基于樹莓派的人臉識別門禁系統(tǒng)

吳凱楓，張立新，王軍昂，王賽

（南京信息工程大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京，210044）

關(guān)鍵字：樹莓派；百度智能云；人臉識別；Linux；Python

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展與人們的物質(zhì)生活水平的提高，人們對于安全與便捷的關(guān)注度有了更大的提高，普通的IC卡識別、指紋識別、密碼識別已經(jīng)越來越滿足不了人們的需求，而人臉識別系統(tǒng)既方便且安全指數(shù)較高，逐漸獲得人們的青睞[1]。

人臉識別的優(yōu)點主要在于：人臉識別通過攝像頭對人臉圖像進(jìn)行采集與識別，被識別者不需要與識別裝置進(jìn)行接觸，該技術(shù)可以解決丟失驗證身份的憑證帶來的困擾。

當(dāng)下5G技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，高速數(shù)據(jù)通信促使了云計算的大范圍普及，使人工智能技術(shù)可以在云端瞬間完成，這大大減少了人臉識別系統(tǒng)的硬件成本，僅需一個可以聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)板和配套的程序環(huán)境即可實現(xiàn)人臉識別。本設(shè)計是利用樹莓派4B開發(fā)板與百度智能云相結(jié)合，以人臉識別為主，密碼識別為輔的智能門禁系統(tǒng)[2]。樹莓派4B開發(fā)板不僅本身性能強(qiáng)大，而且它的拓展能力也很強(qiáng)，可以承載絕大多數(shù)的外設(shè)元件，而百度智能云的人臉識別精度達(dá)到99.77%[3]，完全可以適用于生活中人臉識別門禁的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)由樹莓派主控制器模塊、圖像采集模塊、WIFI模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、云端服務(wù)器、門禁控制開關(guān)組成。本系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊作為觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)它感應(yīng)到有人后，系統(tǒng)會接收到其發(fā)送的信號并開始工作，攝像頭將拍攝照片并將圖片信息通過圖像編碼上傳至百度智能云，采用云端圖像對比技術(shù)將上傳圖片信息與云端數(shù)據(jù)庫中的圖片信息相對比，通過人臉提取特征點的對應(yīng)信息來分辨訪客是否為陌生人，并將信息進(jìn)行后臺儲存與遠(yuǎn)程傳送；若對比成功則門禁開關(guān)打開。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計

2.1 樹莓派開發(fā)板

樹莓派作為門禁系統(tǒng)的主控芯片，它不僅本身的性能強(qiáng)大，而且模塊的拓展性也很強(qiáng)，通過面包板可以連接多種模塊進(jìn)行操作。它是一款基于ARM的微型電腦主板，通過SD卡來充當(dāng)內(nèi)存，主板上有USB、type-c、HDMI、以太網(wǎng)等接口，可以通過這些接口來連接鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)線等[4]，使得使用者可以更加方便的操作和檢測設(shè)備。樹莓派以Python作為主要編程語言，但也支持C、Java等編程語言。樹莓派4B開發(fā)板滿足本設(shè)計的全部需求、價格便宜且能搭載多種外設(shè)[5]，因此選擇此開發(fā)板為主控芯片。如圖2所示。

圖2 樹莓派4B開發(fā)板

2.2 攝像頭

樹莓派開發(fā)板上有USB接口和CSI接口，故可以選擇USB攝像頭或者CSI攝像頭，因為CSI攝像頭的價格相對于USB攝像頭要低廉且拍攝照片像素相差不大，故此設(shè)計選擇CSI攝像頭。樹莓派4B開發(fā)板自帶WIFI模塊，故本設(shè)計是通過攝像頭拍攝照片上傳至百度智能云，從而實現(xiàn)無線傳輸，此傳輸方式可以消除傳統(tǒng)有線傳輸帶來的一系列問題，并且云端計算能力、速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)方法。如圖3所示。

圖3 CSI攝像頭

2.3 系統(tǒng)接線圖

采用立創(chuàng)EDA繪制各硬件元件的接線圖。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)接線圖

3 軟件設(shè)計

3.1 代碼運行IDE

軟件采用樹莓派Linux系統(tǒng)中自帶的Python IDE——Thonny，它支持Python3.7，并且此IDE會跟隨版本不斷更新[6]。

Thonny軟件主要是分為兩個區(qū)域，其中一個是代碼編輯區(qū)，另一個是名為Shell的窗口，前者用來代碼編寫，后者可以用來更加直接地交互。它不同于IDLE的地方在于：Thonny里含有很多適合學(xué)習(xí)編程的功能，如Debug、Stop、Quit等，使用者可以在Thonny中觀察所選對象或變量的實時動態(tài)。

