基于樹莓派的人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

李玉鵬,宋維,程超偉

(武漢東湖學(xué)院電子信息工程學(xué)院,武漢430212)

基于樹莓派的人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

李玉鵬,宋維,程超偉

(武漢東湖學(xué)院電子信息工程學(xué)院,武漢430212)

提出一種基于樹莓派的人臉識(shí)別考勤系統(tǒng),該系統(tǒng)通過使用人臉識(shí)別云服務(wù)可實(shí)時(shí)地對(duì)人員進(jìn)行考勤。文中詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的搭建和實(shí)現(xiàn)過程,為相關(guān)產(chǎn)品提供了一套很好的解決方案。對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試,其測(cè)試結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

樹莓派;人臉識(shí)別;考勤系統(tǒng);云服務(wù);Python

引 言

人臉識(shí)別[1]一度被認(rèn)為是生物特征識(shí)別領(lǐng)域甚至人工智能領(lǐng)域最困難的研究課題之一,但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,一系列關(guān)于人臉識(shí)別的難題相繼被攻克,人臉識(shí)別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于公安刑偵破案、門禁系統(tǒng)、攝像頭監(jiān)視系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、身份辨別、支付系統(tǒng)等與國(guó)計(jì)民生密切相關(guān)領(lǐng)域。

云計(jì)算[2]的興起,為人臉識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用鋪平了道路,各大互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)相繼開發(fā)了人臉識(shí)別技術(shù)云服務(wù),提供了人臉識(shí)別的一整套技術(shù)方案,開發(fā)人員可以方便高效地使用其提供的服務(wù)接口對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)和調(diào)試。本文利用人臉識(shí)別云服務(wù)技術(shù)的特點(diǎn),基于樹莓派[3]開發(fā)了一個(gè)基于人臉識(shí)別云服務(wù)的考勤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

基于樹莓派的人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)是將樹莓派采集到的實(shí)時(shí)待考勤人員的臉部圖像發(fā)送至云端服務(wù),待其處理完畢后再從云端傳回考勤結(jié)果,并將考勤人員的出勤結(jié)果錄入數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存以備查詢,管理員通過登陸樹莓派即可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互,在數(shù)據(jù)庫中查詢?nèi)藛T的出勤情況,因此,本系統(tǒng)包括本地的樹莓派終端和云服務(wù)部分。

為適應(yīng)在樹莓派上進(jìn)行測(cè)試及實(shí)際應(yīng)用,本文采用編程語言Python2.7[4]進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)和設(shè)計(jì),Python語言的高可讀性以及面向?qū)ο蟮奶匦院苓m合本系統(tǒng)的開發(fā),同時(shí)人臉識(shí)別云服務(wù)也提供了基于Python的SDK。本系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示,圖中的本地終端為樹莓派,云服務(wù)采用了騰訊優(yōu)圖人臉識(shí)別云服務(wù)[5]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有全自動(dòng)考勤的特點(diǎn),待考勤人員只需將其臉部適當(dāng)?shù)目拷记跈C(jī)攝像處,系統(tǒng)將自動(dòng)檢測(cè)并鎖定人臉,即刻對(duì)其進(jìn)行攝像并將圖像發(fā)送至云端服務(wù)進(jìn)行處理,待處理完成后,管理人員可通過樹莓派終端或者通過遠(yuǎn)程PC登陸MySQL數(shù)據(jù)庫,查看人員的出勤情況,獲悉考勤結(jié)果。為便于讀者的各種終端對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用,開發(fā)的基于人臉識(shí)別云服務(wù)的軟件完全可移植,即直接可在各種終端平臺(tái)上運(yùn)行不需做其他改動(dòng)。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是用戶體驗(yàn)的關(guān)鍵要素,系統(tǒng)正常工作時(shí)考勤人員感覺不到卡頓狀況,實(shí)時(shí)性良好。

