喬思遠(yuǎn)

（徐州市擷秀中學(xué)，江蘇徐州，221000）

1 概述

■1.1 基于人臉識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)的目的及意義

近年來，隨著各個(gè)國家對(duì)高新科技領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)的不斷加劇，越來越多的國家地區(qū)走上現(xiàn)代化道路，便利了人們衣食住行的同時(shí)，也使得許多不法分子的犯罪手段變得越加先進(jìn)多樣。為應(yīng)對(duì)此問題，市面上便出現(xiàn)了一大批智能門禁系統(tǒng)。然而，這些系統(tǒng)在實(shí)際的安全性、實(shí)用性等方面存在著諸多不足之處。與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)硬件性能的迅猛發(fā)展，尤其是CPU中央運(yùn)算處理器的發(fā)展,讓計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)和射頻識(shí)別技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，各種各樣的人機(jī)交互軟件不斷推陳出新，人工智能技術(shù)在此過程當(dāng)中起到了推波助瀾的作用。[1]這一進(jìn)步，也促使科技變得更具服務(wù)性，更加貼近人們的生活。其中，生物特征識(shí)別技術(shù)便是一個(gè)鮮活的例子，它正在科技發(fā)展的新態(tài)勢(shì)下，逐漸走向成熟，得到廣泛應(yīng)用。正是人們的自身需求與生物特征識(shí)別技術(shù)的逐漸成熟，造就了當(dāng)今為保護(hù)人們安全的智能門禁系統(tǒng)的出現(xiàn)。在這些基于生物識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)中，基于人臉識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)由于友好的用戶體驗(yàn)以及成熟的技術(shù)積淀而受到廣泛認(rèn)可。

■1.2 人臉識(shí)別技術(shù)與智能門禁系統(tǒng)研究現(xiàn)狀綜述

人臉識(shí)別技術(shù)作為此系統(tǒng)的一項(xiàng)核心技術(shù)，一直在被科學(xué)家們不斷研究和探索。早在十年前，美國國防部高級(jí)研究署就資助了一個(gè)HID(Human Identi fi cation at a Distance)計(jì)劃，用來研究使用各種方法監(jiān)控人臉識(shí)別每個(gè)人的身份，從而建立人臉庫模型，從而達(dá)到增強(qiáng)國防能力的目的，免受恐怖襲擊[1]。此外，2008年北京奧運(yùn)會(huì)的開、閉幕式運(yùn)用了人臉識(shí)別技術(shù)。它將預(yù)存特征與現(xiàn)場(chǎng)提取的特征進(jìn)行1:1的身份驗(yàn)證，保障了奧運(yùn)會(huì)安檢的安全通暢[2]。由此可見人臉識(shí)別技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用是十分廣泛的，尤其是人臉識(shí)別在智能門禁領(lǐng)域的研究越來越受到研究者的熱捧。而對(duì)于智能門禁，一些國家很早便將其用于本國重要領(lǐng)域，比如美國、英國、德國、日本等國家，都將智能門禁系統(tǒng)應(yīng)用到其軍事等各個(gè)領(lǐng)域[1]。

現(xiàn)階段，國內(nèi)對(duì)于人臉識(shí)別和智能門禁技術(shù)的研究和發(fā)展仍存在一些問題。例如，在實(shí)際應(yīng)用中光線變化、用戶姿態(tài)變化、表情變化等大量不確定因素的存在，使得目前在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得到的人臉識(shí)別方法在實(shí)際應(yīng)用中性能急劇下降。這也使得研究人員開始越來越關(guān)注人臉識(shí)別技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中所面臨的各種挑戰(zhàn)[3]。而對(duì)于門禁系統(tǒng)，行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)的缺失，以及沒有形成合理的管理體系等問題，也成為了制約其發(fā)展的關(guān)鍵因素[1]。

■1.3 本系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)

本文將傳統(tǒng)人臉識(shí)別技術(shù)與智能門禁系統(tǒng)相結(jié)合，并在技術(shù)以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了一系列改進(jìn)和優(yōu)化，提出了一種更加安全、便捷的智能門禁系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)運(yùn)作流程大致如下：在用戶到達(dá)系統(tǒng)識(shí)別區(qū)域時(shí)，高清攝像頭會(huì)對(duì)其面部進(jìn)行圖像拍攝，之后，圖片將會(huì)被傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部，并對(duì)其進(jìn)行人臉檢測(cè)與識(shí)別；這個(gè)過程當(dāng)中，拍照可能發(fā)生在黑夜的條件下，這就會(huì)對(duì)識(shí)別過程造成極大的負(fù)面影響，因此，集成紅外光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。此外，本系統(tǒng)還會(huì)集成云日志、RFID雙層驗(yàn)證、手機(jī)管理認(rèn)證等一系列安全保障機(jī)制，以進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)的安全性。

2 本系統(tǒng)的技術(shù)原理

■2.1 人臉識(shí)別技術(shù)

