基于人臉識(shí)別技術(shù)的高校智慧實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)

(太原理工大學(xué)　山西　太原　030024)

引言

隨著近年來我國高等教育的快速發(fā)展，高等院校的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)走上了快速發(fā)展的道路。尤其在一些高等職業(yè)院校以及應(yīng)用型本科院校中，實(shí)驗(yàn)室的管理以及重要實(shí)驗(yàn)設(shè)備的維護(hù)，已經(jīng)成為了人們關(guān)注的焦點(diǎn)。但是，由于大學(xué)生源數(shù)量的不斷擴(kuò)招，教師隊(duì)伍的不斷壯大，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)已經(jīng)成為了眾多高等院校共同的需求。

當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室開放管理主要還是通過傳統(tǒng)人工管理方法，實(shí)驗(yàn)室的進(jìn)出與開放、實(shí)驗(yàn)室使用效率的記錄與統(tǒng)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室日常安全檢查都是通過管理教師或者勤工助學(xué)管理學(xué)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(tǒng)計(jì)的失誤，因此已經(jīng)不適用與如今開放實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)要求和實(shí)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(shù)的身份認(rèn)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(tǒng)只不過是將傳統(tǒng)鑰匙變?yōu)榱朔墙佑|式RFID卡片，只是實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室管理的信息化，并沒有真正實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室管理的智慧化。

因此，正是基于當(dāng)前我國高等院校實(shí)驗(yàn)室管理所存在的問題，本文提出了基于人臉識(shí)別技術(shù)來服務(wù)高校實(shí)驗(yàn)室的日常開放管理。

一、技術(shù)基礎(chǔ)

(一)人臉識(shí)別技術(shù)基礎(chǔ)

分為人臉圖像采集和人臉圖像識(shí)別兩個(gè)模塊，核心原理是利用人臉特征唯一性這個(gè)特點(diǎn)，將人臉當(dāng)中的某個(gè)特征點(diǎn)作為基礎(chǔ)特征點(diǎn)，通過對(duì)該特征點(diǎn)建立直角坐標(biāo)系，將其他特征點(diǎn)相對(duì)于坐標(biāo)原點(diǎn)的位置、距離、角度等特征量進(jìn)行匯總和分析得到相應(yīng)的特征結(jié)果。由于每個(gè)個(gè)體，人臉特征的差異性各不相同，因此所得到的特征結(jié)果具有唯一性。

基于人臉識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)就是利用人臉采集模塊，將識(shí)別驗(yàn)證者的面部特征進(jìn)行采集，根據(jù)系統(tǒng)預(yù)設(shè)定的邏輯判斷算法，進(jìn)行特征結(jié)果的計(jì)算與匹配，完成開關(guān)門的系統(tǒng)操作。如今，人臉識(shí)別技術(shù)越來越趨向于成熟，人臉識(shí)別技術(shù)的健壯性越來越趨于穩(wěn)定。

(二)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)

通過人臉采集設(shè)備收集到的人臉特征信息，將通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的方式，與系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行通信。如今主流互聯(lián)網(wǎng)終端系統(tǒng)采用了B/S和C/S兩種體系架構(gòu)。由于考慮到系統(tǒng)的可移植性以及用戶體驗(yàn)和使用的便捷性，本套系統(tǒng)采用了基于瀏覽器/服務(wù)器模式下的軟件體系結(jié)構(gòu)，并使用了Apache+PHP+MYSQL的后臺(tái)開框架。PHP語言是現(xiàn)在較為流行和成熟的一款編程開發(fā)語言，雖然屬于弱類型語言，但是具有良好的代碼執(zhí)行效率，高效的開發(fā)速度和良好的可移植性和可擴(kuò)展性，因此本套系統(tǒng)采用了以PHP語言為基礎(chǔ)，基于B/S結(jié)構(gòu)下的軟件體系結(jié)構(gòu)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)基本工作流程

本套基于人臉識(shí)別技術(shù)的高校智慧實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)包括兩大子系統(tǒng)，分別是智慧實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)和人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)。人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備包括人臉采集攝像設(shè)備、語音播報(bào)設(shè)備、門禁系統(tǒng)控制終端、電子門鎖以及相應(yīng)的服務(wù)器和計(jì)算機(jī)終端等。人臉采集設(shè)備主要功能是檢測人臉和采集人臉特征信息；門禁系統(tǒng)控制器用于發(fā)送人臉采集信息和接收終端指令；電子門鎖控制智慧實(shí)驗(yàn)室門鎖的解鎖和封閉；語音播報(bào)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證人與系統(tǒng)的人機(jī)交互，將門禁判斷的結(jié)果通過語言向驗(yàn)證人進(jìn)行反饋。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一所示：

圖一　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)本除了硬件設(shè)備以外，還包括了一套人臉圖像識(shí)別采集系統(tǒng)與智慧實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)行配合。智慧實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)通過安裝在實(shí)驗(yàn)室外側(cè)的人臉圖像采集設(shè)備采集使用人的人臉情況，將所采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)智慧實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)，預(yù)約系統(tǒng)根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)，判斷使用人的身份信息，同時(shí)對(duì)照實(shí)驗(yàn)室使用預(yù)約記錄核實(shí)該用戶是否是該時(shí)段內(nèi)該實(shí)驗(yàn)室的使用人。如果經(jīng)過判斷，該使用人是本時(shí)段內(nèi)的實(shí)驗(yàn)室使用人，則門禁系統(tǒng)自動(dòng)解鎖，實(shí)驗(yàn)室開放；如果不符合實(shí)驗(yàn)室開放條件，則提示相應(yīng)信息，門禁系統(tǒng)仍處于鎖閉狀態(tài)。

