基于人臉識(shí)別技術(shù)安防智慧化應(yīng)用

(成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,四川成都 610073)

21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速,人們生活質(zhì)量不斷提高,越來(lái)越關(guān)注生活環(huán)境、安全等,智能家具、安全設(shè)備等逐漸被人們提上議程。在一些城市小區(qū)中,常常會(huì)使用門禁、門卡等方式進(jìn)行安全管理,這類管理方法存在著一定的缺陷,對(duì)門禁卡有較高的依賴度,并且使用的功能較為同時(shí)在使用過(guò)程中的安全性能不是特別高,在實(shí)際應(yīng)用中逐漸被生物識(shí)別技術(shù)取代。人臉識(shí)別就是一種使用較多的生物識(shí)別技術(shù),它具有非接觸性、獨(dú)特性,識(shí)別率非常高,而且人臉是很難被仿造的,這些優(yōu)勢(shì)是門禁等安全管理方式難以比擬的,因此,其發(fā)展前景比較廣闊,尤其是在智慧家居的門禁系,具有很大的施展空間。在這一背景下,本文就人臉識(shí)別技術(shù)安防智慧化展開(kāi)研究,設(shè)計(jì)了一種人臉識(shí)別的門禁系統(tǒng)。

1 人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

人臉識(shí)別的過(guò)程主要是通過(guò)人臉檢測(cè)和人臉特征提取以及人臉對(duì)比共同構(gòu)成。要想讓人臉門禁系統(tǒng)能夠得到快速有效地使用,一定要先設(shè)置一個(gè)人臉存儲(chǔ)的信息庫(kù),將所以許可進(jìn)行訪問(wèn)的人員信息去完成采集,同時(shí)將其存儲(chǔ)到人臉信息的數(shù)據(jù)庫(kù)里。在有訪問(wèn)者到訪的時(shí)候,人臉識(shí)別系統(tǒng)能夠獲得訪問(wèn)者當(dāng)前的面部信息主要是通過(guò)攝像頭去進(jìn)行的,同時(shí)能夠把收集獲得的信息輸入到計(jì)算機(jī)里,與保存在數(shù)據(jù)庫(kù)里的人臉信息完成意義的比對(duì),在于信息要求保持一致的時(shí)候,門禁可以自動(dòng)地打開(kāi),允許訪問(wèn)者進(jìn)入其中,這一個(gè)過(guò)程看起來(lái)十分的短暫?？墒菫榱朔乐剐畔⒈葘?duì)失效,系統(tǒng)一定要在對(duì)人像信息和數(shù)據(jù)庫(kù)人像進(jìn)行比對(duì)之前對(duì)其給予適當(dāng)處理,預(yù)防表情和光照等多種因素對(duì)于采集信息造成干擾,在對(duì)其進(jìn)行了合理的處置之后,通過(guò)對(duì)人像信息特征能夠完成提取和識(shí)別比對(duì)的功能,假如比對(duì)獲得了成功,計(jì)算機(jī)會(huì)下發(fā)開(kāi)門的指令,門禁系統(tǒng)則會(huì)自動(dòng)地開(kāi)啟,假如并不成功,門禁系統(tǒng)不但不能夠把門打開(kāi),還能夠把來(lái)訪者的人臉信息記錄在主機(jī),便于日后進(jìn)行查詢和處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)過(guò)程中,本系統(tǒng)的微控制器為STM32系列單片機(jī),設(shè)有一串口觸摸屏,主要用于人機(jī)交互,設(shè)有矩陣鍵盤,主要用于模式選擇、用戶信息輸入等。本系統(tǒng)設(shè)有兩個(gè)常用模式,分別為密碼模式和人臉識(shí)別模式,選擇密碼模式時(shí),用于科將密碼借助于矩陣鍵盤輸入,系統(tǒng)對(duì)密碼進(jìn)行驗(yàn)證,完成驗(yàn)證后自動(dòng)實(shí)現(xiàn)開(kāi)門操作;選擇人臉識(shí)別模式時(shí),系統(tǒng)能夠掃描獲取用戶人臉信息,并將其與系統(tǒng)預(yù)先存儲(chǔ)的人臉信息比較驗(yàn)證,符合要求后實(shí)現(xiàn)開(kāi)門操作。系統(tǒng)設(shè)有上位機(jī),主要用于收集用戶開(kāi)門模式、開(kāi)門時(shí)間等[1]。

