王樹宇，黃昭縣，鄭夢喬，張艷玲，王 鈞

（山東青年政治學(xué)院，山東 濟南 250400）

現(xiàn)階段，尤其是當(dāng)下疫情防控常態(tài)化情況下，對于人們身體健康狀況的掌握以及進入某空間人數(shù)的統(tǒng)計成為必不可少的一環(huán)，人的體溫往往能反映機體的健康狀況，而當(dāng)下較為流行的軟件簽到和人工測溫?zé)o論是在復(fù)雜程度上還是耗費的人力方面都是較大的，本文的人臉識別測溫預(yù)警系統(tǒng)可以自動進行身份識別和體溫監(jiān)測，通過更加便捷的方式、更加智能化的平臺、更人性化的操作和更加直觀的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計界面來達到監(jiān)測健康狀況和人數(shù)統(tǒng)計的效果。

疫情發(fā)展初期，體溫異常是新冠肺炎識別的一個重要指標(biāo)。一般采用額溫槍人工手持進行測量體溫，在商場、公園等人流量大的場所需要排隊等待，而且傳統(tǒng)額溫槍只能進行體溫檢測，不能進行身份識別。對于需要人員登記的場所，還需要專門的工作人員進行人工記錄，無疑又大大增加了人力成本和時間成本。近年來，人臉識別技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。在火車站、地鐵站入口的身份識別、人員考勤、消費支付等方面已經(jīng)普遍應(yīng)用人臉識別技術(shù)[1-2]，識別準(zhǔn)確率能達到99%左右，門禁系統(tǒng)也較為普及[3]，紅外測溫傳感器的有效測溫距離也可以達到1 m以上，加上網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)的普及，現(xiàn)在可以有便捷的方法對體溫進行檢測以及對所獲得數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計。

綜上所述，擬設(shè)計開發(fā)一套主要針對人流軌跡、出入控制和體溫檢測為主要功能的系統(tǒng)，輔以數(shù)據(jù)處理和展示平臺，便于查看各個終端機器的人員流動情況和體溫情況。該系統(tǒng)可通過人臉識別和射頻識別（RFID）進行身份認證，利用紅外檢測模塊進行非接觸式體溫檢測，通過閘機模塊控制人員進出，使用多機位管理，以統(tǒng)計時間戳的方式進行人流軌跡監(jiān)測，并在前端頁面展示人員流量和體溫檢測的實時數(shù)據(jù)，并將本地視頻通過實時音視頻流的形式進行前臺播放[4]，以達到體溫檢測和人流軌跡監(jiān)測的效果。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

此系統(tǒng)總體架構(gòu)從上至下主要包含3部分，分別為主控層、通訊層、設(shè)備層，如圖1所示。主控層主要包括數(shù)據(jù)處理中心、數(shù)據(jù)庫和前端顯示，完成數(shù)據(jù)的處理、統(tǒng)計和可視化。通訊層主要包括云平臺和主控芯片的數(shù)據(jù)交互，傳輸鑒別。設(shè)備層主要包括主控芯片、身份識別、閘機控制、平板顯示。當(dāng)來訪者通過時，攝像頭進行人臉識別并且用身份識別卡進行刷卡驗證，在采取認證的同時進行紅外體溫檢測，當(dāng)體溫正常且身份驗證通過時，閘機打開，人員通過，否則進行報警處理，并將實時數(shù)據(jù)經(jīng)過信息安全檢測步驟后，發(fā)送給數(shù)據(jù)庫，達到數(shù)據(jù)交互目的；當(dāng)前端登錄頁面時，服務(wù)器請求數(shù)據(jù)庫，獲取終端信息，并實時展示到客戶端，達到數(shù)據(jù)可視化的目的。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 終端控制設(shè)備的設(shè)計與實現(xiàn)

終端控制設(shè)備分為測溫模塊、識別模塊和閘機模塊。通過測溫，識別和閘機模塊的相互調(diào)用實現(xiàn)在本地動態(tài)調(diào)用實現(xiàn)協(xié)同工作。實物如圖2所示。

