人臉識別智能宿舍管理系統(tǒng)研究開發(fā)

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摘要：無線網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能管理系統(tǒng)已應(yīng)用在各個領(lǐng)域，本文從人臉識別系統(tǒng)的識別原理，系統(tǒng)構(gòu)成與運(yùn)算處理方式介紹了人臉識別系統(tǒng)的構(gòu)建，并結(jié)合宿舍智能化管理平臺融合人臉識別的開發(fā)講解了人臉識別的智能化宿舍管理系統(tǒng)設(shè)計程序，平臺設(shè)計內(nèi)容等相關(guān)信息。

關(guān)鍵詞：人臉識別；宿舍管理；智能化管理

引言

目前人臉識別技術(shù)已經(jīng)非常廣泛，刷臉的應(yīng)用已經(jīng)體現(xiàn)出此項(xiàng)技術(shù)的成熟，而利用這項(xiàng)成熟的技術(shù)，稍做調(diào)整連接到已知數(shù)據(jù)庫人員信息就可直接應(yīng)用到已有的管理系統(tǒng)中。為保證宿舍內(nèi)的安全，防止陌生人進(jìn)入，現(xiàn)簡單介紹人臉識別與宿舍管理系統(tǒng)的開發(fā)。

1人臉識別

人臉識別是通過電子設(shè)備采集的人像，利用面部特征信息進(jìn)行身份驗(yàn)證的一種仿生技術(shù)。利用照相機(jī)、手機(jī)、攝像機(jī)等電子設(shè)備的攝像頭拍攝采集圖像，并從圖像中辨識人臉跟蹤檢測，對檢測到的人臉進(jìn)行辨認(rèn)的一系列技術(shù)手段，叫作人臉識別通俗叫為刷臉[1]。

1.1幾何特征的人臉識別方法

人臉幾何特征識別是針對臉型與五官眼睛、鼻子、嘴巴等面部器官形狀樣式大小，以及相互之間的距離尺寸，這種判斷方式應(yīng)用的算法簡單，人臉識別快速，而且占用系統(tǒng)內(nèi)存等資源較少，但是缺點(diǎn)是可識別率較低，存在識別錯誤的風(fēng)險。

1.2基于特征臉識別方法

特征刷臉方法是使用人臉在低維空間的線性投影，將這些投影用作識別的特征矢量，這就是特征識別的基本思想。就是將同一張臉用不同的角度進(jìn)行投影，得出不同的檢測結(jié)果，得到一組新的正交基，再進(jìn)行按相似的方法進(jìn)行分類。保留其中重要的正交基，由這些基可以張成低維線性空間。通過投影方式得到新變換結(jié)果轉(zhuǎn)換到另一個空間，同一個類別的圖像分類到一起，差距較大的圖像會在維度上離得比較遠(yuǎn)，在受到圖像采集時的各種因素的影響，包括采集時的光照、拍攝的視角、選取的背景等不同，會造成同一個目標(biāo)的圖像都會產(chǎn)生很大的視覺信息上的不同。

1.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別方法

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別是對圖像降低分辨率，將圖像分成二維數(shù)組區(qū)域，每個區(qū)域按照統(tǒng)一的等比抽取方式將人臉圖像進(jìn)行二階矩采集。這類方法相對于傳統(tǒng)的方式同樣采集面部信息，需要的樣本相對減少，同時辨別的數(shù)據(jù)減少但檢測的可靠性并沒有過多的影響，現(xiàn)在應(yīng)用中是一種十分高效的方式。人臉識別的有方法很多，除以上介紹的一些經(jīng)典方式外，還有彈性圖匹配的人臉識別方法，線段距離的人臉識別方法，以及支持向量機(jī)的人臉識別方法，當(dāng)前的控制系統(tǒng)中多采用多方法的融合的方式進(jìn)行辨別計算，以提高識別率。

2面部識別系統(tǒng)

人臉識別系統(tǒng)主要包括四個過程組成：攝像頭采集人臉圖像，在采集的圖像中進(jìn)行視頻圖像幀提取，對提取的圖像首先給予處理再進(jìn)行定位檢測，定位后的人臉圖像經(jīng)過歸一化的特征處理就可以與數(shù)據(jù)庫內(nèi)進(jìn)行比對，輸出對比結(jié)果。舉例說明通過在OpenCV中處理視頻，CvCapture結(jié)構(gòu)包含從攝像機(jī)或視頻文件中讀取幀所需的信息。

