基于人脸识别技术的高校智慧实验室门禁系统

　

(太原理工大学　山西　太原　030024)

引言

随着近年来我国高等教育的快速发展，高等院校的实验室建设走上了快速发展的道路。尤其在一些高等职业院校以及应用型本科院校中，实验室的管理以及重要实验设备的维护，已经成为了人们关注的焦点。但是，由于大学生源数量的不断扩招，教师队伍的不断壮大，实验室日常使用的频率越来越高，建立一套成熟可靠安全的智慧实验室门禁系统已经成为了众多高等院校共同的需求。

当前实验室开放管理主要还是通过传统人工管理方法，实验室的进出与开放、实验室使用效率的记录与统计、实验室日常安全检查都是通过管理教师或者勤工助学管理学生通过人工方式来完成的。这种管理模式，极大地限制了人力资源的效率，也容易造成记录与统计的失误，因此已经不适用与如今开放实验室的建设要求和实际情况。正是基于此类情况，很多高校开始尝试使用基于RFID技术的身份认证卡片，但是这种RFID卡片易盗取、易丢失、易消磁，购买成本也较大，受用面较小，只能用于日常管理人员使用。因此，很多高校的RFID门禁系统只不过是将传统钥匙变为了非接触式RFID卡片，只是实现了实验室管理的信息化，并没有真正实现实验室管理的智慧化。

因此，正是基于当前我国高等院校实验室管理所存在的问题，本文提出了基于人脸识别技术来服务高校实验室的日常开放管理。

一、技术基础

(一)人脸识别技术基础

分为人脸图像采集和人脸图像识别两个模块，核心原理是利用人脸特征唯一性这个特点，将人脸当中的某个特征点作为基础特征点，通过对该特征点建立直角坐标系，将其他特征点相对于坐标原点的位置、距离、角度等特征量进行汇总和分析得到相应的特征结果。由于每个个体，人脸特征的差异性各不相同，因此所得到的特征结果具有唯一性。

基于人脸识别技术的门禁系统就是利用人脸采集模块，将识别验证者的面部特征进行采集，根据系统预设定的逻辑判断算法，进行特征结果的计算与匹配，完成开关门的系统操作。如今，人脸识别技术越来越趋向于成熟，人脸识别技术的健壮性越来越趋于稳定。

(二)互联网技术基础

通过人脸采集设备收集到的人脸特征信息，将通过TCP/IP网络通信协议的方式，与系统服务器进行通信。如今主流互联网终端系统采用了B/S和C/S两种体系架构。由于考虑到系统的可移植性以及用户体验和使用的便捷性，本套系统采用了基于浏览器/服务器模式下的软件体系结构，并使用了Apache+PHP+MYSQL的后台开框架。PHP语言是现在较为流行和成熟的一款编程开发语言，虽然属于弱类型语言，但是具有良好的代码执行效率，高效的开发速度和良好的可移植性和可扩展性，因此本套系统采用了以PHP语言为基础，基于B/S结构下的软件体系结构。

二、系统设计

(一)系统基本工作流程

本套基于人脸识别技术的高校智慧实验室门禁系统包括两大子系统，分别是智慧实验室预约系统和人脸识别门禁系统。人脸识别门禁系统主要的硬件设备包括人脸采集摄像设备、语音播报设备、门禁系统控制终端、电子门锁以及相应的服务器和计算机终端等。人脸采集设备主要功能是检测人脸和采集人脸特征信息；门禁系统控制器用于发送人脸采集信息和接收终端指令；电子门锁控制智慧实验室门锁的解锁和封闭；语音播报设备是实现验证人与系统的人机交互，将门禁判断的结果通过语言向验证人进行反馈。硬件系统结构如图一所示：

图一　系统硬件结构图

人脸识别门禁系统本除了硬件设备以外，还包括了一套人脸图像识别采集系统与智慧实验室预约系统进行配合。智慧实验室门禁系统通过安装在实验室外侧的人脸图像采集设备采集使用人的人脸情况，将所采集的数据传输到后台智慧实验室预约系统，预约系统根据采集到的数据，判断使用人的身份信息，同时对照实验室使用预约记录核实该用户是否是该时段内该实验室的使用人。如果经过判断，该使用人是本时段内的实验室使用人，则门禁系统自动解锁，实验室开放；如果不符合实验室开放条件，则提示相应信息，门禁系统仍处于锁闭状态。