2.1 人臉檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

在人臉檢測(cè)環(huán)節(jié),用戶無需進(jìn)行其他操作,系統(tǒng)通過攝像頭自動(dòng)捕捉屏幕中出現(xiàn)的人臉,在成功捕捉到人臉后,通過攝像頭進(jìn)行拍照保存。以上過程通過在Python中使用SimpleCV[6]庫的函數(shù)find Haar Features來實(shí)現(xiàn),這是一個(gè)在圖像中搜索匹配某一特定模式的算法,在SimpleCV庫中自帶了一些模式,如臉、鼻子、眼睛、身體等。find Haar Feature可以分析攝像頭捕捉到的圖像,并從圖像中匹配出對(duì)應(yīng)的模式,然后返回匹配的部分在圖像中的坐標(biāo)位置,使用此函數(shù)可以匹配圖像中的人。首先,利用SimpleCV庫中的Camera函數(shù)設(shè)置圖像尺寸;其次,通過循環(huán)語句不斷執(zhí)行faces=frame.find Haar Features' face')來捕捉用戶在考勤時(shí)的圖像,當(dāng)攝像頭捕捉到人臉后,執(zhí)行frame.save()就可將檢測(cè)到的人臉圖像保存在樹莓派本地存儲(chǔ)空間中備用。如果攝像頭沒有捕捉到人臉,系統(tǒng)將繼續(xù)處于待工作狀態(tài),直至檢測(cè)到人臉,以上實(shí)現(xiàn)了本系統(tǒng)的自動(dòng)觸發(fā)的功能。在樹莓派上連接好USB攝像頭后,測(cè)試結(jié)果如圖2所示。需要說明的是,讀者需了解人臉檢測(cè)和人臉識(shí)別概念的區(qū)別。

圖2 人臉檢測(cè)功能的實(shí)現(xiàn)

2.2 騰訊云優(yōu)圖人臉識(shí)別云服務(wù)介紹

人臉識(shí)別云服務(wù)的識(shí)別率及實(shí)時(shí)性是本系統(tǒng)所必須考慮的問題。本文采用了騰訊優(yōu)圖團(tuán)隊(duì)提供的人臉識(shí)別服務(wù)。騰訊云優(yōu)圖人臉識(shí)別是由騰訊優(yōu)圖團(tuán)隊(duì)推出的生物識(shí)別技術(shù),騰訊優(yōu)圖團(tuán)隊(duì)立足騰訊社交數(shù)據(jù)大平臺(tái),擁有海量數(shù)據(jù)分析與人臉訓(xùn)練集,累計(jì)處理人臉已達(dá)數(shù)百億,積累數(shù)千萬人臉身份。

騰訊云優(yōu)圖人臉識(shí)別1:N人臉檢索技術(shù),即輸入一張人臉照片,可以從訓(xùn)練時(shí)產(chǎn)生的特定的特征集數(shù)據(jù)庫中找出與之相似的候選人臉,可廣泛應(yīng)用在考勤、通關(guān)、門禁、簽到、黑名單等場(chǎng)景,可針對(duì)不同人臉檢索規(guī)模,為客戶提供穩(wěn)定、方便、快捷的人臉檢索解決方案。同時(shí),該技術(shù)注重解決實(shí)際應(yīng)用中的問題,包括人臉姿態(tài)、人臉光照、人臉遮擋、人臉年齡變化,通過海量真實(shí)場(chǎng)景的訓(xùn)練數(shù)據(jù),得到世界領(lǐng)先的人臉模型。在目前公開的LWF測(cè)試中,人臉驗(yàn)證可達(dá)到99.5%的準(zhǔn)確率。

2.3 本地終端與人臉識(shí)別云服務(wù)的交互實(shí)現(xiàn)

樹莓派與人臉識(shí)別云服務(wù)的交互是本文設(shè)計(jì)的核心,騰訊優(yōu)圖團(tuán)隊(duì)為方便廣大開發(fā)者使用其技術(shù)服務(wù),開發(fā)了基于各種平臺(tái)的SDK,下面對(duì)其提供的基于Python的SDK的API進(jìn)行調(diào)用以實(shí)現(xiàn)交互功能,主要包括服務(wù)鑒權(quán)簽名、訓(xùn)練及識(shí)別過程。

