吳凱楓，張立新，王軍昂，王賽

（南京信息工程大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，江蘇南京，210044）

關(guān)鍵字：樹莓派；百度智能云；人臉識(shí)別；Linux；Python

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展與人們的物質(zhì)生活水平的提高，人們對(duì)于安全與便捷的關(guān)注度有了更大的提高，普通的IC卡識(shí)別、指紋識(shí)別、密碼識(shí)別已經(jīng)越來(lái)越滿足不了人們的需求，而人臉識(shí)別系統(tǒng)既方便且安全指數(shù)較高，逐漸獲得人們的青睞[1]。

人臉識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)主要在于：人臉識(shí)別通過(guò)攝像頭對(duì)人臉圖像進(jìn)行采集與識(shí)別，被識(shí)別者不需要與識(shí)別裝置進(jìn)行接觸，該技術(shù)可以解決丟失驗(yàn)證身份的憑證帶來(lái)的困擾。

當(dāng)下5G技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，高速數(shù)據(jù)通信促使了云計(jì)算的大范圍普及，使人工智能技術(shù)可以在云端瞬間完成，這大大減少了人臉識(shí)別系統(tǒng)的硬件成本，僅需一個(gè)可以聯(lián)網(wǎng)的開發(fā)板和配套的程序環(huán)境即可實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別。本設(shè)計(jì)是利用樹莓派4B開發(fā)板與百度智能云相結(jié)合，以人臉識(shí)別為主，密碼識(shí)別為輔的智能門禁系統(tǒng)[2]。樹莓派4B開發(fā)板不僅本身性能強(qiáng)大，而且它的拓展能力也很強(qiáng)，可以承載絕大多數(shù)的外設(shè)元件，而百度智能云的人臉識(shí)別精度達(dá)到99.77%[3]，完全可以適用于生活中人臉識(shí)別門禁的需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由樹莓派主控制器模塊、圖像采集模塊、WIFI模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、云端服務(wù)器、門禁控制開關(guān)組成。本系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊作為觸發(fā)機(jī)制，當(dāng)它感應(yīng)到有人后，系統(tǒng)會(huì)接收到其發(fā)送的信號(hào)并開始工作，攝像頭將拍攝照片并將圖片信息通過(guò)圖像編碼上傳至百度智能云，采用云端圖像對(duì)比技術(shù)將上傳圖片信息與云端數(shù)據(jù)庫(kù)中的圖片信息相對(duì)比，通過(guò)人臉提取特征點(diǎn)的對(duì)應(yīng)信息來(lái)分辨訪客是否為陌生人，并將信息進(jìn)行后臺(tái)儲(chǔ)存與遠(yuǎn)程傳送；若對(duì)比成功則門禁開關(guān)打開。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 樹莓派開發(fā)板

樹莓派作為門禁系統(tǒng)的主控芯片，它不僅本身的性能強(qiáng)大，而且模塊的拓展性也很強(qiáng)，通過(guò)面包板可以連接多種模塊進(jìn)行操作。它是一款基于ARM的微型電腦主板，通過(guò)SD卡來(lái)充當(dāng)內(nèi)存，主板上有USB、type-c、HDMI、以太網(wǎng)等接口，可以通過(guò)這些接口來(lái)連接鼠標(biāo)、鍵盤、網(wǎng)線等[4]，使得使用者可以更加方便的操作和檢測(cè)設(shè)備。樹莓派以Python作為主要編程語(yǔ)言，但也支持C、Java等編程語(yǔ)言。樹莓派4B開發(fā)板滿足本設(shè)計(jì)的全部需求、價(jià)格便宜且能搭載多種外設(shè)[5]，因此選擇此開發(fā)板為主控芯片。如圖2所示。

