基于人臉識別的智能門禁管理系統(tǒng)

◆趙若禺 宋家松 周鵬 彭滔

基于人臉識別的智能門禁管理系統(tǒng)

◆趙若禺 宋家松 周鵬 彭滔

（重慶理工大學兩江人工智能學院 重慶 401135）

為提高門禁管理系統(tǒng)的效率和智能化程度，本文利用人臉識別技術(shù)作為門禁系統(tǒng)的身份驗證依據(jù)，開發(fā)了一種基于人臉識別的智能門禁管理系統(tǒng)。系統(tǒng)主要包含上位機和下位機兩大部分，其中上位機具有完成人臉識別、控制下位機和數(shù)據(jù)的管理與存儲功能，而下位機則具有完成人臉信息的采集、門鎖開關(guān)控制和休眠等功能。當長時間無人臉檢測時，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)來降低系統(tǒng)的損耗和設(shè)備的磨損。通過開發(fā)系統(tǒng)網(wǎng)站進行對系統(tǒng)的管理與數(shù)據(jù)的可視化，以提高系統(tǒng)的實用性。最后，設(shè)計了方便用戶管理的智能門禁系統(tǒng)，驗證了所提系統(tǒng)設(shè)計方法的有效性。

人臉識別；門禁；低功耗；智能；休眠模式

傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)主要以使用ID卡或密碼作為身份驗證的手段，當卡片遺失、卡片盜用、密碼泄露時會造成安全隱患，甚至威脅到用戶的人身和財產(chǎn)安全[1-5]。而隨著生物識別技術(shù)的進步，人臉識別、指紋識別、虹膜識別也逐漸被使用在門禁系統(tǒng)中[5]。

雖然，ID卡、密碼和指紋以及虹膜識別都能完成人的身份驗證，但存在使用不便的情況，尤其像疫情等情況下不宜用接觸式測量，因為接觸的話有一定的傳播病毒的風險，其能夠為病毒的傳播提供一個良好的載體。利用人臉識別技術(shù)實現(xiàn)的這類非接觸身份驗證方式則能很好避免這些問題。同時在現(xiàn)在的門禁系統(tǒng)中，人臉識別已得到了很廣泛的應(yīng)用[3-5]。

因此，本文提出了一種基于人臉識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用帶有攝像頭的嵌入式設(shè)備OpenMV作為下位機實現(xiàn)人臉檢測、數(shù)據(jù)采集、休眠和數(shù)據(jù)接收與上傳等功能，以阿里云服務(wù)器作為上位機實現(xiàn)系統(tǒng)管理、存儲數(shù)據(jù)，還能夠根據(jù)用戶需求控制下位機開關(guān)門，并可以將數(shù)據(jù)可視化到網(wǎng)頁方便用戶查看、管理。下位機能夠通過連接WiFi進入網(wǎng)絡(luò)從而與上位機實現(xiàn)通訊。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由上位機和下位機兩大部分組成，其中下位機以嵌入式圖像處理設(shè)備OpenMV為載體，包含有人臉檢測模塊、通訊模塊、門鎖模塊、休眠模塊這四個模塊，上位機則使用阿里云服務(wù)器，主要含有人臉識別模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、網(wǎng)頁這三個部分。本系統(tǒng)能夠有效完成門禁功能，用戶可以登錄網(wǎng)頁賬號查看相關(guān)數(shù)據(jù)或者控制下位機開啟門鎖，而管理員則可以管理用戶的賬號以及數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.2 下位機

下位機負責檢測人臉并將檢測到的人臉上傳給上位機，在接收到上位機的控制指令之后，控制門鎖的開關(guān)。長時間不斷地檢測人臉必然會增加其負荷與消耗，為了降低系統(tǒng)的損耗和設(shè)備的磨損，下位機設(shè)置了一個休眠模式，當連續(xù)n幀圖片都不存在人臉時，下位機會進入休眠模式以降低系統(tǒng)功耗。

此外，為了提高了系統(tǒng)的容錯性，下位機還設(shè)置了在線開門的功能，在人臉識別不起作用時登錄網(wǎng)站賬號可以使用該功能直接命令下位機開門跳過人臉識別。下位機工作流程如圖2所示。

圖2 下位機工作流程

1.3 上位機

為了滿足多個下位機同時工作，上位機的程序?qū)嗑€程運行，上位機工作時會接收到下位機傳來的人臉數(shù)據(jù)和臨時蘇醒通知兩種數(shù)據(jù)。

當接收到人臉數(shù)據(jù)時，上位機便從數(shù)據(jù)中提取出人臉特征，然后代入訓(xùn)練好的模型進行識別，最終根據(jù)識別結(jié)果給下位機下達是否開門的指令。

當接收到臨時蘇醒通知時，上位機將查詢此段時間內(nèi)是否有用戶下達開門命令，若果有則通知下位機直接開門，否則通知繼續(xù)關(guān)閉。

用戶和管理員可以登錄對應(yīng)網(wǎng)頁查看可視化數(shù)據(jù)（工作流程如圖3所示）。

圖3 上位機板塊

2 系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)

2.1 人臉檢測模塊

下位機中的人臉檢測模塊，主要是利用Haar特征及AdaBoost分類器實現(xiàn)人臉檢測，并在捕獲攝像頭中是否存在人臉作為進入休眠模式的依據(jù)。

Haar特征由白黑色兩種矩形不同組合形成的邊緣特征、線性特征、中心特征三種特征模板組成[6-8]，如圖4所示。這些特征模板能夠描述人臉相關(guān)特征，使用積分圖能夠快速提取出目標圖片中的所有Haar特征[6-8]。AdaBoost是由強分類器級聯(lián)而成的分類器，通過對圖片中的Haar特征分類，判斷圖片中是否存在人臉，并根據(jù)積分圖獲得圖片中人臉的位置信息[6-8]，其工作流程如圖5所示。

