淺談基于OpenCV的人臉識別技術在智能衛浴系統的應用*

徐 金 董 英

(唐山惠米智能家居科技有限公司 河北 唐山 063307)

前言

人臉識別技術，是通過圖像采集后，對圖像內符合人臉特征的信息進行統計和辨識對比，自動并實時判斷人臉對應的相關的個性化信息。

Open CV是一種開源的計算視覺和機器學習的軟件庫，基于C++語言編寫且傾向于實時視覺信息的處理，能夠嵌入到Linux、Windows、Andorid等相關的操作系統上，實現人臉識別技術。

隨著智能家居技術的普及和應用，衛生間的智能化的需求已經提升到一個全新的高度，智能坐便器、智能淋浴器及智能浴室柜作為智能衛生間必不可少的組成部分，統一智能化的發展已經勢在必行，人臉識別技術的發展決定了其必將成為智能衛浴組成的重要部分，隨著各類新技術應用的導入，人臉識別技術應用成為了各類新技術應用的基礎，而人臉識別技術的應用導入程度，也成為了智能衛浴能否最終滿足用戶要求的標桿。

對此，國內衛生間還未形成統一標準化，且光線變化大，濕度高，鏡面易出現霧氣，這也無疑增加了人臉識別技術導入的難度。圖像采集需要在低照度高濕度的環境下有個更好的數據采集及白平衡系統，人臉識別算法上需要整合多種類使用環境，保證算法的高效運行。

1 人臉識別技術導入方案

本設計方案將圖像采集及終端處理的方案整合到智能鏡箱當中，此方案可避免圖像采集系統暴露在濕度較高的空氣中造成故障，也可避免因鏡子反射造成算法失效。

人臉識別技術的前提是要基于人臉檢測(Face Detection)來執行，圖像采集系統由2部分組成：一部分是由定焦針孔廣角鏡頭和高靈敏度CMOS的模組(文章試驗選型為舜宇4 mm廣角無畸變針孔鏡頭，圖像傳感器采用的SONY IMX291)；另一部分由偏光廣角鏡頭和低照度CMOS模組和紅外光燈組成(文章試驗選型為上述鏡頭加上偏光片，圖像傳感器采用鎂光AR0230)，目的是在完全黑暗情況下，依然能夠出色的完成圖像采集工作和監測人臉活體(Face Liveness)。

鏡頭視角安裝在鏡箱上時，以5°的垂直視場角下偏，以便有更好的圖像采集角度覆蓋這個標準衛生間，且模組算法支持自動白平衡和自動寬動態，適用低照度下的人臉信息采集。

上述的硬件配置也構成了智能衛浴系統人臉識別的圖像采集端，也是實現人臉識別的首要前提部分。

圖1 人臉識別模塊的覆蓋范圍示意圖

采集到的圖像信息通過LVDS協議傳輸到現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，下述以簡寫方式FPGA說明，試驗選型Altera公司的Cyclone IV系列EP1C12F324I7N)，通過FPGA進行圖像信息裁減和算法處理，將相應的圖像信息轉換為灰度圖像，并將最終的圖像信息轉換成數字矩陣，通過RS232通訊協議，發送到Android終端控制器(文章試驗選型為基于瑞芯微RK3288內核開發的開源Android控制板)，微控制器內安裝有基于Open CV軟件庫的開發的人臉識別軟件，以進行人臉檢測(Face Detection)。

此處基于Open CV軟件庫開發人臉識別系統的軟件做一個簡單的說明，首先需要對使用者的人臉信息進行錄入，整合軟件訓練庫內，后調用軟件庫內的多種分類檢索器，對訓練時檢索的多種數據進行記錄和整合，當正常使用時，調用Open CV內的識別器，對實時提供的圖像信息進行分析和檢索，而最終確認識別信息。

監測到的人臉信息，將進行人臉屬性識別(Face Attribute)和人臉提特征(Face Feature Extraction)，通過傳統的多點比對的方式及由粗到細的灰度策略，對圖像矩陣的數據進行數據掃描，并與對應的閾值進行數據比對，實時判斷個體的人臉特征信息。