人臉識(shí)別是指給定一個(gè)場(chǎng)景的靜態(tài)圖像或動(dòng)態(tài)視頻,利用存儲(chǔ)有若干已知身份的人臉圖像的數(shù)據(jù)庫驗(yàn)證和鑒別場(chǎng)景中單個(gè)或多個(gè)人的身份[4]。 其步驟如圖1所示。

（1）圖像預(yù)處理:可降低圖像的噪聲，方便后續(xù)的處理。預(yù)處理常見的方法有：歸一化、直方圖均衡、圖像灰度變換等。

（2）人臉檢測(cè):人臉檢測(cè)是指在任意給定的一張圖片當(dāng)中，判斷是否有人臉的存在。如果有人臉存在，則給出人臉的位置坐標(biāo)、人臉大小、人臉個(gè)數(shù)等信息[3]。當(dāng)今常用的人臉檢測(cè)的分類器有：Adaboost算法，SVM（支持向量機(jī)），隱馬爾可夫模型，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。

圖1 人臉識(shí)別原理圖

（3）特征提取和降維:提取方面，對(duì)于一張人臉，不同角度、不同照明下會(huì)呈現(xiàn)不同的特征，所以特征的提取要抓住人臉的主要特征，適當(dāng)忽略次要特征和人臉照片灰度值的細(xì)微變化。常見的特征類型有：灰度直方圖；Haar特征；LBP紋理特征；HOG特征（方向梯度直方圖）等。降維方面:通常采用PCA方法（即主成分分析法）。它的目標(biāo)通過提取主要特征，過濾掉次要特征，來提高匹配的精確度，減少特征維度，進(jìn)而減少了計(jì)算的復(fù)雜度。

（4）人臉庫:采用平均臉及特征臉相結(jié)合的方法進(jìn)行構(gòu)建。平均臉指從一定數(shù)量的人臉中提取面部特征，并將這些特征進(jìn)行測(cè)量并求出平均值，最后合成的一張人臉。特征臉，指用于機(jī)器視覺領(lǐng)域中的人臉識(shí)別問題的一組特征向量，主要用來解決人臉識(shí)別過程中的人臉分類問題。

■2.2 RFID技術(shù)

RFID射頻識(shí)別是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)[5]，它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作能夠自主運(yùn)行，高度智能化，且可工作于各種惡劣環(huán)境。不僅如此，這種技術(shù)亦可對(duì)高速運(yùn)動(dòng)中的物體進(jìn)行識(shí)別并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，操作起來也快捷方便[6]?，F(xiàn)在的RFID系統(tǒng)以此技術(shù)作為支撐的，該系統(tǒng)用于控制、檢測(cè)和跟蹤物體。它的構(gòu)造簡(jiǎn)單，大致由電子標(biāo)簽（內(nèi)含芯片與天線）、RFID讀寫器以及后臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)三部分組成。

RFID工作時(shí)，主要包括以下幾步：

（1）當(dāng)電子標(biāo)簽進(jìn)入讀寫器工作的可測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，將會(huì)感應(yīng)到讀寫器發(fā)射的特定射頻信號(hào)，此時(shí)，電子標(biāo)簽被激活，并將自身編碼信息通過內(nèi)置射頻天線向外發(fā)送；

（2）標(biāo)簽發(fā)來的調(diào)制信號(hào)被讀寫器接收，并傳送至其信號(hào)處理模塊，在天線解調(diào)器解調(diào)和解碼后，將有效信息送至后臺(tái)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，進(jìn)行后續(xù)處理；

圖2 系統(tǒng)工作示意圖

（3）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過邏輯運(yùn)算對(duì)該標(biāo)簽的身份進(jìn)行識(shí)別，驗(yàn)證與所注冊(cè)信息是否相同，之后，處理和控制RFID系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)應(yīng)的設(shè)定，最終使讀寫器在系統(tǒng)發(fā)出的指令信號(hào)下相應(yīng)的讀寫操作。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作時(shí)無需人工操作，自動(dòng)進(jìn)行驗(yàn)證。其工作原理如圖2所示，主要分為用戶信息的注冊(cè)和實(shí)時(shí)監(jiān)控認(rèn)證兩大部分。

