基于人脸识别技术安防智慧化应用

(成都飞机工业(集团)有限责任公司,四川成都 610073)

21世纪以来,我国社会经济发展迅速,人们生活质量不断提高,越来越关注生活环境、安全等,智能家具、安全设备等逐渐被人们提上议程。在一些城市小区中,常常会使用门禁、门卡等方式进行安全管理,这类管理方法存在着一定的缺陷,对门禁卡有较高的依赖度,并且使用的功能较为同时在使用过程中的安全性能不是特别高,在实际应用中逐渐被生物识别技术取代。人脸识别就是一种使用较多的生物识别技术,它具有非接触性、独特性,识别率非常高,而且人脸是很难被仿造的,这些优势是门禁等安全管理方式难以比拟的,因此,其发展前景比较广阔,尤其是在智慧家居的门禁系,具有很大的施展空间。在这一背景下,本文就人脸识别技术安防智慧化展开研究,设计了一种人脸识别的门禁系统。

1 人脸识别门禁系统设计方案

人脸识别的过程主要是通过人脸检测和人脸特征提取以及人脸对比共同构成。要想让人脸门禁系统能够得到快速有效地使用,一定要先设置一个人脸存储的信息库,将所以许可进行访问的人员信息去完成采集,同时将其存储到人脸信息的数据库里。在有访问者到访的时候,人脸识别系统能够获得访问者当前的面部信息主要是通过摄像头去进行的,同时能够把收集获得的信息输入到计算机里,与保存在数据库里的人脸信息完成意义的比对,在于信息要求保持一致的时候,门禁可以自动地打开,允许访问者进入其中,这一个过程看起来十分的短暂。可是为了防止信息比对失效,系统一定要在对人像信息和数据库人像进行比对之前对其给予适当处理,预防表情和光照等多种因素对于采集信息造成干扰,在对其进行了合理的处置之后,通过对人像信息特征能够完成提取和识别比对的功能,假如比对获得了成功,计算机会下发开门的指令,门禁系统则会自动地开启,假如并不成功,门禁系统不但不能够把门打开,还能够把来访者的人脸信息记录在主机,便于日后进行查询和处理。

2 系统设计

在设计过程中,本系统的微控制器为STM32系列单片机,设有一串口触摸屏,主要用于人机交互,设有矩阵键盘,主要用于模式选择、用户信息输入等。本系统设有两个常用模式,分别为密码模式和人脸识别模式,选择密码模式时,用于科将密码借助于矩阵键盘输入,系统对密码进行验证,完成验证后自动实现开门操作;选择人脸识别模式时,系统能够扫描获取用户人脸信息,并将其与系统预先存储的人脸信息比较验证,符合要求后实现开门操作。系统设有上位机,主要用于收集用户开门模式、开门时间等[1]。

除了两个常用模式外,系统还设立了两个特殊模式,即管理员模式和访客模式,若用户选择的是访客模式,则可通过矩阵键盘输入门牌号,点击呼叫,被输入门牌号用户的门铃将会响起,接通后可点击开门按钮,系统即可完成开门操作;管理员模式主要用于对整个系统密码录入、密码查询、密码更改等操作,在进入该模式前,需要进行身份验证,输入准确密码。

该系统的硬件主要有按键、显示窗口、触摸屏、人脸识别模块、门禁模块等。

软件部分有人脸追踪、验证等,将用户的人脸信息出入系统后,系统会对该信息进行分析、存储,随后用户运用人脸解锁时,通过摄像头获取人脸信息,并对其进行分析提炼,与存储中的人脸信息进行比较辨识,符合要求后即可通过验证。因为树莓派目前使用的操作系统主要是针对Debian的Linux系统也就是“Raspbian操作系统”,由于该系统有局限性,其获得的人脸信息帧数偏低,在对其进行分析计算时,采用跳帧计算方法,进而达到提升帧数效果,实现人脸识别验证。完成人脸识别和密码开锁,报警系统还有查看开锁的记录,并且提升指定用户等多种功能,整体体系统框图详如图1所示。