(二)智慧实验室预约系统工作流程

智慧实验室预约系统的主要包括教师人脸信息采集和实验室预约两大主要模块以及辅助功能。

其中，教师人脸信息采集主要完成的是教师的注册、使用资格的审核以及人脸图像信息的采集功能，为系统的正常运行进行基础信息的采集工作。该模块的工作流程如图二所示。

图二　教师人脸信息采集系统流程图

教师通过智慧实验室预约系统进行注册，按照要求填写相关教师信息并提交实验室管理员进行资料审核。审核通过后，由管理员对教师进行线下人脸图像信息的采集，并将采集好的人脸信息存入系统人脸数据库中，以备系统配对。

实验室预约功能是本系统中的核心功能模块。注册成功后的教师，可以通过系统中的实验室预约功能，对其上课所需要的使用实验室填写预约申请，提交由实验室管理员进行审核。教师填写申请时候需要正确填写好预约日期以及当天预约的时段，申请完成后可以在系统个人中心中查询审核进度。如果该时间段已经有老师提出申请占用并已通过审核，该申请无法正常提交，弹出相应提示的信息。

通过以上两个核心模块，系统对教师的人脸信息进行了采集并建立了教师人脸信息数据库。与此同时，教师可根据自身需求可以通过系统对实验室提出开放申请。使用申请通过审核之后，教师按照其约定的时段达到实验室门口的人脸识别设备进行人脸识别，识别通过后实验室实现自动开放。

(三)人脸识别门禁系统工作流程

人脸识别门禁系统是安装在实验室门锁处，用于采集使用人的人脸图像信息。当使用教师进入人脸图像采集识别区的时候，位于人脸采集终端前方的高清摄像头开始对图像进行采集。人脸采集设备首先会检测人脸图像识别区是否存在人脸图像，如果存在人脸图像才会进行人脸特征的采集工作，如果由于光线等自然因素导致无法判断是否存在人脸图像时则提出相应提示信息。采集后的信息通过传输系统传至后台主机进行特征值的判断，通过与人脸数据库的信息池进行筛选和比对后，确定被采集人员的身份与信息。系统服务器在确定人员信息后，与实验室预约系统中的预约申请进行比对，判断该人员是否为本时间段内合法的使用用户，如果判断成功则发送开门信息到门禁控制器中，由门禁控制器执行开门操作并提示相应信息；如果经过判断发现该人员并非本时段内的合法使用用户，则提示相关警报操作，并在实验室开放日志记录中进行视频信息数据的记录和留存。人脸识别门禁系统的整体工作流程如图三所示：

图三　人脸识别门禁系统的整体工作流程图

三、结语

人脸识别技术如今已经日趋成熟并广泛的应用于各种门禁系统，而高校实验室的开放和日常管理依托与人脸识别技术的发展能够得到质的飞跃。

本套高校智慧实验室门禁系统将传统的实验室开放管理与人脸识别技术进行了有机的业务结合，依托这种新兴的、带有突破性的自动识别技术，实现了高校实验室的智慧化管理，创造性的将教师预约功能与人脸识别相结合，解决了困扰高校实验室管理人员的实验室排课问题，降低了实验室管理员的工作压力和强度。同时，这种新型门禁系统兼顾了预防和报警的功能，对于恶心闯入的人员可以进行识别和记录，提高了整个实验室管理的安全性，具有良好的实时性、应用性和创新性。

【参考文献】

[1]谢芸,陈宁江.RFID与人脸识别技术在开放实验室管理中的应用[J].现代计算机,2015,01:32-35.

[2]方程.3D人脸识别技术[J].电脑编程技巧与维护,2015.06:82-85.

[3]刘昌鑫,陈慧娟,欧阳春娟,彭嵩松.物联网技术支持下的高校智慧实验室构建探析[J].中国教育信息化,2016.07:55-56

[4]赖程鹏.基于物联网技术的智慧实验室的研究与设计[D].华北电力大学.2015

[5]徐少甫.开放计算机实验室的安全问题及对策[J].电脑知识与技术.2017.07:31-33