圖2 實物圖

1.1.1 測溫模塊的設(shè)計

區(qū)別于人體隨動測溫設(shè)計[5]，在紅外測溫傳感器選用階段，最終選用了測量范圍較長、結(jié)果較準(zhǔn)的MLAX90614作為紅外測溫傳感器。主要過程是通過紅外測溫傳感器的引腳和樹莓派中支持I2C的接口相連，實現(xiàn)通信。

1.1.2 識別模塊的設(shè)計

識別模塊主要靠外接的攝像頭獲取外部圖像信息，在軟件上采用了Python的OpenCV庫進行攝像頭的調(diào)用和對圖像的處理，使用了TensorFlow作為識別框架，在整體上和測溫模塊進行聯(lián)通，區(qū)別于輔助防疫消毒系統(tǒng)[6]，主要表現(xiàn)為當(dāng)識別出人臉的時候，測溫模塊開始工作，達到節(jié)省能源的作用。

1.1.3 閘機模塊的設(shè)計

閘機模塊主要選用了步進電機和ULN2003步進電機驅(qū)動板作為閘機的硬件，輔以整體算法，在識別到數(shù)據(jù)庫存儲的人臉并且測得的體溫正常時，閘機打開，否則閘機關(guān)閉。

1.2 數(shù)據(jù)管理中心的設(shè)計與實現(xiàn)

數(shù)據(jù)管理中心包括前端的設(shè)計以及對數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)表的設(shè)計，上位機主要通過前端對數(shù)據(jù)庫字段的輪詢讀取來秒級更新前端顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫則由主控機對相應(yīng)字段進行修改。

1.2.1 前端界面設(shè)計

有別于建立多媒體虛擬空間[7]，本系統(tǒng)將前端頁面分為主頁面設(shè)計、設(shè)備管理界面設(shè)計、人臉信息庫管理界面設(shè)計，通過多頁面協(xié)同展示，達到各個信息的顯示的效果。

1.2.1.1 主界面設(shè)計

主界面主要展示每天的詳細信息，包含人員每日流動信息、實時體溫檢測信息、歷史人員信息和人員軌跡信息。主頁面中可以查詢來訪人員的軌跡和體溫信息。體溫統(tǒng)計信息展示如圖3所示。人流量統(tǒng)計展示如圖4所示。

圖3 體溫餅狀統(tǒng)計圖

圖4 人流動態(tài)顯示

在歷史人流量和體溫信息的橫向?qū)Ρ壬?，采用了?fù)合圖的形式，提供了柱狀圖、餅狀圖和數(shù)據(jù)下載功能，如圖5所示。

圖5 歷史信息對比復(fù)合圖

在實時監(jiān)控的實時視頻流上，采用了嵌入到網(wǎng)頁上的設(shè)計，方便管理員查閱，如圖6所示。

圖6 實時視頻流

其中，整個網(wǎng)頁前端采用了典型的HTML、CSS和JS語言，并全頁使用了AJAX異步刷新技術(shù)，實現(xiàn)秒級更新，提升精確程度；后端使用了Python的Flask微框架實現(xiàn)與數(shù)據(jù)庫的鏈接交互，微框架的使用可以大大避免網(wǎng)頁和打開速度的問題。

1.2.1.2 設(shè)備管理界面的設(shè)計

設(shè)備管理界面可以對所有管理區(qū)域中已注冊的設(shè)備進行增刪改查的操作，可以對存在的設(shè)備進行詳細信息的修改和指定信息的查詢，通過設(shè)備管理界面可進入指定設(shè)備的主界面顯示平臺，達到對多個終端進行操作控制的效果，如圖7所示。

圖7 設(shè)計選擇界面

1.2.2 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫設(shè)計主要分為人員數(shù)據(jù)表、設(shè)備管理表和人臉信息表的設(shè)計[8]。

