淺談基于OpenCV的人臉識別技術(shù)在智能衛(wèi)浴系統(tǒng)的應(yīng)用*

徐 金 董 英

(唐山惠米智能家居科技有限公司 河北 唐山 063307)

前言

人臉識別技術(shù)，是通過圖像采集后，對圖像內(nèi)符合人臉特征的信息進(jìn)行統(tǒng)計和辨識對比，自動并實時判斷人臉對應(yīng)的相關(guān)的個性化信息。

Open CV是一種開源的計算視覺和機器學(xué)習(xí)的軟件庫，基于C++語言編寫且傾向于實時視覺信息的處理，能夠嵌入到Linux、Windows、Andorid等相關(guān)的操作系統(tǒng)上，實現(xiàn)人臉識別技術(shù)。

隨著智能家居技術(shù)的普及和應(yīng)用，衛(wèi)生間的智能化的需求已經(jīng)提升到一個全新的高度，智能坐便器、智能淋浴器及智能浴室柜作為智能衛(wèi)生間必不可少的組成部分，統(tǒng)一智能化的發(fā)展已經(jīng)勢在必行，人臉識別技術(shù)的發(fā)展決定了其必將成為智能衛(wèi)浴組成的重要部分，隨著各類新技術(shù)應(yīng)用的導(dǎo)入，人臉識別技術(shù)應(yīng)用成為了各類新技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，而人臉識別技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)入程度，也成為了智能衛(wèi)浴能否最終滿足用戶要求的標(biāo)桿。

對此，國內(nèi)衛(wèi)生間還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，且光線變化大，濕度高，鏡面易出現(xiàn)霧氣，這也無疑增加了人臉識別技術(shù)導(dǎo)入的難度。圖像采集需要在低照度高濕度的環(huán)境下有個更好的數(shù)據(jù)采集及白平衡系統(tǒng)，人臉識別算法上需要整合多種類使用環(huán)境，保證算法的高效運行。

1 人臉識別技術(shù)導(dǎo)入方案

本設(shè)計方案將圖像采集及終端處理的方案整合到智能鏡箱當(dāng)中，此方案可避免圖像采集系統(tǒng)暴露在濕度較高的空氣中造成故障，也可避免因鏡子反射造成算法失效。

人臉識別技術(shù)的前提是要基于人臉檢測(Face Detection)來執(zhí)行，圖像采集系統(tǒng)由2部分組成：一部分是由定焦針孔廣角鏡頭和高靈敏度CMOS的模組(文章試驗選型為舜宇4 mm廣角無畸變針孔鏡頭，圖像傳感器采用的SONY IMX291)；另一部分由偏光廣角鏡頭和低照度CMOS模組和紅外光燈組成(文章試驗選型為上述鏡頭加上偏光片，圖像傳感器采用鎂光AR0230)，目的是在完全黑暗情況下，依然能夠出色的完成圖像采集工作和監(jiān)測人臉活體(Face Liveness)。

鏡頭視角安裝在鏡箱上時，以5°的垂直視場角下偏，以便有更好的圖像采集角度覆蓋這個標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)生間，且模組算法支持自動白平衡和自動寬動態(tài)，適用低照度下的人臉信息采集。

上述的硬件配置也構(gòu)成了智能衛(wèi)浴系統(tǒng)人臉識別的圖像采集端，也是實現(xiàn)人臉識別的首要前提部分。

圖1 人臉識別模塊的覆蓋范圍示意圖

采集到的圖像信息通過LVDS協(xié)議傳輸?shù)浆F(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，下述以簡寫方式FPGA說明，試驗選型Altera公司的Cyclone IV系列EP1C12F324I7N)，通過FPGA進(jìn)行圖像信息裁減和算法處理，將相應(yīng)的圖像信息轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并將最終的圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字矩陣，通過RS232通訊協(xié)議，發(fā)送到Android終端控制器(文章試驗選型為基于瑞芯微RK3288內(nèi)核開發(fā)的開源Android控制板)，微控制器內(nèi)安裝有基于Open CV軟件庫的開發(fā)的人臉識別軟件，以進(jìn)行人臉檢測(Face Detection)。

此處基于Open CV軟件庫開發(fā)人臉識別系統(tǒng)的軟件做一個簡單的說明，首先需要對使用者的人臉信息進(jìn)行錄入，整合軟件訓(xùn)練庫內(nèi)，后調(diào)用軟件庫內(nèi)的多種分類檢索器，對訓(xùn)練時檢索的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和整合，當(dāng)正常使用時，調(diào)用Open CV內(nèi)的識別器，對實時提供的圖像信息進(jìn)行分析和檢索，而最終確認(rèn)識別信息。

監(jiān)測到的人臉信息，將進(jìn)行人臉屬性識別(Face Attribute)和人臉提特征(Face Feature Extraction)，通過傳統(tǒng)的多點比對的方式及由粗到細(xì)的灰度策略，對圖像矩陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，并與對應(yīng)的閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，實時判斷個體的人臉特征信息。

監(jiān)測到的人臉信息數(shù)據(jù)進(jìn)行人臉比對(Face Compare)，人臉識別軟件通過將采集到的數(shù)據(jù)，與預(yù)先存儲在Flash中的設(shè)定人臉信息數(shù)據(jù)(即圖像訓(xùn)練庫)和人臉相似的度的設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對，判斷個體的人設(shè)，并及時結(jié)合使用時間點，判斷個體使用需求，并將控制信號以無線信號(文章試驗的無線傳輸方案采用的是TI的CC2530)的形式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)控制相對應(yīng)的產(chǎn)品完成規(guī)定動作，個體完成使用后，記錄和存儲相關(guān)的衛(wèi)生間使用信息。

