基于人臉識別技術的圖書館門禁系統的研究

摘 要： 通過對人臉識別技術與其他身份識別技術的對比，分析不同技術之間的優缺點，進而提出基于人臉識別的圖書館門禁系統優于傳統圖書館門禁系統，同時對系統的組成結構、工作原理、算法代碼編寫流程以及系統測試等進行了研究。傳統圖書館門禁系統存在三個關鍵問題：存在不安全隱患、存在5%左右的誤識率和識別速度慢。針對上述三個關鍵問題分別提出了解決方案。由于人臉識別技術有著“人臉無法替代”、非侵犯性的特性，因此將人臉識別技術應用于圖書館門禁系統，排除了傳統圖書館門禁系統存在安全隱患的現象；從系統設備選型、網絡設計、軟件設計方面提升了人臉識別終端機對人臉的識別率；由于人臉的識別時間小于1 s，從根本上解決了圖書館門禁系統識別速度慢的問題。

關鍵詞： 人臉識別； 人臉特征提取； 圖書館門禁系統； 局部保持投影算法； 誤識率； 識別速度

中圖分類號： TN911.73?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0099?05

Abstract： The facial recognition technology and other identification technologies are compared， and their advantages and disadvantages are analyzed. And then it is proposed that the library access control system based on face recognition is superior to the traditional library access control system. The composing structure and working principle of the system， code programming process of the algorithm， and system testing for the library access control system are studied. There are three key problems existing in traditional library entrance guard system， such as potential safety hazard， about 5% 1 recognition rate， and slow identification speed. The solutions to solve the above three key problems are proposed respectively. Since the face recognition technology has the “irreplacable” and non?invasiveness characteristics， the face recognition technology is applied to the library access control system， so as to exclude the potential safety hazard existing in traditional library access control system. The face recognition rate of the face recognition terminal was improved in the aspects of the system equipment selection， network design and software design. The face recognition time is less than one second， so the system can solve the low recognition speed of the library access control system fundamentally.

Keywords： face recognition； facial feature extraction； library access control system； locality preserving projection algorithm； 1 recognition rate； identification speed

0 引 言

圖書館的現代化、智能化程度是衡量圖書館水平的重要指標之一。圖書館門禁系統對出入圖書館的讀者身份進行識別認證，只有驗證通過的人員才能進出圖書館。目前圖書館門禁系統通常采用“一卡通”刷卡或指紋識別驗證方式[1?3]。但這兩種圖書館門禁系統存在一定的弊端。“一卡通”刷卡式圖書館門禁系統卡片丟失后，一定程度上存在被他人代用等不安全隱患，使門禁系統形同虛設，以及忘帶卡的尷尬；采用指紋識別驗證方式的圖書館門禁系統，對安全防范有所提高，但指紋識別的安全性仍具有挑戰，而且該系統存在5%左右的誤識率，且識別速度慢，高峰時需要排長隊，以及指紋采集設備磨損或者指紋影響識別效果等問題。為了解決上述問題，將人臉識別技術[4?5]應用到現代圖書館門禁系統中。由于人臉識別技術有著“人臉無法替代”性、非侵犯性的特性，排除了“一卡通”刷卡形式或指紋識別驗證方式的圖書館門禁系統存在安全隱患的現象，并且人臉識別技術能夠精確提取人臉特征（人臉輪廓以及眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵之間的距離和皮膚的顏色）或行為特征（快樂、悲傷、恐懼、驚奇等），用以作為讀者出入圖書館身份識別的依據。應用人臉識別技術的圖書館門禁系統采用局部保持投影的人臉特征提取算法，能有效保證讀者正常有序的利用圖書館資源、對規范圖書館的日常管理工作起到了重要作用。本文對人臉識別技術與其他身份識別技術進行對比，分析他們之間的優缺點，進而提出基于人臉識別的圖書館門禁系統優于傳統圖書館門禁系統，同時對系統的組成結構、工

作原理、算法代碼編寫流程以及系統測試等進行了研究。將人臉識別技術與圖書館門禁系統相結合，重點對圖書館門禁系統的不安全隱患、誤識率和識別速度慢的三個關鍵問題提出了解決方法。

1 人臉識別技術與其他識別技術的比較

現代生活中，許多重要場所出入（如黨政機關、圖書館、公司辦公地點等）要對人身份進行驗證。身份驗證是指通過一定的技術手段，完成對用戶身份的確認。人身驗證方式經歷了漫長的發展過程，身份驗證的方法有很多，基本上可以分為標識物品驗證和生物特征驗證兩種方式[6?8]，見表1。標識物品驗證的身份驗證是對人所持的卡片、密碼等物品進行檢驗，以完成對用戶身份識別。生物學特征的身份驗證是指提供了一種高可靠性、高穩定性的基于每個人身體上獨有的特征，如虹膜、指紋等的身份鑒別途徑。

