基于人臉識別技術的高校智慧實驗室門禁系統

(太原理工大學　山西　太原　030024)

引言

隨著近年來我國高等教育的快速發展，高等院校的實驗室建設走上了快速發展的道路。尤其在一些高等職業院校以及應用型本科院校中，實驗室的管理以及重要實驗設備的維護，已經成為了人們關注的焦點。但是，由于大學生源數量的不斷擴招，教師隊伍的不斷壯大，實驗室日常使用的頻率越來越高，建立一套成熟可靠安全的智慧實驗室門禁系統已經成為了眾多高等院校共同的需求。

當前實驗室開放管理主要還是通過傳統人工管理方法，實驗室的進出與開放、實驗室使用效率的記錄與統計、實驗室日常安全檢查都是通過管理教師或者勤工助學管理學生通過人工方式來完成的。這種管理模式，極大地限制了人力資源的效率，也容易造成記錄與統計的失誤，因此已經不適用與如今開放實驗室的建設要求和實際情況。正是基于此類情況，很多高校開始嘗試使用基于RFID技術的身份認證卡片，但是這種RFID卡片易盜取、易丟失、易消磁，購買成本也較大，受用面較小，只能用于日常管理人員使用。因此，很多高校的RFID門禁系統只不過是將傳統鑰匙變為了非接觸式RFID卡片，只是實現了實驗室管理的信息化，并沒有真正實現實驗室管理的智慧化。

因此，正是基于當前我國高等院校實驗室管理所存在的問題，本文提出了基于人臉識別技術來服務高校實驗室的日常開放管理。

一、技術基礎

(一)人臉識別技術基礎

分為人臉圖像采集和人臉圖像識別兩個模塊，核心原理是利用人臉特征唯一性這個特點，將人臉當中的某個特征點作為基礎特征點，通過對該特征點建立直角坐標系，將其他特征點相對于坐標原點的位置、距離、角度等特征量進行匯總和分析得到相應的特征結果。由于每個個體，人臉特征的差異性各不相同，因此所得到的特征結果具有唯一性。

基于人臉識別技術的門禁系統就是利用人臉采集模塊，將識別驗證者的面部特征進行采集，根據系統預設定的邏輯判斷算法，進行特征結果的計算與匹配，完成開關門的系統操作。如今，人臉識別技術越來越趨向于成熟，人臉識別技術的健壯性越來越趨于穩定。

(二)互聯網技術基礎

通過人臉采集設備收集到的人臉特征信息，將通過TCP/IP網絡通信協議的方式，與系統服務器進行通信。如今主流互聯網終端系統采用了B/S和C/S兩種體系架構。由于考慮到系統的可移植性以及用戶體驗和使用的便捷性，本套系統采用了基于瀏覽器/服務器模式下的軟件體系結構，并使用了Apache+PHP+MYSQL的后臺開框架。PHP語言是現在較為流行和成熟的一款編程開發語言，雖然屬于弱類型語言，但是具有良好的代碼執行效率，高效的開發速度和良好的可移植性和可擴展性，因此本套系統采用了以PHP語言為基礎，基于B/S結構下的軟件體系結構。

二、系統設計

(一)系統基本工作流程

本套基于人臉識別技術的高校智慧實驗室門禁系統包括兩大子系統，分別是智慧實驗室預約系統和人臉識別門禁系統。人臉識別門禁系統主要的硬件設備包括人臉采集攝像設備、語音播報設備、門禁系統控制終端、電子門鎖以及相應的服務器和計算機終端等。人臉采集設備主要功能是檢測人臉和采集人臉特征信息；門禁系統控制器用于發送人臉采集信息和接收終端指令；電子門鎖控制智慧實驗室門鎖的解鎖和封閉；語音播報設備是實現驗證人與系統的人機交互，將門禁判斷的結果通過語言向驗證人進行反饋。硬件系統結構如圖一所示：

