多重身份認(rèn)證的幼兒接送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊 鋼,吳克力

(1.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210014;2.淮陰師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

多重身份認(rèn)證的幼兒接送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

熊 鋼1,吳克力2

(1.南京理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210014;2.淮陰師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

提出了一種人臉識(shí)別-RIFD卡的身份認(rèn)證設(shè)計(jì)方案.結(jié)合兩種技術(shù),有效提高了幼兒接送過(guò)程中身份信息的認(rèn)證,杜絕或減免在傳統(tǒng)接送過(guò)程中發(fā)生卡丟失、冒領(lǐng)等現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)方案能夠有效提高幼兒接送的安全性.

人臉識(shí)別; RFID; 幼兒園; 接送系統(tǒng)

0 引言

人臉是生物特征中最有效,識(shí)別最快速的一個(gè)重要特征[1].RFID卡具有無(wú)接觸,抗干擾等特征,能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜的環(huán)境,傳輸穩(wěn)定.傳統(tǒng)的幼兒園接送系統(tǒng)通常有兩種[2]:1) 通過(guò)學(xué)校發(fā)放的帶有幼兒信息的卡,誰(shuí)持有這張卡就擁有了接送幼兒的權(quán)利,但是這種方法在大流量的接送幼兒的過(guò)程中,容易使得不法分子混入進(jìn)去.2) 使用RFID卡門(mén)禁技術(shù),這種方式能有效的減少人為的操作失誤所引發(fā)的問(wèn)題,但是在卡發(fā)生丟失的情況下,卡被別有用心的利用產(chǎn)生冒領(lǐng)拐騙的現(xiàn)象.

本文采用人臉識(shí)別-RIFD卡技術(shù),有效的提高了在幼兒接送過(guò)程中的安全性.人臉識(shí)別技術(shù)使得在每次幼兒接送的過(guò)程很好的識(shí)別每一個(gè)接送者,且在接送識(shí)別的過(guò)程中快速,有效的減少了在卡丟失的情況下產(chǎn)生的不良效果.RFID卡具有無(wú)接觸,抗干擾能力,能夠應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜環(huán)境.有效的彌補(bǔ)了在光照等情況對(duì)人臉識(shí)別所產(chǎn)生的無(wú)法識(shí)別的情況.

1 相關(guān)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 人臉檢測(cè)技術(shù)

通過(guò)RFID射頻卡身份驗(yàn)證以后,本系統(tǒng)將要對(duì)接送者進(jìn)行驗(yàn)證,將驗(yàn)證是否是本射頻卡的持卡人.本系統(tǒng)通過(guò)Adaboost算法對(duì)持卡人進(jìn)行人臉檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行識(shí)別.

人臉檢測(cè)過(guò)程中首先要對(duì)人臉和非人臉進(jìn)行訓(xùn)練,計(jì)算樣本圖片中所有的Haar特征值[3],通過(guò)簡(jiǎn)單的對(duì)人臉和非人臉的的Haar特征中選取一個(gè)閾值,生每個(gè)Haar特征對(duì)應(yīng)的弱分類(lèi)器,再由這些弱分類(lèi)器組合成弱分類(lèi)器集合,在對(duì)這些弱分類(lèi)器中選取最優(yōu)的弱分類(lèi)器,使用Adaboost算法訓(xùn)練強(qiáng)分類(lèi)器,最后組合成級(jí)聯(lián)分類(lèi)器,生成一個(gè)XML文件.

訓(xùn)練分類(lèi)器后,本文對(duì)待檢測(cè)人臉進(jìn)行檢測(cè),由于此次人臉檢測(cè)是動(dòng)態(tài)的,則需要對(duì)圖像的每一幀都要進(jìn)行檢測(cè).首先打開(kāi)攝像頭,加載訓(xùn)練好的級(jí)聯(lián)分類(lèi)器,然后對(duì)當(dāng)前幀的圖像進(jìn)行人臉檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行標(biāo)記,顯示到顯示區(qū).

1.2 人臉識(shí)別算法

人臉識(shí)別是身份認(rèn)證的最后一步,在人臉識(shí)別過(guò)程中,通過(guò)人臉檢測(cè),獲得接送者的人臉圖像,并對(duì)待識(shí)別圖像進(jìn)行人臉識(shí)別.步驟如圖1所示.