除了兩個(gè)常用模式外,系統(tǒng)還設(shè)立了兩個(gè)特殊模式,即管理員模式和訪客模式,若用戶選擇的是訪客模式,則可通過(guò)矩陣鍵盤輸入門牌號(hào),點(diǎn)擊呼叫,被輸入門牌號(hào)用戶的門鈴將會(huì)響起,接通后可點(diǎn)擊開(kāi)門按鈕,系統(tǒng)即可完成開(kāi)門操作;管理員模式主要用于對(duì)整個(gè)系統(tǒng)密碼錄入、密碼查詢、密碼更改等操作,在進(jìn)入該模式前,需要進(jìn)行身份驗(yàn)證,輸入準(zhǔn)確密碼。

該系統(tǒng)的硬件主要有按鍵、顯示窗口、觸摸屏、人臉識(shí)別模塊、門禁模塊等。

軟件部分有人臉追蹤、驗(yàn)證等,將用戶的人臉信息出入系統(tǒng)后,系統(tǒng)會(huì)對(duì)該信息進(jìn)行分析、存儲(chǔ),隨后用戶運(yùn)用人臉解鎖時(shí),通過(guò)攝像頭獲取人臉信息,并對(duì)其進(jìn)行分析提煉,與存儲(chǔ)中的人臉信息進(jìn)行比較辨識(shí),符合要求后即可通過(guò)驗(yàn)證。因?yàn)闃?shù)莓派目前使用的操作系統(tǒng)主要是針對(duì)Debian的Linux系統(tǒng)也就是“Raspbian操作系統(tǒng)”,由于該系統(tǒng)有局限性,其獲得的人臉信息幀數(shù)偏低,在對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算時(shí),采用跳幀計(jì)算方法,進(jìn)而達(dá)到提升幀數(shù)效果,實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別驗(yàn)證。完成人臉識(shí)別和密碼開(kāi)鎖,報(bào)警系統(tǒng)還有查看開(kāi)鎖的記錄,并且提升指定用戶等多種功能,整體體系統(tǒng)框圖詳如圖1所示。

3 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用了一種較為高效的STM32F103C8T6,STM32運(yùn)用了將ARM Cortex作為內(nèi)核的一種性能較高的微處理器,它具有較高的工作頻率,能夠承載較大負(fù)荷的運(yùn)行,另外,為了更好的實(shí)現(xiàn)讀寫能力,給系統(tǒng)配備了存儲(chǔ)器,能夠容納較大數(shù)據(jù),可滿足密碼的輸入、錄取、驗(yàn)證需要。系統(tǒng)還設(shè)置了省電模式,在一定環(huán)境下可關(guān)閉暫時(shí)不需要的功能,降低耗電量,實(shí)現(xiàn)省電,這增大了該系統(tǒng)的適用范圍,可滿足較多場(chǎng)合適用,提升了其實(shí)用性和性價(jià)比。在數(shù)據(jù)輸入接口方面,由于IO口量相對(duì)較少,在屏幕選擇時(shí),配備了IIC接口的2004LCD屏幕,該屏幕僅會(huì)占用兩個(gè)IO接口,就可以滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行需要。本系統(tǒng)配備了卡片電腦,Raspberry Pi也就是樹(shù)莓派,樹(shù)莓派其中搭載的主要是博通生產(chǎn)的BCM2835處理器,能夠直接完成Linux操作系統(tǒng)的使用。使用OpenCV去完成對(duì)人臉的追蹤和對(duì)人臉的識(shí)別,因?yàn)闃?shù)莓派能夠提供多種不同的接口,其中包含了GPIO和IIC等接口,能夠完成數(shù)據(jù)的直接傳輸并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地控制,所以使用在樹(shù)莓派上針對(duì)OpenCV去完成環(huán)境的搭建[2]。

3.1 人臉識(shí)別模塊

在人臉識(shí)別方面,主要使用了樹(shù)莓派攝像頭以及樹(shù)莓派3 代,其中樹(shù)莓派攝像頭主要用于人臉信息的獲取,而樹(shù)莓派3 代主要用于人臉信息的管理和驗(yàn)證,僅借助于USB 接口即可滿足供電需要。樹(shù)莓派就是一種比較流行的卡片電腦,和單片機(jī)進(jìn)行對(duì)比,不但在其中能夠完成系統(tǒng)的安裝,同時(shí)還能夠?qū)⑵渥鳛榉?wù)器,使用鼠標(biāo)鍵盤去對(duì)其完成所需要的控制,能夠直接與WiFi相連接,它包含了單片機(jī)原有的基礎(chǔ)功能。和普通電腦相比,樹(shù)莓派體積小,能夠隨身攜帶,使用起來(lái)非常方便,另外,樹(shù)莓派設(shè)有IO接口,可以通過(guò)該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)模塊編程,在樹(shù)莓派上能夠非常輕松快速地完成針對(duì)Raspbian系統(tǒng)還有OpenCV開(kāi)發(fā)環(huán)境的建立,所以將樹(shù)莓派當(dāng)成是人臉識(shí)別的主要模塊,在使用上非常地高效,并使用上的性能也非常的理想。

