基于嵌入式和OpenCV 技術(shù)的人臉識別考勤系統(tǒng)

嚴(yán)正國，王家冰

（西安石油大學(xué)光電油氣測井與檢測國家教育部重點(diǎn)實(shí)驗室，西安710065）

0 引言

當(dāng)今社會，大多數(shù)公司、企業(yè)都會對員工的上、下班進(jìn)行考勤。當(dāng)前的卡片打卡機(jī)防作弊機(jī)制不完全，只要手中有他人的卡片就可以替代打卡，市面上也出現(xiàn)了指紋式打卡機(jī)，這種打卡機(jī)指紋容易磨損，同時指紋套等物品的出現(xiàn)也說明了指紋打卡的不可靠性。如今，生物特征識別技術(shù)應(yīng)用需求廣泛，而人臉識別技術(shù)又以其非強(qiáng)制性、非接觸性、并發(fā)性和普遍性的特點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)作為時下最流行的智能設(shè)備開發(fā)平臺，通過OpenCV 這個資源豐富的跨平臺計算機(jī)視覺庫，將人臉識別技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)相結(jié)合，顯著提高了開發(fā)的效率。

1 系統(tǒng)整體框架設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計方案主要包括以下兩個內(nèi)容：

一是嵌入式硬件系統(tǒng)的搭建，主要包括了硬件平臺的選擇、Bootloader 的移植，Linux 內(nèi)核的裁剪與移植和根文件系統(tǒng)的構(gòu)建。

二是軟件系統(tǒng)的編程，主要涵蓋了對基于OpenCV的人臉識別技術(shù)的研究與應(yīng)用程序的設(shè)計和編寫。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本設(shè)計選用了mini2440 開發(fā)板，其采用的微控制器是三星公司推出的S3C2440A，基于ARM920T 核心，具有性能高、功耗低、成本低的特點(diǎn)。

2.1 Bootloader的移植

Bootloader 是開機(jī)啟動系統(tǒng)時的一小段程序，通過這段程序來初始化硬件與建立內(nèi)存空間的映射表，從而建立適當(dāng)?shù)能浻布h(huán)境。u-boot 是最常用的一種Bootloader，它是一個開源的通用引導(dǎo)程序，同時支持x86、ARM 和PowerPC 等多種處理器架構(gòu)。

（1）網(wǎng)上下載相應(yīng)版本的u-boot.bin 到虛擬機(jī)的tftpboot。

（2）在開發(fā)板上配置TFTP 服務(wù)器的IP 地址，setenv serverip 192.168.1.xx（虛擬機(jī)ip 地址），并通過tftp 把u-boot.bin 下載到開發(fā)板內(nèi)存。

圖1 系統(tǒng)流程圖

（3）在開發(fā)板上燒寫u-boot.bin。

2.2 Linux內(nèi)核的裁剪和移植

需要對內(nèi)核進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷牟拍芨眠m配開發(fā)板，需要對內(nèi)核進(jìn)行配置并重新Makefile。

（1）官網(wǎng)下載與開發(fā)板對應(yīng)的內(nèi)核版本，make${PLATFORM}_defconfig 確定平臺。

（2）make menuconfig 進(jìn)入圖形化界面配置內(nèi)核信息，進(jìn)行內(nèi)核裁剪。

（3）make uImage 編譯內(nèi)核源碼。

（4）tftp 0x30008000 uImage 在uboot 環(huán)境下載內(nèi)核鏡像，bootm 0x30008000 啟動內(nèi)核。

圖2 內(nèi)核裁剪界面

2.3 根文件系統(tǒng)的構(gòu)建

在Linux 系統(tǒng)我們也需要把磁盤和Flash 分為多個分區(qū)，便于日常的使用，常用的存儲設(shè)備文件系統(tǒng)類型有jffs2、yaffs2、ubifs、ramdisk、nfs，等等。在網(wǎng)上下載一個常用的根文件系統(tǒng)放到虛擬機(jī)nfs 目錄中，然后通過nfs 掛載的方式實(shí)現(xiàn)根文件系統(tǒng)的搭建。

圖3 開發(fā)板根文件系統(tǒng)

