基于人臉識別的圖書館智能門禁系統(tǒng)

汪小藝 王珺 魏志強 鄭英

摘 要：人臉識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術(shù)。本課題通過樹莓派、OpenCV等來完成圖書館門禁系統(tǒng)，通過錄入人臉信息，系統(tǒng)識別成功則開通門禁，識別失敗則報警。本系統(tǒng)完成了門禁系統(tǒng)的設(shè)計要求，實現(xiàn)了圖書館的門禁智能化。

關(guān)鍵詞：樹莓派；Linux；OpenCV；圖書館門禁

0 引言

人臉識別門禁是基于先進的人臉識別技術(shù)，結(jié)合成熟的ID卡和指紋識別技術(shù)而推出的安全實用的門禁產(chǎn)品。產(chǎn)品采用分體式設(shè)計，人臉、指紋和ID卡信息的采集和生物信息識別及門禁控制內(nèi)外分離，實用性高、安全可靠。系統(tǒng)采用網(wǎng)絡(luò)信息加密傳輸，支持遠程控制和管理，可廣泛應用于銀行、軍隊、公檢法、智能樓宇等重點區(qū)域的門禁安全控制。

目前學校圖書館門禁依舊采用的是刷校園卡進入的方式，對于同學們而言十分不便，而且也有外來人員借用本校學生校園卡進入圖書館的現(xiàn)象。使用人臉識別方式進入可以有效杜絕這類情況的發(fā)生，也方便同學進入圖書館學習以及學校對于圖書館的日常管理。

1 設(shè)計思路

根據(jù)對預期功能的分析結(jié)合我們運用的技術(shù)，首先需要給出總體設(shè)計方案，本課題所實現(xiàn)的人臉識別系統(tǒng)不僅包含硬件開發(fā)平臺，而且還有在開發(fā)平臺上運行的各種端口函數(shù)、驅(qū)動程序和應用程序，其中硬件部分主要有：視頻采集部件、視頻傳輸部件和視頻顯示部件；程序部分主要有：基于樹莓派的操作系統(tǒng)、視頻采集程序、視頻編碼程序、視頻傳輸程序、PC機上顯示程序等。系統(tǒng)設(shè)計方案的總體框架如圖1所示。

本次人臉識別系統(tǒng)的開發(fā)分為兩個部分實施：PC和嵌入式平臺。在PC平臺上，對設(shè)計好的人臉識別程序進行調(diào)試，驗證程序的整體機理和功能。程序功能沒有問題后，再將程序環(huán)境進行重新配置，編譯成可以在嵌入式平臺上運行的程序，然后移植到嵌入式平臺上驗證運行。這樣分兩步走的開發(fā)方式，雖然需要對程序進行兩次編譯，但是，在程序的調(diào)試和驗證過程中帶來了很大便利，對問題的查找和處理更高效率。

2 硬件平臺設(shè)計

本設(shè)計使用嵌入式板卡作為其運行的硬件平臺。對于嵌入式開發(fā)板，其運行性能的關(guān)鍵是嵌入式處理芯片，作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其運算處理速度的快慢直接影響系統(tǒng)平臺的運行效率。目前市面上存在多種內(nèi)核結(jié)構(gòu)的嵌入式芯片，包括ARM內(nèi)核芯片、IBM的Power PC、Intel的x86等，而以ARM為內(nèi)核的處理芯片在全球嵌入式芯片市場中占據(jù)主導地位[1]。

項目所選用的Raspberry Pi開發(fā)平臺采用的是高性能的樹莓派4B作為主處理器，支持的操作系統(tǒng)為：樹莓派專用系統(tǒng)Debian GNU/Linux、Fedora、Arch Linux、RISC OS、Windows10 IoT，搭載1.5 GHz的64位四核處理器（Broadcom BCM2711，Quad core Cortex-A72（ARM v8） 64-bit SoC @ 1.5 GHz），支持Bluetooth 5.0，兩個USB 3.0和兩個USB 2.0接口，雙micro HDMI輸出，支持4K分辨率，microSD存儲系統(tǒng)增加了雙倍數(shù)據(jù)速率支持，先前版本的microUSB供電接口在樹莓派4B中改為USB Type-C接口[2]。

