基于人臉識別技術安防智慧化應用

(成都飛機工業(集團)有限責任公司,四川成都 610073)

21世紀以來,我國社會經濟發展迅速,人們生活質量不斷提高,越來越關注生活環境、安全等,智能家具、安全設備等逐漸被人們提上議程。在一些城市小區中,常常會使用門禁、門卡等方式進行安全管理,這類管理方法存在著一定的缺陷,對門禁卡有較高的依賴度,并且使用的功能較為同時在使用過程中的安全性能不是特別高,在實際應用中逐漸被生物識別技術取代。人臉識別就是一種使用較多的生物識別技術,它具有非接觸性、獨特性,識別率非常高,而且人臉是很難被仿造的,這些優勢是門禁等安全管理方式難以比擬的,因此,其發展前景比較廣闊,尤其是在智慧家居的門禁系,具有很大的施展空間。在這一背景下,本文就人臉識別技術安防智慧化展開研究,設計了一種人臉識別的門禁系統。

1 人臉識別門禁系統設計方案

人臉識別的過程主要是通過人臉檢測和人臉特征提取以及人臉對比共同構成。要想讓人臉門禁系統能夠得到快速有效地使用,一定要先設置一個人臉存儲的信息庫,將所以許可進行訪問的人員信息去完成采集,同時將其存儲到人臉信息的數據庫里。在有訪問者到訪的時候,人臉識別系統能夠獲得訪問者當前的面部信息主要是通過攝像頭去進行的,同時能夠把收集獲得的信息輸入到計算機里,與保存在數據庫里的人臉信息完成意義的比對,在于信息要求保持一致的時候,門禁可以自動地打開,允許訪問者進入其中,這一個過程看起來十分的短暫。可是為了防止信息比對失效,系統一定要在對人像信息和數據庫人像進行比對之前對其給予適當處理,預防表情和光照等多種因素對于采集信息造成干擾,在對其進行了合理的處置之后,通過對人像信息特征能夠完成提取和識別比對的功能,假如比對獲得了成功,計算機會下發開門的指令,門禁系統則會自動地開啟,假如并不成功,門禁系統不但不能夠把門打開,還能夠把來訪者的人臉信息記錄在主機,便于日后進行查詢和處理。

2 系統設計

在設計過程中,本系統的微控制器為STM32系列單片機,設有一串口觸摸屏,主要用于人機交互,設有矩陣鍵盤,主要用于模式選擇、用戶信息輸入等。本系統設有兩個常用模式,分別為密碼模式和人臉識別模式,選擇密碼模式時,用于科將密碼借助于矩陣鍵盤輸入,系統對密碼進行驗證,完成驗證后自動實現開門操作;選擇人臉識別模式時,系統能夠掃描獲取用戶人臉信息,并將其與系統預先存儲的人臉信息比較驗證,符合要求后實現開門操作。系統設有上位機,主要用于收集用戶開門模式、開門時間等[1]。

除了兩個常用模式外,系統還設立了兩個特殊模式,即管理員模式和訪客模式,若用戶選擇的是訪客模式,則可通過矩陣鍵盤輸入門牌號,點擊呼叫,被輸入門牌號用戶的門鈴將會響起,接通后可點擊開門按鈕,系統即可完成開門操作;管理員模式主要用于對整個系統密碼錄入、密碼查詢、密碼更改等操作,在進入該模式前,需要進行身份驗證,輸入準確密碼。

該系統的硬件主要有按鍵、顯示窗口、觸摸屏、人臉識別模塊、門禁模塊等。

軟件部分有人臉追蹤、驗證等,將用戶的人臉信息出入系統后,系統會對該信息進行分析、存儲,隨后用戶運用人臉解鎖時,通過攝像頭獲取人臉信息,并對其進行分析提煉,與存儲中的人臉信息進行比較辨識,符合要求后即可通過驗證。因為樹莓派目前使用的操作系統主要是針對Debian的Linux系統也就是“Raspbian操作系統”,由于該系統有局限性,其獲得的人臉信息幀數偏低,在對其進行分析計算時,采用跳幀計算方法,進而達到提升幀數效果,實現人臉識別驗證。完成人臉識別和密碼開鎖,報警系統還有查看開鎖的記錄,并且提升指定用戶等多種功能,整體體系統框圖詳如圖1所示。