■3.1 用戶信息的注冊(cè)與儲(chǔ)存

用戶信息的注冊(cè)與儲(chǔ)存包括RFID信息、APP管理端賬戶以及人臉信息的注冊(cè)與存儲(chǔ)三個(gè)方面。RFID信息注冊(cè)環(huán)節(jié)，為了避免RFID標(biāo)簽丟失造成的安全風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)在錄入保存RFID信息過程中，設(shè)置了可對(duì)已注冊(cè)RFID信息進(jìn)行修改、注銷的功能機(jī)制，這種機(jī)制有效防止RFID標(biāo)簽的丟失，提高了系統(tǒng)的安全性。手機(jī)管理端賬戶注冊(cè)環(huán)節(jié)，用戶需注冊(cè)一個(gè)賬號(hào)來獲得與門禁系統(tǒng)交互的“鑰匙”，這樣，手機(jī)認(rèn)證就可發(fā)揮與RFID電子標(biāo)簽認(rèn)證一樣的作用，以此來解鎖人臉識(shí)別功能。此番舉措，大大降低了用戶忘帶RFID標(biāo)簽而無法進(jìn)入家門的風(fēng)險(xiǎn)，提高了系統(tǒng)的安全性，實(shí)用性。人臉信息的采集存儲(chǔ)環(huán)節(jié)，主要是用來采集并存儲(chǔ)人臉特征，建立足夠可靠的人臉庫，為實(shí)時(shí)檢測(cè)認(rèn)證環(huán)節(jié)做好充分的準(zhǔn)備。

■3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控與認(rèn)證

實(shí)時(shí)監(jiān)控與認(rèn)證過程，系統(tǒng)主要采用RFID信息認(rèn)證與人臉識(shí)別認(rèn)證相結(jié)合的方式，并添加手機(jī)賬戶認(rèn)證、云端日志系統(tǒng)等輔助安全保障措施。

信息驗(yàn)證首先需要由RFID標(biāo)簽認(rèn)證來完成。持有RFID標(biāo)簽的用戶在進(jìn)入RFID解讀器所能檢測(cè)的范圍后，RFID系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行匹配識(shí)別，若成功，則解鎖人臉識(shí)別功能；若失敗，則通過云系統(tǒng)將來訪者信息傳給手機(jī)管理端。此外，用戶手機(jī)管理端的認(rèn)證同樣可以解鎖人臉識(shí)別功能。這提升了用戶的使用體驗(yàn)，也使系統(tǒng)更加靈敏便捷。在解鎖人臉識(shí)別功能后，高清攝像頭對(duì)來訪者的面部進(jìn)行拍攝，并將圖像傳輸?shù)较到y(tǒng)內(nèi)部進(jìn)行特征提取，與先前存儲(chǔ)的特征進(jìn)行比對(duì)認(rèn)證。

在經(jīng)過初步的信息驗(yàn)證后，云端日志系統(tǒng)將會(huì)開啟，并將認(rèn)證結(jié)果進(jìn)行記錄和傳遞。若人臉認(rèn)證成功，則系統(tǒng)綠燈長(zhǎng)亮，并伴發(fā)出“叮咚”的聲音；若認(rèn)證失敗，則系統(tǒng)閃爍紅燈，并伴隨5s“滴滴”的警報(bào)聲。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)迅速地儲(chǔ)存來訪者的生物信息，并記錄下此次開門的具體時(shí)間，接著，系統(tǒng)會(huì)生成日志，傳到云管理端上，再通過云管理端發(fā)送到注冊(cè)的手機(jī)客戶端中，方便使用者的查看。這大大降低了人身與財(cái)產(chǎn)安全遭受損害的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)了門禁系統(tǒng)整體的安全性。

輔助保障機(jī)制方面，首先，在高清攝像頭上安裝有紅外光學(xué)系統(tǒng)，這一舉措，有效避免了夜晚回家時(shí)圖像拍攝不清晰而導(dǎo)致人臉無法正常識(shí)別這類問題的發(fā)生，提高了系統(tǒng)對(duì)惡劣工作環(huán)境的適應(yīng)度。其次，整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部還配有使用壽命較長(zhǎng)的可充電電池，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，通過家庭電路進(jìn)行充電并儲(chǔ)存電量。若發(fā)生樓房停電這類緊急情況，門禁系統(tǒng)不會(huì)因此而無法運(yùn)行。這一系列舉措，在豐富了系統(tǒng)功能的同時(shí)，大大提高了其安全性，能夠更好地滿足用戶對(duì)安全的需求。

4 結(jié)語

本文在傳統(tǒng)的基于人臉識(shí)別的門禁系統(tǒng)基礎(chǔ)上，融合了一系列新型的技術(shù)手段，提出了一種安全性更高、適應(yīng)性更強(qiáng)、用戶體驗(yàn)更友好的智能門禁系統(tǒng)解決方案。如今，在這個(gè)信息多元化的時(shí)代，融合新興技術(shù)手段的新型門禁系統(tǒng)有著更廣闊的發(fā)展前景，更強(qiáng)勁的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。它們的出現(xiàn)及在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用正逐漸被大眾接受和認(rèn)可，希望改良后的系統(tǒng)能在擴(kuò)大自身技術(shù)優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，謀求智能門禁系統(tǒng)更加智能化、人性化的進(jìn)步，為公民的財(cái)產(chǎn)和自身安全帶來強(qiáng)有力的保障，為公共秩序的維護(hù)和國家現(xiàn)代化科技的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。

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* [2]蘇光大. 人臉識(shí)別在社會(huì)公共安全領(lǐng)域的應(yīng)用[J]. 中國安防,2015(14):12—14.

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