移動(dòng)端學(xué)生公寓人臉識(shí)別門禁管理系統(tǒng)

陳韓浩，鄭勝忠，黃承慧，郭藝輝

（廣東金融學(xué)院互聯(lián)網(wǎng)金融與信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510521）

0 引言

隨著我國高等教育事業(yè)的發(fā)展，高校招生數(shù)量在不斷的擴(kuò)大，而學(xué)生公寓作為學(xué)生日常生活以及學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所，其安全管理的難度也在不斷加大[1-3]。為有效加強(qiáng)學(xué)生公寓安全管理，眾多高校開始采用三輥閘、擺閘、翼閘、旋轉(zhuǎn)閘等通道型門禁系統(tǒng)[4-6]。同時(shí)，近年來隨著人臉識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展[7-11]，人臉識(shí)別在通道型門禁系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛[12-15]。但是通道型人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)需要配置大型閘機(jī)機(jī)械設(shè)施以及復(fù)雜的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，安裝復(fù)雜、投入成本高。本文通過調(diào)用百度AI接口，提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于移動(dòng)端的學(xué)生公寓人臉識(shí)別門禁管理系統(tǒng)。系統(tǒng)投入成本極低，操作簡(jiǎn)單易行，其對(duì)于規(guī)范學(xué)生公寓安全管理、保障住宿學(xué)生人身以及財(cái)產(chǎn)安全、提高學(xué)生公寓管理信息化水平均具有十分積極的意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文移動(dòng)端智能人臉識(shí)別門禁管理系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成，包括手機(jī)移動(dòng)客戶端、后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器以及人臉識(shí)別模塊。手機(jī)移動(dòng)客戶端負(fù)責(zé)人臉信息采集、人臉比對(duì)結(jié)果及相關(guān)信息的接收；后臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器負(fù)責(zé)接收由客戶端傳來的數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)錄入以及向百度AI接口發(fā)出人臉比對(duì)服務(wù)請(qǐng)求；人臉識(shí)別模塊通過調(diào)用百度AI接口實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)將用戶傳入的人臉信息和百度數(shù)據(jù)庫中的人臉信息進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)完成之后將結(jié)果返回給客戶端；最終，在手機(jī)客戶端對(duì)返回的人臉比對(duì)結(jié)果進(jìn)行展示。本文移動(dòng)端人臉識(shí)別門禁管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

1.1 移動(dòng)端層次結(jié)構(gòu)

移動(dòng)端結(jié)構(gòu)包括四個(gè)層次，分別是 Linux 內(nèi)核層、系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)庫層、應(yīng)用程序框架層以及應(yīng)用層。應(yīng)用層采用Java 語言和 XML語言開發(fā)。使用Java 代碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)邏輯的處理，使用XML語言實(shí)現(xiàn)頁面的布局。移動(dòng)端層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 移動(dòng)端層次結(jié)構(gòu)圖

1.2 服務(wù)端層次結(jié)構(gòu)

本文服務(wù)端采用 MVC 設(shè)計(jì)模式，使用Spring Boot 搭建服務(wù)端框架，系統(tǒng)劃分為控制層（Controller）、業(yè)務(wù)層（Service）以及持久層（Dao）。服務(wù)端提供登錄管理接口、日志管理接口、人臉識(shí)別以及人臉信息采集接口。使用 AJAX 異步交互技術(shù)接收與響應(yīng)客戶端的請(qǐng)求，使用JSON進(jìn)行數(shù)據(jù)格式傳輸。服務(wù)端層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 服務(wù)端層次結(jié)構(gòu)圖

1.3 系統(tǒng)需求分析

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于移動(dòng)端的學(xué)生公寓人臉識(shí)別門禁管理，系統(tǒng)主要功能如下：

