Дроны в настоящее время помогают людям с решением большого числа практических задач в различных сферах жизнедеятельности. В ряде случае от дрона требуется распознавание лиц людей, находящихся на ограниченном участке местности. Предлагаемая в данной статье система распознавания лиц предлагает потенциальное решение этой насущной проблемы. Система построена на основе распространеных компонентов и может быть повторена любым радиолюбителем.

Необходимые компоненты
- Комплект контроллера Pixhawk.
- Электронные регуляторы скорости (ESC).
- Бесщеточные двигатели.
- Литий-ионный аккумулятор емкостью 5200 мАч.
- Комплект SIPEED MAIXDUINO (для распознавания лиц).
- Сервомотор.
- Передатчик и приемник FlySky (6 каналов).
- Рама квадрокоптера S500.
- Электрическая зажигалка.
- Нитрат калия / ракетное топливо.
Внешний вид собранной конструкции проекта показан на следующем рисунке.

Схема проекта
Схема дрона с функцией распознавания лиц показана на следующем рисунке.
Реализация на программном уровне и обучение модели с помощью MaixHub
MaixHub — это интуитивно понятная облачная платформа, упрощающая обучение и развертывание моделей машинного обучения, специально разработанных для встраиваемых систем, таких как Maixduino. Она позволяет управлять наборами данных, обучать модели и экспортировать их всего несколькими щелчками мыши, обеспечивая бесшовную интеграцию с оборудованием для таких задач, как распознавание лиц.
Более подробно про работу с платой Maixduino вы можете прочитать в следующих статьях на нашем сайте:
- начало работы с комплектом Sipeed Maixduino для разработки приложений искусственного интеллекта;
- создание проектов искусственного интеллекта и машинного обучения с помощью Maixduino;
- собака с искусственным интеллектом на ESP32 и Maixduino.

Шаг 1: Сбор и подготовка данных
Перед обучением модели нам сначала нужно было собрать данные для классов "shivansh" и "Ashish". Этот процесс включал в себя получение изображений лиц с разных ракурсов, при разных условиях освещения и с разной мимикой. Цель состояла в том, чтобы создать надежный набор данных, способный обрабатывать вариативность в реальных условиях.
-
Размер набора данных: примерно 50-150 изображений на класс.
-
Качество изображений: все изображения были уменьшены до размера 224x224 пикселей (требуемый размер входных данных MaixHub) и сохранены в формате JPEG.
-
Расширение данных: хотя MaixHub имеет автоматический процесс расширения данных, дополнительное ручное расширение (например, вращение, отражение и регулировка контраста) помогло повысить вариативность набора данных. Это важно для улучшения производительности модели на ранее не встречавшихся данных.
Шаг 2: Загрузка набора данных в MaixHub
После подготовки набора данных он был загружен на MaixHub для обучения. Платформа предоставляет простой интерфейс, где пользователь может создать новый проект и загрузить изображения.
1. Создание нового проекта: после входа в MaixHub был создан новый проект в категории «Обнаружение объектов» .
2. Загрузка классов: на платформе были определены два класса (Shivansh, Ashish), и загружены соответствующие им изображения. Это позволило MaixHub связать каждое изображение с правильной меткой во время обучения.
3. Расширение данных: MaixHub применяет методы автоматического расширения данных, в том числе:
- вращение: небольшие углы вращения (±15°);
- горизонтальное отражение: случайным образом переворачивает изображения;
- регулировка яркости и контрастности: случайные изменения для имитации различных условий освещения.

Шаг 3: Настройка параметров обучения
MaixHub предоставляет гибкие возможности в определении параметров обучения, что помогает оптимизировать производительность модели. Для данного проекта использовались следующие конфигурации:
- Размер входных данных: размер входных данных модели был установлен на 224x224 пикселей. Это разрешение идеально подходит для работы на маломощных периферийных устройствах, таких как Maixduino, обеспечивая баланс между скоростью и точностью.
- Якоря: для облегчения обнаружения объектов использовались заранее определенные якорные рамки. Эти якоря служат ориентирами для ограничивающих рамок, обеспечивая точную локализацию лица
anchors = [4.62, 3.28, 4.75, 5.0, 4.31, 4.38, 4.88, 3.77, 5.53, 4.08]
- Скорость обучения: устанавливается на оптимальное значение для распознавания лиц, обеспечивающее сходимость модели с хорошей скоростью без переобучения.
- Эпохи: модель обучалась в течение 50 эпох. Каждая эпоха представляет собой полный цикл обработки обучающего набора данных, что позволяет модели корректировать веса для повышения точности.
- Размер пакета: установлен на 8, что хорошо подошло для размера набора данных и вычислительных ресурсов.

