3D人臉識(shí)別技術(shù)在入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

李小民，李欣然，李靜怡，古書(shū)銘

(1.珠?？萍紝W(xué)院電子信息工程學(xué)院，廣東珠海 519041；2.河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300401)

0 引言

入侵檢測(cè)系統(tǒng)是利用傳感器技術(shù)和電子信息技術(shù)探測(cè)非法對(duì)象進(jìn)入防范區(qū)域、實(shí)時(shí)報(bào)警并進(jìn)行應(yīng)急處置的綜合性安防系統(tǒng)，可廣泛應(yīng)用在敏感區(qū)域（如軍事?tīng)I(yíng)區(qū)、政府部門(mén)等）、廠區(qū)、營(yíng)業(yè)場(chǎng)所等，為防范非法侵入提供預(yù)防性警示，避免惡性事件發(fā)生。但目前的入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用震動(dòng)探測(cè)、紅外探測(cè)、聲響探測(cè)、激光探測(cè)和觸發(fā)探測(cè)等被動(dòng)防御手段，很難做到御敵于先，而且識(shí)別偽裝性侵入的效果差，此外設(shè)備布防煩瑣，應(yīng)用不便[1]。而人臉識(shí)別技術(shù)是近來(lái)引起廣泛關(guān)注的生物識(shí)別技術(shù)，它具有目標(biāo)識(shí)別魯棒性高、可同時(shí)識(shí)別多個(gè)目標(biāo)、可對(duì)威脅等級(jí)進(jìn)行評(píng)估等優(yōu)點(diǎn)，還可以和門(mén)禁系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合構(gòu)成功能更加豐富的組合式入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，應(yīng)用面寬[2]。但目前這類(lèi)系統(tǒng)主要采用單目視覺(jué)成像，不能有效識(shí)別目標(biāo)輪廓的深度特征，對(duì)偽裝目標(biāo)的識(shí)別效果不佳，特別是防范平面式成像載體的侵入（如照片、視頻、頭模等）效果差[3]。有鑒于此，探索研究一種基于3D 人臉識(shí)別的主動(dòng)式、高可靠性入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)非常必要。

1 系統(tǒng)功能與組成

本文將3D 人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于入侵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[4-5]，系統(tǒng)具有“上位機(jī)+下位機(jī)”的分層架構(gòu)，上位機(jī)主要用于探測(cè)識(shí)別入侵對(duì)象，下位機(jī)主要進(jìn)行入侵行為的統(tǒng)計(jì)分析并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視。系統(tǒng)的主要功能如下：

1)入侵對(duì)象探測(cè)

通過(guò)體感雷達(dá)傳感器在一定范圍內(nèi)掃描探測(cè)入侵對(duì)象，若有對(duì)象進(jìn)入則自動(dòng)激活人臉識(shí)別設(shè)備工作。

2)入侵對(duì)象人臉識(shí)別

激活后的人臉識(shí)別設(shè)備，實(shí)時(shí)采集入侵對(duì)象的3D 人臉圖像數(shù)據(jù)，并分別與合法對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)和非法對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配比較，進(jìn)而判別其身份。

3)非法對(duì)象標(biāo)記

對(duì)多次侵入的非法對(duì)象進(jìn)行標(biāo)記，拉入黑名單，并將其人臉圖像數(shù)據(jù)存入非法對(duì)象數(shù)據(jù)庫(kù)。

4)非法入侵告警

通過(guò)人臉識(shí)別，若判別當(dāng)前的對(duì)象非法，則一方面通過(guò)語(yǔ)音、燈光和警鈴進(jìn)行告警；另一方面通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)上報(bào)給上位機(jī)，對(duì)侵入對(duì)象進(jìn)行在線監(jiān)視或遙控處置操作。

5)入侵行為統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)一定時(shí)間內(nèi)，對(duì)非法入侵對(duì)象的人數(shù)、入侵時(shí)間、入侵姿態(tài)等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)而給下一步的安全防范提供信息支持。

可實(shí)現(xiàn)以上5 項(xiàng)功能的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示，系統(tǒng)主要分上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分。