（1）實(shí)現(xiàn)快速有效的身份識(shí)別。系統(tǒng)對(duì)來訪者身份的識(shí)別包含以下幾個(gè)部分內(nèi)容：①非法訪問者，包括社會(huì)人員、傳銷人員以及其他非法人員身份識(shí)別。系統(tǒng)管理員將學(xué)生人臉信息添加進(jìn)學(xué)生人臉數(shù)據(jù)庫。當(dāng)宿舍管理員發(fā)現(xiàn)來訪人員身份可疑時(shí)，使用手機(jī)攝像頭獲取可疑人員的人臉信息，上傳至系統(tǒng)。系統(tǒng)遍歷數(shù)據(jù)庫后如未找到與之匹配的人臉信息，即向客戶端返回?zé)o匹配信息的結(jié)果，宿舍管理員據(jù)此判斷該訪問者是非法訪問者并禁止其進(jìn)入學(xué)生公寓。②學(xué)生輔導(dǎo)員、班主任等合法訪問者身份識(shí)別。系統(tǒng)管理員將學(xué)生輔導(dǎo)員、班主任等人臉信息增添到教師人臉數(shù)據(jù)庫。當(dāng)學(xué)生輔導(dǎo)員、班主任等來訪時(shí)，宿舍管理員通過手機(jī)攝像頭獲取來訪人員人臉信息，上傳至系統(tǒng)。系統(tǒng)與存儲(chǔ)在教師人臉信息庫中的圖像信息進(jìn)行比對(duì)，若匹配成功，則準(zhǔn)予其進(jìn)入公寓。③本公寓學(xué)生家屬等合法訪問者身份識(shí)別。系統(tǒng)管理員將學(xué)生家屬人臉信息增添到家屬數(shù)據(jù)庫。當(dāng)學(xué)生家屬來訪時(shí)，宿舍管理員通過手機(jī)攝像頭獲取來訪人員人臉信息，上傳至系統(tǒng)。系統(tǒng)與存儲(chǔ)在家屬人臉信息庫中的圖像信息進(jìn)行比對(duì)，若匹配成功，則準(zhǔn)予其進(jìn)入公寓。④本校學(xué)生但非本公寓學(xué)生身份識(shí)別。

（2）實(shí)現(xiàn)學(xué)生晚歸門禁管理。當(dāng)學(xué)生晚歸情況發(fā)生時(shí)，宿舍管理員通過手機(jī)攝像頭獲取晚歸學(xué)生人臉信息，門禁系統(tǒng)快速準(zhǔn)確識(shí)別出學(xué)生身份，并將學(xué)生晚歸信息，包括晚歸學(xué)生人臉圖像信息、晚歸時(shí)間以及學(xué)生身份信息錄入系統(tǒng)。系統(tǒng)匯總統(tǒng)計(jì)信息后，可以將數(shù)據(jù)反饋給各院系以及學(xué)工處，便于學(xué)校有關(guān)部門有針對(duì)性地開展學(xué)生管理工作。

（3）實(shí)現(xiàn)來訪信息電子化處理。所有合法來訪者、臨時(shí)來訪者的來訪信息，包括來訪者身份、來訪時(shí)間、訪問地點(diǎn)以及被探訪人員信息等均被記錄入系統(tǒng)。

系統(tǒng)依據(jù)上述功能劃分為三個(gè)功能模塊，包括系統(tǒng)管理模塊、身份識(shí)別模塊和用戶信息管理模塊，系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

1.4 系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)流程

系統(tǒng)管理員登錄APP，對(duì)用戶進(jìn)行人臉信息采集和個(gè)人信息錄入，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器驗(yàn)證Token是否有效，如果有效，則進(jìn)行人臉庫匹配，若匹配成功，則更新人臉信息；若匹配不成功，則將數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫。

宿舍管理員登錄APP，對(duì)需鑒別身份的人員拍照獲取人臉信息，傳送至服務(wù)器進(jìn)行人臉信息匹配。如果匹配失敗，彈出警告框，提示為非法來訪者。如果匹配成功，則繼續(xù)判斷是否是學(xué)生，如果是，則判斷是否超過門禁時(shí)間，若超過，則將其晚歸信息錄入違規(guī)日志；若非學(xué)生即為教師或者家屬等其他合法訪問者，將其來訪信息錄入來訪日志。系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)流程圖

1.5 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用MySQL數(shù)據(jù)庫，主要用到的數(shù)據(jù)表有系統(tǒng)管理員表（system_manager）、宿舍管理員表（room_manager）、學(xué)生表（student）、家屬與教師表（other）、申請(qǐng)表（apply）、日志表（logs）、人臉信息表（face_info）。實(shí)體關(guān)系如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系圖

