人臉識別門(mén)禁系統設計與實(shí)現

  信息技術(shù)的迅猛發(fā)展給生活帶來(lái)便利的同時(shí)，也給安全防范系統提出來(lái)越來(lái)越高的要求。傳統的門(mén)鎖、防盜門(mén)、監控報警系統等總是存在著(zhù)攜帶不便、易遺失損壞、密碼易被破解等問(wèn)題。于是，運用生物特征識別技術(shù)的智能門(mén)禁系統就應運而生。其中，人臉識別作為生物特征識別技術(shù)中最為直觀(guān)的一種識別方法，具有友好、隱蔽、簡(jiǎn)便、準確、經(jīng)濟及擴展性良好等其他識別技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢�；贏(yíng)RM技術(shù)的嵌入式系統以應用為中心，軟硬件可裁剪，符合應用系統對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求， 對節約成本、提高穩定性有極大地作用。

    1 開(kāi)發(fā)方案與設計

    1．1總體結構設計

    根據嵌入式技術(shù)與人臉識別技術(shù)的特點(diǎn)及其在門(mén)禁系統的應用構思，本系統確定了嵌入式人臉識別門(mén)禁系統的人臉識別子系統的設計及實(shí)現，進(jìn)行圖像采集、嵌入式處理和識別響應三部分來(lái)研究。首先，通過(guò)攝像頭采集圖像信息；其次，從CPU處理速度、技術(shù)指標以及軟件支持工具等方面進(jìn)行選型，采用三星公司的基于A(yíng)RM920T內核的$3C2440A芯片。開(kāi)發(fā)方案中操作系統采用目前最新、最穩定的自由軟件嵌入式Linux操作系統Ubuntu。前端的ARM板實(shí)現這兩項功能。最后，將人臉圖片傳入后臺數據庫進(jìn)行人臉識別，并反饋識別響應信息。人臉識別的核心部分，如從數據圖片的檢索、識別等均在后臺完成。其開(kāi)發(fā)方案的總體結構設計圖如圖1所示。 

    1．2 內核及操作系統選擇
    $3C2440A采用ARM920T內核，集成如下片上功能：
    1)1．2V內核，1．8V／2．5V／3．3V儲存器，3．3V擴展I／O，16KB~令Cache(I—Cache)／16KB數據Cache (D—Cache)
    2)外部?jì)Υ婵刂破?SDRAM控制盒片選邏輯)
    3)集成LCD專(zhuān)用DMA的LCD控制器(支持最大4K色STN和256K色TFT)
    4) 4路擁有外部請求引腳的DMA控制器
    5)IIC總線(xiàn)接口(多主支持)
    6) IIS音頻編解碼器接口
    7)AC、97編解碼器接口
    8)1．0版SD主接口，兼容2．1l版MMC接口
    9)2路USB主機控制／1路USB期間控制(ver1．1)
    10)4路PWM定時(shí)器／1路內部定時(shí)器／看門(mén)狗定時(shí)器
    11) 8路10位ADC和觸摸屏接口
    12)攝像頭接口(支持最大4096x4096的輸入，2048x2048縮放輸入)作為一個(gè)基于GNU／Linux的平臺，Ubuntu在Debian基礎之上， 旨在創(chuàng )建一個(gè)可以為桌面和服務(wù)器提供一個(gè)最新且一貫的Linux系統。它囊括了大量從Debian發(fā)行版精挑細選的軟件包， 同時(shí)保留了Debian強大的軟件包管理系統，以便簡(jiǎn)易的安裝或徹底的刪除程序。注重安全性和實(shí)用性。本系統采用版本號為Ubuntu 8．10。它具有虛擬化、完整的Java堆棧、增強的郵件服務(wù)器能力、改進(jìn)的RAID支持、Uncomplicated Firewall防火墻更加簡(jiǎn)單、捆綁Landscape客戶(hù)端等優(yōu)勢。

    1．3軟件流程設計

    ARM內核和Ubuntu系統的選擇為系統功能的實(shí)現提供了基礎，系統軟件則完成系統功能的控制。系統軟件的設計流程如下，首先攝像頭進(jìn)行監控，如果門(mén)前有移動(dòng)物體，進(jìn)行拍照，并依據圖像的亮度， 判斷是否需要調節光線(xiàn)，圖像處理后進(jìn)行自動(dòng)人臉檢測識別， 如果不是沒(méi)有找到匹配圖像，程序返回到攝像頭監控狀態(tài)， 如果找到，開(kāi)啟樓門(mén)； 如果沒(méi)有移動(dòng)物體，繼續監控。若是來(lái)訪(fǎng)者， 則可以通過(guò)系統的其他方式，提出訪(fǎng)問(wèn)申請，如果房中有人則由房?jì)热藛T控制打開(kāi)大門(mén)；如果無(wú)人應答，系統提示房中無(wú)人， 同時(shí)采集來(lái)人照片，通過(guò)郵件自動(dòng)發(fā)送功能， 向指定郵箱發(fā)送郵件，并記下來(lái)訪(fǎng)記錄。

    2 人臉識別模塊設計及實(shí)現

    本系統最關(guān)鍵的實(shí)現技術(shù)就是通過(guò)進(jìn)行人臉識別， 完成門(mén)禁控制。首先從靜態(tài)圖片或動(dòng)態(tài)圖像中找到人臉， 然后確定各特征點(diǎn)的位置并進(jìn)行特征提取，最后將人臉與數據庫中所有的人臉進(jìn)行比對，并按照f(shuō)isherface決策規則對該人臉進(jìn)行判別分類(lèi)。