3 硬件設計

系統使用了一種較為高效的STM32F103C8T6,STM32運用了將ARM Cortex作為內核的一種性能較高的微處理器,它具有較高的工作頻率,能夠承載較大負荷的運行,另外,為了更好的實現讀寫能力,給系統配備了存儲器,能夠容納較大數據,可滿足密碼的輸入、錄取、驗證需要。系統還設置了省電模式,在一定環境下可關閉暫時不需要的功能,降低耗電量,實現省電,這增大了該系統的適用范圍,可滿足較多場合適用,提升了其實用性和性價比。在數據輸入接口方面,由于IO口量相對較少,在屏幕選擇時,配備了IIC接口的2004LCD屏幕,該屏幕僅會占用兩個IO接口,就可以滿足系統正常運行需要。本系統配備了卡片電腦,Raspberry Pi也就是樹莓派,樹莓派其中搭載的主要是博通生產的BCM2835處理器,能夠直接完成Linux操作系統的使用。使用OpenCV去完成對人臉的追蹤和對人臉的識別,因為樹莓派能夠提供多種不同的接口,其中包含了GPIO和IIC等接口,能夠完成數據的直接傳輸并且對數據進行有效地控制,所以使用在樹莓派上針對OpenCV去完成環境的搭建[2]。

3.1 人臉識別模塊

在人臉識別方面,主要使用了樹莓派攝像頭以及樹莓派3 代,其中樹莓派攝像頭主要用于人臉信息的獲取,而樹莓派3 代主要用于人臉信息的管理和驗證,僅借助于USB 接口即可滿足供電需要。樹莓派就是一種比較流行的卡片電腦,和單片機進行對比,不但在其中能夠完成系統的安裝,同時還能夠將其作為服務器,使用鼠標鍵盤去對其完成所需要的控制,能夠直接與WiFi相連接,它包含了單片機原有的基礎功能。和普通電腦相比,樹莓派體積小,能夠隨身攜帶,使用起來非常方便,另外,樹莓派設有IO接口,可以通過該結構實現模塊編程,在樹莓派上能夠非常輕松快速地完成針對Raspbian系統還有OpenCV開發環境的建立,所以將樹莓派當成是人臉識別的主要模塊,在使用上非常地高效,并使用上的性能也非常的理想。

圖1 人臉識別門禁總體系統框圖Fig.1 Block diagram of the overall system of face recognition access control

3.2 人臉特征提取

不同的人,其面部的特征也是各不相同的,人臉的高度唯一性讓數據處置的量過于龐大。所以表征人臉的最初的特征需要使用高維空間的數據,假如無法對其給予有效處理,就會增加計算量,計算速度會變得弛緩,減少處理的速度,限制人臉識別基礎的持續發展。所以,在完成人臉識別前,一定要采取降維操作,就是處置數據需要盡量在較低維數的空間里針對識別的信息給予切實可行的處理。經常使用的特征提取算法主要有兩種:主成分分析和線性判別分析。可是這兩種算法一定要通過二維的圖像矩陣才能夠將其轉變成為一維的列向量,這樣會使得圖像當前的位數提升,進行提取的速度會變得弛緩,會讓人臉門禁系統的反應時間變得更長。兩種人臉特征提取技術:一是針對奇異值分解的一種人臉特征提取技術,二是針對模型人臉去進行的識別技術。

3.3 模擬門禁模塊

通過MH-FMD蜂鳴器和JQC-3FF繼電器以及LED燈模擬門禁模塊。MH-FMD 蜂鳴器的額定電壓為4V,電壓在3.3V 到5V 之間均可實現正常運作,給系統進行供電后,通過I/O 引腳接收到源自于STM32 的低電平信號之后,蜂鳴器能夠發出聲音。然后使用JQC-3FF 繼電器和LED燈模擬在完成了開鎖之后,綠燈會出現常亮的狀態并且這樣的一個狀態會持續10 秒,模擬保持開門的狀態會持續10 秒。MH-FMD 蜂鳴器當前電路原理圖如圖2 所示。

圖2 MH-FMD 蜂鳴器電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of MH-FMD buzzer circuit

