徐 金 董 英

(唐山惠米智能家居科技有限公司 河北 唐山 063307)

前言

人臉識(shí)別技術(shù)，是通過(guò)圖像采集后，對(duì)圖像內(nèi)符合人臉特征的信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和辨識(shí)對(duì)比，自動(dòng)并實(shí)時(shí)判斷人臉對(duì)應(yīng)的相關(guān)的個(gè)性化信息。

Open CV是一種開(kāi)源的計(jì)算視覺(jué)和機(jī)器學(xué)習(xí)的軟件庫(kù)，基于C++語(yǔ)言編寫(xiě)且傾向于實(shí)時(shí)視覺(jué)信息的處理，能夠嵌入到Linux、Windows、Andorid等相關(guān)的操作系統(tǒng)上，實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別技術(shù)。

隨著智能家居技術(shù)的普及和應(yīng)用，衛(wèi)生間的智能化的需求已經(jīng)提升到一個(gè)全新的高度，智能坐便器、智能淋浴器及智能浴室柜作為智能衛(wèi)生間必不可少的組成部分，統(tǒng)一智能化的發(fā)展已經(jīng)勢(shì)在必行，人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展決定了其必將成為智能衛(wèi)浴組成的重要部分，隨著各類(lèi)新技術(shù)應(yīng)用的導(dǎo)入，人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用成為了各類(lèi)新技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，而人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用導(dǎo)入程度，也成為了智能衛(wèi)浴能否最終滿足用戶(hù)要求的標(biāo)桿。

對(duì)此，國(guó)內(nèi)衛(wèi)生間還未形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，且光線變化大，濕度高，鏡面易出現(xiàn)霧氣，這也無(wú)疑增加了人臉識(shí)別技術(shù)導(dǎo)入的難度。圖像采集需要在低照度高濕度的環(huán)境下有個(gè)更好的數(shù)據(jù)采集及白平衡系統(tǒng)，人臉識(shí)別算法上需要整合多種類(lèi)使用環(huán)境，保證算法的高效運(yùn)行。

1 人臉識(shí)別技術(shù)導(dǎo)入方案

本設(shè)計(jì)方案將圖像采集及終端處理的方案整合到智能鏡箱當(dāng)中，此方案可避免圖像采集系統(tǒng)暴露在濕度較高的空氣中造成故障，也可避免因鏡子反射造成算法失效。

人臉識(shí)別技術(shù)的前提是要基于人臉檢測(cè)(Face Detection)來(lái)執(zhí)行，圖像采集系統(tǒng)由2部分組成：一部分是由定焦針孔廣角鏡頭和高靈敏度CMOS的模組(文章試驗(yàn)選型為舜宇4 mm廣角無(wú)畸變針孔鏡頭，圖像傳感器采用的SONY IMX291)；另一部分由偏光廣角鏡頭和低照度CMOS模組和紅外光燈組成(文章試驗(yàn)選型為上述鏡頭加上偏光片，圖像傳感器采用鎂光AR0230)，目的是在完全黑暗情況下，依然能夠出色的完成圖像采集工作和監(jiān)測(cè)人臉活體(Face Liveness)。

鏡頭視角安裝在鏡箱上時(shí)，以5°的垂直視場(chǎng)角下偏，以便有更好的圖像采集角度覆蓋這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)生間，且模組算法支持自動(dòng)白平衡和自動(dòng)寬動(dòng)態(tài)，適用低照度下的人臉信息采集。

上述的硬件配置也構(gòu)成了智能衛(wèi)浴系統(tǒng)人臉識(shí)別的圖像采集端，也是實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別的首要前提部分。

圖1 人臉識(shí)別模塊的覆蓋范圍示意圖

采集到的圖像信息通過(guò)LVDS協(xié)議傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array，下述以簡(jiǎn)寫(xiě)方式FPGA說(shuō)明，試驗(yàn)選型Altera公司的Cyclone IV系列EP1C12F324I7N)，通過(guò)FPGA進(jìn)行圖像信息裁減和算法處理，將相應(yīng)的圖像信息轉(zhuǎn)換為灰度圖像，并將最終的圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字矩陣，通過(guò)RS232通訊協(xié)議，發(fā)送到Android終端控制器(文章試驗(yàn)選型為基于瑞芯微RK3288內(nèi)核開(kāi)發(fā)的開(kāi)源Android控制板)，微控制器內(nèi)安裝有基于Open CV軟件庫(kù)的開(kāi)發(fā)的人臉識(shí)別軟件，以進(jìn)行人臉檢測(cè)(Face Detection)。

