基于3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的校園卡替代方案研究

劉力鋒,張星宇

(1.四川中興能源有限公司,四川 成都 610051;2.中國海洋大學(xué),山東 青島 266100)

0 引言

校園卡是高校為了方便學(xué)校管理和學(xué)生日常生活而發(fā)行的一款特殊IC卡,利用先進的數(shù)字技術(shù),達到多證合一,以卡代證,為師生員工提供了信息化、智能化、科學(xué)化的校園生活。校園卡并不只是簡單的消費卡,也能實現(xiàn)校園管理中各方面的用途,為師生員工日常生活的管理、科研教學(xué)和后勤服務(wù)提供了重要信息。現(xiàn)如今,3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)在認證、支付等方面應(yīng)用廣泛,如若改進校園終端子系統(tǒng),便能解決卡片丟失、資金盜刷、管理負擔(dān)重等問題,同時校方也能更安全便捷地管理師生信息,真正實現(xiàn)無卡智能化校園。

1 面部識別的原理及“3D結(jié)構(gòu)光”的優(yōu)勢

2010—2015 年是面部識別的技術(shù)發(fā)展期,在這個階段各種各樣的智能手機、智能App已經(jīng)大范圍地使用,指紋技術(shù)已經(jīng)相對成熟,于是在人們對探索新技術(shù)的期待和支持下,面部識別技術(shù)得到快速發(fā)展。2016—2019年屬于面部識別技術(shù)平穩(wěn)上升發(fā)展的時期。在這個時期內(nèi),隨著圖像處理、模式識別等技術(shù)的發(fā)展,面部識別技術(shù)也得到開拓,且絕大多數(shù)的技術(shù)在前有技術(shù)基礎(chǔ)上得到了改善和提升。

如今面部識別已經(jīng)是家喻戶曉的技術(shù),較指紋識別擁有更多優(yōu)勢,例如:搭載3D結(jié)構(gòu)光的iPhone X的面部識別功能首次讓數(shù)百萬用戶體驗到該技術(shù)的優(yōu)勢。用戶的臉部由30 000個獨立的紅外點確認,以防止虛假身份驗證,大幅度提升終端設(shè)備的安全性能[1]。

1.1 面部識別原理

面部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),又名人臉識別或人像識別,是對可見光圖像的人臉識別算法,用來進行身份識別。用攝像頭或攝像機采集含有人臉的圖像或視頻流,并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉,進而對檢測到的人臉信息進行計算。廣義而言,面部識別可分為4個步驟。

(1)獲取面部信息。用攝像頭或者攝像機在多種環(huán)境下獲得人臉的深度、寬度、位置等各種信息。

(2)人臉圖像預(yù)處理。將每一個信息分揀出來交給識別模塊,從而消除圖中的無用信息,如遮擋物、無用背景等,恢復(fù)有用的真實信息,最大限度地簡化數(shù)據(jù)和增強圖片的可檢測性。

(3)人臉面部特征提取。按模塊提取表征人臉的關(guān)鍵特征。

(4)面部識別或匹配。將提取的人臉特征,計算成特征向量,再與標準人臉圖像庫的特征向量進行匹配。

1.2 3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的優(yōu)勢

傳統(tǒng)面部識別技術(shù)主要基于可見光圖像的人臉識別,但是這種技術(shù)的缺陷也顯而易見,光線的限制性非常大,并不能滿足實際需求。當下3種主流解決方案分別是TOF3D方案、雙目立體成像方案和3D結(jié)構(gòu)光方案。其中3D結(jié)構(gòu)光彌補了TOF技術(shù)和雙目立體成像技術(shù)在分辨率、效率、算法、精度等方面的不足,并且在軟件復(fù)雜度和低光環(huán)境中更具優(yōu)勢。從成本角度考慮,TOF的價格和功耗較高。在相關(guān)參數(shù)相差不大的情況下,TOF的價格要高于結(jié)構(gòu)光兩倍以上。從技術(shù)結(jié)構(gòu)方面考慮,結(jié)構(gòu)光需要一個激光投射器和一個紅外攝像頭,TOF需要一個激光投射器和一個TOF傳感器。結(jié)構(gòu)光的紅外攝像頭有額外產(chǎn)出,通過分頻復(fù)用可以輸出紅外圖,甚至可以輸出RGB圖。在分辨率上,3D結(jié)構(gòu)光表現(xiàn)出了很好的優(yōu)勢[2]。

2 結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)

20世紀70年代,結(jié)構(gòu)光三維視覺的研究就已開始。結(jié)構(gòu)光三維視覺由于其快速、精確、穩(wěn)定性好等優(yōu)點得到了廣泛應(yīng)用。

2.1 測量原理

結(jié)構(gòu)光三維視覺的原理是基于光學(xué)三角法,由光學(xué)投射器將一定結(jié)構(gòu)的光投射在物體表面,另一側(cè)由攝像機進行拍攝,獲取光條二維畸變圖像,當確定了光學(xué)投射器和攝像機的位置關(guān)系時,便可通過光條二維圖像重現(xiàn)物體表面三維輪廓。

