《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于圖像識(shí)別的無(wú)鍵盤電子鎖設(shè)計(jì)
2016年電子技術(shù)應(yīng)用第9期
孫琪皓,詹 杰,張 浩
湖南科技大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院,,湖南 湘潭411201
摘要: 鎖一直是人們生活的必需品,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,,人們對(duì)鎖的安全及方便性提出了更高的要求,。應(yīng)用ARM技術(shù)結(jié)合圖像識(shí)別設(shè)計(jì)了一種電子鎖,,該鎖通過(guò)攝像頭采集密鑰信息,控制器解碼信息并對(duì)密鑰進(jìn)行驗(yàn)證,。系統(tǒng)部件少,,硬件依賴性低,可移植性高,,易于使用,,并能不斷更新解鎖方式。
中圖分類號(hào): TP277
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2016.09.015
中文引用格式: 孫琪皓,,詹杰,,張浩. 基于圖像識(shí)別的無(wú)鍵盤電子鎖設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,,42(9):58-61.
英文引用格式: Sun Qihao,,Zhan Jie,Zhang Hao. No keyboard electronic lock design based on image recognition[J].Application of Electronic Technique,,2016,,42(9):58-61.
No keyboard electronic lock design based on image recognition
Sun Qihao,Zhan Jie,,Zhang Hao
College of Physics and Electronic Science,Hunan University of Science and Technology,,Xiangtan 411201,,China
Abstract: Lock has always been daily necessities. With the development of the social economy and the progress of the science and technology, the higher public requirements on the safety and convenience of lock bring the electronic lock which combines ARM technology with image recognition. This electronic lock collects the key information through camera and then validate the key information by controller decoding information. It has fewer system components, lower hardware dependencies and higher transportabilities. Also, it is easy to use and can constantly update the unlock mode.
Key words : electronic lock;image collect,;image positioning,;STM32F407;Python

0 引言

  隨著生活水平的提高,,人們對(duì)鎖的要求也不斷增加,,既要安全可靠,又要使用方便,,電子鎖[1]的出現(xiàn)滿足了人們的需求,。電子鎖是一種以電子方式來(lái)識(shí)別、處理信息,、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)關(guān)閉和開(kāi)啟鎖的一種新型鎖具,,已經(jīng)在住宅、酒店,、賓館,、寫(xiě)字樓中得到了廣泛應(yīng)用。電子鎖的類型多種多樣,,早期有應(yīng)用TM卡[2],、CM卡的密碼鎖,還有應(yīng)用人體生物特征的人臉,、虹膜,、指紋等的新一代電子鎖,。采用電子卡片形式密碼鎖和機(jī)械鎖的區(qū)別不大,采用人體生理特征的安全性好,,但成本較高,。隨著科技的發(fā)展,該生物識(shí)別技術(shù)的安全性也遇到了挑戰(zhàn),。針對(duì)市場(chǎng)的需求,,設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的解鎖系統(tǒng)[3-4],由射頻觸發(fā)圖像識(shí)別,,省去常規(guī)的密碼鍵盤,。該鎖具具有安裝方便、易于移植,、被破解率低的特點(diǎn),。

1 系統(tǒng)方案

  如圖1所示,該系統(tǒng)由鎖具和無(wú)線鑰匙兩部分組成,。無(wú)線鑰匙發(fā)射出的激光點(diǎn)稱為游標(biāo),,能發(fā)出射頻信號(hào),帶有激光光源,。鎖具由處理器,、激光發(fā)射器、攝像頭,、LCD顯示屏,、無(wú)線通信模塊及掉電存儲(chǔ)設(shè)備組成。激光發(fā)射器可發(fā)射出3束激光,,組成一個(gè)直角坐標(biāo)系輔助系統(tǒng)對(duì)游標(biāo)進(jìn)行定位,。無(wú)線鑰匙由一個(gè)微控制器、按鍵和激光發(fā)射器組成,,由用戶控制,,在系統(tǒng)中輸入密碼。無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)無(wú)線鑰匙與鎖具之間的通信,。攝像頭采集激光定位坐標(biāo)系和激光游標(biāo)的圖像[5-6],,發(fā)送給處理器進(jìn)行分析。LCD顯示屏[7]輔助顯示攝像頭采集到的圖像,,并顯示處理器解析圖像后獲得的密碼值,。系統(tǒng)還具有防掉電功能,防止在系統(tǒng)斷電情況下丟失用戶自定義的密碼,。

