引言 

　　近年來，數(shù)字圖像技術(shù)的應(yīng)用范圍越來越廣泛，運用生物識別技術(shù)的身份驗證則更是由于其在公安(罪犯識別等) 、安全監(jiān)控系統(tǒng)[1]、信用卡驗證等方面的巨大應(yīng)用前景而越來越成為當(dāng)前人工智能領(lǐng)域的一個研究熱點。這其中，利用人臉特征進行身份驗證又是最自然最直接的手段，相比于指紋、視網(wǎng)膜、虹膜、基因等其它人體生物特征，它具有直接、友好、方便的特點，更易于為用戶所接受，因此備受關(guān)注。 

　　人臉識別技術(shù)是根據(jù)人的臉面特征唯一性特點而進行的個體識別和確認技術(shù)。人的面部特征的唯一性，可以在臉上某一單一器官或部位上得以人臉識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 體現(xiàn)，更重要的是可在這些單一特征之間的位置、距離、角度、數(shù)量、形狀和模式等相互關(guān)系上得以體現(xiàn)，而且這些面部特征都具有一定的穩(wěn)定性。當(dāng)驗證某人的身份時，只要通過某種設(shè)備攝錄下他的面部生物學(xué)特征，與事先已經(jīng)儲存著的相關(guān)樣本特征進行比較，幾秒鐘內(nèi)即可完成識別。同許多生物識別技術(shù)一樣，人的面部識別技術(shù)是近幾年在全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展起來的一項安全技術(shù)。它依靠面部的二維或三維圖像處理和模式識別來實現(xiàn)鑒別或驗證個體身份目的，具有非接觸性、對被識別對象侵擾少和識別手段隱蔽等特點，在反恐、跟蹤、追逃、打拐、出入口控制、銀行管理等許多領(lǐng)域都有著獨特 的應(yīng)用價值。 

　　利用人臉識別技術(shù)和視頻監(jiān)控技術(shù)開發(fā)的門禁系統(tǒng)，可廣泛適用于智能管理系統(tǒng)(智能大樓、高級住宅門禁系統(tǒng))、銀行及金庫門安全系統(tǒng)、醫(yī)院血液中心身份管理系統(tǒng)等高可靠性、高安全性的場所。這無疑將成為21世紀遠程監(jiān)控的新發(fā)展趨勢，具有廣泛的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力。 

　　圖1 人臉識別流程圖 

　　支持向量機的人臉識別算法 

　　人臉識別應(yīng)包含學(xué)習(xí)和識別兩個階段，其流程如圖1所示。訓(xùn)練階段建立支持向量機分類模型，主要步驟為對人臉圖像預(yù)處理，獲得人臉區(qū)域再利用膚色和幾何特征，獲得人臉特征向量訓(xùn)練集。由人臉特征向量訓(xùn)練集建立個體用戶的支持向量機分類模型。識別階段主要步驟為首先由待識別者所聲稱的身份，確定所要使用的支持向量機分類模型，同時對待識別者的人臉圖像進行預(yù)處理，獲得人臉區(qū)域，再利用膚色和幾何特征提取人臉特征向量，將該向量輸入到所確定的支持向量機模型進行分類，以確定待識別者聲稱的身份真實與否。 

　　系統(tǒng)的組成和功能 

　　門禁系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu) 

　　本系統(tǒng)由攝像控制模塊、報警驅(qū)動控制模塊和顯示錄像模塊、門鎖控制模塊四部分組成[2]。攝像控制模塊主要完成人臉圖像的采集、驗證、登記使用人員的人臉圖像，取消人臉和重置使用，以及設(shè)定管理人員的權(quán)限。攝像控制模塊主要完成各監(jiān)視點(區(qū))的圖像傳送與控制。報警驅(qū)動控制模塊和門鎖控制模塊主要完成各控制點門的開啟、報警等功能。顯示錄像模塊進行實時顯示和錄像。門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括:

　?、贁z像頭；
　?、赗S232/485轉(zhuǎn)換器；
　?、坶T控制器、配套電鎖；
　?、躓INDOWS98 驅(qū)動軟件及用于圖像顯示、人臉采集處理和管理、驅(qū)動的多媒體應(yīng)用軟件平臺。 

