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        基于面部識(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng)

        2021-06-08 18:01:30于燕秀俞睿嚴(yán)飛杰
        關(guān)鍵詞:防盜人臉識(shí)別人臉

        于燕秀 俞睿 嚴(yán)飛杰

        摘? ?要: 面部識(shí)別技術(shù)便利性好、識(shí)別率已經(jīng)比較精確,在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)安全且個(gè)人安全要求高的地方,逐漸成為人機(jī)交互的關(guān)鍵技術(shù),如酒店房間在智能開鎖等領(lǐng)域具有應(yīng)用需求。提出一種基于面部識(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng):以STC15W4K58S4作為主控芯片,依靠OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫,實(shí)現(xiàn)面部識(shí)別;采用Wi-Fi模塊ESP8266、藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊HC-05,達(dá)成通信聯(lián)橋,實(shí)現(xiàn)無線通信;采用語音播報(bào)模塊JQ8400FL-10P、紅外對(duì)管傳感器HC-SR501、三軸加速度傳感器模塊,實(shí)現(xiàn)語音控制、防盜報(bào)警等功能。搭建完整的系統(tǒng)構(gòu)架,對(duì)面部識(shí)別系統(tǒng)和防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,表明經(jīng)過多次高效訓(xùn)練后,系統(tǒng)能夠達(dá)到很好的面部識(shí)別效果,且可通過人臉識(shí)別和門狀態(tài)檢測(cè)綜合判斷是否發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)識(shí)別靈敏,抗干擾性好,適用于刷臉識(shí)別門禁、智能家居等場(chǎng)景的人機(jī)交互。

        關(guān)鍵詞: 面部識(shí)別; STC15W4K58S4;語音控制;防盜報(bào)警;智能酒店管理

        引言

        智能開鎖是人類在日常生活中的一個(gè)基本需求。如何通過人機(jī)交互(Human Computer Interaction),科學(xué)化、智能化地打開門禁設(shè)備,是智能開鎖技術(shù)中的一個(gè)關(guān)鍵問題。當(dāng)前,脫離傳統(tǒng)的鑰匙開鎖、IC卡開鎖,指紋識(shí)別、瞳孔識(shí)別以及面部識(shí)別等智能開鎖技術(shù)逐漸涌現(xiàn),其中面部識(shí)別由于具有高便利性、精確識(shí)別率等優(yōu)勢(shì),在市場(chǎng)上得到了廣泛普及[1]。

        面部識(shí)別是一種基于生物體表特征的智能識(shí)別技術(shù),其通過攝像頭抓取圖像,完成人體信息采集[2],無需接觸人體即可獲取其特征數(shù)據(jù)[3]。將圖像與底層數(shù)據(jù)庫核實(shí)、比對(duì),即可確定身份信息[4],實(shí)施開鎖等操作。

        本文提出一種基于面部識(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng),其面部識(shí)別功能基于OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫來完成,其中依靠樹莓派作為執(zhí)行平臺(tái)。該平臺(tái)能夠完成人體紅外識(shí)別、顏色識(shí)別、物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控等功能,有效地識(shí)別生物特征以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)特性,具有檢測(cè)精度高、實(shí)用性強(qiáng)、能經(jīng)過多次訓(xùn)練提高對(duì)面部個(gè)性特征的區(qū)分精度等優(yōu)點(diǎn)[5],非常適用于在酒店中進(jìn)行實(shí)時(shí)面部識(shí)別[6]。此外,系統(tǒng)采用STC15W4K58S4作為主控芯片,配合無線傳輸、語音控制、語音播報(bào)等功能,綜合應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、Android Studio系統(tǒng)等,通過面部識(shí)別實(shí)現(xiàn)酒店預(yù)定、登記入住、開門、退房、防盜報(bào)警等一系列的智能管理功能,打造真正意義上的“刷臉酒店”。

        1? 系統(tǒng)總體方案

        系統(tǒng)主要完成三大功能,即面部識(shí)別、語音控制、防盜報(bào)警?;诿娌孔R(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        系統(tǒng)控制部分采用STC15W4K58S4單片機(jī),面部識(shí)別主要依賴OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫的樹莓派來完成。為了保證酒店顧客的生物信息安全,面部識(shí)別數(shù)據(jù)需要加密存儲(chǔ),并且與顧客其他信息分別存儲(chǔ)。當(dāng)顧客退房時(shí),對(duì)面部識(shí)別數(shù)據(jù)進(jìn)行銷毀。語音播報(bào)模塊采用JQ8400FL-10P,防盜報(bào)警借助紅外對(duì)管傳感器HC-SR501、三軸加速度傳感器模塊進(jìn)行感測(cè),可應(yīng)對(duì)入侵者“撬鎖”、“破門而入”、“破壞門鎖”等情況。同時(shí),系統(tǒng)采用藍(lán)牙數(shù)據(jù)接收模塊HC-05、Wi-Fi模塊ESP8266達(dá)成通信聯(lián)橋。

        2? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

        2.1? 基于OpenCV的人臉識(shí)別系統(tǒng)

