何雨健，張良力，張家財(cái)，劉 江

(1.武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 武漢 430081； 2.武漢科技大學(xué) 人工智能學(xué)院， 武漢 430081)

0 引言

高校?；饭芾碇贫热遮呁晟?，管理模式多樣化、信息化建設(shè)逐漸成為重心，呈現(xiàn)出全過程管理趨勢。清華大學(xué)試劑材料庫于2017年推廣使用的信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了?；返仍噭┎牧系馁徶?、儲存、使用和處置等環(huán)節(jié)的全流程管理，為該校實(shí)驗(yàn)室安全管理工作提供重要數(shù)據(jù)信息支持[1]。南開大學(xué)通過調(diào)研化學(xué)品實(shí)際需求和安全管理的薄弱環(huán)節(jié)，開發(fā)了生物化學(xué)試劑“網(wǎng)上商城”，在對試劑材料實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化管理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)平臺與學(xué)校實(shí)驗(yàn)室管理部門、保衛(wèi)部門管理信息系統(tǒng)對接，強(qiáng)化了該校?；钒踩O(jiān)管與快速處理事故能力[2]。

門禁管理是高校?；穼?shí)驗(yàn)室管理制度中的重要環(huán)節(jié)，它能靈活設(shè)置實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入權(quán)限，實(shí)時(shí)記錄人員進(jìn)出痕跡，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)人員安全意識自主提升。目前的門禁管理系統(tǒng)終端采集主要采用射頻識別(RFID)和指紋識別兩種方式[3-5]。前者存在ID卡遺失冒用的安全隱患，后者存在非活體替代使用的技術(shù)缺陷。近年來，基于人臉圖像特征的身份識別技術(shù)因檢測對象具有唯一性、不可替代性，逐漸成為?；穼?shí)驗(yàn)室門禁管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)熱點(diǎn)[6-7]，其不足在于因系統(tǒng)開發(fā)測試成本受限制而產(chǎn)生諸如身份識別準(zhǔn)確度偏低，系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定等問題。利用移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將本地終端采集的圖像信息數(shù)據(jù)傳至商業(yè)云計(jì)算平臺進(jìn)行分析處理，回傳的辨識結(jié)果數(shù)據(jù)作為驅(qū)動(dòng)本地執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的判斷依據(jù)，可降低?；穼?shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)成本并提高研發(fā)效率[8]。本文在探討云計(jì)算平臺及其適用性的基礎(chǔ)上，對危化品實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)硬軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，結(jié)合室內(nèi)應(yīng)用環(huán)境對系統(tǒng)識別準(zhǔn)確率和響應(yīng)速度進(jìn)行了測試分析。

1 面向身份識別的云計(jì)算平臺

云計(jì)算是計(jì)算機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合發(fā)展的產(chǎn)物，它涵蓋了網(wǎng)格計(jì)算、分布式計(jì)算、并行計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)存儲、虛擬化和負(fù)載均衡等功能，通過基于網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算方式，實(shí)現(xiàn)軟硬件資源和信息的整合、共享，并根據(jù)用戶需求提供軟硬件或數(shù)據(jù)的定向服務(wù)[9]?；谌四槇D像特征的身份識別所需的云平臺應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 面向身份識別的云計(jì)算平臺應(yīng)用架構(gòu)

在此架構(gòu)下，用戶無需投入基于人臉圖像特征的身份識別開發(fā)建設(shè)成本，只需向商業(yè)化云計(jì)算平臺服務(wù)機(jī)構(gòu)訂購虛擬化資源池中的計(jì)算服務(wù)、存儲服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，即可通過互聯(lián)網(wǎng)獲取服務(wù)方提供的處理結(jié)果數(shù)據(jù)包[10]。用戶僅關(guān)注人臉圖像原始數(shù)據(jù)的采集與上傳，以及身份識別結(jié)果數(shù)據(jù)包的解析與應(yīng)用，不必關(guān)注圖像處理計(jì)算過程，降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，縮減了開發(fā)成本與周期。使用云平臺服務(wù)，用戶必須投入必要的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，但無需對圖像處理與身份識別硬軟件系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)，綜合效益可觀。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

