本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是涉及一種攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)及人臉跟蹤方法。

背景技術(shù)：

舵機(jī)的控制方式一般采用pwm波的控制方式，不同占空比的pwm波對應(yīng)舵機(jī)不同的角度。要控制舵機(jī)運(yùn)行到指定角度，只要輸出對應(yīng)占空比的pwm波，舵機(jī)就會以一定的速度運(yùn)行到指定角度。因為，速度是舵機(jī)的特性指標(biāo)，不能改變。

因此，機(jī)器人的頭部隨攝像頭的轉(zhuǎn)動為機(jī)械式的勻速轉(zhuǎn)動，不符合人體頭部轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方式，需要提供使攝像頭的轉(zhuǎn)動更加的平滑的運(yùn)動方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明旨在提出一種攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)及人臉跟蹤方法，以使攝像頭的轉(zhuǎn)動更加的平滑，符合人體頭部轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方式。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)，包括主控制器、舵機(jī)控制板、x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)，所述主控制器通過串口與舵機(jī)控制板通信連接，所述舵機(jī)控制板連接x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)，所述x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)分別通過傳動結(jié)構(gòu)控制攝像頭水平和垂直方向的運(yùn)行。

上述攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)的人臉跟蹤方法，包括如下內(nèi)容：

步驟1，通過人臉識別算法，獲得當(dāng)前人臉在畫面中的區(qū)域坐標(biāo)；

步驟2，根據(jù)人臉區(qū)域坐標(biāo)，判斷x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)是否需要轉(zhuǎn)動；

步驟3，若x軸舵機(jī)和或y軸舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動，則進(jìn)行人臉區(qū)域坐標(biāo)到相應(yīng)舵機(jī)控制信息的轉(zhuǎn)換，具體為，計算出控制相應(yīng)舵機(jī)運(yùn)動的速度和方向，速度是弧度每秒，方向就是正反轉(zhuǎn)；

步驟4，在接收到運(yùn)行指令后，主控制器會根據(jù)舵機(jī)當(dāng)前速度、期望運(yùn)行速度、加速度、目標(biāo)角度，計算出減速點；其中，期望運(yùn)行速度為步驟3中得到的控制相應(yīng)舵機(jī)運(yùn)動的速度和方向；

步驟5，控制相應(yīng)舵機(jī)進(jìn)行先從當(dāng)前速度運(yùn)行到期望運(yùn)行速度，當(dāng)舵機(jī)運(yùn)行到減速點時，開始減速，減速完成時同時到達(dá)目標(biāo)角度，實現(xiàn)舵機(jī)的平滑運(yùn)動。

在步驟1中，獲取到的人臉區(qū)域坐標(biāo)為：區(qū)域左上角坐標(biāo)xf，yf，區(qū)域?qū)挾葁f，高度hf，畫面寬度w，畫面高度h，參考點坐標(biāo)xref，yref。

在步驟2中，分別判斷參考點坐標(biāo)xref，yref是否在人臉區(qū)域中判斷方法為：

如果xref>xf并且xref<xf+wf，在人臉區(qū)域中，則不對x軸進(jìn)行調(diào)整；如果不在區(qū)域中，則對x軸進(jìn)行調(diào)整；

如果yref>yf并且yref<yf+hf，在人臉區(qū)域中，則不對y軸進(jìn)行調(diào)整；如果不在區(qū)域中，則對y軸進(jìn)行調(diào)整。

在步驟3中，人臉區(qū)域坐標(biāo)到相應(yīng)舵機(jī)控制信息的轉(zhuǎn)換方法包含如下步驟：

1)計算人臉區(qū)域中心點相對于參考坐標(biāo)點的偏移距離；

2)根據(jù)偏移距離占總畫面寬度w的百分比，乘以最大可增加速度vmax，算出增加的速度v+；

3)在基準(zhǔn)速度上加上v+的絕對值，得到控制x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)的速度vx和vy，然后，根據(jù)增速v+的正負(fù)，判斷轉(zhuǎn)動方向。

