單片機技術下的人臉識別報警系統

胡欣偉 趙慶 陳出新

摘?要：在信息技術和物聯網技術發展至今的時代下，技術和人類生活的關系已經變得密不可分。伴隨著生物科學技術的進步，人臉識別技術開始發展直至成熟，在人工智能領域隨處可見其身影。如今，人臉識別技術同樣也應用到了單片機中，本文以STM32H743VIT6單片機為核心，利用OV7725圖像傳感器以及傳感器技術，再利用算法加以處理，實現了便攜式終端在家庭或學校以及一些小場景中的使用。

關鍵詞：人臉識別；單片機技術；計算機技術；STM32H743VIT6；OV7725圖像傳感器；便攜式終端

Abstract：In?the?age?of?information?technology?and?the?Internet?of?things，the?relationship?between?technology?and?human?life?is?inextricably?linked.With?the?development?of?biological?science?and?technology，facial?recognition?technology?has?evolved?to?maturity?and?can?be?seen?everywhere?in?the?field?of?artificial?intelligence.Nowadays，face?recognition?technology?has?been?popular，but?also?applied?to?the?singlechip?machine.With?STM32H743VIT6?microcontroller?as?the?core，using?OV7725?image?sensor?and?sensor?technology，and?then?using?the?algorithm?to?process，we?realize?the?use?of?portable?terminal?in?the?home?or?school?and?some?small?scenarios.

Keywords：face?identification；singlechip；computer?technique；STM32H743VIT6；OV7725；portable?terminal

自人臉識別技術問世以來，我國對于人臉識別技術的需求日益增多，例如，在安防監控、實時警報、身份驗證等方面都得到了應用。人臉識別，是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。用攝像機或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進而對檢測到的人臉進行識別的一系列相關技術。然而受各種不確定的因素影響，導致了許多人臉識別技術精度不高，所以本文所研究的單片機技術與人臉識別結合將會是一個解決上述問題的有效的方法。

1?單片機技術的發展以及特點

單片機也叫單片微控制器，是由集成電路和相關芯片組合成的一個獨立系統，和微型計算機一樣，可以處理分析數據，使用領域十分廣泛。從20世紀90年代開始，單片機技術在人類科技生活中已經有了初步的體現，隨著人類對科技的不停探索，以及對高質量生活的不停追求，單片機技術已經廣泛應用于大量不同的領域。如今，人們開始重視單片機在智能技術方面的開發應用，將單片機技術與物聯網技術、通信技術、人臉識別等各種新興技術相結合，在各行各業都有單片機的身影，單片機普遍性的特點使得其他科技領域以及生活層次方面都得到了不同發展，使得這些行業可以有了更廣闊的發展前景。如涉及交通系統、智能家居等領域。從智能家居角度來講，單片機技術結合了物聯網技術、通信技術、人臉識別技術等，用戶只需通過終端對系統下達命令即可控制家庭中的各種電器，某種意義上也促進了智慧城市的發展。

單片機顯著的特點就是穩定和高效，從單片機發展至今，它的結構變得更加簡單，但是性能更加強悍，可以保證持續的正常工作時間。同時單片機功耗也越來越小，處理速度快，體積也越來越小。可以說單片機就是便攜式電子技術的代名詞。單片機可以與各種高新技術相結合，來承擔計算、控制等功能，在使自身技術進步的同時也促進了其他高新技術的發展。

2?人臉識別技術的發展

人臉識別技術根據采集到的人臉或輸入的照片判斷是否存在人臉，然后進一步通過計算機技術分析比較識別出不同的臉部特征，廣泛被應用于交通出行管理領域。人臉識別在最初階段研究人臉識別的面部特征時只能機器識別，沒有實現自動識別。20世紀末，主要研究人工算法識別，屬于半自動化。20世紀至今，人臉識別應用于互聯網，隨著技術的成熟，開始大面積的推廣，如今技術的發展已到了較高的程度。人臉識別不同于其他識別手段，其識別方式簡單，屬于非接觸式且不易被人察覺。但目前對于面部被遮擋的對象（戴口罩）進行識別還存在問題，此外隱私性和安全性也是所有技術都需要考慮到的問題。總的來說，與其他傳統生物識別方法相比，人臉識別主要涵蓋非接觸式、非侵擾性、硬件規模較小、識別或采集人臉效率高等技術優點。

