133~173；（前人大量研究得到的经验值），最终输出的结果是二值化结果，目的是减少运算量！

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        face_data <= 'h0;
    end
    else if( (Cb2 > 77) && (Cb2 < 127) && (Cr2 > 133) && (Cr2 < 173) ) begin
        face_data <= 16'hffff;
    end
    else begin
        face_data <= 'h0;
    end
end

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RTL图如下：
可看到，输入是RGB565原图数据，内部进行Ycbcr转换，分别得到8位的Y，Cb，Cr分量，后根据蓝红分量的阈值得到16位的二值化肤色数据face_data，阈值内为白色，阈值外为黑色；
在这里插入图片描述

2、滤波处理

检测出肤色后，为提高图像质量，进行中值滤波、腐蚀膨胀处理。

3、人脸框选（人脸框和原图一起输出）

通过肤色检测出人脸后，我们用行列坐标画框，将人脸框选出来，最终人脸框和图像数据同时输出，原图图像数据是16位，因此前面肤色数据face_data也用的16位。

RGB信号：原图数据、使能以及行场有效信号。
face信号：人脸肤色提取后的图像数据、使能以及行场有效信号。

在这里插入图片描述

3.1 人脸框的四个顶点坐标

如何得到人脸框的四个顶点坐标？

因为两帧图像差别较小，因此我们将人脸肤色图像分两帧来处理，通过这两帧图像得到人脸框的坐标，这样可防止图像结果偏移的情况出现。其中第一帧得到框的四个顶点坐标，当前帧的输出即可实时的使用人脸框的四个顶点坐标。

1、既然要用连续的两帧肤色图像，我们就要对图像延迟一拍。

always @(posedge clk) begin
    face_vsync_r <= face_vsync;
end

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2、通过连续两帧图像的场有效信号得到最终的边沿信号，上升沿为人脸肤色图像开始标志，下降沿为结束标志。

assign pos_vsync =  face_vsync && ~face_vsync_r;
assign neg_vsync = ~face_vsync &&  face_vsync_r;

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在这里插入图片描述

3.2 人脸图像横纵坐标

3、利用显示驱动生成的行场计数器，得到人脸图像的横纵坐标

parameter COL               = 11'd640              ; //图片长度
parameter ROW               = 11'd480              ; //图片高度
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        face_x <= 10'd0;
    else if(add_face_x) begin //人脸肤色数据有效
        if(end_face_x) //数据有效且一行640像素计数完成
            face_x <= 10'd0;
        else
            face_x <= face_x + 10'd1; //显示驱动生成的横坐标
    end
end

assign add_face_x = face_de;
assign end_face_x = add_face_x && face_x== COL-10'd1;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        face_y <= 10'd0;
    else if(add_face_y) begin//一行数据计数完成
        if(end_face_y)//一行数据完成且480场计数完成（一帧图像完成）
            face_y <= 10'd0;
        else
            face_y <= face_y + 10'd1;//显示驱动生成的纵坐标
    end
end

assign add_face_y = end_face_x;
assign end_face_y = add_face_y && face_y== ROW-10'd1;

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3.3 人脸框选

3中得到了图像的横纵坐标，从而可确定出框的四个顶点坐标，然后利用延迟后的一帧图像来将人脸框和图像数据同时实时输出。

在这里插入图片描述

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        x_min <= COL;
    end
    else if(pos_vsync) begin //场有效上升沿
        x_min <= COL;
    end
    else if(face_data==16'hffff && x_min > face_x && face_de) begin //有肤色数据，且框x最小坐标>肤色处x坐标
        x_min <= face_x; //当前肤色x坐标就是框的x最小值
    end
end
//---------------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        x_max <= 0;
    end
    else if(pos_vsync) begin
        x_max <= 0;
    end
    else if(face_data==16'hffff && x_max < face_x && face_de) begin//框x最大坐标<肤色x坐标，那肤色x坐标就是框x最大值
        x_max <= face_x;
    end
end
//---------------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        y_min <= ROW;
    end
    else if(pos_vsync) begin
        y_min <= ROW;
    end
    else if(face_data==16'hffff && y_min > face_y && face_de) begin //同理
        y_min <= face_y;
    end
end
//---------------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        y_max <= 0;
    end
    else if(pos_vsync) begin
        y_max <= 0;
    end
    else if(face_data==16'hffff && y_max < face_y && face_de) begin//同理
        y_max <= face_y;
    end
end

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5、实时顶点坐标值的保存

前一帧到当前帧的间隙来保存坐标值，从而供当前帧来实时使用。

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        x_min_r <= 0;
        x_max_r <= 0;
        y_min_r <= 0;
        y_max_r <= 0;
    end
    else if(neg_vsync) begin
        x_min_r <= x_min;
        x_max_r <= x_max;
        y_min_r <= y_min;
        y_max_r <= y_max;
    end
end

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至此，得到了人脸框，接下来找该人脸框下对应的原图数据。

6、原图行列计数器

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        RGB_x <= 10'd0;
    else if(add_RGB_x) begin  //原图像数据有效
        if(end_RGB_x) //原图像数据有效且一行计数完成
            RGB_x <= 10'd0;
        else
            RGB_x <= RGB_x + 10'd1;
    end
end

assign add_RGB_x = RGB_de;
assign end_RGB_x = add_RGB_x && RGB_x== COL-10'd1;

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
        RGB_y <= 10'd0;
    else if(add_RGB_y) begin //一行计数完成
        if(end_RGB_y) //一行计数完成且一场计数完成
            RGB_y <= 10'd0;
        else
            RGB_y <= RGB_y + 10'd1;
    end
end

assign add_RGB_y = end_RGB_x;
assign end_RGB_y = add_RGB_y && RGB_y== ROW-10'd1;