在步驟4中，減速點的計算方法如下：

s＝v*t+1/2*a*t*t

s＝v*(ve-v)/a+1/2*a*(ve-v)/a*(ve-v)/a

s＝(ve-v)*(ve+v)/a/2

式中：v表示當(dāng)前速度，ve表示期望運(yùn)行速度，a為加速度，t為時間，s為加速距離；

根據(jù)上述公式計算出以當(dāng)前速度、加速度，運(yùn)行到期望運(yùn)行速度總共所需運(yùn)行的加速距離s，也為s減速距離；

再根據(jù)當(dāng)前弧度和目標(biāo)弧度，計算出剩下能夠運(yùn)行的距離s剩，即目標(biāo)點距離se；

1)若剩下能夠運(yùn)行的距離s剩大于加速和減速所需路程之和，減速點則為目標(biāo)點距離se減去減速所需距離；

2)若剩下的距離s剩小于加速和減速所需路程之和，則比較加速距離和減速距離：

21)若加速距離等于減速距離的話，則剩余路程的中點即為減速點；

22)若加速距離不等于減速距離的話，則計算從當(dāng)前速度立刻減速到0時所需的路程：

221)若此路程小于剩余路程，則減速點為

s減速點＝se–(s立刻減速+((se–s立刻減速)/2))

222)若此路程大于等于剩余路程，則需要立刻減速。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明系統(tǒng)及方法具有以下優(yōu)勢：

本發(fā)明為了使攝像頭的轉(zhuǎn)動更加的平滑，符合人體頭部轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方式，在對舵機(jī)的控制上，加入了對舵機(jī)速度和加速度的控制。實現(xiàn)攝像頭的一個流暢的運(yùn)行過程。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中：

圖1為本發(fā)明實施例所述攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)的框圖；

圖2為本發(fā)明實施例所述舵機(jī)控制板的電路圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。

下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。

攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)，如圖1所示，包括主控制器、舵機(jī)控制板、水平舵機(jī)、垂直舵機(jī)，所述主控制器通過串口與舵機(jī)控制板通信連接，所述舵機(jī)控制板連接水平舵機(jī)和垂直舵機(jī)，所述水平舵機(jī)和垂直舵機(jī)分別通過傳動結(jié)構(gòu)控制攝像頭水平和垂直方向的運(yùn)行。本實施例由工控機(jī)作為主控制器，如圖2所示，舵機(jī)控制板的型號為stm32f103rc。

為了使攝像頭的轉(zhuǎn)動更加的平滑，符合人體頭部轉(zhuǎn)動的運(yùn)動方式，在對舵機(jī)的控制上，加入了對舵機(jī)速度和加速度的控制。因為速度是舵機(jī)的特性指標(biāo)，不能改變。所以，想要進(jìn)行調(diào)速，只能通過控制器控制pwm波占空比的變化速度，來變化舵機(jī)運(yùn)行的速度。

想要實現(xiàn)攝像頭的一個流暢的運(yùn)行過程，需要使舵機(jī)逐漸加速到指定速度運(yùn)行，在快要到達(dá)指定目標(biāo)角度時，逐漸將速度減速到停止，同時運(yùn)行到指定角度位置。

舵機(jī)運(yùn)行的速度，在控制上相當(dāng)于對舵機(jī)角度的變化進(jìn)行細(xì)分，設(shè)定一個最小變化角度，根據(jù)一定的周期，以最小變化角度為單位，每個周期增加或減少一個最小角度，直到達(dá)到指定角度。具體實施時，最小變化角度相當(dāng)于是一個參數(shù)，舵機(jī)控制板初始化時設(shè)定好，每次變化多少角度，根據(jù)這個角度去設(shè)置速度定時器的周期，一般這個設(shè)置成舵機(jī)最小旋轉(zhuǎn)角度，或者是他的倍數(shù)，數(shù)值越小肯定變化的越平滑，相當(dāng)于微分的更細(xì)，類似于分辨率。

只需要根據(jù)設(shè)定的速度，去計算這個變化的周期，就能實現(xiàn)對舵機(jī)運(yùn)行速度的控制。

舵機(jī)運(yùn)行的加速度，能夠使舵機(jī)的運(yùn)行能夠有一個加速和減速的過程，在控制上，只需要再設(shè)定一個最小變化速度，根據(jù)一定周期，以最小變化速度為單位，每個周期增加或減少一個最小速度，直到達(dá)到指定速度。根據(jù)設(shè)定的加速度，計算速度改變的周期，就能實現(xiàn)對舵機(jī)加速度的控制。具體實施時，最小變化速度也相當(dāng)于是一個參數(shù)，舵機(jī)控制板初始化時設(shè)定好，每次變化多少速度，根據(jù)這個角度去設(shè)置加速度定時器的周期，數(shù)值越小肯定變化的越平滑，相當(dāng)于微分的更細(xì)，類似于分辨率。

