人臉識別車輛解鎖系統(tǒng)設(shè)計與驗證

王振陽 程志偉 黃宏成, 劉彥博 時良仁

(1.上海交通大學(xué)汽車電子控制技術(shù)國家工程實驗室； 2.上海交通大學(xué)學(xué)生創(chuàng)新中心，上海市 200240)

0 引言

隨著技術(shù)的進步，電子鑰匙和以此為基礎(chǔ)的無鑰匙進入已逐步取代機械鑰匙，成為車輛解鎖的主流方式。與機械鑰匙相比，電子鑰匙更加安全便捷，但作為一種與車輛分離的解鎖憑證，仍存在遺落和失竊的風(fēng)險。人臉等生物特征作為解鎖憑證，具有特異性強、不易破解等優(yōu)勢，且與用戶綁定，不存在遺落的風(fēng)險，在消費電子產(chǎn)品中已有廣泛應(yīng)用，但在汽車領(lǐng)域還較為罕見。本文提出了一種以人臉作為解鎖憑證的車輛解鎖系統(tǒng)，給出了其軟硬件方案，并對其可行性進行了驗證。

1 相關(guān)研究

廣義的人臉識別包含圖像預(yù)處理、人臉(位置)檢測、人臉(特征)識別等過程，其中較為重要的是人臉檢測和人臉識別。

人臉檢測的常用算法可分為基于知識的算法(如Yang等[1]提出的基于分層知識的人臉檢測方法)、基于不變特征的算法(如Sirohey[2]提出的基于Canny算子的人臉檢測方法)和基于統(tǒng)計模型的算法(如Osuna等[3]提出的基于支持向量機的人臉檢測方法)。其中，基于統(tǒng)計模型的算法效果較好，在人臉檢測中應(yīng)用廣泛。

人臉識別的常用算法可分為基于幾何特征的算法和基于模板匹配的算法。與側(cè)重于局部特征的前者不同，后者計算全局的相關(guān)性，具有更好的總體性能。近年來基于深度學(xué)習(xí)的算法(屬于模板匹配法)在人臉識別領(lǐng)域占主導(dǎo)地位。深度學(xué)習(xí)將特征提取和特征識別過程融為一體，可以較好的處理隱形特征，極大地提高了人臉識別的準(zhǔn)確度，使基于人臉的解鎖系統(tǒng)具備了可行性。

早期的人臉識別多基于靜態(tài)二維圖像，存在特征復(fù)制和偽造的風(fēng)險。為保證系統(tǒng)的安全性，需要引入活體檢測過程。真實人臉和偽造人臉在圖像紋理、運動特征、立體結(jié)構(gòu)等方面都存在區(qū)別。對于常見的以照片等人臉采集結(jié)果冒充真實人臉的情況，可以根據(jù)一次采集和二次采集的圖像紋理特征加以區(qū)分。特征可以手工提取，還可采用深度學(xué)習(xí)算法自動提取特，后者準(zhǔn)確率更高、魯棒性更強。

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 硬件選型與布置

在硬件層面，基于人臉識別的車輛解鎖系統(tǒng)可分為感知模塊、執(zhí)行模塊、人機交互模塊、計算與控制模塊以及電源模塊。其中，感知模塊用于獲取人臉圖像，執(zhí)行模塊用于控制車輛解鎖，人機交互模塊用于獲取用戶輸入和顯示指示性信息。計算與控制模塊是系統(tǒng)的核心模塊，上述模塊都受其控制，并與其存在信息交流；此外，人臉識別算法和車聯(lián)解鎖控制邏輯也由計算與控制模塊實現(xiàn)。電源模塊用于為其他模塊供電。系統(tǒng)的總體架構(gòu)參見圖1。

感知模塊的核心是視覺傳感器。僅考慮人臉識別算法，單目相機即可取得較高的準(zhǔn)確率。但單目相機辨別偽造生物特征的能力相對較弱，為了提高安全性，可采用雙目相機、深度相機或單目相機與3D結(jié)構(gòu)光傳感器的組合，以提供附加信息。系統(tǒng)還應(yīng)具備弱光照條件的適用性，因此，建議配備閃光燈或采用夜視相機。

計算與控制模塊可分為計算、外部控制、內(nèi)部控制、存儲等子模塊。其中，計算子模塊用于實現(xiàn)人臉識別等算法，外部控制子模塊用于控制車輛解鎖邏輯，內(nèi)部控制子模塊用于計算與控制模塊自身的控制，存儲子模塊用于存儲設(shè)置、參考、日志等各種信息。上述子模塊既可以是同一硬件上的不同軟件，也可以是獨立的硬件，存儲模塊還可以在車輛之外(云端)。

圖1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

Fig.1 Overall architecture of the system

車輛解鎖系統(tǒng)在車輛中擁有較高權(quán)限，對車輛安全至關(guān)重要，一般隨車提供；車輛解鎖系統(tǒng)的作用時間一般只占車輛使用時間的一小部分；車輛解鎖系統(tǒng)的部分功能與其他系統(tǒng)存在重合。基于上述原因，可以考慮將車輛解鎖系統(tǒng)與其他系統(tǒng)整合。感知模塊的傳感器可與自動駕駛或高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS)共用；執(zhí)行模塊可直接利用現(xiàn)有的車鎖和點火開關(guān)，預(yù)留相應(yīng)的控制信道(或直接將現(xiàn)有的控制單元作為計算與控制模塊的外部控制子模塊)；人機交互模塊可在現(xiàn)有車機中添加相應(yīng)的程序；計算與控制模塊可以配備單獨的微處理器，也可以利用車輛的計算力(如ADAS的計算單元、車機的處理器等)；電源模塊可利用車輛的直流電源。上述整合既可節(jié)約成本，又可提高硬件的利用率，避免浪費。

硬件的布置需要適應(yīng)功能需求和車內(nèi)空間條件。對于車門解鎖和后備箱解鎖，感知模塊的傳感器可安裝在B柱(前車門)、C柱(后車門)、后備箱上沿(三廂車后備箱)或懸挑在車窗內(nèi)側(cè)(前、后車門及后備箱)；對于啟動解鎖，傳感器可安裝在主后視鏡鏡面偏駕駛員一側(cè)或前擋風(fēng)玻璃駕駛員前上方，朝向駕駛員。總之，以用戶解鎖時面部正對傳感器為佳。其他模塊多與現(xiàn)有系統(tǒng)整合，可參考現(xiàn)有系統(tǒng)的安裝布置。模塊間的通信可采用CAN總線。