基于人臉識(shí)別的智能門禁管理系統(tǒng)

◆趙若禺 宋家松 周鵬 彭滔

基于人臉識(shí)別的智能門禁管理系統(tǒng)

◆趙若禺 宋家松 周鵬 彭滔

（重慶理工大學(xué)兩江人工智能學(xué)院 重慶 401135）

為提高門禁管理系統(tǒng)的效率和智能化程度，本文利用人臉識(shí)別技術(shù)作為門禁系統(tǒng)的身份驗(yàn)證依據(jù)，開發(fā)了一種基于人臉識(shí)別的智能門禁管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分，其中上位機(jī)具有完成人臉識(shí)別、控制下位機(jī)和數(shù)據(jù)的管理與存儲(chǔ)功能，而下位機(jī)則具有完成人臉信息的采集、門鎖開關(guān)控制和休眠等功能。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人臉檢測(cè)時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)來(lái)降低系統(tǒng)的損耗和設(shè)備的磨損。通過(guò)開發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)站進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)的管理與數(shù)據(jù)的可視化，以提高系統(tǒng)的實(shí)用性。最后，設(shè)計(jì)了方便用戶管理的智能門禁系統(tǒng)，驗(yàn)證了所提系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的有效性。

人臉識(shí)別；門禁；低功耗；智能；休眠模式

傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)主要以使用ID卡或密碼作為身份驗(yàn)證的手段，當(dāng)卡片遺失、卡片盜用、密碼泄露時(shí)會(huì)造成安全隱患，甚至威脅到用戶的人身和財(cái)產(chǎn)安全[1-5]。而隨著生物識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別也逐漸被使用在門禁系統(tǒng)中[5]。

雖然，ID卡、密碼和指紋以及虹膜識(shí)別都能完成人的身份驗(yàn)證，但存在使用不便的情況，尤其像疫情等情況下不宜用接觸式測(cè)量，因?yàn)榻佑|的話有一定的傳播病毒的風(fēng)險(xiǎn)，其能夠?yàn)椴《镜膫鞑ヌ峁┮粋€(gè)良好的載體。利用人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)的這類非接觸身份驗(yàn)證方式則能很好避免這些問(wèn)題。同時(shí)在現(xiàn)在的門禁系統(tǒng)中，人臉識(shí)別已得到了很廣泛的應(yīng)用[3-5]。

因此，本文提出了一種基于人臉識(shí)別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用帶有攝像頭的嵌入式設(shè)備OpenMV作為下位機(jī)實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、休眠和數(shù)據(jù)接收與上傳等功能，以阿里云服務(wù)器作為上位機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)管理、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，還能夠根據(jù)用戶需求控制下位機(jī)開關(guān)門，并可以將數(shù)據(jù)可視化到網(wǎng)頁(yè)方便用戶查看、管理。下位機(jī)能夠通過(guò)連接WiFi進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)從而與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成，其中下位機(jī)以嵌入式圖像處理設(shè)備OpenMV為載體，包含有人臉檢測(cè)模塊、通訊模塊、門鎖模塊、休眠模塊這四個(gè)模塊，上位機(jī)則使用阿里云服務(wù)器，主要含有人臉識(shí)別模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、網(wǎng)頁(yè)這三個(gè)部分。本系統(tǒng)能夠有效完成門禁功能，用戶可以登錄網(wǎng)頁(yè)賬號(hào)查看相關(guān)數(shù)據(jù)或者控制下位機(jī)開啟門鎖，而管理員則可以管理用戶的賬號(hào)以及數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 下位機(jī)

下位機(jī)負(fù)責(zé)檢測(cè)人臉并將檢測(cè)到的人臉上傳給上位機(jī)，在接收到上位機(jī)的控制指令之后，控制門鎖的開關(guān)。長(zhǎng)時(shí)間不斷地檢測(cè)人臉必然會(huì)增加其負(fù)荷與消耗，為了降低系統(tǒng)的損耗和設(shè)備的磨損，下位機(jī)設(shè)置了一個(gè)休眠模式，當(dāng)連續(xù)n幀圖片都不存在人臉時(shí)，下位機(jī)會(huì)進(jìn)入休眠模式以降低系統(tǒng)功耗。