圖像 001.png

圖1  系統(tǒng)框架圖

  工作過(guò)程如下:當(dāng)用戶使用無(wú)線鑰匙時(shí),,觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入開(kāi)鎖流程,生成定位激光坐標(biāo)系,用戶移動(dòng)游標(biāo)(無(wú)線鑰匙發(fā)射出的激光點(diǎn))到特定位置后,,無(wú)線鑰匙發(fā)送采集信號(hào)給處理器,,處理器隨后控制攝像頭采集一幅圖像,并對(duì)圖像進(jìn)行解析,,得到一位密碼值,。重復(fù)此過(guò)程可完成多位密碼值輸入。

  為了防止無(wú)線鑰匙被復(fù)制,,導(dǎo)致系統(tǒng)被侵入的情況發(fā)生,,系統(tǒng)使用輪詢密碼配對(duì)設(shè)置,以保持無(wú)線配對(duì)信號(hào)安全,。為了防止系統(tǒng)故障問(wèn)題,,留下一個(gè)串行接口用于緊急處理,防止鑰匙丟失或忘記密碼,。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

  2.1 圖像識(shí)別處理

  鎖具應(yīng)用環(huán)境千差萬(wàn)別,,環(huán)境光強(qiáng)大小不一,而且攝像頭采集的圖像是彩色圖像,。彩色圖像包含的信息十分龐大,,不利于單片機(jī)進(jìn)行處理和分析,因此需要對(duì)采集到的圖像進(jìn)行一系列處理,。下面介紹主要處理過(guò)程:

  (1)圖像二值化

  將彩色圖像轉(zhuǎn)換為具有色彩深度的黑白圖像,,轉(zhuǎn)換公式為:

  QQ圖片20161110222919.png

  灰度值轉(zhuǎn)換為二值化圖像時(shí)還需要進(jìn)行閾值切割,將灰度值小于閾值的像素點(diǎn)設(shè)為0,,否則設(shè)為255。因此選取合適的閾值對(duì)于圖像二值化十分重要,,采用Otsu最大類間法進(jìn)行最佳閾值的選取,。Otsu算法按照灰度值的特性將圖像分為兩部分,當(dāng)這兩部分之間的類間方差最大時(shí),,說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩部分之間差別也最大,,此時(shí)將圖像分為兩部分的值為最佳閾值。

  每一個(gè)灰度值i出現(xiàn)的概率為:

  QQ圖片20161110222923.png

  G0和G1類出現(xiàn)的概率為:

  QQ圖片20161110222926.png

  G0和G1類出現(xiàn)的均值為:

  QQ圖片20161110222930.png

  類間方差為:

  QQ圖片20161110222934.png

  此時(shí)最佳閾值的取值即為使得類間方差最大的t值,。

  (2)圖像濾波處理

  圖像識(shí)別需對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理,,即濾除圖像中的雜波干擾,突出前景像素,。

  圖像腐蝕算法[8-9]處理過(guò)的圖像對(duì)比如圖2所示,。

圖像 002.png

圖2  圖像應(yīng)用腐蝕算法對(duì)比

  (3)區(qū)域連通算法

  激光點(diǎn)和游標(biāo)點(diǎn)在二值化圖像上表現(xiàn)為聚合在一起的前景像素,稱作連通域區(qū)域,。經(jīng)過(guò)濾波處理后的二值化圖像只有前景像素和背景像素兩種值,,當(dāng)圖像中有多個(gè)連通區(qū)域時(shí)處理器并不能區(qū)分各連通區(qū)域。連通區(qū)域算法[10]能為各連通區(qū)域分配一個(gè)唯一標(biāo)號(hào),這樣就可統(tǒng)計(jì)連通區(qū)域的數(shù)目,,還能通過(guò)算法分析連通區(qū)域特征,。圖像通過(guò)連通區(qū)域算法處理前后對(duì)比如圖3所示。

