■北京醫(yī)學(xué)院附屬中學(xué) 林星翰

對(duì)于硬件愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，樹(shù)莓派（Raspberry PI）是再熟悉不過(guò)的開(kāi)發(fā)板，樹(shù)莓派開(kāi)發(fā)板體積雖小，但是功能非常強(qiáng)大。

最新樹(shù)莓派3代B型板采用64位1.2GHz四核的ARM Cortex處理器，具有1G內(nèi)存，支持使用Python語(yǔ)言進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，主板上預(yù)留的接口可完美對(duì)接與之配套的樹(shù)莓派500萬(wàn)像素專(zhuān)用攝像頭、7英寸液晶觸摸屏、Sense Hat傳感器模塊等。

人臉識(shí)別是目前人工智能熱門(mén)的應(yīng)用領(lǐng)域之一，我嘗試在樹(shù)莓派上開(kāi)發(fā)一個(gè)Python軟件，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別功能。

一、軟件實(shí)現(xiàn)

人臉識(shí)別軟件的主要功能是將待識(shí)別的人臉照片與照片庫(kù)中的人臉照片進(jìn)行匹配，如果相似度大于80%，則軟件輸出匹配成功的照片信息。人臉識(shí)別軟件在電子支付、門(mén)禁系統(tǒng)、照相工具等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

本軟件使用的人臉識(shí)別功能主要通過(guò)云服務(wù)實(shí)現(xiàn)，具體來(lái)講是通過(guò)調(diào)用曠視公司提供的Face++ open APIs來(lái)實(shí)現(xiàn)人臉特征庫(kù)的構(gòu)建和照片搜索匹配功能。本軟件進(jìn)行人臉識(shí)別的主要過(guò)程如下。

首先，軟件調(diào)用Detect API對(duì)照片庫(kù)中的照片進(jìn)行人臉檢測(cè)和分析，識(shí)別出人臉會(huì)給出face token，將face token加入Face set，用于后續(xù)的識(shí)別對(duì)比等操作。

然后，軟件對(duì)用戶(hù)輸入的人臉照片進(jìn)行處理，調(diào)用Search API在Face set中找出與目標(biāo)人臉匹配的一張或多張照片。

最后，軟件檢查人臉與照片的相似度，如果相似度大于80%，認(rèn)為匹配成功，向用戶(hù)返回照片信息。軟件的核心功能代碼如圖1所示。

圖1 人臉識(shí)別核心功能代碼示例

本軟件示例中使用了三張公眾人物的照片作為匹配的照片庫(kù)，對(duì)用戶(hù)放在軟件運(yùn)行目錄下的輸入圖像face_search_img.jpg進(jìn)行匹配，如果匹配成功，軟件會(huì)顯示匹配成功的照片的人名等信息，否則，軟件會(huì)反饋失敗信息。

軟件運(yùn)行的過(guò)程包括創(chuàng)建人臉特征庫(kù)faceSet，分析照片庫(kù)的照片并將特征添加到faceSet中，使用輸入的照片搜索相似人臉信息，對(duì)搜索結(jié)果進(jìn)行比對(duì)和輸出。需要注意的是，由于采用由曠視公司提供的Face++APIs，因此在使用這些APIs之前，用戶(hù)首先需要在曠視開(kāi)放平臺(tái)上申請(qǐng)?jiān)囉玫馁~號(hào)，然后在應(yīng)用管理中可以看到平臺(tái)分配的API key和密碼，接著下載Face++的Python SDK，按照使用文檔的說(shuō)明在SDK中配置API key和密碼，就可以開(kāi)始調(diào)用Face++ APIs了。

目前該軟件是市面上使用的人像監(jiān)控識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)雛形，在此基礎(chǔ)上再增加圖像獲取模塊和識(shí)別成功后的處理模塊，即可形成一個(gè)完整的人像監(jiān)控識(shí)別軟件。

如何將人臉識(shí)別軟件在樹(shù)莓派的平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用，并通過(guò)樹(shù)莓派提供的攝像頭模塊來(lái)增強(qiáng)本軟件的功能？我做了以下嘗試。

