王 興 李 婷 楊 柳 郭偉潔
(*太原科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 太原 030024)
(**河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院 鄭州 450046)
人臉識(shí)別技術(shù)作為目前生物識(shí)別研究領(lǐng)域最為熱門的技術(shù)之一,使得國內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行深入的研究,并形成了大量的研究結(jié)果。從19 世紀(jì)后期法國人Francis Galton 提出人臉識(shí)別的概念開始,人臉識(shí)別技術(shù)開始得到初步的發(fā)展[1]。此后,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新,人臉識(shí)別技術(shù)也在飛速發(fā)展,并且專家學(xué)者們解決了實(shí)驗(yàn)狀態(tài)下人臉識(shí)別的問題。自21 世紀(jì)以來,人臉識(shí)別技術(shù)已由實(shí)驗(yàn)室的理論研究轉(zhuǎn)移到了具體的應(yīng)用環(huán)境中。這一時(shí)期為了解決復(fù)雜環(huán)境下因人臉遮擋、光照等干擾造成的難以準(zhǔn)確識(shí)別的問題,研究者們提出了許多經(jīng)典的人臉識(shí)別算法,如基于AdaBoost 的人臉檢測(cè)和基于3D 模型的人臉建模與失敗算法[2]。如今,人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了非常高的精度,利用大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)算法,谷歌的FaceNet 系統(tǒng)在使用人臉檢測(cè)算法后,可以在人臉比對(duì)數(shù)據(jù)集上達(dá)到99.63% ±0.09%的正確率[3]。而且人臉識(shí)別技術(shù)作為一種新興的生物識(shí)別技術(shù),具有唯一性、非接觸性以及識(shí)別速度快等諸多其他識(shí)別技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢(shì)?;诖?本文提出基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想,用“刷臉”代替“刷卡”,不僅可以提升校園的安全防范能力,還有利于校園管理的便捷化和智能化[4]。
基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)的作用是借助智能化、自動(dòng)化的管理設(shè)備為學(xué)校學(xué)生、教職工的學(xué)習(xí)和生活帶來更大的便利。所以,智慧校園管理系統(tǒng)在功能上能夠區(qū)分在校人員和非本校人員,在滿足對(duì)人員分類管理的需求下,利用人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)學(xué)生考勤的智能化管理以及圖書館的智能化管理。
(1)人員分類管理。實(shí)際生活中,進(jìn)出校園的人員主要包括學(xué)生、教師、學(xué)校工作人員以及外來訪客,校園管理系統(tǒng)需要考慮到不同的人進(jìn)出校園,給予相應(yīng)的權(quán)限。對(duì)于教職工和學(xué)生經(jīng)常出入校園,可以使用人臉識(shí)別門禁系統(tǒng);對(duì)于外來訪客可以使用身份證識(shí)別門禁系統(tǒng)。
(2)學(xué)生考勤智能化管理。無論是學(xué)生公寓考勤還是學(xué)生上課考勤,傳統(tǒng)的考勤都需要管理員或老師一一點(diǎn)名。這種考勤方式不僅會(huì)增加老師或管理員的工作量,還會(huì)耗費(fèi)較長的時(shí)間。所以,校園管理系統(tǒng)應(yīng)該滿足學(xué)生考勤的智能化管理的需求。
(3)學(xué)校圖書館的智能化管理。目前學(xué)校大多數(shù)圖書館的管理模式還是采用手工管理的方式,管理人員勞動(dòng)強(qiáng)度大、圖書館自動(dòng)化程度低,服務(wù)時(shí)間受限。因此,智慧校園的建設(shè)必須要滿足圖書館的智能化管理。