人員數(shù)據(jù)表設(shè)計如圖8所示。其中上位機和主控機需要數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)都存在數(shù)據(jù)庫里，id代表總?cè)藬?shù)，依次遞增，用于統(tǒng)計今日人數(shù)和累計人數(shù)等；name存儲的是人的名稱；temperature中儲存的是對應(yīng)人員的體溫信息；date_time存放的是此時的時間，方便計算人員信息。

圖8 人員數(shù)據(jù)表設(shè)計

設(shè)備管理表設(shè)計如圖9所示。其中id表示總設(shè)備數(shù)；mac表示設(shè)備唯一物理地址；information和de_information表示設(shè)備詳細信息；point表示該設(shè)備所對應(yīng)人員數(shù)據(jù)表。

圖9 設(shè)備管理表設(shè)計

人臉信息表設(shè)計如圖10所示。其中id表示人臉庫中的人臉數(shù)量；name表示人員姓名；data_time表示該人員人臉信息添加的時間。

圖10 人臉信息表的設(shè)計

2 系統(tǒng)實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)介紹

主要的關(guān)鍵技術(shù)包括人臉識別技術(shù)、紅外測溫補償技術(shù)和實時音視頻流推送技術(shù)。使用這些技術(shù)，可以使得系統(tǒng)快捷方便地處理數(shù)據(jù)。

2.1 人臉識別技術(shù)和人臉信息同步技術(shù)

人臉識別技術(shù)中，主要使用了MTCNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和FaceNet模型進行訓(xùn)練和識別。通過對人臉信息表的實時更新，使得在人臉信息被更新時，終端設(shè)備能自動從云端獲取數(shù)據(jù)。

2.1.1 MTCNN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用候選框加分類器的思想，進行快速高效的人臉檢測。這3個級聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)分別是快速生成候選窗口的P-Net、進行高精度候選窗口過濾選擇的R-Net和生成最終邊界框與人臉關(guān)鍵點的O-Net。和很多處理圖像問題的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型一樣，該模型用到了圖像金字塔、邊框回歸、非最大值抑制等技術(shù)。

2.1.2 FaceNet模型

該模型的主要思想是把人臉圖像映射到一個多維空間，通過空間距離表示人臉的相似度。同個人臉圖像的空間距離較小，不同人臉圖像的空間距離較大。這樣通過人臉圖像的空間映射就可以實現(xiàn)人臉識別，F(xiàn)aceNet中采用基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像映射方法和基于triplets（三元組）的loss函數(shù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)直接輸出為128維度的向量空間。

2.2 紅外測溫補償技術(shù)

分別對每個距離段進行擬合補償，以測量溫度為x，測量距離為y，得到每個測量距離下的擬合圖像，之后通過相對的擬合算法進行相應(yīng)的溫度補償。

2.3 實時音視頻流技術(shù)

實時音視頻流中的RTMP是Adobe公司開發(fā)的一個基于TCP的應(yīng)用層協(xié)議，直播云服務(wù)成為了研究對象[4]。推流的過程大致如下，在TCP通道上一般傳輸?shù)氖荈lv格式流，大致的流程如圖11所示。在推流過程中，經(jīng)歷了握手、建立連接、建立流、播放幾個階段。握手開始于客戶端，發(fā)送C0、C1塊，服務(wù)器收到C0或C1后發(fā)送S0和S1階段，當(dāng)客戶端收到之后，等待收齊之后，會反饋給服務(wù)器C2，服務(wù)器收齊之后，開始發(fā)送S2，當(dāng)客戶端和服務(wù)器分別收齊之后，握手才得以完成，建立連接階段客戶端發(fā)送命令消息中的連接到服務(wù)器，請求與一個服務(wù)應(yīng)用實例建立連接。當(dāng)服務(wù)器同意連接之后，由客戶端發(fā)送一些具體的協(xié)議到服務(wù)器，再由服務(wù)器通知客戶端鏈接狀態(tài)；播放階段由客戶端發(fā)送命令消息“play”命令到服務(wù)器，在接收到消息之后服務(wù)器開始設(shè)ChunkSize，這時服務(wù)器發(fā)送用戶控制消息中的“streambegin”，來告知客戶端流ID，播放成功之后，響應(yīng)狀態(tài)，告知客戶端播放成功。