首先是鑒權(quán)簽名,SDK的初始化過程中,需要使用項(xiàng)目id和密鑰獲取鑒權(quán)簽名,否則將無法使用上述服務(wù),人臉識(shí)別云服務(wù)通過簽名來驗(yàn)證請(qǐng)求的合法性。登錄騰訊云項(xiàng)目密鑰管理頁面新建密鑰,選擇需要生成密鑰的項(xiàng)目即可產(chǎn)生簽名所需的SecretId,Secret Key。編程時(shí)使用函數(shù)Tencent Youtuyun.You Tu(appid,secret_id,secret_ key,userid,end_point)來完成簽名工作,其中的參數(shù)appid為業(yè)務(wù)中的應(yīng)用標(biāo)識(shí)AppId,secret_id為秘鑰SecretId, secret_key為秘鑰Secret Key,userid為用戶id,end_point服務(wù)后臺(tái)路徑。上述參數(shù)可在騰訊云服務(wù)開發(fā)平臺(tái)的頁面中獲得。

接下來是訓(xùn)練過程,即分類器的設(shè)計(jì),此過程主要生成可用于識(shí)別的參數(shù)。騰訊優(yōu)圖提供的SDK的訓(xùn)練過程包括新建個(gè)體和增加人臉。首先新建個(gè)體,使用接口NewPerson(self,person_id,image_path,group_ids,person_ name='',tag='',data_type=0)來完成,其中參數(shù)person_ id為新建的個(gè)體id,由用戶指定,需要保證app_id下的唯一性;person_name為個(gè)體對(duì)應(yīng)的姓名;group_ids為數(shù)組類型,由用戶指定(組默認(rèn)創(chuàng)建)的個(gè)體存放的組id,可以指定多個(gè)組id;image_path為包含個(gè)體人臉的圖片路徑; tag為備注信息,用戶自解釋字段;data_type用于表示image_path是圖片還是url,0代表圖片,1代表url。

考慮到降低系統(tǒng)的復(fù)雜度,避免使用數(shù)據(jù)庫,本系統(tǒng)將url值設(shè)置為0,直接將圖片保存在本地后通過此函數(shù)進(jìn)行上傳。在后期的管理當(dāng)中,有事需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理,比如刪除個(gè)體或人臉等,此時(shí)接口函數(shù)DelPerson (self,person_id)和DelFace(self,person_id,face_ids)就可根據(jù)需要選用,其中參數(shù)person_id為待刪除的個(gè)體id, face_ids為數(shù)組類型,為待刪除的人臉id。

因?yàn)樵谶M(jìn)行識(shí)別之前,必須先對(duì)人臉庫進(jìn)行訓(xùn)練,所以實(shí)際上訓(xùn)練和識(shí)別在服務(wù)器端是異步執(zhí)行的,相比其他人臉識(shí)別云服務(wù),騰訊優(yōu)圖團(tuán)隊(duì)開發(fā)的服務(wù)可自動(dòng)進(jìn)行訓(xùn)練操作,因此不需要開發(fā)者再進(jìn)行訓(xùn)練操作。

最后就是識(shí)別過程,即通過比對(duì)獲得的未知人臉參數(shù)和訓(xùn)練所得的參數(shù)完成人臉的分類和判別,返回識(shí)別結(jié)果。需調(diào)用人臉識(shí)別接口FaceIdentify(self,group_id,image_path,data_type=0)將本地保存的待考勤人員的圖像上傳至云服務(wù)端,進(jìn)行人臉的識(shí)別。其中參數(shù)group_id為識(shí)別的組id,image_path為待識(shí)別的圖片路徑,data_type用于表示image_path是圖片還是url,0代表圖片,1代表url。同理,本文將此函數(shù)的url值設(shè)置為0。

