該文提出了一種在門禁系統(tǒng)中利用人臉識別技術(shù)與指紋識別技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行身份驗(yàn)證的設(shè)計方案。實(shí)驗(yàn)表明,結(jié)合兩種技術(shù)將會提高身份識別的安全性和有效性,能有效地解決傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的不足之處。

1 綜合門禁系統(tǒng)設(shè)計方案

本文所設(shè)計的門禁系統(tǒng)由一個服務(wù)器和兩個門禁控制器組成, 一個門禁控制器在通過攝像頭采集人臉圖像的同時另一個可以通過指紋采集儀采集指紋信息。管理服務(wù)器軟件并行連接兩個門禁識別器軟件,通過USB 接口實(shí)現(xiàn)相互通信,服務(wù)器端軟件對兩個門禁識別器軟件的連接實(shí)現(xiàn)多線程處理。

系統(tǒng)基于嵌入式WindowsXP 平臺開發(fā),有體積小,專用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

圖像采集端利用DirectShow 技術(shù)對攝像頭進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)視頻圖像的預(yù)覽,并在預(yù)覽的過程中對實(shí)時的視頻進(jìn)行抓拍,將抓拍圖像傳至嵌入式計算機(jī)主板,由基于PCA 和BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識別軟件進(jìn)行識別處理。

指紋采集端由指紋采集儀獲取用戶指紋,并通過封裝在識別器內(nèi)部的指紋處理模塊進(jìn)行指紋比對。門禁控制器包括AT89S52 芯片MBF200 識別模塊、液晶顯示器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤、電源和電控鎖等部分組成。

本識別系統(tǒng)軟件在Windows 平臺上采用VC++ 6.0 進(jìn)行開發(fā), 全部核心算法都采用模塊化設(shè)計,提高了算法的可移植性。整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 整體結(jié)構(gòu)框圖

2 人臉識別

2.1 PCA 對人臉圖像的特征提取

由于攝像頭采集的人臉圖片的信息量往往很大,直接處理會產(chǎn)生龐大的計算量,所以在人臉識別之前要進(jìn)行特征提取。在降低特征空間的維數(shù)的同時,盡可能地保留識別信息,以達(dá)到有效分類。

本系統(tǒng)使用主成分分析算法實(shí)現(xiàn)對人臉圖像的特征提取。主成分分析(principal component analysis, PCA)是多元統(tǒng)計分析中用來分析數(shù)據(jù)的一種方法,它是用一種較少數(shù)量的特征對樣本進(jìn)行描述以達(dá)到降低特征空間維數(shù)的方法,方法的基礎(chǔ)是Karhunen-Loeve展開式。K-L 變換的最大優(yōu)點(diǎn)是去相關(guān)性好。這樣可以將圖像中大量無關(guān)的冗余信息去除,降低了之后運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜度,同時也提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練效率和收斂率。采用PCA 進(jìn)行人臉特征提取的一般方法是:

設(shè)有N 個訓(xùn)練樣本,每個由其像素灰度組成一個向量xi,則樣本圖像像素數(shù)即為向量xi的維數(shù),M=width × height (行像素數(shù)×列向量數(shù)),由向量構(gòu)成的樣本集為{x1,x2,...,xn},該樣本集的平均向量為:

協(xié)方差矩陣可表示為:

求協(xié)方差矩陣C 的特征向量ei和對應(yīng)的特征值λi.由大于λm的λi對應(yīng)的特征向量構(gòu)成主成分,主成分構(gòu)成的變換矩陣為:

在實(shí)際的人臉識別過程中,對于一個輸入的測試樣本x,求它與平均臉之間的偏差y=x-x 則在特征臉空間的投影可表示為系數(shù)向量:

(4)式中z 為K-L 變換的展開系數(shù)向量,為m×1 維。這樣一個臉部圖像就可以用較低維的系數(shù)向量表示,從而實(shí)現(xiàn)了用低維向量表征原始人臉圖像?？梢赃x取對應(yīng)特征值最大的前m 個特征向量,使得:

