熊 鋼,吳克力

(1.南京理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210014;2.淮陰師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

多重身份認(rèn)證的幼兒接送系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

熊 鋼1,吳克力2

(1.南京理工大學(xué) 計算機科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 南京 210014;2.淮陰師范學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 淮安 223300)

提出了一種人臉識別-RIFD卡的身份認(rèn)證設(shè)計方案.結(jié)合兩種技術(shù),有效提高了幼兒接送過程中身份信息的認(rèn)證,杜絕或減免在傳統(tǒng)接送過程中發(fā)生卡丟失、冒領(lǐng)等現(xiàn)象.實驗表明,設(shè)計方案能夠有效提高幼兒接送的安全性.

人臉識別; RFID; 幼兒園; 接送系統(tǒng)

0 引言

人臉是生物特征中最有效,識別最快速的一個重要特征[1].RFID卡具有無接觸,抗干擾等特征,能夠應(yīng)對各種復(fù)雜的環(huán)境,傳輸穩(wěn)定.傳統(tǒng)的幼兒園接送系統(tǒng)通常有兩種[2]:1) 通過學(xué)校發(fā)放的帶有幼兒信息的卡,誰持有這張卡就擁有了接送幼兒的權(quán)利,但是這種方法在大流量的接送幼兒的過程中,容易使得不法分子混入進去.2) 使用RFID卡門禁技術(shù),這種方式能有效的減少人為的操作失誤所引發(fā)的問題,但是在卡發(fā)生丟失的情況下,卡被別有用心的利用產(chǎn)生冒領(lǐng)拐騙的現(xiàn)象.

本文采用人臉識別-RIFD卡技術(shù),有效的提高了在幼兒接送過程中的安全性.人臉識別技術(shù)使得在每次幼兒接送的過程很好的識別每一個接送者,且在接送識別的過程中快速,有效的減少了在卡丟失的情況下產(chǎn)生的不良效果.RFID卡具有無接觸,抗干擾能力,能夠應(yīng)對各種復(fù)雜環(huán)境.有效的彌補了在光照等情況對人臉識別所產(chǎn)生的無法識別的情況.

1 相關(guān)技術(shù)簡介

1.1 人臉檢測技術(shù)

通過RFID射頻卡身份驗證以后,本系統(tǒng)將要對接送者進行驗證,將驗證是否是本射頻卡的持卡人.本系統(tǒng)通過Adaboost算法對持卡人進行人臉檢測,并對檢測到的人臉進行識別.

人臉檢測過程中首先要對人臉和非人臉進行訓(xùn)練,計算樣本圖片中所有的Haar特征值[3],通過簡單的對人臉和非人臉的的Haar特征中選取一個閾值,生每個Haar特征對應(yīng)的弱分類器,再由這些弱分類器組合成弱分類器集合,在對這些弱分類器中選取最優(yōu)的弱分類器,使用Adaboost算法訓(xùn)練強分類器,最后組合成級聯(lián)分類器,生成一個XML文件.

訓(xùn)練分類器后,本文對待檢測人臉進行檢測,由于此次人臉檢測是動態(tài)的,則需要對圖像的每一幀都要進行檢測.首先打開攝像頭,加載訓(xùn)練好的級聯(lián)分類器,然后對當(dāng)前幀的圖像進行人臉檢測,并對檢測到的人臉進行標(biāo)記,顯示到顯示區(qū).

1.2 人臉識別算法

人臉識別是身份認(rèn)證的最后一步,在人臉識別過程中,通過人臉檢測,獲得接送者的人臉圖像,并對待識別圖像進行人臉識別.步驟如圖1所示.