(二)智慧實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)工作流程

智慧實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)的主要包括教師人臉信息采集和實(shí)驗(yàn)室預(yù)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(cè)、使用資格的審核以及人臉圖像信息的采集功能，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行進(jìn)行基礎(chǔ)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(tǒng)流程圖

教師通過智慧實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)進(jìn)行注冊(cè)，按照要求填寫相關(guān)教師信息并提交實(shí)驗(yàn)室管理員進(jìn)行資料審核。審核通過后，由管理員對(duì)教師進(jìn)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(tǒng)人臉數(shù)據(jù)庫中，以備系統(tǒng)配對(duì)。

實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能是本系統(tǒng)中的核心功能模塊。注冊(cè)成功后的教師，可以通過系統(tǒng)中的實(shí)驗(yàn)室預(yù)約功能，對(duì)其上課所需要的使用實(shí)驗(yàn)室填寫預(yù)約申請(qǐng)，提交由實(shí)驗(yàn)室管理員進(jìn)行審核。教師填寫申請(qǐng)時(shí)候需要正確填寫好預(yù)約日期以及當(dāng)天預(yù)約的時(shí)段，申請(qǐng)完成后可以在系統(tǒng)個(gè)人中心中查詢審核進(jìn)度。如果該時(shí)間段已經(jīng)有老師提出申請(qǐng)占用并已通過審核，該申請(qǐng)無法正常提交，彈出相應(yīng)提示的信息。

通過以上兩個(gè)核心模塊，系統(tǒng)對(duì)教師的人臉信息進(jìn)行了采集并建立了教師人臉信息數(shù)據(jù)庫。與此同時(shí)，教師可根據(jù)自身需求可以通過系統(tǒng)對(duì)實(shí)驗(yàn)室提出開放申請(qǐng)。使用申請(qǐng)通過審核之后，教師按照其約定的時(shí)段達(dá)到實(shí)驗(yàn)室門口的人臉識(shí)別設(shè)備進(jìn)行人臉識(shí)別，識(shí)別通過后實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開放。

(三)人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)工作流程

人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)是安裝在實(shí)驗(yàn)室門鎖處，用于采集使用人的人臉圖像信息。當(dāng)使用教師進(jìn)入人臉圖像采集識(shí)別區(qū)的時(shí)候，位于人臉采集終端前方的高清攝像頭開始對(duì)圖像進(jìn)行采集。人臉采集設(shè)備首先會(huì)檢測人臉圖像識(shí)別區(qū)是否存在人臉圖像，如果存在人臉圖像才會(huì)進(jìn)行人臉特征的采集工作，如果由于光線等自然因素導(dǎo)致無法判斷是否存在人臉圖像時(shí)則提出相應(yīng)提示信息。采集后的信息通過傳輸系統(tǒng)傳至后臺(tái)主機(jī)進(jìn)行特征值的判斷，通過與人臉數(shù)據(jù)庫的信息池進(jìn)行篩選和比對(duì)后，確定被采集人員的身份與信息。系統(tǒng)服務(wù)器在確定人員信息后，與實(shí)驗(yàn)室預(yù)約系統(tǒng)中的預(yù)約申請(qǐng)進(jìn)行比對(duì)，判斷該人員是否為本時(shí)間段內(nèi)合法的使用用戶，如果判斷成功則發(fā)送開門信息到門禁控制器中，由門禁控制器執(zhí)行開門操作并提示相應(yīng)信息；如果經(jīng)過判斷發(fā)現(xiàn)該人員并非本時(shí)段內(nèi)的合法使用用戶，則提示相關(guān)警報(bào)操作，并在實(shí)驗(yàn)室開放日志記錄中進(jìn)行視頻信息數(shù)據(jù)的記錄和留存。人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的整體工作流程如圖三所示：

圖三　人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的整體工作流程圖

三、結(jié)語

人臉識(shí)別技術(shù)如今已經(jīng)日趨成熟并廣泛的應(yīng)用于各種門禁系統(tǒng)，而高校實(shí)驗(yàn)室的開放和日常管理依托與人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展能夠得到質(zhì)的飛躍。

本套高校智慧實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室開放管理與人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的業(yè)務(wù)結(jié)合，依托這種新興的、帶有突破性的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高校實(shí)驗(yàn)室的智慧化管理，創(chuàng)造性的將教師預(yù)約功能與人臉識(shí)別相結(jié)合，解決了困擾高校實(shí)驗(yàn)室管理人員的實(shí)驗(yàn)室排課問題，降低了實(shí)驗(yàn)室管理員的工作壓力和強(qiáng)度。同時(shí)，這種新型門禁系統(tǒng)兼顧了預(yù)防和報(bào)警的功能，對(duì)于惡心闖入的人員可以進(jìn)行識(shí)別和記錄，提高了整個(gè)實(shí)驗(yàn)室管理的安全性，具有良好的實(shí)時(shí)性、應(yīng)用性和創(chuàng)新性。

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