監測到的人臉信息數據進行人臉比對(Face Compare)，人臉識別軟件通過將采集到的數據，與預先存儲在Flash中的設定人臉信息數據(即圖像訓練庫)和人臉相似的度的設定值進行數據比對，判斷個體的人設，并及時結合使用時間點，判斷個體使用需求，并將控制信號以無線信號(文章試驗的無線傳輸方案采用的是TI的CC2530)的形式傳輸到網關，由網關控制相對應的產品完成規定動作，個體完成使用后，記錄和存儲相關的衛生間使用信息。

終端微控制器與智能鏡的功能整合，將智能鏡箱的Android平臺的API端口開放給對應的圖像采集端，此方法不影響智能鏡箱人機功能交互的實現，同時，還可通過圖像采集的API收集更多的用戶使用信息，以便通過人機交互的GUI反饋給使用者。

終端控制器所需發送的的信號，通過信號傳輸端(即網關)完成，傳輸端的安裝位置在環境濕度不高及不會被水淋到的房間內的任意位置。

2 人臉識別技術在智能衛生間的邏輯應用

如下是智能衛浴系統的邏輯應用：

系統啟動后，啟動人臉識別監控模塊，當監測到使用者時，系統進入使用模式：

此時判斷室內光線是否過低，如過低則開啟燈光照明系統，其中包括室內燈、鏡燈等。

當30 s后仍然監測到人臉或未監測到人臉離開室內，則啟動新風系統，用于室內通風，并進入長效使用模式。

此時當終端控制器接收到反饋信號后，進入對應的工作模式，如監測到智能坐便器啟動后，進入如廁模式，終端控制器根據設定模式，完成關閉圖像采集、關閉窗簾等一系列操作。

如圖2監測到淋雨系統啟動，終端控制器根據室溫情況，完成開啟浴霸、關閉窗簾、鏡箱除霧等一系列功能。適時根據其他的智能設備的情況，進入對應的功能使用模式。

功能使用完成后，人臉識別系統重新開啟，此時監測使用者是否離開室內，如離開則在10 s后關閉照明系統，10 min中后關閉新風系統，并離開使用模式。

如未檢測到人臉離開，則返回長效使用模式。如下是分模塊對上述內容工作原理說明：

2.1 智能浴室柜

當終端控制器檢測到人臉并確認使用者后，終端控制器將需求配置信號結合光線傳感器，確認是否開啟鏡燈，其余配置信息以無線信號的形式發送給網關，并由網關繼續發送對應的設備及控制端口。

2.2 照明系統與新風系統

當檢測到使用者30 s后，終端微控制器發送配置信號給到網關，網關啟動新風系統，新風系統啟動，直到使用完成時，計時10 min中后，關閉新風系統。

當檢測到使用者后，終端微控制器檢測光線傳感器，當且僅當光線不足時，發送配置信號給到網關，網關啟動照明系統，直至使用完成后，人離開使用環境，計時30 s后，關閉照明系統。

2.3 智能坐便器與淋浴系統

當終端微控制器檢測到人臉后，上述系統啟動后，當智能坐便器或淋浴系統，檢測到人體即將使用時，關閉圖像采集系統。然后進入隱私保護狀態，關閉窗簾。

智能坐便器的即將使用的監測裝置可采用微波雷達實現及其他相關方法實現，清洗及吹風等產品的需求，由終端控制器發送到網關，并由網關直接控制智能坐便器實現相關的定制化需求。

淋浴系統的監測實現可采用淋浴房門的監測的傳感器及其他相關方法，水溫、水量及增壓系統是否啟動，通過終端控制器將識別后的個人需求發送給網關，并由網關控制淋浴器的定制化使用需求。

2.4 其他智能設備

智能衛生間內配置有自熱毛巾架，紫外線消毒燈等，亦整合相應的產品邏輯，后通過網關對產品進行智能控制。

圖2 智能衛浴邏輯系統

3 結語

基于Open CV的人臉識別技術在智能衛浴應用，筆者提供了一種可實現的控制方案及控制系統，經過多種環境測試，市場反應良好，但此種方案對于衛生間的標準化及使用環境有相關的要求，還需針對此方向進行更新算法及深入研究。