此外，為了提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性，下位機(jī)還設(shè)置了在線開門的功能，在人臉識(shí)別不起作用時(shí)登錄網(wǎng)站賬號(hào)可以使用該功能直接命令下位機(jī)開門跳過(guò)人臉識(shí)別。下位機(jī)工作流程如圖2所示。

圖2 下位機(jī)工作流程

1.3 上位機(jī)

為了滿足多個(gè)下位機(jī)同時(shí)工作，上位機(jī)的程序?qū)?huì)多線程運(yùn)行，上位機(jī)工作時(shí)會(huì)接收到下位機(jī)傳來(lái)的人臉數(shù)據(jù)和臨時(shí)蘇醒通知兩種數(shù)據(jù)。

當(dāng)接收到人臉數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)便從數(shù)據(jù)中提取出人臉特征，然后代入訓(xùn)練好的模型進(jìn)行識(shí)別，最終根據(jù)識(shí)別結(jié)果給下位機(jī)下達(dá)是否開門的指令。

當(dāng)接收到臨時(shí)蘇醒通知時(shí)，上位機(jī)將查詢此段時(shí)間內(nèi)是否有用戶下達(dá)開門命令，若果有則通知下位機(jī)直接開門，否則通知繼續(xù)關(guān)閉。

用戶和管理員可以登錄對(duì)應(yīng)網(wǎng)頁(yè)查看可視化數(shù)據(jù)（工作流程如圖3所示）。

圖3 上位機(jī)板塊

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 人臉檢測(cè)模塊

下位機(jī)中的人臉檢測(cè)模塊，主要是利用Haar特征及AdaBoost分類器實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)，并在捕獲攝像頭中是否存在人臉作為進(jìn)入休眠模式的依據(jù)。

Haar特征由白黑色兩種矩形不同組合形成的邊緣特征、線性特征、中心特征三種特征模板組成[6-8]，如圖4所示。這些特征模板能夠描述人臉相關(guān)特征，使用積分圖能夠快速提取出目標(biāo)圖片中的所有Haar特征[6-8]。AdaBoost是由強(qiáng)分類器級(jí)聯(lián)而成的分類器，通過(guò)對(duì)圖片中的Haar特征分類，判斷圖片中是否存在人臉，并根據(jù)積分圖獲得圖片中人臉的位置信息[6-8]，其工作流程如圖5所示。

圖4 Haar特征模板

圖5 AdaBoost級(jí)聯(lián)分類器

2.2 通訊模塊

通訊模塊主要用于下位機(jī)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端首先會(huì)向接收端發(fā)送一組包含機(jī)器編號(hào)、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)大小三種信息的數(shù)據(jù)，接收端在驗(yàn)證完這組數(shù)據(jù)且當(dāng)前情況下可以接收數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)向發(fā)送端發(fā)送確認(rèn)信息。然后，發(fā)送端收到接收端的確認(rèn)信息后便會(huì)將本次要發(fā)送的信息分批發(fā)送給接收端，最終接收端收到所有的信息并檢驗(yàn)無(wú)誤后會(huì)向發(fā)送端發(fā)送接收完畢通知，則本次通訊結(jié)束，通訊協(xié)議如圖6所示。

圖6 通訊協(xié)議

2.3 門鎖控制模塊

當(dāng)下位機(jī)接收到開鎖信號(hào)時(shí)，門鎖控制模塊會(huì)發(fā)送電脈沖給控制門鎖的繼電器使其控制電磁鎖開門[1][5]，在門鎖打開S秒后自動(dòng)發(fā)動(dòng)關(guān)鎖信號(hào)從而關(guān)閉門鎖。

2.4 休眠模塊

考慮到門禁系統(tǒng)在一天中有大部分時(shí)間處于閑暇時(shí)間，出于降低功耗、減少設(shè)備磨損的考慮與需求，設(shè)置了休眠模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的休眠模式。當(dāng)系統(tǒng)在進(jìn)入休眠模式后首先會(huì)休眠一段時(shí)間（時(shí)間的長(zhǎng)度自定義，時(shí)間越長(zhǎng)休眠時(shí)間占比越大，而喚醒靈敏度越?。?，然后會(huì)蘇醒并用攝像頭捕捉m幀圖片，如果圖片中檢測(cè)出人臉則跳出休眠進(jìn)入正常的工作模式；如果這m幀人臉中未檢測(cè)出人臉，則下位機(jī)會(huì)通知服務(wù)器已該臺(tái)下位機(jī)已“蘇醒”。若這段時(shí)間內(nèi)上位機(jī)有開門指令則下位機(jī)將會(huì)接收到上位機(jī)所發(fā)送的開門指令，然后下位機(jī)將控制門鎖開門，并在之后繼續(xù)休眠，休眠模塊流程示如圖7所示。

