基于樹(shù)莓派的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)

高明 康曉鳳 孫典 張一凡 丁乾 張百川

摘 ?要：隨著智能安防的發(fā)展，人臉識(shí)別技術(shù)已成為智能安防的技術(shù)重點(diǎn)。與此同時(shí)，樹(shù)莓派以其價(jià)格低廉和高擴(kuò)展性的特點(diǎn)被廣泛使用。本文將人臉識(shí)別技術(shù)與樹(shù)莓派相結(jié)合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)。本系統(tǒng)使用Flask框架進(jìn)行前后端交互，使用MySQL存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用Face_Recognition模塊進(jìn)行人臉識(shí)別。本系統(tǒng)包含視頻顯示及運(yùn)算、硬件控制、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)四大模塊。使用本系統(tǒng)不僅可以對(duì)出入人員進(jìn)行身份鑒別，還可以與其他系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)。本系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)，可移植性好，具有廣闊的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：樹(shù)莓派;人臉識(shí)別;門禁

中圖分類號(hào)：TP315 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Face Recognition Access Control System based on Raspberry Pi

GAO Ming， KANG Xiaofeng， SUN Dian， ZHANG Yifan， DING Qian， ZHANG Baichuan

（College of Information Engineering， Xuzhou University of Technology， Xuzhou 221018， China）

2249858875@qq.com; kxfeng07@163.com; dsil3nce@foxmail.com;

2475313260@qq.com; 1617978168@qq.com; 2936937335@qq.com

Abstract： With the development of smart security， face recognition technology has become the focus of smart security technology. At the same time， Raspberry Pi is widely used due to its low price and high scalability. This paper proposes to design a face recognition access control system by combining face recognition technology and Raspberry Pi. This system uses the Flask framework for front-end and back-end interaction， MySQL for data storage， and Face_Recognition module for face recognition. The system includes four modules： video display and calculation， hardware control， background data management， and data storage. This system can be used not only to identify people entering and exiting， but also to be linked with other systems. This system has strong expansibility， good portability and broad development prospects.

Keywords： Raspberry Pi; face recognition; access control

1 ? 引言（Introduction）

隨著當(dāng)前國(guó)內(nèi)外門禁系統(tǒng)的快速發(fā)展，門禁系統(tǒng)早已不是簡(jiǎn)單的門鎖管理，而是已經(jīng)逐漸發(fā)展成了一套完整的出入管理系統(tǒng)，在統(tǒng)計(jì)員工出勤率和維護(hù)工作環(huán)境安全等方面發(fā)揮著巨大的作用[1]。而且隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的疾速發(fā)展，現(xiàn)代人工智能在安防領(lǐng)域有了極大的發(fā)展，其中被關(guān)注最多的就是人臉識(shí)別技術(shù)了[2]。

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了基于樹(shù)莓派的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，本系統(tǒng)使用的Flask框架、MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)均是輕量級(jí)框架，減少了性能開(kāi)銷。本系統(tǒng)使用的Face_Recognition與樹(shù)莓派兼容性高，且能利用樹(shù)莓派多核運(yùn)算，充分發(fā)掘樹(shù)莓派性能。同時(shí)，為了最大程度滿足用戶安全需求，本系統(tǒng)與Web服務(wù)相結(jié)合，用戶可根據(jù)需求自定義設(shè)置門禁參數(shù)，使用簡(jiǎn)單方便，便于用戶對(duì)門禁系統(tǒng)進(jìn)行管理[3]。

2 ?Face_Recognition介紹（Introduction to Face_Recognition）

Face_Recognition是一個(gè)簡(jiǎn)單、強(qiáng)大的人臉識(shí)別框架，是世界上最簡(jiǎn)潔的人臉識(shí)別庫(kù)。我們只需要通過(guò)簡(jiǎn)單的Python語(yǔ)句即可利用Face_Recognition模塊完成提取、識(shí)別人臉這一復(fù)雜過(guò)程。值得一提的是，F(xiàn)ace_Recognition特別是兼容樹(shù)莓派系統(tǒng)，可以利用樹(shù)莓派多核運(yùn)算。Face_Recognition基于業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的C++開(kāi)源庫(kù)dlib中的深度學(xué)習(xí)模型，使用Labeled Faces in the Wild人臉數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試，有高達(dá)99.38%的準(zhǔn)確率[4]。

3 ? Flask介紹（Introduction to Flask）

Flask是一個(gè)輕量級(jí)的Web應(yīng)用框架，使用Python語(yǔ)言編寫，較其他同類型框架更為靈活、安全且容易上手。它可以很好地結(jié)合MVC模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，可以根據(jù)自己的需求來(lái)調(diào)用相應(yīng)的插件，添加相應(yīng)的功能。

Flask的基本模式為在程序里將一個(gè)視圖函數(shù)分配給一個(gè)URL，每當(dāng)用戶訪問(wèn)這個(gè)URL時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)執(zhí)行給該URL分配好的視圖函數(shù)，獲取函數(shù)的返回值并將其顯示到瀏覽器上，其工作過(guò)程如圖1所示。