圖11 RTMP推拉流過程

2.4 AJAX異步刷新技術(shù)

AJAX結(jié)合了Java技術(shù)、XML以及JavaScript等編程技術(shù)，并打破了使用頁面重載的慣例。AJAX實現(xiàn)異步刷新的過程如下：瀏覽器通過事件觸發(fā)方法，在本地通過XMLHttpRequest對象，創(chuàng)建并且通過互聯(lián)網(wǎng)到服務(wù)器發(fā)送請求；服務(wù)器收到請求到的內(nèi)容之后，開始響應(yīng)請求，開始發(fā)送所需數(shù)據(jù)到瀏覽器；而瀏覽器通過XMLHttpRequest對象的onreadystatechange的方法收到請求的數(shù)據(jù)后，解析和渲染數(shù)據(jù)到頁面中，這樣就完成了一個異步刷新。

3 驗證與分析

為了檢驗程序與軟件的契合效果以及對溫度測量結(jié)果的精確程度，邀請山東青年政治學(xué)院電子信息工程專業(yè)2個班同學(xué)進行設(shè)備測試、精確度測試、人臉匹配度測試等多項測試。網(wǎng)頁端的登錄界面可以正常實現(xiàn)網(wǎng)頁的登錄作用。通過硬件測得的數(shù)據(jù)可以呈現(xiàn)在網(wǎng)頁端的不同分區(qū)內(nèi)。所得溫度的數(shù)據(jù)可以在網(wǎng)頁上的餅狀圖與柱狀圖進行實時呈現(xiàn)。通過視頻的推流和拉流，視頻信息通過服務(wù)器呈現(xiàn)在網(wǎng)頁的中心位置，可以展現(xiàn)面部識別的效果，在面部抓取框上可見溫度信息。

在數(shù)據(jù)可用性方面，使用多次驗證和精確儀器對比測試人臉匹配精確度，得出的結(jié)果如表1所示。在誤差±2℃的情況下測試的體溫檢測精確度記錄數(shù)據(jù)如表2所示，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)的識別準(zhǔn)確率穩(wěn)定在較高水平，有較好的實用意義和參考價值。

表1 人臉識別精確度的驗證

表2 誤差內(nèi)體溫檢測精確度的驗證

在設(shè)備穩(wěn)定和安全性方面，管理員可以登錄前端數(shù)據(jù)展示界面，準(zhǔn)確的Session判斷和完整的日志功能，使得系統(tǒng)更安全和易于維護，依托Raspberry 4B設(shè)備，可以在較長時間內(nèi)自動運行良好，依托阿里云云數(shù)據(jù)庫，可以做到穩(wěn)定、安全。

在閘機控制和身份識別的線性驗證方面，得出閘機的開合100%精確。

在對人臉庫做同步時間測試時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)數(shù)據(jù)處理中心新增人臉后，終端設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)連接良好的情況下，5 min內(nèi)可以將云端信息同步。

綜上所述，該系統(tǒng)經(jīng)軟硬件測試后，識別和測量較精確，系統(tǒng)較穩(wěn)定，有一定的參考意義和實用價值。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計是基于樹莓派的人臉識別系統(tǒng)，可以對人物進行身份識別，結(jié)合溫度傳感器可以對面部溫度進行測量，實現(xiàn)非接觸式溫度測量，對大數(shù)據(jù)統(tǒng)計網(wǎng)頁的設(shè)計可以很好地呈現(xiàn)所獲得的溫度數(shù)據(jù)，對密集地區(qū)的人員控制和流動情況的掌握以及對公共衛(wèi)生事件的預(yù)警具有較好的效果，并且本系統(tǒng)擁有較高的可實施性和易部署性。