基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中必須考慮到學(xué)生在使用過程中的便捷性、安全性以及可靠性的性能需求。
(1)便捷性。人臉識(shí)別技術(shù)在校園管理系統(tǒng)中必須可以快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行人臉識(shí)別,并迅速做出判斷。
(2)安全性。校園管理系統(tǒng)需要通過云服務(wù)器進(jìn)行信息的傳輸和存儲(chǔ),系統(tǒng)必須具有良好的安全性,能夠保障系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)不丟失或泄露,保護(hù)好學(xué)生的個(gè)人信息。
(3)可靠性。校園管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要具有可靠性,校園管理系統(tǒng)需要長時(shí)間不間斷得到使用,必須保障系統(tǒng)的軟件和硬件的可靠性,同時(shí)系統(tǒng)還應(yīng)具有故障識(shí)別與報(bào)警的能力。
基于人臉識(shí)別的智慧校園管理系統(tǒng)主要由信息采集終端、圖像處理服務(wù)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器和智慧應(yīng)用終端集群組成。其中智慧應(yīng)用終端集群包括門禁系統(tǒng)服務(wù)端、考勤管理服務(wù)終端、圖書館管理服務(wù)終端,各部分通過以太網(wǎng)連接在一起。系統(tǒng)組成原理圖如圖1 所示。
圖1 基于人臉識(shí)別的智慧校園組成原理圖
智慧校園管理系統(tǒng)通過信息采集終端將學(xué)生、教職工的人臉信息錄入到系統(tǒng)中,通過圖像處理服務(wù)器提取到每個(gè)人的面部特征信息,并將人臉信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中,最后便可以將人臉信息應(yīng)用到各個(gè)服務(wù)終端。
智慧應(yīng)用終端集群分為門禁系統(tǒng)終端、考勤管理終端、圖書館管理服務(wù)終端。其中,門禁系統(tǒng)終端主要應(yīng)用于校園的校門、宿舍以及圖書館等場(chǎng)所的門禁,該門禁系統(tǒng)實(shí)行“人臉識(shí)別認(rèn)證+身份證認(rèn)證”的雙重認(rèn)證的方式,并對(duì)進(jìn)出學(xué)校各個(gè)場(chǎng)所的人員進(jìn)行體溫檢測(cè),只有身份識(shí)別和體溫檢測(cè)均通過,門禁系統(tǒng)的閘機(jī)才會(huì)開啟??记诠芾硐到y(tǒng)主要應(yīng)用在對(duì)學(xué)生上課出勤記錄、學(xué)生公寓的考勤統(tǒng)計(jì)等。圖書館管理系統(tǒng)則主要應(yīng)用在學(xué)生的借閱管理、預(yù)約自習(xí)室等智能服務(wù)管理[5]。
人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)主要由人臉識(shí)別模塊、身份證識(shí)別模塊、體溫檢測(cè)模塊、云服務(wù)器、報(bào)警裝置、門禁系統(tǒng)終端六部分組成。該系統(tǒng)基于射頻識(shí)別(radio frequency identification,RFID)、熱成像測(cè)溫、紅外感應(yīng)等主要技術(shù),對(duì)過往人員進(jìn)行身份認(rèn)證和體溫檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄,方便日后對(duì)相關(guān)人員進(jìn)行追蹤。