4 ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)（System design and implementation）

本系統(tǒng)使用Python語(yǔ)言編寫，采用OpenCV實(shí)現(xiàn)人臉定位，用Face_Recognition實(shí)現(xiàn)人臉數(shù)據(jù)的建立、訓(xùn)練、識(shí)別[5]。Web前后端交互使用Flask框架編寫。系統(tǒng)可分為四大功能模塊：視頻顯示及運(yùn)算模塊、后臺(tái)數(shù)據(jù)管理模塊、硬件控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。四大功能模塊如圖2所示[6]。

4.1 ? 視頻顯示及運(yùn)算模塊

本功能模塊主要負(fù)責(zé)將攝像頭捕捉到的畫面在屏幕上顯示出來(lái)，并及時(shí)將人臉標(biāo)識(shí)出來(lái)，將對(duì)應(yīng)的姓名顯示在屏幕上。人臉識(shí)別總體包括以下幾部分：圖像采集、圖像預(yù)處理、人臉檢測(cè)、特征點(diǎn)定位和人臉對(duì)齊、人臉識(shí)別等[7]，如圖3所示。

首先，我們利用OpenCV的resize函數(shù)改變攝像頭拍攝圖像的大小。圖像越小，所做的計(jì)算就越少，對(duì)于性能不是很強(qiáng)的樹(shù)莓派，這一步是非常重要的。然后我們將獲取的每一幀圖片使用Face_Recognition默認(rèn)的HOG（Histogram of Oriented Gridients）特征檢測(cè)算法進(jìn)行人臉查找。HOG特征檢測(cè)算法大致可分為圖片灰度化、進(jìn)行梯度計(jì)算、獲得梯度方向直方圖、將重疊塊直方圖歸一化、獲得HOG特征向量這五個(gè)步驟[8]。通過(guò)判斷HOG特征向量，我們可以得知該幀圖片中是否有人臉。若該幀圖片中沒(méi)有人臉，則進(jìn)行下一幀圖片的檢測(cè);若該幀圖片中出現(xiàn)人臉，則計(jì)算該人臉的特征向量與數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取的每一個(gè)特征向量的距離。若距離較大，我們認(rèn)為不是同一個(gè)人;若距離較小，則我們可以認(rèn)為是同一個(gè)人。此時(shí)，我們即將人臉對(duì)應(yīng)的姓名在屏幕上標(biāo)示出來(lái)，并進(jìn)行開(kāi)門和記錄開(kāi)門信息的操作。

4.2 ? 硬件控制模塊

本功能模塊主要負(fù)責(zé)用硬件模擬開(kāi)門和關(guān)門狀態(tài)，硬件模塊主要由一個(gè)紅色LED燈、一個(gè)綠色LED燈、一個(gè)舵機(jī)（伺服電機(jī)）組成。當(dāng)紅燈亮起，舵機(jī)為90 度時(shí)表示模擬關(guān)門狀態(tài)，如圖4所示。當(dāng)綠燈亮起，舵機(jī)為180 度時(shí)表示模擬開(kāi)門狀態(tài)，如圖5所示。

得益于Python豐富而又強(qiáng)大的擴(kuò)展庫(kù)，我們可以使用RPI.GPIO庫(kù)輕松地控制各種硬件。我們可以將LED燈管正極接在樹(shù)莓派5 V輸出引腳上，將LED負(fù)極接在可控的引腳上。這樣，當(dāng)可控的引腳輸出5 V的高電平時(shí)，LED燈將會(huì)熄滅。當(dāng)可控引腳輸出為0 V的地電平時(shí)，LED燈將會(huì)亮起。利用RPI.GPIO，我們不僅能輕松地控制引腳的高低電平，我們還能較為容易地調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）波。將舵機(jī)各連線接好，我們就可以通過(guò)調(diào)整脈沖來(lái)控制舵機(jī)的方向了。由于樹(shù)莓派gpio接口高達(dá)40 個(gè)引腳，所以仍有很多的接口富余。因此我們可以將本系統(tǒng)通過(guò)富余的引腳和其他系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，故而有很高的擴(kuò)展性。

4.3 ? 后臺(tái)數(shù)據(jù)管理模塊

本功能模塊主要負(fù)責(zé)用戶交互，選擇基于Python平臺(tái)的Web應(yīng)用開(kāi)發(fā)框架Flask。Flask具有輕量、簡(jiǎn)易、組件化等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)發(fā)效果界面友好，具有較強(qiáng)的安全性和可拓展性。該模塊既可以部署在Linux系統(tǒng)環(huán)境下，也可以部署在Windows系統(tǒng)環(huán)境下，兼容性強(qiáng)。Web控制臺(tái)默認(rèn)監(jiān)聽(tīng)本機(jī)5000端口，系統(tǒng)部署成功后，訪問(wèn)本機(jī)5000端口即可對(duì)系統(tǒng)相關(guān)信息進(jìn)行查看和對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行配置。此模塊大致可分為登錄頁(yè)面、主頁(yè)、參數(shù)控制頁(yè)面、開(kāi)門日志頁(yè)面、添加用戶頁(yè)面和用戶管理頁(yè)面。

