人臉識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：隨著識別技術(shù)的不斷成熟和計算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，各種基于人體生理特征如指紋、手掌、聲音、視網(wǎng)膜、瞳孔和面紋等識別技術(shù)紛紛從實驗室中走出來。目前，從精確實用的角度來看，人臉識別技術(shù)是優(yōu)于其它生物識別技術(shù)的身份鑒別方法。針對監(jiān)控系統(tǒng)和防盜系統(tǒng)獨(dú)立工作均具有一定的局限性，本文使用c++集成開發(fā)語言，結(jié)合先進(jìn)的人臉識別技術(shù)和通信技術(shù)，充分利用面向?qū)ο笤O(shè)計方法，開發(fā)出一套功能較為完備、識別率較高的人臉識別門禁系統(tǒng)，并給出了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、軟件的設(shè)計實現(xiàn)方案及系統(tǒng)的組成和特點。

關(guān)鍵詞：人臉識別；監(jiān)控；采集；面向?qū)ο?/p>

引言

近年來，數(shù)字圖像技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，運(yùn)用生物識別技術(shù)的身份驗證則更是由于其在公安(罪犯識別等)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、信用卡驗證等方面的巨大應(yīng)用前景而越來越成為當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的一個研究熱點。這其中，利用人臉特征進(jìn)行身份驗證又是最自然最直接的手段，相比于指紋、視網(wǎng)膜、虹膜、基因等其它人體生物特征，它具有直接、友好、方便的特點，更易于為用戶所接受，因此備受關(guān)注。

人臉識別技術(shù)是根據(jù)人的臉面特征唯一性特點而進(jìn)行的個體識別和確認(rèn)技術(shù)。人的面部特征的唯一性，可以在臉上某一單一器官或部位上得以體現(xiàn)，更重要的是可在這些單一特征之間的位置、距離、角度、數(shù)量、形狀和模式等相互關(guān)系上得以體現(xiàn)，而且這些面部特征都具有一定的穩(wěn)定性。當(dāng)驗證某人的身份時，只要通過某種設(shè)備攝錄下他的面部生物學(xué)特征，與事先已經(jīng)儲存著的相關(guān)樣本特征進(jìn)行比較。幾秒鐘內(nèi)即可完成識別。同許多生物識別技術(shù)一樣，人的面部識別技術(shù)是近幾年在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來的一項安全技術(shù)。它依靠面部的二維或三維圖像處理和模式識別來實現(xiàn)鑒別或驗證個體身份目的，具有非接觸性、對被識別對象侵?jǐn)_少和識別手段隱蔽等特點，在反恐、跟蹤、追逃、打拐、出入口控制、銀行管理等許多領(lǐng)域都有著獨(dú)特的應(yīng)用價值。

利用人臉識別技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)開發(fā)的門禁系統(tǒng)，可廣泛適用于智能管理系統(tǒng)(智能大樓、高級住宅門禁系統(tǒng))、銀行及金庫門安全系統(tǒng)、醫(yī)院血液中心身份管理系統(tǒng)等高可靠性、高安全性的場所。這無疑將成為21世紀(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控的新發(fā)展趨勢、具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。

支持向量機(jī)的人臉識別算法

人臉識別應(yīng)包含學(xué)習(xí)和識別兩個階段、其流程如圖1所示。訓(xùn)練階段建立支持向量機(jī)分類模型，主要步驟為對人臉圖像預(yù)處理，獲得人臉區(qū)域再利用膚色和幾何特征，獲得人臉特征向量訓(xùn)練集。由人臉特征向量訓(xùn)練集建立個體用戶的支持向量機(jī)分類模型。識別階段主要步驟為首先由待識別者所聲稱的身份，確定所要使用的支持向量機(jī)分類模型，同時對待識別者的人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理，獲得人臉區(qū)域，再利用膚色和幾何特征提取人臉特征向量，將該向量輸入到所確定的支持向量機(jī)模型進(jìn)行分類，以確定待識別者聲稱的身份真實與否。