接口調(diào)用統(tǒng)一返回Json格式的返回結(jié)果,可以通過返回信息了解各個(gè)參數(shù)的具體意義。

2.4 考勤系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的建立

本次開發(fā)中使用的數(shù)據(jù)庫為MySQL[7],用于管理考勤人員的出勤信息,存入數(shù)據(jù)庫的信息只有管理員用管理帳號(hào)登錄后才能查詢。下面詳細(xì)介紹如何在樹莓派中建立考勤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。

首先需要在樹莓派上安裝MySQL,先使用管理員權(quán)限運(yùn)行sudoapt-get update獲得最新的軟件包的列表,再繼續(xù)使用管理員權(quán)限運(yùn)行apt-get獲取最新的MySQL及Python的編程接口(之后用于數(shù)據(jù)庫編程):sudo apt-get install mysql-server python-mysqldb,安裝過程中需要輸入root管理員的密碼,該密碼之后用于訪問數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。

在本地MySQL創(chuàng)建庫“test”,表“myfacetest”和3個(gè)列“id”、“name”“attend_time”,分別表示考勤人員的員工號(hào)、姓名和出勤時(shí)間。詳細(xì)的過程如下:使用“MYSQL-uroot-p;”命令登陸本地MySQL,“CREATE DATABASES test;”創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫“test”,“USE test;”選擇數(shù)據(jù)庫“test”,“CREATE TABLE myfacetest;”創(chuàng)建表“myfacetest”,“CREATE TABLE myfacetest(idint(10),name varchar(20),attend_time char(25));”在表中創(chuàng)建3個(gè)列“id”、“name”“attend_time”,完成后查看建好的表“myfacetest”,如圖3所示。

圖3 建立的表“myfacetest”

上述過程詳細(xì)地描述了本系統(tǒng)考勤人員數(shù)據(jù)庫的建立過程,在本系統(tǒng)Python主程序中使用MySQL數(shù)據(jù)庫的Python編程接口“conn=MySQLLdb.connect(host=' localhost',port=3306,user='root',passwd='XXXXXX', db='test')”、“cur=conn.cursor()”、“cur.execute()”、“conn.commit()”進(jìn)行編程,當(dāng)人臉識(shí)別云服務(wù)通過json格式返回相關(guān)的信息后,根據(jù)相應(yīng)的考勤人員的相關(guān)信息進(jìn)行匹配登記,即可將相關(guān)考勤人員的出勤信息進(jìn)行入庫保存并且實(shí)時(shí)更新,管理人員可通過樹莓派終端或者通過遠(yuǎn)程PC登陸MySQL數(shù)據(jù)庫,查看人員的出勤情況。

3 功能測(cè)試

經(jīng)過上述的設(shè)計(jì)和開發(fā),本文最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)期,采用基于UVC協(xié)議的USB攝像頭,通過調(diào)用SimpleCV的相關(guān)算法,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無需進(jìn)行任何人工干預(yù)的自動(dòng)促發(fā)。由于本文提出的基于人臉識(shí)別云服務(wù)的考勤系統(tǒng),其人臉識(shí)別服務(wù)并不在樹莓派上進(jìn)行,所以極大地節(jié)省了本地終端的資源耗費(fèi),本文采用的“樹莓派2B+”,其擁有32位ARM-Cortex-A7架構(gòu)的雙核CPU,并且配備了各種常用外設(shè),如以太網(wǎng)端口及USB端口等,配合攝像頭,實(shí)驗(yàn)表明本系統(tǒng)可流暢地運(yùn)行在樹莓派上,達(dá)到了高實(shí)時(shí)性的需求。