圖1 人臉識(shí)別門禁總體系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of the overall system of face recognition access control

3.2 人臉特征提取

不同的人,其面部的特征也是各不相同的,人臉的高度唯一性讓數(shù)據(jù)處置的量過(guò)于龐大。所以表征人臉的最初的特征需要使用高維空間的數(shù)據(jù),假如無(wú)法對(duì)其給予有效處理,就會(huì)增加計(jì)算量,計(jì)算速度會(huì)變得弛緩,減少處理的速度,限制人臉識(shí)別基礎(chǔ)的持續(xù)發(fā)展。所以,在完成人臉識(shí)別前,一定要采取降維操作,就是處置數(shù)據(jù)需要盡量在較低維數(shù)的空間里針對(duì)識(shí)別的信息給予切實(shí)可行的處理。經(jīng)常使用的特征提取算法主要有兩種:主成分分析和線性判別分析?？墒沁@兩種算法一定要通過(guò)二維的圖像矩陣才能夠?qū)⑵滢D(zhuǎn)變成為一維的列向量,這樣會(huì)使得圖像當(dāng)前的位數(shù)提升,進(jìn)行提取的速度會(huì)變得弛緩,會(huì)讓人臉門禁系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間變得更長(zhǎng)。兩種人臉特征提取技術(shù):一是針對(duì)奇異值分解的一種人臉特征提取技術(shù),二是針對(duì)模型人臉去進(jìn)行的識(shí)別技術(shù)。

3.3 模擬門禁模塊

通過(guò)MH-FMD蜂鳴器和JQC-3FF繼電器以及LED燈模擬門禁模塊。MH-FMD 蜂鳴器的額定電壓為4V,電壓在3.3V 到5V 之間均可實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)作,給系統(tǒng)進(jìn)行供電后,通過(guò)I/O 引腳接收到源自于STM32 的低電平信號(hào)之后,蜂鳴器能夠發(fā)出聲音。然后使用JQC-3FF 繼電器和LED燈模擬在完成了開(kāi)鎖之后,綠燈會(huì)出現(xiàn)常亮的狀態(tài)并且這樣的一個(gè)狀態(tài)會(huì)持續(xù)10 秒,模擬保持開(kāi)門的狀態(tài)會(huì)持續(xù)10 秒。MH-FMD 蜂鳴器當(dāng)前電路原理圖如圖2 所示。

圖2 MH-FMD 蜂鳴器電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of MH-FMD buzzer circuit

3.4 按鍵與顯示模塊

系統(tǒng)整體主義是使用矩陣鍵盤去完成所需要的控制,在LCD 顯示屏上完成操作信息以及實(shí)時(shí)時(shí)間的顯示。STM32F103C8T6當(dāng)前IO口的數(shù)量并不多,所以挑選了IIC接口的2004LCD作為顯示屏,這一顯示屏僅僅要求使用兩個(gè)IO 口就能夠完成對(duì)屏幕進(jìn)行的控制。輸入密碼并且選擇模式的操作則一般都是使用一個(gè)矩陣鍵盤去達(dá)成。同時(shí)運(yùn)用Tiny RTC中的時(shí)鐘,這一時(shí)鐘本身就連接了電源,能夠達(dá)成顯示實(shí)時(shí)時(shí)間和完成開(kāi)門時(shí)間的記錄。

4 軟件設(shè)計(jì)

在人臉?shù)浫敕矫?主要借助于Raspbian系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn),采用的攝像頭為樹(shù)莓派攝像頭,用戶在使用時(shí),其人臉正對(duì)攝像頭,他們之間保持0.5m左右的距離,即可對(duì)用戶人臉進(jìn)行信息采集。樹(shù)莓派攝像頭的采集任務(wù)主要是由Haar特征來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在較短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行大量拍照,一般來(lái)說(shuō)需要收集一百以上的照片,全方位的采集人臉信息,再?gòu)恼掌刑崛∪四樚卣?、特性?最后將其與系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析,觀察其是否一致,實(shí)現(xiàn)人臉辨別,確定是否通過(guò)驗(yàn)證。驗(yàn)證成功后,系統(tǒng)會(huì)通知主板發(fā)送低電平的信號(hào),執(zhí)行開(kāi)門操作,同時(shí)會(huì)將該信號(hào)發(fā)送到繼電器上,設(shè)備上的LED等會(huì)亮起綠燈,持續(xù)10秒,也就是說(shuō)開(kāi)門狀態(tài)會(huì)持續(xù)10秒,10秒之后,系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行關(guān)門操作,在這10秒內(nèi),用戶可選擇延時(shí)關(guān)門,讓開(kāi)門狀態(tài)維持更長(zhǎng)時(shí)間。若驗(yàn)證失敗,蜂鳴器將發(fā)出報(bào)警聲,提示開(kāi)鎖失敗。