圖1 人臉識別過程圖

在人臉識別過程中,首先需要對接送者進行人臉圖像的登記,對系統(tǒng)中每個接送者登記7張圖片,在登記的過程中使用人臉檢測技術(shù),直接快速的保存接送者的人臉圖像.然后對登記后的人臉圖像進行訓(xùn)練,生成一個適用于彩色圖像空間識別的一個顏色轉(zhuǎn)換矩陣[4-6],再對轉(zhuǎn)換后的圖像使用PCA(主分量分析)的方法對轉(zhuǎn)換后的圖像進行特征提取[7].

1.3 RFID技術(shù)

在接送過程的身份認(rèn)證中,首先對RFID電子標(biāo)簽進行認(rèn)證[8],由于RFID電子標(biāo)簽具有全球唯一標(biāo)識,不需要進行寫操作,所以身份認(rèn)證過程,只需要讀取RFID的卡號,與數(shù)據(jù)庫中的卡號進行對比,如果在數(shù)據(jù)庫中記錄了該射頻卡標(biāo)識號,則對持卡人進行人臉識別.所以在讀取射頻卡標(biāo)識號的過程中,首先要對讀卡器進行初始化,感應(yīng)到電子標(biāo)簽,進行防碰撞操作,并讀取射頻卡標(biāo)識號,驗證通過進行對人臉的識別.

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)概述

在傳統(tǒng)的接送系統(tǒng)中時常存在接送卡丟失,幼兒被誤領(lǐng),冒領(lǐng)現(xiàn)象.本文所設(shè)計的幼兒接送系統(tǒng)中,具有成本低,安全性高等特點.接送系統(tǒng)包括以下幾個方面:

1) 每一位幼兒在入學(xué)注冊時進行相關(guān)認(rèn)證信息的記錄:個人信息、接送人的信息、接送人人臉特征信息及其持有的射頻卡標(biāo)識號等.

2) PC端需要提供數(shù)據(jù)的接受,人臉檢測,人臉識別,系統(tǒng)具有非常低的誤識別率,識別時間較短.

3) 支持記錄接送信息的存儲,并能提供按姓名、ID、日期進行查詢.

4) 根據(jù)PC識別記錄,由終端提供用戶合法或者非法等信息.

2.2 系統(tǒng)總體框架

雙重身份的幼兒接送系統(tǒng)主要由攝像頭、射頻卡讀寫器、身份驗證終端、數(shù)據(jù)管理中心(后臺管理)、打印機等硬件組成.其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1) 射頻卡和讀卡

射頻卡也是身份標(biāo)識卡,由耦合電路和IC芯片組成,每張射頻卡都有唯一的電子編碼.當(dāng)該卡進入讀寫范圍內(nèi),讀卡器迅速讀取射頻卡的唯一編碼,并將編碼傳輸?shù)较到y(tǒng)的驗證主機中,驗證通過則打開攝像頭,進行人臉的驗證.

2) 攝像頭

攝像頭采用720P高清攝像頭設(shè)備,并通過USB接口把圖像傳送的計算機中,攝像頭成本低廉,架設(shè)簡單,只需要安裝相應(yīng)的攝像頭驅(qū)動即可,其產(chǎn)品使用小巧,主要負責(zé)當(dāng)接受到射頻卡信號后,打開攝像頭,將持卡者的圖片傳輸?shù)胶笈_的驗證的計算機中,并進行驗證.

3) 驗證主機

驗證主機是一臺計算機,主要用于接受讀卡器傳來的射頻卡的唯一編碼,對從攝像頭抓取的圖像進行人臉檢測并提取出正確的人臉圖像,進行射頻卡身份信息的驗證和接送者面部識別,從而得到識別結(jié)果,并在門禁顯示器中顯示識別結(jié)果.

4) 數(shù)據(jù)管理中心

數(shù)據(jù)管理中心(即后臺管理)主要是對接送者的進行圖像的采集和信息的錄入,對驗證未通過的人進行信息的采集,查詢接送的記錄,并可以對查詢的信息進行打印.