圖2 門禁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

　　人臉識別門禁系統(tǒng)的功能及通信協(xié)議 

　　本系統(tǒng)所依賴的攝像頭通過接口與本系統(tǒng)的運行平臺相連?；谌四樧R別的門禁系統(tǒng)的接口需求可分為兩個部分：應(yīng)用編程接口和通訊協(xié)議。
 
　　應(yīng)用編程接口 

　　本系統(tǒng)是作為一種軟件部件的形式，嵌入到各種相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)中去，為其提供安全的用戶身份認證服務(wù)。為實現(xiàn)這一目的，本系統(tǒng)的客戶部分需要以接口函數(shù)的形式提供注冊、認證功能。

　　通信協(xié)議 

　　通訊協(xié)議就是通訊各方的約定，沒有固定的格式方法，由開發(fā)商自行定義。在實際使用時，由于各種干擾因素，往往會發(fā)生誤動作的情況，因此通訊協(xié)議必須能抵擋各種干擾因素。為了得到可靠的通訊協(xié)議，我們常常在要發(fā)送的數(shù)據(jù)前加同步位，發(fā)送的數(shù)據(jù)后加結(jié)束位，以及加入校驗字節(jié)等等方法。本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議采用串口控制單片機，不直接與任何網(wǎng)絡(luò)通訊硬件設(shè)備進行交互。本文中我們確定如下的通訊協(xié)議。 

　　1、數(shù)據(jù)為5個字節(jié)，第1字節(jié)表示數(shù)據(jù)校驗位，第2字節(jié)表示數(shù)據(jù)校驗位，第3字節(jié)表示數(shù)據(jù)校驗位，第4字節(jié)表示數(shù)據(jù)位1，第5字節(jié)表示數(shù)據(jù)位2。
　　2、第1、2、3字節(jié)表示校驗位，固定為“P”“Z”“K”；第4字節(jié)表示數(shù)據(jù)位。 
　　3、第4字節(jié)即數(shù)據(jù)1，位=1則繼電器開，位=0則繼電器1關(guān)。
　　4、第3字節(jié)即數(shù)據(jù)2，位=1則繼電器開，位=0則繼電器2關(guān)。
　　因此如果接收到數(shù)據(jù)PKZ11，首先判斷第1 、2 、3 字節(jié)是否=“P”“K”“Z”，再判斷第4、5字節(jié)，如果=11，則繼電器開，即電控鎖關(guān)。
 
　　本系統(tǒng)的目標是使人臉特征向量作為身份認證的手段，對用戶進行認證，判斷該用戶是否為他(她)所聲稱的用戶。因此，根據(jù)身份認證和人臉識別技術(shù)的特點，系統(tǒng)需要實現(xiàn)以下
功能。
　　(1)人臉檢測和特征提取功能。
 
　　因為在人臉識別時只需要輸入圖像中人臉的特征向量，而通常輸入的圖像中除了人臉之外還有背景信息包含在里面，所以在進行人臉識別前的首要任務(wù)就是要從輸入圖像中將人臉特征向量提取出來。要能有實時的、基于視頻流的人臉檢測、跟蹤和特征提取功能，有效地提取人臉特征向量。 

　　(2)人臉識別功能。
　　要能在提供用戶口令和人臉圖像信息的情況下實現(xiàn)迅速的身份認證，所以系統(tǒng)要具有實時、高效、準確的人臉識別功能。 

　　(3)數(shù)據(jù)庫管理功能。
　　經(jīng)常需要向用戶信息數(shù)據(jù)庫中添加、刪除或修改用戶信息，所以系統(tǒng)需要具有數(shù)據(jù)庫管理功能，可以將用戶信息保存到數(shù)據(jù)庫中，并且可以修改或者刪除數(shù)據(jù)庫中信息。 

