基于Android終端服務(wù)響應(yīng)式人臉識(shí)別系統(tǒng)研究

馮宗越 許鵬 徐媛媛 黃永生

摘? 要：現(xiàn)有人臉識(shí)別技術(shù)基本基于遠(yuǎn)程服務(wù)調(diào)用實(shí)現(xiàn)，需要依靠多種網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)。文中設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Wi-Fi直連的移動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)，遠(yuǎn)端服務(wù)器全部依賴于Android客戶端實(shí)現(xiàn)服務(wù)調(diào)用和響應(yīng)。同時(shí)將Wi-Fi直連技術(shù)與圖像識(shí)別技術(shù)相結(jié)合，在一臺(tái)Android設(shè)備上完成圖像采集和Wi-Fi直連傳送，在另一臺(tái)Android設(shè)備上完成圖像的Wi-Fi接收和識(shí)別，從而在整體上完成移動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)終端；人臉識(shí)別；Android；Wi-Fi直連

中圖分類號(hào)：TP311? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）09-0107-04

Abstract： The existing face recognition technology is basically based on remote service invocation， relying on a variety of network transmission technologies. This paper designs and implements a mobile image recognition system based on Wi-Fi direct connection. Remote servers rely entirely on Android clients for service calls and responses. Simultaneously combining Wi-Fi direct connection technology with image recognition technology， image acquisition and Wi-Fi direct connection transmission are completed on one Android device， and Wi-Fi reception and recognition of images are completed on another Android device， thus completing the overall design of the mobile image recognition system.

Keywords： mobile terminal; face recognition; Android; Wi-Fi direct connection

0? 引? 言

科學(xué)技術(shù)以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展使得人們的生活越來(lái)越多樣化、信息化[1]。例如當(dāng)今比較成熟的指紋識(shí)別技術(shù)，在智能設(shè)備上已經(jīng)得到非常廣泛的應(yīng)用。在門禁系統(tǒng)、國(guó)家安全部門人員驗(yàn)證領(lǐng)域應(yīng)用的人臉識(shí)別技術(shù)，具有較高的可信度。國(guó)內(nèi)外的一些廠商和科研機(jī)構(gòu)都在進(jìn)一步深入研究相關(guān)的人臉識(shí)別技術(shù)以及應(yīng)用場(chǎng)景，已經(jīng)出現(xiàn)了各種高規(guī)格的應(yīng)用場(chǎng)所，這一切都意味著人臉識(shí)別系統(tǒng)將日益普及[2]。

本文研究基于Android系統(tǒng)的Wi-Fi直連技術(shù)，并結(jié)合人臉識(shí)別相關(guān)算法，實(shí)現(xiàn)了基于Wi-Fi直連的移動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有高度的靈活性、移動(dòng)性、高效性等特點(diǎn)。

1? 系統(tǒng)分析

基于Wi-Fi直連的移動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)研究主要包括基于Android平臺(tái)的Wi-Fi直連實(shí)現(xiàn)部分，以及人臉圖像相關(guān)算法的實(shí)現(xiàn)部分。系統(tǒng)基于Android平臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研發(fā)，Android平臺(tái)具有高度靈活性、極易移植性等特點(diǎn)，方便系統(tǒng)進(jìn)行Wi-Fi直連的相關(guān)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)結(jié)合人臉圖像識(shí)別算法的相關(guān)研究，可達(dá)到綜合各個(gè)學(xué)科技術(shù)，研究發(fā)掘新的應(yīng)用模式的目的。該模式將告別C/S（客戶端/服務(wù)器）模式，而是建立在對(duì)等的基礎(chǔ)之上，即兩端都是平等相同的，都可以選擇是作為人臉識(shí)別服務(wù)器端還是人臉圖像采集端。

1.1? 人臉識(shí)別服務(wù)器端的系統(tǒng)分析

該系統(tǒng)服務(wù)器端一方面為另一端的人臉圖像采集端的操作提供接口服務(wù)，另一方面為程序的運(yùn)行及系統(tǒng)資源管理提供各項(xiàng)服務(wù)。相對(duì)于人臉圖像采集端，該服務(wù)器端是一個(gè)基于Wi-Fi直連的為采集端提供各項(xiàng)服務(wù)后臺(tái)的服務(wù)端。人臉識(shí)別服務(wù)器端主要包含Wi-Fi AP直連熱點(diǎn)建立、算法測(cè)試、訓(xùn)練圖像采集、判斷識(shí)別等功能。服務(wù)器端的主要功能分析如表1所示。