Шаг 4: Обучение модели
После настройки параметров обучения начался процесс обучения. MaixHub обеспечивает мониторинг хода обучения в режиме реального времени, включая:
- Функция потерь: функция потерь вычисляет разницу между прогнозируемыми и фактическими результатами. Цель состоит в минимизации этой потери с течением времени.
- Точность: этот параметр показывает, насколько хорошо модель классифицирует изображения. MaixHub отслеживает точность и уведомляет пользователя о каждой эпохе обучения
В процессе обучения MaixHub визуализировал кривые точности и потерь. Если потери не уменьшались должным образом, вносились корректировки (например, изменялась скорость обучения или набор данных). Примерно через 30 минут обучение завершилось с потерями ниже 0,2 и точностью выше 95%, что достаточно для приложений обнаружения лиц в реальном времени.

Шаг 5: Тестирование модели на MaixHub
Перед загрузкой обученной модели MaixHub позволяет протестировать ее с помощью загруженных изображений для валидации (изображений, которые модель не видела во время обучения). Этот шаг гарантирует, что модель хорошо обобщает данные на новые изображения и предотвращает переобучение.
Результаты проверки: модель успешно обнаружила лица обоих классов с высокими значениями достоверности, что показывает, что она может различать классы «shivansh» и «Ashish».
Шаг 6: Экспорт модели
Убедившись в удовлетворительных результатах обучения, модель была экспортирована в формат .kmodel, который представляет собой облегченный, оптимизированный формат файлов, поддерживаемый процессором KPU (Kendryte Processing Unit) на Maixduino.
Адрес модели: файл .kmodel был сохранен на SD-карте для удобного доступа платы Maixduino.
model_addr = "/sd/model-153144.kmodel"
Шаг 7: Развертывание модели в Maixduino
После переноса файла .kmodel на SD-карту программа Maixduino загружает и использует модель для распознавания лиц в реальном времени.
1. Загрузка модели: модель загружается с помощью библиотеки KPU в MaixPy, а обнаружение лиц инициируется методом обнаружения объектов YOLOv2.
task = kpu.load(model_addr)
kpu.init_yolo2(task, 0.7, 0.5, 5, anchors)
Инструменты, используемые для реализации кода
Среда программирования: MaixPy IDE (IDE на основе Python для Maixduino).

MaixPy IDE — это интегрированная среда разработки, предназначенная для упрощения процесса программирования и отладки плат Maix, таких как Maixduino, использующих процессоры Kendryte K210 AI. Она специально создана для работы с MicroPython, облегченной версией Python, оптимизированной для микроконтроллеров, что упрощает разработку приложений ИИ и IoT на встроенных системах.
Использованные библиотеки:
- sensor: используется для инициализации камеры и захвата изображений.
- image: для обработки изображений и рисования на ЖК-дисплее.
- lcd: для управления отображением.
- kpu: Для вывода модели с использованием нейронного сетевого процессора KPU.
- ШИМ и таймер: для управления сервомотором.
- UART: для связи по последовательному интерфейсу.
Аппаратное обеспечение:
- Плата Maixduino: основной процессор.
- Камера GC0328: делает снимки для распознавания лиц.
- Сервомотор: управление осуществляется на основе результатов распознавания лиц.
- ЖК-дисплей: отображает видеопоток с камеры в режиме реального времени и результаты обнаружения.
- Источник питания: USB или батарея для портативного использования.
Структура и пояснения кода
Код можно разделить на несколько функциональных блоков: инициализация компонентов, захват изображения, вывод модели, управление сервоприводом и связь по UART. Каждый из этих элементов работает совместно, создавая систему, в которой камера захватывает кадры, обнаруживает лица и соответствующим образом перемещает сервомотор.