3.4 按鍵與顯示模塊

系統整體主義是使用矩陣鍵盤去完成所需要的控制,在LCD 顯示屏上完成操作信息以及實時時間的顯示。STM32F103C8T6當前IO口的數量并不多,所以挑選了IIC接口的2004LCD作為顯示屏,這一顯示屏僅僅要求使用兩個IO 口就能夠完成對屏幕進行的控制。輸入密碼并且選擇模式的操作則一般都是使用一個矩陣鍵盤去達成。同時運用Tiny RTC中的時鐘,這一時鐘本身就連接了電源,能夠達成顯示實時時間和完成開門時間的記錄。

4 軟件設計

在人臉錄入方面,主要借助于Raspbian系統來實現,采用的攝像頭為樹莓派攝像頭,用戶在使用時,其人臉正對攝像頭,他們之間保持0.5m左右的距離,即可對用戶人臉進行信息采集。樹莓派攝像頭的采集任務主要是由Haar特征來實現的,在較短時間內進行大量拍照,一般來說需要收集一百以上的照片,全方位的采集人臉信息,再從照片中提取人臉特征、特性等,最后將其與系統存儲的數據進行比較分析,觀察其是否一致,實現人臉辨別,確定是否通過驗證。驗證成功后,系統會通知主板發送低電平的信號,執行開門操作,同時會將該信號發送到繼電器上,設備上的LED等會亮起綠燈,持續10秒,也就是說開門狀態會持續10秒,10秒之后,系統會執行關門操作,在這10秒內,用戶可選擇延時關門,讓開門狀態維持更長時間。若驗證失敗,蜂鳴器將發出報警聲,提示開鎖失敗。

本系統的所有操作都是運用鍵盤來實現控制的,兩種常用模式(密碼模式和人臉識別模式)和兩種特殊模式(管理員模式和訪客模式)均有對應的按鍵控制,觸摸屏上也有對應的選項。按鍵所輸入的信息將通過矩陣模塊進行傳遞,讓其進入系統并加以分析比較,密碼輸入后提交給系統進行驗證。

5 實驗測試

在對本系統進行實驗測試時,所選場所為室內,將樹莓派攝像頭放在一水平桌上,讓其向上呈45度傾斜,將系統模式選擇為人臉識別,實驗者在攝像頭前進行人臉信息錄入、人臉驗證等操作,經過多次實驗后,發現最佳識別距離是人臉于攝像頭保持0.5m距離,其識別速度快,靈敏度高,準度高,識別效果比較理想。

對密碼模式進行實驗測試時,實驗者所輸入的密碼需要與預先設置的密碼完全一致,有一個數字錯誤均不能完成驗證,不能實現開門操作。經過多次測試,發現密碼模式的穩定性很好,不會出現錯誤情況。

對管理員模式進行實驗測試,先選擇這一模式,隨后輸入密碼進行身份驗證,進入系統后臺后,對用戶的密碼信息進行瀏覽,能夠實現正常密碼查詢,對用戶密碼進行新增、修改、刪除等操作,均能正常實現。

對訪客模式進行驗證,實驗者在窗口中選擇訪客模式,隨后根據提示輸入被訪問者的門牌號,輸入完成按下確定鍵后,與該門牌號相對應的門鈴會開啟,發出呼叫鈴聲,該門鈴上設有三個按鍵,分別為接通、開鎖、掛斷,選擇開鎖后,該系統會執行開門操作。

對門禁模塊進行實驗測試,無論采用人臉識別還是密碼方式進行驗證,驗證通過后均能正常進行開門操作,若驗證失敗,則提示“驗證未通過,請選擇再次驗證”,不進行開門操作;若連續驗證三次失敗,則提示10秒后再驗證,驗證失敗則繼續等待10秒。無論驗證成果與否,該系統均能正常運行[3]。

6 結語

本系統是一種安全管理門禁系統,內置了人臉識別和密碼驗證兩個常用模塊,對系統進行測試后,發現該系統能夠正常運行,其穩定性比較高,實驗期間未出現故障、系統操作不正確等情況,其人臉識別系統反應靈敏、準確,驗證速度快,使用體驗比較好,將其用于智能家居安全管理中,實用價值比較理想。部分用戶不方便使用人臉識別的,也可以選擇使用密碼驗證模式,通過矩陣鍵盤輸入密碼,完成密碼驗證之后,同樣能夠讓系統進行開門操作。該系統還設有訪客模式,能夠更好的滿足用戶需要。管理員模式主要是對該系統進行密碼管理,可執行用戶密碼的查詢、新增、修改、刪除等操作。總體來說,該系統基本上都可以滿足日常家庭的所需,其具備較強的實踐性。