系統(tǒng)的組成和功能

門禁系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由攝像控制模塊、報警驅(qū)動控制模塊和顯示錄像模塊、門鎖控制模塊四部分組成。攝像控制模塊主要完成人臉圖像的采集、驗證、登記使用人員的人臉圖像，取消人臉和重置使用、以及設(shè)定管理人員的權(quán)限。攝像控制模塊主要完成各監(jiān)視點(區(qū))的圖像傳送與控制。報警驅(qū)動控制模塊和門鎖控制模塊主要完成各控制點門的開啟、報警等功能。顯示錄像模塊進(jìn)行實時顯示和錄像。門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括：①攝像頭；②RS232／485轉(zhuǎn)換器；③門控制器、配套電鎖：④WINDOWS98驅(qū)動軟件及用于圖像顯示、人臉采集處理和管理、驅(qū)動的多媒體應(yīng)用軟件平臺。

人臉識別門禁系統(tǒng)的功能及通信協(xié)議

本系統(tǒng)所依賴的攝像頭通過接口與本系統(tǒng)的運(yùn)行平臺相連。基于人臉識別的門禁系統(tǒng)的接口需求可分為兩個部分：應(yīng)用編程接口和通訊協(xié)議。

應(yīng)用編程接口

本系統(tǒng)是作為一種軟件部件的形式，嵌入到各種相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中去，為其提供安全的用戶身份認(rèn)證服務(wù)。為實現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)的客戶部分需要以接口函數(shù)的形式提供注冊、認(rèn)證功能。

通信協(xié)議

通訊協(xié)議就是通訊各方的約定，沒有固定的格式方法，由開發(fā)商自行定義。在實際使用時，由于各種干擾因素，往往會發(fā)生誤動作的情況，因此通訊協(xié)議必須能抵擋各種干擾因素。為了得到可靠的通訊協(xié)議，我們常常在要發(fā)送的數(shù)據(jù)前加同步位，發(fā)送的數(shù)據(jù)后加結(jié)束位，以及加入校驗字節(jié)等等方法。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議采用串口控制單片機(jī)，不直接與任何網(wǎng)絡(luò)通訊硬件設(shè)備進(jìn)行交互。本文中我們確定如下的通訊協(xié)議。

1、數(shù)據(jù)為5個字節(jié)，第1字節(jié)表示數(shù)據(jù)校驗位，第2字節(jié)表示數(shù)據(jù)校驗位，第3字節(jié)表示數(shù)據(jù)校驗位，第4字節(jié)表示數(shù)據(jù)位1，第5字節(jié)表示數(shù)據(jù)位2。

2、第1、2、3字節(jié)表示校驗位，固定為“P”“Z”“K”；第4字節(jié)表示數(shù)據(jù)位。

3、第4字節(jié)即數(shù)據(jù)1，位=1則繼電器開，位=0則繼電器1關(guān)。

4、第3字節(jié)即數(shù)據(jù)2，位=1則繼電器開，位=0則繼電器2關(guān)。

因此如果接收到數(shù)據(jù)PKZ11，首先判斷第1、2、3字節(jié)是否=“P”“K”“Z”，再判斷第4、5字節(jié)，如果=11，則繼電器開，即電控鎖關(guān)。

本系統(tǒng)的目標(biāo)是使人臉特征向量作為身份認(rèn)證的手段，對用戶進(jìn)行認(rèn)證，判斷該用戶是否為他(她)所聲稱的用戶。因此，根據(jù)身份認(rèn)證和人臉識別技術(shù)的特點，系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下功能。

(1)人臉檢測和特征提取功能。因為在人臉識別時只需要輸入圖像中人臉的特征向量，而通常輸入的圖像中除了人臉之外還有背景信息包含在里面、所以在進(jìn)行人臉識別前的首要任務(wù)就是要從輸入圖像中將人臉特征向量提取出來。要能有實時的、基于視頻流的人臉檢測、跟蹤和特征提取功能，有效地提取人臉特征向量。

(2)人臉識別功能。要能在提供用戶口令和人臉圖像信息的情況下實現(xiàn)迅速的身份認(rèn)證，所以系統(tǒng)要具有實時、高效、準(zhǔn)確的人臉識別功能。

(3)數(shù)據(jù)庫管理功能。經(jīng)常需要向用戶信息數(shù)據(jù)庫中添加、刪除或修改用戶信息，所以系統(tǒng)需要具有數(shù)據(jù)庫管理功能，可以將用戶信息保存到數(shù)據(jù)庫中，并且可以修改或者刪除數(shù)據(jù)庫中信息。