　　(4)人臉識別門禁系統(tǒng)還包括錄像監(jiān)控[3]、門禁控制和報警三大功能，每個功能由若干個相應(yīng)的子模塊實現(xiàn)。這些功能模塊提供了人臉的采集、校驗、信號的傳送和驅(qū)動電路、考勤記錄以及報警等功能。通過計算機可同時對若干個門禁通道和攝像機進行管理，能授權(quán)不同的修改權(quán)限。開門邏輯可設(shè)定為“一人開門”或“多人與開門”方式，即核查一人正確即可開門，或同時對倆人(或三人)的人臉進行“與”校驗，結(jié)果正確方可驅(qū)動，否則，進行報警。

　　該系統(tǒng)的設(shè)計可充分滿足某些特殊門禁管理的需要。對進出人員進出時間、門和電控鎖的狀態(tài)、報警情況進行記錄、錄像，人臉校驗的工作流程如圖3所示。報警功能即非法開門報警。當(dāng)通過非法手段開門時，系統(tǒng)會輸出“非法開門”報警信號，聯(lián)動報警系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠地運行。 

圖3 人臉門禁（報警）的工作流程

　　人臉識別門禁系統(tǒng)的實現(xiàn)及其性能指標 

　　該系統(tǒng)采用微軟公司的可視化編程工具Microso Visual Studio 2005作為開發(fā)平臺，利用面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法進行程序設(shè)計。在本文中，該系統(tǒng)主要屬性有:人臉采集攝像頭、控制面板、攝像機等。首先對各對象的屬性建立需求模型[4]，然后，確定類和對象[5]所屬的主題詞，并按主題詞劃分子系統(tǒng)。 

　　利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)實現(xiàn)人臉識別門禁系統(tǒng)的設(shè)計，根據(jù)P.Coad 和E.Yourdon 提出的面向?qū)ο笤O(shè)計模型，進行系統(tǒng)設(shè)計，它主要由“主體部件”、“用戶界面部件”、“任務(wù)管理部件”和“數(shù)據(jù)管理部件”構(gòu)成?？紤]到人臉識別門禁系統(tǒng)由人臉采集、攝像以及驅(qū)動電路組成，當(dāng)系統(tǒng)某個人臉采集攝像頭被觸發(fā)時，立即激活相應(yīng)的模塊，系統(tǒng)的設(shè)計完全展現(xiàn)了面向?qū)ο笤O(shè)計模型的方法。
 
　　軟件界面 

　　根據(jù)面向?qū)ο蟮姆治龊驮O(shè)計方法，建立了相應(yīng)的系統(tǒng)模型，利用C + +編程語言進行程序設(shè)計，運行界面由五部分組成。
 
　　(1)菜單區(qū)。進行系統(tǒng)的初始化設(shè)置和操作功能，由系統(tǒng)設(shè)置、校驗、查詢狀態(tài)、打印、幫助五個菜單項組成。
　　(2)圖像顯示區(qū)。顯示攝像機的圖像信號。
　　(3)電控鎖(門)狀態(tài)顯示區(qū)。顯示電控鎖(門)開啟狀態(tài)。
　　(4)狀態(tài)條。進行系統(tǒng)日期、時間、報警的顯示。
　　(5)按鍵控制區(qū)。進行攝像機的選擇、云臺控制和鏡頭控制等功能。 

　　性能指標 

　　(1)人像獲取時間小于 2 秒，人像識別時間小于 2 秒；
　　(2)人像檢測率 94.5%，錯誤拒絕率小于 2%，錯誤接受率小于 0.05%；
　　(3)光照條件：自然光照，普通燈光采光；
　　(4)視頻輸入：320×240 8bit 以上灰度圖像；
　　(5)數(shù)據(jù)庫容量：不限(僅取決于數(shù)據(jù)庫的容量)，每人 1-9 幅樣本圖像。 

　　結(jié)語 

　　人臉識別門禁系統(tǒng)是一種全新的多功能系統(tǒng)，它克服了密碼識別系統(tǒng)的局限，解決了傳統(tǒng)密碼識別系統(tǒng)容易被破解的缺陷，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性，本系統(tǒng)把人臉識別和錄像監(jiān)控技術(shù)有效地結(jié)合起來，功能更為完善，更具有商業(yè)價值。這種新興的多媒體監(jiān)控系統(tǒng)將逐步滲透到安全、生產(chǎn)、生活的方方面面。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，它將得到更廣泛的應(yīng)用。