?；穼?shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)功能可描述為：對進(jìn)出人員臉部進(jìn)行圖像采集，通過互聯(lián)網(wǎng)傳送云計(jì)算平臺進(jìn)行身份識別；將回傳的識別結(jié)果轉(zhuǎn)化為驅(qū)動(dòng)門禁電子鎖執(zhí)行的控制信號，并記錄進(jìn)出人員的身份、進(jìn)出時(shí)間等信息。門禁系統(tǒng)各項(xiàng)功能運(yùn)行時(shí)須滿足以下設(shè)計(jì)要求：硬件采用低壓直流電源，保障用戶使用安全；系統(tǒng)上電后自主連接互聯(lián)網(wǎng)、接入云平臺并完成初始化；在室內(nèi)正常光照條件下，系統(tǒng)能有效識別不同身高、性別進(jìn)出人員身份；攝像頭檢測人員臉部有效距離約1 m左右；系統(tǒng)身份識別準(zhǔn)確率不低于80%，響應(yīng)時(shí)間少于2 s。為便于系統(tǒng)設(shè)置、考勤管理等，系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)寫入和導(dǎo)出端口。

2.1 系統(tǒng)硬件模塊

系統(tǒng)硬件模塊均采用低壓直流嵌入式組件，包括：圖像采集模塊(攝像頭)、網(wǎng)絡(luò)通訊模塊(WIFI)、門禁控制模塊、主控芯片(含調(diào)試端口)，各硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)圖像采集使用OV2640模塊(1/4寸，百萬級CMOS傳感器)，支持曝光、白平衡、色度、飽和度、對比度等參數(shù)設(shè)置，使用JPEG/RGB565格式輸出，可滿足不同光照條件下的活體圖像采集。OV2640通過串行相機(jī)控制總線(SCCB)實(shí)現(xiàn)外部接口數(shù)據(jù)交互控制，設(shè)置參數(shù)包括采集圖像分辨率、輸出時(shí)鐘頻率等。OV2640工作模式由內(nèi)部寄存器決定，通常設(shè)置為“從模式”(主控芯片為主模式)。主控芯片采用STM32F407，數(shù)據(jù)總線寬度為32 bit，最大時(shí)頻為168 MHz，數(shù)據(jù)存儲器為RAM192kB，程序儲存器為1 MB，ADC分辨率為12 bit，工作電源電壓范圍為1.8～3.6V，工作溫度范圍為-40～85 ℃，滿足OV2640模塊對人臉圖像采集后的數(shù)據(jù)壓縮和處理要求。

網(wǎng)絡(luò)通訊模塊采用低功耗以太網(wǎng)芯片LAN8720A(使用符合IEEE802.3-2005標(biāo)準(zhǔn)I/O引腳電壓，內(nèi)置10-BASE-T/100BASE-TX全雙工傳輸模塊，通過RMII接口與以太網(wǎng)MAC層通信)結(jié)合Marvell 88W8782 SDIO WIFI模組(符合IEEE 802.11N標(biāo)準(zhǔn)，向下兼容IEEE802.11B/G標(biāo)準(zhǔn)，支持IEEE 802.11i安全協(xié)議)，88W8782外圍電路如圖3所示。

圖3 通訊模塊電路圖

系統(tǒng)所用低壓直流電源有DC5V和DC3.3V兩種等級，DC5V由開關(guān)電源模塊提供，DC3.3V電源由板載降壓芯片AMS117-3.3進(jìn)行轉(zhuǎn)換，直流電源轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 直流電源電路圖