圖4 Haar特征模板

圖5 AdaBoost級聯(lián)分類器

2.2 通訊模塊

通訊模塊主要用于下位機與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送端首先會向接收端發(fā)送一組包含機器編號、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)大小三種信息的數(shù)據(jù)，接收端在驗證完這組數(shù)據(jù)且當前情況下可以接收數(shù)據(jù)時會向發(fā)送端發(fā)送確認信息。然后，發(fā)送端收到接收端的確認信息后便會將本次要發(fā)送的信息分批發(fā)送給接收端，最終接收端收到所有的信息并檢驗無誤后會向發(fā)送端發(fā)送接收完畢通知，則本次通訊結(jié)束，通訊協(xié)議如圖6所示。

圖6 通訊協(xié)議

2.3 門鎖控制模塊

當下位機接收到開鎖信號時，門鎖控制模塊會發(fā)送電脈沖給控制門鎖的繼電器使其控制電磁鎖開門[1][5]，在門鎖打開S秒后自動發(fā)動關(guān)鎖信號從而關(guān)閉門鎖。

2.4 休眠模塊

考慮到門禁系統(tǒng)在一天中有大部分時間處于閑暇時間，出于降低功耗、減少設(shè)備磨損的考慮與需求，設(shè)置了休眠模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的休眠模式。當系統(tǒng)在進入休眠模式后首先會休眠一段時間（時間的長度自定義，時間越長休眠時間占比越大，而喚醒靈敏度越小），然后會蘇醒并用攝像頭捕捉m幀圖片，如果圖片中檢測出人臉則跳出休眠進入正常的工作模式；如果這m幀人臉中未檢測出人臉，則下位機會通知服務(wù)器已該臺下位機已“蘇醒”。若這段時間內(nèi)上位機有開門指令則下位機將會接收到上位機所發(fā)送的開門指令，然后下位機將控制門鎖開門，并在之后繼續(xù)休眠，休眠模塊流程示如圖7所示。

圖7 休眠模塊流程示意圖

2.5 人臉識別模塊

上位機在接受到人臉數(shù)據(jù)之后，先會提取能夠很好地描述圖像的局部紋理的MLBP特征，與LBP特征相比，MLBP特征使得圖形更清晰，更立體、邊緣輪廓更分明，從而更能突出圖片中的細節(jié)特征，并且減小圖片噪聲所帶來的影響[6]，圖8展示了MLBP特征的對比。特征提取完畢后，輸入到訓(xùn)練完畢的SVM模型中進行分類，完成人臉識別。

圖8 MLBP特征圖對比

2.6 數(shù)據(jù)庫模塊

服務(wù)器中的數(shù)據(jù)庫存用于存儲系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)以及使用期間所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫中有三張表，分別是用戶信息表、人臉數(shù)據(jù)表、記錄表。

用戶信息表記錄了用戶的編號、姓名、性別、備注、對應(yīng)SVM模型；人臉數(shù)據(jù)表記錄了用戶編號、人臉編號、和人臉圖片；記錄存有用戶編號、時間、機器編號（mid）和使用門禁的人的面部信息（數(shù)據(jù)庫CDM模型如圖9所示）。

2.7 網(wǎng)頁開發(fā)

本系統(tǒng)利用Web來實現(xiàn)入接接口與數(shù)據(jù)的可視化，在網(wǎng)站上注冊的用戶經(jīng)過管理員認證可使用網(wǎng)站上的開門功能，該功能使得用戶在特殊原因?qū)е伦R別失效的情況下也能夠通過門禁。網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖9 數(shù)據(jù)庫CDM模型

圖10 網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)

3 系統(tǒng)效果

根據(jù)上述智能門禁設(shè)計方法，開發(fā)了一個智能實驗室管理系統(tǒng)，其中下位機部分如圖11所示左邊為OpenMV主板、攝像頭以及WiFi擴展板，右邊則為顯示屏；圖12展示了人臉識別成功時下位機閃爍綠燈；圖13展示了Web可視化界面的內(nèi)容，幾個圖表展示了考勤情況；圖14為Web登錄后界面，Web頂部是一鍵開門選項，其可用于不通過人臉識別，接控制下位機打開門鎖，避免了人臉識別失效或不便時無法控制門禁的情況。

圖11 下位機裝置

圖12 人臉識別成功時，下位機閃爍綠燈反饋

圖13 登錄前網(wǎng)頁頁面

圖14 登錄后網(wǎng)頁頁面

4 結(jié)語

本文提出了一種利用人臉識別的方式作為身份驗證手段的智能門禁管理系統(tǒng)設(shè)計方法，其中下位機重在實現(xiàn)人臉檢測與門鎖開關(guān)控制功能，而上位機則主要實現(xiàn)人臉識別，數(shù)據(jù)管理及可視化。為了降低系統(tǒng)的損耗和設(shè)備的磨損，在下位機中設(shè)置了休眠模式，當無人時可是系統(tǒng)進入到系統(tǒng)休眠模式。依據(jù)此系統(tǒng)設(shè)計方法，開發(fā)的實驗室的智能門禁管理系統(tǒng)，可以用于實驗室等設(shè)施的門禁管理及考勤，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運行功耗小，容錯性高，有效地提高了門禁、考勤管理效率及智能化程度。

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重慶理工大學科研立項項目（KLB20020）