摘 要： 通過對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)與其他身份識(shí)別技術(shù)的對(duì)比，分析不同技術(shù)之間的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出基于人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工作原理、算法代碼編寫流程以及系統(tǒng)測(cè)試等進(jìn)行了研究。傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)存在三個(gè)關(guān)鍵問題：存在不安全隱患、存在5%左右的誤識(shí)率和識(shí)別速度慢。針對(duì)上述三個(gè)關(guān)鍵問題分別提出了解決方案。由于人臉識(shí)別技術(shù)有著“人臉無法替代”、非侵犯性的特性，因此將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于圖書館門禁系統(tǒng)，排除了傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)存在安全隱患的現(xiàn)象；從系統(tǒng)設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)方面提升了人臉識(shí)別終端機(jī)對(duì)人臉的識(shí)別率；由于人臉的識(shí)別時(shí)間小于1 s，從根本上解決了圖書館門禁系統(tǒng)識(shí)別速度慢的問題。

關(guān)鍵詞： 人臉識(shí)別； 人臉特征提??； 圖書館門禁系統(tǒng)； 局部保持投影算法； 誤識(shí)率； 識(shí)別速度

中圖分類號(hào)： TN911.73?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）18?0099?05

Abstract： The facial recognition technology and other identification technologies are compared， and their advantages and disadvantages are analyzed. And then it is proposed that the library access control system based on face recognition is superior to the traditional library access control system. The composing structure and working principle of the system， code programming process of the algorithm， and system testing for the library access control system are studied. There are three key problems existing in traditional library entrance guard system， such as potential safety hazard， about 5% 1 recognition rate， and slow identification speed. The solutions to solve the above three key problems are proposed respectively. Since the face recognition technology has the “irreplacable” and non?invasiveness characteristics， the face recognition technology is applied to the library access control system， so as to exclude the potential safety hazard existing in traditional library access control system. The face recognition rate of the face recognition terminal was improved in the aspects of the system equipment selection， network design and software design. The face recognition time is less than one second， so the system can solve the low recognition speed of the library access control system fundamentally.

Keywords： face recognition； facial feature extraction； library access control system； locality preserving projection algorithm； 1 recognition rate； identification speed

0 引 言

圖書館的現(xiàn)代化、智能化程度是衡量圖書館水平的重要指標(biāo)之一。圖書館門禁系統(tǒng)對(duì)出入圖書館的讀者身份進(jìn)行識(shí)別認(rèn)證，只有驗(yàn)證通過的人員才能進(jìn)出圖書館。目前圖書館門禁系統(tǒng)通常采用“一卡通”刷卡或指紋識(shí)別驗(yàn)證方式[1?3]。但這兩種圖書館門禁系統(tǒng)存在一定的弊端?！耙豢ㄍā彼⒖ㄊ綀D書館門禁系統(tǒng)卡片丟失后，一定程度上存在被他人代用等不安全隱患，使門禁系統(tǒng)形同虛設(shè)，以及忘帶卡的尷尬；采用指紋識(shí)別驗(yàn)證方式的圖書館門禁系統(tǒng)，對(duì)安全防范有所提高，但指紋識(shí)別的安全性仍具有挑戰(zhàn)，而且該系統(tǒng)存在5%左右的誤識(shí)率，且識(shí)別速度慢，高峰時(shí)需要排長(zhǎng)隊(duì)，以及指紋采集設(shè)備磨損或者指紋影響識(shí)別效果等問題。為了解決上述問題，將人臉識(shí)別技術(shù)[4?5]應(yīng)用到現(xiàn)代圖書館門禁系統(tǒng)中。由于人臉識(shí)別技術(shù)有著“人臉無法替代”性、非侵犯性的特性，排除了“一卡通”刷卡形式或指紋識(shí)別驗(yàn)證方式的圖書館門禁系統(tǒng)存在安全隱患的現(xiàn)象，并且人臉識(shí)別技術(shù)能夠精確提取人臉特征（人臉輪廓以及眼睛、鼻子、嘴巴、耳朵之間的距離和皮膚的顏色）或行為特征（快樂、悲傷、恐懼、驚奇等），用以作為讀者出入圖書館身份識(shí)別的依據(jù)。應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)的圖書館門禁系統(tǒng)采用局部保持投影的人臉特征提取算法，能有效保證讀者正常有序的利用圖書館資源、對(duì)規(guī)范圖書館的日常管理工作起到了重要作用。本文對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)與其他身份識(shí)別技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析他們之間的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提出基于人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、工

