摘要：人臉識(shí)別技術(shù)是以生物特征為基礎(chǔ)進(jìn)行的，對(duì)于識(shí)別身份具有特有優(yōu)勢(shì)，如今在身份識(shí)別中主要應(yīng)用這種技術(shù)。該文介紹的高校公寓門禁管理系統(tǒng)就是以人臉識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，經(jīng)過(guò)實(shí)踐，表明這種門禁系統(tǒng)識(shí)別具有穩(wěn)定、良好的人臉識(shí)別和運(yùn)行效果，可以更好地實(shí)現(xiàn)高校學(xué)生公寓門禁安全管理。

關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別技術(shù);門禁管理系統(tǒng);設(shè)計(jì)與研究

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）05-0188-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

高校學(xué)生公寓是所有學(xué)生重要的出入場(chǎng)所，公寓管理的重要內(nèi)容就是安全管理，要使學(xué)生公寓達(dá)到有效的安全管理，利用設(shè)計(jì)相應(yīng)比較人性化、高智能的門禁控制管理系統(tǒng)，能夠在公寓的出入口進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，進(jìn)而更好地實(shí)現(xiàn)學(xué)生公寓真正安全。如今科技信息技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，以生物特征為基礎(chǔ)的識(shí)別技術(shù)在門禁管理系統(tǒng)中不斷應(yīng)用，并擴(kuò)展了應(yīng)用范圍。以生物特征為基礎(chǔ)的識(shí)別門禁管理系統(tǒng)是根據(jù)人體生物特征進(jìn)行辨識(shí)的管理系統(tǒng)，通常有指紋、掌紋、語(yǔ)音、人臉等各種識(shí)別技術(shù)。傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)通常是對(duì)認(rèn)證通行碼、識(shí)別卡、證件等進(jìn)行識(shí)別的，這種識(shí)別方法存在的缺陷是容易偽造、遺失、識(shí)別效率低等，因此，如今越來(lái)越重視以生物特征進(jìn)行識(shí)別的方法。在這些生物特征識(shí)別技術(shù)當(dāng)中，人臉識(shí)別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是安全可靠、穩(wěn)定、精準(zhǔn)等，人們很容易接受，已經(jīng)逐步成為進(jìn)行身份識(shí)別的重要方法。高校學(xué)生公寓門禁的具體狀況是具有突發(fā)性強(qiáng)和瞬時(shí)性，并且任務(wù)量，因此可以設(shè)計(jì)成人臉識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的公寓門禁管理系統(tǒng)。

1 高校門禁系統(tǒng)實(shí)施人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的設(shè)計(jì)方案

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)版設(shè)計(jì)成單向門禁管理系統(tǒng)。第一，進(jìn)行各個(gè)學(xué)生公寓所有人員人臉圖像數(shù)據(jù)收集，建立相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)[1]。需要對(duì)每個(gè)的不同姿態(tài)、光照、表情條件下的人臉圖像進(jìn)行采集，大于每個(gè)要有5-10張照片，這些圖像照片信息都要保存到數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中。人進(jìn)出相應(yīng)公寓樓時(shí)，在樓門人口前，有相應(yīng)的高清攝像頭進(jìn)行拍照，對(duì)其進(jìn)行人臉圖像實(shí)施采集，把其人臉信息利用網(wǎng)絡(luò)傳送到PC，和人臉數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的人臉信息實(shí)施對(duì)比和記錄。假如對(duì)比成功，PC會(huì)發(fā)送開門信號(hào)到門禁的硬件系統(tǒng)，進(jìn)而打開樓門;假如對(duì)比失敗，就會(huì)拒絕開門，同時(shí)對(duì)訪問(wèn)者人臉信息數(shù)據(jù)實(shí)施記錄，并把它存儲(chǔ)到PC，同時(shí)發(fā)出警告信息，同時(shí)提示公寓管理員。而在人們出公寓樓時(shí)，可以利用按樓門內(nèi)側(cè)的開門按鈕進(jìn)行開門。

