謝蕓，陳寧江

（1.廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，南寧 530005）

RFID與人臉識別技術(shù)在開放實驗室管理中的應(yīng)用

謝蕓1，2，陳寧江1

（1.廣西大學(xué)計算機與電子信息學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué)行健文理學(xué)院，南寧 530005）

針對高校開放實驗室管理中面臨的實驗室使用人員身份難以確認(rèn)問題，提出基于RFID和人臉識別技術(shù)相結(jié)合的管理方式，研究一種系統(tǒng)實現(xiàn)方案，闡述系統(tǒng)的架構(gòu)和認(rèn)證工作流程。它能有效解決傳統(tǒng)模式中存在的人員身份核實困難、身份易被盜用的問題。

射頻技術(shù)；人臉識別；身份認(rèn)證；實驗室管理

0 引言

隨著每年的高校的不斷擴招，在校學(xué)生人數(shù)呈現(xiàn)逐年上升的趨勢，現(xiàn)有的實驗教學(xué)資源已無法滿足需求[1]。如若仍然延用老式的教學(xué)模式，在有限的計劃學(xué)時內(nèi)，想讓學(xué)生多做一些自主創(chuàng)新的實驗、提高動手能力，難度非常之大。為了解決學(xué)校實驗教學(xué)之源匱乏與在校學(xué)生數(shù)量激增之間的矛盾，高校開放型實驗室的建設(shè)，已成為了一個必然趨勢[2]。

以傳統(tǒng)的人工管理方法管理開放實驗室，就要求全天24小時管理人員在崗，并對每一個進出的學(xué)生、教師進行登記，還要對他們的身份進行核實。在此種傳統(tǒng)模式下對實驗室進行管理，不僅是人力的一種浪費，而且在身份核實方面，也是很難實現(xiàn)的，所以人工管理方式已不能適應(yīng)目前開放實驗室建設(shè)的發(fā)展需求[3]?；诖祟惽闆r，不少高校的開放型實驗室開始使用RFID技術(shù)對實驗室進行管理[4～5]，對于實驗設(shè)備以及耗材方面的進、銷、存管理問題，RFID技術(shù)已經(jīng)能很好解決。但對于進出實驗室人員身份認(rèn)證的問題，單純的RFID技術(shù)顯得力不從心。

本文提出一種RFID技術(shù)與人臉匹配技術(shù)相結(jié)合的管理方案。該方案不僅能最大限度地提升實驗室的利用率，而且通過使用人員持有的RFID卡ID號，可以在后臺快速搜索出已存儲在數(shù)據(jù)庫中的對應(yīng)的人像信息，再對前臺攝像頭采集到的視頻圖像進行人像提取，之后將兩者通過人臉匹配算法進行對比，以確保使用實驗室人員的身份安全可靠。并且此種方法可以對使用者的到達(dá)和離開時間進行全程記錄，解決實驗室使用記錄難追溯的問題。

1 技術(shù)基礎(chǔ)

Radio Frequency Identification（簡稱：RFID）是利用空間電磁波的耦合或者傳播來進行通信，達(dá)到自動識別被識別對象、獲取識別對象相關(guān)信息的目的[6]。射頻技術(shù)在當(dāng)前的人們的生活中起著極其重要的作用，也被廣泛運用于開放實驗室的管理，如實驗設(shè)備的入庫、出庫、外借、盤點等方面，然而，在對于人員管理方面，仍然單純的使用RFID射頻卡作為身份識別，就存在很大的弊端，會出現(xiàn)例如卡片丟失、借用、被盜用和數(shù)據(jù)復(fù)制等情況，使得身份不明的人員可以隨意進去實驗室，給實驗室的安全留下了很大的隱患[7]。

人臉匹配是通過分析輸入的人臉圖像得到每個人臉的位置、大小和各個主要面部器官的位置等信息,并依據(jù)這些信息,進一步提取每個人臉中所蘊含的身份特征,將其與已知人臉庫中的人臉進行對比,從而識別每個人臉的身份[8～9]。主要包含圖像預(yù)處理、面部特征提取和人臉匹配等3個環(huán)節(jié)。