門禁控制器接收主控芯片發(fā)來的I/O端口信號，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路轉(zhuǎn)換后，控制繼電器開閉來執(zhí)行門鎖開關(guān)動(dòng)作。門禁控制器驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，當(dāng)控制信號端接收到低電平時(shí)，光電隔離芯片TIL117工作，A點(diǎn)處電平由低變高，NPN型晶體管導(dǎo)通，繼電器線圈通電并拉動(dòng)觸點(diǎn)閉合，門鎖開啟；當(dāng)控制信號端接收到高電平時(shí)，門鎖關(guān)閉。

圖5 門禁控制器驅(qū)動(dòng)電路圖

系統(tǒng)硬件模塊上電后自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)鏈接、云計(jì)算平臺交互等系統(tǒng)初始化步驟，然后進(jìn)入實(shí)時(shí)人臉檢測、身份識別、出入信息管理狀態(tài)。在保障用電安全的同時(shí)，提高門禁系統(tǒng)智能化水平[11]。

2.2 后臺管理設(shè)計(jì)

與系統(tǒng)硬件模塊類似，?；穼?shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)后臺管理操作同樣通過鏈接網(wǎng)絡(luò)端云計(jì)算平臺，與平臺層的虛擬化服務(wù)器單元進(jìn)行信息交互。設(shè)計(jì)的后臺管理模塊包括人員管理、考勤管理、系統(tǒng)設(shè)置三部分，模塊組成如圖6所示。

圖6 后臺管理模塊組成

對進(jìn)出人員的身份信息(如姓名、工學(xué)號等)、人臉圖片、進(jìn)出權(quán)限進(jìn)行錄入與匹配，上傳至云計(jì)算平臺虛擬數(shù)據(jù)庫中，以便系統(tǒng)實(shí)時(shí)身份識別時(shí)進(jìn)行調(diào)取和比對[12]。當(dāng)管理員進(jìn)入后臺管理模塊，可對此部分信息進(jìn)行新增、刪除、查找、修改操作。隨著人員進(jìn)出實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)出時(shí)間、人員姓名、門禁狀態(tài)等信息實(shí)時(shí)登記至云計(jì)算平臺數(shù)據(jù)庫中，匯總數(shù)據(jù)以考勤報(bào)表形式供管理員調(diào)取。

系統(tǒng)設(shè)置與系統(tǒng)運(yùn)行及身份識別功能相關(guān)。通過設(shè)置相關(guān)初始化參數(shù)，使整個(gè)門禁系統(tǒng)自主完成云平臺鏈接、人臉圖片采集、人臉特征提取、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)上傳、識別結(jié)果下載等操作。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行異常時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)置規(guī)則進(jìn)行自動(dòng)排錯(cuò)處理。為防止“非準(zhǔn)入”權(quán)限人員惡意反復(fù)“試入”或拆卸門禁系統(tǒng)硬件模塊，在電路板上增設(shè)防拆裝置和蜂鳴報(bào)警器；通過設(shè)置“報(bào)警事件”參數(shù)，系統(tǒng)可在非正常狀態(tài)下執(zhí)行諸如采集人臉圖片、緊鎖門禁、鳴響示警等動(dòng)作。

3 軟件開發(fā)

3.1 云計(jì)算平臺接入

軟件開發(fā)使用百度云平臺實(shí)現(xiàn)門禁系統(tǒng)身份識別功能。該云平臺接受以消息隊(duì)列遙測傳輸(message queuing telemetry transport, MQTT)協(xié)議方式的請求服務(wù)，該方式能使門禁系統(tǒng)在保活時(shí)間間隔內(nèi)，向云平臺至少發(fā)送一次報(bào)文，從而使門禁系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)條件不佳的情況下，依然可與云端服務(wù)器保持穩(wěn)定連接。門禁系統(tǒng)與云平臺的接入過程為：(1)設(shè)置WIFI網(wǎng)絡(luò)，對WIFI模塊進(jìn)行編譯。將主控芯片代碼easyiot.c的default_web_cfg函數(shù)中WIFI用戶名和密碼分別填寫至對應(yīng)位置，系統(tǒng)上電后將會(huì)通過動(dòng)態(tài)主機(jī)配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)自動(dòng)獲得IP地址。(2)將云計(jì)算平臺提供的API Key和Secret Key填寫到baidu_ai_face.c對應(yīng)的宏中，同時(shí)將對象識別應(yīng)用對應(yīng)的宏打開，將 ifndef SUPPORT_CAM對應(yīng)的0改成1，在線程序編譯并重新上電后，系統(tǒng)即完成與云計(jì)算平臺之間的鏈接。(3)在網(wǎng)絡(luò)連接成功后，門禁系統(tǒng)繼續(xù)向云平臺發(fā)送基于人臉圖像特征的身份識別主題訂閱命令，云平臺響應(yīng)請求后，處理并返回識別結(jié)果供門禁系統(tǒng)使用。