圖2 樹莓派4B開發(fā)板

2.2 攝像頭

樹莓派開發(fā)板上有USB接口和CSI接口，故可以選擇USB攝像頭或者CSI攝像頭，因?yàn)镃SI攝像頭的價(jià)格相對(duì)于USB攝像頭要低廉且拍攝照片像素相差不大，故此設(shè)計(jì)選擇CSI攝像頭。樹莓派4B開發(fā)板自帶WIFI模塊，故本設(shè)計(jì)是通過(guò)攝像頭拍攝照片上傳至百度智能云，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，此傳輸方式可以消除傳統(tǒng)有線傳輸帶來(lái)的一系列問題，并且云端計(jì)算能力、速度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)方法。如圖3所示。

圖3 CSI攝像頭

2.3 系統(tǒng)接線圖

采用立創(chuàng)EDA繪制各硬件元件的接線圖。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 代碼運(yùn)行IDE

軟件采用樹莓派Linux系統(tǒng)中自帶的Python IDE——Thonny，它支持Python3.7，并且此IDE會(huì)跟隨版本不斷更新[6]。

Thonny軟件主要是分為兩個(gè)區(qū)域，其中一個(gè)是代碼編輯區(qū)，另一個(gè)是名為Shell的窗口，前者用來(lái)代碼編寫，后者可以用來(lái)更加直接地交互。它不同于IDLE的地方在于：Thonny里含有很多適合學(xué)習(xí)編程的功能，如Debug、Stop、Quit等，使用者可以在Thonny中觀察所選對(duì)象或變量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)。

3.2 百度智能云的應(yīng)用

本文是通過(guò)百度智能云平臺(tái)來(lái)幫助裝置完成人臉識(shí)別過(guò)程，并且百度智能云在人臉識(shí)別結(jié)束后會(huì)發(fā)射信號(hào)來(lái)激活裝置繼續(xù)下一步的工作。

百度智能云的大部分應(yīng)用都免費(fèi)對(duì)外開放，使用操作流程也非常的方便。

使用百度智能云需要事先在云端注冊(cè)私人賬戶，選擇人臉識(shí)別的應(yīng)用并創(chuàng)建，此時(shí)即可獲得連接至對(duì)應(yīng)私人云端賬戶的App ID、API Key以及Secret Key，使用者可以在代碼編輯中通過(guò)關(guān)聯(lián)私人的百度人臉識(shí)別API賬戶信息來(lái)調(diào)用百度智能云的人臉識(shí)別算法。在獲取對(duì)應(yīng)百度人臉識(shí)別API賬戶信息后，使用者可以往應(yīng)用的圖片庫(kù)中儲(chǔ)存需要識(shí)別的人物照片，同時(shí)為之命名，以便在代碼編輯過(guò)程中調(diào)用。系統(tǒng)將采取提取人臉特征點(diǎn)的方式來(lái)對(duì)比使用者上傳照片與圖片庫(kù)中照片是否匹配度高于90%，滿足條件即系統(tǒng)認(rèn)為是同一人并發(fā)射相應(yīng)信號(hào)，不滿足條件即系統(tǒng)認(rèn)為是陌生人并發(fā)射相應(yīng)信號(hào)。

3.3 人臉識(shí)別算法

人臉識(shí)別算法有很多，如基于LDA的Fisherface[7]是把人臉特征向量實(shí)現(xiàn)了高低維的轉(zhuǎn)換；基于LBP特征的算法則計(jì)算速度快，受圖片質(zhì)量影響小[8]。

而本裝置人臉識(shí)別算法則基于ASM算法進(jìn)行，ASM算法是目前比較主流的一種通過(guò)提取人臉特征關(guān)鍵點(diǎn)的方法。ASM算法需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)步驟：一是ASM的訓(xùn)練，二是ASM的搜素[9]。

ASM的訓(xùn)練分為建立形狀模型和為每個(gè)特征點(diǎn)構(gòu)建局部特征兩個(gè)部分，其中建立形狀模型首先需要搜集n個(gè)訓(xùn)練樣本，對(duì)這些樣本進(jìn)行k個(gè)特征點(diǎn)的標(biāo)定，這些特征點(diǎn)會(huì)組成一個(gè)形狀向量：

