嵌入式人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    引言

    信息技術(shù)的迅猛發(fā)展給生活帶來便利的同時(shí)，也給安全防范系統(tǒng)提出來越來越高的要求。傳統(tǒng)的門鎖、防盜門、監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)等總是存在著攜帶不便、易遺失損壞、密碼易被破解等問題。于是，運(yùn)用生物特征識(shí)別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生。其中，人臉識(shí)別作為生物特征識(shí)別技術(shù)中最為直觀的一種識(shí)別方法，具有友好、隱蔽、簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)及擴(kuò)展性良好等其他識(shí)別技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢(shì)?；贏RM技術(shù)的嵌入式系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，軟硬件可裁剪，符合應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求， 對(duì)節(jié)約成本、提高穩(wěn)定性有極大地作用。

    1 開發(fā)方案與設(shè)計(jì)

    1．1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    根據(jù)嵌入式技術(shù)與人臉識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)及其在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用構(gòu)思，本系統(tǒng)確定了嵌入式人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的人臉識(shí)別子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行圖像采集、嵌入式處理和識(shí)別響應(yīng)三部分來研究。首先，通過攝像頭采集圖像信息；其次，從CPU處理速度、技術(shù)指標(biāo)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ARM920T內(nèi)核的$3C2440A芯片。開發(fā)方案中操作系統(tǒng)采用目前最新、最穩(wěn)定的自由軟件嵌入式Linux操作系統(tǒng)Ubuntu。前端的ARM板實(shí)現(xiàn)這兩項(xiàng)功能。最后，將人臉圖片傳入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行人臉識(shí)別，并反饋?zhàn)R別響應(yīng)信息。人臉識(shí)別的核心部分，如從數(shù)據(jù)圖片的檢索、識(shí)別等均在后臺(tái)完成。其開發(fā)方案的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。 

    1．2 內(nèi)核及操作系統(tǒng)選擇
    $3C2440A采用ARM920T內(nèi)核，集成如下片上功能：
    1)1．2V內(nèi)核，1．8V／2．5V／3．3V儲(chǔ)存器，3．3V擴(kuò)展I／O，16KB~令Cache(I—Cache)／16KB數(shù)據(jù)Cache (D—Cache)
    2)外部儲(chǔ)存控制器(SDRAM控制盒片選邏輯)
    3)集成LCD專用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(qǐng)求引腳的DMA控制器
    5)IIC總線接口(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(jī)控制／1路USB期間控制(ver1．1)
    10)4路PWM定時(shí)器／1路內(nèi)部定時(shí)器／看門狗定時(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(tái)，Ubuntu在Debian基礎(chǔ)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(tǒng)。它囊括了大量從Debian發(fā)行版精挑細(xì)選的軟件包， 同時(shí)保留了Debian強(qiáng)大的軟件包管理系統(tǒng)，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(tǒng)采用版本號(hào)為Ubuntu 8．10。它具有虛擬化、完整的Java堆棧、增強(qiáng)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客戶端等優(yōu)勢(shì)。

    1．3軟件流程設(shè)計(jì)

    ARM內(nèi)核和Ubuntu系統(tǒng)的選擇為系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)提供了基礎(chǔ)，系統(tǒng)軟件則完成系統(tǒng)功能的控制。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程如下，首先攝像頭進(jìn)行監(jiān)控，如果門前有移動(dòng)物體，進(jìn)行拍照，并依據(jù)圖像的亮度， 判斷是否需要調(diào)節(jié)光線，圖像處理后進(jìn)行自動(dòng)人臉檢測(cè)識(shí)別， 如果不是沒有找到匹配圖像，程序返回到攝像頭監(jiān)控狀態(tài)， 如果找到，開啟樓門； 如果沒有移動(dòng)物體，繼續(xù)監(jiān)控。若是來訪者， 則可以通過系統(tǒng)的其他方式，提出訪問申請(qǐng)，如果房中有人則由房內(nèi)人員控制打開大門；如果無人應(yīng)答，系統(tǒng)提示房中無人， 同時(shí)采集來人照片，通過郵件自動(dòng)發(fā)送功能， 向指定郵箱發(fā)送郵件，并記下來訪記錄。

    2 人臉識(shí)別模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

    本系統(tǒng)最關(guān)鍵的實(shí)現(xiàn)技術(shù)就是通過進(jìn)行人臉識(shí)別， 完成門禁控制。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(shù)據(jù)庫中所有的人臉進(jìn)行比對(duì)，并按照fisherface決策規(guī)則對(duì)該人臉進(jìn)行判別分類。