1. Инициализация компонентов
ШИМ-таймер для управления сервомотором:
-
Для управления сервоприводом, подключенным к выводу IO21 на плате Maixduino, инициализируются таймер (Timer.TIMER0) и ШИМ-контроллер.
-
Частота ШИМ установлена на 50 Гц, что типично для управления сервомоторами. Изначально сервомотор установлен на 0 градусов.
|
1 2 3 4 5 6 7 |
tim = Timer(Timer.TIMER0, Timer.CHANNEL0, mode=Timer.MODE_PWM) S1 = PWM(tim, freq=50, duty=0, pin=board_info.PIN13) def Servo(servo, angle): S1.duty(((angle * 9.45) / 180) + 2.95) |
Настройка UART:
Интерфейс UART инициализируется для отправки результатов (данных об обнаруженном объекте) на другое устройство (например, ПК или другую плату).
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 |
def init_uart(): fm.register(10, fm.fpioa.UART1_TX, force=True) fm.register(11, fm.fpioa.UART1_RX, force=True) uart = UART(UART.UART1, 115200, 8, 0, 0, timeout=1000, read_buf_len=256) return uart |
2. Захват и обработка изображений
Инициализация камеры:
Библиотека датчиков инициализирует камеру в формате RGB565 с разрешением QVGA. Камера захватывает изображения для распознавания лиц.
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 |
sensor.reset() sensor.set_pixformat(sensor.RGB565) sensor.set_framesize(sensor.QVGA) sensor.set_windowing(input_size) sensor.set_hmirror(sensor_hmirror) sensor.set_vflip(sensor_vflip) sensor.run(1) |
Инициализация ЖК-дисплея:
Библиотека lcd используется для инициализации и управления дисплеем. Здесь же настраиваются поворот ЖК-экрана и очистка фона.
|
1 2 3 4 5 |
lcd.init(type=1) lcd.rotation(lcd_rotation) lcd.clear(lcd.WHITE) |
3. Вывод модели
Загрузка модели KPU:
-
Предварительно обученная модель распознавания лиц, экспортированная из формата .kmodel MaixHubin, загружается в KPU (процессор нейронной сети) Maixduino.
-
Сеть YOLOv2 процессора KPU обнаруживает объекты с порогом достоверности 0,7 и порогом подавления немаксимальных значений 0,5.
task = kpu.load(model_addr)
kpu.init_yolo2(task, 0.7, 0.5, 5, anchors)
Распознавание лиц:
Захваченное изображение обрабатывается моделью KPU для обнаружения лиц. Если лица обнаружены, вокруг них на ЖК-дисплее рисуются ограничивающие рамки.
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 |
objects = kpu.run_yolo2(task, img) if objects: for obj in objects: pos = obj.rect() img.draw_rectangle(pos) img.draw_string(pos[0], pos[1], "%s : %.2f" %(labels[obj.classid()], obj.value()), scale=3, color=(0, 255, 0)) |
Зажигание.
При обнаружении поверхности сервомотор поворачивается на 180° и остается в этом положении в течение 3 секунд. После этого он возвращается в исходное положение 0° для запуска воспламенителя.
|
1 2 3 4 5 |
Servo(S1, 180) # Rotate servo to 180° time.sleep(3) Servo(S1, 0) # Return to 0° after 3 seconds |
Передача данных обнаружения через UART
Положения ограничивающих рамок, класс объекта и степень достоверности обнаружения передаются через UART. Это позволяет передавать результаты в другую систему для дальнейшей обработки.
|
1 |
comm.send_detect_result(objects, labels) |
Обработка и отображение ошибок
Эта lcd_show_except() функция отображает все ошибки, обнаруженные во время выполнения, непосредственно на ЖК-экране.
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
def lcd_show_except(e): import uio err_str = uio.StringIO() sys.print_exception(e, err_str) err_str = err_str.getvalue() img = image.Image(size=input_size) img.draw_string(0, 10, err_str, scale=1, color=(0xff,0x00,0x00)) lcd.display(img) |
4. Выводы
Модель получает данные с камеры в реальном времени, обрабатывает каждый кадр и выдает результаты распознавания лиц. Результаты включают ограничивающие рамки вокруг обнаруженных лиц и оценку достоверности каждого обнаружения. Система также перемещает сервомотор в зависимости от результатов распознавания лиц.
Полный код проекта
Весь код доступен по ссылке на GitHub ниже:
Код HTML интерфейса
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 |
