人臉識別技術的門禁系統設計與實現

摘要：隨著識別技術的不斷成熟和計算機技術飛速發展，各種基于人體生理特征如指紋、手掌、聲音、視網膜、瞳孔和面紋等識別技術紛紛從實驗室中走出來。目前，從精確實用的角度來看，人臉識別技術是優于其它生物識別技術的身份鑒別方法。針對監控系統和防盜系統獨立工作均具有一定的局限性，本文使用c++集成開發語言，結合先進的人臉識別技術和通信技術，充分利用面向對象設計方法，開發出一套功能較為完備、識別率較高的人臉識別門禁系統，并給出了該系統的結構、軟件的設計實現方案及系統的組成和特點。

關鍵詞：人臉識別；監控；采集；面向對象

引言

近年來，數字圖像技術的應用范圍越來越廣泛，運用生物識別技術的身份驗證則更是由于其在公安(罪犯識別等)、安全監控系統、信用卡驗證等方面的巨大應用前景而越來越成為當前人工智能領域的一個研究熱點。這其中，利用人臉特征進行身份驗證又是最自然最直接的手段，相比于指紋、視網膜、虹膜、基因等其它人體生物特征，它具有直接、友好、方便的特點，更易于為用戶所接受，因此備受關注。

人臉識別技術是根據人的臉面特征唯一性特點而進行的個體識別和確認技術。人的面部特征的唯一性，可以在臉上某一單一器官或部位上得以體現，更重要的是可在這些單一特征之間的位置、距離、角度、數量、形狀和模式等相互關系上得以體現，而且這些面部特征都具有一定的穩定性。當驗證某人的身份時，只要通過某種設備攝錄下他的面部生物學特征，與事先已經儲存著的相關樣本特征進行比較。幾秒鐘內即可完成識別。同許多生物識別技術一樣，人的面部識別技術是近幾年在全球范圍內迅速發展起來的一項安全技術。它依靠面部的二維或三維圖像處理和模式識別來實現鑒別或驗證個體身份目的，具有非接觸性、對被識別對象侵擾少和識別手段隱蔽等特點，在反恐、跟蹤、追逃、打拐、出入口控制、銀行管理等許多領域都有著獨特的應用價值。

利用人臉識別技術和視頻監控技術開發的門禁系統，可廣泛適用于智能管理系統(智能大樓、高級住宅門禁系統)、銀行及金庫門安全系統、醫院血液中心身份管理系統等高可靠性、高安全性的場所。這無疑將成為21世紀遠程監控的新發展趨勢、具有廣泛的應用前景和巨大的市場潛力。

支持向量機的人臉識別算法

人臉識別應包含學習和識別兩個階段、其流程如圖1所示。訓練階段建立支持向量機分類模型，主要步驟為對人臉圖像預處理，獲得人臉區域再利用膚色和幾何特征，獲得人臉特征向量訓練集。由人臉特征向量訓練集建立個體用戶的支持向量機分類模型。識別階段主要步驟為首先由待識別者所聲稱的身份，確定所要使用的支持向量機分類模型，同時對待識別者的人臉圖像進行預處理，獲得人臉區域，再利用膚色和幾何特征提取人臉特征向量，將該向量輸入到所確定的支持向量機模型進行分類，以確定待識別者聲稱的身份真實與否。

系統的組成和功能

門禁系統的組成結構

本系統由攝像控制模塊、報警驅動控制模塊和顯示錄像模塊、門鎖控制模塊四部分組成。攝像控制模塊主要完成人臉圖像的采集、驗證、登記使用人員的人臉圖像，取消人臉和重置使用、以及設定管理人員的權限。攝像控制模塊主要完成各監視點(區)的圖像傳送與控制。報警驅動控制模塊和門鎖控制模塊主要完成各控制點門的開啟、報警等功能。顯示錄像模塊進行實時顯示和錄像。門禁系統的結構如圖1所示。主要包括：①攝像頭；②RS232／485轉換器；③門控制器、配套電鎖：④WINDOWS98驅動軟件及用于圖像顯示、人臉采集處理和管理、驅動的多媒體應用軟件平臺。

人臉識別門禁系統的功能及通信協議

本系統所依賴的攝像頭通過接口與本系統的運行平臺相連。基于人臉識別的門禁系統的接口需求可分為兩個部分：應用編程接口和通訊協議。

應用編程接口

本系統是作為一種軟件部件的形式，嵌入到各種相關應用系統中去，為其提供安全的用戶身份認證服務。為實現這一目的，本系統的客戶部分需要以接口函數的形式提供注冊、認證功能。

通信協議

通訊協議就是通訊各方的約定，沒有固定的格式方法，由開發商自行定義。在實際使用時，由于各種干擾因素，往往會發生誤動作的情況，因此通訊協議必須能抵擋各種干擾因素。為了得到可靠的通訊協議，我們常常在要發送的數據前加同步位，發送的數據后加結束位，以及加入校驗字節等等方法。本系統的網絡通訊協議采用串口控制單片機，不直接與任何網絡通訊硬件設備進行交互。本文中我們確定如下的通訊協議。