3.2 百度智能云的應(yīng)用

本文是通過百度智能云平臺來幫助裝置完成人臉識別過程，并且百度智能云在人臉識別結(jié)束后會發(fā)射信號來激活裝置繼續(xù)下一步的工作。

百度智能云的大部分應(yīng)用都免費對外開放，使用操作流程也非常的方便。

使用百度智能云需要事先在云端注冊私人賬戶，選擇人臉識別的應(yīng)用并創(chuàng)建，此時即可獲得連接至對應(yīng)私人云端賬戶的App ID、API Key以及Secret Key，使用者可以在代碼編輯中通過關(guān)聯(lián)私人的百度人臉識別API賬戶信息來調(diào)用百度智能云的人臉識別算法。在獲取對應(yīng)百度人臉識別API賬戶信息后，使用者可以往應(yīng)用的圖片庫中儲存需要識別的人物照片，同時為之命名，以便在代碼編輯過程中調(diào)用。系統(tǒng)將采取提取人臉特征點的方式來對比使用者上傳照片與圖片庫中照片是否匹配度高于90%，滿足條件即系統(tǒng)認(rèn)為是同一人并發(fā)射相應(yīng)信號，不滿足條件即系統(tǒng)認(rèn)為是陌生人并發(fā)射相應(yīng)信號。

3.3 人臉識別算法

人臉識別算法有很多，如基于LDA的Fisherface[7]是把人臉特征向量實現(xiàn)了高低維的轉(zhuǎn)換；基于LBP特征的算法則計算速度快，受圖片質(zhì)量影響小[8]。

而本裝置人臉識別算法則基于ASM算法進(jìn)行，ASM算法是目前比較主流的一種通過提取人臉特征關(guān)鍵點的方法。ASM算法需要經(jīng)過兩個步驟：一是ASM的訓(xùn)練，二是ASM的搜素[9]。

ASM的訓(xùn)練分為建立形狀模型和為每個特征點構(gòu)建局部特征兩個部分，其中建立形狀模型首先需要搜集n個訓(xùn)練樣本，對這些樣本進(jìn)行k個特征點的標(biāo)定，這些特征點會組成一個形狀向量：

接著對訓(xùn)練樣本圖片采用procrustes方法進(jìn)行歸一與對齊處理，此過程可以消除圖片中人臉由于角度問題、距離遠(yuǎn)近問題、臉部姿態(tài)面容問題等因素導(dǎo)致的誤差干擾。具體操作為：第一步將訓(xùn)練集中的所有人臉模型與第一個人臉模型相對齊；第二步所有訓(xùn)練集樣本全部對齊后可計算出平均人臉模型β；第三步將所有人臉模型與所計算出的平均人臉模型β相對齊，接著重復(fù)第二步與第三步直至收斂。

4 系統(tǒng)測試

4.1 系統(tǒng)功能流程簡介

當(dāng)有人進(jìn)入HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)范圍時，GPIO17輸入高電平，此時發(fā)光二極管通電發(fā)光并且攝像頭打開，攝像頭開始拍照并且檢測是否為人臉，若拍攝到的照片是人臉，則上傳到百度AI云端與圖片庫中的照片進(jìn)行臉部特征對比，若兩張照片的臉部特征相似度大于90%即匹配成功，云數(shù)據(jù)庫給予樹莓派信號，樹莓派把訪客資料保存在本地同時發(fā)送資料給主人微信端，并且讓門禁打開。若拍攝到的照片與云端圖片庫的照片相似度低于90%即匹配失敗，云數(shù)據(jù)庫給予樹莓派信息，樹莓派同樣把訪客資料保存在本地同時發(fā)送資料給主人微信端，并且播放“請輸入密碼”的提示音，通過密碼可以打開門禁。若HC-SR501人體感應(yīng)模塊被激活但是攝像頭拍攝的照片經(jīng)過檢測發(fā)現(xiàn)不是人臉，系統(tǒng)默認(rèn)無人進(jìn)行檢測。因為有人體紅外感應(yīng)模塊的存在，只有當(dāng)它被激活時系統(tǒng)才會進(jìn)行工作，其他時間系統(tǒng)都處于待機(jī)狀態(tài)，這樣可以降低能源的浪費，提高設(shè)備的使用壽命。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4.2 實驗測試

系統(tǒng)實驗前，事先在百度智能云人臉識別圖片庫中保存的實驗對象信息及其人臉圖片信息，實驗總共分為4組，兩組為圖片庫中的人進(jìn)行人臉識別，另外兩組為圖片庫外的人進(jìn)行人臉識別，記圖片庫中的人為“朋友”，圖片庫外的人為“陌生人”，每種實驗都進(jìn)行兩組可以消除實驗過程中的偶然性，實驗數(shù)據(jù)也真實可信。

圖6為實驗裝置，圖7、圖8為實驗過程中的一次實驗數(shù)據(jù)。表1為測試實驗結(jié)果。

圖6 實驗裝置圖

圖7 實驗拍攝圖

圖8 特征點提取

表1 測試實驗結(jié)果數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以樹莓派和百度智能云為核心，借助HC-SR501人臉紅外感應(yīng)模塊為整個系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制，既可以保證系統(tǒng)在接收到云端信號后可以馬上進(jìn)行工作，也可以在平時處于系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，并且人臉識別算法接近100%的識別準(zhǔn)確率也使得本系統(tǒng)裝置達(dá)到了投入使用的效果，它物美價廉、節(jié)能、識別準(zhǔn)確率高的優(yōu)點有利于促進(jìn)市場上的人臉識別門禁系統(tǒng)的改善與優(yōu)化。