3 硬件设计

系统使用了一种较为高效的STM32F103C8T6,STM32运用了将ARM Cortex作为内核的一种性能较高的微处理器,它具有较高的工作频率,能够承载较大负荷的运行,另外,为了更好的实现读写能力,给系统配备了存储器,能够容纳较大数据,可满足密码的输入、录取、验证需要。系统还设置了省电模式,在一定环境下可关闭暂时不需要的功能,降低耗电量,实现省电,这增大了该系统的适用范围,可满足较多场合适用,提升了其实用性和性价比。在数据输入接口方面,由于IO口量相对较少,在屏幕选择时,配备了IIC接口的2004LCD屏幕,该屏幕仅会占用两个IO接口,就可以满足系统正常运行需要。本系统配备了卡片电脑,Raspberry Pi也就是树莓派,树莓派其中搭载的主要是博通生产的BCM2835处理器,能够直接完成Linux操作系统的使用。使用OpenCV去完成对人脸的追踪和对人脸的识别,因为树莓派能够提供多种不同的接口,其中包含了GPIO和IIC等接口,能够完成数据的直接传输并且对数据进行有效地控制,所以使用在树莓派上针对OpenCV去完成环境的搭建[2]。

3.1 人脸识别模块

在人脸识别方面,主要使用了树莓派摄像头以及树莓派3 代,其中树莓派摄像头主要用于人脸信息的获取,而树莓派3 代主要用于人脸信息的管理和验证,仅借助于USB 接口即可满足供电需要。树莓派就是一种比较流行的卡片电脑,和单片机进行对比,不但在其中能够完成系统的安装,同时还能够将其作为服务器,使用鼠标键盘去对其完成所需要的控制,能够直接与WiFi相连接,它包含了单片机原有的基础功能。和普通电脑相比,树莓派体积小,能够随身携带,使用起来非常方便,另外,树莓派设有IO接口,可以通过该结构实现模块编程,在树莓派上能够非常轻松快速地完成针对Raspbian系统还有OpenCV开发环境的建立,所以将树莓派当成是人脸识别的主要模块,在使用上非常地高效,并使用上的性能也非常的理想。

图1 人脸识别门禁总体系统框图Fig.1 Block diagram of the overall system of face recognition access control

3.2 人脸特征提取

不同的人,其面部的特征也是各不相同的,人脸的高度唯一性让数据处置的量过于庞大。所以表征人脸的最初的特征需要使用高维空间的数据,假如无法对其给予有效处理,就会增加计算量,计算速度会变得弛缓,减少处理的速度,限制人脸识别基础的持续发展。所以,在完成人脸识别前,一定要采取降维操作,就是处置数据需要尽量在较低维数的空间里针对识别的信息给予切实可行的处理。经常使用的特征提取算法主要有两种:主成分分析和线性判别分析。可是这两种算法一定要通过二维的图像矩阵才能够将其转变成为一维的列向量,这样会使得图像当前的位数提升,进行提取的速度会变得弛缓,会让人脸门禁系统的反应时间变得更长。两种人脸特征提取技术:一是针对奇异值分解的一种人脸特征提取技术,二是针对模型人脸去进行的识别技术。

3.3 模拟门禁模块

通过MH-FMD蜂鸣器和JQC-3FF继电器以及LED灯模拟门禁模块。MH-FMD 蜂鸣器的额定电压为4V,电压在3.3V 到5V 之间均可实现正常运作,给系统进行供电后,通过I/O 引脚接收到源自于STM32 的低电平信号之后,蜂鸣器能够发出声音。然后使用JQC-3FF 继电器和LED灯模拟在完成了开锁之后,绿灯会出现常亮的状态并且这样的一个状态会持续10 秒,模拟保持开门的状态会持续10 秒。MH-FMD 蜂鸣器当前电路原理图如图2 所示。