在式(5)中可以選取鄣=90%,從而使得樣本集在前m 個軸上的能量占整個能量的90%以上。

2.2 利用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對人臉圖像進(jìn)行識別

BP 網(wǎng)絡(luò)是一種單向傳播的多層前向網(wǎng)絡(luò)。(3 層的BP 網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1)。BP 學(xué)習(xí)算法稱為"誤差逆?zhèn)鞑ニ惴?,基本思想是通過網(wǎng)絡(luò)誤差函數(shù)的極小值來調(diào)整權(quán)重分布使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂于穩(wěn)定狀態(tài),從而使網(wǎng)絡(luò)在接受未知輸入時也會給出適當(dāng)?shù)妮敵觥?

系統(tǒng)采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對人臉識別的的具體過程有以下幾步:

1)產(chǎn)生一個訓(xùn)練集,訓(xùn)練集用于BP 網(wǎng)絡(luò)在模式識別方面訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò),使網(wǎng)絡(luò)能夠按照學(xué)習(xí)算法調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù),以達(dá)到學(xué)習(xí)的目的。如果在實(shí)際應(yīng)用中,人臉的樣本可能只有1,2 個,這樣就會導(dǎo)致BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本缺乏,所以在應(yīng)用中應(yīng)有充分人臉對象的樣本采集。

2)設(shè)計BP 網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行訓(xùn)練。網(wǎng)絡(luò)的每一個輸入節(jié)點(diǎn)對應(yīng)于樣本的一個特征,而輸出節(jié)點(diǎn)數(shù)等于類別數(shù)。設(shè)計好網(wǎng)絡(luò)層數(shù),隱藏層神經(jīng)元數(shù)及所期望的網(wǎng)絡(luò)誤差,學(xué)習(xí)速率后, 用上述主分量分析法得到的特征樣本對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反復(fù)訓(xùn)練, 直到對所有訓(xùn)練樣本,網(wǎng)絡(luò)都能給出滿意的結(jié)果時,學(xué)習(xí)訓(xùn)練完成(如圖2)。

圖2

3)進(jìn)行識別。在此階段,當(dāng)一個未知類別樣本A 作為一個測試樣本作用到輸入端時,經(jīng)過投影后得到特征矩陣Y,利用訓(xùn)練好的網(wǎng)絡(luò)分類器對其進(jìn)行分類,考察各輸出節(jié)點(diǎn)的輸出,從而識別出所屬類別。

2.3 人臉識別結(jié)果

為驗(yàn)證系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)中采用Yale 人臉數(shù)據(jù)庫,該數(shù)據(jù)庫由美國耶魯大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室采集,包括15 個人的每人11 張人臉灰度圖像,共計165 張。它們是在不同時間、光照略有變化、不同表情(眼睛張或閉,笑或不笑)以及不同臉部細(xì)節(jié)(有眼鏡或沒眼鏡)下獲取的。

每張圖像的尺寸為128×128 像素, 比較充分地反應(yīng)了同一個人不同人臉圖像的變化和差異。將圖像庫中的人臉圖像分為兩組,其中150 張為訓(xùn)練樣本,另外15 張為測試樣本。實(shí)驗(yàn)中,訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需時間平均為10秒,人臉的識別過程所需的時間平均為0.5 s,對于合法用戶的識別率為89%,非法用戶的識別率可達(dá)95%.