1.2? 人臉采集端的系統(tǒng)分析

人臉采集端中的功能模塊相對(duì)比較少。其中為了防止其他用戶隨意使用該采集端進(jìn)行非法操作，所以設(shè)置了用戶名和密鑰來(lái)核對(duì)用戶的合法性。當(dāng)驗(yàn)證通過(guò)才會(huì)進(jìn)入服務(wù)頁(yè)面，人臉采集端需求分析如表2所示。

2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Android系統(tǒng)采用了Java的運(yùn)行虛擬機(jī)技術(shù)，使得Android系統(tǒng)在跨平臺(tái)上有著極大的優(yōu)越性。本章節(jié)就是利用了Android平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Wi-Fi直連的人臉識(shí)別系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成到一個(gè)獨(dú)立的APP應(yīng)用上，只要安裝上就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程范圍內(nèi)的人臉進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。其原理是：一臺(tái)設(shè)備用來(lái)采集和發(fā)送圖像，另一臺(tái)Android設(shè)備用來(lái)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)及進(jìn)行訓(xùn)練識(shí)別等操作。結(jié)合本節(jié)研究的Wi-Fi直連的AP直連方式，實(shí)現(xiàn)兩臺(tái)Android設(shè)備之間的直接通信，而不需要額外的無(wú)線介質(zhì)。當(dāng)然圖像數(shù)據(jù)采集端也可以是小型的單片機(jī)或者Linux系統(tǒng)的嵌入式設(shè)備等。

本部分利用Android平臺(tái)所具有的優(yōu)勢(shì)來(lái)完成圖像數(shù)據(jù)采集。提出一種人臉識(shí)別系統(tǒng)的新思路，可以根據(jù)該對(duì)等模式來(lái)進(jìn)行實(shí)際的應(yīng)用研究，例如小型智能化移動(dòng)人臉識(shí)別系統(tǒng)、臨時(shí)的安全人臉檢測(cè)系統(tǒng)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1? 人臉圖像采集端設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的采集端是基于Android平臺(tái)開發(fā)的，該系統(tǒng)除了基礎(chǔ)模塊外，還包括圖像采集模塊、裁剪模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、登錄驗(yàn)證模塊等[3]。該采集端是基于Wi-Fi AP接入點(diǎn)與人臉識(shí)別服務(wù)器端進(jìn)行直連通信。其運(yùn)行流程如下：

1）系統(tǒng)啟動(dòng)首先會(huì)進(jìn)入開始頁(yè)面，隨后跳轉(zhuǎn)到登錄界面，登錄界面會(huì)要求輸入用戶名和密碼，點(diǎn)擊登錄會(huì)執(zhí)行checkLogin（）函數(shù)驗(yàn)證手機(jī)號(hào)和密鑰是否正確，正確后函數(shù)返回boolean值True并依次執(zhí)行下一服務(wù)。

2）通過(guò)上述的驗(yàn)證服務(wù)后，進(jìn)入主服務(wù)界面。在驗(yàn)證之前要首先調(diào)用攝像頭采集人臉圖像，當(dāng)成功返回完攝像頭采集的圖像后，還需要對(duì)該圖像進(jìn)行裁剪。裁剪成81×81大小的圖像，裁剪完成后，該圖像會(huì)顯示在該頁(yè)面的ImageView控件上，讓用戶去選擇是否使用該圖片，還是選擇重新采集人臉圖像。

3）確定好要識(shí)別的人臉圖像后，點(diǎn)擊驗(yàn)證按鈕，圖像數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)Wi-Fi直接傳送到人臉識(shí)別服務(wù)器端，等待服務(wù)器端返回的識(shí)別結(jié)果。如果返回結(jié)果為1，表示圖像發(fā)送成功，且已得到服務(wù)器端識(shí)別響應(yīng)；其余情況則表示未正確得到服務(wù)器端的響應(yīng)。

4）以上為一張人臉圖像識(shí)別的完整過(guò)程，如果需要再次識(shí)別，則只需從第2步驟執(zhí)行即可。

以下為人臉系統(tǒng)采集端的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)：

1）啟動(dòng)該系統(tǒng)，首先進(jìn)入啟動(dòng)頁(yè)面，隨后進(jìn)入到登錄頁(yè)面，需要校驗(yàn)手機(jī)號(hào)和密鑰，校驗(yàn)通過(guò)之后，跳轉(zhuǎn)到采集端的主要服務(wù)頁(yè)面。分別如圖2所示。

