基于識(shí)別功能的自動(dòng)門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃志宏

摘 要：隨著現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，無(wú)論是公共空間還是私人空間，人們對(duì)于安全系數(shù)的要求越來(lái)越高。智能化程度的提升為我們的生活提供了更多可能性的同時(shí)，也提供了更多的安全保障和便利條件。當(dāng)前科技下的自動(dòng)門禁系統(tǒng)作為智能建筑中的重要一環(huán)，已經(jīng)逐步更新?lián)Q代，擺脫了原有的機(jī)械門鎖和刷卡門禁等近距離貼身識(shí)別方式，開始用個(gè)人的生物信息進(jìn)行識(shí)別、驗(yàn)證，起到了門禁、安全的作用。本文通過(guò)對(duì)目前應(yīng)用較廣的人臉識(shí)別功能的自動(dòng)門禁系統(tǒng)進(jìn)行闡述、設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)安全通行，起到門禁的作用。

關(guān)鍵詞：識(shí)別功能；門禁系統(tǒng)；設(shè)計(jì)；自動(dòng)

引言：

從當(dāng)前的科技發(fā)展來(lái)看，目前生物識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，并且已經(jīng)應(yīng)用到部分的領(lǐng)域，方便著大家的生活。生物識(shí)別技術(shù)顧名思義，是采集、匯總和分析個(gè)體的生物特征的信息，從而進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證，這種識(shí)別方式利用了生物個(gè)體特征的獨(dú)一無(wú)二的特性來(lái)驗(yàn)證信息，由于不可逆轉(zhuǎn)性和不可替代性，具有較高的安全性能，能夠廣泛應(yīng)用到公共領(lǐng)域或是住宅、辦公等領(lǐng)域。生物識(shí)別技術(shù)主要可以依據(jù)個(gè)人的指紋、聲音、虹膜、筆跡等特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別判斷，其中，人臉識(shí)別技術(shù)是當(dāng)下應(yīng)用較為廣泛的，也是識(shí)別性能較好、安全系數(shù)較高的識(shí)別技術(shù)。本文對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義和借鑒意義，也是十分有必要的。

1.人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

人臉識(shí)別技術(shù)作為生物識(shí)別系統(tǒng)中的一部分，起著非常重要的作用，是目前身份驗(yàn)證系統(tǒng)中應(yīng)用較廣的，相較于聲音識(shí)別、虹膜識(shí)別、指紋識(shí)別以及筆記識(shí)別等識(shí)別技術(shù)，人臉識(shí)別技術(shù)運(yùn)用較為穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)便，設(shè)備投入成本低、效果好，較為符合人類習(xí)慣，簡(jiǎn)單快捷，是理想的門禁系統(tǒng)識(shí)別方式。目前發(fā)展來(lái)看，人臉識(shí)別系統(tǒng)主要應(yīng)用于證件驗(yàn)證、門禁控制以及刑偵案件的破獲等等，人臉識(shí)別系統(tǒng)減少了住宅、單位或私人住所入門時(shí)繁瑣的檢查程序，只需要“刷”一下臉就可以完成，這種門禁高效、便捷、安全系數(shù)高。

此外，目前的人臉識(shí)別設(shè)備已經(jīng)不再由傳統(tǒng)的服務(wù)器進(jìn)行檢測(cè)和運(yùn)算、處理，而是選擇嵌入式技術(shù)，擺脫了原有體積大、成本高、運(yùn)算慢的系統(tǒng)，將嵌入式設(shè)計(jì)融入人臉識(shí)別技術(shù)，使設(shè)計(jì)入口更加智能、小巧。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)就選擇嵌入式的人臉識(shí)別系統(tǒng)，可以應(yīng)用在住宅、停車場(chǎng)等多種領(lǐng)域中，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)門禁控制功能。這種系統(tǒng)綜合了多種技術(shù)手段，具有一定的應(yīng)用性和推廣性。