作原理、算法代碼編寫流程以及系統(tǒng)測(cè)試等進(jìn)行了研究。將人臉識(shí)別技術(shù)與圖書館門禁系統(tǒng)相結(jié)合，重點(diǎn)對(duì)圖書館門禁系統(tǒng)的不安全隱患、誤識(shí)率和識(shí)別速度慢的三個(gè)關(guān)鍵問題提出了解決方法。

1 人臉識(shí)別技術(shù)與其他識(shí)別技術(shù)的比較

現(xiàn)代生活中，許多重要場(chǎng)所出入（如黨政機(jī)關(guān)、圖書館、公司辦公地點(diǎn)等）要對(duì)人身份進(jìn)行驗(yàn)證。身份驗(yàn)證是指通過一定的技術(shù)手段，完成對(duì)用戶身份的確認(rèn)。人身驗(yàn)證方式經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的發(fā)展過程，身份驗(yàn)證的方法有很多，基本上可以分為標(biāo)識(shí)物品驗(yàn)證和生物特征驗(yàn)證兩種方式[6?8]，見表1。標(biāo)識(shí)物品驗(yàn)證的身份驗(yàn)證是對(duì)人所持的卡片、密碼等物品進(jìn)行檢驗(yàn)，以完成對(duì)用戶身份識(shí)別。生物學(xué)特征的身份驗(yàn)證是指提供了一種高可靠性、高穩(wěn)定性的基于每個(gè)人身體上獨(dú)有的特征，如虹膜、指紋等的身份鑒別途徑。

每種人身份驗(yàn)證方式在不同社會(huì)發(fā)展時(shí)期對(duì)人身安全和隱私保護(hù)都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但是伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和信息安全手段的提高，不同的驗(yàn)證方式在使用便捷性、精確度、易被偽造等方面都呈現(xiàn)出一定的弊端，見表2。

人臉識(shí)別作為一種新興的生物特征識(shí)別技術(shù)，與表1所列生物特征驗(yàn)證技術(shù)相比，人臉識(shí)別技術(shù)在應(yīng)用方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)，見表3。

人臉識(shí)別技術(shù)是一種高精度、易于使用、穩(wěn)定性高、難仿冒、性價(jià)比高的生物特征識(shí)別技術(shù)，具有極其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

2 基于人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)特性及組成結(jié)構(gòu)

人臉識(shí)別技術(shù)不易被復(fù)制，它有著無法替代性或惟一性；人臉識(shí)別終端機(jī)進(jìn)行人臉識(shí)別時(shí)，人體不需要與人臉識(shí)別終端機(jī)接觸，即具有非侵犯性，從而避免了病毒、細(xì)菌的接觸性傳播，因此又具備衛(wèi)生性、安全性。

鑒于人臉識(shí)別技術(shù)具有以上其他生物識(shí)別技術(shù)不可比擬的特點(diǎn)，因此基于人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)具有高精度、穩(wěn)定可靠、難偽造及性價(jià)比高的特點(diǎn)。

系統(tǒng)由人臉識(shí)別終端機(jī)、門禁控制器、門禁數(shù)據(jù)服務(wù)器、遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)組及通信網(wǎng)絡(luò)等部分組成，見圖1。

圖書館門禁管理中心內(nèi)安裝的主要設(shè)備有：遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)組、門禁數(shù)據(jù)服務(wù)器、通信網(wǎng)絡(luò)（TCP/IP）、路由器等。圖書館門禁管理中心可對(duì)人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)每個(gè)控制單元進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。一個(gè)控制單元由一個(gè)圖書館大門、一臺(tái)人臉識(shí)別終端、一個(gè)門鈴和一個(gè)出門按鈕組成。出門按鈕一般安裝在圖書館大門附近，安裝高度一般是距地面1.45 m。每個(gè)圖書館可以按照大門數(shù)量把整個(gè)圖書館區(qū)域劃分為N個(gè)控制單元。

當(dāng)讀者要從圖書館大門進(jìn)入時(shí)，人臉識(shí)別終端系統(tǒng)對(duì)人臉特征進(jìn)行定位、提取，并通過RS 485總線將數(shù)據(jù)上傳至門禁控制器，門禁控制器通過LAN或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信與圖書館門禁數(shù)據(jù)服務(wù)器中人臉資料庫進(jìn)行比對(duì)辨識(shí)，滿足進(jìn)入條件時(shí)，圖書館大門自動(dòng)開啟，讀者通過此門進(jìn)入圖書館。當(dāng)讀者從圖書館內(nèi)離開時(shí)，按動(dòng)出門按鈕，則控制圖書館大門開啟/關(guān)閉的繼電器自動(dòng)開啟，圖書館大門打開，讀者便可從此離開圖書館。遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)是通過WAN或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信接入本系統(tǒng)中，用以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的人臉資料庫存取、管理員權(quán)限分配、進(jìn)出圖書館人員記錄查詢等操作。