終端微控制器與智能鏡的功能整合，將智能鏡箱的Android平臺的API端口開放給對應(yīng)的圖像采集端，此方法不影響智能鏡箱人機功能交互的實現(xiàn)，同時，還可通過圖像采集的API收集更多的用戶使用信息，以便通過人機交互的GUI反饋給使用者。

終端控制器所需發(fā)送的的信號，通過信號傳輸端(即網(wǎng)關(guān))完成，傳輸端的安裝位置在環(huán)境濕度不高及不會被水淋到的房間內(nèi)的任意位置。

2 人臉識別技術(shù)在智能衛(wèi)生間的邏輯應(yīng)用

如下是智能衛(wèi)浴系統(tǒng)的邏輯應(yīng)用：

系統(tǒng)啟動后，啟動人臉識別監(jiān)控模塊，當(dāng)監(jiān)測到使用者時，系統(tǒng)進(jìn)入使用模式：

此時判斷室內(nèi)光線是否過低，如過低則開啟燈光照明系統(tǒng)，其中包括室內(nèi)燈、鏡燈等。

當(dāng)30 s后仍然監(jiān)測到人臉或未監(jiān)測到人臉離開室內(nèi)，則啟動新風(fēng)系統(tǒng)，用于室內(nèi)通風(fēng)，并進(jìn)入長效使用模式。

此時當(dāng)終端控制器接收到反饋信號后，進(jìn)入對應(yīng)的工作模式，如監(jiān)測到智能坐便器啟動后，進(jìn)入如廁模式，終端控制器根據(jù)設(shè)定模式，完成關(guān)閉圖像采集、關(guān)閉窗簾等一系列操作。

如圖2監(jiān)測到淋雨系統(tǒng)啟動，終端控制器根據(jù)室溫情況，完成開啟浴霸、關(guān)閉窗簾、鏡箱除霧等一系列功能。適時根據(jù)其他的智能設(shè)備的情況，進(jìn)入對應(yīng)的功能使用模式。

功能使用完成后，人臉識別系統(tǒng)重新開啟，此時監(jiān)測使用者是否離開室內(nèi)，如離開則在10 s后關(guān)閉照明系統(tǒng)，10 min中后關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)，并離開使用模式。

如未檢測到人臉離開，則返回長效使用模式。如下是分模塊對上述內(nèi)容工作原理說明：

2.1 智能浴室柜

當(dāng)終端控制器檢測到人臉并確認(rèn)使用者后，終端控制器將需求配置信號結(jié)合光線傳感器，確認(rèn)是否開啟鏡燈，其余配置信息以無線信號的形式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)繼續(xù)發(fā)送對應(yīng)的設(shè)備及控制端口。

2.2 照明系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)檢測到使用者30 s后，終端微控制器發(fā)送配置信號給到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)啟動新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)系統(tǒng)啟動，直到使用完成時，計時10 min中后，關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。

當(dāng)檢測到使用者后，終端微控制器檢測光線傳感器，當(dāng)且僅當(dāng)光線不足時，發(fā)送配置信號給到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)啟動照明系統(tǒng)，直至使用完成后，人離開使用環(huán)境，計時30 s后，關(guān)閉照明系統(tǒng)。

2.3 智能坐便器與淋浴系統(tǒng)

當(dāng)終端微控制器檢測到人臉后，上述系統(tǒng)啟動后，當(dāng)智能坐便器或淋浴系統(tǒng)，檢測到人體即將使用時，關(guān)閉圖像采集系統(tǒng)。然后進(jìn)入隱私保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉窗簾。

智能坐便器的即將使用的監(jiān)測裝置可采用微波雷達(dá)實現(xiàn)及其他相關(guān)方法實現(xiàn)，清洗及吹風(fēng)等產(chǎn)品的需求，由終端控制器發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)直接控制智能坐便器實現(xiàn)相關(guān)的定制化需求。

淋浴系統(tǒng)的監(jiān)測實現(xiàn)可采用淋浴房門的監(jiān)測的傳感器及其他相關(guān)方法，水溫、水量及增壓系統(tǒng)是否啟動，通過終端控制器將識別后的個人需求發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)控制淋浴器的定制化使用需求。

2.4 其他智能設(shè)備

智能衛(wèi)生間內(nèi)配置有自熱毛巾架，紫外線消毒燈等，亦整合相應(yīng)的產(chǎn)品邏輯，后通過網(wǎng)關(guān)對產(chǎn)品進(jìn)行智能控制。

圖2 智能衛(wèi)浴邏輯系統(tǒng)

3 結(jié)語

基于Open CV的人臉識別技術(shù)在智能衛(wèi)浴應(yīng)用，筆者提供了一種可實現(xiàn)的控制方案及控制系統(tǒng)，經(jīng)過多種環(huán)境測試，市場反應(yīng)良好，但此種方案對于衛(wèi)生間的標(biāo)準(zhǔn)化及使用環(huán)境有相關(guān)的要求，還需針對此方向進(jìn)行更新算法及深入研究。