基于人臉識別的智能門禁系統

喬思遠

（徐州市擷秀中學，江蘇徐州，221000）

1 概述

■1.1 基于人臉識別的智能門禁系統的目的及意義

近年來，隨著各個國家對高新科技領域競爭的不斷加劇，越來越多的國家地區走上現代化道路，便利了人們衣食住行的同時，也使得許多不法分子的犯罪手段變得越加先進多樣。為應對此問題，市面上便出現了一大批智能門禁系統。然而，這些系統在實際的安全性、實用性等方面存在著諸多不足之處。與此同時，隨著計算機硬件性能的迅猛發展，尤其是CPU中央運算處理器的發展,讓計算機視覺技術和射頻識別技術得到了飛速的發展，各種各樣的人機交互軟件不斷推陳出新，人工智能技術在此過程當中起到了推波助瀾的作用。[1]這一進步，也促使科技變得更具服務性，更加貼近人們的生活。其中，生物特征識別技術便是一個鮮活的例子，它正在科技發展的新態勢下，逐漸走向成熟，得到廣泛應用。正是人們的自身需求與生物特征識別技術的逐漸成熟，造就了當今為保護人們安全的智能門禁系統的出現。在這些基于生物識別技術的門禁系統中，基于人臉識別的智能門禁系統由于友好的用戶體驗以及成熟的技術積淀而受到廣泛認可。

■1.2 人臉識別技術與智能門禁系統研究現狀綜述

人臉識別技術作為此系統的一項核心技術，一直在被科學家們不斷研究和探索。早在十年前，美國國防部高級研究署就資助了一個HID(Human Identi fi cation at a Distance)計劃，用來研究使用各種方法監控人臉識別每個人的身份，從而建立人臉庫模型，從而達到增強國防能力的目的，免受恐怖襲擊[1]。此外，2008年北京奧運會的開、閉幕式運用了人臉識別技術。它將預存特征與現場提取的特征進行1:1的身份驗證，保障了奧運會安檢的安全通暢[2]。由此可見人臉識別技術在各個領域應用是十分廣泛的，尤其是人臉識別在智能門禁領域的研究越來越受到研究者的熱捧。而對于智能門禁，一些國家很早便將其用于本國重要領域，比如美國、英國、德國、日本等國家，都將智能門禁系統應用到其軍事等各個領域[1]。

現階段，國內對于人臉識別和智能門禁技術的研究和發展仍存在一些問題。例如，在實際應用中光線變化、用戶姿態變化、表情變化等大量不確定因素的存在，使得目前在實驗室環境下得到的人臉識別方法在實際應用中性能急劇下降。這也使得研究人員開始越來越關注人臉識別技術在實際應用中所面臨的各種挑戰[3]。而對于門禁系統，行業規范與標準的缺失，以及沒有形成合理的管理體系等問題，也成為了制約其發展的關鍵因素[1]。

■1.3 本系統的創新點

本文將傳統人臉識別技術與智能門禁系統相結合，并在技術以及系統結構上進行了一系列改進和優化，提出了一種更加安全、便捷的智能門禁系統解決方案。系統運作流程大致如下：在用戶到達系統識別區域時，高清攝像頭會對其面部進行圖像拍攝，之后，圖片將會被傳輸到系統內部，并對其進行人臉檢測與識別；這個過程當中，拍照可能發生在黑夜的條件下，這就會對識別過程造成極大的負面影響，因此，集成紅外光學系統是一個不錯的選擇。此外，本系統還會集成云日志、RFID雙層驗證、手機管理認證等一系列安全保障機制，以進一步加強系統的安全性。

2 本系統的技術原理

■2.1 人臉識別技術

人臉識別是指給定一個場景的靜態圖像或動態視頻,利用存儲有若干已知身份的人臉圖像的數據庫驗證和鑒別場景中單個或多個人的身份[4]。 其步驟如圖1所示。

（1）圖像預處理:可降低圖像的噪聲，方便后續的處理。預處理常見的方法有：歸一化、直方圖均衡、圖像灰度變換等。

（2）人臉檢測:人臉檢測是指在任意給定的一張圖片當中，判斷是否有人臉的存在。如果有人臉存在，則給出人臉的位置坐標、人臉大小、人臉個數等信息[3]。當今常用的人臉檢測的分類器有：Adaboost算法，SVM（支持向量機），隱馬爾可夫模型，神經網絡方法等。

圖1 人臉識別原理圖

（3）特征提取和降維:提取方面，對于一張人臉，不同角度、不同照明下會呈現不同的特征，所以特征的提取要抓住人臉的主要特征，適當忽略次要特征和人臉照片灰度值的細微變化。常見的特征類型有：灰度直方圖；Haar特征；LBP紋理特征；HOG特征（方向梯度直方圖）等。降維方面:通常采用PCA方法（即主成分分析法）。它的目標通過提取主要特征，過濾掉次要特征，來提高匹配的精確度，減少特征維度，進而減少了計算的復雜度。

（4）人臉庫:采用平均臉及特征臉相結合的方法進行構建。平均臉指從一定數量的人臉中提取面部特征，并將這些特征進行測量并求出平均值，最后合成的一張人臉。特征臉，指用于機器視覺領域中的人臉識別問題的一組特征向量，主要用來解決人臉識別過程中的人臉分類問題。

■2.2 RFID技術

RFID射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術[5]，它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作能夠自主運行，高度智能化，且可工作于各種惡劣環境。不僅如此，這種技術亦可對高速運動中的物體進行識別并可同時識別多個電子標簽，操作起來也快捷方便[6]。現在的RFID系統以此技術作為支撐的，該系統用于控制、檢測和跟蹤物體。它的構造簡單，大致由電子標簽（內含芯片與天線）、RFID讀寫器以及后臺計算機系統三部分組成。

