Gesichtsverfolgungskamera

Autoren: Suryaa Kalamani-Ramamoorthy & Aaron-Lasse Paelmke
Betreuer: Prof. Ulrich Schneider

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Einleitung

Das Projekt "Gesichtsverfolgungskamera" wird im Rahmen des GET Fachpraktikums im 5. Semester des Studiengangs Mechatronik der HSHL am Campus Lippstadt durchgeführt. Ziel des Projekts ist die Umsetzung eines Systems, das mittels einer Webcam Gesichter erfasst und Mikrokontroller gesteuert dem erfassten Gesicht folgt und es im Fokus behält. Die Durchführung des Projekts soll die erlernten Kenntnisse der Fächer Informatik, Physik, Grundlagen der Elektrotechnik I, Grundlagen der Elektrotechnik II, Elektronische Bauelemente und Grundschaltungen, Aufbau-/ und Verbindungstechnik sowie Mess-/ und Regelungstechnik festigen, vertiefen und neue Erkenntnisse fördern.

Anforderungen

Tabelle 1: Anforderungen an die Gesichtsverfolgungskamera

ID	Anforderung
1	Allgemein
1.1	Die Kamera soll Gesichter erkennen und ein einmal erfasstes Gesicht so lange verfolgen, wie es sich im Sichtfeld aufhält.
1.2	Falls sich mehrere Gesichter im Sichtfeld aufhalten soll nur ein Gesicht erfasst und verfolgt werden.
1.3	Das System soll den aktuellen Status über LEDs darstellen.
2	Bildanalyse und Auswertung
2.1	Die von der Webcam erfassten Bilder sollen mittels eines Algorithmus auf Gesichter gescannt werden. Von den Gesichtern soll der Mittelpunkt erfasst und mit dem Mittelpunkt des Bildes verglichen werden.
2.2	Anhand der Position des erfassten Gesichts soll der Systemstatus ermittelt werden (Gesicht erkannt und zentriert/Gesicht erkannt nicht zentriert/Gesicht nicht erkannt).
3	Ausgabe
3.1	Es soll permanent der Status über LEDs angezeigt werden.
3.2	Die Servomotoren sollen über den Arduino UNO angesteuert werden und so immer versuchen ein erfasstes Gesicht zu zentrieren.

Tabelle 1: Anforderungsliste

Nr.	Beschreibung der Anforderung
1	Die Kamera soll um zwei Achsen beweglich sein.
2	Die Bewegung der Kamera (Schwenken und Neigen) soll über zwei Aktoren realisiert werden.
3	Die von der Kamera erfassten Bilder sollen an einen Computer übertragen werden.
4	Mittels Software soll der Computer in den erfassten Bildern Gesichter erkennen.
5	Die erkannten Gesichter sollen in der Mitte des Bildes zentriert werden.
6	Die Ansteuerung der Servos für die Bewegung der Kamera erfolgt über einen Arduino UNO.
7	Die Kommunikation zwischen Mikrokontroller und PC / Software soll über eine USB Schnittstelle geschehen.
8	Drei LEDs sollen den Status der Gesichtserfassung signalisieren.
9	Solange kein Gesicht erkannt ist soll sich die Kamera in zufällige Richtungen bewegen.

Die Tabelle beschreibt die Anforderungen an das Projekt Gesichtserfassungskamera.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Bei den Abbildungen handelt es sich um Skizzen, die sowohl den technischen, als auch den funktionalen Systementwurf verdeutlichen sollen.

Die von der Webcam erfassten Bilder sollen an einen PC übermittelt werden, auf dem eine Software zur Gesichtserkennung läuft. Die Aufnahmen der Webcam sollen auf Gesichter gescannt werden. Die Position des Gesichts auf den Fotos der Webcam soll zentriert werden, wodurch sich ableiten lässt, in welche Richtung sich die Webcam bewegen muss, damit das Gesicht zentriert wird. Zwischen dem PC und dem Arduino UNO Mikrokontroller soll ein Datenaustausch stattfinden, um die Informationen, wie der Arduino die zwei Servomotoren ansteuern soll zu übertragen.

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  Abb. 1: Funktionaler Systementwurf

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  Abb. 2: Verkabelungsdiagramm

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  Abb. 3: Skizze des Aufbaus

Komponentenspezifikation

Für das Projekt "Gesichtsverfolgungskamera" kamen diverse Bauteile zum Einsatz. Diese werden im Folgenden aufgeführt und näher betrachtet. Für die einzelnen Komponenten werden ihre Eigenschaften und Spezifikationen dargestellt und beschrieben.

Arduino UNO

Bei dem Arduino UNO handelt es sich um einen Mikrokontroller. Mit diesem lassen sich einfache Programme umsetzen, oder er dient als Schnittstelle zwischen z.B. Matlab oder Simulink und zu steuernden Aktoren.

Umsetzung (HW/SW)

Hardware

Das Adruino-Gehäuse, der Kamerahalter, die Halterungen für den Servomotor und der Stativ werden alle in der CAD-Software Solidworks entworfen und für das Rapid Prototyping mit einem 3D-Drucker hergestellt. Die folgenden Abbildungen sind ein Ausschnitt aus den CAD-Entwürfen

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  Abb. 5: CAD Ansicht Gehäuse

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  Abb. 6: CAD Ansicht Halter für Servomotoren

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  Abb. 7: CAD Ansicht Kamerastativ

Literatur

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