雷文禮，包佳偉，張鑫，任新成

（延安大學(xué)陜西省能源大數(shù)據(jù)智能處理省市共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西延安 716000）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活水平在不斷 提高，高校人口的數(shù)量也在不斷增長，與此同時(shí)，疫情防控情況下，校內(nèi)治安問題也屢見不鮮。人臉作為每個(gè)個(gè)體獨(dú)一無二的生物特征，可以作為安全系統(tǒng)的身份鑒別依據(jù)[1-2]。該文基于Linux 和Opencv 庫設(shè)計(jì)了疫情期間宿舍門禁系統(tǒng)，通過采集學(xué)生的頭像圖片，設(shè)計(jì)檢測系統(tǒng)對來往通過的人群進(jìn)行人臉檢測。人臉檢測數(shù)據(jù)匹配成功，則予以通過，若匹配失敗，則發(fā)出警報(bào)提示，通道不予開啟，從而保障學(xué)生的人身財(cái)產(chǎn)安全[3]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 樹莓派

樹莓派(Raspberry Pi)最初是為發(fā)展中國家并不富裕家庭的學(xué)生提供的替代品，意在讓他們以低廉的價(jià)格進(jìn)行計(jì)算機(jī)編程環(huán)境的開發(fā)學(xué)習(xí)[4]。而隨著產(chǎn)品的迭代，其功能也越來越強(qiáng)大，現(xiàn)已得到廣泛應(yīng)用，如智能機(jī)器人、網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、智能電視機(jī)頂盒、游戲機(jī)、家庭影院、網(wǎng)絡(luò)收音機(jī)等。對于實(shí)驗(yàn)工具來說，可以作為臺式電腦的主機(jī)，搭建Web 服務(wù)器，構(gòu)建個(gè)人網(wǎng)站，與多種外設(shè)傳感器相連接進(jìn)行開發(fā)等[5]。該文搭載了全新的樹莓派4B 作為硬件，其性能相比上一代有了巨大提升。特別在無線通信方面，搭配了2.4 GHz 和5.0 GHz IEEE 802.11ac 的無線網(wǎng)卡以及BLE 千兆以太網(wǎng)，大大提升了傳輸速度，解決了網(wǎng)上傳輸數(shù)據(jù)的問題[6]，其硬件參數(shù)如表1 所示。

表1 樹莓派硬件配置

1.2 攝像頭模塊

出于成本的考慮，加上樹莓派硬件4B的USB接口充足，可以使用UVC免驅(qū)的高清USB攝像頭[7]來滿足系統(tǒng)的需要。系統(tǒng)采用攝像頭的部分參數(shù)如表2所示。

表2 攝像頭部分參數(shù)

1.3 存儲模塊

采用外接SD 卡進(jìn)行系統(tǒng)、程序和數(shù)據(jù)的儲存。SD 卡具有存儲容量大、安全保密性強(qiáng)、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速度快、體積小等特點(diǎn)，是系統(tǒng)硬件不可或缺的一部分[8]。

1.4 供電模塊

考慮到系統(tǒng)供電的便利性，電源模塊采用USBC 接口供電，電壓為5 V，電流為2.5 A，輸出功率為15 W。為了避免功率不足可能會導(dǎo)致的各種各樣的問題，如死機(jī)、操作頁面忽明忽暗、USB 設(shè)備不工作等，因此需使用穩(wěn)定的電源適配器[9-11]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該文所用到的軟件系統(tǒng)采用基于Linux 系統(tǒng)開發(fā)的Raspbian Buster 系統(tǒng)。Raspbian Buster 默認(rèn)安裝了Python 的IDE 開發(fā)環(huán)境，UI 表現(xiàn)方面也比較簡潔，為系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)編程開發(fā)提供了便利。

2.1 環(huán)境搭建

1）下載Raspbian Buster 系統(tǒng)鏡像文件至計(jì)算機(jī)文件夾內(nèi)，用Win32Disklmager 軟件將系統(tǒng)鏡像文件燒錄至內(nèi)存卡，完成系統(tǒng)鏡像文件的寫入[12]。

2）為了便于進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄操作，還需要設(shè)置好系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程桌面連接。首先，在鏡像燒錄到內(nèi)存卡后，在卡中新建一個(gè)名為SSH 的空TXT 格式文件，再去掉.TXT 后綴變成一個(gè)空文件(SSH 是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于計(jì)算機(jī)之間的加密登錄，目前已成為Linux 系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置)，這樣系統(tǒng)在啟動時(shí)，便會自動打開SSH 功能；然后，在卡內(nèi)新建名為wpa_supplicant.conf 的TXT 文件，將要連接的網(wǎng)絡(luò)熱點(diǎn)的名稱與密碼的特殊協(xié)議文檔寫入此文件內(nèi)，寫入完成后同樣去掉.TXT 后綴，如圖1 所示，ssid 是熱點(diǎn)名稱，psk 是熱點(diǎn)密碼。配置完成后，當(dāng)系統(tǒng)啟動時(shí)便可以自動連接文件寫入的熱點(diǎn)[13-14]。

