王曉雯，洪思敏，隨哲宇，張雅婷，程麓潔，郭偉潔，王 興

(1.太原科技大學(xué) 晉城校區(qū)，山西 晉城 048011；2.太原科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院；3.太原科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030024)

現(xiàn)下國(guó)內(nèi)新冠肺炎疫情趨于穩(wěn)定，各行業(yè)逐步復(fù)工復(fù)產(chǎn)，對(duì)于體溫檢測(cè)要求提高的問(wèn)題及出入人員身份信息追蹤困難的問(wèn)題，現(xiàn)有的身份識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)功能單一、信息錄入較為繁瑣；傳統(tǒng)的測(cè)溫槍又因?yàn)樾枰殖?，且?duì)于人群的后續(xù)追蹤不能很好地實(shí)現(xiàn)，存在一定的安全隱患，而且效率較低，對(duì)公共場(chǎng)所的管理秩序造成影響。為了解決上述問(wèn)題，基于紅外傳感器、熱成像測(cè)溫、RFID射頻識(shí)別技術(shù)、人臉識(shí)別等技術(shù)，探索出一種智能消毒管理門(mén)禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行流暢，可以在較短的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)溫與消毒、完成人員出入及追蹤，大大提高了出入效率，也使得公共場(chǎng)所管理秩序提高。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的組成

圖1 系統(tǒng)組成原理

疫情下智能消毒門(mén)禁系統(tǒng)主要由認(rèn)證識(shí)別設(shè)備、測(cè)溫設(shè)備、感應(yīng)消毒設(shè)備、云服務(wù)器、預(yù)警裝置組成，基于RFID技術(shù)、熱成像測(cè)溫，紅外感應(yīng)等主要技術(shù)。系統(tǒng)對(duì)過(guò)往人員進(jìn)行識(shí)別測(cè)溫消毒，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)。系統(tǒng)組成原理示意圖，如圖1所示。

1.2 工作原理

該系統(tǒng)對(duì)出入人員實(shí)行“人臉認(rèn)證+身份證識(shí)別”雙重認(rèn)證，針對(duì)提前錄入信息的本單位人員，只需采納人臉認(rèn)證，保證能正常有效通過(guò)，提高速率；非本單位人員需雙重識(shí)別，并將數(shù)據(jù)通過(guò)云服務(wù)器發(fā)送給門(mén)禁系統(tǒng)終端，將信息暫時(shí)保存，便于對(duì)短時(shí)間內(nèi)該人員的出入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較?！昂隗w+熱成像”高精度測(cè)溫系統(tǒng)同時(shí)啟動(dòng)，熱成像針對(duì)遠(yuǎn)距離人員進(jìn)行大面積溫度信息采集與篩選，利用黑體的實(shí)時(shí)測(cè)溫矯正保證測(cè)溫精度，雙重保障將體溫誤差控制±0.2左右，若發(fā)現(xiàn)體溫異常者預(yù)警系統(tǒng)啟動(dòng)，并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)傳入后臺(tái)測(cè)溫終端，管理人員進(jìn)一步檢測(cè)處理。數(shù)據(jù)更為精準(zhǔn)，效率大大提高?！盁峒t外+消毒液”疊加感應(yīng)消毒裝置對(duì)通過(guò)門(mén)閘機(jī)人員雙手感應(yīng)到位，自動(dòng)噴灑消毒液2s，充分確保人員安全防護(hù)。該系統(tǒng)工作原理流程，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理流程

2 身份識(shí)別設(shè)計(jì)

2.1 人臉識(shí)別設(shè)計(jì)

隨著近年來(lái)科技技術(shù)的提高，現(xiàn)如今人們對(duì)于自己信息安全的觀念越來(lái)越注重，身份認(rèn)證技術(shù)在人們生活中的應(yīng)用日漸廣泛，而臉部作為身份的首要特征，人臉識(shí)別技術(shù)也成為近年來(lái)用戶安全認(rèn)證的首選[1]，這些年，人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金融、商務(wù)、軍隊(duì)、銀行、教育等安全防護(hù)較高的領(lǐng)域，人臉識(shí)別認(rèn)證由原先的基于幾何特征為基礎(chǔ)，到現(xiàn)在的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和局部模式為基礎(chǔ)[2]，準(zhǔn)確度越來(lái)越高。隨著以后技術(shù)的進(jìn)一步提高與逐漸成熟，人臉識(shí)別技術(shù)將普遍應(yīng)用。

該系統(tǒng)應(yīng)用的人臉識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)采集動(dòng)態(tài)人臉圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)錄入的人臉信息進(jìn)行特征比較從而達(dá)到識(shí)別的功能[3]，共分為數(shù)據(jù)庫(kù)錄入、圖像采集、人臉識(shí)別，特征對(duì)比模塊。識(shí)別過(guò)程，如圖3所示。