2 門禁系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括PC、攝像頭、門禁控制器等，如圖1所示。人臉識(shí)別硬件系統(tǒng)的應(yīng)用過(guò)程中，系統(tǒng)的核心是PC，利用USB接口連接攝像頭，把攝像頭所傳人的人臉圖像信息進(jìn)行有效接收，并實(shí)施預(yù)處理、檢測(cè)和定位、比對(duì)等各種操作，以此得到最后結(jié)果，并發(fā)出信號(hào)給門禁控制器，或者發(fā)出提示信，同時(shí)在電腦上存儲(chǔ)來(lái)訪者圖像信息，并對(duì)通行人員進(jìn)出日志進(jìn)行接收和準(zhǔn)確[2]。門禁系統(tǒng)管理軟件被安裝在PC上，應(yīng)用配置較高的臺(tái)式機(jī)。在PC上的系統(tǒng)軟件可以安裝Win-dows XP。應(yīng)用DirectShow技術(shù)進(jìn)行控制攝像頭，進(jìn)行預(yù)覽圖像，同時(shí)一邊預(yù)覽一邊實(shí)時(shí)抓拍視頻，把視頻傳輸?shù)絇C?？梢詰?yīng)用ANC酷睿HD1080P高清版，在每棟樓的大門前各設(shè)立一臺(tái)，可以實(shí)施人臉自動(dòng)跟蹤，讓人臉圖像一直處于畫面中央位置，同時(shí)對(duì)大小調(diào)整使其符合窗口大小。這個(gè)通信媒介，是以交換機(jī)、局域網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行連接PC和各門禁控制器。并且，門禁日志數(shù)據(jù)及其他各種控制信號(hào)的傳輸是利用局域網(wǎng)傳輸?shù)?。因此，?yīng)用高校校園網(wǎng)進(jìn)行門禁控制器和PC的連接。應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)是實(shí)施總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)新門門禁控制器的安裝新和日常維護(hù)。用AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)門禁控制器設(shè)計(jì)。門禁控制器可以把門鈴產(chǎn)生的脈沖傳送到PC，進(jìn)而讓PC啟動(dòng)攝像頭實(shí)施拍照。另外進(jìn)行PC所傳送的控制信號(hào)進(jìn)行接收，進(jìn)行公寓大門開啟或者是對(duì)其提示警告。門鎖設(shè)計(jì)是門禁系統(tǒng)當(dāng)中的機(jī)械控制部件，其質(zhì)量會(huì)對(duì)門禁質(zhì)量有直接影響。選擇門鎖通道根據(jù)門的材質(zhì)決定。可以應(yīng)用電插鎖，通電關(guān)閉，斷電打開。在有人要進(jìn)入公寓樓，按門鈴。門鈴發(fā)送開門信號(hào)給門禁控制器。在人臉識(shí)別失敗后，門鈴發(fā)出警報(bào)信息。UPS可以提供連續(xù)電源給硬件系統(tǒng)。在門的內(nèi)側(cè)有個(gè)開關(guān)，出門時(shí)按動(dòng)按鈕就可以出門。

3 門禁系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

門禁系統(tǒng)的人臉識(shí)別軟件系統(tǒng)是其核心，要把它安裝到PC上，結(jié)合相應(yīng)軟件功能對(duì)其進(jìn)行劃分，分別有圖像采集、人臉圖像預(yù)處理、人臉檢測(cè)模塊，人臉特征提取和識(shí)別等四個(gè)模塊[3l。相應(yīng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。

3.1圖像采集模塊

這個(gè)模塊是利用Directshow進(jìn)行靜態(tài)圖像實(shí)施捕捉。建立視頻捕捉類CCaptVideo，編程過(guò)程中要應(yīng)用3個(gè)函數(shù)進(jìn)行視頻捕捉。第一，intNumb_Devices（HWND hlist），這個(gè)函數(shù)是對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)所安裝的視頻捕捉設(shè)備實(shí)施列舉。第二，HRESULT int（int iDeviceID.HWND hWnd），視頻捕捉窗口句柄是用hWnd表示，視頻捕捉設(shè)備序號(hào)是使用iDeviceID表示。第三，void Grab-OneWindow（BOOL bGrab）;進(jìn)行GrabOneWindow（true）調(diào)用，能進(jìn)行靜態(tài)人臉圖像捕獲，同時(shí)保存到硬盤上。