圖7 休眠模塊流程示意圖

2.5 人臉識(shí)別模塊

上位機(jī)在接受到人臉數(shù)據(jù)之后，先會(huì)提取能夠很好地描述圖像的局部紋理的MLBP特征，與LBP特征相比，MLBP特征使得圖形更清晰，更立體、邊緣輪廓更分明，從而更能突出圖片中的細(xì)節(jié)特征，并且減小圖片噪聲所帶來(lái)的影響[6]，圖8展示了MLBP特征的對(duì)比。特征提取完畢后，輸入到訓(xùn)練完畢的SVM模型中進(jìn)行分類，完成人臉識(shí)別。

圖8 MLBP特征圖對(duì)比

2.6 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫(kù)存用于存儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及使用期間所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中有三張表，分別是用戶信息表、人臉數(shù)據(jù)表、記錄表。

用戶信息表記錄了用戶的編號(hào)、姓名、性別、備注、對(duì)應(yīng)SVM模型；人臉數(shù)據(jù)表記錄了用戶編號(hào)、人臉編號(hào)、和人臉圖片；記錄存有用戶編號(hào)、時(shí)間、機(jī)器編號(hào)（mid）和使用門禁的人的面部信息（數(shù)據(jù)庫(kù)CDM模型如圖9所示）。

2.7 網(wǎng)頁(yè)開發(fā)

本系統(tǒng)利用Web來(lái)實(shí)現(xiàn)入接接口與數(shù)據(jù)的可視化，在網(wǎng)站上注冊(cè)的用戶經(jīng)過(guò)管理員認(rèn)證可使用網(wǎng)站上的開門功能，該功能使得用戶在特殊原因?qū)е伦R(shí)別失效的情況下也能夠通過(guò)門禁。網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 數(shù)據(jù)庫(kù)CDM模型

圖10 網(wǎng)頁(yè)結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)效果

根據(jù)上述智能門禁設(shè)計(jì)方法，開發(fā)了一個(gè)智能實(shí)驗(yàn)室管理系統(tǒng)，其中下位機(jī)部分如圖11所示左邊為OpenMV主板、攝像頭以及WiFi擴(kuò)展板，右邊則為顯示屏；圖12展示了人臉識(shí)別成功時(shí)下位機(jī)閃爍綠燈；圖13展示了Web可視化界面的內(nèi)容，幾個(gè)圖表展示了考勤情況；圖14為Web登錄后界面，Web頂部是一鍵開門選項(xiàng)，其可用于不通過(guò)人臉識(shí)別，接控制下位機(jī)打開門鎖，避免了人臉識(shí)別失效或不便時(shí)無(wú)法控制門禁的情況。

圖11 下位機(jī)裝置

圖12 人臉識(shí)別成功時(shí)，下位機(jī)閃爍綠燈反饋

圖13 登錄前網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面

圖14 登錄后網(wǎng)頁(yè)頁(yè)面

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種利用人臉識(shí)別的方式作為身份驗(yàn)證手段的智能門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，其中下位機(jī)重在實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè)與門鎖開關(guān)控制功能，而上位機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別，數(shù)據(jù)管理及可視化。為了降低系統(tǒng)的損耗和設(shè)備的磨損，在下位機(jī)中設(shè)置了休眠模式，當(dāng)無(wú)人時(shí)可是系統(tǒng)進(jìn)入到系統(tǒng)休眠模式。依據(jù)此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，開發(fā)的實(shí)驗(yàn)室的智能門禁管理系統(tǒng)，可以用于實(shí)驗(yàn)室等設(shè)施的門禁管理及考勤，經(jīng)過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行功耗小，容錯(cuò)性高，有效地提高了門禁、考勤管理效率及智能化程度。

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重慶理工大學(xué)科研立項(xiàng)項(xiàng)目（KLB20020）