基于3D結構光技術的校園卡替代方案研究

劉力鋒,張星宇

(1.四川中興能源有限公司,四川 成都 610051;2.中國海洋大學,山東 青島 266100)

0 引言

校園卡是高校為了方便學校管理和學生日常生活而發行的一款特殊IC卡,利用先進的數字技術,達到多證合一,以卡代證,為師生員工提供了信息化、智能化、科學化的校園生活。校園卡并不只是簡單的消費卡,也能實現校園管理中各方面的用途,為師生員工日常生活的管理、科研教學和后勤服務提供了重要信息?，F如今,3D結構光技術在認證、支付等方面應用廣泛,如若改進校園終端子系統,便能解決卡片丟失、資金盜刷、管理負擔重等問題,同時校方也能更安全便捷地管理師生信息,真正實現無卡智能化校園。

1 面部識別的原理及“3D結構光”的優勢

2010—2015 年是面部識別的技術發展期,在這個階段各種各樣的智能手機、智能App已經大范圍地使用,指紋技術已經相對成熟,于是在人們對探索新技術的期待和支持下,面部識別技術得到快速發展。2016—2019年屬于面部識別技術平穩上升發展的時期。在這個時期內,隨著圖像處理、模式識別等技術的發展,面部識別技術也得到開拓,且絕大多數的技術在前有技術基礎上得到了改善和提升。

如今面部識別已經是家喻戶曉的技術,較指紋識別擁有更多優勢,例如:搭載3D結構光的iPhone X的面部識別功能首次讓數百萬用戶體驗到該技術的優勢。用戶的臉部由30 000個獨立的紅外點確認,以防止虛假身份驗證,大幅度提升終端設備的安全性能[1]。

1.1 面部識別原理

面部識別是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術,又名人臉識別或人像識別,是對可見光圖像的人臉識別算法,用來進行身份識別。用攝像頭或攝像機采集含有人臉的圖像或視頻流,并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉,進而對檢測到的人臉信息進行計算。廣義而言,面部識別可分為4個步驟。

(1)獲取面部信息。用攝像頭或者攝像機在多種環境下獲得人臉的深度、寬度、位置等各種信息。

(2)人臉圖像預處理。將每一個信息分揀出來交給識別模塊,從而消除圖中的無用信息,如遮擋物、無用背景等,恢復有用的真實信息,最大限度地簡化數據和增強圖片的可檢測性。

(3)人臉面部特征提取。按模塊提取表征人臉的關鍵特征。

(4)面部識別或匹配。將提取的人臉特征,計算成特征向量,再與標準人臉圖像庫的特征向量進行匹配。

1.2 3D結構光技術的優勢

傳統面部識別技術主要基于可見光圖像的人臉識別,但是這種技術的缺陷也顯而易見,光線的限制性非常大,并不能滿足實際需求。當下3種主流解決方案分別是TOF3D方案、雙目立體成像方案和3D結構光方案。其中3D結構光彌補了TOF技術和雙目立體成像技術在分辨率、效率、算法、精度等方面的不足,并且在軟件復雜度和低光環境中更具優勢。從成本角度考慮,TOF的價格和功耗較高。在相關參數相差不大的情況下,TOF的價格要高于結構光兩倍以上。從技術結構方面考慮,結構光需要一個激光投射器和一個紅外攝像頭,TOF需要一個激光投射器和一個TOF傳感器。結構光的紅外攝像頭有額外產出,通過分頻復用可以輸出紅外圖,甚至可以輸出RGB圖。在分辨率上,3D結構光表現出了很好的優勢[2]。

2 結構光測量系統

20世紀70年代,結構光三維視覺的研究就已開始。結構光三維視覺由于其快速、精確、穩定性好等優點得到了廣泛應用。

2.1 測量原理

結構光三維視覺的原理是基于光學三角法,由光學投射器將一定結構的光投射在物體表面,另一側由攝像機進行拍攝,獲取光條二維畸變圖像,當確定了光學投射器和攝像機的位置關系時,便可通過光條二維圖像重現物體表面三維輪廓。