校園門禁管理系統(tǒng)主要采用“人臉識(shí)別認(rèn)證”+“身份證認(rèn)證”的雙重認(rèn)證方式。對(duì)于學(xué)生、教職工等固定出入學(xué)校的人員需要提前將人臉信息錄入到系統(tǒng)中,采用人臉識(shí)別的方式,能夠保證人員的快速、有效通過。對(duì)于非學(xué)校人員,需要采用“人臉識(shí)別認(rèn)證”+“身份證認(rèn)證”雙重認(rèn)證方式,來訪人員無需提前錄入人臉信息,只需要將身份證放置在門禁系統(tǒng)的感應(yīng)區(qū)內(nèi),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀取身份信息,并對(duì)信息進(jìn)行審核驗(yàn)證,若驗(yàn)證成功,閘機(jī)會(huì)自動(dòng)開啟,若驗(yàn)證失敗,則需要人工進(jìn)行處理。在系統(tǒng)進(jìn)行人臉識(shí)別的同時(shí),門禁系統(tǒng)中的測(cè)溫裝置會(huì)同時(shí)啟動(dòng),若發(fā)現(xiàn)體溫異常者,門禁系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警,由人工進(jìn)行再次測(cè)溫處理。閘機(jī)開啟,人員通過后,門禁系統(tǒng)中的紅外感應(yīng)器感應(yīng)到人已經(jīng)離開,會(huì)自動(dòng)關(guān)閉閘機(jī)。校園門禁系統(tǒng)應(yīng)用流程如圖2 所示。
圖2 校園門禁系統(tǒng)應(yīng)用流程圖
校園門禁管理系統(tǒng)涉及到的關(guān)鍵技術(shù)主要包括RFID 技術(shù)、人臉識(shí)別技術(shù)、熱成像測(cè)溫技術(shù)。
(1)RFID 技術(shù)。RFID 技術(shù)是21 世紀(jì)十大重要技術(shù)之一,它是一種無線,非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù),具有使用簡(jiǎn)便、識(shí)別率高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)[6]。該門禁系統(tǒng)是基于RFID 的身份證識(shí)別系統(tǒng),主要由電子標(biāo)簽、讀寫器、識(shí)別管理系統(tǒng)組成。RFID 工作原理如圖3 所示。
圖3 RFID 工作原理圖
電子標(biāo)簽是物品信息的載體,存儲(chǔ)著許多數(shù)據(jù)信息,主要由天線和芯片組成。讀寫器主要用來寫入或處理電子標(biāo)簽的數(shù)據(jù)信息,是電子標(biāo)簽和后臺(tái)服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄?。?dāng)二代身份證靠近門禁系統(tǒng)的感應(yīng)區(qū)時(shí),身份證與系統(tǒng)中的讀寫器進(jìn)行電感耦合和能量感應(yīng)。最后讀寫器將解碼后的數(shù)據(jù)信息傳輸給識(shí)別管理系統(tǒng),由識(shí)別管理系統(tǒng)進(jìn)行處理,并將指令下發(fā)給門禁系統(tǒng)終端。
(2) 人臉識(shí)別技術(shù)。人臉識(shí)別技術(shù)將人臉識(shí)別算法、人工智能及大數(shù)據(jù)等主要技術(shù)融合為一體,成為目前最具代表性的智能AI。人臉識(shí)別主要分為2個(gè)過程,即人臉檢測(cè)過程和人臉識(shí)別過程。人臉檢測(cè)過程就是依據(jù)算法判斷人臉是否出現(xiàn)在特定區(qū)域內(nèi),如果在特定區(qū)域內(nèi)檢測(cè)到人臉,則需要計(jì)算出人臉的具體位置[7]。考慮到環(huán)境變化、姿勢(shì)變化以及面部表情變化等因素對(duì)人臉識(shí)別準(zhǔn)確性的影響,該系統(tǒng)選用基于Haarlike 特征的AdaBoost 算法[8]。AdaBoost 算法是借助機(jī)器學(xué)習(xí)來完成人臉檢測(cè)的一種分類器算法,該算法主要是將提取到的人臉圖像的Haarlike 特征構(gòu)成弱分類器bn(x),然后再對(duì)其進(jìn)行訓(xùn)練逐步疊加成強(qiáng)分類器[9-11]。最終模型表達(dá)式為
人臉識(shí)別過程就是利用人臉識(shí)別算法把經(jīng)上述算法檢測(cè)到的人臉特征信息提取出來,然后再與數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)的人臉信息進(jìn)行匹配,人臉識(shí)別過程如圖4 所示。
圖4 人臉識(shí)別過程圖
人臉識(shí)別算法首先根據(jù)PCA 算法對(duì)提取到的人臉圖像進(jìn)行降維處理,然后再利用LDA 算法求得最優(yōu)變換M[12-13],M 定義如下:
其中,E 為PCA 算法的投影矩陣,Sb為樣本類間離散度矩陣,Sa為樣本類內(nèi)離散度矩陣。最后再結(jié)合PCA 算法和LDA 算法得到總的變換矩陣B=EM。根據(jù)以上算法,得出樣本圖像x:
(3) 熱成像測(cè)溫技術(shù)。在自然界中,一切物質(zhì)都可以輻射、吸收以及發(fā)射電磁波。而紅外線作為電磁波中最常見的一種具有很強(qiáng)的溫度效應(yīng),其紅外輻射的能量強(qiáng)弱與溫度直接相關(guān)[14]。紅外熱成像測(cè)溫技術(shù)就是根據(jù)物體可以向外輻射電磁波的物理特性,利用體溫檢測(cè)終端中的熱成像攝像頭采集到人體向外輻射的紅外電磁波,然后將采集到的紅外輻射轉(zhuǎn)換成圖像。因?yàn)閳D像與物體表面溫度分布對(duì)應(yīng),所以最后可計(jì)算出物體的溫度值[15]。紅外熱成像測(cè)溫原理圖如圖5 所示。
圖5 紅外熱成像測(cè)溫原理圖
但在實(shí)際測(cè)量中,因?yàn)槭艿街車h(huán)境的影響,攝像頭采集到的輻射總量A 不僅僅是物體自身的輻射還包括大氣輻射和物體周圍環(huán)境的輻射。
其中,τa是大氣穿透率,λ 是目標(biāo)發(fā)射率,T0是物體自身的輻射能量,Tu是周圍環(huán)境的輻射能量,Ta是大氣輻射能量。
紅外探測(cè)器會(huì)將接收到的輻射能量利用其內(nèi)部光電轉(zhuǎn)換裝置,將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出,最后根據(jù)黑體標(biāo)定來得到物體表面溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的關(guān)系,計(jì)算出物體的實(shí)際溫度。
校園考勤管理系統(tǒng)主要用于學(xué)生上課、考試等需要簽到的場(chǎng)所以及學(xué)生公寓的考勤。對(duì)學(xué)生上課、考試等的考勤,教學(xué)管理人員只需要將教學(xué)或考試的信息與學(xué)生的個(gè)人信息綁定,學(xué)生在上課前或開始考試前便可以通過人臉識(shí)別設(shè)備進(jìn)行“刷臉”簽到,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)識(shí)別到的人臉與數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行匹配,從而形成考勤記錄[16-17]。
對(duì)于學(xué)生公寓的考勤,公寓管理人員只需在系統(tǒng)中設(shè)置好每天查寢的時(shí)間段,在每天查寢的時(shí)間段內(nèi),學(xué)生公寓內(nèi)的所有攝像頭均可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行人臉識(shí)別,并將識(shí)別到的人臉信息上傳到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器中進(jìn)行身份匹配,同時(shí)生成學(xué)生公寓考勤記錄[18]。另外,系統(tǒng)還可以將生成的考勤記錄實(shí)時(shí)發(fā)送給管理員和輔導(dǎo)員,以便老師可以更好地了解學(xué)生的在校情況[19]。校園考勤管理系統(tǒng)的應(yīng)用流程如圖6所示。
圖6 校園考勤系統(tǒng)應(yīng)用流程圖
圖書館的智能化建設(shè)是智慧校園建設(shè)的重中之重,人臉識(shí)別技術(shù)不僅僅應(yīng)用在圖書館的門禁系統(tǒng)中,更主要的是應(yīng)用在圖書館的自助借還書和自習(xí)室座位的預(yù)約服務(wù)中[20]。通過將學(xué)生的學(xué)生信息與圖書館的管理系統(tǒng)進(jìn)行綁定,借助RFID 無接觸式識(shí)別的特點(diǎn),學(xué)生只需站在自助借還機(jī)的攝像頭前,系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)判定學(xué)生所借閱或歸還的書籍,并進(jìn)行系統(tǒng)記錄。當(dāng)學(xué)生借閱或歸還成功后,系統(tǒng)會(huì)及時(shí)地將相關(guān)信息發(fā)送到學(xué)生的手機(jī)。另外,當(dāng)學(xué)生所借閱的書籍臨近歸還期時(shí),系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)向?qū)W生發(fā)送提醒短信,提醒學(xué)生及時(shí)歸還書籍[21]。