直接訪問(wèn)5000端口，因?yàn)闆](méi)有登錄，系統(tǒng)將會(huì)提示用戶登錄，此時(shí)不能查看相關(guān)數(shù)據(jù)。登錄后即進(jìn)入主頁(yè)。在主頁(yè)中可以清晰地查看當(dāng)日開(kāi)鎖次數(shù)和一周內(nèi)開(kāi)鎖次數(shù)，簡(jiǎn)單明了，如圖6所示。

在參數(shù)控制頁(yè)面，可以設(shè)置門鎖相關(guān)參數(shù)，可修改的參數(shù)有門鎖狀態(tài)、開(kāi)門延遲時(shí)間和人臉相似度。門鎖狀態(tài)用于顯示當(dāng)前門鎖是否被打開(kāi)，通過(guò)修改該參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制開(kāi)鎖。開(kāi)門延遲時(shí)間指的是在每次門鎖開(kāi)啟后到自動(dòng)關(guān)閉門鎖時(shí)的延遲，默認(rèn)為15 秒，用戶可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

在上文中，我們提到了數(shù)據(jù)庫(kù)中人臉特征向量與實(shí)際拍攝的人臉特征向量的距離。在本程序中，體現(xiàn)為face_recognition.compare_faces（known_face_encodings， face_encoding， tolerance）函數(shù)的tolerance參數(shù)。該參數(shù)取值范圍為0—1，官方推薦值為0.6，數(shù)值越低越嚴(yán)格。因?yàn)樵搮?shù)并不是特別符合一般用戶的認(rèn)知，我們可以將其轉(zhuǎn)換為人臉相似度參數(shù)，經(jīng)過(guò)f（x）=185-200x的線性變換將取值范圍變換為65—95，便于用戶理解。人臉相似度若調(diào)得過(guò)高容易導(dǎo)致不能正確識(shí)別人臉信息，可能需多次進(jìn)行識(shí)別方可開(kāi)門，適用于安全要求較高的場(chǎng)所;若調(diào)得過(guò)低則可能誤識(shí)別人臉信息。該參數(shù)也應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，如圖7所示。

在開(kāi)門日志頁(yè)面，可以查看最近的開(kāi)門記錄。每一行記錄一條開(kāi)門信息，主要有系統(tǒng)識(shí)別的用戶、開(kāi)門時(shí)間、開(kāi)門狀態(tài)信息，方便后期檢查，如圖8所示。

在添加用戶頁(yè)面，可以上傳人臉照片進(jìn)入系統(tǒng)。系統(tǒng)會(huì)判斷上傳的文件是否符合要求，并給出相應(yīng)提示，如圖9所示。

在用戶管理頁(yè)面，可以查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中已保存的人臉信息記錄和系統(tǒng)保存的圖片名稱。用戶可以通過(guò)圖片名稱在相應(yīng)的文件夾里找到相應(yīng)的圖片，如圖10所示。

4.4 ? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

在系統(tǒng)中有許多數(shù)據(jù)需要持久化存儲(chǔ)，所以一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)是必不可少的。在本系統(tǒng)中，我們選用的是MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。首先，MySQL在各個(gè)平臺(tái)均可部署，有很強(qiáng)的跨平臺(tái)特性，使得該模塊不僅可以部署在樹(shù)莓派上，也可以部署在其他Linux平臺(tái)上或者Windows平臺(tái)上。其次，輕量級(jí)的MySQL可以保證將其部署在像樹(shù)莓派這類性能較低的平臺(tái)上時(shí)，僅占用少量的資源，依然能較好地運(yùn)行。

在數(shù)據(jù)庫(kù)中有四張表，一張表用于記錄管理員信息，一張表用于記錄可用于開(kāi)門的用戶人臉信息，一張表用于記錄系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)可調(diào)節(jié)參數(shù)，一張表用于記錄開(kāi)門日志。

5 ? 結(jié)論（Conclusion）

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于樹(shù)莓派的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了Flask框架和Face_Recognition人臉識(shí)別框架。在本系統(tǒng)中，我們主要利用樹(shù)莓派實(shí)現(xiàn)嵌入式開(kāi)發(fā)，并能夠根據(jù)需要把部分模塊部署在其他平臺(tái)上，具有很強(qiáng)的可移植性。本系統(tǒng)為操作用戶提供了Web控制臺(tái)可視化交互界面，管理員只需通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊即可對(duì)門禁系統(tǒng)進(jìn)行管理。經(jīng)實(shí)際使用測(cè)試，該門禁系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)門禁管理系統(tǒng)所需的各項(xiàng)功能，具有較高的準(zhǔn)確率和較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)（References）

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作者簡(jiǎn)介：

高 ? 明（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息安全.

康曉鳳（1978-），女，碩士，副教授.研究領(lǐng)域：信息安全.

孫 ? 典（1999-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息安全.

張一凡（2001-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息安全.

丁 ? 乾（1998-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息安全.

張百川（2002-），男，本科生.研究領(lǐng)域：信息安全.