數(shù)據(jù)庫(kù)錄入模塊對(duì)本單位人員提前獲取身份信息，采集人臉圖像，建立人員臉部樣本信息庫(kù)，人員信息需持久存放在數(shù)據(jù)庫(kù)并將數(shù)據(jù)傳送至門(mén)禁服務(wù)管理系統(tǒng)，便于技術(shù)人員對(duì)后續(xù)矯正完備與的優(yōu)化處理。

圖像采集模塊是通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)的人臉圖像進(jìn)行單人或者多人采集，將采集到的人臉圖像發(fā)送至門(mén)禁服務(wù)端的樣本庫(kù)。采用普遍通用的方式，運(yùn)用OpenCV的接口函數(shù)調(diào)用攝像頭的移動(dòng)使用，將采集到的人臉圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)框架TensorFlow,并用Android SDK調(diào)用后臺(tái)MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，與提前錄入的身份信息進(jìn)行比對(duì)驗(yàn)證。

人臉識(shí)別模塊基于PAC學(xué)習(xí)理論建立的AdaBoost集成算法，檢測(cè)人臉是否存在，利用弱分類(lèi)器逐步傳至高級(jí)分類(lèi)器Gn(x)，信息逐一驗(yàn)證通過(guò)分類(lèi)器，判定人臉存在，則將信息傳入服務(wù)器，進(jìn)行下一步的驗(yàn)證。

最終模型表達(dá)式：

(1)

特征對(duì)比模塊在人臉對(duì)比方面，運(yùn)用歐式距離公式，系統(tǒng)中運(yùn)用二維空間的歐式距離來(lái)抽象表示兩點(diǎn)之間的實(shí)際距離，將采集的人臉特征與云服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫(kù)的臉部特征進(jìn)行一一比對(duì)，相似值達(dá)到90%左右，認(rèn)證成功。

(2)

圖3 識(shí)別過(guò)程

2.2 身份證識(shí)別設(shè)計(jì)

信息化的時(shí)代，眾多App或生活應(yīng)用都需要通過(guò)證件進(jìn)行實(shí)名制審核認(rèn)證，來(lái)訪問(wèn)用戶的真實(shí)信息，提供更優(yōu)化的安全防護(hù)。身份證認(rèn)證技術(shù)在商業(yè)、銀行、金融等各行各業(yè)的應(yīng)用已經(jīng)屢見(jiàn)不鮮，圖書(shū)管理通道、酒店門(mén)鎖應(yīng)用等領(lǐng)域確定客戶信息以身份證為準(zhǔn)。識(shí)別機(jī)器不能隨時(shí)攜帶，傳統(tǒng)人工審核檢查費(fèi)時(shí)費(fèi)力，易出錯(cuò)，效率低下。基于RFID射頻識(shí)別的身份證識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)，使以上問(wèn)題可以得到較為有效的解決[4]。RFID無(wú)線射頻技術(shù)是一種非接觸式無(wú)線通信技術(shù)，能利用無(wú)線快速準(zhǔn)確的讀寫(xiě)上傳的證件信息，降低人工審核錄入成本，識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)95%，大大超過(guò)人工審核的準(zhǔn)確度，識(shí)別并直接獲取結(jié)構(gòu)化信息，對(duì)比匹配審核，所需時(shí)間大概僅需人工審核的2%。

該系統(tǒng)是基于RFID的一種身份證識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)，是一種無(wú)源RFID技術(shù)[5]，主要由電子標(biāo)簽，RFID閱讀器和識(shí)別管理系統(tǒng)三部分組成。RFID系統(tǒng)工作原理，如圖4所示。

圖4 RFID系統(tǒng)工作原理

電子標(biāo)簽也可稱作智能標(biāo)簽或者應(yīng)答器，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的載體，是一個(gè)微型的無(wú)線收發(fā)裝置，主要由內(nèi)置天線(耦合元件、線圈)和微芯片組成一個(gè)無(wú)源單元。RFID閱讀器是構(gòu)成RFID系統(tǒng)的重要部件之一，是一個(gè)捕捉和處理RFID標(biāo)簽數(shù)據(jù)的設(shè)備，可以是讀與寫(xiě)裝置，有時(shí)也被稱作讀寫(xiě)器，是系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的控制與處理中心，閱讀器與電子標(biāo)簽之間采用半雙工交換信息，同時(shí)閱讀器通過(guò)耦合的方式與無(wú)源RFID電子標(biāo)簽進(jìn)行通訊及能量感應(yīng)，它可以同時(shí)識(shí)別多個(gè)電子標(biāo)簽，提高速率，保證人員可以快速有效地通過(guò)。識(shí)別管理系統(tǒng)可以查詢，并可寫(xiě)入和讀取閱讀器中的信息[6]。