上述攝像頭人臉跟蹤系統(tǒng)的人臉跟蹤方法，包括如下步驟：

步驟1，通過人臉識別算法，獲得當(dāng)前人臉在畫面中的區(qū)域坐標(biāo)；

步驟2，根據(jù)人臉區(qū)域坐標(biāo)，判斷x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)是否需要轉(zhuǎn)動；

步驟3，若x軸舵機(jī)和或y軸舵機(jī)需要轉(zhuǎn)動，則進(jìn)行人臉區(qū)域坐標(biāo)到相應(yīng)舵機(jī)控制信息的轉(zhuǎn)換，具體為，計算出控制相應(yīng)舵機(jī)運(yùn)動的速度和方向，速度是弧度每秒，方向就是正反轉(zhuǎn)；

以此速度(人臉距離畫面中心越遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動速度越快)，朝向人臉位置運(yùn)動一小段時間(例如20ms)，逐漸逼近人臉位置。因為人體移動相對較快，圖像識別出每一幀人臉的區(qū)域坐標(biāo)都在不斷變化，所以使舵機(jī)直接轉(zhuǎn)到人臉?biāo)诮嵌炔⒉荒芎芊€(wěn)定的使攝像頭對準(zhǔn)人臉，攝像頭會隨著人體移動出現(xiàn)左右擺動的現(xiàn)象。所以采用了根據(jù)每一幀的人臉區(qū)域數(shù)據(jù)，朝向人臉的方向運(yùn)動一小段距離。這樣使運(yùn)動過程細(xì)分，能夠及時的響應(yīng)人臉位置的變化，也能更準(zhǔn)確平滑的實現(xiàn)跟蹤的過程。

步驟4，在接收到運(yùn)行指令后，主控制器會根據(jù)舵機(jī)當(dāng)前速度、期望運(yùn)行速度、加速度、目標(biāo)角度，計算出減速點；其中，期望運(yùn)行速度為步驟3中得到的控制相應(yīng)舵機(jī)運(yùn)動的速度和方向；

步驟5，控制相應(yīng)舵機(jī)進(jìn)行先從當(dāng)前速度運(yùn)行到期望運(yùn)行速度，當(dāng)舵機(jī)運(yùn)行到減速點時，開始減速，減速完成時同時到達(dá)目標(biāo)角度，實現(xiàn)舵機(jī)的平滑運(yùn)動。

在步驟1中，獲取到的人臉區(qū)域坐標(biāo)為：區(qū)域左上角坐標(biāo)(xf，yf)，區(qū)域?qū)挾葁f，高度hf，畫面寬度w，畫面高度h，參考點坐標(biāo)(xref，yref)。

在步驟2中，分別判斷參考點坐標(biāo)xref，yref是否在人臉區(qū)域中。例如，首先，判斷x軸上參考點xref坐標(biāo)是否在人臉區(qū)域中：

如果xref>xf并且xref<xf+wf，在人臉區(qū)域中，則不對x軸進(jìn)行調(diào)整，x軸舵機(jī)不需轉(zhuǎn)動；

如果不在區(qū)域中，則對x軸進(jìn)行調(diào)整，x軸舵機(jī)需轉(zhuǎn)動。

在步驟3中，人臉區(qū)域坐標(biāo)到相應(yīng)舵機(jī)控制信息的轉(zhuǎn)換方法包含如下步驟(以x軸舵機(jī)調(diào)整為例)：

1)計算人臉區(qū)域中心點相對于參考坐標(biāo)點的偏移距離xoffset：

xoffset＝xref–(xf+wf/2)；

2)根據(jù)偏移距離xoffset占總畫面寬度w的百分比，乘以最大可增加速度(vmax)，算出增加的速度v+：

v+＝vmax*(xoffset/w)；

3)在基準(zhǔn)速度v上加上v+的絕對值，得到控制x軸舵機(jī)的速度vx，然后，根據(jù)增速v+的正負(fù)，判斷轉(zhuǎn)動方向，決定vx的正負(fù)。