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境配置為Intel Core(TM) i7-9700K，內(nèi)存16GB的筆記本電腦，所采用的操作系統(tǒng)是Windows 10；使用 JAVA作為開發(fā)語言，使用Android Studio 3.0.1作為集成開發(fā)環(huán)境。移動(dòng)端使用安裝了安卓8.0操作系統(tǒng)，內(nèi)存為6GB的安卓手機(jī)；云服務(wù)器安裝Cent OS 7.4操作系統(tǒng)，1核2GB，帶寬1MB，存儲(chǔ)容量為50 GB。

2.1 人臉信息采集的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)管理員使用手機(jī)對(duì)用戶拍照，獲取到人臉圖像，向服務(wù)器發(fā)起錄入人臉信息請(qǐng)求。服務(wù)器通過LoginHandlerInterceptor組件對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行身份驗(yàn)證，若驗(yàn)證失敗則向客戶端返回Token過期的信息，若驗(yàn)證成功則通過FaceController控制器解析Token。如果解析Token成功，F(xiàn)aceController控制器則調(diào)用AddService服務(wù)組件進(jìn)行信息錄入處理。錄入的信息被傳送至UserInfo數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)，錄入成功的結(jié)果封裝后被返回給安卓客戶端，并在客戶端APP界面提示錄入成功。人臉信息采集時(shí)序如圖7所示。

圖7 人臉信息采集時(shí)序圖

2.2 身份識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

宿舍管理員通過移動(dòng)終端拍攝需鑒別身份人員的人臉圖像，并向服務(wù)器發(fā)送人臉識(shí)別的請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)驗(yàn)證宿舍管理員身份有效后，通過ManagerController控制器對(duì)Token進(jìn)行驗(yàn)證并解析出用戶id，控制器通過id調(diào)用FaceService服務(wù)組件來提供人臉識(shí)別子系統(tǒng)的識(shí)別服務(wù)。該服務(wù)使用遍歷的方式將傳入的人臉信息與數(shù)據(jù)庫中的人臉信息進(jìn)行一一比對(duì)，若在數(shù)據(jù)庫中找到與該人臉信息相匹配的數(shù)據(jù)，則將該數(shù)據(jù)封裝在UserInfo類中返回給客戶端。若沒有找到與該人臉信息相匹配的數(shù)據(jù)，則會(huì)向客戶端發(fā)送警報(bào)信息，客戶端將警報(bào)信息顯示在APP界面上。身份識(shí)別時(shí)序圖如圖8所示。

圖8 身份識(shí)別時(shí)序圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)采集并在數(shù)據(jù)庫中錄入包括學(xué)生、學(xué)生家屬、教師等人員的人臉信息和個(gè)人信息共 85 份數(shù)據(jù)。系統(tǒng)進(jìn)行了7輪測(cè)試，測(cè)試樣本包括已注冊(cè)人員以及未注冊(cè)人員。本文將成功匹配到數(shù)據(jù)庫中人臉信息的人數(shù)和已注冊(cè)登記的人數(shù)進(jìn)行對(duì)比，得出每一輪測(cè)試的平均成功識(shí)別率、平均耗時(shí)和平均匹配度（正確識(shí)別人臉和數(shù)據(jù)庫中已有人臉的匹配程度）。每一輪測(cè)試樣本數(shù)及系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，每輪測(cè)試的成功匹配率均達(dá)到90%以上，其中最高的一輪測(cè)試達(dá)到98.3%；每一輪測(cè)試的平均耗時(shí)在0.6-0.8秒的區(qū)間，均小于1秒，符合快速人臉識(shí)別的系統(tǒng)需求；7輪測(cè)試中，有5輪平均人臉匹配度在90%以上，只有兩輪測(cè)試低于90%，分別是89.7%和86.1%，系統(tǒng)具有較高的匹配度，這為系統(tǒng)對(duì)來訪人員進(jìn)行有效身份驗(yàn)證提供了可靠的保障。測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)能夠滿足人臉識(shí)別門禁管理的需求。

4 結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于移動(dòng)端的人臉識(shí)別學(xué)生公寓門禁管理系統(tǒng)。相比于投入成本高，安裝復(fù)雜的大型通道式人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，本系統(tǒng)投入成本低、操作簡(jiǎn)單易行、識(shí)別率高。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)對(duì)于加強(qiáng)學(xué)生公寓安全管理、維護(hù)學(xué)生正常生活秩序、保障學(xué)生人身安全都具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義，在未來作為智慧校園建設(shè)的一部分亦具有極其重要的戰(zhàn)略意義。