人脸识别技术的门禁系统设计与实现

　　引言 

　　近年来，数字图像技术的应用范围越来越广泛，运用生物识别技术的身份验证则更是由于其在公安(罪犯识别等) 、安全监控系统[1]、信用卡验证等方面的巨大应用前景而越来越成为当前人工智能领域的一个研究热点。这其中，利用人脸特征进行身份验证又是最自然最直接的手段，相比于指纹、视网膜、虹膜、基因等其它人体生物特征，它具有直接、友好、方便的特点，更易于为用户所接受，因此备受关注。 

　　人脸识别技术是根据人的脸面特征唯一性特点而进行的个体识别和确认技术。人的面部特征的唯一性，可以在脸上某一单一器官或部位上得以人脸识别技术的门禁系统设计与实现 体现，更重要的是可在这些单一特征之间的位置、距离、角度、数量、形状和模式等相互关系上得以体现，而且这些面部特征都具有一定的稳定性。当验证某人的身份时，只要通过某种设备摄录下他的面部生物学特征，与事先已经储存着的相关样本特征进行比较，几秒钟内即可完成识别。同许多生物识别技术一样，人的面部识别技术是近几年在全球范围内迅速发展起来的一项安全技术。它依靠面部的二维或三维图像处理和模式识别来实现鉴别或验证个体身份目的，具有非接触性、对被识别对象侵扰少和识别手段隐蔽等特点，在反恐、跟踪、追逃、打拐、出入口控制、银行管理等许多领域都有着独特 的应用价值。 

　　利用人脸识别技术和视频监控技术开发的门禁系统，可广泛适用于智能管理系统(智能大楼、高级住宅门禁系统)、银行及金库门安全系统、医院血液中心身份管理系统等高可靠性、高安全性的场所。这无疑将成为21世纪远程监控的新发展趋势，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜力。 

　　图1 人脸识别流程图 

　　支持向量机的人脸识别算法 

　　人脸识别应包含学习和识别两个阶段，其流程如图1所示。训练阶段建立支持向量机分类模型，主要步骤为对人脸图像预处理，获得人脸区域再利用肤色和几何特征，获得人脸特征向量训练集。由人脸特征向量训练集建立个体用户的支持向量机分类模型。识别阶段主要步骤为首先由待识别者所声称的身份，确定所要使用的支持向量机分类模型，同时对待识别者的人脸图像进行预处理，获得人脸区域，再利用肤色和几何特征提取人脸特征向量，将该向量输入到所确定的支持向量机模型进行分类，以确定待识别者声称的身份真实与否。 

　　系统的组成和功能 

　　门禁系统的组成结构 

　　本系统由摄像控制模块、报警驱动控制模块和显示录像模块、门锁控制模块四部分组成[2]。摄像控制模块主要完成人脸图像的采集、验证、登记使用人员的人脸图像，取消人脸和重置使用，以及设定管理人员的权限。摄像控制模块主要完成各监视点(区)的图像传送与控制。报警驱动控制模块和门锁控制模块主要完成各控制点门的开启、报警等功能。显示录像模块进行实时显示和录像。门禁系统的结构如图2所示。主要包括:

　　①摄像头；
　　②RS232/485转换器；
　　③门控制器、配套电锁；
　　④WINDOWS98 驱动软件及用于图像显示、人脸采集处理和管理、驱动的多媒体应用软件平台。 

图2 门禁系统的结构图

　　人脸识别门禁系统的功能及通信协议 

　　本系统所依赖的摄像头通过接口与本系统的运行平台相连。基于人脸识别的门禁系统的接口需求可分为两个部分：应用编程接口和通讯协议。
 
　　应用编程接口 

　　本系统是作为一种软件部件的形式，嵌入到各种相关应用系统中去，为其提供安全的用户身份认证服务。为实现这一目的，本系统的客户部分需要以接口函数的形式提供注册、认证功能。

　　通信协议 

　　通讯协议就是通讯各方的约定，没有固定的格式方法，由开发商自行定义。在实际使用时，由于各种干扰因素，往往会发生误动作的情况，因此通讯协议必须能抵挡各种干扰因素。为了得到可靠的通讯协议，我们常常在要发送的数据前加同步位，发送的数据后加结束位，以及加入校验字节等等方法。本系统的网络通讯协议采用串口控制单片机，不直接与任何网络通讯硬件设备进行交互。本文中我们确定如下的通讯协议。 

　　1、数据为5个字节，第1字节表示数据校验位，第2字节表示数据校验位，第3字节表示数据校验位，第4字节表示数据位1，第5字节表示数据位2。
　　2、第1、2、3字节表示校验位，固定为“P”“Z”“K”；第4字节表示数据位。 
　　3、第4字节即数据1，位=1则继电器开，位=0则继电器1关。
　　4、第3字节即数据2，位=1则继电器开，位=0则继电器2关。
　　因此如果接收到数据PKZ11，首先判断第1 、2 、3 字节是否=“P”“K”“Z”，再判断第4、5字节，如果=11，则继电器开，即电控锁关。
 