圖1 自動獲取無線熱點(diǎn)協(xié)議

3）將計(jì)算機(jī)端與硬件接入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過Advanced IP Scanner 獲取硬件IP 地址，并在PUTTY上寫入，然后登錄系統(tǒng)，輸入初始名稱及密碼便能進(jìn)入終端進(jìn)行操作了。若要進(jìn)行遠(yuǎn)程登錄操作，打開VNC 遠(yuǎn)程桌面軟件后輸入系統(tǒng)硬件的IP 地址后便可進(jìn)入圖形界面，此時(shí)連接的計(jì)算機(jī)就相當(dāng)于系統(tǒng)硬件的遠(yuǎn)程顯示屏以及外接的鍵盤鼠標(biāo)了。

2.2 算法設(shè)計(jì)

該文應(yīng)用程序采用Python 進(jìn)行開發(fā)。人臉的圖像在未處理前常常形態(tài)各異，在圖像中的位置也不盡相同。因此需要事先對圖像進(jìn)行處理，提高人臉識別的準(zhǔn)確率[15-16]。

1）首先將要檢測的人臉圖片灰度化。色彩對于找到人臉位置并無明顯作用，灰度化能夠有效降低光照、陰影的影響，增大識別準(zhǔn)確率，減少工作量；

2）通過圖像標(biāo)準(zhǔn)化裁剪進(jìn)行尺度歸一化處理來避免特征提取階段得到不同的結(jié)果，提高準(zhǔn)確率。設(shè)在X軸方向上的縮放比例為Cx，Y軸方向上的為Cy，則圖像的變化矩陣如式（1）所示：

經(jīng)過以上處理后，圖像可能會被放大，同時(shí)像素值也會增多。因此可以通過插值的方式來增加像素，使大小不同的人臉圖像經(jīng)過處理后得到統(tǒng)一。將矩形圖像上的四個(gè)頂點(diǎn)分別設(shè)為(x1，y1)、(x1，y2)、(x2，y1)、(x2，y2)，則在此圖像中，記任意一點(diǎn)為(x,y)，其灰度值f(x,y)的計(jì)算公式如（2）所示：

3）用方向梯度直方圖(HOG)提取人臉信息，它通過計(jì)算局部圖像特征的梯度并統(tǒng)計(jì)其方向梯度直方圖來描述圖像的特征，是一種非常有效的圖像特征描述子，廣泛應(yīng)用于各種識別場景中。提取圖像中的特征數(shù)據(jù)過程如下：首先，計(jì)算經(jīng)過灰度化處理后，圖像中各像素的梯度；然后，將圖像劃分為一個(gè)個(gè)小的細(xì)胞單元，劃分完成后統(tǒng)計(jì)每個(gè)單元的方向梯度直方圖來形成特征描述子；最后，通過將這些特征描述子串聯(lián)起來就可以得到所要進(jìn)行處理的圖像HOG 特征了。

4）將提取的特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的相匹配，設(shè)計(jì)閾值，超過此閾值便可認(rèn)為人臉匹配。系統(tǒng)采用了Dlib 庫，它可以找到人臉特征點(diǎn)并定位，之后進(jìn)行圖像的幾何變換，將圖像中的特征點(diǎn)與模型中的相對齊。再經(jīng)過dlib_face_recognition_resnet_model_v1.dat 模型處理后得到128 維向量以此來判斷是否是同一張人臉。庫中的Haar 特征如圖2 所示，它是一種黑白矩陣在圖像的某一區(qū)域中灰度級數(shù)之差，有三種類型，運(yùn)算結(jié)果反映了圖像某個(gè)局部的灰度變化。庫中所用到的模型是一個(gè)具有29 個(gè)轉(zhuǎn)換層的ResNet 網(wǎng)絡(luò)。ResNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 Haar特征

圖3 ResNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)過程

完成上述鏡像的燒錄和系統(tǒng)的設(shè)置后，系統(tǒng)初始環(huán)境內(nèi)已經(jīng)配置好了Python2.7 和Python3.7 環(huán)境。該文在Python3.7 版本下安裝Opencv4.0.0 版本和常用的圖像工具包，并配置CMake 編譯環(huán)境，同時(shí)在系統(tǒng)上安裝好需要的face_recognition 庫，這樣就完成了實(shí)現(xiàn)人臉識別過程的所有準(zhǔn)備工作了。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖4 所示。

圖4 人臉識別過程

2.4 主要代碼分析

3 系統(tǒng)測試

該文在完成了系統(tǒng)硬件和軟件平臺的搭建以及程序的編寫后，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了測試，測試中選擇了四組樣本數(shù)據(jù)。首先，將要進(jìn)行人臉識別的對象的jpg 格式照片存儲進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)，然后放在系統(tǒng)上運(yùn)行，系統(tǒng)初始化程序結(jié)束后，進(jìn)入該文設(shè)計(jì)的人臉識別程序，測試結(jié)果如圖5 所示，數(shù)據(jù)測試結(jié)果如表3 所示。測試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對人臉的識別，確認(rèn)人員身份信息，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的門禁人臉識別的要求。

圖5 測試結(jié)果

表3 數(shù)據(jù)測試結(jié)果

4 結(jié)論

該文基于樹莓派硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套人臉識別系統(tǒng)，并提供了詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)過程。該系統(tǒng)的識別正確率高，硬件成本低，可操作性高，保障了疫情期間宿舍學(xué)生生命財(cái)產(chǎn)的安全問題，大大提高了公眾場合的安全性，并為后續(xù)人臉識別系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用提供了一定的參考。