3.2 人臉圖像檢測及調(diào)用

人臉圖像數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)上傳至云計(jì)算平臺后，平臺自動(dòng)進(jìn)行圖像檢測，確定是否符合人臉識別標(biāo)準(zhǔn)。首先進(jìn)行質(zhì)量檢測，通過調(diào)用face_field參數(shù)中的quality值實(shí)現(xiàn)。在返回的quality中，遮擋范圍(occlusion)，值0表示無遮擋，值1表示完全遮擋；模糊度范圍(blur)，值0表示最清晰，值1表示最模糊；圖像光照灰度值范圍(illumination)，值0表示光照不好，值255表示光照好。其他指標(biāo)如姿態(tài)角度、圖像完整度等指標(biāo)，需在上述指標(biāo)進(jìn)行檢測后進(jìn)行，然后綜合判斷人臉圖像數(shù)據(jù)是否可成功讀取。在檢測完畢后系統(tǒng)請求URL數(shù)據(jù)格式，對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用。調(diào)用流程為：向API服務(wù)地址使用POST發(fā)送請求；在URL中加入?yún)?shù)access_token,后進(jìn)行Base64編碼；圖片經(jīng)過Base64編碼，之后圖片數(shù)據(jù)編碼轉(zhuǎn)換為字符串；使用該字符串代替圖像地址。成功讀取編碼數(shù)據(jù)后，即可采用JPG數(shù)據(jù)格式結(jié)合POST上傳；接收HTTP響應(yīng)，完成平臺圖像檢測及數(shù)據(jù)調(diào)用。

3.3 身份識別與門禁控制參數(shù)設(shè)置

要求門禁系統(tǒng)在日常場景下，當(dāng)人臉實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)與事先錄入圖像數(shù)據(jù)相似度在80以上即為“可信”；小于80則重試，重試次數(shù)多于5次時(shí)，認(rèn)為“不可信”，門禁不予開啟。要求人臉正面朝向攝像頭，捕獲的人臉圖像的俯仰角、傾斜角、圖像旋轉(zhuǎn)角度盡可能小，運(yùn)動(dòng)模糊小于0.15，高斯模糊小于0.25，人臉瞳間距不小于60px，人臉輪廓長寬不小于100px。在發(fā)生異常時(shí)，門禁可在“指定可信”要求下識別人臉并開啟門禁，或轉(zhuǎn)換為“手動(dòng)控制”開啟關(guān)閉實(shí)驗(yàn)室門禁，以確保人員安全。

4 門禁系統(tǒng)測試

在門禁系統(tǒng)各硬件模塊、后臺管理、云計(jì)算平臺接入運(yùn)行正常的前提下，對人臉圖像檢測及身份識別功能進(jìn)行測試。

選取身高范圍分別為155～170 cm，171～185 cm的兩組被試人員各40名(性別不限)，在某日8:00 AM～8:00 PM時(shí)段內(nèi)(光照條件良好)，隨機(jī)前往門禁系統(tǒng)處接受人臉圖像檢測與身份識別。測得人員在距離攝像頭30～125 cm區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)能成功采集人臉圖像并能在允許錯(cuò)判1次前提下識別出人員身份。