2.人臉識(shí)別系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別系統(tǒng)由人臉采集系統(tǒng)、預(yù)處理系統(tǒng)、人臉定位系統(tǒng)、特征提取系統(tǒng)、人臉識(shí)別系統(tǒng)組成。系統(tǒng)中組成如下圖所示。

人臉識(shí)別技術(shù)下的自動(dòng)門禁系統(tǒng)是將硬件和軟件相結(jié)合，并在Linus操作平臺(tái)上完成的。系統(tǒng)可以分為人臉識(shí)別系統(tǒng)以及自動(dòng)門禁系統(tǒng)，人臉識(shí)別系統(tǒng)主要是人臉信息的采集、信息特征的提取及比對(duì)、驗(yàn)證，將最后的結(jié)果輸出給門禁系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)實(shí)施。在基于人臉識(shí)別的整個(gè)門禁系統(tǒng)中，硬件包含攝像頭、計(jì)算機(jī)硬件以及操作軟件等，硬件與軟件相互配合，共同組成了人臉識(shí)別的門禁系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的從開始人臉的信息采集到最后門的開合，可以大致分為6個(gè)模塊，使系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行。

2.1人臉檢測(cè)模塊

人臉檢測(cè)模塊是最起始的模塊設(shè)計(jì)，主要作用是判斷攝像頭一定的范圍內(nèi)是否有人像出現(xiàn)，是否需要進(jìn)行人臉采集定位，是后續(xù)過(guò)程的開端與前提。

2.2人像識(shí)別模塊

人像識(shí)別模塊主要是在攝像頭范圍內(nèi)檢測(cè)到人臉后，對(duì)人臉進(jìn)行定位、提取和比對(duì)，將信息進(jìn)行匯總后，得出輸出的最后結(jié)果。

2.3人臉注冊(cè)模塊

人臉注冊(cè)模塊是將成功錄入的人臉信息進(jìn)行記錄、儲(chǔ)存，注冊(cè)成功的人臉信息可以在以后的識(shí)別時(shí)自動(dòng)通過(guò)。這個(gè)模塊相當(dāng)于管理員的作用，需要相關(guān)的管理員才能進(jìn)行注冊(cè)，要有一定的權(quán)限設(shè)置。

2.4人臉辨別模塊

識(shí)別模塊主要是讓系統(tǒng)對(duì)人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的各類人臉圖像進(jìn)行識(shí)別訓(xùn)練，讓系統(tǒng)提取人臉特征，儲(chǔ)存特征，能夠?qū)⑻卣鬟M(jìn)行分組，用于人臉識(shí)別。這個(gè)模塊可以用于系統(tǒng)投入使用之前，進(jìn)行初始的訓(xùn)練，提高識(shí)別的準(zhǔn)確率，提高門禁系統(tǒng)的安全系數(shù)，也可以在系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間時(shí)候，作為對(duì)系統(tǒng)的校正、重置。

2.5門禁驅(qū)動(dòng)模塊

門禁驅(qū)動(dòng)模塊主要是根據(jù)人臉識(shí)別系統(tǒng)輸出的信號(hào)指令，進(jìn)行相應(yīng)的操作，是門禁系統(tǒng)的動(dòng)力裝置。

2.6門禁控制模塊

門禁控制模塊主要是根據(jù)識(shí)別結(jié)果做出相應(yīng)的開合動(dòng)作，一個(gè)方面是接受識(shí)別的信號(hào)，另一方面是在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的配合下完成電子門的開合。

3.人臉識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是軟件運(yùn)行的平臺(tái)與基礎(chǔ)，只有有了硬件系統(tǒng)才能將軟件系統(tǒng)加入其中，組成完整的系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包括復(fù)位信號(hào)電路、Flash儲(chǔ)存、電源和時(shí)鐘的嵌入式系統(tǒng)，也包括USB接口、以太網(wǎng)卡、LCD接口和按鍵等外圍擴(kuò)展設(shè)備。