图2 MH-FMD 蜂鸣器电路原理图Fig.2 Schematic diagram of MH-FMD buzzer circuit

3.4 按键与显示模块

系统整体主义是使用矩阵键盘去完成所需要的控制,在LCD 显示屏上完成操作信息以及实时时间的显示。STM32F103C8T6当前IO口的数量并不多,所以挑选了IIC接口的2004LCD作为显示屏,这一显示屏仅仅要求使用两个IO 口就能够完成对屏幕进行的控制。输入密码并且选择模式的操作则一般都是使用一个矩阵键盘去达成。同时运用Tiny RTC中的时钟,这一时钟本身就连接了电源,能够达成显示实时时间和完成开门时间的记录。

4 软件设计

在人脸录入方面,主要借助于Raspbian系统来实现,采用的摄像头为树莓派摄像头,用户在使用时,其人脸正对摄像头,他们之间保持0.5m左右的距离,即可对用户人脸进行信息采集。树莓派摄像头的采集任务主要是由Haar特征来实现的,在较短时间内进行大量拍照,一般来说需要收集一百以上的照片,全方位的采集人脸信息,再从照片中提取人脸特征、特性等,最后将其与系统存储的数据进行比较分析,观察其是否一致,实现人脸辨别,确定是否通过验证。验证成功后,系统会通知主板发送低电平的信号,执行开门操作,同时会将该信号发送到继电器上,设备上的LED等会亮起绿灯,持续10秒,也就是说开门状态会持续10秒,10秒之后,系统会执行关门操作,在这10秒内,用户可选择延时关门,让开门状态维持更长时间。若验证失败,蜂鸣器将发出报警声,提示开锁失败。

本系统的所有操作都是运用键盘来实现控制的,两种常用模式(密码模式和人脸识别模式)和两种特殊模式(管理员模式和访客模式)均有对应的按键控制,触摸屏上也有对应的选项。按键所输入的信息将通过矩阵模块进行传递,让其进入系统并加以分析比较,密码输入后提交给系统进行验证。

5 实验测试

在对本系统进行实验测试时,所选场所为室内,将树莓派摄像头放在一水平桌上,让其向上呈45度倾斜,将系统模式选择为人脸识别,实验者在摄像头前进行人脸信息录入、人脸验证等操作,经过多次实验后,发现最佳识别距离是人脸于摄像头保持0.5m距离,其识别速度快,灵敏度高,准度高,识别效果比较理想。

对密码模式进行实验测试时,实验者所输入的密码需要与预先设置的密码完全一致,有一个数字错误均不能完成验证,不能实现开门操作。经过多次测试,发现密码模式的稳定性很好,不会出现错误情况。

对管理员模式进行实验测试,先选择这一模式,随后输入密码进行身份验证,进入系统后台后,对用户的密码信息进行浏览,能够实现正常密码查询,对用户密码进行新增、修改、删除等操作,均能正常实现。

对访客模式进行验证,实验者在窗口中选择访客模式,随后根据提示输入被访问者的门牌号,输入完成按下确定键后,与该门牌号相对应的门铃会开启,发出呼叫铃声,该门铃上设有三个按键,分别为接通、开锁、挂断,选择开锁后,该系统会执行开门操作。

对门禁模块进行实验测试,无论采用人脸识别还是密码方式进行验证,验证通过后均能正常进行开门操作,若验证失败,则提示“验证未通过,请选择再次验证”,不进行开门操作;若连续验证三次失败,则提示10秒后再验证,验证失败则继续等待10秒。无论验证成果与否,该系统均能正常运行[3]。

6 结语

本系统是一种安全管理门禁系统,内置了人脸识别和密码验证两个常用模块,对系统进行测试后,发现该系统能够正常运行,其稳定性比较高,实验期间未出现故障、系统操作不正确等情况,其人脸识别系统反应灵敏、准确,验证速度快,使用体验比较好,将其用于智能家居安全管理中,实用价值比较理想。部分用户不方便使用人脸识别的,也可以选择使用密码验证模式,通过矩阵键盘输入密码,完成密码验证之后,同样能够让系统进行开门操作。该系统还设有访客模式,能够更好的满足用户需要。管理员模式主要是对该系统进行密码管理,可执行用户密码的查询、新增、修改、删除等操作。总体来说,该系统基本上都可以满足日常家庭的所需,其具备较强的实践性。