圖一　系統硬件結構圖

人臉識別門禁系統本除了硬件設備以外，還包括了一套人臉圖像識別采集系統與智慧實驗室預約系統進行配合。智慧實驗室門禁系統通過安裝在實驗室外側的人臉圖像采集設備采集使用人的人臉情況，將所采集的數據傳輸到后臺智慧實驗室預約系統，預約系統根據采集到的數據，判斷使用人的身份信息，同時對照實驗室使用預約記錄核實該用戶是否是該時段內該實驗室的使用人。如果經過判斷，該使用人是本時段內的實驗室使用人，則門禁系統自動解鎖，實驗室開放；如果不符合實驗室開放條件，則提示相應信息，門禁系統仍處于鎖閉狀態。

(二)智慧實驗室預約系統工作流程

智慧實驗室預約系統的主要包括教師人臉信息采集和實驗室預約兩大主要模塊以及輔助功能。

其中，教師人臉信息采集主要完成的是教師的注冊、使用資格的審核以及人臉圖像信息的采集功能，為系統的正常運行進行基礎信息的采集工作。該模塊的工作流程如圖二所示。

圖二　教師人臉信息采集系統流程圖

教師通過智慧實驗室預約系統進行注冊，按照要求填寫相關教師信息并提交實驗室管理員進行資料審核。審核通過后，由管理員對教師進行線下人臉圖像信息的采集，并將采集好的人臉信息存入系統人臉數據庫中，以備系統配對。

實驗室預約功能是本系統中的核心功能模塊。注冊成功后的教師，可以通過系統中的實驗室預約功能，對其上課所需要的使用實驗室填寫預約申請，提交由實驗室管理員進行審核。教師填寫申請時候需要正確填寫好預約日期以及當天預約的時段，申請完成后可以在系統個人中心中查詢審核進度。如果該時間段已經有老師提出申請占用并已通過審核，該申請無法正常提交，彈出相應提示的信息。

通過以上兩個核心模塊，系統對教師的人臉信息進行了采集并建立了教師人臉信息數據庫。與此同時，教師可根據自身需求可以通過系統對實驗室提出開放申請。使用申請通過審核之后，教師按照其約定的時段達到實驗室門口的人臉識別設備進行人臉識別，識別通過后實驗室實現自動開放。

(三)人臉識別門禁系統工作流程

人臉識別門禁系統是安裝在實驗室門鎖處，用于采集使用人的人臉圖像信息。當使用教師進入人臉圖像采集識別區的時候，位于人臉采集終端前方的高清攝像頭開始對圖像進行采集。人臉采集設備首先會檢測人臉圖像識別區是否存在人臉圖像，如果存在人臉圖像才會進行人臉特征的采集工作，如果由于光線等自然因素導致無法判斷是否存在人臉圖像時則提出相應提示信息。采集后的信息通過傳輸系統傳至后臺主機進行特征值的判斷，通過與人臉數據庫的信息池進行篩選和比對后，確定被采集人員的身份與信息。系統服務器在確定人員信息后，與實驗室預約系統中的預約申請進行比對，判斷該人員是否為本時間段內合法的使用用戶，如果判斷成功則發送開門信息到門禁控制器中，由門禁控制器執行開門操作并提示相應信息；如果經過判斷發現該人員并非本時段內的合法使用用戶，則提示相關警報操作，并在實驗室開放日志記錄中進行視頻信息數據的記錄和留存。人臉識別門禁系統的整體工作流程如圖三所示：

圖三　人臉識別門禁系統的整體工作流程圖

三、結語

人臉識別技術如今已經日趨成熟并廣泛的應用于各種門禁系統，而高校實驗室的開放和日常管理依托與人臉識別技術的發展能夠得到質的飛躍。

本套高校智慧實驗室門禁系統將傳統的實驗室開放管理與人臉識別技術進行了有機的業務結合，依托這種新興的、帶有突破性的自動識別技術，實現了高校實驗室的智慧化管理，創造性的將教師預約功能與人臉識別相結合，解決了困擾高校實驗室管理人員的實驗室排課問題，降低了實驗室管理員的工作壓力和強度。同時，這種新型門禁系統兼顧了預防和報警的功能，對于惡心闖入的人員可以進行識別和記錄，提高了整個實驗室管理的安全性，具有良好的實時性、應用性和創新性。

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