        OpenCV具備很高的計(jì)算效率,可專門用于實(shí)時(shí)應(yīng)用,因此,非常適用于借助攝像頭實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)人臉識(shí)別。要?jiǎng)?chuàng)建完整的人臉識(shí)別項(xiàng)目,必須完成3個(gè)階段。

        2.1.1? 人臉檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集

        要實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別,首先必須“捕捉”到人臉,并進(jìn)行檢測(cè)訓(xùn)練。常見的人臉檢測(cè)方式是使用Haar 級(jí)聯(lián)分類器,這是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法,其基于大量正類圖像(人臉圖像)和負(fù)類圖像(不帶人臉的圖像)來訓(xùn)練分類器,從中提取特征,用于檢測(cè)圖像中的對(duì)象。OpenCV平臺(tái)提供了此類訓(xùn)練分類器供使用,本系統(tǒng)將其用于人臉檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集。

        2.1.2? 識(shí)別器訓(xùn)練

        識(shí)別器訓(xùn)練是指從數(shù)據(jù)庫中抽取所有的用戶數(shù)據(jù),并訓(xùn)練OpenCV識(shí)別器,此過程可由特定的OpenCV函數(shù)直接完成。訓(xùn)練完成后,將數(shù)據(jù)保存為.yml文件,作為人臉識(shí)別的參照模型數(shù)據(jù)。

        2.1.3? ?面部識(shí)別

        面部識(shí)別通過攝像頭捕捉人臉,如果此人的面孔之前被捕捉和訓(xùn)練過,識(shí)別器將會(huì)返回其預(yù)測(cè)的id和索引,并反饋?zhàn)R別器對(duì)于該判斷的相似度,以作為參考。

        本系統(tǒng)可以完成物體運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、顏色區(qū)分、人臉數(shù)據(jù)庫對(duì)比。基于此,系統(tǒng)將給出準(zhǔn)確的判斷,驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出選擇。面部識(shí)別原理如圖2所示。要實(shí)現(xiàn)面部識(shí)別,首先攝像頭會(huì)對(duì)視覺內(nèi)所有物體的顏色進(jìn)行判決,感應(yīng)到物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)改變后,即會(huì)觸發(fā)跟蹤:如設(shè)置紅色追蹤,就會(huì)檢測(cè)到所有紅色物質(zhì),并進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤;如感應(yīng)到人臉,即會(huì)與視覺庫內(nèi)所存儲(chǔ)面部信息進(jìn)行比對(duì),核實(shí)正確后開鎖。同時(shí),系統(tǒng)采用紅外攝像頭,能夠有效對(duì)照片與正常人臉進(jìn)行區(qū)分,通過紅外對(duì)管傳感器分析出照片,使其無法直接開門。

        2.2? 防盜報(bào)警模塊

        防盜報(bào)警模塊對(duì)室內(nèi)人體的感應(yīng)主要采用紅外對(duì)管傳感器HC-SR501,此模塊基于紅外線技術(shù),采用LHI778探頭設(shè)計(jì),靈敏度高,可靠性好。紅外對(duì)管工作邏輯示意圖如圖3所示。紅外對(duì)管傳感器檢測(cè)到有人體經(jīng)過時(shí),會(huì)將信號(hào)傳給單片機(jī),單片機(jī)通過藍(lán)牙開啟人臉識(shí)別模塊,對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別后的結(jié)果會(huì)重新發(fā)給單片機(jī)處理,單片機(jī)自動(dòng)判斷并控制繼電器,對(duì)電磁鎖執(zhí)行開門操作或報(bào)警處理。

        3? 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

        控制系統(tǒng)主控芯片采用STC15W4K58S4,它是宏晶科技(北京)有限公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī),指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度比之快8~12倍。此外,該芯片具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾、使用方便簡(jiǎn)單等特點(diǎn) [7]。

        3.1? 檢測(cè)部分設(shè)計(jì)

        檢測(cè)部分采用三軸加速度感應(yīng)模塊MPU-6050(GY-521)對(duì)門狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。依靠Inven Sense公司的運(yùn)動(dòng)處理資料庫,可處理各種運(yùn)動(dòng)感知產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息,減少了運(yùn)動(dòng)處理分析計(jì)算對(duì)操作系統(tǒng)的負(fù)荷,為應(yīng)用開發(fā)提供架構(gòu)化的應(yīng)用程序接口。此外,依靠NodeMCU平臺(tái),利用物聯(lián)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)感應(yīng)信號(hào)的傳輸、實(shí)時(shí)更新,實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互。三軸加速度感應(yīng)模塊電路如圖4所示。

        3.2? 人機(jī)交互部分實(shí)現(xiàn)

        人機(jī)交互部分采用無線通信作為主要人機(jī)交互渠道與方案,配合語音識(shí)別、語音播報(bào)模塊,完成系統(tǒng)自控、播報(bào)模式界面選擇、功能切換、房間內(nèi)部狀態(tài)判斷等,也方便調(diào)節(jié)控制。人機(jī)交互部分示意圖如圖5所示。

        3.3? 軟件實(shí)現(xiàn)

