人臉識別車輛解鎖系統設計與驗證

王振陽 程志偉 黃宏成, 劉彥博 時良仁

(1.上海交通大學汽車電子控制技術國家工程實驗室； 2.上海交通大學學生創新中心，上海市 200240)

0 引言

隨著技術的進步，電子鑰匙和以此為基礎的無鑰匙進入已逐步取代機械鑰匙，成為車輛解鎖的主流方式。與機械鑰匙相比，電子鑰匙更加安全便捷，但作為一種與車輛分離的解鎖憑證，仍存在遺落和失竊的風險。人臉等生物特征作為解鎖憑證，具有特異性強、不易破解等優勢，且與用戶綁定，不存在遺落的風險，在消費電子產品中已有廣泛應用，但在汽車領域還較為罕見。本文提出了一種以人臉作為解鎖憑證的車輛解鎖系統，給出了其軟硬件方案，并對其可行性進行了驗證。

1 相關研究

廣義的人臉識別包含圖像預處理、人臉(位置)檢測、人臉(特征)識別等過程，其中較為重要的是人臉檢測和人臉識別。

人臉檢測的常用算法可分為基于知識的算法(如Yang等[1]提出的基于分層知識的人臉檢測方法)、基于不變特征的算法(如Sirohey[2]提出的基于Canny算子的人臉檢測方法)和基于統計模型的算法(如Osuna等[3]提出的基于支持向量機的人臉檢測方法)。其中，基于統計模型的算法效果較好，在人臉檢測中應用廣泛。

人臉識別的常用算法可分為基于幾何特征的算法和基于模板匹配的算法。與側重于局部特征的前者不同，后者計算全局的相關性，具有更好的總體性能。近年來基于深度學習的算法(屬于模板匹配法)在人臉識別領域占主導地位。深度學習將特征提取和特征識別過程融為一體，可以較好的處理隱形特征，極大地提高了人臉識別的準確度，使基于人臉的解鎖系統具備了可行性。

早期的人臉識別多基于靜態二維圖像，存在特征復制和偽造的風險。為保證系統的安全性，需要引入活體檢測過程。真實人臉和偽造人臉在圖像紋理、運動特征、立體結構等方面都存在區別。對于常見的以照片等人臉采集結果冒充真實人臉的情況，可以根據一次采集和二次采集的圖像紋理特征加以區分。特征可以手工提取，還可采用深度學習算法自動提取特，后者準確率更高、魯棒性更強。

2 系統的軟硬件設計

2.1 硬件選型與布置

在硬件層面，基于人臉識別的車輛解鎖系統可分為感知模塊、執行模塊、人機交互模塊、計算與控制模塊以及電源模塊。其中，感知模塊用于獲取人臉圖像，執行模塊用于控制車輛解鎖，人機交互模塊用于獲取用戶輸入和顯示指示性信息。計算與控制模塊是系統的核心模塊，上述模塊都受其控制，并與其存在信息交流；此外，人臉識別算法和車聯解鎖控制邏輯也由計算與控制模塊實現。電源模塊用于為其他模塊供電。系統的總體架構參見圖1。

感知模塊的核心是視覺傳感器。僅考慮人臉識別算法，單目相機即可取得較高的準確率。但單目相機辨別偽造生物特征的能力相對較弱，為了提高安全性，可采用雙目相機、深度相機或單目相機與3D結構光傳感器的組合，以提供附加信息。系統還應具備弱光照條件的適用性，因此，建議配備閃光燈或采用夜視相機。

計算與控制模塊可分為計算、外部控制、內部控制、存儲等子模塊。其中，計算子模塊用于實現人臉識別等算法，外部控制子模塊用于控制車輛解鎖邏輯，內部控制子模塊用于計算與控制模塊自身的控制，存儲子模塊用于存儲設置、參考、日志等各種信息。上述子模塊既可以是同一硬件上的不同軟件，也可以是獨立的硬件，存儲模塊還可以在車輛之外(云端)。

圖1 系統的總體架構

Fig.1 Overall architecture of the system

車輛解鎖系統在車輛中擁有較高權限，對車輛安全至關重要，一般隨車提供；車輛解鎖系統的作用時間一般只占車輛使用時間的一小部分；車輛解鎖系統的部分功能與其他系統存在重合?；谏鲜鲈?，可以考慮將車輛解鎖系統與其他系統整合。感知模塊的傳感器可與自動駕駛或高級駕駛輔助系統(ADAS)共用；執行模塊可直接利用現有的車鎖和點火開關，預留相應的控制信道(或直接將現有的控制單元作為計算與控制模塊的外部控制子模塊)；人機交互模塊可在現有車機中添加相應的程序；計算與控制模塊可以配備單獨的微處理器，也可以利用車輛的計算力(如ADAS的計算單元、車機的處理器等)；電源模塊可利用車輛的直流電源。上述整合既可節約成本，又可提高硬件的利用率，避免浪費。

硬件的布置需要適應功能需求和車內空間條件。對于車門解鎖和后備箱解鎖，感知模塊的傳感器可安裝在B柱(前車門)、C柱(后車門)、后備箱上沿(三廂車后備箱)或懸挑在車窗內側(前、后車門及后備箱)；對于啟動解鎖，傳感器可安裝在主后視鏡鏡面偏駕駛員一側或前擋風玻璃駕駛員前上方，朝向駕駛員?？傊?，以用戶解鎖時面部正對傳感器為佳。其他模塊多與現有系統整合，可參考現有系統的安裝布置。模塊間的通信可采用CAN總線。