每種人身份驗證方式在不同社會發展時期對人身安全和隱私保護都發揮著至關重要的作用。但是伴隨著科學技術的發展和信息安全手段的提高，不同的驗證方式在使用便捷性、精確度、易被偽造等方面都呈現出一定的弊端，見表2。

人臉識別作為一種新興的生物特征識別技術，與表1所列生物特征驗證技術相比，人臉識別技術在應用方面具有獨到的優勢，見表3。

人臉識別技術是一種高精度、易于使用、穩定性高、難仿冒、性價比高的生物特征識別技術，具有極其廣闊的市場應用前景。

2 基于人臉識別的圖書館門禁系統特性及組成結構

人臉識別技術不易被復制，它有著無法替代性或惟一性；人臉識別終端機進行人臉識別時，人體不需要與人臉識別終端機接觸，即具有非侵犯性，從而避免了病毒、細菌的接觸性傳播，因此又具備衛生性、安全性。

鑒于人臉識別技術具有以上其他生物識別技術不可比擬的特點，因此基于人臉識別的圖書館門禁系統具有高精度、穩定可靠、難偽造及性價比高的特點。

系統由人臉識別終端機、門禁控制器、門禁數據服務器、遠程計算機組及通信網絡等部分組成，見圖1。

圖書館門禁管理中心內安裝的主要設備有：遠程計算機組、門禁數據服務器、通信網絡（TCP/IP）、路由器等。圖書館門禁管理中心可對人臉識別門禁系統每個控制單元進行遠程操作。一個控制單元由一個圖書館大門、一臺人臉識別終端、一個門鈴和一個出門按鈕組成。出門按鈕一般安裝在圖書館大門附近，安裝高度一般是距地面1.45 m。每個圖書館可以按照大門數量把整個圖書館區域劃分為N個控制單元。

當讀者要從圖書館大門進入時，人臉識別終端系統對人臉特征進行定位、提取，并通過RS 485總線將數據上傳至門禁控制器，門禁控制器通過LAN或TCP/IP網絡通信與圖書館門禁數據服務器中人臉資料庫進行比對辨識，滿足進入條件時，圖書館大門自動開啟，讀者通過此門進入圖書館。當讀者從圖書館內離開時，按動出門按鈕，則控制圖書館大門開啟/關閉的繼電器自動開啟，圖書館大門打開，讀者便可從此離開圖書館。遠程計算機是通過WAN或TCP/IP網絡通信接入本系統中，用以實現系統的人臉資料庫存取、管理員權限分配、進出圖書館人員記錄查詢等操作。

3 人臉識別圖書館門禁系統的工作原理

人臉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。基于人臉識別的圖書館門禁系統是將人臉識別技術和圖書館門禁系統相結合，并把人臉識別作為圖書館門禁系統的重要要素之一。人臉識別圖書館門禁系統的工作原理如圖2所示。

在圖2中，用安裝有攝像機或攝像頭的人臉識別終端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進行臉部的一系列相關技術，包括人臉圖像采集、人臉定位、人臉識別預處理、記憶存儲和人臉特征比對，達到識別出入圖書館不同讀者身份的目的。提取的人臉特征與人臉資料庫比對辨識成功，即門禁識別成功，圖書館大門由門禁控制器開啟。經過比對，門禁系統識別失敗時，圖書館大門不開啟，并將此時人臉圖像存儲到人臉資料庫。

4 圖書館門禁系統三個關鍵問題的解決方法

4.1 不安全隱患及解決方法

為了提供廣大讀者良好的借閱環境，減少圖書館的各項損失，須嚴格核對進出人員的身份，因此在圖書館使用圖書館門禁系統，可有效地禁止他人冒用授權者身份進入圖書館。

目前大部分圖書館門禁系統通常采用“一卡通”刷卡形式或指紋識別驗證方式。但都存在一定的弊端，如表4所示。

傳統圖書館門禁系統進行身份判斷時無法準備判斷刷卡及指紋確認人員是否為本人，而人臉識別圖書館門禁系統則進行人臉比對，識別精準。因為每個人都有一張臉，且不易被復制，仿冒，即有著“人臉無法替代”性或惟一性、非侵犯性、安全可靠性和方便使用性的特征，另外本系統采用局部保持投影算法，識別精確度高，確保精準識別每一張臉。因此采用人臉識別技術的圖書館門禁系統可以很好解決圖書館目前存在的不安全隱患問題，提高了安全性。