<!doctype html> <html> <head> <meta charset="utf-8"> <meta name="viewport" content="width=device-width,initial-scale=1"> <title>Face Recognition Access Control</title> <style> @media only screen and (min-width: 850px) { body { display: flex; } #content-right { margin-left: 10px; } } body { font-family: Arial, Helvetica, sans-serif; background: #181818; color: #EFEFEF; font-size: 16px; } #content-left { max-width: 400px; flex: 1; } #content-right { max-width: 400px; flex: 1; } #stream { width: 100%; } #status-display { height: 25px; border: none; padding: 10px; font: 18px/22px sans-serif; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; background: green; text-align: center; } #person { width:100%; height: 25px; border: none; padding: 20px 10px; font: 18px/22px sans-serif; margin-bottom: 10px; border-radius: 5px; resize: none; box-sizing: border-box; } button { display: block; margin: 5px 0; padding: 0 12px; border: 0; width: 48%; line-height: 28px; cursor: pointer; color: #fff; background: #ff3034; border-radius: 5px; font-size: 16px; outline: 0; } .buttons { height:40px; } button:hover { background: #ff494d; } button:active { background: #f21c21; } button:disabled { cursor: default; background: #a0a0a0; } .left { float: left; } .right { float: right; } .image-container { position: relative; } .stream { max-width: 400px; } ul { list-style: none; padding: 5px; margin:0; } li { padding: 5px 0; } .delete { background: #ff3034; border-radius: 100px; color: #fff; text-align: center; line-height: 18px; cursor: pointer; } h3 { margin-bottom: 3px; } </style> </head> <body> <div id="content-left"> <div id="stream-container" class="image-container"> <img id="stream" src=""> </div> </div> <div id="content-right"> <div id="status-display"> <span id="current-status"></span> </div> <div id="person-name"> <input id="person" type="text" value="" placeholder="Type the person's name here"> </div> <div class="buttons"> <button id="button-stream" class="left">STREAM CAMERA</button> <button id="button-detect" class="right">DETECT FACES</button> </div> <div class="buttons"> <button id="button-capture" class="left" title="Enter a name above before capturing a face">ADD USER</button> <button id="button-recognise" class="right">ACCESS CONTROL</button> </div> <div class="people"> <h3>Captured Faces</h3> <ul> </ul> </div> <div class="buttons"> <button id="delete_all">DELETE ALL</button> </div> </div> <script> document.addEventListener("DOMContentLoaded", function(event) { var baseHost = document.location.origin; var streamUrl = baseHost + ":81"; const WS_URL = "ws://" + window.location.host + ":82"; const ws = new WebSocket(WS_URL); const view = document.getElementById("stream"); const personFormField = document.getElementById("person"); const streamButton = document.getElementById("button-stream"); const detectButton = document.getElementById("button-detect"); const captureButton = document.getElementById("button-capture"); const recogniseButton = document.getElementById("button-recognise"); const deleteAllButton = document.getElementById("delete_all"); // gain, frequency, duration a=new AudioContext(); function alertSound(w,x,y){ v=a.createOscillator(); u=a.createGain(); v.connect(u); v.frequency.value=x; v.type="square"; u.connect(a.destination); u.gain.value=w*0.01; v.start(a.currentTime); v.stop(a.currentTime+y*0.001); } ws.onopen = () => { console.log(`Connected to ${WS_URL}`); }; ws.onmessage = message => { if (typeof message.data === "string") { if (message.data.substr(0, 8) == "listface") { addFaceToScreen(message.data.substr(9)); } else if (message.data == "delete_faces") { deleteAllFacesFromScreen(); } else if (message.data == "door_open") { alertSound(10,233,100); alertSound(3,603,200); } else { document.getElementById("current-status").innerHTML = message.data; document.getElementById("status-display").style.background = "green"; } } if (message.data instanceof Blob) { var urlObject = URL.createObjectURL(message.data); view.src = urlObject; } } streamButton.onclick = () => { ws.send("stream"); }; detectButton.onclick = () => { ws.send("detect"); }; captureButton.onclick = () => { person_name = document.getElementById("person").value; ws.send("capture:" + person_name); }; recogniseButton.onclick = () => { ws.send("recognise"); }; deleteAllButton.onclick = () => { ws.send("delete_all"); }; personFormField.onkeyup = () => { captureButton.disabled = false; }; function deleteAllFacesFromScreen() { // deletes face list in browser only const faceList = document.querySelector("ul"); while (faceList.firstChild) { faceList.firstChild.remove(); } personFormField.value = ""; captureButton.disabled = true; } function addFaceToScreen(person_name) { const faceList = document.querySelector("ul"); let listItem = document.createElement("li"); let closeItem = document.createElement("span"); closeItem.classList.add("delete"); closeItem.id = person_name; closeItem.addEventListener("click", function() { ws.send("remove:" + person_name); }); listItem.appendChild( document.createElement("strong") ).textContent = person_name; listItem.appendChild(closeItem).textContent = "X"; faceList.appendChild(listItem); } captureButton.disabled = true; }); </script> </body> </html> |





