馮威翔，楊靜

（河南工業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，河南鄭州， 450000）

0 引言

隨著生活質(zhì)量的提高，普通IC卡等傳統(tǒng)身份識(shí)別工具已不能滿足社會(huì)需求[1]。人臉識(shí)別技術(shù)已日趨成熟，在安防監(jiān)控、身份認(rèn)證等眾多領(lǐng)域都有著重要的作用[2]。

傳統(tǒng)的特征提取算法在復(fù)雜環(huán)境下準(zhǔn)確率不高；而基于空間注意力機(jī)制的3D人臉識(shí)別算法，雖準(zhǔn)確率高，但參數(shù)需根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置，使得門檻較高，易用性低[3]；一些龐大的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，通過自學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行訓(xùn)練，但運(yùn)行在計(jì)算能力有限的嵌入式設(shè)備上有困難。

針對(duì)傳統(tǒng)人臉識(shí)別方案識(shí)別精度相對(duì)較低，提升識(shí)別精度對(duì)嵌入式設(shè)備的計(jì)算能力和算法優(yōu)化要求比較高，導(dǎo)致易用性低的問題，本文利用云計(jì)算平臺(tái)準(zhǔn)確率高，調(diào)用方便的特性[4]，將百度智能云與樹莓派相結(jié)合，設(shè)計(jì)一款人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)，使得整個(gè)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確、便捷化。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)由主控制器模塊、人體紅外感應(yīng)模塊、圖像獲取模塊、密碼模塊、顯示模塊、模擬門禁開關(guān)模塊組成，經(jīng)人體紅外傳感器觸發(fā)后調(diào)用攝像頭進(jìn)行圖像采集，經(jīng)過分辨率和格式轉(zhuǎn)換后上傳至百度智能云進(jìn)行人臉的識(shí)別對(duì)比。為了應(yīng)對(duì)一些網(wǎng)絡(luò)故障等情況，本設(shè)計(jì)還添加密碼模塊進(jìn)行輔助解鎖。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)部分

■2.1 主控制器

考慮到擴(kuò)展性、成本、功耗，本設(shè)計(jì)選擇樹莓派4B作為主控制器，主板有4個(gè)USB接口，可用來連接鼠標(biāo)鍵盤USB攝像頭等。搭載4核1.5GHz CPU，兩個(gè)支持4K顯示的HDMI接口，接上一塊屏幕可以用它來編輯文檔、瀏覽網(wǎng)頁等[5]。具有2.4GHz和5GHz的WiFi模塊以及以太網(wǎng)接口，向上可以提供云端API，指令數(shù)據(jù)通過API調(diào)用下發(fā)至設(shè)備端[6]，硬件示意圖如圖2所示。

圖2 樹莓派4B硬件示意圖

■2.2 人體紅外感應(yīng)模塊

為減少資源浪費(fèi)，添加紅外觸發(fā)。HCSR501原理圖如圖3所示。人會(huì)發(fā)出10μm左右波長的紅外線。具有熱釋電效應(yīng)的半導(dǎo)體，用于檢測(cè)8~12μm波長的紅外信號(hào)。將產(chǎn)生的微弱電壓變化經(jīng)過BISS0001放大后輸出，調(diào)節(jié)可變電阻RL2和RT1改變放大倍數(shù)，來改變傳感器的檢測(cè)距離和靈敏度。信號(hào)輸出接樹莓派的GPIO4接口，本設(shè)計(jì)采用可重復(fù)觸發(fā)，距離在3m左右。

圖3 HC—SR501原理圖

■2.3 圖像采集模塊

圖像獲取模塊采用500萬像素的樹莓派專用攝像頭，尺寸小，功耗低[7]。通過CSI扁平帶狀電纜將相機(jī)板連接到樹莓派上，手動(dòng)使能。查看API文檔，API接口要求輸入的分辨率為1024×768，圖片格式必須為Base64編碼格式，編碼后的圖片大小不超過2M。

■2.4 密碼模塊

為應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)故障等情況，本設(shè)計(jì)添加密碼模塊用來輔助解鎖。矩陣鍵盤控制行的4個(gè)引腳接到樹莓派的GPIO 21~24，控制列的4個(gè)引腳接到樹莓派的GPIO 26~29。初始化GPIO 21~24為輸出高電平。GPIO 26~29為輸入，通過內(nèi)置上拉電阻，上拉為高。

■2.5 交互模塊

選用0.96寸I2C通信OLED進(jìn)行文字交互提示。手動(dòng)配置開啟樹莓派I2C通信接口。通過HDMI外接7寸IPS電容觸摸屏進(jìn)行圖像采集過程的顯示。

選用常見舵機(jī)SG90進(jìn)行模擬開門，信號(hào)線接到樹莓派的GPIO6引腳。通過PWM脈沖控制，開門后釋放PWM信號(hào)可手動(dòng)關(guān)門，一段時(shí)間后如果沒有識(shí)別到人將控制關(guān)門。

如果成功開門或檢測(cè)到人臉未在人臉庫中或密碼錯(cuò)誤。調(diào)用有源蜂鳴器進(jìn)行聲音警報(bào)。調(diào)用API服務(wù)，通過微信將原因、時(shí)間和圖像發(fā)送給用戶。