        基于面部識(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。攝像頭完成人臉數(shù)據(jù)的檢測(cè)及收集,經(jīng)過訓(xùn)練識(shí)別器二進(jìn)制編碼后與視覺庫數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,判斷是否需要開門。若成功,即會(huì)給用戶發(fā)出提示;未成功,則進(jìn)入安全系統(tǒng),通過門狀態(tài)及人體紅外檢測(cè)完成判斷并報(bào)警。

        4? 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試

        基于面部識(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng),是面部識(shí)別技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在酒店智能化管理中的商業(yè)應(yīng)用擴(kuò)展。本課題搭建了完整的系統(tǒng)構(gòu)架,并對(duì)面部識(shí)別系統(tǒng)和防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

        4.1? 面部識(shí)別系統(tǒng)

        4.1.1 人臉檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集

        人臉檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集是面部識(shí)別的基礎(chǔ),當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí),首先會(huì)通過攝像頭捕捉人臉圖像,其次將圖像轉(zhuǎn)換成GRAY色彩空間,然后用訓(xùn)練分類器得到人臉在圖像中的位置信息,最后根據(jù)位置信息對(duì)圖像進(jìn)行裁剪、記錄與保存。該動(dòng)作會(huì)持續(xù)50~100次,得到大量的人臉圖像,以此提高后續(xù)訓(xùn)練與識(shí)別的可靠性。

        4.1.2? 識(shí)別器訓(xùn)練

        識(shí)別器訓(xùn)練主要運(yùn)用了LBPH(Local Binary Patterns Histograms)算法,該算法以圖像中的其中一個(gè)像素點(diǎn)為中心,判斷其與周圍像素點(diǎn)灰度值大小的關(guān)系,并將其進(jìn)行二進(jìn)制編碼,由此可以得到圖像的LBP編碼矩陣。通過計(jì)算所有已采集圖像的LBP編碼,即可得到人臉的識(shí)別對(duì)比庫。訓(xùn)練完成界面如圖7所示,LBP編碼如圖8所示。

        4.1.3? 人臉注冊(cè)測(cè)試

        測(cè)試方案:選擇裝置的人臉注冊(cè)模式,選擇不同面部信息完成注冊(cè),從而完成訓(xùn)練。依照控制變量法則,對(duì)不同用戶面部信息的匹配程度進(jìn)行記錄、分析和計(jì)算,結(jié)果如表1所示。

        由此可見,用戶不同,面部信息的復(fù)雜程度也不一。識(shí)別結(jié)果由系統(tǒng)訓(xùn)練后對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析來決定,經(jīng)過多次高效的訓(xùn)練后能夠達(dá)到很好的面部識(shí)別效果(超過85%)。

        4.1.4? 人臉識(shí)別測(cè)試

        測(cè)試方案:選擇已經(jīng)完成注冊(cè)的三名用戶與未完成注冊(cè)的兩名用戶,同時(shí)進(jìn)行人臉識(shí)別測(cè)試。通過記錄每個(gè)人對(duì)面部識(shí)別后所顯示的用戶代號(hào)與識(shí)別率進(jìn)行計(jì)算分析,證明該系統(tǒng)人臉識(shí)別的效果,如表2所示。

        由此可見,在人臉識(shí)別模式下,系統(tǒng)對(duì)于完成注冊(cè)后經(jīng)過系統(tǒng)訓(xùn)練歸納的面部信息具有非常高的識(shí)別效率和精確度,可以非常有效地分析面部信息。對(duì)于個(gè)人面部注冊(cè)中出現(xiàn)失誤而導(dǎo)致識(shí)別率相對(duì)偏低的問題,可以通過幾次重新錄取訓(xùn)練后得到提升。

        雖然系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)未注冊(cè)用戶識(shí)別出已經(jīng)注冊(cè)的情況,但這種情況概率非常低,后續(xù)可以通過完善視覺庫數(shù)據(jù)以及提高刷臉開門的閾值等方式避免非法入侵。

        4.2? 防盜報(bào)警測(cè)試

        用戶離開房間后,系統(tǒng)需要對(duì)用戶房間的安全問題進(jìn)行實(shí)時(shí)的判斷與考察,以避免危險(xiǎn)事件的發(fā)生。為此,系統(tǒng)設(shè)置了人體及門狀態(tài)檢測(cè)。如果用戶未通過人臉識(shí)別并且感應(yīng)門體非正常,則發(fā)出聲光報(bào)警,與此同時(shí),發(fā)送信息給用戶與酒店前臺(tái)以及時(shí)止損。用戶與酒店前臺(tái)收到的報(bào)警信號(hào)如圖9所示。

        5? 結(jié)束語

        本文提出了一種基于面部識(shí)別的智能酒店管理系統(tǒng),采用OpenCV開源計(jì)算機(jī)視覺庫、STC15W4K58S4主控芯片、HC-SR501紅外對(duì)管傳感器等模塊,實(shí)現(xiàn)了面部識(shí)別、語音控制、防盜報(bào)警等功能。系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,面部識(shí)別靈敏、準(zhǔn)確,抗干擾性好,方案可行有效。

        本文提出的設(shè)計(jì)方案可用于智能家居等場(chǎng)景的人機(jī)交互,具有廣闊的應(yīng)用前景。

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