結構光測量根據光學投射器投射的光束模式不同分為點結構光、線結構光、多線結構光和網格結構光。其中點結構光由于每次只能獲得物體表面一個點的信息,而線結構光可大大增加測量信息量,因此線結構光得到了更廣泛的應用。

2.2 3D結構光測量系統組成

鑒于當下線結構光優點顯著,應用廣泛,本節以線結構光三維測量系統中的一種軟硬件組合為例,介紹其組成。

2.2.1 硬件部分

該系統主要硬件包括高速高幀率相機、高分辨率鏡頭、線激光發射器(光源)、計算機、千兆以太網卡、紅外濾片等。

2.2.2 軟件部分

軟件算法部分包括測量系統測定、線結構光圖像預處理、線結構光中心條紋提取。

(1)測量系統測定包括攝像機標定與基于楔形斜面圓點標定法。

(2)線結構光圖像預處理包括圖像剪切、圖像濾波、圖像分割。

(3)線結構光中心條紋提取包括光條中心提取算法有閾值法、極大值法、灰度重心法。

2.3 3D結構光測量系統特點

3D結構光測量系統的測量速度快于接觸式測量。激光三角法測量相較于其他非接觸式測量而言,圖像處理設備比較簡單,系統維護比較方便,并且對信號的處理非常可靠,測量的效率高、精度高、范圍廣,抗干擾能力十分優異,是一種高速、高精度的非接觸式測量技術[3]。

3 虛擬技術替代實體卡的分析

校園卡實名制是在校大學生能驗證身份的憑證之一,校園內的所有資費使用都可通過校園卡進行交易。在校園內,“校園卡”集工作證、圖書證、乘車證、進餐卡、門禁卡、錢包等功能于一卡。因此,實體卡丟失帶來的不便,將給師生造成嚴重困擾。實體卡丟失引發的資金盜刷問題,會給學生造成經濟損失;學業生畢業以后會造成的卡片浪費;還有學生通過校園卡替考的現象。

虛擬技術可以彌補這些弊端。例如結構光技術下的人臉識別可迅速準確地完成交易者身份驗證,減少交易失敗率和錯誤率,如應用于簽到、支付,可有效提升交易效率和準確率;應用于宿舍出入管理,更有效地保證學生的安全,即使在深夜環境下也能快速識別人員身份。

3.1 結構光技術應用的現實意義

由于校園一卡通所面對的是師生人群,是相對固定和單一的群體,面部識別技術就足以滿足身份識別的要求。

目前,大部分高校都在普遍使用“一卡通”系統管理校園,雖然其在餐飲消費、圖書借閱、智能水控等方面給予師生們一定程度上的便利,但校園卡易丟失、成本高昂、管理負擔重等方面的弊端,以及其并不能辨別持卡人與卡中身份信息的一致性,易出現資金盜刷的現象,給師生們在上課簽到和校園安保方面造成了障礙,甚至帶來了隱患。

目前,許多高校的宿舍管理僅由宿管人員檢查,雖然有一定的監察作用,但不可避免地存在一定的疏忽,而“虛擬卡”則能很好地進行實時監測,有效地提高安全性。

3.2 方案的可行性分析

3D結構光技術通過近紅外激光器將具有一定結構特征的光線投射到被拍攝物體上,再由紅外攝像頭采集不同的圖像相位信息,然后根據計算,就能得出物體的三維結構。用戶只需在攝像頭前被捕捉到面部畫面即可完成驗證,并且能夠有效防守紙張、面具、手機屏幕等各類道具的攻擊;分析時間從之前的1~2 s壓縮到了ms級;不受環境光線強弱的影響,極大地擴展了人臉識別技術的應用場景,如上課簽到、考試身份驗證、校園安保監控、食堂就餐、圖書館借閱等。

3D結構光彌補了TOF技術和雙目測距技術分辨率低、效率低、算法難、精度差等方面的不足,在軟件復雜度和低光環境表現上更具優勢。

4 結語

本文通過多渠道調研提出基于3D結構光技術的校園卡替代方案。首先介紹面部識別的發展現狀,引出3D結構光技術的概念并對比其他3D深度攝像技術分析其優勢,其次對3D結構光技術測量系統原理及硬、軟件組成進行研究,最后闡明3D結構光這一虛擬技術替代實體卡的現實意義和可行性。