引言

　　信息技術(shù)的迅猛發(fā)展給生活帶來便利的同時，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，運用生物特征識別技術(shù)的智能門禁系統(tǒng)就應(yīng)運而生,。其中,，人臉識別作為生物特征識別技術(shù)中最為直觀的一種識別方法，具有友好,、隱蔽,、簡便、準(zhǔn)確,、經(jīng)濟(jì)及擴(kuò)展性良好等其他識別技術(shù)不可比擬的優(yōu)勢,。基于ARM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)對功能、可靠性,、成本,、體積、功耗嚴(yán)格要求,， 對節(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

　　1.1總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　根據(jù)嵌入式技術(shù)與人臉識別技術(shù)的特點及其在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用構(gòu)思,，本系統(tǒng)確定了嵌入式人臉識別門禁系統(tǒng)的人臉識別子系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn),，進(jìn)行圖像采集、嵌入式處理和識別響應(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板實現(xiàn)這兩項功能。最后,，將人臉圖片傳入后臺數(shù)據(jù)庫進(jìn)行人臉識別,，并反饋識別響應(yīng)信息。人臉識別的核心部分,，如從數(shù)據(jù)圖片的檢索,、識別等均在后臺完成,。其開發(fā)方案的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計圖如圖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定時器/1路內(nèi)部定時器/看門狗定時器

　　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)作為一個基于GNU/Linux的平臺,，Ubuntu在Debian基礎(chǔ)之上， 旨在創(chuàng)建一個可以為桌面和服務(wù)器提供一個最新且一貫的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,， 同時保留了Debian強大的軟件包管理系統(tǒng)，以便簡易的安裝或徹底的刪除程序,。注重安全性和實用性,。本系統(tǒng)采用版本號為Ubuntu 8.10。它具有虛擬化,、完整的Java堆棧,、增強的郵件服務(wù)器能力、改進(jìn)的RAID支持,、Uncomplicated Firewall防火墻更加簡單,、捆綁Landscape客戶端等優(yōu)勢。

　　1.3軟件流程設(shè)計

　　ARM內(nèi)核和Ubuntu系統(tǒng)的選擇為系統(tǒng)功能的實現(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)計流程如下，首先攝像頭進(jìn)行監(jiān)控,，如果門前有移動物體,，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)行自動人臉檢測識別， 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,，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,， 同時采集來人照片,，通過郵件自動發(fā)送功能， 向指定郵箱發(fā)送郵件,，并記下來訪記錄,。

　　2 人臉識別模塊設(shè)計及實現(xiàn)

　　本系統(tǒng)最關(guān)鍵的實現(xiàn)技術(shù)就是通過進(jìn)行人臉識別， 完成門禁控制,。首先從靜態(tài)圖片或動態(tài)圖像中找到人臉,， 然后確定各特征點的位置并進(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,，并按照fisherface決策規(guī)則對該人臉進(jìn)行判別分類,。

　　根據(jù)輸入圖像的性質(zhì)，人臉檢測識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對人臉識別技術(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別方法進(jìn)行匹配,。靜態(tài)方法簡單、快捷,、性價比高,。

　　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手段對圖像進(jìn)行處理,。圖像增強就是用一系列手段對取得的圖像灰度作修正,，或者對噪聲作過濾，使得圖像灰度與實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人臉檢測定位

　　人臉檢測是指對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,、準(zhǔn)確和快速地檢測人臉區(qū)域是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的一項關(guān)鍵任務(wù),。

　　目前,，人臉檢測有兩大類方法：一類是基于知識的人臉檢測方法，一類是基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的人臉檢測方法,。統(tǒng)計學(xué)習(xí)的方法是目前人臉檢測的主流方法,，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,。對于門禁系統(tǒng)而言,，人臉檢測目標(biāo)區(qū)域背景相對比較簡單，人臉數(shù)量和大小可以控制,，大大降低了人臉檢測的難度,。首先， 對人臉特征搜索定位;其次,，對人臉區(qū)域幾何歸一化處理,，再次，對檢測到的人臉進(jìn)行特征提取,。

　　2.3人臉識別設(shè)計與實現(xiàn)

　　人臉識別是一種高維數(shù),、小樣本數(shù)據(jù)的識別問題。對于該類問題,，其難點在于訓(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)方差矩陣的估計時，會產(chǎn)生以下兩方面問題,， 一個是會造成較大的偏差,，另一個是會使類內(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的人臉識別方法。它應(yīng)用了PCA與LDA的人臉識別過程,，先由PCA對高維數(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。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,。在人臉識別的過程中需要從人員數(shù)據(jù)庫中提取相應(yīng)卡號和人臉特征數(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)行人臉識別的依據(jù),，而人臉照片只是作為顯示識別結(jié)果之用，并不參與識別過程,。

　　3 系統(tǒng)功能測試

　　人臉識別功能利用國際上常用的ORL的人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行測試,。ORL數(shù)據(jù)庫包括40個人每人的10幅共400幅圖像，具有不同的光照,、表情和視點,。從其中選擇8人進(jìn)行訓(xùn)練，進(jìn)行識別測試,。統(tǒng)計結(jié)果如表1所示,。

 　　實驗證明該算法是一種穩(wěn)定高效的算法，可以實現(xiàn)人臉識別技術(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等優(yōu)勢,，在當(dāng)前科研及實際工程應(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)實現(xiàn)的,?；贏RM技術(shù)的嵌入式人臉識別門禁系統(tǒng)的實用性和應(yīng)用前景非常廣闊。