首先,需要說明的是,讀者需區(qū)分識(shí)別成功率與識(shí)別率概念上的區(qū)別,識(shí)別成功率表征的是總測(cè)試次數(shù)中成功地識(shí)別出該人員身份所占的次數(shù),而識(shí)別率表征的是各人員臉部特征與訓(xùn)練時(shí)對(duì)相應(yīng)人員提取到的臉部特征的相近程度。顯然,識(shí)別率決定了識(shí)別成功率,一旦識(shí)別率達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定的閾值,該人員的考勤即被判為成功。在一般考勤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,根據(jù)考勤場(chǎng)合的嚴(yán)格程度,一般此閾值在60%～99.9%之間。為充分而可靠地體現(xiàn)人臉識(shí)別云服務(wù)的識(shí)別率,本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)通過分別對(duì)多個(gè)不同的人進(jìn)行識(shí)別測(cè)試,識(shí)別結(jié)果如圖4所示,可以看出,對(duì)10人進(jìn)行測(cè)試,識(shí)別成功率為100%。

圖4 系統(tǒng)識(shí)別成功率測(cè)試結(jié)果

圖5為本系統(tǒng)總體測(cè)試后服務(wù)器端返回的10位測(cè)試人員中其中一人的識(shí)別率及其他參數(shù),其余9人的識(shí)別率分別為:97.749 105、98.173 032、98.686 947、90.844 358、 93.997 826、92.598 704、98.000 685、94.314 138、30 99.106 476。從測(cè)試結(jié)果可以看出,人員平均識(shí)別率在95.6%以上,最低為90.8%,本系統(tǒng)完全可以勝任單位的人員考勤工作。

結(jié) 語

本文依托人臉識(shí)別云服務(wù),基于樹莓派設(shè)計(jì)了一種考勤系統(tǒng),其識(shí)別率及實(shí)時(shí)性均可滿足設(shè)計(jì)者需求。通過詳細(xì)地描述基于樹莓派的人臉識(shí)別考勤系統(tǒng)的搭建和實(shí)現(xiàn)過程,為相關(guān)產(chǎn)品提供了一套解決方案,這方面的研究將有助于加速云服務(wù)及智能硬件發(fā)展的進(jìn)程,具有較高的研究?jī)r(jià)值。

[1]沈理,劉翼光,熊志勇.人臉識(shí)別原理及算法——?jiǎng)討B(tài)人臉識(shí)別系統(tǒng)研究[M].北京:人民郵電出版社,2014.

[2]Michael J kavis,陳志偉.云計(jì)算服務(wù)模式(SaaS、PaaS和IaaS)設(shè)計(jì)決策[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.

[3]Matt Richardson,Shawn Wallace.Getting Started with Raspberry Pi[M].Sebastopol:O'Reilly Media,2012.

[4]Magnus Lie Hetland.PYTHON基礎(chǔ)教程(修訂版)[M]. 2版.司維,曾軍葳,譚頻華,譯.北京:人民郵電出版社, 2014.

[5]騰訊云[EB/OL].[2016-01].https://www.qcloud.com/ doc/product/277/優(yōu)圖人臉識(shí)別簡(jiǎn)介.

[6]NathanOostendorp,Anthony Oliver,KatherineScott.Practical Computer Vision withSimpleCV[M].Sebastopol:O'Reilly Media,2012.

[7]唐漢明,翟振興,關(guān)寶軍.深入淺出MySQL(數(shù)據(jù)庫開發(fā)優(yōu)化與管理維護(hù)第2版)[M].北京:人民郵電出版社,2014.

李玉鵬(本科),主要研究方向?yàn)閱纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。

(責(zé)任編輯:楊迪娜 收修改稿日期:2016-05-10)

Attendance System of Face Recognition Based on Raspberry Pi

Li Yupeng,Song Wei,Cheng Chaowei
(College of Electronic Information Engineering,Wuhan Donghu University,Wu Han 430212,China)

An attendance system of face recognition based on Raspberry Pi is proposed,which can realize the attendance using the face recognition cloud service.The construction and implementation process of the system are introduced,it provides a good solution for the related products.The test of the system is simulated,and the results achieves the design goal.

Raspberry Pi;face recognition;attendance system;cloud service;Python

TP11

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