2）人臉圖像的采集主要依靠該系統(tǒng)的圖像采集模塊。點(diǎn)擊采集圖像按鈕會(huì)調(diào)用Android系統(tǒng)的攝像頭進(jìn)行圖像采集，圖像采集結(jié)束后，返回的圖像數(shù)據(jù)，并不是所需要的最終圖像數(shù)據(jù)。

3）采集的圖像數(shù)據(jù)，根據(jù)Android系統(tǒng)的不一致以及硬件的不同，所以圖像數(shù)據(jù)也不同，還需要進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)化裁剪等工作。系統(tǒng)調(diào)用圖像裁剪模塊，裁剪出標(biāo)準(zhǔn)的81×81大小的圖像。當(dāng)裁剪成功后，會(huì)將人臉圖像顯示到該頁(yè)面的ImageView控件上。

4）經(jīng)過(guò)圖像的采集、標(biāo)準(zhǔn)化工作后，使得這些圖像達(dá)到正常識(shí)別的圖像標(biāo)準(zhǔn)。點(diǎn)擊驗(yàn)證按鈕后，系統(tǒng)首先會(huì)把圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到移動(dòng)服務(wù)器端，等待返回?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)返回不同的數(shù)據(jù)來(lái)判斷驗(yàn)證的結(jié)果。移動(dòng)Android系統(tǒng)采集端的流程圖如圖3所示。

2.2? 移動(dòng)人臉識(shí)別服務(wù)器端設(shè)計(jì)

服務(wù)器端充分利用Android平臺(tái)來(lái)開發(fā)，所有的Android設(shè)備都可以集成該功能。服務(wù)器端主要包含有Wi-Fi模塊（保證網(wǎng)絡(luò)通信）、測(cè)試模塊（測(cè)試是否可以正常識(shí)別）、采集人臉圖像模塊、數(shù)據(jù)處理模塊（執(zhí)行圖像的裁剪等功能）、網(wǎng)絡(luò)模塊（保證圖像數(shù)據(jù)的接收以及結(jié)果的返回）等。該服務(wù)器端開啟某個(gè)端口，實(shí)時(shí)接收采集端發(fā)送過(guò)來(lái)需要識(shí)別的人臉圖像數(shù)據(jù)，一旦接收到需要識(shí)別的圖像數(shù)據(jù)之后，顯示在服務(wù)器的ImageView圖片控件上，同時(shí)進(jìn)行識(shí)別，當(dāng)服務(wù)器完成這一過(guò)程之后返回值1，其他情況返回非1值。系統(tǒng)的各個(gè)模塊做如下介紹。

2.2.1? Wi-Fi AP直連模塊

系統(tǒng)啟動(dòng)后首先會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁(yè)面，需要設(shè)置Wi-Fi AP直連的SSID和密鑰。點(diǎn)擊開啟后就可以正常的啟用Wi-Fi AP，成功開啟后人臉圖像采集端就可與該服務(wù)器直接進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)通信。只有當(dāng)AP直連成功開啟后才能進(jìn)入下一功能頁(yè)面。Wi-Fi AP直連的設(shè)置頁(yè)面如圖4所示。

2.2.2? 功能選擇與測(cè)試模塊

在上一步成功開啟Wi-Fi AP熱點(diǎn)后，進(jìn)入下一服務(wù)。該服務(wù)頁(yè)面主要包括五個(gè)選項(xiàng)，分別是開啟服務(wù)、測(cè)試服務(wù)、設(shè)備信息、幫助、退出系統(tǒng)。進(jìn)入系統(tǒng)后可以首先測(cè)試該系統(tǒng)的訓(xùn)練和識(shí)別算法是否可以正常運(yùn)行。圖5為測(cè)試服務(wù)頁(yè)面。

測(cè)試功能首先對(duì)SD卡特定路徑下的圖片進(jìn)行訓(xùn)練，得到各個(gè)圖像的特征。然后可以選擇SD卡下特定的測(cè)試路徑的某張圖片來(lái)進(jìn)行識(shí)別。例如選擇測(cè)試庫(kù)的第1張圖像來(lái)測(cè)試，如圖5將識(shí)別的人臉圖片和測(cè)試圖片顯示出來(lái)。

2.2.3? 訓(xùn)練模塊等相關(guān)頁(yè)面

該模塊一方面啟動(dòng)訓(xùn)練操作，另一方面開啟網(wǎng)絡(luò)端口的監(jiān)聽等功能。其部分擁有Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的通信功能、圖像訓(xùn)練及識(shí)別部分、增加人臉識(shí)別訓(xùn)練庫(kù)部分功能。為了讓某個(gè)人臉能夠通過(guò)識(shí)別，就需要使用增加該人臉圖像到庫(kù)的功能。當(dāng)增加人臉到訓(xùn)練人臉庫(kù)后，首先需要對(duì)該庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練結(jié)束后才能開啟識(shí)別服務(wù)。如圖6（a）為主要服務(wù)界面，圖6（b）為正在對(duì)訓(xùn)練庫(kù)進(jìn)行訓(xùn)練。