圖1 人臉識(shí)別過(guò)程圖

在人臉識(shí)別過(guò)程中,首先需要對(duì)接送者進(jìn)行人臉圖像的登記,對(duì)系統(tǒng)中每個(gè)接送者登記7張圖片,在登記的過(guò)程中使用人臉檢測(cè)技術(shù),直接快速的保存接送者的人臉圖像.然后對(duì)登記后的人臉圖像進(jìn)行訓(xùn)練,生成一個(gè)適用于彩色圖像空間識(shí)別的一個(gè)顏色轉(zhuǎn)換矩陣[4-6],再對(duì)轉(zhuǎn)換后的圖像使用PCA(主分量分析)的方法對(duì)轉(zhuǎn)換后的圖像進(jìn)行特征提取[7].

1.3 RFID技術(shù)

在接送過(guò)程的身份認(rèn)證中,首先對(duì)RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行認(rèn)證[8],由于RFID電子標(biāo)簽具有全球唯一標(biāo)識(shí),不需要進(jìn)行寫(xiě)操作,所以身份認(rèn)證過(guò)程,只需要讀取RFID的卡號(hào),與數(shù)據(jù)庫(kù)中的卡號(hào)進(jìn)行對(duì)比,如果在數(shù)據(jù)庫(kù)中記錄了該射頻卡標(biāo)識(shí)號(hào),則對(duì)持卡人進(jìn)行人臉識(shí)別.所以在讀取射頻卡標(biāo)識(shí)號(hào)的過(guò)程中,首先要對(duì)讀卡器進(jìn)行初始化,感應(yīng)到電子標(biāo)簽,進(jìn)行防碰撞操作,并讀取射頻卡標(biāo)識(shí)號(hào),驗(yàn)證通過(guò)進(jìn)行對(duì)人臉的識(shí)別.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)概述

在傳統(tǒng)的接送系統(tǒng)中時(shí)常存在接送卡丟失,幼兒被誤領(lǐng),冒領(lǐng)現(xiàn)象.本文所設(shè)計(jì)的幼兒接送系統(tǒng)中,具有成本低,安全性高等特點(diǎn).接送系統(tǒng)包括以下幾個(gè)方面:

1) 每一位幼兒在入學(xué)注冊(cè)時(shí)進(jìn)行相關(guān)認(rèn)證信息的記錄:個(gè)人信息、接送人的信息、接送人人臉特征信息及其持有的射頻卡標(biāo)識(shí)號(hào)等.

2) PC端需要提供數(shù)據(jù)的接受,人臉檢測(cè),人臉識(shí)別,系統(tǒng)具有非常低的誤識(shí)別率,識(shí)別時(shí)間較短.

3) 支持記錄接送信息的存儲(chǔ),并能提供按姓名、ID、日期進(jìn)行查詢.

4) 根據(jù)PC識(shí)別記錄,由終端提供用戶合法或者非法等信息.

2.2 系統(tǒng)總體框架

雙重身份的幼兒接送系統(tǒng)主要由攝像頭、射頻卡讀寫(xiě)器、身份驗(yàn)證終端、數(shù)據(jù)管理中心(后臺(tái)管理)、打印機(jī)等硬件組成.其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1) 射頻卡和讀卡

射頻卡也是身份標(biāo)識(shí)卡,由耦合電路和IC芯片組成,每張射頻卡都有唯一的電子編碼.當(dāng)該卡進(jìn)入讀寫(xiě)范圍內(nèi),讀卡器迅速讀取射頻卡的唯一編碼,并將編碼傳輸?shù)较到y(tǒng)的驗(yàn)證主機(jī)中,驗(yàn)證通過(guò)則打開(kāi)攝像頭,進(jìn)行人臉的驗(yàn)證.

2) 攝像頭

攝像頭采用720P高清攝像頭設(shè)備,并通過(guò)USB接口把圖像傳送的計(jì)算機(jī)中,攝像頭成本低廉,架設(shè)簡(jiǎn)單,只需要安裝相應(yīng)的攝像頭驅(qū)動(dòng)即可,其產(chǎn)品使用小巧,主要負(fù)責(zé)當(dāng)接受到射頻卡信號(hào)后,打開(kāi)攝像頭,將持卡者的圖片傳輸?shù)胶笈_(tái)的驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)中,并進(jìn)行驗(yàn)證.

3) 驗(yàn)證主機(jī)

驗(yàn)證主機(jī)是一臺(tái)計(jì)算機(jī),主要用于接受讀卡器傳來(lái)的射頻卡的唯一編碼,對(duì)從攝像頭抓取的圖像進(jìn)行人臉檢測(cè)并提取出正確的人臉圖像,進(jìn)行射頻卡身份信息的驗(yàn)證和接送者面部識(shí)別,從而得到識(shí)別結(jié)果,并在門(mén)禁顯示器中顯示識(shí)別結(jié)果.