此處基于Open CV軟件庫(kù)開(kāi)發(fā)人臉識(shí)別系統(tǒng)的軟件做一個(gè)簡(jiǎn)單的說(shuō)明，首先需要對(duì)使用者的人臉信息進(jìn)行錄入，整合軟件訓(xùn)練庫(kù)內(nèi)，后調(diào)用軟件庫(kù)內(nèi)的多種分類(lèi)檢索器，對(duì)訓(xùn)練時(shí)檢索的多種數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和整合，當(dāng)正常使用時(shí)，調(diào)用Open CV內(nèi)的識(shí)別器，對(duì)實(shí)時(shí)提供的圖像信息進(jìn)行分析和檢索，而最終確認(rèn)識(shí)別信息。

監(jiān)測(cè)到的人臉信息，將進(jìn)行人臉屬性識(shí)別(Face Attribute)和人臉提特征(Face Feature Extraction)，通過(guò)傳統(tǒng)的多點(diǎn)比對(duì)的方式及由粗到細(xì)的灰度策略，對(duì)圖像矩陣的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)掃描，并與對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，實(shí)時(shí)判斷個(gè)體的人臉特征信息。

監(jiān)測(cè)到的人臉信息數(shù)據(jù)進(jìn)行人臉比對(duì)(Face Compare)，人臉識(shí)別軟件通過(guò)將采集到的數(shù)據(jù)，與預(yù)先存儲(chǔ)在Flash中的設(shè)定人臉信息數(shù)據(jù)(即圖像訓(xùn)練庫(kù))和人臉相似的度的設(shè)定值進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)，判斷個(gè)體的人設(shè)，并及時(shí)結(jié)合使用時(shí)間點(diǎn)，判斷個(gè)體使用需求，并將控制信號(hào)以無(wú)線信號(hào)(文章試驗(yàn)的無(wú)線傳輸方案采用的是TI的CC2530)的形式傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，由網(wǎng)關(guān)控制相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品完成規(guī)定動(dòng)作，個(gè)體完成使用后，記錄和存儲(chǔ)相關(guān)的衛(wèi)生間使用信息。

終端微控制器與智能鏡的功能整合，將智能鏡箱的Android平臺(tái)的API端口開(kāi)放給對(duì)應(yīng)的圖像采集端，此方法不影響智能鏡箱人機(jī)功能交互的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，還可通過(guò)圖像采集的API收集更多的用戶(hù)使用信息，以便通過(guò)人機(jī)交互的GUI反饋給使用者。

終端控制器所需發(fā)送的的信號(hào)，通過(guò)信號(hào)傳輸端(即網(wǎng)關(guān))完成，傳輸端的安裝位置在環(huán)境濕度不高及不會(huì)被水淋到的房間內(nèi)的任意位置。

2 人臉識(shí)別技術(shù)在智能衛(wèi)生間的邏輯應(yīng)用

如下是智能衛(wèi)浴系統(tǒng)的邏輯應(yīng)用：

系統(tǒng)啟動(dòng)后，啟動(dòng)人臉識(shí)別監(jiān)控模塊，當(dāng)監(jiān)測(cè)到使用者時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入使用模式：

此時(shí)判斷室內(nèi)光線是否過(guò)低，如過(guò)低則開(kāi)啟燈光照明系統(tǒng)，其中包括室內(nèi)燈、鏡燈等。

當(dāng)30 s后仍然監(jiān)測(cè)到人臉或未監(jiān)測(cè)到人臉離開(kāi)室內(nèi)，則啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)，用于室內(nèi)通風(fēng)，并進(jìn)入長(zhǎng)效使用模式。