在該系統(tǒng)中，對(duì)于非本單位人員，啟動(dòng)“人臉識(shí)別+身份證識(shí)別”雙重驗(yàn)證，在樣本庫(kù)中未檢測(cè)到該人員信息后，系統(tǒng)會(huì)提示放置身份證，閱讀器發(fā)射射頻信息，讀取身份證數(shù)據(jù)，電子標(biāo)簽啟動(dòng)，通過(guò)解調(diào)和解碼，將有效信息發(fā)送至識(shí)別管理系統(tǒng)，通過(guò)邏輯運(yùn)算對(duì)人員信息進(jìn)行審核驗(yàn)證[7]，可以在0.5s～1s內(nèi)完成人員識(shí)別對(duì)比審核。若驗(yàn)證失敗，系統(tǒng)預(yù)警裝置啟動(dòng)，發(fā)送數(shù)據(jù)至系統(tǒng)終端，后臺(tái)人員進(jìn)一步處理；若驗(yàn)證成功，門(mén)閘機(jī)開(kāi)啟，系統(tǒng)自動(dòng)儲(chǔ)存該人員信息至門(mén)禁服務(wù)管理系統(tǒng)，生成訪問(wèn)記錄，可實(shí)時(shí)跟蹤該人員的數(shù)據(jù)，便于對(duì)該人員再次出入單位數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。識(shí)別流程，如圖5所示。

3 體溫檢測(cè)設(shè)計(jì)

一切高于絕對(duì)零度(-273℃)的物體都會(huì)輻射電磁波。紅外線作為電磁波最為廣泛的一種存在形式具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng)[8]，其紅外輻射能量的強(qiáng)弱與溫度直接相關(guān)，且溫度越高輻射的能力越強(qiáng)，這正是紅外測(cè)溫技術(shù)所感興趣的。體溫檢測(cè)終端中測(cè)溫模塊的熱成像攝像機(jī)就是通過(guò)采集物體發(fā)出的紅外電磁波，將紅外信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，將輻射能量通過(guò)不同灰度表現(xiàn)出來(lái)，從而計(jì)算出物體溫度[9]。

圖5 識(shí)別流程

根據(jù)普朗克分布定律可以推導(dǎo)出物體的輻射與其溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，該定律揭示了在單位時(shí)間黑體向周?chē)臻g輻射的輻射功率與輻射波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

(3)

對(duì)普朗克黑體輻射公式在波長(zhǎng)范圍為零到無(wú)窮大上積分可得斯特藩·波爾茲曼公式：

(4)

對(duì)非黑體有：

E=σT4

(5)

其中ε為物體表面發(fā)射率，σ=5.6704×10-8(W·m-2·K-4)，T為物體的絕對(duì)溫度(K)。此公式也是利用紅外熱成像測(cè)量溫度的依據(jù)。

紅外熱成像測(cè)溫系統(tǒng)[10]主要由紅外探測(cè)器，圖像處理模塊和云端數(shù)據(jù)分析模塊三部分構(gòu)成。其原理是利用紅外輻射的物理特性將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光圖像的畫(huà)面，此畫(huà)面與物體表面溫度對(duì)應(yīng)，最終將其轉(zhuǎn)換為物體溫度值。測(cè)溫過(guò)程，如圖6所示。

圖6 測(cè)溫過(guò)程

黑體是可以吸收外來(lái)的全部紅外電磁波，并且不會(huì)產(chǎn)生任何反射與透射，但是可以向外輻射紅外電磁波的理想化物體。實(shí)際工作中黑體的輻射率可以做到無(wú)限接近于1，將黑體技術(shù)與熱成像系統(tǒng)相結(jié)合可大幅度提高人體測(cè)溫精準(zhǔn)度。

如圖7所示，“黑體+紅外熱成像”結(jié)合的高精度測(cè)溫系統(tǒng)，利用熱成像攝像機(jī)采集視野范圍內(nèi)人員的溫度信息，同時(shí)將黑體放置在熱成像視野范圍內(nèi)，利用黑體的實(shí)時(shí)測(cè)溫矯正保證攝像機(jī)的測(cè)溫精度，可將體溫誤差控制±0.4℃左右，通過(guò)云服務(wù)器連接至監(jiān)控中心，若發(fā)現(xiàn)異常發(fā)熱人員則立即示警。

圖7 高精度測(cè)溫系統(tǒng)

圖8 智能消毒設(shè)備的工作流程

4 智能消毒設(shè)計(jì)

在對(duì)出入閘機(jī)設(shè)備的人員進(jìn)行身份識(shí)別認(rèn)證及體溫檢測(cè)同時(shí)，完成雙手的自動(dòng)殺菌消毒處理。本系統(tǒng)利用的智能消毒設(shè)備[11]包括消毒模塊，電磁閥裝置，紅外傳感器和指示燈。