4) 數(shù)據(jù)管理中心

數(shù)據(jù)管理中心(即后臺(tái)管理)主要是對(duì)接送者的進(jìn)行圖像的采集和信息的錄入,對(duì)驗(yàn)證未通過(guò)的人進(jìn)行信息的采集,查詢接送的記錄,并可以對(duì)查詢的信息進(jìn)行打印.

在幼兒接送過(guò)程中,首先RFID模塊感應(yīng)到射頻卡的存在則讀取卡的信息,讀取身份成功后,則打開(kāi)攝像頭,進(jìn)行人臉檢測(cè),并將檢測(cè)到的人臉傳入到后臺(tái)的計(jì)算機(jī)中,計(jì)算機(jī)對(duì)接受到的圖像進(jìn)行PCA降維,去除圖像中冗余的信息,并將降維后的信息通過(guò)fisher準(zhǔn)則進(jìn)行空間的投影,并對(duì)投影后的信息進(jìn)行人臉識(shí)別.若識(shí)別失敗,則重新對(duì)持卡人進(jìn)行人臉檢測(cè)與識(shí)別,若識(shí)別3次仍未識(shí)別出來(lái),則保持當(dāng)前持卡人的圖像信息,并報(bào)警.若識(shí)別成果,通過(guò)驗(yàn)證,同樣對(duì)持卡接送人的圖像進(jìn)行拍照保存,并提示允許通過(guò).不管人臉識(shí)別是否成功,都要對(duì)接送人信息進(jìn)行記錄.

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),軟件開(kāi)發(fā)使用的是VS2008中的C++進(jìn)行開(kāi)發(fā)的.

2.3.1 調(diào)用MATLAB中的人臉識(shí)別算法

本系統(tǒng)利用MATLAB語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了利用LDA算法對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別,利用MATLAB的mcc命令將編寫(xiě)的用于訓(xùn)練和識(shí)別的*.m文件編譯為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù).編譯得到一個(gè)*.DLL文件,一個(gè)*.LIB文件和一個(gè)*.h的頭文件. 將生成的文件放入項(xiàng)目工程中,此時(shí)就可以使用所編寫(xiě)的人臉識(shí)別的函數(shù).

2.3.2 人臉檢測(cè)算法的調(diào)用

OpenCV是Intel開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù).它由一系列C函數(shù)和少量C++類(lèi)構(gòu)成,實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法.OpenCV 擁有包括300多個(gè)C函數(shù)的跨平臺(tái)的中、高層 API.它不依賴(lài)于其它的外部庫(kù),盡管也可以使用某些外部庫(kù).

人臉檢測(cè)程序主要完成3部分功能,即加載分類(lèi)器、加載待檢測(cè)圖象以及并對(duì)待檢測(cè)的圖像進(jìn)行檢測(cè)并標(biāo)示.

調(diào)用detectMultiScale函數(shù),該函數(shù)在輸入圖像的不同尺度中檢測(cè)物體,參數(shù)smallimg為輸入的灰度圖像,faces為得到被檢測(cè)物體的矩形框向量組,1.5為縮小比例,4為至少檢測(cè)3次才能確認(rèn)是人臉,CV-HAAR-DO-CANNY-PRUNING利用Canny邊緣檢測(cè)器來(lái)排除一些邊緣很少或者很多的圖像區(qū)域,CV-HAAR-SCALE-IMAGE就是按比例正常檢測(cè),CV-HAAR-FIND-BIGGEST-OBJECT只檢測(cè)最大的物體,CV-HAAR-DO-ROUGH-SEARCH只做初略檢測(cè),Size(30,30)為目標(biāo)的最大最小尺寸.

代碼如下:

cascade.detectMultiScale(

smallImg,

faces,

1.5,

8,

0

//|CV-HAAR-FIND-BIGGEST-OBJECT

//|CV-HAAR-DO-ROUGH-SEARCH

|CV-HAAR-SCALE-IMAGE,

Size(30,30)

);

faces里面存放的是所有被檢查到的人臉的在原始圖片中的起始地址和長(zhǎng)度和寬帶.所以我們就對(duì)所有檢查到的圖片進(jìn)行圈出顯示.

2.3.3 數(shù)據(jù)管理中心的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)管理中心中的數(shù)據(jù)庫(kù)選用的是sqlserver 2008.數(shù)據(jù)庫(kù)管理中心采用模塊化設(shè)計(jì),主要分為3個(gè)模塊:接送人管理模塊,幼兒管理模塊和圖像管理模塊.

1) 接送人管理模塊主要對(duì)接送人的信息進(jìn)行采集,包括接送人的信息,卡號(hào).在對(duì)接送人信息采集的過(guò)程中,采用人臉檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)的圖像有效快速的采集.對(duì)接送人信息需要與幼兒信息進(jìn)行關(guān)聯(lián),包括幼兒的接送關(guān)系等,對(duì)接送人信息能進(jìn)行修改和刪除.