結(jié)構(gòu)光測量根據(jù)光學(xué)投射器投射的光束模式不同分為點結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光、多線結(jié)構(gòu)光和網(wǎng)格結(jié)構(gòu)光。其中點結(jié)構(gòu)光由于每次只能獲得物體表面一個點的信息,而線結(jié)構(gòu)光可大大增加測量信息量,因此線結(jié)構(gòu)光得到了更廣泛的應(yīng)用。

2.2 3D結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)組成

鑒于當下線結(jié)構(gòu)光優(yōu)點顯著,應(yīng)用廣泛,本節(jié)以線結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)中的一種軟硬件組合為例,介紹其組成。

2.2.1 硬件部分

該系統(tǒng)主要硬件包括高速高幀率相機、高分辨率鏡頭、線激光發(fā)射器(光源)、計算機、千兆以太網(wǎng)卡、紅外濾片等。

2.2.2 軟件部分

軟件算法部分包括測量系統(tǒng)測定、線結(jié)構(gòu)光圖像預(yù)處理、線結(jié)構(gòu)光中心條紋提取。

(1)測量系統(tǒng)測定包括攝像機標定與基于楔形斜面圓點標定法。

(2)線結(jié)構(gòu)光圖像預(yù)處理包括圖像剪切、圖像濾波、圖像分割。

(3)線結(jié)構(gòu)光中心條紋提取包括光條中心提取算法有閾值法、極大值法、灰度重心法。

2.3 3D結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)特點

3D結(jié)構(gòu)光測量系統(tǒng)的測量速度快于接觸式測量。激光三角法測量相較于其他非接觸式測量而言,圖像處理設(shè)備比較簡單,系統(tǒng)維護比較方便,并且對信號的處理非?？煽?測量的效率高、精度高、范圍廣,抗干擾能力十分優(yōu)異,是一種高速、高精度的非接觸式測量技術(shù)[3]。

3 虛擬技術(shù)替代實體卡的分析

校園卡實名制是在校大學(xué)生能驗證身份的憑證之一,校園內(nèi)的所有資費使用都可通過校園卡進行交易。在校園內(nèi),“校園卡”集工作證、圖書證、乘車證、進餐卡、門禁卡、錢包等功能于一卡。因此,實體卡丟失帶來的不便,將給師生造成嚴重困擾。實體卡丟失引發(fā)的資金盜刷問題,會給學(xué)生造成經(jīng)濟損失;學(xué)業(yè)生畢業(yè)以后會造成的卡片浪費;還有學(xué)生通過校園卡替考的現(xiàn)象。

虛擬技術(shù)可以彌補這些弊端。例如結(jié)構(gòu)光技術(shù)下的人臉識別可迅速準確地完成交易者身份驗證,減少交易失敗率和錯誤率,如應(yīng)用于簽到、支付,可有效提升交易效率和準確率;應(yīng)用于宿舍出入管理,更有效地保證學(xué)生的安全,即使在深夜環(huán)境下也能快速識別人員身份。

3.1 結(jié)構(gòu)光技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)實意義

由于校園一卡通所面對的是師生人群,是相對固定和單一的群體,面部識別技術(shù)就足以滿足身份識別的要求。

目前,大部分高校都在普遍使用“一卡通”系統(tǒng)管理校園,雖然其在餐飲消費、圖書借閱、智能水控等方面給予師生們一定程度上的便利,但校園卡易丟失、成本高昂、管理負擔(dān)重等方面的弊端,以及其并不能辨別持卡人與卡中身份信息的一致性,易出現(xiàn)資金盜刷的現(xiàn)象,給師生們在上課簽到和校園安保方面造成了障礙,甚至帶來了隱患。

目前,許多高校的宿舍管理僅由宿管人員檢查,雖然有一定的監(jiān)察作用,但不可避免地存在一定的疏忽,而“虛擬卡”則能很好地進行實時監(jiān)測,有效地提高安全性。

3.2 方案的可行性分析

3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)通過近紅外激光器將具有一定結(jié)構(gòu)特征的光線投射到被拍攝物體上,再由紅外攝像頭采集不同的圖像相位信息,然后根據(jù)計算,就能得出物體的三維結(jié)構(gòu)。用戶只需在攝像頭前被捕捉到面部畫面即可完成驗證,并且能夠有效防守紙張、面具、手機屏幕等各類道具的攻擊;分析時間從之前的1~2 s壓縮到了ms級;不受環(huán)境光線強弱的影響,極大地擴展了人臉識別技術(shù)的應(yīng)用場景,如上課簽到、考試身份驗證、校園安保監(jiān)控、食堂就餐、圖書館借閱等。

3D結(jié)構(gòu)光彌補了TOF技術(shù)和雙目測距技術(shù)分辨率低、效率低、算法難、精度差等方面的不足,在軟件復(fù)雜度和低光環(huán)境表現(xiàn)上更具優(yōu)勢。

4 結(jié)語

本文通過多渠道調(diào)研提出基于3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的校園卡替代方案。首先介紹面部識別的發(fā)展現(xiàn)狀,引出3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的概念并對比其他3D深度攝像技術(shù)分析其優(yōu)勢,其次對3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)測量系統(tǒng)原理及硬、軟件組成進行研究,最后闡明3D結(jié)構(gòu)光這一虛擬技術(shù)替代實體卡的現(xiàn)實意義和可行性。