　　本系统的目标是使人脸特征向量作为身份认证的手段，对用户进行认证，判断该用户是否为他(她)所声称的用户。因此，根据身份认证和人脸识别技术的特点，系统需要实现以下
功能。
　　(1)人脸检测和特征提取功能。
 
　　因为在人脸识别时只需要输入图像中人脸的特征向量，而通常输入的图像中除了人脸之外还有背景信息包含在里面，所以在进行人脸识别前的首要任务就是要从输入图像中将人脸特征向量提取出来。要能有实时的、基于视频流的人脸检测、跟踪和特征提取功能，有效地提取人脸特征向量。 

　　(2)人脸识别功能。
　　要能在提供用户口令和人脸图像信息的情况下实现迅速的身份认证，所以系统要具有实时、高效、准确的人脸识别功能。 

　　(3)数据库管理功能。
　　经常需要向用户信息数据库中添加、删除或修改用户信息，所以系统需要具有数据库管理功能，可以将用户信息保存到数据库中，并且可以修改或者删除数据库中信息。 

　　(4)人脸识别门禁系统还包括录像监控[3]、门禁控制和报警三大功能，每个功能由若干个相应的子模块实现。这些功能模块提供了人脸的采集、校验、信号的传送和驱动电路、考勤记录以及报警等功能。通过计算机可同时对若干个门禁通道和摄像机进行管理，能授权不同的修改权限。开门逻辑可设定为“一人开门”或“多人与开门”方式，即核查一人正确即可开门，或同时对俩人(或三人)的人脸进行“与”校验，结果正确方可驱动，否则，进行报警。

　　该系统的设计可充分满足某些特殊门禁管理的需要。对进出人员进出时间、门和电控锁的状态、报警情况进行记录、录像，人脸校验的工作流程如图3所示。报警功能即非法开门报警。当通过非法手段开门时，系统会输出“非法开门”报警信号，联动报警系统，保证系统安全可靠地运行。 

图3 人脸门禁（报警）的工作流程

　　人脸识别门禁系统的实现及其性能指标 

　　该系统采用微软公司的可视化编程工具Microso Visual Studio 2005作为开发平台，利用面向对象的分析和设计方法进行程序设计。在本文中，该系统主要属性有:人脸采集摄像头、控制面板、摄像机等。首先对各对象的属性建立需求模型[4]，然后，确定类和对象[5]所属的主题词，并按主题词划分子系统。 

　　利用面向对象技术实现人脸识别门禁系统的设计，根据P.Coad 和E.Yourdon 提出的面向对象设计模型，进行系统设计，它主要由“主体部件”、“用户界面部件”、“任务管理部件”和“数据管理部件”构成。考虑到人脸识别门禁系统由人脸采集、摄像以及驱动电路组成，当系统某个人脸采集摄像头被触发时，立即激活相应的模块，系统的设计完全展现了面向对象设计模型的方法。
 
　　软件界面 

　　根据面向对象的分析和设计方法，建立了相应的系统模型，利用C + +编程语言进行程序设计，运行界面由五部分组成。
 
　　(1)菜单区。进行系统的初始化设置和操作功能，由系统设置、校验、查询状态、打印、帮助五个菜单项组成。
　　(2)图像显示区。显示摄像机的图像信号。
　　(3)电控锁(门)状态显示区。显示电控锁(门)开启状态。
　　(4)状态条。进行系统日期、时间、报警的显示。
　　(5)按键控制区。进行摄像机的选择、云台控制和镜头控制等功能。 

　　性能指标 

　　(1)人像获取时间小于 2 秒，人像识别时间小于 2 秒；
　　(2)人像检测率 94.5%，错误拒绝率小于 2%，错误接受率小于 0.05%；
　　(3)光照条件：自然光照，普通灯光采光；
　　(4)视频输入：320×240 8bit 以上灰度图像；
　　(5)数据库容量：不限(仅取决于数据库的容量)，每人 1-9 幅样本图像。 

　　结语 

　　人脸识别门禁系统是一种全新的多功能系统，它克服了密码识别系统的局限，解决了传统密码识别系统容易被破解的缺陷，提高了系统的安全性、可靠性，本系统把人脸识别和录像监控技术有效地结合起来，功能更为完善，更具有商业价值。这种新兴的多媒体监控系统将逐步渗透到安全、生产、生活的方方面面。随着网络技术、通信技术及计算机技术的发展，它将得到更广泛的应用。