3?高新技術下的人臉識別報警系統

目前傳統的人臉識別都是由CCD攝像機、圖像采集卡、計算機以及計算機上相應的圖像收集軟件構成。這類系統的檢測能力非常出色，但是造價太高，整個系統安裝相對復雜，適用的場景并不廣泛，只在重大的場合中使用。在多數的場合中，由于各種條件情況差異大，人員數量龐大，容易出現無法及時修補的漏洞。而且網絡技術手段的應用是個漫長的過程，無法有效且及時處理突發的一些狀況。要以低成本高效的手段來解決不規范問題，就不得不在之前的人臉識別系統中完善以及加強技術。單片機的加入就是完善人臉識別系統的方式之一。利用單片機作為核心，單片機的低功耗以及高效性，完美符合報警系統對成本的把控需求。利用OV7725攝像頭模塊，使用C語言來提高核心算法，通過人臉檢測、標志跟蹤、眼球跟蹤來精確地抓捕疑似異常行為。最后以抓捕的疑似異常行為圖片與視頻通過單片機的計算比對來判斷是否異常。如果存在不異常行為，單片機立刻控制相應的警報系統做出反應，并且保存下來相應的視頻與圖片。整個過程也可設置到500ms的響應時間，解決了以前人臉識別系統的時效問題。

4?新型人臉識別報警系統的優勢

現在市場上還沒有大規模普及人臉識別設備，因此，市場上迫切地需要一款能精準識別人臉且高效的人臉識別設備。目前，大多數面部識別系統都是在大型圖像處理器上運行的，盡管圖像處理速度很快，但通常規模更大，只適用于大群體。而面向普遍人流量小的群體或是個人的便攜式人臉識別設備比較少，且大部分都具有成本高、應用價值低等特點。因此，新型的人臉識別系統具有非常重要的意義。在應用場景中人臉的角度并不總是垂直的，因此可能會識別不準確甚至無法識別，系統在識別過程中可能產生誤判，這是衡量人臉檢測和定位性能的重要因素之一。新的面部識別系統可以與STM32H743VIT6計算能力相結合，使用面部識別模塊能運行更加復雜的算法，不同于傳統的使用C語言進行編譯，STM32H743VIT6芯片編寫了能使用高級語言python進行程序編寫的固件，python獨特的高級數據結構使得圖像的處理能力大大提升，從而減少了系統在識別時可能產生的誤判。STM32H743VIT6單片機可對采集的數據進行精確分析，對人臉進行精準識別，使其對場景環境進行監控來防止不規范行為。新的面部識別系統通過創建體積小、結構簡單、便宜和功能齊全的模塊，使大規模使用成為可能。使用攝像頭技術和面部識別微控制器，采用算法控制實現了自動面部識別，部分彌補了現有技術的缺陷。

5?新型人臉識別報警系統的結構與設計

5.1?關鍵技術

（1）OV7725圖像傳感器以及傳感器技術；

（2）STM32H743VIT6單片機技術；

（3）圖像處理算法。

OV7725是一款四分之一英寸單芯片的圖像傳感器，其分辨率可以達到640像素×480像素，刷新率能實現最快60fps的圖像采樣。同時傳感器的內部也集成了相應的圖像處理功能，其中包括自動控制增益、自動曝光控制、自動白平衡等等。同時OV7725傳感器也具有比較高的靈敏度，在較低的光線影響下也可以正常運行。

STM32H743VIT6具有高效率、低功耗的特點，得益于多功耗域架構，每個功耗域都有與之匹配的低功耗模式，使功耗效率提高。同時芯片內配置多個穩壓器，有在運行和停止期間為內核提供不同電壓的，還有為專門USB?PHY供電的，以及一個備份穩壓器。同時STM32H743VIT6還具有圖形處理功能，該單片機具有雙層應用的新型LCDTFT控制器，使得內容創建速度借助DMA2D內存復制器的優勢在單核運行的基礎上翻了一倍。除了高效的2D原始數據復制以外，DMA2D還支持其他功能，比如，圖像格式轉換或圖像混合。這樣，DMA2D就提高了圖形內容創建速度，節省了MCU內核處理帶寬時間更多的資源應用于其他程序。

5.2?硬件的設定

對于視覺處理來說，想要獲得更加高質量的圖片，就需要高像素的鏡頭，不僅如此，感光元件的選擇也對最終的結果有著很大的影響，感光元件的大小意味著分辨率的大小，而分辨率也決定著圖像質量的好壞。

5.3?軟件的架構設定

6?新型人臉識別報警系統的運行與應用

工作開始時，人臉識別系統中的OV7725攝像頭第一次識別到人臉時，開始進行是否存在異常行為判斷，鑒別當前人臉和事先存入SD卡的人臉差異性。若有差異性，兩者不匹配時，則判斷為無法識別目標的行為，報警開啟，長鳴3s后停下。若無差異性，則循環判斷是否有異常行為。抓拍到有異常行為之后，延時500ms，若還是抓拍到存在異常行為，即視為異常，LED燈閃爍2s，并且把抓拍到的異常行為相片存入SD卡中，便于以后的鑒別和記錄在案。