使用RFID和人臉識別技術(shù)相結(jié)合的方式對使用開放實驗室的人員進行管理，首先通過RFID技術(shù)進行初步身份認(rèn)證，再采用人臉識別技術(shù)進一步核實人員身份，形成一種安全、有效的技術(shù)。RFID技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，減少實驗室管理員的工作量；人臉識別二次身份確認(rèn)，更能有效保證使用者身份的可靠性，極大地提高實驗室使用的安全性，同時可以實時記錄進出人員信息并對非法入侵者發(fā)出報警信號[10～11]。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)硬件設(shè)備主要有門禁控制器、電子門鎖、RFID卡、視頻攝像機、后臺管理主機、報警設(shè)備六大部分組成。門禁控制器使用低頻通信接口搜索RFID信號，當(dāng)接收到RFID信號后，立即從后臺查詢出相應(yīng)的人像信息，并與前端視頻采集信息進行匹配認(rèn)證，如果發(fā)現(xiàn)異常，則及時進行報警。同時，門禁控制器也通過TCP/IP方式與后臺管理主機進行通信，通過對電子門鎖、報警設(shè)備的控制，實現(xiàn)門禁和報警功能。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

人員身份認(rèn)證包括RFID認(rèn)證和人臉圖像認(rèn)證兩部分，其工作流程如圖2所示。當(dāng)使用人員到達(dá)設(shè)定的驗證監(jiān)測區(qū)域時，RFID讀卡器讀入持卡人的RFID卡信息，并從后臺數(shù)據(jù)庫調(diào)出相對應(yīng)的人臉圖像；與此同時，啟動視頻攝像機采集持卡人的人臉圖像，將二者得出的圖像進行匹配認(rèn)證，當(dāng)認(rèn)證結(jié)果一致時，認(rèn)定該持卡人為合法人員，開放門禁系統(tǒng)并記錄人像、時間等相關(guān)信息；當(dāng)認(rèn)證結(jié)果不一致時，系統(tǒng)啟動報警設(shè)備，并記錄人像相信與時間。整個認(rèn)證過程中，視頻監(jiān)控一直處于開啟狀態(tài)。

圖2 系統(tǒng)工作邏輯流程圖

3 人臉認(rèn)證工作流程

當(dāng)主機接收到RFID信息后，通過視頻攝像機開始對圖像進行采集，把圖像信息傳輸?shù)胶笈_主機進行人臉圖像的認(rèn)證、儲存。認(rèn)證過程中，采用人臉檢測技術(shù)先檢測視頻中是否存在人臉圖像，若不存在人臉則重新進行圖像采集，若存在人臉圖像則采用基于形狀上下文人的形狀匹配策略[12]，將人臉圖像與RFID認(rèn)證得到的對應(yīng)的人臉圖像進行匹配，然后根據(jù)認(rèn)證結(jié)果驅(qū)動門鎖控制或報警設(shè)備，整個過程中對視頻信息進行儲存和記錄。其工作的主要流程圖如圖3。

（1）人臉檢測和定位的實現(xiàn)過程

①系統(tǒng)監(jiān)測到RFID信號后，啟動攝像頭進行圖像抓拍，生成靜態(tài)圖片；

②利用檢測環(huán)境中的已知信息，如膚色、發(fā)色、背景結(jié)構(gòu)、固定標(biāo)記、物體顏色等，可快速將頭部從背景中大致分離出來；

③結(jié)合五官的常規(guī)分部情況，確定人臉存在的大致范圍；

④使用灰度調(diào)整，解決全天不同時段內(nèi)，環(huán)境光線變化的問題；

⑤處理后，會得到下面、直立、光線均勻的圖像，用于與本地人像庫中獲取的圖像作對比認(rèn)證。

圖3 人臉認(rèn)證工作流程圖

（3）人臉認(rèn)證的實現(xiàn)過程

①利用在人臉檢測階段使用的基于形狀上下文人的形狀匹配算法，可以獲得64個人臉特征點，這些特征點分別分布在眉毛、眼睛、嘴巴、臉部，這些部位的邊緣輪廓上；

②選取下巴中點、上嘴唇中點、鼻尖、右嘴角、右眼角、右眉角信為基準(zhǔn)點，計算基準(zhǔn)點與其他特征點之間的夾角，生成角度直方圖；

③選取一個基準(zhǔn)點，形成一個以點Pi為中心的坐標(biāo)系，每10度劃分一個區(qū)域，將坐標(biāo)系劃分為36個區(qū)域（bin），基準(zhǔn)點的屬性用落入每個區(qū)域的人臉特征點個數(shù)Wi（k）來表示，用以下公式進行計算：

