基于樹莓派的低成本簡易人臉識別系統(tǒng)

張萌

【摘要】近年來，人臉識別在電子銀行、金融證券、國家安全等諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文基于樹莓派為硬件基礎(chǔ)，以O(shè)penCV為軟件核心設(shè)計實(shí)現(xiàn)了具有人臉識別功能的簡易系統(tǒng)。本系統(tǒng)首先通過OpenCV打開攝像頭并讀取攝像頭畫面，然后將授權(quán)人的人臉信息進(jìn)行灰度化、降維及計算特征值等處理，再將處理后的人臉信息通過Dlib庫與已知的授權(quán)人臉進(jìn)行比對，最后對識別的人臉進(jìn)行實(shí)時標(biāo)注。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試證明，該系統(tǒng)具有較好穩(wěn)定性，并能順利的完成了人臉識別功能，但識別效果會受到攝像頭等硬件設(shè)備和距離的限制。

【關(guān)鍵詞】樹莓派;OpenCV;人臉識別

一、引言

隨著科學(xué)信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，信息安全問題已經(jīng)越來越引起人們廣泛的關(guān)注。在諸多應(yīng)用領(lǐng)域，例如電子銀行、金融證券、國家安全等領(lǐng)域身份認(rèn)證技術(shù)都用來保證用戶的財產(chǎn)安全。與其他生物特征的身份識別相比人臉識別更加穩(wěn)定、方便、安全，已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，并且獲得了社會大眾的普遍認(rèn)可。

此外近年來，基于Linux的單片微型計算機(jī)也已迅速發(fā)展，并以其開源、低價等特點(diǎn)被廣泛使用。因此本文將樹莓派為硬件基礎(chǔ)，以O(shè)penCV為軟件平臺搭建一套人臉識別系統(tǒng)。

二、硬件和軟件設(shè)置

（一）硬件設(shè)置

樹莓派（Raspberry Pi），是由英國樹莓派基金會開發(fā)的一款基于Linux的單片微型計算機(jī)。在其上可以輕松的運(yùn)行Linux系統(tǒng)和windows系統(tǒng)，以及這些系統(tǒng)之上的應(yīng)用程序，因此被廣泛應(yīng)用于嵌人式系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，也經(jīng)常作為小型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器完成特定功能。

（二）軟件設(shè)置

1.OpenCV

OpenCV（Open Source Computer Vision Library），是一個可以跨平臺運(yùn)行的，開源的計算機(jī)視覺庫，可以在絕大多數(shù)的操作系統(tǒng)上運(yùn)行如Windows，Linux等。視覺庫整體是用C函數(shù)和C++類編寫的，其中包括了計算機(jī)視覺圖像處理的多種常見的通用算法。OpenCV構(gòu)建的計算機(jī)視覺算法框架，簡單易懂、方便開發(fā)人員使用，因此在其上能快速便捷的開發(fā)出更為復(fù)雜的計算機(jī)視覺和圖像處理的程序。

2.Dlib

近年來，Python語言發(fā)展勢頭迅猛，要得益于其源代碼的開源性以及高效性。Python社區(qū)擁有大量的第三方庫，Dlib庫就是其中一個著名的第三方庫，它能夠?qū)崿F(xiàn)人臉的檢測和識別，其算法主要依賴于HOG特征分類器。其算法的實(shí)現(xiàn)分為以下幾個過程：首先將原始圖像進(jìn)行灰度處理，接下來對圖像用Gamma校正法基于顏色空間進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化矯正，然后算出每一個圖像像素的梯度，再將圖像用細(xì)小單元重新劃分并生成梯度直方圖，最后將若干個小單元組合成較大的區(qū)域，并對區(qū)域內(nèi)進(jìn)行梯度直方圖歸一化處理，生成HOG特征向量描述。

三、實(shí)驗(yàn)分析

（一）實(shí)驗(yàn)方案

首先搭建樹莓派硬件環(huán)境，接下來通過OpenCV打開攝像頭并讀取攝像頭畫面，然后檢測圖像中是否有人臉，若有則與已知人員的照片進(jìn)行比對，如為已知人員則在畫面中標(biāo)注其姓名，否則標(biāo)注“未知人員”，然后返回重新檢測下一時刻畫面。若畫面中未檢測到人臉，則也返回檢測下一時刻畫面。本文實(shí)驗(yàn)方案流程圖如圖1所示。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)論

該實(shí)驗(yàn)利用了OpenCV調(diào)用攝像頭功能，滿足了實(shí)時性的要求，通過配合Dlib人臉檢測算法來獲得人臉關(guān)鍵部位的位置信息，最終實(shí)現(xiàn)了較為準(zhǔn)確的人臉識別和認(rèn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

同時，在實(shí)驗(yàn)研究的過程中，也發(fā)現(xiàn)了該實(shí)驗(yàn)方案存在的一些問題。一是受到攝像頭等硬件的功能和性能限制，在處理過程中只能降低圖片的質(zhì)量，確保運(yùn)算量不超硬件負(fù)荷才能相對流暢地處理圖片。二是在人臉識別的過程中，由于dlib算法本身誤差的影響，導(dǎo)致在距離攝像頭5米以外的人臉難以進(jìn)行面部識別。三是由于時間的原因，實(shí)驗(yàn)未加入活體檢測系統(tǒng)，考慮可以通過判斷眨眼的次數(shù)或是兩次眨眼的時間間隔來確定其是否為合法用戶，防止借助用戶人臉視頻的欺詐行為。

四、小結(jié)與展望

本文基于樹莓派和OpenCV為核心設(shè)計實(shí)現(xiàn)了具有人臉識別功能的簡易系統(tǒng)。通過OpenCV打開攝像頭并讀取攝像頭畫面，然后檢測圖像中是否有人臉，最后對識別的人臉進(jìn)行實(shí)時標(biāo)注。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試證明，該方法有較高的人臉識別成功率。同時，本文的設(shè)計具有硬件配置簡單，成本消耗低等優(yōu)勢，相信在智慧城市的建設(shè)過程中，結(jié)合活體檢測等功能可以在小區(qū)智能門禁系統(tǒng)、智慧教室簽到、智能支付、身份識別等領(lǐng)域會有廣闊的發(fā)展前景。

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基金項(xiàng)目：

2018年立項(xiàng)校級課題，課題名稱：《基于樹莓派的低成本簡易人臉識別系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用研究》。