3.2 圖像預(yù)處理

利用人臉圖像初步分析處理，進(jìn)而去除噪音，強(qiáng)化有用信息，復(fù)原出現(xiàn)老化現(xiàn)象的圖像，進(jìn)行提取人臉特征作比對(duì)準(zhǔn)備。實(shí)施進(jìn)行相應(yīng)的復(fù)原，為特征提取和人臉比對(duì)做準(zhǔn)備。圖像預(yù)處理是就那些人臉圖像尺度歸一、灰度化并實(shí)施歸一、直方圖均衡并實(shí)施邊緣檢測(cè)，對(duì)背景、光照等因素的影響進(jìn)行有效消除，進(jìn)而有效從復(fù)雜背景中提取人臉信息。

3.3 人臉檢測(cè)

實(shí)施圖像預(yù)處理后，實(shí)施人臉檢測(cè)，能夠進(jìn)行人臉區(qū)域圖像有效獲取，可以結(jié)合膚色進(jìn)行獲取，利用膚色進(jìn)行非線性分段色彩的變換來(lái)完成。在圖像當(dāng)中分離出膚色區(qū)域，接著實(shí)施Adaboost檢測(cè)。這是結(jié)合人的五官特點(diǎn)進(jìn)行區(qū)域劃分的，人兩個(gè)眼睛對(duì)稱、其下是鼻子、再下面是嘴巴。要進(jìn)行特征實(shí)施準(zhǔn)確提取，并實(shí)施人臉區(qū)域定位。圖像處理的重點(diǎn)是準(zhǔn)確定，假如是人臉，就會(huì)進(jìn)行人臉區(qū)域準(zhǔn)確標(biāo)出;否則，就不能實(shí)施今后的圖像處理及分析。

3.4 提取特征

提取特征是指有效降低特征空間維數(shù)，并對(duì)有用識(shí)別信息盡可能地保留，也就是保留人臉特征。提取特征模塊當(dāng)中，應(yīng)用以離散小波分解為基礎(chǔ)的變換方法，應(yīng)用的是模糊姿勢(shì)、表情、光照等因素產(chǎn)生的影響。在具體實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用二次小波變換技術(shù)，實(shí)施定位入臉圖像。人臉圖像利用二次小波變換，圖像維數(shù)降低了，在其低頻部分是有用的能力和信息，并且，圖像敏感位置經(jīng)小波變換后，形成的特征有較大矢量模。這有利于人臉識(shí)別。

3.5人臉識(shí)別

在進(jìn)行人臉識(shí)別時(shí)，應(yīng)用識(shí)別算法，同時(shí)與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的人臉特征實(shí)施對(duì)比，檢測(cè)與之相匹配的人臉。人臉識(shí)別模塊當(dāng)中，要進(jìn)行不同人臉圖像實(shí)施采集，建立用戶人臉圖像集，組成相應(yīng)的人臉圖像模型，同時(shí)要在各用戶文件夾當(dāng)中存儲(chǔ)其模型信息。接著利用相應(yīng)模型進(jìn)行檢測(cè)人臉圖像樣本，要對(duì)人臉圖像模型實(shí)施分解，變成相應(yīng)的前額、眼睛、鼻子、嘴巴、下巴等區(qū)域，有效實(shí)施這些區(qū)域有序檢測(cè)和識(shí)別，對(duì)人臉觀察序列實(shí)施有效提取，也就是人臉特征向量，接著和人臉數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中的人臉模型實(shí)施對(duì)比，利用前向一后向算法獲得二者似然率。最大的似然率人臉模型就是和進(jìn)行識(shí)別的人臉模型。