2) 幼兒管理模塊主要對(duì)幼兒的信息管理,信息的維護(hù),并能查看和刪除幼兒信息及其接送人信息.

3) 圖像管理模塊對(duì)接送人圖像進(jìn)行訓(xùn)練,保存圖像的特征值.

2.3.4 接送系統(tǒng)的終端軟件設(shè)計(jì)

接送終端軟件界面簡(jiǎn)單友好,當(dāng)接送者接送幼兒上學(xué)時(shí)候,顯示器上顯示“放入門(mén)禁卡”,用戶放入射頻卡,讀卡器讀取卡號(hào),攝像頭自動(dòng)檢測(cè)人臉,并將檢測(cè)的人臉傳入后臺(tái)計(jì)算機(jī),后臺(tái)計(jì)算機(jī)對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行特征抽取進(jìn)行面部識(shí)別,并判斷是否是持卡人本人.如本人驗(yàn)證成功,則屏幕顯示接送者的照片和幼兒的照片,同時(shí)并對(duì)接送者進(jìn)行拍照保存.

為了提高人臉識(shí)別的速度,在程序啟動(dòng)的時(shí)候,則從數(shù)據(jù)庫(kù)中將所有的接送者的人臉特征讀入到驗(yàn)證主機(jī)的內(nèi)存中,當(dāng)檢測(cè)到人臉的時(shí)候則將檢測(cè)的到的人臉進(jìn)行特征提取,并和內(nèi)存中的特征進(jìn)行對(duì)比,大大的提高識(shí)別速度.

幼兒接送系統(tǒng)當(dāng)人臉受到光照等外部影響較大的時(shí)候,則人臉不能被正確的識(shí)別出來(lái),這時(shí)候系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警告,此時(shí)接送者需要到保衛(wèi)處進(jìn)行登記,對(duì)比接送者照片后放行.

3 結(jié)束語(yǔ)

人臉識(shí)別是一種高科技的生物識(shí)別技術(shù),可以提高幼兒園接送過(guò)程中的安全性和可靠性,減少冒領(lǐng)、誤領(lǐng)、拐騙等現(xiàn)象.但由于人臉識(shí)別受到光照、化妝、表情等因素影響,難免造成誤差.因此本文提出的設(shè)計(jì)方案還需再通過(guò)與射頻卡結(jié)合的雙重驗(yàn)證,克服由人臉識(shí)別存在的安全問(wèn)題.

[1]李武軍,王崇駿,張煒,等.人臉識(shí)別研究綜述[J].模式識(shí)別與人工智能,2006(1):58-66.

[2]宋志強(qiáng),徐健.幼兒園指紋識(shí)別接送系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化,2009,10:161-164.

[3]楊凌曦,徐建閩.AdaBoost人臉檢測(cè)算法在駕駛員疲勞檢測(cè)系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)[J].交通與計(jì)算機(jī),2008(4):140-143.

[4]Torres L,Reutter J Y,Lorente L.The importance of the color information in face recognition[J].International Conference on Image Processing,1999(3):627-631.

[5]Yip A,Sinha P.Role of color in face recognition[J].Perception,2002,6:536-532.

[6]Yang J,Liu C,Yang J Y.What kind of color spaces is suitable for color face recognition[J].Neurocomputing,2010,73:2140-2146.

[7]韓爭(zhēng)勝,李映,張艷寧.基于LDA算法的人臉識(shí)別方法的比較研究[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī),2005(7):131-133.

[8]徐濟(jì)仁,陳家松,牛紀(jì)海.射頻識(shí)別技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展[J].數(shù)據(jù)通信,2009(1):21-26.

[責(zé)任編輯：蔣海龍]

Design and Implementation on Kindergarten Shuttle Management System Combining RFID with Face Recognition

XIONG Gang1,WU Ke-li2

(1.School of Computer Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 2100014,China)
(2.School of Information Science and Technology,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

This article has presented the Design and Implementation on Kindergarten Shuttle Management System Combining RFID with Face Recognition.Combining these two techniques,the safety authentication efficiency improved obviously.it reduces the likelihood of transfer error because of missing card.This experiments showed that this design improved the security of pick up children and also made up for the shortage of traditional transfer.

kindergarten; RFID; face recognition; transfer system

2014-12-12

吳克力(1963-)，男，江蘇金湖人，教授，博士，主要從事信息安全、密碼學(xué)等研究.E-mail:hysywkl@126.com

TP391.41

:A

:1671-6876(2015)01-0039-04