4.2 系統誤識率低及解決方法

由于與生俱來的原因，有5%左右的人因指紋紋路清晰問題影響圖書館門禁系統對指紋的識別。為了提高圖書館門禁系統的識別率，人臉識別圖書館門禁系統在系統設備選型、網絡設計、軟件設計等各方面充分考慮了系統的可靠性和穩定性，精確提取人臉特征。

在設備選型方面，采用性價比高穩定性好的門禁控制器和人臉識別終端機，配備高效能的DSP數字信號處理器，既充分考慮了硬件的可靠性，同時考慮系統的擴延性，從而實現了系統長期穩定工作性，見表5。

在網絡設計方面，本系統采用兩種成熟、可靠的通信總線：人臉識別終端機通過RS 485總線與門禁控制器連接，RS 485總線通信距離理論上不超過1 200 m，但工程中有效通信約800 m，且周圍環境越惡劣通信距離越短；門禁控制器通過LAN或TCP/IP網絡通信與圖書館門禁數據服務器/遠程計算機連接，TCP/IP網絡通信距離一般在100 m左右。在軟件設計方面，本系統設定的參數、人臉資料信息、開門記錄等都被保存于門禁數據服務器的數據庫中并進行自動備份，因此受權的管理者可以根據需要，對資料進行匯總、編輯、擬制多種圖書館門禁管理報表。

4.3 識別速度慢及解決方法

傳統的“一卡通”刷卡式圖書館門禁系統和指紋識別驗證式圖書館門禁系統識別卡片和指紋都需要一定的時間，而采用人臉識別的圖書館門禁系統，無需攜帶卡，識別速度快，操作簡單便捷，對人臉的識別時間要遠小于傳統驗證方式所需時間，識別快速，從根本上解決了傳統圖書館門禁系統識別速度慢的問題，見表6。本系統在人數為2 000時，人臉終端識別機驗證速度小于1 s。

5 圖書館門禁系統人臉識別算法分析與編程流程

人臉特征提取是基于人臉識別圖書館門禁系統中的核心步驟，它直接影響識別精度。在排除外界環境因素對人臉影響后，人臉特征提取用于識別人臉高穩定性圖像信息。從20世紀60年代末至今，人臉識別算法技術的發展共經歷了基于簡單背景的人臉識別、基于多姿態/表情的人臉識別、動態跟蹤人臉識別、三維人臉識別四個階段，見表7。由于三維人臉識別算法存在信息獲取上困難、對人的生理認識不足、圖像信息存儲量大、計算量繁雜，同時受到環境光線、方向等限制，以至于算法不夠成熟。當前對于讀者眾多，人流量大的圖書館（如大學圖書館），就顯得力不從心了。因此本文采用一種適用于大規模數據庫的人臉特征提取算法，即局部保持投影算法（Locality Preserving Projections，LPP），見圖3。

局部保持投影算法是一種更關注數據局部關系的非線性無監督降維的子空間分析方法。

采用人臉識別技術的圖書館門禁系統工作流程如圖4所示，該系統對出入圖書館讀者身份識別的精確率，識別速度等性能指標與人臉識別終端響應時間、局部保持投影算法編寫等諸多因素有關。

6 圖書館門禁系統測試

為了驗證基于人臉識別的圖書館門禁系統優于傳統圖書館門禁系統，以及本系統對進出圖書館人員識別功能，需對本系統實現運行情況進行測試。系統測試包括硬件測試、軟件測試及整機測試，其中系統對人臉識別能力、識別速度、識別人臉數量是本系統測試的核心內容。有相應權限的管理人員通過本系統的驗證后，可對本系統進行測試，分別以被測對象5人，200人對人臉識別功能進行測試。圖5、圖6是本系統人臉識別功能測試結果。測試結果表明系統人臉的識別可在1 s內完成，識別效果較好，識別率為98%，其中誤識別率為1.6%。因此基于人臉識別圖書館門禁系統能為廣大讀者提供安全、良好的圖書館借閱環境。

7 結 語

因為人臉識別技術比其他生物識別技術有著不可比擬的優勢，被人們廣泛應用于各類智能控制系統中。本文將人臉識別技術應用到圖書館門禁系統中，采取局部保持投影算法的人臉特征提取算法，可快速、精確、高效地對出入圖書館的讀者身份進行人臉識別，維護了圖書館的日常安全秩序、給讀者提供了一個安全、寧靜、舒適的閱覽環境。通過研究得出本文所用的人臉識別的圖書館門禁系統與傳統圖書館門禁系統相比，克服了傳統圖書館門禁系統的安全隱患；人臉識別的圖書館門禁系統可靠性高，即具有良好的識別率；由于人臉的識別時間小于1 s，從根本上解決了圖書館門禁系統識別速度慢的問題。

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