如果v+為正，則vx＝v+|v+|，如果v+為負(fù)，則vx＝-v-|v+|。

如果y軸上需要轉(zhuǎn)動，對y軸的上參考點yref進(jìn)行同樣的計算，算出速度vy。

在步驟4中，控制器只要收到目標(biāo)角度()和運(yùn)行速度輸入值，控制器就能控制舵機(jī)以期望值平滑運(yùn)行，但在實際操作中，由于用戶指令的變化，舵機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，舵機(jī)角度限位等因素，也許不能平滑的實現(xiàn)用戶期望的動作，在這時控制器就要對運(yùn)行動作進(jìn)行調(diào)整，計算合適的減速點，保證舵機(jī)運(yùn)行的速度降到0的同時運(yùn)行到目標(biāo)角度，根據(jù)期望速度和運(yùn)行時間算目標(biāo)角度為現(xiàn)有技術(shù)。

減速點的計算是舵機(jī)平滑運(yùn)行的關(guān)鍵點，控制器會根據(jù)舵機(jī)當(dāng)前速度、期望運(yùn)行速度、加速度、期望目標(biāo)角度等參數(shù)，計算出減速點，控制舵機(jī)的運(yùn)行。舵機(jī)的運(yùn)行速度以弧度每秒為單位，目標(biāo)角度以弧度表示。

其中，加速度a就是舵機(jī)啟動和停止時的加速度，單位是弧度/s2，這個是在舵機(jī)控制器初始化的時候設(shè)置的一個參數(shù)，在控制速度的指令中不涉及到這個參數(shù)。

其中，目標(biāo)角度是舵機(jī)控制板根據(jù)收到的指令設(shè)定的，望期轉(zhuǎn)到的角度，或者指定設(shè)定期望運(yùn)動的時間和速度，根據(jù)時間和速度算出來期望的目標(biāo)角度。

減速點的計算方法如下：

s＝v*t+1/2*a*t*t

s＝v*(ve-v)/a+1/2*a*(ve-v)/a*(ve-v)/a

s＝(ve-v)*(ve+v)/a/2

式中：v表示當(dāng)前速度，ve表示期望運(yùn)行速度，a為加速度，t為時間，s為加速距離。

根據(jù)上述公式計算出以當(dāng)前速度、加速度，運(yùn)行到期望運(yùn)行速度總共所需運(yùn)行的加速距離s(也為s減速距離)。再根據(jù)當(dāng)前弧度和目標(biāo)弧度，計算出剩下能夠運(yùn)行的距離s剩(s剩就是當(dāng)前位置距離目標(biāo)弧度se的距離)。

1)若剩下能夠運(yùn)行的距離s剩大于加速和減速所需路程之和，則說明中間有勻速運(yùn)行時段，減速點則為目標(biāo)點距離se減去減速所需距離(s減速距離，單位為弧度)，其中目標(biāo)點距離se為目標(biāo)角度，單位為弧度；

s減速點＝se-s減速距離

2)若剩下的距離s剩小于加速和減速所需路程之和，則說明剩下路程不夠使舵機(jī)達(dá)到指定速度。需要重新計算一個能夠達(dá)到的最大速度，保證能夠在目標(biāo)點降速到0。在這種情況下，

21)若加速距離等于減速距離的話，則剩余路程的中點即為減速點；

s減速點＝se–(s剩/2)

22)若加速距離不等于減速距離的話，則計算一下，從當(dāng)前速度立刻減速到0時所需的路程(s立刻減速)，

s立刻減速＝(ve-v)*(ve+v)/2a

v等于當(dāng)前速度，ve等于0，a數(shù)值等于負(fù)a，即：

s立刻減速＝(0-v)*(0+v)/(-a)/2＝v²/2a；

221)若此路程小于剩余路程，則減速點為

s減速點＝se–(s立刻減速+((se–s立刻減速)/2))

222)若此路程大于等于剩余路程，則需要立刻減速。

本發(fā)明通過人臉識別算法，獲得當(dāng)前人臉在畫面中的區(qū)域坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)來控制水平和垂直兩個方向上的x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)，根據(jù)vx，vy兩個速度去控制x軸舵機(jī)和y軸舵機(jī)的轉(zhuǎn)動。保證參考點坐標(biāo)(xref，yref)始終在人臉區(qū)域中，達(dá)到人臉跟隨的功能。實現(xiàn)保持人臉在畫面的中心區(qū)域，實現(xiàn)攝像頭對人臉的高效跟蹤。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。