face_recognition結合pinpong開發人臉識別門禁

謝作如

涉及學科：技術、電子電路、工程

人臉識別是人工智能的一個熱門應用，在我們的生活中已經隨處可見，如手機面部解鎖、火車站進站檢票、超市掃臉付款等。因而，人臉識別也成為中小學人工智能教育中一個重要案例，很多教材都會通過各種方式，讓學生體驗或者實現人臉識別，感受人工智能的強大功能。

在計算機中實現人臉識別非常簡單，一個攝像頭加上某個特定的軟件，就能體驗類似年齡、性別和顏值等方面的識別。但僅僅這樣的體驗是不夠的，還要引導學生討論：我們能應用人臉識別技術做點什么？正是基于這樣的思考，一些創客往往會利用類似樹莓派、虛谷號的迷你電腦，結合其他硬件，設計人臉識別相關的作品，在制作中學習和理解人工智能，如人臉識別門禁。其實這樣的智能作品實現難度并不大，借助face_recognition和pinpong，中小學生也能開發類似的作品（如圖1）。

● 人臉識別門禁系統的技術實現

人臉識別門禁是智能家居、智慧校園和創客教育中的典型案例，體現了人工智能在生活中的真實應用。作為一款人工智能的應用，我們總是期望這些系統能夠運行在真實的環境，讓學生得到一種不一樣的成就感。例如，要求學生將人臉識別門禁系統部署在學校創客空間的門口，讓原來的普通門鎖升級為智能門鎖。那么，這個人臉識別門禁系統需要達到如下兩個基本要求：

一是能夠運行在迷你電腦上。因為我們總不能接一臺巨大的PC機，放在大門的旁邊。如果用普通計算機，不僅接線成為難題，連供電都麻煩。

二是能夠驅動常見的電子鎖。常見的電子鎖類似一個繼電器，只要給特定的接口提供一定的電流，就能打開或者關閉鎖舌。

要讓人臉識別門禁系統運行在迷你電腦上，那首選的開源硬件肯定是樹莓派、虛谷號和拿鐵熊貓之類。這些開源硬件的特點是都能運行Linux和Python。而采用Python作為編程語言，本來就是我們最好的選擇之一。首先，使用Python就意味著我們開發的應用是跨平臺的，能夠很好地運行在各種開源硬件上。其次，Python的人工智能相關庫很多，搭建一個人臉識別應用的技術難度較低。

● 開發環境的搭建

人臉識別門禁是一個典型的信息系統，涉及多方面的功能，如拍攝人臉、識別人臉和門鎖控制等。這里的人臉識別，指的是對特定人群的人臉識別。以我校的創客空間為例，只有科技制作社的部分學生有權限進入，系統的攝像頭要能夠將當前的人臉和預設的用戶人臉進行比較，匹配成功則開門。具體的工作流程如圖2所示。

1.軟件環境的搭建

從工作流程中可以看出，人臉識別門禁的核心功能也分為識別、匹配和開門三部分。我們分別使用了三個相關的庫來完成這些功能。

攝像頭控制：OpenCV。

OpenCV是著名的開源計算機視覺庫。絕大多數的Python項目都會利用OpenCV來控制攝像頭。其實OpenCV也具備了人臉識別的功能，只不過相對face_recognition來說，要稍微復雜一點。

安裝方法：pip install opencv-python。

人臉識別和匹配：face_recognition。

在人臉識別的庫方面，我們選擇了face_recognition。face_recognition是一個強大、簡單、易上手的人臉識別開源項目，并且配備了完整的開發文檔和應用案例。face_recognition對硬件的要求比較低，樹莓派和虛谷號都能流暢運行。

安裝方法：pip install face_recognition。

門鎖控制：pinpong。

一些開源硬件都已經具備了驅動外圍電子模塊的功能，如樹莓派有GPIO功能，虛谷號和拿鐵熊貓則整合了一塊Arduino。如果使用的是其他類型的迷你電腦，則需要借助Arduino或者掌控板之類的智能終端。不管采用什么開源硬件，pinpong庫都是最佳選擇之一。pinpong庫是一個基于Firmata協議開發的Python硬件控制庫，支持多款開源硬件，是虛谷計劃中眾多開源軟件中的一個組成部分。Pinpong庫的特點是代碼簡潔，而且配置方便。

安裝方法：pip install pinpong。

需要強調的是，安裝這幾個庫一般還要先安裝一些依賴庫，而這些安裝工作是由pip自動完成的。

2.硬件環境的搭建

考慮到絕大多數創客空間都有Arduino，這個項目選擇了虛谷號。但是在本機測試可以使用任何一塊Arduino，如DFRduino。

擴展板和一個繼電器模塊是必需的。如果希望體積小一點，這里推薦使用樹莓派Zero。如果用的是NUC或者HTPC，則推薦beetle控制器，結合專用的擴展板，體積很小，安裝起來特別方便，如圖3所示。

器材清單：①開源硬件——虛谷號、擴展板;②擴展模塊——繼電器、電子鎖（電磁鎖）。

硬件連接：有些電子鎖（電磁鎖）采用9-12V的電壓支持，所以需要用繼電器（或者通用開關控制模塊）來控制。不同的硬件連接方式大同小異，接線參考如下頁圖4所示。

● 代碼測試和運行

限于篇幅，這里僅僅提供了幾段核心代碼，需要具體的代碼請訪問虛谷號的GitHub官方文檔（vvBoard-docs）。

1.攝像頭檢測人臉

參考代碼如圖5所示。

2.匹配預設的人臉

參考代碼如圖6所示。

3.控制繼電器打開門鎖

參考代碼如圖7所示。

● 結語

自國務院發布《新一代人工智能發展規劃》以來，全國各地涌現出一大批人工智能教材。但現有的教材中，人工智能與人的交互手段非常單一，無非是鍵盤鼠標的輸入和屏幕輸出，再加上語音的交互。對中小學生而言，沒有結合硬件的人工智能應用總不夠直觀形象、酷炫有趣，缺乏“生活”氣息。以人臉識別為例，讓學生設計具備人臉識別功能的創客作品，無論是學習興趣還是最終收獲，都要遠高于局限于普通電腦的“體驗”。在做中學，在研中學，人工智能教育需要結合真實的動手實踐。

其實，在人工智能教育興起之前，我國在創客教育方面已經得到了很好的發展。很多學校都配置了創客空間，也購買了如Arduino和掌控板之類的開源硬件，為人工智能教育的進一步實施打下了良好的基礎。在face_recognition和pinpong之類擴展庫的支持下，很多基于Python開發的人工智能應用，只要再加幾行代碼就能夠感知外部環境，并且可以控制各種類型的電機，讓人工智能不僅能夠像人一樣思考，還能夠像人一樣動起來。