3.1系統(tǒng)內(nèi)部模塊

時(shí)鐘電路是內(nèi)部模塊的核心，時(shí)鐘源的選擇可以通過(guò)OM2以及OM3來(lái)進(jìn)行，時(shí)鐘頻率主要有三種，可以結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行情況進(jìn)行選擇。復(fù)位電路主要是用于重新啟動(dòng)系統(tǒng)，并不是必要電路，是在軟件運(yùn)行時(shí)方便于快速重啟時(shí)應(yīng)用的，尤其是在系統(tǒng)卡頓時(shí)能起到很好的作用。Flash 模塊主要有兩種，nor和nand，其中，nor flash的容量較小，有龐大文件儲(chǔ)存的一般應(yīng)用nand flash。電源電路為整個(gè)系統(tǒng)提供電能，CPU、顯示屏以及各類電路均需要電源電路的供電，由于系統(tǒng)內(nèi)部電壓的供應(yīng)不同，所以一般采用5V/2A來(lái)轉(zhuǎn)化電源。系統(tǒng)的電源電路如下圖所示。

3.2系統(tǒng)外圍模塊

LCD連接著用戶與系統(tǒng)，是用戶對(duì)系統(tǒng)最直接的操作，選用了4.3寸的TFT液晶顯示屏，運(yùn)行過(guò)程是LCD控制器將信息直接發(fā)送到緩存區(qū)域，而顯示器可以通過(guò)緩存區(qū)域來(lái)讀取數(shù)據(jù)，下圖是LCD的接口圖。

本次臉部識(shí)別的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件內(nèi)件與外件選用ARM11的處置器和S3C6410的板面，系統(tǒng)整體存儲(chǔ)空間為256MB，nand flash為1GB空間，視頻采集器為不同的USB攝像頭，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)為硬件插銷。整個(gè)系統(tǒng)硬件的識(shí)別過(guò)程是，輸入端為3.3V的電壓，當(dāng)人臉識(shí)別通過(guò)后，輸出電壓也為3.3V，由晶閘管導(dǎo)出，插銷吸合。門禁系統(tǒng)中的插銷位于門的上部，當(dāng)插銷吸合時(shí)門打開，當(dāng)插銷復(fù)位時(shí)門關(guān)閉。運(yùn)行時(shí)為一個(gè)動(dòng)態(tài)開合的過(guò)程。

4.人臉識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的軟件就是是硬件能夠自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)的“靈魂”，在平臺(tái)上，進(jìn)行軟件開發(fā)，同時(shí)結(jié)合人臉識(shí)別算法，最后在設(shè)備上運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)應(yīng)用軟件的基本構(gòu)架如下圖所示，軟件應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)主要包括圖像采集、用戶界面、人臉識(shí)別的算法、設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序等設(shè)計(jì)。本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)識(shí)別率達(dá)到98%以上，同時(shí)能夠進(jìn)行新用戶的注冊(cè)登錄，并且在應(yīng)用時(shí)識(shí)別的時(shí)間在5S以內(nèi)，顯示屏的高性能能夠?qū)崿F(xiàn)良好的人機(jī)交換。此外，人臉識(shí)別既可以進(jìn)行識(shí)別也可以進(jìn)行識(shí)別鍛煉，增加識(shí)別的準(zhǔn)確率。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)與硬件的橋梁，并且現(xiàn)在大部分的驅(qū)動(dòng)都是嵌入式驅(qū)動(dòng)程序，并且已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的單片機(jī)硬件。本系統(tǒng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)主要有電磁門鎖驅(qū)動(dòng)和攝像頭驅(qū)動(dòng)。在嵌入式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，分為主設(shè)備和次設(shè)備，若將主設(shè)備找到對(duì)應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)次設(shè)備來(lái)具體區(qū)分。

4.1電磁門鎖驅(qū)動(dòng)