1、數據為5個字節，第1字節表示數據校驗位，第2字節表示數據校驗位，第3字節表示數據校驗位，第4字節表示數據位1，第5字節表示數據位2。

2、第1、2、3字節表示校驗位，固定為“P”“Z”“K”；第4字節表示數據位。

3、第4字節即數據1，位=1則繼電器開，位=0則繼電器1關。

4、第3字節即數據2，位=1則繼電器開，位=0則繼電器2關。

因此如果接收到數據PKZ11，首先判斷第1、2、3字節是否=“P”“K”“Z”，再判斷第4、5字節，如果=11，則繼電器開，即電控鎖關。

本系統的目標是使人臉特征向量作為身份認證的手段，對用戶進行認證，判斷該用戶是否為他(她)所聲稱的用戶。因此，根據身份認證和人臉識別技術的特點，系統需要實現以下功能。

(1)人臉檢測和特征提取功能。因為在人臉識別時只需要輸入圖像中人臉的特征向量，而通常輸入的圖像中除了人臉之外還有背景信息包含在里面、所以在進行人臉識別前的首要任務就是要從輸入圖像中將人臉特征向量提取出來。要能有實時的、基于視頻流的人臉檢測、跟蹤和特征提取功能，有效地提取人臉特征向量。

(2)人臉識別功能。要能在提供用戶口令和人臉圖像信息的情況下實現迅速的身份認證，所以系統要具有實時、高效、準確的人臉識別功能。

(3)數據庫管理功能。經常需要向用戶信息數據庫中添加、刪除或修改用戶信息，所以系統需要具有數據庫管理功能，可以將用戶信息保存到數據庫中，并且可以修改或者刪除數據庫中信息。

(4)人臉識別門禁系統還包括錄像監控、門禁控制和報警三大功能，每個功能由若干個相應的子模塊實現。這些功能模塊提供了人臉的采集、校驗、信號的傳送和驅動電路、考勤記錄以及報警等功能。通過計算機可同時對若干個門禁通道和攝像機進行管理，能授權不同的修改權限。開門邏輯可設定為“一人開門”或“多人與開門”方式，即核查一人正確即可開門，或同時對倆人(或三人)的人臉進行“與”校驗，結果正確方可驅動，否則，進行報警。該系統的設計可充分滿足某些特殊門禁管理的需要。對進出人員進出時間、門和電控鎖的狀態、報警情況進行記錄、錄像，人臉校驗的工作流程如圖3所示。報警功能即非法開門報警。當通過非法手段開門時，系統會輸出“非法開門”報警信號，聯動報警系統，保證系統安全可靠地運行。

人臉識別門禁系統的實現及其性能指標

該系統采用微軟公司的可視化編程工具Microsoft Visual Studio 2005作為開發平臺，利用面向對象的分析和設計方法進行程序設計。在本文中，該系統主要屬性有：人臉采集攝像頭、控制面板、攝像機等。首先對各對象的屬性建立需求模型，然后，確定類和對象所屬的主題詞，并按主題詞劃分子系統。

利用面向對象技術實現人臉識別門禁系統的設計，根據P.Coad和E.Yourdon提出的面向對象設計模型，進行系統設計，它主要由“主體部件”、“用戶界面部件”、“任務管理部件”和“數據管理部件”構成。考慮到人臉識別門禁系統由人臉采集、攝像以及驅動電路組成，當系統某個人臉采集攝像頭被觸發時，立即激活相應的模塊，系統的設計完全展現了面向對象設計模型的方法。

軟件界面

根據面向對象的分析和設計方法，建立了相應的系統模型，利用C++編程語言進行程序設計，運行界面由五部分組成。

(1)菜單區。進行系統的初始化設置和操作功能，由系統設置、校驗、查詢狀態、打印、幫助五個菜單項組成。

(2)圖像顯示區。顯示攝像機的圖像信號。

(3)電控鎖(門)狀態顯示區。顯示電控鎖(門)開啟狀態。

(4)狀態條。進行系統日期、時間、報警的顯示。

(5)按鍵控制區。進行攝像機的選擇、云臺控制和鏡頭控制等功能。

性能指標

(1)人像獲取時間小于2秒，人像識別時間小于2秒；

(2)人像檢測率94.5％，錯誤拒絕率小于2％，錯誤接受率小于0.05％；

(3)光照條件：自然光照，普通燈光采光；

(4)視頻輸入：320×240 8bit以上灰度圖像；

(5)數據庫容量：不限(僅取決于數據庫的容量)，每人1－9幅樣本圖像。

結語

人臉識別門禁系統是一種全新的多功能系統，它克服了密碼識別系統的局限，解決了傳統密碼識別系統容易被破解的缺陷，提高了系統的安全性、可靠性，本系統把人臉識別和錄像監控技術有效地結合起來，功能更為完善，更具有商業價值。這種新興的多媒體監控系統將逐步滲透到安全、生產、生活的方方面面。隨著網絡技術、通信技術及計算機技術的發展，它將得到更廣泛的應用。