吳朝霞+郭強(qiáng)

摘要：隨著人臉識(shí)別、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)以及嵌入式等技術(shù)的提高與發(fā)展，人們逐漸體會(huì)到科技給生活帶來(lái)了很多便利和益處。本論文所提出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過(guò)攝像頭采集人臉圖像，在后臺(tái)應(yīng)用系統(tǒng)完成人臉圖像判別，然后將判別結(jié)果發(fā)給單片機(jī)發(fā)送命令來(lái)控制門(mén)禁。軟件上首先利用主成成分分析做相應(yīng)的預(yù)處理，然后線性判別分析提取特征向量，利用所求得的特征矩陣對(duì)于參與訓(xùn)練的人臉圖像和需要測(cè)試的人臉圖像進(jìn)行處理，最后采用最近鄰分類器進(jìn)行識(shí)別。

關(guān)鍵詞：線性判別分析；主成成分分析；門(mén)禁系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）01-0198-02

1整體架構(gòu)

因?yàn)閱纹瑱C(jī)承載能力問(wèn)題，而且一般情況下門(mén)禁系統(tǒng)會(huì)在單個(gè)局域網(wǎng)環(huán)境下部署，所以本文采用了客戶/服務(wù)器模式。這樣不僅可以方便的使得管理員進(jìn)行用戶信息管理，而且可以使得整個(gè)系統(tǒng)的信息安全性更高。

本系統(tǒng)部署在需要使用門(mén)禁系統(tǒng)單位的服務(wù)器，其中包括人臉識(shí)別的運(yùn)算。并且由于該系統(tǒng)設(shè)計(jì)為單位內(nèi)多個(gè)門(mén)禁使用，所以所要處理數(shù)據(jù)包括視頻，圖像等數(shù)據(jù)很大，所以系統(tǒng)服務(wù)器設(shè)計(jì)為多臺(tái)服務(wù)器所構(gòu)成的服務(wù)器組，并安排其中一臺(tái)做其他服務(wù)器的管理工作，將要處理的識(shí)別事務(wù)分配給相應(yīng)的服務(wù)器進(jìn)行處理。最后將識(shí)別結(jié)果發(fā)送到終端，由終端控制門(mén)禁是否開(kāi)啟。

另外該設(shè)計(jì)提供了為了達(dá)到系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的可控，該設(shè)計(jì)提供了實(shí)時(shí)監(jiān)控等功能，中心系統(tǒng)控制模塊連接遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)，和電子門(mén)鎖等硬件。在系統(tǒng)中為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和識(shí)別率，硬件上選用高清的攝像頭獲取人臉樣本，在算法上通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)選取較好的參數(shù)使得算法具有較高的識(shí)別率。

該系統(tǒng)主要由圖像采集、圖像預(yù)處理、主控模塊、后臺(tái)服務(wù)器、電子門(mén)鎖等模塊構(gòu)成。

圖像采集模塊所用的設(shè)備主要是攝像頭。因?yàn)镃MOS感光技術(shù)的攝像頭在采集圖像信息時(shí)輸出時(shí)直接將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，可以直接利用所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字處理，這樣使得該設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖像預(yù)處理模塊主要是進(jìn)行人臉的檢測(cè)、截取、和圖像傳送工作。點(diǎn)下按鈕后攝像頭不斷檢測(cè)視頻片段，用戶校準(zhǔn)完畢，再次點(diǎn)擊按鈕后，會(huì)將視頻中關(guān)鍵部分剪切，然后關(guān)鍵圖像進(jìn)行壓縮，比如壓縮到64*64維，最后將該處理結(jié)果通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到PC服務(wù)器，對(duì)用戶身份進(jìn)行識(shí)別和驗(yàn)證。

主控模塊主要是為其他各個(gè)模塊提供交互功能，目的是將獲取的人臉圖像傳到服務(wù)器，由服務(wù)器組調(diào)用合適的判別算法進(jìn)行身份判別，然后服務(wù)器將判別結(jié)果發(fā)回到主控模塊，然后主控模塊將根據(jù)得到的結(jié)果開(kāi)啟門(mén)禁，或者將判別結(jié)果發(fā)送到電子門(mén)鎖的顯示器上。

PC服務(wù)器模塊和管理員模塊是系統(tǒng)的核心部分，管理員可以利用PC遠(yuǎn)程的管理員控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施監(jiān)控，也可以在PC服務(wù)器中添加或者刪除門(mén)禁系統(tǒng)人員信息，改變門(mén)禁系統(tǒng)用戶信息，調(diào)整人臉識(shí)別系統(tǒng)的參數(shù)。

整個(gè)過(guò)程即為系統(tǒng)首先通過(guò)終端攝像頭獲取圖像，將圖像預(yù)處理模塊的輸出傳送到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將圖像發(fā)送到后臺(tái)服務(wù)器，服務(wù)器調(diào)用人臉識(shí)別算法對(duì)人臉樣本進(jìn)行身份判別，主控模塊最后依照驗(yàn)證結(jié)果控制電子門(mén)鎖的開(kāi)關(guān)。