新型人臉識別報警系統，適用于絕大多數的場景。該系統分為硬件和軟件兩個大板塊，便攜小巧的硬件設施，可以方便任何活動場景的安裝與使用。例如，低廉的使用成本甚至可以運用到個人或者家庭當中。如此一來家庭監控就可以與人臉識別相結合，從而達到監控異常現象和防盜報警的作用。新型人臉識別系統還應用于汽車行業。現在生產的高科技汽車都具有防盜和防疲勞駕駛的功能，但是真正使用中的還是老式的汽車多，并且不具備這些功能。新型人臉識別報警系統的低成本特性，可以完美適配老式汽車的缺陷，判斷司機是否有異常疲勞駕駛行為，同時駕駛員是不是車主等。又或是用于醫療行業，進行實時病患的狀態監控。許多病人的病情是需要留院進行實時觀察的，在醫院病患多的情況下，人臉識別報警系統的應用就緩解了人工壓力。每個床位都進行了監控，緩解了家屬和醫護人員的壓力，而且由于報警模塊的存在，使得在異常情況時可以及時采取相應措施。

7?新型人臉識別報警系統的相關問題

7.1?防誤判功能的應用

由于在人臉識別的過程中，會出現光線變化，人像的快速移動、抖動等因素。而在神經網絡訓練的過程中，由不可抗因素產生的誤差是無法避免的，以至于在真正運用時，會對判斷結果產生偏差。為了避免這類事情的發生，在程序設定的時候需要留下一定的容錯率，要通過算法來排除這些因素對判斷結果的干擾。

7.2?人臉識別的精度

人臉圖像與其他的一般圖像，對于單片機來說并沒有什么區別，讀取到單片機后就都成為了二進制代碼。所以如何識別出圖片中的人臉部分所位于的像素點才是關鍵。具體解決方案就是通過訓練來完成對人臉的判斷，使用許多含各類人臉信息的圖片與相應且等量的沒有人臉的圖片進行精神網絡訓練。在訓練中找出數據的差異，然后把相關的數據儲存起來，再通過與程序獲取到的圖片進行對比，由此來提升人臉識別的精確度。

7.3?文件的儲存

各類圖片的大小會存在一定的差異，就連同一張圖片在不同清晰度的條件下，所占內存的大小都是不同的。一般的圖片都介于100～300K之間，視頻的大小都是以兆帕為單位計量。而單片機的儲存芯片存儲不超過100KB，這樣的空間大小對于圖片視頻的儲存來說太小了。然而通過對系統使用文件路徑的更改，把單片機內部的存儲空間轉移到外接的硬盤或者SD卡上面，儲存空間的問題就得到了有效的解決，甚至把代碼的運行環境也轉移到了外接的硬盤或者SD卡中。在更大的運行環境下，系統的運行速度也會更快，系統的時效性也會更高。

結語

綜上所述，在如今的生產生活中，各項新興技術的產生方便了人們的生活，這樣一來，各方面技術科技的完善使得單片機技術有了越來越多的應用前景。在應用的過程中，單片機技術和其他技術相互作用，共同發展，達到了意想不到的效果。順從單片機技術發展的趨勢，該技術促進了單片機技術與人臉識別技術的結合，對相關技術的發展都具有比較深遠的意義。

參考文獻：

［1］米勇，徐文葉，何朗，等.基于特征臉的人臉識別研究［J］.計算機科學與應用，2019（9）：128129.

［2］程瑞龍.基于T5L芯片的電梯TFT顯示器設計［J］.無線互聯網科技，2019（10）：6162.

［3］謝懿.基于stm32與ov7725的嵌入式工件尺寸檢測系統的設計［J］.電子世界，2017（5）：110111.

［4］王艷芳，李莉.基于物聯網環境的單片機技術發展分析［J］.信息與電腦（理論版），2019，31（24）：127128.

［5］范順治.單片機技術在電氣傳動系統中的應用策略研究［J］.科技創新與應用，2019（17）：168169.

項目：基于人臉識別的中小學生考試防作弊儀設計，項目編號：S202113241030

作者簡介：胡欣偉（2001—?），男，湖北荊州人，本科在讀，就讀于武漢市武昌工學院，研究方向：電氣工程及其自動化專業；趙慶（1983—?），女，湖北武漢人，研究生，副教授，研究方向：通信技術；陳出新（2000—?），男，湖南岳陽人，本科在讀，就讀于武漢市武昌工學院，研究方向：電氣工程及其自動化專業。