(4)人臉識別門禁系統(tǒng)還包括錄像監(jiān)控、門禁控制和報警三大功能，每個功能由若干個相應(yīng)的子模塊實現(xiàn)。這些功能模塊提供了人臉的采集、校驗、信號的傳送和驅(qū)動電路、考勤記錄以及報警等功能。通過計算機(jī)可同時對若干個門禁通道和攝像機(jī)進(jìn)行管理，能授權(quán)不同的修改權(quán)限。開門邏輯可設(shè)定為“一人開門”或“多人與開門”方式，即核查一人正確即可開門，或同時對倆人(或三人)的人臉進(jìn)行“與”校驗，結(jié)果正確方可驅(qū)動，否則，進(jìn)行報警。該系統(tǒng)的設(shè)計可充分滿足某些特殊門禁管理的需要。對進(jìn)出人員進(jìn)出時間、門和電控鎖的狀態(tài)、報警情況進(jìn)行記錄、錄像，人臉校驗的工作流程如圖3所示。報警功能即非法開門報警。當(dāng)通過非法手段開門時，系統(tǒng)會輸出“非法開門”報警信號，聯(lián)動報警系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。

人臉識別門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)及其性能指標(biāo)

該系統(tǒng)采用微軟公司的可視化編程工具M(jìn)icrosoft Visual Studio 2005作為開發(fā)平臺，利用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法進(jìn)行程序設(shè)計。在本文中，該系統(tǒng)主要屬性有：人臉采集攝像頭、控制面板、攝像機(jī)等。首先對各對象的屬性建立需求模型，然后，確定類和對象所屬的主題詞，并按主題詞劃分子系統(tǒng)。

利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)人臉識別門禁系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)P.Coad和E.Yourdon提出的面向?qū)ο笤O(shè)計模型，進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，它主要由“主體部件”、“用戶界面部件”、“任務(wù)管理部件”和“數(shù)據(jù)管理部件”構(gòu)成。考慮到人臉識別門禁系統(tǒng)由人臉采集、攝像以及驅(qū)動電路組成，當(dāng)系統(tǒng)某個人臉采集攝像頭被觸發(fā)時，立即激活相應(yīng)的模塊，系統(tǒng)的設(shè)計完全展現(xiàn)了面向?qū)ο笤O(shè)計模型的方法。

軟件界面

根據(jù)面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，利用C++編程語言進(jìn)行程序設(shè)計，運(yùn)行界面由五部分組成。

(1)菜單區(qū)。進(jìn)行系統(tǒng)的初始化設(shè)置和操作功能，由系統(tǒng)設(shè)置、校驗、查詢狀態(tài)、打印、幫助五個菜單項組成。

(2)圖像顯示區(qū)。顯示攝像機(jī)的圖像信號。

(3)電控鎖(門)狀態(tài)顯示區(qū)。顯示電控鎖(門)開啟狀態(tài)。

(4)狀態(tài)條。進(jìn)行系統(tǒng)日期、時間、報警的顯示。

(5)按鍵控制區(qū)。進(jìn)行攝像機(jī)的選擇、云臺控制和鏡頭控制等功能。

性能指標(biāo)

(1)人像獲取時間小于2秒，人像識別時間小于2秒；

(2)人像檢測率94.5％，錯誤拒絕率小于2％，錯誤接受率小于0.05％；

(3)光照條件：自然光照，普通燈光采光；

(4)視頻輸入：320×240 8bit以上灰度圖像；

(5)數(shù)據(jù)庫容量：不限(僅取決于數(shù)據(jù)庫的容量)，每人1－9幅樣本圖像。

結(jié)語

人臉識別門禁系統(tǒng)是一種全新的多功能系統(tǒng)，它克服了密碼識別系統(tǒng)的局限，解決了傳統(tǒng)密碼識別系統(tǒng)容易被破解的缺陷，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性，本系統(tǒng)把人臉識別和錄像監(jiān)控技術(shù)有效地結(jié)合起來，功能更為完善，更具有商業(yè)價值。這種新興的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)將逐步滲透到安全、生產(chǎn)、生活的方方面面。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，它將得到更廣泛的應(yīng)用。