基于樹莓派的低成本簡易人臉識別系統

張萌

【摘要】近年來，人臉識別在電子銀行、金融證券、國家安全等諸多領域有著廣泛的應用。本文基于樹莓派為硬件基礎，以OpenCV為軟件核心設計實現了具有人臉識別功能的簡易系統。本系統首先通過OpenCV打開攝像頭并讀取攝像頭畫面，然后將授權人的人臉信息進行灰度化、降維及計算特征值等處理，再將處理后的人臉信息通過Dlib庫與已知的授權人臉進行比對，最后對識別的人臉進行實時標注。經過實驗測試證明，該系統具有較好穩定性，并能順利的完成了人臉識別功能，但識別效果會受到攝像頭等硬件設備和距離的限制。

【關鍵詞】樹莓派;OpenCV;人臉識別

一、引言

隨著科學信息科學技術的飛速發展，信息安全問題已經越來越引起人們廣泛的關注。在諸多應用領域，例如電子銀行、金融證券、國家安全等領域身份認證技術都用來保證用戶的財產安全。與其他生物特征的身份識別相比人臉識別更加穩定、方便、安全，已經得到了廣泛的應用，并且獲得了社會大眾的普遍認可。

此外近年來，基于Linux的單片微型計算機也已迅速發展，并以其開源、低價等特點被廣泛使用。因此本文將樹莓派為硬件基礎，以OpenCV為軟件平臺搭建一套人臉識別系統。

二、硬件和軟件設置

（一）硬件設置

樹莓派（Raspberry Pi），是由英國樹莓派基金會開發的一款基于Linux的單片微型計算機。在其上可以輕松的運行Linux系統和windows系統，以及這些系統之上的應用程序，因此被廣泛應用于嵌人式系統和物聯網領域，也經常作為小型的網絡服務器完成特定功能。

（二）軟件設置

1.OpenCV

OpenCV（Open Source Computer Vision Library），是一個可以跨平臺運行的，開源的計算機視覺庫，可以在絕大多數的操作系統上運行如Windows，Linux等。視覺庫整體是用C函數和C++類編寫的，其中包括了計算機視覺圖像處理的多種常見的通用算法。OpenCV構建的計算機視覺算法框架，簡單易懂、方便開發人員使用，因此在其上能快速便捷的開發出更為復雜的計算機視覺和圖像處理的程序。

2.Dlib

近年來，Python語言發展勢頭迅猛，要得益于其源代碼的開源性以及高效性。Python社區擁有大量的第三方庫，Dlib庫就是其中一個著名的第三方庫，它能夠實現人臉的檢測和識別，其算法主要依賴于HOG特征分類器。其算法的實現分為以下幾個過程：首先將原始圖像進行灰度處理，接下來對圖像用Gamma校正法基于顏色空間進行標準化矯正，然后算出每一個圖像像素的梯度，再將圖像用細小單元重新劃分并生成梯度直方圖，最后將若干個小單元組合成較大的區域，并對區域內進行梯度直方圖歸一化處理，生成HOG特征向量描述。

三、實驗分析

（一）實驗方案

首先搭建樹莓派硬件環境，接下來通過OpenCV打開攝像頭并讀取攝像頭畫面，然后檢測圖像中是否有人臉，若有則與已知人員的照片進行比對，如為已知人員則在畫面中標注其姓名，否則標注“未知人員”，然后返回重新檢測下一時刻畫面。若畫面中未檢測到人臉，則也返回檢測下一時刻畫面。本文實驗方案流程圖如圖1所示。

（二）實驗結論

該實驗利用了OpenCV調用攝像頭功能，滿足了實時性的要求，通過配合Dlib人臉檢測算法來獲得人臉關鍵部位的位置信息，最終實現了較為準確的人臉識別和認證。實驗結果如圖2所示。

同時，在實驗研究的過程中，也發現了該實驗方案存在的一些問題。一是受到攝像頭等硬件的功能和性能限制，在處理過程中只能降低圖片的質量，確保運算量不超硬件負荷才能相對流暢地處理圖片。二是在人臉識別的過程中，由于dlib算法本身誤差的影響，導致在距離攝像頭5米以外的人臉難以進行面部識別。三是由于時間的原因，實驗未加入活體檢測系統，考慮可以通過判斷眨眼的次數或是兩次眨眼的時間間隔來確定其是否為合法用戶，防止借助用戶人臉視頻的欺詐行為。

四、小結與展望

本文基于樹莓派和OpenCV為核心設計實現了具有人臉識別功能的簡易系統。通過OpenCV打開攝像頭并讀取攝像頭畫面，然后檢測圖像中是否有人臉，最后對識別的人臉進行實時標注。經過實驗測試證明，該方法有較高的人臉識別成功率。同時，本文的設計具有硬件配置簡單，成本消耗低等優勢，相信在智慧城市的建設過程中，結合活體檢測等功能可以在小區智能門禁系統、智慧教室簽到、智能支付、身份識別等領域會有廣闊的發展前景。

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基金項目：

2018年立項校級課題，課題名稱：《基于樹莓派的低成本簡易人臉識別系統的開發與應用研究》。