基于SPCA563B芯片的圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)SPCA563B是凌陽(yáng)科技公司推出的一顆用于圖像識(shí)別領(lǐng)域的IC，不僅具有一般單片機(jī)的控制功能，而且具有圖像識(shí)別與處理能力。本圖像識(shí)別系統(tǒng)就是以它為核心進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與控制。該系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)的功能有：物體顏色和形狀識(shí)別、字符識(shí)別以及手勢(shì)識(shí)別等。利用這些識(shí)別的結(jié)果，可以開(kāi)發(fā)游戲、趣味教學(xué)、智能玩具、文字輸入以及智能識(shí)別等應(yīng)用系統(tǒng)。

本文通過(guò)介紹整個(gè)系統(tǒng)以及在這個(gè)系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單的手勢(shì)識(shí)別，使大家更好地了解此系統(tǒng)在圖像識(shí)別和文字識(shí)別方面的強(qiáng)大功能和易用性。

1 系統(tǒng)硬件架構(gòu)
如圖l所示．圖像識(shí)別硬件系統(tǒng)主要由SPCA563B單片機(jī)、USB控制器、圖像傳感器、存儲(chǔ)器控制器和語(yǔ)音輸出控制器等組成。

1．1 SPCA563B單片機(jī)
SPCA563B單片機(jī)的硬件特征如下：提供320240的8位CMOS圖像傳感器接口；具有自動(dòng)白平衡和獲得參數(shù)控制功能；具有圖像顏色校正和圖像Gamma校正功能；具有7種顏色過(guò)濾功能；具有良好的減小噪聲的濾波器；能夠在一張圖片中檢測(cè)到21個(gè)目標(biāo)物體的大小和位置，并將其結(jié)果存放于嵌入在CPU內(nèi)部的RAM中；16位μnSP CPU內(nèi)核，內(nèi)嵌1K16位的RAM和32K16位的ROM；具有可選擇的外部RAM和ROM接口；具有USBl．1的接口；3．3V電壓供電；128/64腳LQFP封裝(其中128腳有可選擇的并行接口，48腳則沒(méi)有)。此系統(tǒng)采用48腳的LQFP封裝，其硬件電路如圖2所示。

1.2 USB控制器
SPCA563B內(nèi)嵌USBl．1的控制器，利用USB接口可以與PC進(jìn)行通信，結(jié)合PC端軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)ISP及在線調(diào)試程序，此外可以利用USB來(lái)為系統(tǒng)供電。其電路如圖3所示。

1.3 圖像傳感器
本系統(tǒng)采用SPCA3010A CMOS圖像傳感器，圖像輸出為QVGA(320240)大小的RGB格式。SPCA563B通過(guò)I2S接口來(lái)控制SPCA3010A CMOS圖像傳感器。此CMOS圖像傳感器支持stand by省電模式，其電路如圖4所示。

1．4 存儲(chǔ)器控制器
外擴(kuò)SPR4096A Flash存儲(chǔ)器，主要用來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)需要的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。SPR4096A FJash具有如下特征：512K8位的存儲(chǔ)空間；內(nèi)嵌4K8位的SRAM；外部CPU可以通過(guò)串行接口或8位并行接口來(lái)訪問(wèn)Flash／SRAM；I／O接口的電壓范圍為2．25～3．6 V，并支持stancl by的省電模式。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量比較小的情況下，用SPR40396A可以大大降低系統(tǒng)的成本。電路如圖5所示。

1.5 語(yǔ)音輸出控
語(yǔ)音輸出控制器的主要作用是將SPCA563B的兩路音頻輸出通過(guò)SPY0030放大，由揚(yáng)聲器播放。其硬件電路如圖6所示。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本圖像識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別功能主要通過(guò)軟件系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了提高程序的可移植性，為將來(lái)該系統(tǒng)功能擴(kuò)展預(yù)留空間，整個(gè)軟件系統(tǒng)采用分模塊、分層次的方法編寫(xiě)程序，采用匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)對(duì)寄存器的讀／寫(xiě)以及對(duì)中斷的控制，并為上層的開(kāi)發(fā)提供靈活的接口。上層采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)調(diào)用底層函數(shù)來(lái)間接對(duì)硬件資源進(jìn)行操作。這樣編寫(xiě)程序使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰，程序可移植性和可擴(kuò)展性增強(qiáng)，而且占用硬件資源少，為系統(tǒng)功能的擴(kuò)展和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)預(yù)留充分的空間。

整個(gè)軟件系統(tǒng)由主程序、圖像識(shí)別功能模塊子程序、中斷服務(wù)子程序和語(yǔ)音輸出子程序等組成。主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)和控制工作，通過(guò)調(diào)用不同的子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能。主程序流程如圖7所示。

為突出系統(tǒng)的特點(diǎn)，下面通過(guò)手勢(shì)識(shí)別的實(shí)例來(lái)重點(diǎn)描述圖像識(shí)別原理。手勢(shì)識(shí)別包含兩個(gè)步驟：手形的輪廓跟蹤，提取其輪廓的相關(guān)數(shù)據(jù)；手勢(shì)的識(shí)別，在上一步得到的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析判斷而得到結(jié)果。

2.1 輪廓跟蹤算法實(shí)現(xiàn)
輪廓跟蹤的目的是獲得圖像的外部輪廓特征(包括目標(biāo)物體邊緣點(diǎn)的坐標(biāo)和方向)，為圖像的形狀分析做準(zhǔn)備。SPCA563B的DSP針對(duì)膚色有一系列的顏色處理，這樣系統(tǒng)就可以方便圖像轉(zhuǎn)化為膚色與非膚色的二值圖像。通過(guò)對(duì)暫存在SRAM中的二值圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，來(lái)提取手形的邊緣輪廓。