此時(shí)當(dāng)終端控制器接收到反饋信號(hào)后，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的工作模式，如監(jiān)測(cè)到智能坐便器啟動(dòng)后，進(jìn)入如廁模式，終端控制器根據(jù)設(shè)定模式，完成關(guān)閉圖像采集、關(guān)閉窗簾等一系列操作。

如圖2監(jiān)測(cè)到淋雨系統(tǒng)啟動(dòng)，終端控制器根據(jù)室溫情況，完成開(kāi)啟浴霸、關(guān)閉窗簾、鏡箱除霧等一系列功能。適時(shí)根據(jù)其他的智能設(shè)備的情況，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的功能使用模式。

功能使用完成后，人臉識(shí)別系統(tǒng)重新開(kāi)啟，此時(shí)監(jiān)測(cè)使用者是否離開(kāi)室內(nèi)，如離開(kāi)則在10 s后關(guān)閉照明系統(tǒng)，10 min中后關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)，并離開(kāi)使用模式。

如未檢測(cè)到人臉離開(kāi)，則返回長(zhǎng)效使用模式。如下是分模塊對(duì)上述內(nèi)容工作原理說(shuō)明：

2.1 智能浴室柜

當(dāng)終端控制器檢測(cè)到人臉并確認(rèn)使用者后，終端控制器將需求配置信號(hào)結(jié)合光線傳感器，確認(rèn)是否開(kāi)啟鏡燈，其余配置信息以無(wú)線信號(hào)的形式發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)繼續(xù)發(fā)送對(duì)應(yīng)的設(shè)備及控制端口。

2.2 照明系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)

當(dāng)檢測(cè)到使用者30 s后，終端微控制器發(fā)送配置信號(hào)給到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)系統(tǒng)啟動(dòng)，直到使用完成時(shí)，計(jì)時(shí)10 min中后，關(guān)閉新風(fēng)系統(tǒng)。

當(dāng)檢測(cè)到使用者后，終端微控制器檢測(cè)光線傳感器，當(dāng)且僅當(dāng)光線不足時(shí)，發(fā)送配置信號(hào)給到網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)啟動(dòng)照明系統(tǒng)，直至使用完成后，人離開(kāi)使用環(huán)境，計(jì)時(shí)30 s后，關(guān)閉照明系統(tǒng)。

2.3 智能坐便器與淋浴系統(tǒng)

當(dāng)終端微控制器檢測(cè)到人臉后，上述系統(tǒng)啟動(dòng)后，當(dāng)智能坐便器或淋浴系統(tǒng)，檢測(cè)到人體即將使用時(shí)，關(guān)閉圖像采集系統(tǒng)。然后進(jìn)入隱私保護(hù)狀態(tài)，關(guān)閉窗簾。

智能坐便器的即將使用的監(jiān)測(cè)裝置可采用微波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)及其他相關(guān)方法實(shí)現(xiàn)，清洗及吹風(fēng)等產(chǎn)品的需求，由終端控制器發(fā)送到網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)直接控制智能坐便器實(shí)現(xiàn)相關(guān)的定制化需求。

淋浴系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)可采用淋浴房門(mén)的監(jiān)測(cè)的傳感器及其他相關(guān)方法，水溫、水量及增壓系統(tǒng)是否啟動(dòng)，通過(guò)終端控制器將識(shí)別后的個(gè)人需求發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，并由網(wǎng)關(guān)控制淋浴器的定制化使用需求。

2.4 其他智能設(shè)備

智能衛(wèi)生間內(nèi)配置有自熱毛巾架，紫外線消毒燈等，亦整合相應(yīng)的產(chǎn)品邏輯，后通過(guò)網(wǎng)關(guān)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行智能控制。

圖2 智能衛(wèi)浴邏輯系統(tǒng)

3 結(jié)語(yǔ)

基于Open CV的人臉識(shí)別技術(shù)在智能衛(wèi)浴應(yīng)用，筆者提供了一種可實(shí)現(xiàn)的控制方案及控制系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)多種環(huán)境測(cè)試，市場(chǎng)反應(yīng)良好，但此種方案對(duì)于衛(wèi)生間的標(biāo)準(zhǔn)化及使用環(huán)境有相關(guān)的要求，還需針對(duì)此方向進(jìn)行更新算法及深入研究。