張 杰

（四川數(shù)聚智造科技有限公司，四川 成都 610000）

0 引 言

人臉識別門禁系統(tǒng)將人臉作為一個人的身份代表，通過對人臉進行判斷識別，根據(jù)識別算法的相關(guān)設(shè)置輸出識別結(jié)果并反饋給控制器，控制器根據(jù)識別結(jié)果發(fā)出相應(yīng)的指令給門禁執(zhí)行模塊，執(zhí)行模塊進行開啟門鎖或振鈴等操作[1-4]。大部分決策由門禁系統(tǒng)自身判決執(zhí)行，基本實現(xiàn)了智能檢測、智能識別以及智能控制等功能[5]。生活中人們在使用人臉門禁系統(tǒng)時會因為開門時的站立姿態(tài)與采集攝像頭產(chǎn)生角度變化，不同時間段開門的光照強度不同，每次開門時人的表情、發(fā)型、面部遮擋等都存在差異，為了盡量降低這些因素對門禁人臉識別的影響，本文提出了融合多特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別算法。利用局部方向模式（Local Derivative Pattern，LDP）、離散小波轉(zhuǎn)換（Discrete Wavelet Transformation，DWT）的特征優(yōu)勢和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的聯(lián)想、容錯、自適應(yīng)力，提升門禁識別系統(tǒng)的識別率和魯棒性。

1 設(shè)計方案

門禁系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)是對擁有訪問權(quán)、管理權(quán)的人員完成人臉數(shù)據(jù)庫的建立，將有權(quán)利進入門禁系統(tǒng)的全部人員的人臉信息采集存儲到人臉數(shù)據(jù)庫中，其中擁有管理權(quán)的人員能夠刪除或修改數(shù)據(jù)庫。當某一個人對門禁系統(tǒng)進行訪問時，人臉識別系統(tǒng)會先通過攝像頭獲取人臉信息，然后將信息傳輸?shù)教幚砥髦羞M行人臉識別。這個過程需要系統(tǒng)對來訪者的人臉信息進行預(yù)處理，避免表情、光照以及輸入設(shè)備的不良影響[6-8]。將經(jīng)過預(yù)處理的人臉進行特征提取，將提取的信息與存儲的人臉圖像進行識別對比并記錄識別結(jié)果，將判斷結(jié)果傳輸?shù)教幚砥鳎侔l(fā)出相應(yīng)執(zhí)行指令。否則，處理器不會發(fā)出開門指令，門禁系統(tǒng)也不會打開。與此同時，記錄存儲訪問者的人臉信息，方便后續(xù)監(jiān)督。

2 整體模塊設(shè)計

人臉識別門禁系統(tǒng)主要由以ARM11處理器為主的控制電路模塊、攝像頭模塊、圖像處理模塊、人臉識別及眨眼模塊以及門禁執(zhí)行模塊組成。其中人臉識別是系統(tǒng)的核心模塊，通過對人臉識別系統(tǒng)的算法設(shè)計實現(xiàn)人臉門禁控制。在人臉識別門禁系統(tǒng)中，人臉特征的提取、識別、匹配是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵，而人臉圖像的預(yù)處理則是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，處理結(jié)果的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的安全性和可靠性[9]。

（1）控制模塊。該模塊是整個系統(tǒng)的核心，根據(jù)每個模塊的反饋結(jié)果發(fā)送相應(yīng)的操作指令，指揮整個門禁系統(tǒng)按照步驟運行。

（2）圖像采集模塊。人臉圖像的獲取由攝像頭與ARM11處理器組合實現(xiàn)，來訪者要進入時按下開門按鈕啟動圖像獲取模塊，處理器控制攝像頭對人臉進行拍照保存，并送至圖像處理模塊進行特征提取。

（3）人臉圖像處理模塊。對采集模塊獲取的人臉圖像進行預(yù)處理及特征提取，預(yù)處理階段對獲取的人臉圖片實現(xiàn)歸一化處理。選擇多種特征融合提取，特征分別選擇LDP、DWT特征，將2種特征圖像分別送入識別模塊。

（4）人臉識別及眨眼模塊。識別模塊是整個門禁系統(tǒng)的核心，其識別結(jié)果直接控制著門禁的執(zhí)行。人臉識別的核心算法為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在應(yīng)用到門禁系統(tǒng)之前需要先對人臉識別卷積網(wǎng)絡(luò)訓練集學習，訓練好的識別系統(tǒng)才可以投入使用。將處理好的人臉圖像的2種特征圖分別輸入到訓練好的雙層卷積網(wǎng)絡(luò)的第一個卷積層，卷積網(wǎng)絡(luò)會對這些特征再學習，在全連接層非線性變化后輸出1維特征向量。將得到的人臉特征與人臉數(shù)據(jù)庫得到的特征向量進行對比，按照設(shè)定的判定閾值輸出結(jié)果[10]。若判斷結(jié)果符合，則進入到眨眼檢測模塊。為防止照片識人事件的發(fā)生，系統(tǒng)會提示來訪者執(zhí)行左、右眨眼睛操作并拍照，提取特征值再次識別，以此驗證是否為真人。若判斷結(jié)果不符合，會有彈框提示返回重新拍照，并將采集的照片保存到處理器的特定文件夾。