輪廓跟蹤算法步驟如下：
①按從上到下、從左到右的順序掃描圖像，尋找第一個(gè)非白像素作為邊界起始點(diǎn)A[0]，記錄A[0]點(diǎn)的坐標(biāo)(A[0]．x，A[0]．y)。A[0]是具有最小行和列值的邊界點(diǎn)。再定義一個(gè)掃描方向變量dir，該變量用于記錄上一步中沿著前一個(gè)邊界點(diǎn)到當(dāng)前邊界點(diǎn)的移動(dòng)方向。其初始化取值為A[0]．dir=7；掃描方向定義如圖8所示。

假設(shè)當(dāng)前的坐標(biāo)為(x，y)，則其8個(gè)鄰域坐標(biāo)如下：

②按逆時(shí)針?lè)较蛩阉鳟?dāng)前像素的33的鄰域，其起始搜索方向設(shè)定如下：
若A[n-1]．dir為奇數(shù)，則取(A[n-1]．dir+7)rood 8；
若A[n-1].dir為偶數(shù)，則取(A[n-1]．dir+6)mod 8。
在33鄰域中搜索到的第一個(gè)與當(dāng)前像素相同的像素便為新的邊界點(diǎn)A[n]，同時(shí)更新記錄從上一點(diǎn)搜索到邊界點(diǎn)A[n]的方向變量A[n]．dir，記錄新的邊界點(diǎn)的坐標(biāo)(A[n]．x，A[n]．y)。
③如果邊界點(diǎn)A[n]等于第一個(gè)邊界點(diǎn)A[0]，即(A[n]．x==A[O]．xA[n]．y==A[0]．y)。停止搜索。結(jié)束跟蹤。否則重復(fù)步驟②。
由邊界點(diǎn)A[O]、A[1]、A[2]、…、A[n]構(gòu)成的邊界便為要跟蹤的邊界。算法中步驟①的作用足找出第一個(gè)邊界點(diǎn)，步驟③的作用是找出所有的邊界點(diǎn)。如圖9所示，左邊為原始圖像，右邊是用該算法仿真的結(jié)果。

2．2 手勢(shì)識(shí)別算法實(shí)現(xiàn)
我們的主要目的是找出伸出手指的個(gè)數(shù)。開(kāi)始用行掃描的方法通過(guò)行內(nèi)從O→1或1→O黑白像素變化的次數(shù)來(lái)確定伸出手指的個(gè)數(shù)，但這種算法對(duì)于傾斜一定角度的手指數(shù)目判斷存在一定問(wèn)題，因此轉(zhuǎn)而采用“提取指尖點(diǎn)算法”。

提取指尖點(diǎn)的方法著眼于從手勢(shì)輪廓中搜索出指尖點(diǎn)，一個(gè)指尖點(diǎn)對(duì)應(yīng)于一根手指，最后根據(jù)得到指尖點(diǎn)的個(gè)數(shù)來(lái)判定手指數(shù)目。判斷是不是指尖：分析手的形狀，手指的兩邊基本上是平行的。一直按逆時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)，每經(jīng)過(guò)一次指尖，手形輪廓的走向發(fā)生反向的變化。由于手形輪廓的邊緣存在一定的毛刺，因此可以用多點(diǎn)方向的平均來(lái)減小毛刺的影響。這里取36點(diǎn)方向的平均，表示為Average_dix[i]。是否經(jīng)過(guò)指尖的判斷條件1：126=|Average_dir[i-1]一Average_dir[i+1]|=162。(說(shuō)明：兩點(diǎn)方向相反，其方向值差4，3．536=126，4．536=162。)

再分析手的形狀，兩手指之間邊緣輪廓的走向也滿足判斷條件l，故必須添加判斷條件。如圖10所示，當(dāng)沿著一個(gè)方向搜索手的邊緣輪廓時(shí)，經(jīng)過(guò)指尖走向一定與手指間缺口走向相反。因此，必須假設(shè)判定條件2：

Is_FingerVertex(dir0，dirl，dir2)；
這個(gè)函數(shù)是用來(lái)通過(guò)連續(xù)3點(diǎn)的方向來(lái)判斷這3點(diǎn)是否為逆時(shí)針走向。由于是沿著逆時(shí)針?lè)较蛩阉鬟吘壿喞?，故在判定條件1成立的前提下加上Is_FingerVertex(Average_dir[i-1]，Average_dir[i]，Average_dir[i+1])就可以判斷是否為指尖，從而判定手指的數(shù)目。順序3點(diǎn)是否為逆時(shí)針走向，具體在程序中可以構(gòu)造一個(gè)循環(huán)隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)試結(jié)果表明這種算法非常穩(wěn)定。

結(jié)語(yǔ)
SPCA563B內(nèi)部嵌入功能強(qiáng)大的圖像顏色處理的DSP，用它來(lái)做圖像識(shí)別系統(tǒng)的主控芯片十分方便、快捷。同時(shí)該系統(tǒng)具有語(yǔ)音輸出提示功能，操作更加人性化，并且可以通過(guò)USBl．1接口與PC進(jìn)行通信；配合PC端的調(diào)試工具，還可以大大縮短圖像識(shí)別功能開(kāi)發(fā)的周期。