圖3

3 指紋識別

指紋識別傳感器采用富士通公司推出的一款先進(jìn)的固態(tài)指紋傳感器MBF200,它除可自動檢測指紋外,還帶有多種接口模式,為電容性傳感器,其電容性傳感器陣列由二維金屬電極組成,所有金屬電極充當(dāng)一個電容板,接觸的手指充當(dāng)?shù)? 個電容板,器件表面的鈍化層作為兩板的絕緣層。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時,指紋的高低不平就會在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容,從而引起二維陣列上電壓的變化,并形成指紋傳感圖像。采用標(biāo)準(zhǔn)COMS 技術(shù)的電容性固態(tài)器件,具有500 dpi 的分辨率,傳感器面積為1.28 cm×1.50 cm.具有自動指紋檢測能力,內(nèi)含8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,可提供3 種總線接口形式。5V 工作電壓下的功耗小于70 mW.指紋采集時間不超過0.5s;指紋識別比對時間不超過0.5s/枚;指紋誤識率小于0.001%。

指紋識別算法實(shí)現(xiàn)為:1)提取脊線方向,脊線頻率。2)經(jīng)過GABOR 濾波,減弱噪聲、改善圖像質(zhì)量,以便于特征提取。3)特征提取。4.與指紋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行特征匹配并得出結(jié)果。大致流程如圖4 所示。

圖4 流程圖

4 實(shí)驗(yàn)

判別流程:門禁控制器通過攝像頭捕獲到人臉圖像,并把該圖像發(fā)送到服務(wù)端進(jìn)行人臉識別。通過指紋采集儀獲取用戶指紋,并通過封裝在控制器內(nèi)部的指紋模塊進(jìn)行指紋比對。若人臉識別通過,指紋識別也通過,則判斷用戶有該門的權(quán)限并開門。若人臉識別通過,指紋識別未通過,則要求請求者再測一次。若人臉識別未通過,指紋識別也未通過,則不開門。其基本流程如圖5 所示。

圖5 基本流程圖

5 結(jié)果

本系統(tǒng)的測試方法為:在相同光照條件下,對已注冊的用戶分別進(jìn)行10 次進(jìn)門操作,對未注冊的用戶分別進(jìn)行10 次進(jìn)門操作。系統(tǒng)設(shè)置識別方式為人臉識別、指紋識別串行執(zhí)行。測試記錄用戶每次進(jìn)門操作識別成功與否,使用何種識別方式識別通過等信息,統(tǒng)計測試系統(tǒng)的性能。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看,人臉識別率達(dá)到93%,而人臉加指紋的識別率達(dá)到98%,并且沒有出現(xiàn)錯誤接受的情況,但由于測試數(shù)據(jù)量比較小,在實(shí)際運(yùn)行中,可能會出現(xiàn)錯誤接收的情況,從測試情況來看,錯誤接受率不會高于0.01%.

6 結(jié)論

傳統(tǒng)PCA 方法在處理人臉圖像時,要將二維圖像矩陣轉(zhuǎn)換成一維的列向量,使圖像的維數(shù)達(dá)到上萬維,計算工作量大,特征提取速度慢。針對PCA 算法的不足,也有研究者提出了獨(dú)立分量分析法(ICA,Independent Component Analysis),在這些方面仍有待作進(jìn)一步探索。

而且雖然BP 網(wǎng)絡(luò)得到了廣泛應(yīng)用,但其自身也存在一些缺陷和不足,主要包括網(wǎng)絡(luò)的收斂速度慢,且存在局部最小值問題?？刹捎米兓膶W(xué)習(xí)速率或自適應(yīng)的學(xué)習(xí)速率以及附加動量法加以改進(jìn)和解決[5].將指紋識別與人臉識別相結(jié)合,進(jìn)行人臉圖像的一對一比對,所以識別速度更快,合法用戶與非法用戶的識別率均較高,提高了身份驗(yàn)證的安全性和有效性。人臉和指紋這兩個生物特征都具有很好的抗干擾性和不怕遺失的特性,而且識別率也非常,可以很好的解決傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)如IC 卡門禁所存在的不足,達(dá)到減少人為因素對門禁系統(tǒng)的影響的目的。因此,智能門禁系統(tǒng)適用于高度機(jī)密性場所安全保護(hù)和高效率管理的需要,同時也適用于大規(guī)模用戶進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的身份鑒別的需要。