其中下位機(jī)部分主要由單片機(jī)微處理器、體感雷達(dá)模塊、人臉識(shí)別模塊、大容量存儲(chǔ)器和LED 顯示器等構(gòu)成。體感雷達(dá)模塊采用毫米波雷達(dá)技術(shù)來(lái)探測(cè)侵入對(duì)象的存在性和侵入距離，并自動(dòng)激活人臉識(shí)別模組工作；人臉識(shí)別模塊和大容量存儲(chǔ)器共同構(gòu)成人臉識(shí)別組件，其中存儲(chǔ)器用來(lái)存放事前采集的合法對(duì)象人臉樣本，人臉識(shí)別模塊主要用來(lái)適時(shí)采集侵入對(duì)象的人臉圖像并進(jìn)行匹配識(shí)別；LED顯示器用來(lái)顯示人臉識(shí)別結(jié)果等提示信息；微處理器在后臺(tái)進(jìn)行全系統(tǒng)硬件的協(xié)調(diào)控制；當(dāng)發(fā)現(xiàn)了非法侵入對(duì)象就通過(guò)聲光報(bào)警模塊進(jìn)行告警。

上位機(jī)分部分主要包括兩大模塊，其中PC 機(jī)用來(lái)對(duì)防區(qū)內(nèi)所有的非法侵入對(duì)象進(jìn)行監(jiān)視、跟蹤、統(tǒng)計(jì)和應(yīng)急處置調(diào)度；手機(jī)用來(lái)顯示入侵對(duì)象的人臉照片，進(jìn)行伴隨式告警提醒，協(xié)調(diào)安防人員統(tǒng)一行動(dòng)。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件以微處理器為核心，基于模塊思想搭建，其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、人臉識(shí)別模塊、體感雷達(dá)檢測(cè)模塊等6個(gè)功能模塊構(gòu)成。

體感雷達(dá)檢測(cè)模塊主要用于實(shí)時(shí)檢測(cè)入侵對(duì)象[6]，若入侵對(duì)象進(jìn)入到防范區(qū)域，通過(guò)該模塊可實(shí)時(shí)得到入侵對(duì)象的距離和角度兩維信息，并激活人臉識(shí)別模塊工作。在本系統(tǒng)中選用了HLK-LD7901B人體存在感應(yīng)雷達(dá)模塊，它是一種基于79GHz毫米波的雷達(dá)感應(yīng)模組，可在0.15m-15m距離范圍內(nèi)感知人體的存在，它通過(guò)串口與微處理相連，具有即插即用特點(diǎn)。

人臉識(shí)別模塊用于采集入侵對(duì)象的人臉信息，并與預(yù)先存儲(chǔ)的樣本進(jìn)行比對(duì)。若一致，則判別為合法對(duì)象，否則為非法對(duì)象[7]。本系統(tǒng)選用了A31L18M+視覺(jué)模組，它通過(guò)三個(gè)攝像頭進(jìn)行3D立體成像，并自帶人臉識(shí)別算法，能自動(dòng)完成人臉圖像采集、人臉捕捉定位、人臉特征提取和與樣本比對(duì)。該視覺(jué)模組與微處理器通過(guò)串口進(jìn)行通信，微處理器可發(fā)出“樣本錄入”和“人臉識(shí)別”兩類(lèi)指令，進(jìn)而控制該視覺(jué)模組在樣本錄入模式和人臉識(shí)別模式之間切換。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊采用了8266Wi-Fi 通信組件[8-9]，可將入侵對(duì)象的進(jìn)入時(shí)間、性別、識(shí)別結(jié)果等參數(shù)通過(guò)Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)傳輸給移動(dòng)監(jiān)測(cè)端的手機(jī)，用于伴隨式入侵監(jiān)測(cè)。8266Wi-Fi組件通過(guò)串口與微處理器相連，工作前需要先配置網(wǎng)絡(luò)的IP 地址和端口號(hào)，網(wǎng)絡(luò)連通后即可傳送數(shù)據(jù)。

液晶顯示模塊主要用于圖示化的人機(jī)交互操作。本系統(tǒng)選用了1.54 寸OLED 12864 液晶顯示模塊[10]，它通過(guò)I2C總線與微處理器相連。