3 人臉識(shí)別圖書館門禁系統(tǒng)的工作原理

人臉識(shí)別是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識(shí)別的一種生物識(shí)別技術(shù)?；谌四樧R(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)是將人臉識(shí)別技術(shù)和圖書館門禁系統(tǒng)相結(jié)合，并把人臉識(shí)別作為圖書館門禁系統(tǒng)的重要要素之一。人臉識(shí)別圖書館門禁系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

在圖2中，用安裝有攝像機(jī)或攝像頭的人臉識(shí)別終端機(jī)采集含有人臉的圖像或視頻流，并自動(dòng)在圖像中檢測(cè)和跟蹤人臉，進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行臉部的一系列相關(guān)技術(shù)，包括人臉圖像采集、人臉定位、人臉識(shí)別預(yù)處理、記憶存儲(chǔ)和人臉特征比對(duì)，達(dá)到識(shí)別出入圖書館不同讀者身份的目的。提取的人臉特征與人臉資料庫比對(duì)辨識(shí)成功，即門禁識(shí)別成功，圖書館大門由門禁控制器開啟。經(jīng)過比對(duì)，門禁系統(tǒng)識(shí)別失敗時(shí)，圖書館大門不開啟，并將此時(shí)人臉圖像存儲(chǔ)到人臉資料庫。

4 圖書館門禁系統(tǒng)三個(gè)關(guān)鍵問題的解決方法

4.1 不安全隱患及解決方法

為了提供廣大讀者良好的借閱環(huán)境，減少圖書館的各項(xiàng)損失，須嚴(yán)格核對(duì)進(jìn)出人員的身份，因此在圖書館使用圖書館門禁系統(tǒng)，可有效地禁止他人冒用授權(quán)者身份進(jìn)入圖書館。

目前大部分圖書館門禁系統(tǒng)通常采用“一卡通”刷卡形式或指紋識(shí)別驗(yàn)證方式。但都存在一定的弊端，如表4所示。

傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)進(jìn)行身份判斷時(shí)無法準(zhǔn)備判斷刷卡及指紋確認(rèn)人員是否為本人，而人臉識(shí)別圖書館門禁系統(tǒng)則進(jìn)行人臉比對(duì)，識(shí)別精準(zhǔn)。因?yàn)槊總€(gè)人都有一張臉，且不易被復(fù)制，仿冒，即有著“人臉無法替代”性或惟一性、非侵犯性、安全可靠性和方便使用性的特征，另外本系統(tǒng)采用局部保持投影算法，識(shí)別精確度高，確保精準(zhǔn)識(shí)別每一張臉。因此采用人臉識(shí)別技術(shù)的圖書館門禁系統(tǒng)可以很好解決圖書館目前存在的不安全隱患問題，提高了安全性。

4.2 系統(tǒng)誤識(shí)率低及解決方法

由于與生俱來的原因，有5%左右的人因指紋紋路清晰問題影響圖書館門禁系統(tǒng)對(duì)指紋的識(shí)別。為了提高圖書館門禁系統(tǒng)的識(shí)別率，人臉識(shí)別圖書館門禁系統(tǒng)在系統(tǒng)設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等各方面充分考慮了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，精確提取人臉特征。

在設(shè)備選型方面，采用性價(jià)比高穩(wěn)定性好的門禁控制器和人臉識(shí)別終端機(jī)，配備高效能的DSP數(shù)字信號(hào)處理器，既充分考慮了硬件的可靠性，同時(shí)考慮系統(tǒng)的擴(kuò)延性，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作性，見表5。

在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)采用兩種成熟、可靠的通信總線：人臉識(shí)別終端機(jī)通過RS 485總線與門禁控制器連接，RS 485總線通信距離理論上不超過1 200 m，但工程中有效通信約800 m，且周圍環(huán)境越惡劣通信距離越短；門禁控制器通過LAN或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信與圖書館門禁數(shù)據(jù)服務(wù)器/遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)連接，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信距離一般在100 m左右。在軟件設(shè)計(jì)方面，本系統(tǒng)設(shè)定的參數(shù)、人臉資料信息、開門記錄等都被保存于門禁數(shù)據(jù)服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中并進(jìn)行自動(dòng)備份，因此受權(quán)的管理者可以根據(jù)需要，對(duì)資料進(jìn)行匯總、編輯、擬制多種圖書館門禁管理報(bào)表。