接著對(duì)訓(xùn)練樣本圖片采用procrustes方法進(jìn)行歸一與對(duì)齊處理，此過(guò)程可以消除圖片中人臉由于角度問題、距離遠(yuǎn)近問題、臉部姿態(tài)面容問題等因素導(dǎo)致的誤差干擾。具體操作為：第一步將訓(xùn)練集中的所有人臉模型與第一個(gè)人臉模型相對(duì)齊；第二步所有訓(xùn)練集樣本全部對(duì)齊后可計(jì)算出平均人臉模型β；第三步將所有人臉模型與所計(jì)算出的平均人臉模型β相對(duì)齊，接著重復(fù)第二步與第三步直至收斂。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 系統(tǒng)功能流程簡(jiǎn)介

當(dāng)有人進(jìn)入HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊的感應(yīng)范圍時(shí)，GPIO17輸入高電平，此時(shí)發(fā)光二極管通電發(fā)光并且攝像頭打開，攝像頭開始拍照并且檢測(cè)是否為人臉，若拍攝到的照片是人臉，則上傳到百度AI云端與圖片庫(kù)中的照片進(jìn)行臉部特征對(duì)比，若兩張照片的臉部特征相似度大于90%即匹配成功，云數(shù)據(jù)庫(kù)給予樹莓派信號(hào)，樹莓派把訪客資料保存在本地同時(shí)發(fā)送資料給主人微信端，并且讓門禁打開。若拍攝到的照片與云端圖片庫(kù)的照片相似度低于90%即匹配失敗，云數(shù)據(jù)庫(kù)給予樹莓派信息，樹莓派同樣把訪客資料保存在本地同時(shí)發(fā)送資料給主人微信端，并且播放“請(qǐng)輸入密碼”的提示音，通過(guò)密碼可以打開門禁。若HC-SR501人體感應(yīng)模塊被激活但是攝像頭拍攝的照片經(jīng)過(guò)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)不是人臉，系統(tǒng)默認(rèn)無(wú)人進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)橛腥梭w紅外感應(yīng)模塊的存在，只有當(dāng)它被激活時(shí)系統(tǒng)才會(huì)進(jìn)行工作，其他時(shí)間系統(tǒng)都處于待機(jī)狀態(tài)，這樣可以降低能源的浪費(fèi)，提高設(shè)備的使用壽命。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)流程圖

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)前，事先在百度智能云人臉識(shí)別圖片庫(kù)中保存的實(shí)驗(yàn)對(duì)象信息及其人臉圖片信息，實(shí)驗(yàn)總共分為4組，兩組為圖片庫(kù)中的人進(jìn)行人臉識(shí)別，另外兩組為圖片庫(kù)外的人進(jìn)行人臉識(shí)別，記圖片庫(kù)中的人為“朋友”，圖片庫(kù)外的人為“陌生人”，每種實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行兩組可以消除實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的偶然性，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也真實(shí)可信。

圖6為實(shí)驗(yàn)裝置，圖7、圖8為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。表1為測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖7 實(shí)驗(yàn)拍攝圖

圖8 特征點(diǎn)提取

表1 測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)

5 結(jié)論

本系統(tǒng)以樹莓派和百度智能云為核心，借助HC-SR501人臉紅外感應(yīng)模塊為整個(gè)系統(tǒng)的觸發(fā)機(jī)制，既可以保證系統(tǒng)在接收到云端信號(hào)后可以馬上進(jìn)行工作，也可以在平時(shí)處于系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，并且人臉識(shí)別算法接近100%的識(shí)別準(zhǔn)確率也使得本系統(tǒng)裝置達(dá)到了投入使用的效果，它物美價(jià)廉、節(jié)能、識(shí)別準(zhǔn)確率高的優(yōu)點(diǎn)有利于促進(jìn)市場(chǎng)上的人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的改善與優(yōu)化。