針對(duì)新型冠狀病毒的病原學(xué)特點(diǎn)和理化特性，75%乙醇，含氯消毒劑等脂溶劑均可有效消滅病毒。因此在消毒模塊中采用含75%乙醇的消毒液對(duì)雙手進(jìn)行殺菌；當(dāng)紅外傳感器檢測(cè)到人員雙手放入指定位置時(shí)，經(jīng)集成電路處理將信號(hào)發(fā)送給電磁閥，電磁閥在接收信號(hào)后按已指定指令(每人約2s)控制消毒液噴灑，當(dāng)人雙手離開(kāi)指定位置或已達(dá)指令時(shí)間，電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，消毒液停止噴灑。智能消毒設(shè)備的工作流程，如圖8所示。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及結(jié)論

智能門(mén)禁系統(tǒng)的測(cè)試包括以下兩方面：不同條件下人臉識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別率和體溫檢測(cè)準(zhǔn)確率。非本單位人員身份證識(shí)別驗(yàn)證的時(shí)間，具體的測(cè)試時(shí)間和內(nèi)容如下。

(a)眼睛遮擋 (b)下巴遮擋

人臉遮擋測(cè)試中選取20名同學(xué)進(jìn)行實(shí)時(shí)人臉遮擋測(cè)試，如圖9所示，分別對(duì)眼睛和下巴進(jìn)行遮擋，每個(gè)人檢測(cè)5次(每次包括一次眼睛和一次下巴遮擋，檢測(cè)到面部并保持3S為一次有效數(shù)據(jù))，測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1人臉遮擋測(cè)試結(jié)果

從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，人臉識(shí)別系統(tǒng)可以對(duì)絕大部分側(cè)臉和遮擋人臉正確驗(yàn)證，在識(shí)別時(shí)間上可以控制在0.5s～1s之間，速度快、精度高，符合門(mén)禁系統(tǒng)高效性和安全性的需求。

在未進(jìn)行面部遮擋情況下，分別在室外(溫度11℃)和室內(nèi)(溫度23℃)環(huán)境中對(duì)5名同學(xué)進(jìn)行體溫?cái)?shù)據(jù)檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)次數(shù)分別為50次，詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2詳細(xì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

室內(nèi)外體溫檢測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明由于室內(nèi)外溫度差因素影響，體溫?cái)?shù)據(jù)在不同環(huán)境下會(huì)有差異，但可以利用黑體的實(shí)時(shí)測(cè)溫矯正保證測(cè)溫精度，始終控制在0.08℃范圍內(nèi)，可以滿足智能門(mén)禁系統(tǒng)測(cè)溫需求。

在對(duì)非本單位人員進(jìn)行身份證驗(yàn)證時(shí)啟動(dòng)“人臉識(shí)別+身份證識(shí)別”雙重驗(yàn)證，監(jiān)測(cè)到人臉及其外來(lái)人員身份的前提下，進(jìn)行身份證識(shí)別驗(yàn)證，如圖10所示。RFID射頻識(shí)別系統(tǒng)激活，系統(tǒng)提示放置身份證，閱讀器發(fā)射射頻信息，讀取身份證數(shù)據(jù)，電子標(biāo)簽啟動(dòng)，通過(guò)解調(diào)和解碼，將有效信息發(fā)送至識(shí)別管理系統(tǒng)，后進(jìn)行門(mén)閘機(jī)的開(kāi)啟或預(yù)警工作。平均每次非本單位注冊(cè)人員身份證識(shí)別認(rèn)證通過(guò)耗時(shí)大約為1.03s。

圖10 身份證識(shí)別驗(yàn)證

6 結(jié)論

該智能消毒管理門(mén)禁系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有門(mén)禁系統(tǒng)功能單一，身份追蹤困難，還需人工測(cè)溫，存在安全風(fēng)險(xiǎn)的問(wèn)題，通過(guò)研究人員的測(cè)試以及現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集整理及分析，該智能門(mén)禁系統(tǒng)可以在3s～4s通過(guò)一個(gè)人。對(duì)于消毒系統(tǒng)而言，它可以在2s內(nèi)完成消毒；人臉識(shí)別則可以在0.5s～1s內(nèi)完成識(shí)別，同時(shí)還支持多面孔識(shí)別。大大提高了公共場(chǎng)所人員的出入效率，降低了檢測(cè)人員的成本，而且安全性也得到了保障，同時(shí)可以對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，身份追蹤也變得更簡(jiǎn)單。對(duì)于疫情的防控起到了一定的積極作用，也為以后的衛(wèi)生防控工作提供了一種行之有效的方案。