2.1人臉圖像采集及檢測

攝像頭根據(jù)外側(cè)移動物體在通過特征識別的方式對人臉進(jìn)行識別并采集靜態(tài)與動態(tài)圖像，根據(jù)位置角度的不同抓取采集多張畫面，從中選出位置最佳的人臉圖像，當(dāng)攝像頭內(nèi)出現(xiàn)圖像變化時，采集設(shè)備就會根據(jù)人臉特征搜索圖像中的人臉位置截取轉(zhuǎn)換為電子照片。人臉識別的預(yù)處理過程主要是對人臉檢查，在采集到的圖像中辨別人臉位置輪廓并標(biāo)記截取。人臉圖像特征豐富，利用這些特征實(shí)現(xiàn)人臉檢測，并把這其中有用的數(shù)據(jù)信息記錄。通常采集圖像中的顏色、模板樣式、結(jié)構(gòu)比例及Haar轉(zhuǎn)換為直方圖以表象特征，基本上是把一些數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分成直方圖類比的方式初步判斷。

2.2人臉圖像預(yù)處理

采集的人臉圖像首先進(jìn)行預(yù)處理，減少不必要的干擾信源，降低運(yùn)算對比量，提高識別效率。對于人臉的圖像預(yù)處理基本是在圖像中將人臉識別出來的一個檢測過程，去除周圍背景，剪輯出面部結(jié)構(gòu)圖像，主要根據(jù)顏色，灰度，對比度以及結(jié)構(gòu)特征，去除原始圖像由于受到各種條件的干擾信息，獲取理想圖像，并進(jìn)行對面部的校正，濾波與銳化處理，得到獨(dú)立完整的面部信息。

2.3人臉圖像特征提取

人臉特征提取就是針對人臉的面部結(jié)構(gòu)特有的一些特征進(jìn)行提取，主要分為圖像外觀視覺特征、圖像像素色彩、灰度統(tǒng)計、圖像變換系數(shù)、圖像維度的代數(shù)等。[2]面部特征提取也就是人臉表面外觀特征的提取，它是對人臉特征采用數(shù)學(xué)算法建立模型的過程。面部特征提取的分為表征方提取法和代數(shù)特征統(tǒng)計法。特征提取方法主要是依照面部器官的分部描述出個部位的距離以及器官對于面部的大小比例。人臉由眼、耳、鼻、口的五官與臉蛋下巴等構(gòu)成，對這些是依靠幾何描述建立的局部特征和結(jié)構(gòu)關(guān)系模型，可作為重要因素對特征識別，屬于幾何模型特征模板匹配法。

2.4人臉圖像匹配

人臉圖像匹配是通過對采集的人臉信息與預(yù)設(shè)人臉信息進(jìn)行對比，比較各數(shù)據(jù)差異在設(shè)定閾值內(nèi)，也就是采集信息與對比信息差異度未超出設(shè)定范圍，則判定匹配結(jié)果正確，對比數(shù)據(jù)為人臉信息預(yù)處理后建立的特征模型數(shù)據(jù)。但根據(jù)人臉的相似性與易變性這個閾值的設(shè)定非常關(guān)鍵，過大會造成識別錯誤，太小又會無法識別。因此在設(shè)計識別系統(tǒng)時，每個硬件精度與軟件算法都非常關(guān)鍵。人臉相似性：人臉在性質(zhì)上看不同個體之間的區(qū)別并不是不很大，且所有的人的臉部結(jié)構(gòu)都是一樣的，只是相互之間的細(xì)微尺寸、比例、結(jié)構(gòu)有所不同，甚至人臉上的各個器官的外形都非常的相似，面部結(jié)構(gòu)也都相同。結(jié)合這一特點(diǎn)對于鎖定人體面部器官，利用人臉結(jié)構(gòu)進(jìn)行鎖定非常準(zhǔn)確，但是對于不同人臉識別是有難度的。人臉易變性：人臉的外形通過不同表情表現(xiàn)出很不穩(wěn)定，通過臉部不同部位的肌肉的變化產(chǎn)生器官結(jié)構(gòu)位置的變化的多種表情，包括在不同角度觀察出現(xiàn)的投影都是不一樣的；另外，人臉在識別過程中還受外界環(huán)境因素影響很大，光線明暗度以及頭發(fā)眉毛胡須也是不相同的，也會受到年齡等多方面因素的影響。因此在人臉識別過程中，需要考慮的因素很多，要建立各種算法在人臉識別中，以消除面部的相似性與多變性。

3智能宿舍管理系統(tǒng)