    根據(jù)輸入圖像的性質(zhì)，人臉檢測(cè)識(shí)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。根據(jù)嵌入式門禁系統(tǒng)硬件性能等自身特點(diǎn)對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)的要求，采用了第一大類的方法，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(shí)別方法進(jìn)行匹配。靜態(tài)方法簡(jiǎn)單、快捷、性價(jià)比高。

    2．1圖像采集及預(yù)處理

    通過USB接口的攝像頭采集過數(shù)據(jù)后，采用最基本的圖像增強(qiáng)手段對(duì)圖像進(jìn)行處理。圖像增強(qiáng)就是用一系列手段對(duì)取得的圖像灰度作修正，或者對(duì)噪聲作過濾，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，視覺效果更好。為了減少光線、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(cè)定位

    人臉檢測(cè)是指對(duì)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(duì)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(zhǔn)確和快速地檢測(cè)人臉區(qū)域是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)。

    目前，人臉檢測(cè)有兩大類方法：一類是基于知識(shí)的人臉檢測(cè)方法，一類是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的人臉檢測(cè)方法。統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)的方法是目前人臉檢測(cè)的主流方法，通過大量的人臉和非人臉樣本進(jìn)行訓(xùn)練，得到人臉圖像和非人臉圖像之間一些細(xì)微的差異。對(duì)于門禁系統(tǒng)而言，人臉檢測(cè)目標(biāo)區(qū)域背景相對(duì)比較簡(jiǎn)單，人臉數(shù)量和大小可以控制，大大降低了人臉檢測(cè)的難度。首先， 對(duì)人臉特征搜索定位；其次，對(duì)人臉區(qū)域幾何歸一化處理，再次，對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行特征提取。

    2．3人臉識(shí)別設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    人臉識(shí)別是一種高維數(shù)、小樣本數(shù)據(jù)的識(shí)別問題。對(duì)于該類問題，其難點(diǎn)在于訓(xùn)練樣本的數(shù)量很少，而以訓(xùn)練樣本的協(xié)方差矩陣作為模式協(xié)方差矩陣的估計(jì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生以下兩方面問題， 一個(gè)是會(huì)造成較大的偏差，另一個(gè)是會(huì)使類內(nèi)協(xié)方差矩陣奇異。

    為了解決類內(nèi)協(xié)方差矩陣奇異使得該矩陣不可逆的問題， 國內(nèi)外專家們提出了許多經(jīng)典算法。本系統(tǒng)采用．基于結(jié)構(gòu)化fisherface的人臉識(shí)別方法。它應(yīng)用了PCA與LDA的人臉識(shí)別過程，先由PCA對(duì)高維數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，獲得原樣本的最優(yōu)特征表示，并使樣本的類內(nèi)協(xié)方差矩陣非奇異，然后作線性判別分析。在采用線性鑒別分析之前，通過事先給定的線性變換來達(dá)到降低圖像向量的維數(shù)，從而消除了類內(nèi)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， 比特征臉方法的魯棒性強(qiáng)。在本系統(tǒng)中的人員信息采用SQlite數(shù)據(jù)庫技術(shù)統(tǒng)一管理。在人臉識(shí)別的過程中需要從人員數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)卡號(hào)和人臉特征數(shù)據(jù)。人員數(shù)據(jù)庫中存放人員的基本信息、人臉照片和人臉特征數(shù)據(jù)。其中人臉特征數(shù)據(jù)是進(jìn)行人臉識(shí)別的依據(jù)，而人臉照片只是作為顯示識(shí)別結(jié)果之用，并不參與識(shí)別過程。

    3 系統(tǒng)功能測(cè)試

    人臉識(shí)別功能利用國際上常用的ORL的人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行測(cè)試。ORL數(shù)據(jù)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(xùn)練，進(jìn)行識(shí)別測(cè)試。統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。 

    實(shí)驗(yàn)證明該算法是一種穩(wěn)定高效的算法，可以實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行門禁控制的功能。

    4 結(jié)束語

    嵌入式人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)因其非接觸式的數(shù)據(jù)采集、隱蔽性好、方便快捷、便于事后追蹤及可交互性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，在當(dāng)前科研及實(shí)際工程應(yīng)用中成為最熱門的研究主題之一。本系統(tǒng)就是作為鶴壁市科技局科研課題而開發(fā)實(shí)現(xiàn)的。基于ARM技術(shù)的嵌入式人臉識(shí)別門禁系統(tǒng)的實(shí)用性和應(yīng)用前景非常廣闊。