（5）門禁執(zhí)行模塊。該模塊是門禁控制系統(tǒng)的執(zhí)行模塊，根據(jù)最終的判決結(jié)果輸入到處理器，由處理器給門禁系統(tǒng)發(fā)送指令，執(zhí)行開門操作。識別不通過時，會提示來訪者是否需要再次識別。如果3次均不通過，則會提示是否需要通過手機端輸入密碼進入。手機端密碼不正確時，會觸發(fā)警鈴。

（6）算法模塊。項目采用融合多特征的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)人臉分類，對預(yù)處理過的人臉圖像進行多特征提取，提取的2種特征為LDP、DWT。將這2種特征圖以雙通道的形式輸入卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行自適應(yīng)融合，提取的DWT特征圖為32×32像素，提取的LDP特征圖為64×64像素。為了在后續(xù)的算法中對2種特征進行融合，對LDP特征采用2×2平均采樣的方式降維，最終得到2張大小相同特征圖，以雙層的形式輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行自適應(yīng)融合。

（7）數(shù)據(jù)模塊。將該人臉庫的400張照片按照采集對象分為40個目標文件夾，每個文件夾有10張不同姿態(tài)下的人臉圖像，訓練集和測試集的分配比例為7∶3。整個ORL庫訓練集和測試集的人臉樣本數(shù)分別為280個和120個，對每個人臉圖像提取LDP特征圖、DWT特征圖，并歸一化處理，將其分別作為雙卷積層卷積塊的輸入圖像[11-13]。

3 硬件設(shè)計

（1）控制電路模塊。以ARM11為中央處理器，其含有很多處理指令可以實現(xiàn)對圖像的快速處理。ARM11的新型儲存器進一步提高了操作系統(tǒng)性能，還提供新指令來加速實時性能和中斷響應(yīng)。

（2）攝像頭。對來訪人員進行人臉的圖像采集，后續(xù)圖像處理識別模塊將對其調(diào)用處理?？紤]到人臉采集的便捷性與門禁系統(tǒng)的集成簡易度，參考當前市面上的門禁安裝位置，保證圖像采集的范圍盡可能大。

（3）人臉圖像處理識別。對攝像頭采集的人臉圖像提取人臉的特征值，并將提取后的特征值保存到ARM11中。通過軟件算法調(diào)用得到人臉特征值，將其與數(shù)據(jù)庫人臉模板對比，輸出是否有權(quán)限進入，再將結(jié)果傳輸給控制電路。人臉識別通過后，還需要再通過附屬的眨眼識別系統(tǒng)再次采集圖像并處理，判斷是否為真人，并將結(jié)果輸出給處理器。

（4）門禁控制器。根據(jù)識別系統(tǒng)的輸出由控制電路傳輸相應(yīng)的指令，控制門是否打開。如果人臉識別異常，則記錄來訪者照片，以備后期查詢；如果人臉識別通過，則控制門禁打開，允許進入。

4 軟件設(shè)計

不同人臉特征對不同影響因素的敏感度不同，利用不同特征對光照等因素的不敏感性優(yōu)勢，將互補的多個特征結(jié)合提高整個系統(tǒng)的識別率。與此同時，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強大的聯(lián)想、容錯、自適應(yīng)力來提升識別系統(tǒng)的識別率和魯棒性。

軟件設(shè)計的核心是人臉識別算法，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行多特征融合取人臉識別。首先針對人臉采集模塊獲取的人臉建立數(shù)據(jù)庫，對這些圖像進行檢測定位，獲得人臉數(shù)據(jù)后對其預(yù)處理，實現(xiàn)尺寸歸一化；其次對預(yù)處理后的圖像進行特征提取，獲得每幅圖像的LDP、DWT特征圖，將特征圖輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓練再學習；最后將實時采集到的人臉圖像特征圖輸入訓練好的網(wǎng)絡(luò)，逐一與數(shù)據(jù)庫模板數(shù)據(jù)進行對比實現(xiàn)人臉識別。人臉識別算法流程如圖1所示。

圖1 人臉識別算法流程

基于人臉識別的門禁系統(tǒng)整體流程如圖2所示。

圖2 基于人臉識別的門禁系統(tǒng)整體流程

人臉識別系統(tǒng)通過攝像頭獲取人臉圖像信息，圖像處理模塊對獲取到的圖像進行特征提取，而后將特征值輸入到采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法訓練好的識別系統(tǒng)中，對數(shù)據(jù)進行識別分類，判斷其是否有權(quán)限進入。識別成功后，附加眨眼檢測，防止照片識人事件的發(fā)生。第一次識別不成功后，會提示再次識別，如果識別3次均不過，會保存人臉圖像并提示手機端驗證。手機端輸入密碼可以執(zhí)行開鎖，手機端密碼錯誤的話會觸發(fā)振鈴。

5 結(jié) 論

整個門禁系統(tǒng)的硬件模塊主要包括控制電路模塊、電源管理模塊、圖像處理識別模塊、攝像機以及門禁控制器等，各模塊之間根據(jù)控制電路的指令協(xié)同合作。軟件設(shè)計方面主要是整個門禁系統(tǒng)識別的實現(xiàn)步驟，包括系統(tǒng)啟動、人臉采集、人臉特征提取、人臉識別、眨眼驗證以及手機端驗證等。通過以上分析，設(shè)計實現(xiàn)了基于人臉識別的門禁系統(tǒng)，實際應(yīng)用效果較好，值得參考。