    根據輸入圖像的性質(zhì)，人臉檢測識別方法分為靜止圖像的靜態(tài)方法和圖像序列的跟蹤幀方法兩大類(lèi)。根據嵌入式門(mén)禁系統硬件性能等自身特點(diǎn)對人臉識別技術(shù)的要求，采用了第一大類(lèi)的方法，從圖像序列中選擇幾幀質(zhì)量較好的圖像，然后用靜止圖像的人臉識別方法進(jìn)行匹配。靜態(tài)方法簡(jiǎn)單、快捷、性?xún)r(jià)比高。

    2．1圖像采集及預處理

    通過(guò)USB接口的攝像頭采集過(guò)數據后，采用最基本的圖像增強手段對圖像進(jìn)行處理。圖像增強就是用一系列手段對取得的圖像灰度作修正，或者對噪聲作過(guò)濾，使得圖像灰度與實(shí)際景物的灰度盡可能地匹配。不能損壞圖像的輪廓及邊緣等重要信息，并使得圖像更清晰，視覺(jué)效果更好。為了減少光線(xiàn)、角度等因素的影響，采用中值濾波和直方圖均衡化方法。

    2．2人臉檢測定位

    人臉檢測是指對于任意一幅給定的靜態(tài)圖像或視頻序列圖像，采用一定的策略和方法對其進(jìn)行搜索以確定其中是否含有人臉， 如果有則返回人臉的位置、大小和姿態(tài)。從圖像序列中， 自動(dòng)、準確和快速地檢測人臉區域是實(shí)現系統功能的一項關(guān)鍵任務(wù)。

    目前，人臉檢測有兩大類(lèi)方法：一類(lèi)是基于知識的人臉檢測方法，一類(lèi)是基于統計學(xué)習的人臉檢測方法。統計學(xué)習的方法是目前人臉檢測的主流方法，通過(guò)大量的人臉和非人臉樣本進(jìn)行訓練，得到人臉圖像和非人臉圖像之間一些細微的差異。對于門(mén)禁系統而言，人臉檢測目標區域背景相對比較簡(jiǎn)單，人臉數量和大小可以控制，大大降低了人臉檢測的難度。首先， 對人臉特征搜索定位；其次，對人臉區域幾何歸一化處理，再次，對檢測到的人臉進(jìn)行特征提取。

    2．3人臉識別設計與實(shí)現

    人臉識別是一種高維數、小樣本數據的識別問(wèn)題。對于該類(lèi)問(wèn)題，其難點(diǎn)在于訓練樣本的數量很少，而以訓練樣本的協(xié)方差矩陣作為模式協(xié)方差矩陣的估計時(shí)，會(huì )產(chǎn)生以下兩方面問(wèn)題， 一個(gè)是會(huì )造成較大的偏差，另一個(gè)是會(huì )使類(lèi)內協(xié)方差矩陣奇異。

    為了解決類(lèi)內協(xié)方差矩陣奇異使得該矩陣不可逆的問(wèn)題， 國內外專(zhuān)家們提出了許多經(jīng)典算法。本系統采用．基于結構化fisherface的人臉識別方法。它應用了PCA與LDA的人臉識別過(guò)程，先由PCA對高維數據進(jìn)行降維處理，獲得原樣本的最優(yōu)特征表示，并使樣本的類(lèi)內協(xié)方差矩陣非奇異，然后作線(xiàn)性判別分析。在采用線(xiàn)性鑒別分析之前，通過(guò)事先給定的線(xiàn)性變換來(lái)達到降低圖像向量的維數，從而消除了類(lèi)內協(xié)方差矩陣的奇異性。在很大程度上解決了外部光照干擾、面部表情變化等因素的影響，優(yōu)點(diǎn)是在人臉圖像有光照和表情變化的情況下， 比特征臉?lè )椒ǖ聂敯粜詮�。在本系統中的人員信息采用SQlite數據庫技術(shù)統一管理。在人臉識別的過(guò)程中需要從人員數據庫中提取相應卡號和人臉特征數據。人員數據庫中存放人員的基本信息、人臉照片和人臉特征數據。其中人臉特征數據是進(jìn)行人臉識別的依據，而人臉照片只是作為顯示識別結果之用，并不參與識別過(guò)程。

    3 系統功能測試

    人臉識別功能利用國際上常用的ORL的人臉數據庫進(jìn)行測試。ORL數據庫包括40個(gè)人每人的10幅共400幅圖像，具有不同的光照、表情和視點(diǎn)。從其中選擇8人進(jìn)行訓練，進(jìn)行識別測試。統計結果如表1所示。 

    實(shí)驗證明該算法是一種穩定高效的算法，可以實(shí)現人臉識別技術(shù)進(jìn)行門(mén)禁控制的功能。

    4 結束語(yǔ)

    嵌入式人臉識別門(mén)禁系統因其非接觸式的數據采集、隱蔽性好、方便快捷、便于事后追蹤及可交互性強等優(yōu)勢，在當前科研及實(shí)際工程應用中成為最熱門(mén)的研究主題之一。本系統就是作為鶴壁市科技局科研課題而開(kāi)發(fā)實(shí)現的�；贏(yíng)RM技術(shù)的嵌入式人臉識別門(mén)禁系統的實(shí)用性和應用前景非常廣闊。

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