本系統(tǒng)的所有操作都是運(yùn)用鍵盤來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的,兩種常用模式(密碼模式和人臉識(shí)別模式)和兩種特殊模式(管理員模式和訪客模式)均有對(duì)應(yīng)的按鍵控制,觸摸屏上也有對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)。按鍵所輸入的信息將通過(guò)矩陣模塊進(jìn)行傳遞,讓其進(jìn)入系統(tǒng)并加以分析比較,密碼輸入后提交給系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

在對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),所選場(chǎng)所為室內(nèi),將樹(shù)莓派攝像頭放在一水平桌上,讓其向上呈45度傾斜,將系統(tǒng)模式選擇為人臉識(shí)別,實(shí)驗(yàn)者在攝像頭前進(jìn)行人臉信息錄入、人臉驗(yàn)證等操作,經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)后,發(fā)現(xiàn)最佳識(shí)別距離是人臉于攝像頭保持0.5m距離,其識(shí)別速度快,靈敏度高,準(zhǔn)度高,識(shí)別效果比較理想。

對(duì)密碼模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí),實(shí)驗(yàn)者所輸入的密碼需要與預(yù)先設(shè)置的密碼完全一致,有一個(gè)數(shù)字錯(cuò)誤均不能完成驗(yàn)證,不能實(shí)現(xiàn)開(kāi)門操作。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試,發(fā)現(xiàn)密碼模式的穩(wěn)定性很好,不會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤情況。

對(duì)管理員模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,先選擇這一模式,隨后輸入密碼進(jìn)行身份驗(yàn)證,進(jìn)入系統(tǒng)后臺(tái)后,對(duì)用戶的密碼信息進(jìn)行瀏覽,能夠?qū)崿F(xiàn)正常密碼查詢,對(duì)用戶密碼進(jìn)行新增、修改、刪除等操作,均能正常實(shí)現(xiàn)。

對(duì)訪客模式進(jìn)行驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)者在窗口中選擇訪客模式,隨后根據(jù)提示輸入被訪問(wèn)者的門牌號(hào),輸入完成按下確定鍵后,與該門牌號(hào)相對(duì)應(yīng)的門鈴會(huì)開(kāi)啟,發(fā)出呼叫鈴聲,該門鈴上設(shè)有三個(gè)按鍵,分別為接通、開(kāi)鎖、掛斷,選擇開(kāi)鎖后,該系統(tǒng)會(huì)執(zhí)行開(kāi)門操作。

對(duì)門禁模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,無(wú)論采用人臉識(shí)別還是密碼方式進(jìn)行驗(yàn)證,驗(yàn)證通過(guò)后均能正常進(jìn)行開(kāi)門操作,若驗(yàn)證失敗,則提示“驗(yàn)證未通過(guò),請(qǐng)選擇再次驗(yàn)證”,不進(jìn)行開(kāi)門操作;若連續(xù)驗(yàn)證三次失敗,則提示10秒后再驗(yàn)證,驗(yàn)證失敗則繼續(xù)等待10秒。無(wú)論驗(yàn)證成果與否,該系統(tǒng)均能正常運(yùn)行[3]。

6 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)是一種安全管理門禁系統(tǒng),內(nèi)置了人臉識(shí)別和密碼驗(yàn)證兩個(gè)常用模塊,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試后,發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行,其穩(wěn)定性比較高,實(shí)驗(yàn)期間未出現(xiàn)故障、系統(tǒng)操作不正確等情況,其人臉識(shí)別系統(tǒng)反應(yīng)靈敏、準(zhǔn)確,驗(yàn)證速度快,使用體驗(yàn)比較好,將其用于智能家居安全管理中,實(shí)用價(jià)值比較理想。部分用戶不方便使用人臉識(shí)別的,也可以選擇使用密碼驗(yàn)證模式,通過(guò)矩陣鍵盤輸入密碼,完成密碼驗(yàn)證之后,同樣能夠讓系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)門操作。該系統(tǒng)還設(shè)有訪客模式,能夠更好的滿足用戶需要。管理員模式主要是對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行密碼管理,可執(zhí)行用戶密碼的查詢、新增、修改、刪除等操作?？傮w來(lái)說(shuō),該系統(tǒng)基本上都可以滿足日常家庭的所需,其具備較強(qiáng)的實(shí)踐性。