4.3 識(shí)別速度慢及解決方法

傳統(tǒng)的“一卡通”刷卡式圖書館門禁系統(tǒng)和指紋識(shí)別驗(yàn)證式圖書館門禁系統(tǒng)識(shí)別卡片和指紋都需要一定的時(shí)間，而采用人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)，無需攜帶卡，識(shí)別速度快，操作簡(jiǎn)單便捷，對(duì)人臉的識(shí)別時(shí)間要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)驗(yàn)證方式所需時(shí)間，識(shí)別快速，從根本上解決了傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)識(shí)別速度慢的問題，見表6。本系統(tǒng)在人數(shù)為2 000時(shí)，人臉終端識(shí)別機(jī)驗(yàn)證速度小于1 s。

5 圖書館門禁系統(tǒng)人臉識(shí)別算法分析與編程流程

人臉特征提取是基于人臉識(shí)別圖書館門禁系統(tǒng)中的核心步驟，它直接影響識(shí)別精度。在排除外界環(huán)境因素對(duì)人臉影響后，人臉特征提取用于識(shí)別人臉高穩(wěn)定性圖像信息。從20世紀(jì)60年代末至今，人臉識(shí)別算法技術(shù)的發(fā)展共經(jīng)歷了基于簡(jiǎn)單背景的人臉識(shí)別、基于多姿態(tài)/表情的人臉識(shí)別、動(dòng)態(tài)跟蹤人臉識(shí)別、三維人臉識(shí)別四個(gè)階段，見表7。由于三維人臉識(shí)別算法存在信息獲取上困難、對(duì)人的生理認(rèn)識(shí)不足、圖像信息存儲(chǔ)量大、計(jì)算量繁雜，同時(shí)受到環(huán)境光線、方向等限制，以至于算法不夠成熟。當(dāng)前對(duì)于讀者眾多，人流量大的圖書館（如大學(xué)圖書館），就顯得力不從心了。因此本文采用一種適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)庫的人臉特征提取算法，即局部保持投影算法（Locality Preserving Projections，LPP），見圖3。

局部保持投影算法是一種更關(guān)注數(shù)據(jù)局部關(guān)系的非線性無監(jiān)督降維的子空間分析方法。

采用人臉識(shí)別技術(shù)的圖書館門禁系統(tǒng)工作流程如圖4所示，該系統(tǒng)對(duì)出入圖書館讀者身份識(shí)別的精確率，識(shí)別速度等性能指標(biāo)與人臉識(shí)別終端響應(yīng)時(shí)間、局部保持投影算法編寫等諸多因素有關(guān)。

6 圖書館門禁系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證基于人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)優(yōu)于傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)，以及本系統(tǒng)對(duì)進(jìn)出圖書館人員識(shí)別功能，需對(duì)本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行情況進(jìn)行測(cè)試。系統(tǒng)測(cè)試包括硬件測(cè)試、軟件測(cè)試及整機(jī)測(cè)試，其中系統(tǒng)對(duì)人臉識(shí)別能力、識(shí)別速度、識(shí)別人臉數(shù)量是本系統(tǒng)測(cè)試的核心內(nèi)容。有相應(yīng)權(quán)限的管理人員通過本系統(tǒng)的驗(yàn)證后，可對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，分別以被測(cè)對(duì)象5人，200人對(duì)人臉識(shí)別功能進(jìn)行測(cè)試。圖5、圖6是本系統(tǒng)人臉識(shí)別功能測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)人臉的識(shí)別可在1 s內(nèi)完成，識(shí)別效果較好，識(shí)別率為98%，其中誤識(shí)別率為1.6%。因此基于人臉識(shí)別圖書館門禁系統(tǒng)能為廣大讀者提供安全、良好的圖書館借閱環(huán)境。

7 結(jié) 語

因?yàn)槿四樧R(shí)別技術(shù)比其他生物識(shí)別技術(shù)有著不可比擬的優(yōu)勢(shì)，被人們廣泛應(yīng)用于各類智能控制系統(tǒng)中。本文將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到圖書館門禁系統(tǒng)中，采取局部保持投影算法的人臉特征提取算法，可快速、精確、高效地對(duì)出入圖書館的讀者身份進(jìn)行人臉識(shí)別，維護(hù)了圖書館的日常安全秩序、給讀者提供了一個(gè)安全、寧靜、舒適的閱覽環(huán)境。通過研究得出本文所用的人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)與傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)相比，克服了傳統(tǒng)圖書館門禁系統(tǒng)的安全隱患；人臉識(shí)別的圖書館門禁系統(tǒng)可靠性高，即具有良好的識(shí)別率；由于人臉的識(shí)別時(shí)間小于1 s，從根本上解決了圖書館門禁系統(tǒng)識(shí)別速度慢的問題。

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