在幼兒接送過程中,首先RFID模塊感應(yīng)到射頻卡的存在則讀取卡的信息,讀取身份成功后,則打開攝像頭,進行人臉檢測,并將檢測到的人臉傳入到后臺的計算機中,計算機對接受到的圖像進行PCA降維,去除圖像中冗余的信息,并將降維后的信息通過fisher準(zhǔn)則進行空間的投影,并對投影后的信息進行人臉識別.若識別失敗,則重新對持卡人進行人臉檢測與識別,若識別3次仍未識別出來,則保持當(dāng)前持卡人的圖像信息,并報警.若識別成果,通過驗證,同樣對持卡接送人的圖像進行拍照保存,并提示允許通過.不管人臉識別是否成功,都要對接送人信息進行記錄.

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)采用C/S架構(gòu),軟件開發(fā)使用的是VS2008中的C++進行開發(fā)的.

2.3.1 調(diào)用MATLAB中的人臉識別算法

本系統(tǒng)利用MATLAB語言實現(xiàn)了利用LDA算法對人臉進行識別,利用MATLAB的mcc命令將編寫的用于訓(xùn)練和識別的*.m文件編譯為動態(tài)鏈接庫.編譯得到一個*.DLL文件,一個*.LIB文件和一個*.h的頭文件. 將生成的文件放入項目工程中,此時就可以使用所編寫的人臉識別的函數(shù).

2.3.2 人臉檢測算法的調(diào)用

OpenCV是Intel開源計算機視覺庫.它由一系列C函數(shù)和少量C++類構(gòu)成,實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺方面的很多通用算法.OpenCV 擁有包括300多個C函數(shù)的跨平臺的中、高層 API.它不依賴于其它的外部庫,盡管也可以使用某些外部庫.

人臉檢測程序主要完成3部分功能,即加載分類器、加載待檢測圖象以及并對待檢測的圖像進行檢測并標(biāo)示.

調(diào)用detectMultiScale函數(shù),該函數(shù)在輸入圖像的不同尺度中檢測物體,參數(shù)smallimg為輸入的灰度圖像,faces為得到被檢測物體的矩形框向量組,1.5為縮小比例,4為至少檢測3次才能確認(rèn)是人臉,CV-HAAR-DO-CANNY-PRUNING利用Canny邊緣檢測器來排除一些邊緣很少或者很多的圖像區(qū)域,CV-HAAR-SCALE-IMAGE就是按比例正常檢測,CV-HAAR-FIND-BIGGEST-OBJECT只檢測最大的物體,CV-HAAR-DO-ROUGH-SEARCH只做初略檢測,Size(30,30)為目標(biāo)的最大最小尺寸.

代碼如下:

cascade.detectMultiScale(

smallImg,

faces,

1.5,

8,

0

//|CV-HAAR-FIND-BIGGEST-OBJECT

//|CV-HAAR-DO-ROUGH-SEARCH

|CV-HAAR-SCALE-IMAGE,

Size(30,30)

);

faces里面存放的是所有被檢查到的人臉的在原始圖片中的起始地址和長度和寬帶.所以我們就對所有檢查到的圖片進行圈出顯示.

2.3.3 數(shù)據(jù)管理中心的設(shè)計

數(shù)據(jù)管理中心中的數(shù)據(jù)庫選用的是sqlserver 2008.數(shù)據(jù)庫管理中心采用模塊化設(shè)計,主要分為3個模塊:接送人管理模塊,幼兒管理模塊和圖像管理模塊.

1) 接送人管理模塊主要對接送人的信息進行采集,包括接送人的信息,卡號.在對接送人信息采集的過程中,采用人臉檢測系統(tǒng)對檢測的圖像有效快速的采集.對接送人信息需要與幼兒信息進行關(guān)聯(lián),包括幼兒的接送關(guān)系等,對接送人信息能進行修改和刪除.

2) 幼兒管理模塊主要對幼兒的信息管理,信息的維護,并能查看和刪除幼兒信息及其接送人信息.