嵌入式微處理器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制。基于體感檢測(cè)和人臉識(shí)別的需要，本系統(tǒng)選用了STM32F103C8T6 型微處理器，其最高72MHz 工作頻率，256K片內(nèi)容量和多達(dá)5個(gè)串口能滿(mǎn)足本系統(tǒng)人臉識(shí)別和數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>

圖2 系統(tǒng)硬件組成框圖

3 人臉檢測(cè)識(shí)別

在探測(cè)人體存在的情況下，通過(guò)人臉識(shí)別判斷對(duì)象的屬性是本系統(tǒng)的核心功能。而通常人臉識(shí)別主要分兩個(gè)階段，一是事前錄入合法對(duì)象的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)。在錄入過(guò)程中為了降低誤識(shí)率可在不同的人臉傾角下，錄入盡量多的樣本；二是實(shí)時(shí)進(jìn)行人臉識(shí)別。通過(guò)將實(shí)時(shí)采集的人臉圖像與存儲(chǔ)的人臉圖像樣本進(jìn)行匹配比較。若一致，則為合法對(duì)象，否則為非法對(duì)象[11]。

為了有效屏蔽照片、視頻及各種頭模和假人的非法侵入攻擊，提高對(duì)入侵對(duì)象檢測(cè)的可靠性，本系統(tǒng)選用了A31L18M+視覺(jué)模組，它支持多模態(tài)活體檢測(cè)，并支持最多100個(gè)人臉的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)，且人臉識(shí)別快速，識(shí)別時(shí)間小于1秒。而為了提高人臉識(shí)別的精度，降低誤識(shí)率，該模組綜合采用了雙目立體視覺(jué)+主動(dòng)紅外補(bǔ)光+條紋結(jié)構(gòu)光組合技術(shù)[12]。通過(guò)采用雙目立體視覺(jué)技術(shù)，利用雙攝像頭，基于視差原理可獲取入侵對(duì)象的3D人臉數(shù)據(jù)。而3D人臉數(shù)據(jù)比2D人臉數(shù)據(jù)多了一維深度信息，因此能更準(zhǔn)確地表達(dá)出人臉各個(gè)角度的特征，人臉模型也更精確，活體檢測(cè)的準(zhǔn)確度也更高；此外該模組還通過(guò)激光頭發(fā)射特定條紋的結(jié)構(gòu)光，該結(jié)構(gòu)光在不同的人臉部位會(huì)產(chǎn)生不同的形變，而通過(guò)檢測(cè)這些不同的形變就可得到人臉的深度數(shù)據(jù)，將該深度數(shù)據(jù)和通過(guò)雙目立體視覺(jué)得到的深度數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，可在50 毫米的基線下測(cè)量0.2 米到6米范圍內(nèi)的深度信息，1 米距離內(nèi)的探測(cè)精度可達(dá)1毫米。因此通過(guò)數(shù)據(jù)融合就可精確地重構(gòu)出人臉的三維模型；而且該視覺(jué)模組還通過(guò)主動(dòng)紅外補(bǔ)光，可在低照度昏暗環(huán)境中對(duì)人臉進(jìn)行可靠的檢測(cè)識(shí)別。