圖2 軟件使用的視覺(jué)云臺(tái)開(kāi)發(fā)套件

二、在樹(shù)莓派上對(duì)軟件進(jìn)行演示驗(yàn)證

首先，要對(duì)樹(shù)莓派的開(kāi)發(fā)板進(jìn)行操作系統(tǒng)安裝和配置，還需連接電源模塊、數(shù)據(jù)輸入輸出模塊和攝像頭模塊等?？梢圆檎蚁嚓P(guān)的教程進(jìn)行學(xué)習(xí)，也可以購(gòu)買(mǎi)市面上的開(kāi)發(fā)套件。

本文使用了亞博智能科技公司開(kāi)發(fā)的視覺(jué)云臺(tái)套件，已經(jīng)完成了攝像頭模塊的安裝，平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖2所示。操作系統(tǒng)使用的是樹(shù)莓派官方系統(tǒng)raspbian，系統(tǒng)預(yù)裝了Python和C編譯器等軟件。

可直接用顯示器進(jìn)入系統(tǒng)桌面，也可以通過(guò)遠(yuǎn)程桌面進(jìn)入系統(tǒng)，或者使用putty軟件SSH。本設(shè)計(jì)以遠(yuǎn)程桌面登錄為例。登錄路由器查詢(xún)分配給樹(shù)莓派的IP地址。打開(kāi)電腦的遠(yuǎn)程桌面軟件，輸入樹(shù)莓派的IP地址，本次設(shè)計(jì)中樹(shù)莓派的IP是192.168.1.55。用戶(hù)名為pi，密碼為raspberry。進(jìn)入遠(yuǎn)程桌面系統(tǒng)后還可以連接本地Wi-Fi信號(hào)。

在樹(shù)莓派上運(yùn)行人臉識(shí)別軟件的重點(diǎn)是使用樹(shù)莓派的攝像頭模塊拍照，將拍攝的照片與照片庫(kù)進(jìn)行匹配。我使用picamera庫(kù)來(lái)完成攝像頭拍照的工作。具體代碼如圖3所示。

圖3 基于picamera的攝像頭拍照代碼示例

這段代碼完成的功能包括對(duì)攝像頭進(jìn)行初始化，取得攝像頭的控制權(quán)；設(shè)定攝像頭的拍攝參數(shù)，包括感光度、拍照速度、曝光模式、白平衡等；控制攝像頭連續(xù)拍照，將十張照片都保存為imageXX.jpg的格式（XX指照片的編號(hào)）。

這段代碼使用了樹(shù)莓派系統(tǒng)支持的picamera庫(kù)來(lái)完成對(duì)攝像頭的控制，那么如何在樹(shù)莓派平臺(tái)上安裝picamera以實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像頭的控制？

樹(shù)莓派的攝像頭模塊是由內(nèi)核進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，隨著版本的更迭，修復(fù)了大量的漏洞，并且擴(kuò)展了攝像頭模塊的相關(guān)功能，雖然picamera支持固件向后兼容，但在最新版發(fā)布時(shí)，picamera都是參照最新的固件進(jìn)行測(cè)試，所以在安裝庫(kù)之前推薦進(jìn)行固件升級(jí)，并使用最新的固件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

在安裝之前，要先在樹(shù)莓派的命令行下執(zhí)行sudo apt-get update和sudo apt-get upgrade這兩條語(yǔ)句，將樹(shù)莓派更新到最新固件，然后運(yùn)行sudo apt-get install pythonpicamera語(yǔ)句來(lái)安裝picamera。

我開(kāi)發(fā)的人臉識(shí)別軟件的工作流程是：用戶(hù)按下開(kāi)關(guān)，軟件開(kāi)始控制樹(shù)莓派對(duì)用戶(hù)進(jìn)行拍照，并保存十張照片，軟件將十張用戶(hù)的照片存儲(chǔ)到軟件所在目錄，執(zhí)行程序時(shí)，調(diào)用Face++的detectAPI將照片中的人臉信息存儲(chǔ)在faceSet中，然后執(zhí)行search的API對(duì)程序過(guò)程中拍攝的照片進(jìn)行處理。

檢測(cè)照片中的人臉信息與之前上傳的人臉信息對(duì)比，如果相似度達(dá)到80%以上，返回相似度最高的人臉信息，即完成人臉識(shí)別功能。