RFID工作時，主要包括以下幾步：

（1）當電子標簽進入讀寫器工作的可測范圍內時，將會感應到讀寫器發射的特定射頻信號，此時，電子標簽被激活，并將自身編碼信息通過內置射頻天線向外發送；

（2）標簽發來的調制信號被讀寫器接收，并傳送至其信號處理模塊，在天線解調器解調和解碼后，將有效信息送至后臺的計算機系統中，進行后續處理；

圖2 系統工作示意圖

（3）計算機系統通過邏輯運算對該標簽的身份進行識別，驗證與所注冊信息是否相同，之后，處理和控制RFID系統內部對應的設定，最終使讀寫器在系統發出的指令信號下相應的讀寫操作。

3 系統設計

系統工作時無需人工操作，自動進行驗證。其工作原理如圖2所示，主要分為用戶信息的注冊和實時監控認證兩大部分。

■3.1 用戶信息的注冊與儲存

用戶信息的注冊與儲存包括RFID信息、APP管理端賬戶以及人臉信息的注冊與存儲三個方面。RFID信息注冊環節，為了避免RFID標簽丟失造成的安全風險，系統在錄入保存RFID信息過程中，設置了可對已注冊RFID信息進行修改、注銷的功能機制，這種機制有效防止RFID標簽的丟失，提高了系統的安全性。手機管理端賬戶注冊環節，用戶需注冊一個賬號來獲得與門禁系統交互的“鑰匙”，這樣，手機認證就可發揮與RFID電子標簽認證一樣的作用，以此來解鎖人臉識別功能。此番舉措，大大降低了用戶忘帶RFID標簽而無法進入家門的風險，提高了系統的安全性，實用性。人臉信息的采集存儲環節，主要是用來采集并存儲人臉特征，建立足夠可靠的人臉庫，為實時檢測認證環節做好充分的準備。

■3.2 實時監控與認證

實時監控與認證過程，系統主要采用RFID信息認證與人臉識別認證相結合的方式，并添加手機賬戶認證、云端日志系統等輔助安全保障措施。

信息驗證首先需要由RFID標簽認證來完成。持有RFID標簽的用戶在進入RFID解讀器所能檢測的范圍后，RFID系統就會自動進行匹配識別，若成功，則解鎖人臉識別功能；若失敗，則通過云系統將來訪者信息傳給手機管理端。此外，用戶手機管理端的認證同樣可以解鎖人臉識別功能。這提升了用戶的使用體驗，也使系統更加靈敏便捷。在解鎖人臉識別功能后，高清攝像頭對來訪者的面部進行拍攝，并將圖像傳輸到系統內部進行特征提取，與先前存儲的特征進行比對認證。

在經過初步的信息驗證后，云端日志系統將會開啟，并將認證結果進行記錄和傳遞。若人臉認證成功，則系統綠燈長亮，并伴發出“叮咚”的聲音；若認證失敗，則系統閃爍紅燈，并伴隨5s“滴滴”的警報聲。此時，系統會迅速地儲存來訪者的生物信息，并記錄下此次開門的具體時間，接著，系統會生成日志，傳到云管理端上，再通過云管理端發送到注冊的手機客戶端中，方便使用者的查看。這大大降低了人身與財產安全遭受損害的風險，增強了門禁系統整體的安全性。

輔助保障機制方面，首先，在高清攝像頭上安裝有紅外光學系統，這一舉措，有效避免了夜晚回家時圖像拍攝不清晰而導致人臉無法正常識別這類問題的發生，提高了系統對惡劣工作環境的適應度。其次，整個系統內部還配有使用壽命較長的可充電電池，在系統正常運行時，通過家庭電路進行充電并儲存電量。若發生樓房停電這類緊急情況，門禁系統不會因此而無法運行。這一系列舉措，在豐富了系統功能的同時，大大提高了其安全性，能夠更好地滿足用戶對安全的需求。

4 結語

本文在傳統的基于人臉識別的門禁系統基礎上，融合了一系列新型的技術手段，提出了一種安全性更高、適應性更強、用戶體驗更友好的智能門禁系統解決方案。如今，在這個信息多元化的時代，融合新興技術手段的新型門禁系統有著更廣闊的發展前景，更強勁的市場競爭力。它們的出現及在生產生活中的應用正逐漸被大眾接受和認可，希望改良后的系統能在擴大自身技術優勢的同時，謀求智能門禁系統更加智能化、人性化的進步，為公民的財產和自身安全帶來強有力的保障，為公共秩序的維護和國家現代化科技的發展做出更大的貢獻。

* [1]王宇欣. 基于人臉識別的門禁認證系統的設計與實現[D]. 電子科技大學, 2016.

* [2]蘇光大. 人臉識別在社會公共安全領域的應用[J]. 中國安防,2015(14):12—14.

* [3]薛曉利. 基于人臉識別的門禁系統研究[D]. 西南交通大學,2011.

* [4]Zhao W, Chellappa R, Phillips P J, et al. Face recognition:A literature survey[J]. Acm Computing Surveys, 2003, 35(4):399—458.

* [5]韓立毛, 趙躍華, 錢宇力. 基于RFID技術的物品跟蹤識別方案研究[J]. 通信技術, 2009, 42(10):142—144.

* [6]于廣威, 何文才. 基于RFID技術的身份識別系統設計與實現[J]. 通信技術 , 2010, 43(4):106—108.