為進(jìn)一步測試分析門禁系統(tǒng)身份識別成功率，將上述兩組被試人員，按50%比例分別設(shè)置人員進(jìn)出權(quán)限為“準(zhǔn)入”和“非準(zhǔn)入”。在測試過程中，規(guī)定被試人員與攝像頭之間的距離從30～125 cm擴(kuò)展至10～165 cm。記錄被試人員距離攝像頭不同時(shí)，門禁系統(tǒng)身份識別成功率(允許錯(cuò)判1次)如表1所示。

表1 門禁系統(tǒng)身份識別成功率

身份識別準(zhǔn)確率和響應(yīng)時(shí)間是門禁系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)，本次測試以“系統(tǒng)檢測人臉圖像1次即可成功識別身份”作為準(zhǔn)確率測定指標(biāo)。在30～125 cm距離內(nèi)，對兩組被試人員進(jìn)行身份識別測試，統(tǒng)計(jì)不同距離的身份識別準(zhǔn)確率，即1次識別成功人數(shù)與總?cè)藬?shù)的百分比，如圖7所示。與此同時(shí)，通過調(diào)用云計(jì)算平臺回調(diào)函數(shù)獲取系統(tǒng)身份識別響應(yīng)時(shí)間，繪制測試距離與平均響應(yīng)時(shí)間之間的關(guān)系如圖8所示。

圖7 門禁系統(tǒng)身份識別準(zhǔn)確率統(tǒng)計(jì)

圖8 門禁系統(tǒng)識別響應(yīng)平均時(shí)間統(tǒng)計(jì)

綜合圖7和圖8可知，門禁系統(tǒng)在被試人員與攝像頭之間的距離為40～105 cm時(shí)，身份識別準(zhǔn)確率和響應(yīng)時(shí)間均處在最優(yōu)區(qū)間。取其中間值70 cm，在10:00 AM、3:00 PM、8:00 PM三個(gè)時(shí)刻進(jìn)行測試，獲得門禁系統(tǒng)身份識別準(zhǔn)確率和響應(yīng)平均時(shí)間如表2所示。

表2 門禁系統(tǒng)身份識別準(zhǔn)確率和響應(yīng)平均時(shí)間

通過測試發(fā)現(xiàn)，影響門禁系統(tǒng)人員身份識別成功率、準(zhǔn)確率和響應(yīng)時(shí)間等指標(biāo)的因素較多，除去門禁系統(tǒng)攝像頭拍攝距離和角度等人為可控因素，實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)周邊光照條件以及無線網(wǎng)絡(luò)條件也可能對指標(biāo)值的波動(dòng)造成影響。

5 結(jié)束語

加強(qiáng)危化品實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)安全性，提升實(shí)驗(yàn)室門禁管理信息化水平是未來高校實(shí)驗(yàn)室管理的發(fā)展方向。引入云計(jì)算平臺實(shí)現(xiàn)人員身份識別及其進(jìn)出信息記錄，是近期危化品實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本、輕量化、快速成型并投入使用的有效技術(shù)手段。本次設(shè)計(jì)采用嵌入式硬件系統(tǒng)結(jié)合商業(yè)云平臺，實(shí)現(xiàn)?；穼?shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)進(jìn)出人員臉部圖像采集處理與身份識別。經(jīng)測試，人員身份識別成功率、準(zhǔn)確率、響應(yīng)時(shí)間均在適用范圍內(nèi)。

值得注意的是，云計(jì)算環(huán)境下的?；穼?shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全與隱私保護(hù)，可能成為此項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用的制約因素。隨著云計(jì)算平臺研究深入，各類隱私增強(qiáng)技術(shù)如：等價(jià)類匿名、差分隱私防跟蹤技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)將引入其中，使新型危化品實(shí)驗(yàn)室門禁系統(tǒng)在安全性、可擴(kuò)展性、開發(fā)成本等方面更具競爭優(yōu)勢。