電磁門鎖的驅(qū)動(dòng)程序編寫時(shí)主要包含8個(gè)步驟，如下圖所示。首先是驅(qū)動(dòng)初始化，在Linux系統(tǒng)中對(duì)宏定義函數(shù)進(jìn)行初始化運(yùn)行，目的是要完成寄存器的配置任務(wù)。接下來(lái)要做好設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)，在完成驅(qū)動(dòng)初始化之后，可以在Linux系統(tǒng)中發(fā)出注冊(cè)申請(qǐng)，申請(qǐng)?jiān)O(shè)備號(hào)及函數(shù)，映照管理員進(jìn)行訪問(wèn)權(quán)限的重新設(shè)置。

然后打開設(shè)備，通過(guò)函數(shù)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，與設(shè)備建立聯(lián)系，并進(jìn)行初始化的內(nèi)存空間配置。然后完成讀寫設(shè)備，主要作用是通過(guò)讀和寫對(duì)進(jìn)行設(shè)備控制，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序與驅(qū)動(dòng)程序之間的信息連接，其中的復(fù)制功能常用的copy to user函數(shù)。接下來(lái)進(jìn)行I/O控制，I/O控制是管理運(yùn)行的通道，能夠傳達(dá)文件的標(biāo)識(shí)，傳輸控制的命令，在電子門鎖設(shè)計(jì)時(shí)需要大量的操控系統(tǒng)，都是通過(guò)iotcl 函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第六個(gè)是驅(qū)動(dòng)模塊的關(guān)閉設(shè)計(jì)，關(guān)閉設(shè)計(jì)主要是運(yùn)行完成后，可以將驅(qū)動(dòng)程序關(guān)閉以釋放系統(tǒng)空間，節(jié)約系統(tǒng)內(nèi)存的占用空間。注銷設(shè)備主要是通過(guò)deregister函數(shù)來(lái)進(jìn)行，當(dāng)進(jìn)行注銷后，需要重新注冊(cè)才能夠再次使用。最后是驅(qū)動(dòng)模塊的卸載，當(dāng)硬件設(shè)備已經(jīng)沒(méi)有利用價(jià)值時(shí)可以卸載驅(qū)動(dòng)模塊，降低內(nèi)存空間的占用。

4.2攝像頭驅(qū)動(dòng)

攝像頭采用USB普通攝像頭作為采集設(shè)施，能夠提高外部設(shè)備的移植性，攝像頭驅(qū)動(dòng)采用的程序設(shè)計(jì)為V4L2，是一種日常的視頻設(shè)備，V4L2驅(qū)動(dòng)對(duì)于操作有一定良好的時(shí)間要求，要求能夠進(jìn)行動(dòng)態(tài)的操作驅(qū)動(dòng)，具有一定的時(shí)序邏輯性以及對(duì)于復(fù)雜、高難度的操作有所緩解。在攝像頭驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中，獲取數(shù)據(jù)源是通過(guò)USB接口，在驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，程序會(huì)自動(dòng)安排自身的傳輸空間，并且將地址映射到用戶區(qū)域，在V4L2向地址輸入視頻信息后，有應(yīng)用的程序，取出地址中的數(shù)據(jù)視頻。這種傳輸方式將內(nèi)部與用戶之間緊密相連，提升了數(shù)據(jù)傳輸效率，也能夠節(jié)約系統(tǒng)儲(chǔ)存的空間。

5.結(jié)束語(yǔ)

目前，人臉識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在實(shí)際生活中，例如，火車站進(jìn)展端口、住宅區(qū)的門禁、單位上班打卡等諸多地方。這些人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)極大便利了我們的生活，保障了我們的安全，同時(shí)也省去了復(fù)雜的人工、設(shè)備成本，也更加智能和高效，符合現(xiàn)代人的生活理念，科技改變了我們現(xiàn)在的生活。本文闡述了人臉識(shí)別下的門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)門禁系統(tǒng)的硬件與軟件的選擇設(shè)計(jì)和識(shí)別、圖像預(yù)處理、信息的傳輸以及控制驅(qū)動(dòng)一系列步驟，能夠?qū)崿F(xiàn)生活中的門禁體系。本文的設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)于未來(lái)的實(shí)踐及應(yīng)用提供了一定的理論參考，也提供了實(shí)踐運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。

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