2實(shí)現(xiàn)過(guò)程中主要解決的問(wèn)題

人臉檢測(cè)方法基本已經(jīng)成熟，基本包括基于知識(shí)的方法，特征不變方法，模板匹配方法，基于外觀的方法等。本設(shè)計(jì)利用了外觀分割方法，該方法雖然對(duì)光照比較敏感，而且在復(fù)雜背景下會(huì)很大的影響檢測(cè)結(jié)果，但是由于終端攝像頭視野內(nèi)背景一般比較單一，并且該方法的優(yōu)點(diǎn)在于對(duì)人臉旋轉(zhuǎn)，偏移不敏感的優(yōu)點(diǎn)，所以基于外觀的方法在門(mén)禁系統(tǒng)中是可行的。

門(mén)禁系統(tǒng)中我們用到的特征提取方法有兩種，特征提取也稱為降維。目的在于提取到原始圖像在有用信息，提高了運(yùn)算的速度，去噪的同時(shí)，也提升了識(shí)別率。主成分分析（PCA）和線性判別分析（LDA），PCA 為人臉識(shí)別領(lǐng)域最為經(jīng)典的算法，算法通過(guò)正交變得到一組互相無(wú)關(guān)的特征，然后根據(jù)特征值選取帶有更多信息的特征向量。即將原始圖像降維到低維子空間，所得子空間也被稱為特征臉，所以PCA特征提取方法也被稱為特征臉?lè)椒ā?/p>

實(shí)施過(guò)程如下：

1）對(duì)原始圖像進(jìn)行處理，將之前獲取的樣本圖像構(gòu)成矩陣

2）計(jì)算協(xié)方差矩陣；

3）計(jì)算協(xié)方差矩陣的特征向量和特征值；

4）找到訓(xùn)練圖像和測(cè)試圖像在特征子空間中的投影；

5） 使用最近鄰分類器進(jìn)行評(píng)估，判定測(cè)試圖像所屬人是否在可通過(guò)門(mén)禁；

線性判別分析是另外經(jīng)典并且相對(duì)更好的特征提取方法，該方法查找特征矩陣是通過(guò)目標(biāo)函數(shù)使得類間區(qū)分度最大化，類內(nèi)區(qū)分度最小化，來(lái)得到能夠使得原始數(shù)據(jù)映射后同一類的樣本距離更小，不同類的樣本距離更大。

類間和類內(nèi)差別通過(guò)相應(yīng)的散布矩陣表示和，然后最大化比率，具體目標(biāo)函數(shù)如下：

具體實(shí)施方法如這PCA，區(qū)別在于特征方程式的不同。

3主要設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程

我們采用兩種方法相結(jié)合的方式對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。即首先用PCA對(duì)訓(xùn)練樣本做預(yù)處理，然后利用LDA得到最終的結(jié)果，這樣對(duì)于避免小樣本事件的發(fā)生起到了一定的作用。

設(shè)參加訓(xùn)練的人臉圖像來(lái)自c個(gè)人，一共N張圖片，按以下步驟對(duì)給定的人臉進(jìn)行訓(xùn)練：

整體系統(tǒng)實(shí)施過(guò)程如下：

圖片預(yù)處理：

將采集到的m張p*q維的人臉圖像矩陣一一拉成n維向量，此處n=p*q，并將M個(gè)向量構(gòu)成m*n的矩陣M，并且將該矩陣歸一化。

編寫(xiě)代碼：

1）求協(xié)方差：①求出均值每一行減去均值；②對(duì)于處理過(guò)的矩陣求協(xié)方差。

2）利用主成分分析求特征值和特征向量。

3）選取攜帶較多信息的特征向量，構(gòu)成矩陣TEMP。

4）利用線性判別分析方法將TEMP作為原始數(shù)據(jù)求特征向量。

5）把特征值從大到小排列，并且將前t個(gè)較大特征值對(duì)應(yīng)的特征向量構(gòu)成n*t矩陣Feature，即投影矩陣。

6）將該投影矩陣與M相乘，得到特征臉。

7）對(duì)新輸入的樣本進(jìn)行處理，并利用分類器對(duì)處理好的樣本判別。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)可以對(duì)單位內(nèi)多個(gè)門(mén)禁進(jìn)行統(tǒng)一管理；同時(shí)在樣本訓(xùn)練過(guò)程中采用了先使用主成成分分析進(jìn)行預(yù)處理，然后利用線性判別分析求取最終的主要特征，使得最后的識(shí)別具有更高的識(shí)別率；而且利用CMOS 圖像傳感器進(jìn)行圖像采集，綜上可以使得系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)構(gòu)建簡(jiǎn)單、方便，識(shí)別速度快且準(zhǔn)確率較高。

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