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)設(shè)計的需求決定采用Qt Creator 作為圖形應(yīng)用程序開發(fā)工具，Qt Creator 是一個跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架，它為應(yīng)用程序開發(fā)者提供建立藝術(shù)級圖形界面所需的所有功能。使用Qt Creator主要是因為它跨平臺，支持Windows 和Linux 等平臺；函數(shù)接口簡單，易于編程；開發(fā)效率高，有成熟的軟件框架，可以快速地編寫應(yīng)用程序；支持嵌入式開發(fā)。

OpenCV 是一個開源的跨平臺計算機(jī)視覺庫，它為我們提供了大量的圖像處理的C 語言函數(shù)和C++類，供學(xué)習(xí)者免費(fèi)使用。我們可以在嵌入式Linux 環(huán)境下對OpenCV 庫進(jìn)行編譯，將編譯好的OpenCV 庫移植到開發(fā)板的根文件系統(tǒng)的/usr/lib 目錄，人臉識別的具體識別方法將利用OpenCV 的函數(shù)進(jìn)行編寫。

圖形的界面的開發(fā)主要使用QtGUIApplication 的進(jìn)行設(shè)計，主要界面包含了攝像頭、人臉識別方法以及必要的功能按鈕。

圖4 Qt Creator設(shè)計界面

圖5 軟件流程圖

人臉識別模塊的編寫主要使用了OpenCV 中的FaceRecognizer 類，主要的功能是實(shí)現(xiàn)了對于攝像頭采集的圖片的訓(xùn)練和預(yù)測，分別對應(yīng)train 和predict 函數(shù)。訓(xùn)練的時候，將照片的信息保存在vectorsrcVec 中，照片的標(biāo)簽保存在vectorlabels里，訓(xùn)練完成后將以XML 格式來保存訓(xùn)練的結(jié)果。預(yù)測的時候，將新獲得的圖片與XML 特征值文件進(jìn)行比對，返回識別到的圖片在人臉庫的分組、用戶名與預(yù)測值。程序中的關(guān)鍵代碼如下：

//創(chuàng)建人臉識別類

Ptr faceClass = EigenFaceRecognizer::create（）;

PtrfisherClass=FisherFaceRecognizer::create（）;

PtrlpbhClass=LBPHFaceRecognizer::create（）;

//訓(xùn)練

faceClass->train（images，labels）;

fisherClass->train（images，labels）;

lpbhClass->train（images，labels）;

//保存訓(xùn)練的分類器

faceClass->save（"faceClass.xml"）;

fisherClass->save（"fisherClass.xml"）;

lpbhClass->save（"lpbhClass.xml"）;

//加載分類器

faceClass->load（"faceClass.xml"）;

fisherClass->load（"fisherClass.xml"）;

lpbhClass->load（"lpbhClass.xml"）;

//使用訓(xùn)練好的分類器進(jìn)行預(yù)測。

int faceResult=faceClass->predict（src_5）;

訓(xùn)練和預(yù)測時使用的人臉識別方法是特征臉EigenFace、Fisher 臉FisherFace、LBP 直方圖LBPHFace，分別調(diào)用函數(shù)cv::face::EigenFaceRecognizer::create、cv::face::FisherFaceRecognizer::create 和 cv::face::LBPHFaceRecognizer::create 建立模型。

識別結(jié)果如圖6 所示，正確識別了組名、用戶名并返回了預(yù)測值，我們可以看到預(yù)測值達(dá)到91.35。根據(jù)筆者試驗，一般預(yù)測值達(dá)到80 以上時，識別結(jié)果均準(zhǔn)確無誤，成功實(shí)現(xiàn)了人臉識別。

圖6 人臉識別結(jié)果

4 結(jié)語

通過開源的OpenCV 計算機(jī)視覺庫，使得人臉識別技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)，可以根據(jù)實(shí)際需求具體定制人臉識別設(shè)備，在嵌入式生物識別領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。但本設(shè)計亦有考慮不足之處，在實(shí)際工程中還需要進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。

（1）系統(tǒng)在經(jīng)過長時間的運(yùn)行之后，是否還能保持設(shè)備可靠的運(yùn)行。

（2）信息采集模塊由于實(shí)際應(yīng)用的不確定性，如果獲取的照片角度不佳或光照不足，是否會對人臉識別模塊造成影響。