針對宿舍人員密集，進(jìn)出頻繁的現(xiàn)象，利用人臉識別系統(tǒng)進(jìn)行管理是最為安全高效的，主要將原有宿舍的管理進(jìn)行系統(tǒng)功能要求的描述，并設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，對數(shù)據(jù)庫與系統(tǒng)功能建立連接并生產(chǎn)項(xiàng)目管理器（數(shù)據(jù)庫和表的建立，表單與代碼設(shè)計，報表的設(shè)計，菜單的設(shè)計，程序設(shè)計）建立一個完整的管理系統(tǒng)與面部識別系統(tǒng)完全融合，達(dá)到無人智能化管理的效果。開發(fā)環(huán)境采用VisualC++，OpenCV與SQLserver軟件進(jìn)行設(shè)計開發(fā)。

3.1宿舍人臉簽到管理

通過人臉識別系統(tǒng)，達(dá)到進(jìn)出人員在宿舍考勤簽到時間登記系統(tǒng)，自動識別記錄人員進(jìn)出數(shù)量，統(tǒng)計人員回歸考勤信息，生成宿舍管理報表。無需手動簽字或排隊刷卡和設(shè)備操作，既節(jié)約了操作等待的時間又避免了打卡設(shè)備的安裝維護(hù)工作，也防止代打卡進(jìn)入的行為造成管理混亂的情況發(fā)生。同時在后臺管理系統(tǒng)中可以直接進(jìn)行搜索報表查詢，每日進(jìn)出時間，目前宿舍內(nèi)人員數(shù)量等基礎(chǔ)統(tǒng)計信息。

3.2個人信息登記系統(tǒng)

通過前端的人臉識別，信息抓取系統(tǒng)的完成，對后臺信息也要建立強(qiáng)大的運(yùn)算對比能力，并建立完整而完善的數(shù)據(jù)庫信息項(xiàng)目，避免遺漏任何一個有用的信息，且不宜過于繁雜造成系統(tǒng)運(yùn)算工作繁重，產(chǎn)生緩慢滯后現(xiàn)象，造成系統(tǒng)崩潰。一個完善的數(shù)據(jù)庫需要建立在信息需求的基礎(chǔ)上，且分塊存儲，利用程序進(jìn)行各數(shù)據(jù)的連接達(dá)到區(qū)塊化管理，系統(tǒng)化連接的結(jié)構(gòu)模型。也會方便于日后的維護(hù)與項(xiàng)目升級工作。對于數(shù)據(jù)庫因分區(qū)塊建立列表的方式，將每種類型的數(shù)據(jù)建立一個表格，此項(xiàng)目采用SQLServer軟件管理全部數(shù)據(jù)信息。采集信息與數(shù)據(jù)對比代碼如下：

3.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建

建立人臉識別系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示，后臺數(shù)據(jù)庫的管理存儲，前端與后臺管理系統(tǒng)軟件完成后，就需要建立一個程序?qū)蓚€信息的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行管理[3]。并且防止數(shù)據(jù)信息泄漏，建立結(jié)構(gòu)采用分區(qū)域網(wǎng)關(guān)機(jī)方式進(jìn)行設(shè)計，同時對于智能化管理信息提醒功能，也是通過數(shù)據(jù)庫內(nèi)記錄優(yōu)化后的信息實(shí)時更新刷新，保證提醒信息的準(zhǔn)確性，防止造成信息錯亂而產(chǎn)生誤操作。達(dá)到靈活設(shè)置提醒策略，實(shí)現(xiàn)作息時間異常提醒，公寓訪客人員信息保存，納入全校動態(tài)布控系統(tǒng)。

4結(jié)語

智能化管理宿舍系統(tǒng)結(jié)合人臉識別系統(tǒng)，可以方便管理宿舍入住人員，對于宿舍入住、調(diào)整信息可以集中辦理，采集信息后各宿舍可通過人臉識別門禁功能達(dá)到無人值守宿舍，達(dá)到進(jìn)出時間記錄，并根據(jù)人員預(yù)約的提醒信息，對進(jìn)入人員進(jìn)行預(yù)約提醒，防止忘記誤事，進(jìn)一步可以保證宿舍內(nèi)的安全。

參考文獻(xiàn)：

[1]甘澎,鮑蓉.高校宿舍管理中人臉識別系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J].數(shù)字化應(yīng)用,2019,25(44):155-156.

[2]孫殿波,曾慶虎.信息化人臉識別技術(shù)在高校管理中的應(yīng)用研究[J].赤峰學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版）,2018(8):75-76.

[3]王萍.人像識別技術(shù)在高校管理中的應(yīng)用研究——以三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院為例[J].信息與電腦.2019(19):106-108.

[4]宿靜宜,劉久付,楊明海.采用人臉身份識別的智慧門禁系統(tǒng)[J].軟件導(dǎo)刊,2019(4):32-35.

作者：羅莎 單位：北海職業(yè)學(xué)院