3.6 識(shí)別結(jié)果輸出

假如獲取了相匹配的人臉，就要對(duì)其人臉圖像進(jìn)行輸出，同時(shí)，PC發(fā)出開門信號(hào)給門禁管理器;假如獲得的人臉圖像不匹配，就會(huì)發(fā)出識(shí)別錯(cuò)誤信息，同時(shí)，PC發(fā)出相應(yīng)提示信息給管理員。具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，應(yīng)用的開發(fā)平臺(tái)是Microsoft的VC++6.0，同時(shí)要對(duì)OpenCV所提供的開源代碼進(jìn)行充分有效利用，結(jié)合相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，相應(yīng)的核心算法應(yīng)用的是模塊化設(shè)計(jì)，進(jìn)行增強(qiáng)了算法的可移植性。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究

為了進(jìn)行系統(tǒng)驗(yàn)證，可以應(yīng)用Yale人臉數(shù)據(jù)庫(kù)和實(shí)際高校學(xué)生數(shù)據(jù)進(jìn)行共同實(shí)驗(yàn)測(cè)試，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，要在兩個(gè)庫(kù)當(dāng)中分別選取30人組成一個(gè)小組，每個(gè)人要采集15張人臉圖片，測(cè)試時(shí)是每組450張圖片[4]。圖像是人臉在不同情況下的照片，分別是不同時(shí)間、光照、背景、表情等情況下的照片。照片尺寸是128x128像素，對(duì)每個(gè)人臉圖像的差異性和變化進(jìn)行了有效反應(yīng)。對(duì)圖像庫(kù)當(dāng)中的人臉圖像實(shí)施分組，以400張作訓(xùn)練樣本，以50張作測(cè)試樣本。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，Yale數(shù)據(jù)組訓(xùn)練人臉模版平均需要10.1秒，進(jìn)行人臉的識(shí)別平均需要0.5s，進(jìn)行人臉識(shí)別率能夠達(dá)到95%，誤識(shí)別率是1.2%;實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)組的訓(xùn)練時(shí)間比Yale組的要低一點(diǎn)，而其他數(shù)據(jù)和Yale組基本相同。進(jìn)而表明，這個(gè)門禁系統(tǒng)的識(shí)別率和具體實(shí)時(shí)運(yùn)行效果比較理想。

5 結(jié)束語(yǔ)

近幾年高校不斷擴(kuò)大招生，高校學(xué)生不斷人數(shù)，學(xué)生安全是高校管理的重點(diǎn)，高校學(xué)生公寓門禁管理是學(xué)生安全管理的重要部分。本文進(jìn)行人臉識(shí)別技術(shù)和高校公寓門禁系統(tǒng)有效結(jié)合，所設(shè)計(jì)的學(xué)生公寓門禁系統(tǒng)比較安全，要具有高智能性。以不同情況下實(shí)施人臉識(shí)別實(shí)驗(yàn)，具有很好的測(cè)試結(jié)果。所設(shè)計(jì)的門禁系統(tǒng)具有很高的識(shí)別率，并具有很高的實(shí)時(shí)性，能對(duì)高校學(xué)生公寓門禁安全管理有效保證和滿足。

參考文獻(xiàn)：

[1]司鳳玲，程建政.基于嵌入式人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2017（34）.178-179.

[2]王越，瞿少成，陳青松.基于人臉識(shí)別技術(shù)的社區(qū)智能門禁系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[Jl.電子測(cè)量技術(shù)，2018（16）.

[3]袁宜峰，薛雪，匡付華.基于人工智能的智慧建筑管理系統(tǒng)應(yīng)用[J].機(jī)電工程技術(shù)，2019（5）.

[4]張?zhí)锟?人臉識(shí)別：知人知面不知“新”[J].當(dāng)代工人，2018（15）.

【通聯(lián)編輯：李雅琪】

收稿日期：2019-12-25

基金項(xiàng)目：廣東省職業(yè)技術(shù)教育學(xué)會(huì)第三屆理事會(huì)科研項(xiàng)目2019-2020年度立項(xiàng)課題：以工學(xué)交替為載體探索現(xiàn)代學(xué)徒制人才培養(yǎng)模式——以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)專業(yè)為例（201907216）

作者簡(jiǎn)介：蕭曉栩（1980-），男，廣東茂名人，碩士，講師，廣州涉外經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、網(wǎng)絡(luò)安全。