3? 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)進(jìn)入實(shí)際使用之前，系統(tǒng)測(cè)試是必不可少的工作。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的功能缺陷、系統(tǒng)漏洞、系統(tǒng)性能不足等問(wèn)題。系統(tǒng)測(cè)試主要從功能測(cè)試和性能測(cè)試上進(jìn)行[4]，下面首先對(duì)人臉采集端的功能進(jìn)行測(cè)試。

人臉采集端通過(guò)一系列步驟或用戶的輸入，與輸出結(jié)果和預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以測(cè)試所設(shè)計(jì)應(yīng)用程序是否達(dá)到要求。測(cè)試用例及結(jié)果如表3所示。

通過(guò)以上測(cè)試來(lái)檢驗(yàn)該應(yīng)用的性能及各項(xiàng)指標(biāo)，通過(guò)表3可得程序測(cè)試通過(guò)。以下將對(duì)人臉識(shí)別服務(wù)器端進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試用例及結(jié)果如表4所示。

經(jīng)過(guò)上面的步驟及測(cè)試工作已經(jīng)做好了充足的準(zhǔn)備。以下將對(duì)主要實(shí)現(xiàn)及成果進(jìn)行展示。為了能從移動(dòng)采集端接收到識(shí)別圖片，需要開啟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器來(lái)不停監(jiān)聽某一個(gè)端口，當(dāng)有采集端發(fā)送圖片流時(shí)，服務(wù)器端讀取到該流后生成圖像，然后調(diào)用識(shí)別函數(shù)，等待識(shí)別結(jié)果，得出結(jié)果后，把該圖像得到的正確地識(shí)別反饋到人臉圖像采集端。

首先，在人臉識(shí)別服務(wù)器端采集多張人臉，作為人臉訓(xùn)練集。每個(gè)人可以采集多張圖像，這樣在進(jìn)行圖像識(shí)別時(shí)有更多特征臉來(lái)進(jìn)行比對(duì)，使識(shí)別結(jié)果更加準(zhǔn)確。

然后，服務(wù)器端對(duì)采集的圖像進(jìn)行訓(xùn)練，為下一步的識(shí)別做好準(zhǔn)備。訓(xùn)練結(jié)束后，系統(tǒng)首先會(huì)提示訓(xùn)練的時(shí)長(zhǎng)。最后，開啟網(wǎng)絡(luò)服務(wù)接收測(cè)試人臉圖像樣本。

圖7為采集的一張人臉圖像，以及服務(wù)器端接收到圖像后進(jìn)行顯示，并且對(duì)是否得到正常識(shí)別的結(jié)果進(jìn)行返回。

圖8顯示，采集端得到了從服務(wù)器端返回的圖片且可以正常被服務(wù)器端接收，并且得到了正確識(shí)別的結(jié)果。

同時(shí)針對(duì)四種機(jī)型（不同的數(shù)據(jù)處理能力，不同的運(yùn)行內(nèi)存）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)分別在500張人臉圖像和1 000張圖像下的人臉庫(kù)上進(jìn)行訓(xùn)練，并且分別對(duì)所耗時(shí)間進(jìn)行記錄。通過(guò)分析，基本配置的設(shè)備都可以滿足圖像訓(xùn)練的需要。

通過(guò)以上測(cè)試，已經(jīng)初步達(dá)到了本章所設(shè)計(jì)與研發(fā)要求。同時(shí)可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行另外的擴(kuò)展工作，例如會(huì)場(chǎng)人員檢測(cè)、門禁控制系統(tǒng)等場(chǎng)景的應(yīng)用[5，6]。

4? 結(jié)? 論

設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了基于Wi-Fi直連的移動(dòng)圖像識(shí)別系統(tǒng)，在兩臺(tái)Android手機(jī)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)直連通信，并且結(jié)合人臉識(shí)別的相關(guān)理論基礎(chǔ)，提出了NIB2DPCA過(guò)完整特征提取方法，并將此方法與Wi-Fi直連技術(shù)相結(jié)合，最終在移動(dòng)Android平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的應(yīng)用研究。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：馮宗越（1990—），男，漢族，山東臨清人，高級(jí)工程師，碩士研究生，研究方向：計(jì)算機(jī)技術(shù)。