3) 圖像管理模塊對接送人圖像進行訓(xùn)練,保存圖像的特征值.

2.3.4 接送系統(tǒng)的終端軟件設(shè)計

接送終端軟件界面簡單友好,當(dāng)接送者接送幼兒上學(xué)時候,顯示器上顯示“放入門禁卡”,用戶放入射頻卡,讀卡器讀取卡號,攝像頭自動檢測人臉,并將檢測的人臉傳入后臺計算機,后臺計算機對檢測到的人臉進行特征抽取進行面部識別,并判斷是否是持卡人本人.如本人驗證成功,則屏幕顯示接送者的照片和幼兒的照片,同時并對接送者進行拍照保存.

為了提高人臉識別的速度,在程序啟動的時候,則從數(shù)據(jù)庫中將所有的接送者的人臉特征讀入到驗證主機的內(nèi)存中,當(dāng)檢測到人臉的時候則將檢測的到的人臉進行特征提取,并和內(nèi)存中的特征進行對比,大大的提高識別速度.

幼兒接送系統(tǒng)當(dāng)人臉受到光照等外部影響較大的時候,則人臉不能被正確的識別出來,這時候系統(tǒng)會發(fā)出警告,此時接送者需要到保衛(wèi)處進行登記,對比接送者照片后放行.

3 結(jié)束語

人臉識別是一種高科技的生物識別技術(shù),可以提高幼兒園接送過程中的安全性和可靠性,減少冒領(lǐng)、誤領(lǐng)、拐騙等現(xiàn)象.但由于人臉識別受到光照、化妝、表情等因素影響,難免造成誤差.因此本文提出的設(shè)計方案還需再通過與射頻卡結(jié)合的雙重驗證,克服由人臉識別存在的安全問題.

[1]李武軍,王崇駿,張煒,等.人臉識別研究綜述[J].模式識別與人工智能,2006(1):58-66.

[2]宋志強,徐健.幼兒園指紋識別接送系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機與現(xiàn)代化,2009,10:161-164.

[3]楊凌曦,徐建閩.AdaBoost人臉檢測算法在駕駛員疲勞檢測系統(tǒng)中的實現(xiàn)[J].交通與計算機,2008(4):140-143.

[4]Torres L,Reutter J Y,Lorente L.The importance of the color information in face recognition[J].International Conference on Image Processing,1999(3):627-631.

[5]Yip A,Sinha P.Role of color in face recognition[J].Perception,2002,6:536-532.

[6]Yang J,Liu C,Yang J Y.What kind of color spaces is suitable for color face recognition[J].Neurocomputing,2010,73:2140-2146.

[7]韓爭勝,李映,張艷寧.基于LDA算法的人臉識別方法的比較研究[J].微電子學(xué)與計算機,2005(7):131-133.

[8]徐濟仁,陳家松,牛紀(jì)海.射頻識別技術(shù)及應(yīng)用發(fā)展[J].數(shù)據(jù)通信,2009(1):21-26.

[責(zé)任編輯：蔣海龍]

Design and Implementation on Kindergarten Shuttle Management System Combining RFID with Face Recognition

XIONG Gang1,WU Ke-li2

(1.School of Computer Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 2100014,China)
(2.School of Information Science and Technology,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

This article has presented the Design and Implementation on Kindergarten Shuttle Management System Combining RFID with Face Recognition.Combining these two techniques,the safety authentication efficiency improved obviously.it reduces the likelihood of transfer error because of missing card.This experiments showed that this design improved the security of pick up children and also made up for the shortage of traditional transfer.

kindergarten; RFID; face recognition; transfer system

2014-12-12

吳克力(1963-)，男，江蘇金湖人，教授，博士，主要從事信息安全、密碼學(xué)等研究.E-mail:hysywkl@126.com

TP391.41

:A

:1671-6876(2015)01-0039-04