其中i=1，2，3，4，5，6，分別代表下巴中點、上嘴唇中點、鼻尖、右嘴角、右眼角、右眉角這6個基準(zhǔn)點。

K=1，2，3，4，…，34，35，36，分別代表以基準(zhǔn)點為中心的坐標(biāo)系，按每10度劃分成的36個區(qū)域（bin）。

例如：W1（2）=2表示以下巴中點為基準(zhǔn)點時，在10度與20度這片區(qū)域，有2個特征點；

④按上述過程，每一個Wi（k）都是一個維度為36的向量，所以可將選取的6個基準(zhǔn)點形成一個6×36的矩陣，如下：

⑤將兩張待匹配的人臉轉(zhuǎn)換為兩個矩陣，用以下公式進行計算：

其中，W，W'分別為待認(rèn)證人臉和已知人臉的矩陣，i=1，2，…，5，6，j=1，2，…，35，36；

⑥計算結(jié)果將是一個大于0且小于1的數(shù)值，這個值越趨近于1，表示越相似。

4 實驗結(jié)果

根據(jù)上述方法，選取10張圖片作為已知人像庫，其對應(yīng)編號為1～10，如下圖4所示，并選用第10張圖像作為待認(rèn)證圖像，進行認(rèn)證。

圖4 已知人臉數(shù)據(jù)庫

首先，將10張圖片與RFID卡作關(guān)聯(lián)，使其都有對應(yīng)的RFID卡ID號1～10，并將其存入數(shù)據(jù)庫；

第二，使用第10張RFID卡進入門禁區(qū)域，通過ID號調(diào)取數(shù)據(jù)庫里的已知人像；

第三，通過接口，將待認(rèn)證的圖像輸入系統(tǒng)進行認(rèn)證；

最后，兩張圖片匹配認(rèn)證通過，并能成功驅(qū)動門禁系統(tǒng)工作。

從上面的實驗過程可以看出，系統(tǒng)可以通過人臉認(rèn)證的方式，對門禁系統(tǒng)起到控制作用，只允許身份合法的人員進入實驗室，解決了人員身份認(rèn)證困難，需長時間有管理人員值守的問題，大大增加了實驗室的使用安全性。

5 結(jié)語

RFID技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)已非常廣泛，在門禁系統(tǒng)中也大量使用，人們對門禁安全也提出了越來越高的要求，單純的RFID卡門禁系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代人的需要，因此綜合人臉身份識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)應(yīng)運而生，它可以最大限度的提高門禁系統(tǒng)的安全性。

在開放實驗室的管理中，引進RFID與人臉識別相結(jié)合這種新興的、突破性的自動識別技術(shù)，實現(xiàn)一個身份驗證系統(tǒng)。系統(tǒng)在實踐中具有實時性、安全性、有效性，徹底改變了傳統(tǒng)的人工管理模式，讓學(xué)生可以在寬松、自由、良好的環(huán)境中，進行自主學(xué)習(xí)、自主實驗；同時科學(xué)化、自動化的管理模式，也將實驗室管理人員從大量、繁瑣的工作中解放出來，有更多的時間從事科研工作，大大提升了整個實驗室的工作效率和利用率。

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Application of RFID and Face Recognition Technology in the Open Laboratory Management

XIE Yun1，2，CHEN Ning-jiang1
（1.College of Computer and Electronic Information,Guangxi University,Nanning 530004；2.Guangxi University Xingjian College of Science and Liberal Arts,Nanning 530005）

Facing the difficulties of confirming the identity of laboratory users in the management of open laboratory in university,proposes the solution of combining RFID and face recognition technology.Designs the scheme of implementation of the system,and introduces the system architecture and authenticating process.It can effectively solve the problems existing in the traditional mode such as identity verification and identity theft.

RFID;Face Recognition;Identity Authentication;Laboratory Management

1007-1423（2015）01-0032-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.01.008

謝蕓（1984-），女，廣西南寧人，本科，助理工程師，研究方向為計算機軟件工程技術(shù)

陳寧江（1975-），男，廣西南寧人，博士，教授，研究方向為軟件工程、網(wǎng)絡(luò)分布計算

2014-11-13

2014-12-09

廣西高等教育教學(xué)改革工程項目（No.2014JGZ103）、廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目（桂科攻1348020-7）