3 模塊介紹

1）樹莓派4B英7寸顯示屏

樹莓派4B英7寸顯示屏的分辨率為1 024×600，功耗為0.84 A×5 V。通過顯示屏顯示運行程序，并觀察運行程序后的情況。

2）800萬像素4K超清攝像頭

對準人臉首先檢測人臉，接著錄入人臉信息，將待識別人臉對準攝像頭進行識別。

3）樹莓派4B開發(fā)板

樹莓派4B開發(fā)板包含1.5 GHz四核64位ARM Cortex-A72 CPU，兩個USB 3.0和兩個USB 2.0端口，雙頻802.11ac無線網(wǎng)絡(luò)和4GB的LPDDR4 SDRAM。

4）LY03小型斜口電磁鎖

LY03小型斜口電磁鎖用來模擬圖書館門禁系統(tǒng)開門。攝像頭識別人臉后，若人臉信息能與庫中信息匹配，則開鎖；否則報警。

5）1路5 V繼電器模塊

此模塊高電平觸發(fā)，即模塊供電后，控制端口收到高電平繼電器導通，給門鎖供電。

6）蜂鳴器

蜂鳴器用來實現(xiàn)人臉識別不成功報警的功能，蜂鳴器電壓是2～3.5 V，工作電流小于25 mA，頻率為1.8～2.8 kHz。直流電源輸入經(jīng)過振蕩系統(tǒng)的放大取樣電路在諧振裝置作用下產(chǎn)生聲音信號。

4 軟件設(shè)計

4.1 基于OPENCV的人臉檢測

OpenCV是Intel公司支持的開源計算機視覺庫，輕量而且高效，由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法。作為一個基本計算機視覺、圖像處理和模式識別的開源項目，OpenCV可以直接應用于很多領(lǐng)域，其中包括人臉識別的算法實現(xiàn)，是二次開發(fā)的理想工具[2]。

人臉識別功能包括以下幾個方面（如圖2）。

1）圖像采集和預處理

可以通過下載開源的人臉識別數(shù)據(jù)集以及自己拍照建立人臉數(shù)據(jù)庫進行圖像采集。由于大部分臉部檢測算法對光照、臉部大小、位置表情等非常敏感，圖像預處理是將檢測到的臉部后需轉(zhuǎn)化為灰度圖像，進行直方圖歸一化處理。

2）人臉檢測

OpenCV采用一種叫做Haar cascade classifier的人臉檢測器，利用保存在XML 文件中的數(shù)據(jù)確定每一個局部搜索圖像的位置，并利用其內(nèi)置函數(shù)進行檢測。函數(shù)使用針對某目標物體訓練的級聯(lián)分類器在圖像中找到包含目標物體的矩形區(qū)域，并將這些區(qū)域作為序列矩形框返回，最終檢測結(jié)果保存在變量中[3]。

4.2 基于Dlib的人臉識別

Dlib是一個機器學習C++庫，包含許多機器學習常用的算法。dlib先檢測人臉，然后通過Resnet生成一個128維的向量，Resnet有幾種不同深度結(jié)構(gòu)，dlib庫采用68點位置標志人臉重要部位，再采用相應模塊識別人臉。

4.3 部分設(shè)計代碼

1）讀取數(shù)據(jù)，設(shè)置攝像頭參數(shù)

5 實驗過程

1）首先將軟件安裝好，連接硬件好；

2）將攝像頭打開，檢測人臉信息，并錄入人臉信息；

3）錄入人臉信息后，運行識別程序，將攝像頭對準已錄入信息的人臉，識別成功，顯示錄入姓名并開鎖；對準未錄入信息的人臉，識別失敗，顯示unknown并報警。

6 結(jié)論

本項目以O(shè)penCV為核心，樹莓派為硬件基礎(chǔ)設(shè)計實現(xiàn)了具有人臉識別功能的智能安防門禁系統(tǒng)。本智能門禁系統(tǒng)首先將授權(quán)的人臉信息進行灰度化、降維及計算特征值等處理，再進行準備訓練，得到授權(quán)人的相關(guān)信息。然后對攝像頭采集到的人臉信息進行處理。經(jīng)過測試，該智能門禁系統(tǒng)較好地完成了人臉識別功能，識別成功開鎖，失敗則報警，完成了門禁系統(tǒng)的設(shè)計要求，實現(xiàn)了圖書館的門禁智能化。

參考文獻：

[1] 周昕梓.樹莓派開始，玩轉(zhuǎn)Linux[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2018.

[2] GOLDEN R.樹莓派應用速成：網(wǎng)絡(luò)應用秘方.符鵬飛.譯.北京：科學出版社，2014.

[3] 朱偉.OpenCV圖像處理編程實例[M].北京：電子工業(yè)出版社， 2016.