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7、人脸框和原图输出
用按键来控制识别效果，一种是原图的人脸检测，一种是二值化腐蚀膨胀后的人脸检测效果。

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n)
		key_num <= 1'b0;
	else if(key_vld)
		key_num <= ~key_num;
end

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
		TFT_de	  <= 1'b0;
		TFT_hsync <= 1'b0;
		TFT_vsync <= 1'b0;
		TFT_data  <= 16'b0;
	end
	else if(key_num==1'b0) begin //按键按下的时候得到白色方框和原图
		if((RGB_y >= y_min_r-1 && RGB_y <= y_min_r+1) && RGB_x >= x_min_r && RGB_x <= x_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else if((RGB_y >= y_max_r-1 && RGB_y <= y_max_r+1) && RGB_x >= x_min_r && RGB_x <= x_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else if((RGB_x >= x_min_r-1 && RGB_x <= x_min_r+1) && RGB_y >= y_min_r && RGB_y <= y_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else if((RGB_x >= x_max_r-1 && RGB_x <= x_max_r+1) && RGB_y >= y_min_r && RGB_y <= y_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else begin
			TFT_de    <= RGB_de;
			TFT_hsync <= RGB_hsync;
			TFT_vsync <= RGB_vsync;
			TFT_data  <= RGB_data;
		end
	end
    else if(key_num==1'b1) begin //按键释放的时候得到白色方框和二值化腐蚀膨胀后的图像数据
		if((face_y >= y_min_r-1 && face_y <= y_min_r+1) && face_x >= x_min_r && face_x <= x_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else if((face_y >= y_max_r-1 && face_y <= y_max_r+1) && face_x >= x_min_r && face_x <= x_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else if((face_x >= x_min_r-1 && face_x <= x_min_r+1) && face_y >= y_min_r && face_y <= y_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else if((face_x >= x_max_r-1 && face_x <= x_max_r+1) && face_y >= y_min_r && face_y <= y_max_r) begin
			TFT_data <= 16'b11111_000000_00000;
		end
		else begin
			TFT_de    <= face_de;
			TFT_hsync <= face_hsync;
			TFT_vsync <= face_vsync;
			TFT_data  <= face_data;
		end
	[添加链接描述](https://www.cnblogs.com/xianyufpga/p/12531569.html)end
end

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本文主要学习：人脸肤色如何提取（为蓝红分量设置阈值），以及人脸框如何得到（延迟一拍得到连续两帧图像，从而实时地使用这四个顶点坐标，根据四个顶点的横纵坐标值赋予颜色，得到方框）。木有想到一个假期竟然只看了这………………

二、直方图拉伸

基于人脸识别获取顶点坐标的方法，对直方图拉伸的图像算法进行分析并编写verilg代码。

1、直方图拉伸的简单介绍

参考：在视频图像处理中，为了能够实时调节图像对比度，通常进行直方图拉伸，直方图拉伸是指将图像灰度直方图较窄的灰度级区间向两端拉伸，从而增强整幅图像像素的灰度级对比度，达到增强图像的效果。

2、直方图拉伸公式

A：Imin，表示最小灰度级
B：Imax，表示最大灰度级
在这里插入图片描述
和人脸框求顶点坐标相同，直方图拉伸也采用两帧图像进行处理。只有一帧图像流过之后，我们才能得到该图像的最大和最小灰度级，才能进行后续直方图拉伸公式的计算，由于连续两帧图像差别小，我们分成两帧图像。

方法：
1、帧延迟一拍，获得前一帧和当前帧
2、前一帧计算最小最大灰度级AB
3、在前一帧和当前帧的间隙，保存AB的值
4、在当前帧计算公式——公式用三级流水线来实现（分子分母，商，大括号）

2.1 帧延迟并获得AB

always @(posedge clk) begin
    face_vsync_r <= face_vsync;
end

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获得一帧图像的开始结束标志

assign pos_vsync =  face_vsync && ~face_vsync_r;
assign neg_vsync = ~face_vsync &&  face_vsync_r;

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前一帧获得AB
图像流经未开始或者结束的时候，最小像素值255，最大像素值0；当图像流过且像素有效时候，开始进行像素比较，得到一帧图像中的最小最大像素值。

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        max <= 8'd0;
        min <= 8'd255;
    end
    else if(Y_vsync && Y_de) begin     //像素有效时
        max <= (max > Y_data) ? max : Y_data;
        min <= (min < Y_data) ? min : Y_data;
    end
    else if(neg_Y_vsync) begin         //一帧图像结束时
        max <= 8'd0;
        min <= 8'd255;
    end
end

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2.2 保存AB值

如何确定间隙？
nge_vsnyc高电平处为间隙，此时保存AB值即可。
在这里插入图片描述

2.3 拉伸公式计算

三级流水线：

第一级流水线：计算分子分母

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        mole <= 'd0; //分子
        deno <= 'd0; //分母
    end
    else begin
        mole <= (Y_data - Y_min) * 255;
        deno <=  Y_max  - Y_min;
    end
end

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第二级流水线：分子分母除法计算

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        quot <= 'd0;
    end
    else begin
        quot <= mole / deno;
    end
end

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第三级流水线：大括号的计算

always @(posedge clk or negedge rst_n) begin
    if(!rst_n) begin
        hist_data <= 8'd0;
    end
    else if(Y_data < Y_min) begin
        hist_data <= 8'd0;
    end
    else if(Y_data > Y_max) begin
        hist_data <= 8'd255;
    end
    else begin
        hist_data <= quot[7:0];
    end
end

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需要工程的朋友们部分已发送，可以互相分享，也可以下面链接自行下载：
https://download.csdn.net/download/H19981118/87759032

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