■2.6 硬件連線

硬件總體連線如圖4所示。

圖4 硬件總體連線圖

3 軟件設(shè)計(jì)部分

■3.1 軟件環(huán)境搭建

本系統(tǒng)選用官方指定的Raspberry Pi OS，在官網(wǎng)中下載鏡像文件，通過鏡像文件燒錄工具燒錄到SD卡中。

為了方便文件傳輸，整個(gè)開發(fā)過程采用遠(yuǎn)程桌面連接進(jìn)入樹莓派桌面進(jìn)行開發(fā)。使用Python作為開發(fā)語言，樹莓派官方提供的系統(tǒng)中自帶Python編譯器Python3.9，以及Python集成開發(fā)環(huán)境Thonny。運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)反饋交互的運(yùn)行結(jié)果，給予一些優(yōu)化建議，對(duì)樹莓派支持良好。

■3.2 人臉識(shí)別模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)通過百度智能云平臺(tái)提供的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）接口實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別。

首先，注冊(cè)并登錄百度智能云，創(chuàng)建一個(gè)人臉識(shí)別的應(yīng)用，依次創(chuàng)建用戶組、用戶和添加用戶的人臉照片。用戶組數(shù)量沒有限制，每個(gè)用戶組中的用戶數(shù)量也沒有限制，每個(gè)用戶可以注冊(cè)的人臉數(shù)量為20個(gè)。創(chuàng)建成功后可以得到這個(gè)應(yīng)用的AppID、API Key、Secret Key，也就是在程序中進(jìn)行接口調(diào)用時(shí)的用戶名和密碼等信息。

其次，下載適用于Python的人臉識(shí)別軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）。將下載的SDK通過VNC Viewer的文件傳輸功能傳入到樹莓派中，用Python編譯SDK文件中的setup.py來安裝百度AI模塊如圖5所示。

圖5 安裝百度AI模塊圖

最后，根據(jù)之前記錄的所創(chuàng)建應(yīng)用的用戶名和密碼進(jìn)行訪問所創(chuàng)建的應(yīng)用，調(diào)用AipFace模塊中的search函數(shù)將返回人臉匹配的結(jié)果，返回值是一個(gè)字典。通過error_mag來判斷是否為人臉，如果檢測(cè)不到人臉就返回-1。如果檢測(cè)到人臉，則獲取相似度score，通過相似度來判斷是否在人臉庫中，如果滿足相似度就返回1，否則返回0。

■3.3 密碼模塊軟件設(shè)計(jì)

密碼模塊包括密碼的輸入、清除、判斷和修改。掃描第一行時(shí)，設(shè)置GPIO21引腳輸出低電平，延時(shí)20ms來繞過抖動(dòng)區(qū)間進(jìn)行防抖，掃描GPIO 26~29引腳是否為低電平，來判斷S1~S4的按鍵狀態(tài)，2、3、4行同理。

密碼的輸入封裝在函數(shù)中，將被按下的按鍵以字符的形式放入列表中。當(dāng)輸入為6位時(shí)返回列表。密碼存放在本地的文本文件中，使用operator函數(shù)進(jìn)行判斷，如果輸入與密碼不匹配返回0，否則返回1。如果判斷鍵盤輸入“＊”，則清空列表，來達(dá)到清除的目的。輸入6個(gè)#來進(jìn)行修改密碼，先輸入原密碼，如果密碼正確將修改的密碼替換掉文本文件中的內(nèi)容。

■3.4 軟件設(shè)計(jì)總體流程

系統(tǒng)開始工作后，判斷人體紅外傳感器的狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到有人時(shí)，進(jìn)入人臉識(shí)別部分，點(diǎn)亮發(fā)光二極管來模擬燈光照明，調(diào)用OLED來提示用戶相關(guān)操作，調(diào)用攝像頭進(jìn)行圖像采集，按照技術(shù)文檔進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后上傳到百度智能云。如果返回結(jié)果為不是人臉，判斷為人體紅外誤觸，將回到人體紅外檢測(cè)部分。如果人臉匹配成功，控制舵機(jī)模擬開門，記錄下用戶名及開門時(shí)間在本地文本文件，回到人體紅外檢測(cè)部分。如果人臉匹配失敗，再次進(jìn)行檢測(cè)。如果連續(xù)兩次檢測(cè)失敗將提示進(jìn)入密碼識(shí)別。如果密碼識(shí)別正確，控制舵機(jī)模擬開門；如果密碼識(shí)別錯(cuò)誤兩次，將延時(shí)一段時(shí)間后回到人體紅外檢測(cè)部分。無論是否成功通過都會(huì)將記錄下來的時(shí)間、原因和圖像通過微信公眾號(hào)發(fā)送給用戶。程序流程圖如圖6所示。

圖6 總體程序流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試一共有3位測(cè)試者參與，分別為2位在圖庫中的人和1位不在圖庫中的人，對(duì)人臉識(shí)別等各模塊功能進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)實(shí)驗(yàn)對(duì)象在光線充足和光線暗弱兩種環(huán)境下進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。實(shí)物圖如圖7所示，測(cè)試過程圖如圖8所示。

圖7 實(shí)物圖

圖8 測(cè)試過程圖

經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)各模塊功能工作正常，人臉識(shí)別測(cè)試結(jié)果如表1所示。在5G網(wǎng)絡(luò)下調(diào)用所需時(shí)間大約在0.9s，4G網(wǎng)絡(luò)下調(diào)用時(shí)間在3s左右，經(jīng)100次測(cè)試，僅有一次在光線暗弱的環(huán)境下出現(xiàn)誤判現(xiàn)象。

表1 人臉識(shí)別測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)以樹莓派4B為主控，通過調(diào)用百度智能云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了以人臉識(shí)別為主的門禁系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定，識(shí)別準(zhǔn)確率為99.8%，保證了門禁系統(tǒng)的真實(shí)、安全。在5G網(wǎng)絡(luò)下，檢測(cè)時(shí)間大約在0.9s，實(shí)現(xiàn)了防盜防范的作用，減少了不必要的安全隱患。