人臉識(shí)別技術(shù)還將應(yīng)用在圖書館的座位管理系統(tǒng)中[22],學(xué)生可以通過人臉識(shí)別預(yù)約座位,系統(tǒng)會(huì)根據(jù)圖書館的座位情況為學(xué)生分配座位并進(jìn)行計(jì)時(shí)。一定時(shí)間后,該座位會(huì)自動(dòng)解除限制,系統(tǒng)會(huì)將該座位自動(dòng)分配給下一位預(yù)約的同學(xué)。圖書館管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖7 所示。
圖7 圖書館管理系統(tǒng)架構(gòu)圖
基于人臉識(shí)別和RFID 技術(shù)的圖書館管理系統(tǒng)不僅可以有效增強(qiáng)圖書館管理的安全性,同時(shí)在很大程度上簡(jiǎn)化了圖書館的管理工作,減少了管理人員的工作量,使學(xué)生體驗(yàn)到更加智能化的服務(wù)[23-24]。
該實(shí)驗(yàn)從人臉識(shí)別和體溫檢測(cè)的準(zhǔn)確率兩方面對(duì)智能門禁系統(tǒng)進(jìn)行了不同條件下的測(cè)試。具體的測(cè)試內(nèi)容如下。
在同一環(huán)境下(圖8(a)),對(duì)同一個(gè)測(cè)試樣本分別采取面部遮擋和面部無遮擋的方式進(jìn)行100 次(系統(tǒng)識(shí)別到面部并且保持3 s 記為一次實(shí)驗(yàn))測(cè)試,實(shí)驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如表1 所示。
圖8 人臉識(shí)別與體溫檢測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)
表1 人臉遮擋測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,同一個(gè)測(cè)試樣本,采取面部遮擋和面部無遮擋,系統(tǒng)的識(shí)別率會(huì)發(fā)生較大的差異,但對(duì)體溫檢測(cè)的影響較小。
在未佩戴口罩的情況下(圖8(b)),分別在室內(nèi)和室外對(duì)統(tǒng)一測(cè)試樣本進(jìn)行檢測(cè)和人臉識(shí)別檢測(cè),實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。
表2 不同環(huán)境下體溫測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在室外環(huán)境下由于受到光照、背景等因素的影響,人臉識(shí)別的準(zhǔn)確率與室內(nèi)相比有所下降,在不同環(huán)境下體溫也有所變化,但體溫變化均保持在0~0.08 ℃范圍內(nèi)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)可以很好地完成對(duì)出入校園各個(gè)場(chǎng)所人員的快速身份識(shí)別和體溫檢測(cè)。通過本文的分析和研究,將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于校園的管理系統(tǒng)中,不僅可以提高校園的安全防范能力,同時(shí)也改變了傳統(tǒng)的訪客記錄方式和考勤管理模式,提高了校園生活的服務(wù)質(zhì)量和校園管理的工作效率??梢灶A(yù)見,未來人臉識(shí)別技術(shù)在智慧校園的應(yīng)用會(huì)越來越深入。可將人臉識(shí)別技術(shù)與校園的餐廳、超市的結(jié)賬系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)“刷臉”支付,也可與教學(xué)樓、公寓樓的電梯管理系統(tǒng)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)“刷臉”控制電梯到達(dá)指定樓層。所以在未來智慧校園的建設(shè)中,人臉識(shí)別技術(shù)必將為校園的智能化管理帶來更大的便利,為學(xué)生提供更加智能化的服務(wù),為智慧校園的建設(shè)帶來更廣闊的發(fā)展空間。