人臉檢測(cè)和識(shí)別的基本流程如圖3所示。

系統(tǒng)工作時(shí)，先通過(guò)雙目攝像頭采集包含人臉的整幅原始圖像，并對(duì)該圖像進(jìn)行光線補(bǔ)償、灰度校正、幾何校正、噪聲過(guò)濾及銳化等預(yù)處理以降低隨機(jī)干擾的影響。然后再采用邊緣檢測(cè)等方法檢測(cè)人臉在整幅圖像中的位置，達(dá)到人臉檢測(cè)捕獲的目的。接著再精細(xì)分割圖像來(lái)標(biāo)記人臉的坐標(biāo)，給眉毛、眼睛、鼻子、嘴巴、下巴、耳朵和臉部輪廓等特征點(diǎn)進(jìn)行定位，再通過(guò)若干組多維特征向量來(lái)表示各個(gè)特征點(diǎn)的信息，這些信息中通常包括RGB 色度信息、灰度信息和深度信息等數(shù)據(jù)。人臉識(shí)別主要是計(jì)算歐氏距離，即計(jì)算實(shí)時(shí)采集的人臉特征數(shù)據(jù)與樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中的人臉特征數(shù)據(jù)之間的多維差值，并將歐式距離與預(yù)先設(shè)定的閾值進(jìn)行比較，若小于閾值，則人臉識(shí)別成功，表明該人臉圖像存在于樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中，為合法對(duì)象，否則表明當(dāng)前對(duì)象為非法入侵對(duì)象。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了檢測(cè)本系統(tǒng)對(duì)非法對(duì)象的識(shí)別情況，利用搭建完成的系統(tǒng)樣機(jī)在不同照度環(huán)境、不同侵入姿態(tài)和不同侵入載體等情況下進(jìn)行了測(cè)試。對(duì)于不同的照度環(huán)境，測(cè)試時(shí)設(shè)置了兩種場(chǎng)景，一種是日光情況下的常規(guī)使用場(chǎng)景，另一種是夜晚沒(méi)有補(bǔ)光燈情況下的低照度昏暗場(chǎng)景；對(duì)于不同的侵入姿態(tài)，主要針對(duì)入侵對(duì)象以正臉、15°側(cè)臉、30°側(cè)臉、45°側(cè)臉?biāo)姆N方式進(jìn)行了人臉識(shí)別測(cè)試；對(duì)于不同的侵入載體，主要對(duì)比測(cè)試了真人和照片兩種載體。此外在測(cè)試前，在0°～45°范圍內(nèi)，以15°為間隔，提前采集錄入左右兩側(cè)、不同角度的人臉樣本并存入數(shù)據(jù)庫(kù)，合計(jì)每個(gè)測(cè)試對(duì)象錄入8組樣本。在實(shí)際測(cè)試中若不能得到正確的人臉識(shí)別結(jié)果，說(shuō)明在合法的樣本數(shù)據(jù)庫(kù)中沒(méi)有該對(duì)象，亦即表明識(shí)別出了非法侵入對(duì)象。測(cè)試結(jié)果分別如表1和表2所示，而且測(cè)試結(jié)果也通過(guò)圖4所示的系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件截圖，較全面地展示了入侵監(jiān)測(cè)的總體情況。

測(cè)試結(jié)果表明，在不同的測(cè)試條件下人臉識(shí)別均在1秒內(nèi)完成，滿(mǎn)足人臉識(shí)別的快速性要求。當(dāng)侵入對(duì)象的姿態(tài)小于30°時(shí)，能得到更豐富的人臉特征數(shù)據(jù)，正確識(shí)別率也更高。當(dāng)侵入對(duì)象的姿態(tài)大于30°時(shí)，人臉特征數(shù)據(jù)明顯減少，正確識(shí)別率也迅速下降。由于本系統(tǒng)采用的A31L18M+視覺(jué)模組具有主動(dòng)紅外補(bǔ)光功能，因此在低照度情況下也能可靠地進(jìn)行人臉識(shí)別。采用照片這種平面載體進(jìn)行人臉識(shí)別時(shí)，由于不具備活體生物特征，因此得不到正確的識(shí)別結(jié)果，亦即表明能準(zhǔn)確判斷其為非法入侵對(duì)象。

表2 不同光照度情況下的測(cè)試結(jié)果（樣本數(shù)8/人）

圖4 系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件截圖

5 總結(jié)

隨著信息處理技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的飛速發(fā)展，人臉識(shí)別已逐步融入人們生活的各個(gè)角落，并在諸多領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。具體到入侵檢測(cè)領(lǐng)域，基于活體檢測(cè)的3D 人臉識(shí)別技術(shù)能有效防范利用照片、視頻及各種頭模和假人的攻擊，相比其他檢測(cè)手段，對(duì)偽裝對(duì)象的檢識(shí)率高、誤識(shí)率低，而且系統(tǒng)設(shè)備組配簡(jiǎn)單，布防靈活，非常適合在敏感區(qū)域（如野戰(zhàn)營(yíng)區(qū)、臨時(shí)演習(xí)場(chǎng)等）用于安防警戒，防范非法對(duì)象的入侵。