圖像 003.png

圖3  區(qū)域連通算法

  (4)連通域定位

  經(jīng)過(guò)連通區(qū)域算法處理后,,每一個(gè)連通域有一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)號(hào),,找出各標(biāo)號(hào)x軸、y軸最大和最小坐標(biāo),,取平均值后可代替該連通區(qū)域位置,。采集的圖像由于攝像頭拍攝角度,定位點(diǎn)坐標(biāo)系偏移等問(wèn)題而發(fā)生變化,,如圖4所示,,當(dāng)采集圖像發(fā)生偏移時(shí)游標(biāo)cur相對(duì)于激光定位坐標(biāo)系原點(diǎn)b的坐標(biāo)為(3,3),。若采集圖像內(nèi)激光定位坐標(biāo)系發(fā)生了偏移,,如圖4(b)所示,cur相對(duì)于原點(diǎn)O坐標(biāo)未變情況下,,cur相對(duì)于激光定位坐標(biāo)系原點(diǎn)b位置已發(fā)生改變,,需要對(duì)此進(jìn)行修正。

圖像 004.png

圖4  圖像偏移定位示意圖

  2.2 系統(tǒng)流程

  系統(tǒng)上電后,,首先對(duì)系統(tǒng)各外設(shè)進(jìn)行初始化,,隨后系統(tǒng)檢測(cè)游標(biāo)按鍵是否按下,若鍵按下則開(kāi)始密碼輸入過(guò)程,。處理過(guò)程如下:首先打開(kāi)激光發(fā)射器于平面生成定位坐標(biāo)系,,攝像頭采集一幅圖像發(fā)送給控制器,控制器對(duì)圖像進(jìn)行二值化,、腐蝕算法濾除雜波后得到較為明確的坐標(biāo)系圖像,,通過(guò)Two-Pass連通區(qū)域算法將圖像中相鄰的像素賦予相同標(biāo)號(hào),計(jì)算出該標(biāo)號(hào)區(qū)域的中心位置,。重復(fù)以上過(guò)程即可獲得設(shè)定的密碼輸入值,。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖像 005.png

圖5  系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

  3.1 算法仿真

  模擬算法采用Python語(yǔ)言編寫(xiě),,使用Pyserial庫(kù)采集從單片機(jī)發(fā)送來(lái)的圖片數(shù)據(jù),,并保存為.txt文件,.txt文件經(jīng)處理后使用Pillow庫(kù)在電腦端將圖片顯示出來(lái),。

  算法仿真時(shí),,硬件設(shè)備將采集到的彩色圖像通過(guò)灰度值算法轉(zhuǎn)換為灰度值圖像,并將其發(fā)送至電腦PC端,,此時(shí)系統(tǒng)采樣到的原圖如圖6所示,。

圖像 006.png

圖6  仿真灰度值原圖

  選取不同閾值時(shí)所得到的二值化圖像如圖7所示,。圖7(a)中當(dāng)閾值選擇太小時(shí)圖像中出現(xiàn)大量雜波,對(duì)目標(biāo)面有較大干擾,。圖7(b)為閾值選擇過(guò)大時(shí)圖像,,此時(shí)圖像上方連通區(qū)域僅剩幾個(gè)像素點(diǎn),若選取閾值更大時(shí)則該連通區(qū)域被判定為背景,,從而丟失定位坐標(biāo)系,。圖7(c)為使用Otsu最大類差間法獲取閾值得到的二值化圖像,圖像中目標(biāo)清晰,,雜波少,。

圖像 007.png

(a)閾值過(guò)小        (b)閾值過(guò)大           (c)最佳閾值

圖7  二值化閾值選擇對(duì)比

  對(duì)二值化圖像進(jìn)行腐蝕濾波,連通區(qū)域標(biāo)記后圖像對(duì)比如圖8所示,。圖8(b)為腐蝕算法處理后圖像,,比圖8(a)中各連通區(qū)域少了一層像素點(diǎn)。在顯示程序?qū)D像數(shù)據(jù)中不同標(biāo)號(hào)的像素點(diǎn)賦予不同顏色,,效果如圖8(c)所示,。

圖像 008.png

(a)二值化圖像       (b)腐蝕處理              (c)two-pass算法標(biāo)記

圖8  腐蝕算法和連通區(qū)域算法效果驗(yàn)證

 3.2 調(diào)試實(shí)驗(yàn)

  軟件算法仿真成功后,下載程序進(jìn)行硬件調(diào)試并搭建平臺(tái),。

  通過(guò)調(diào)試平臺(tái)采集到一個(gè)密碼輸入圖像如圖9所示,。圖中兩幅圖為單個(gè)密碼值輸入過(guò)程中使用不同方式拍攝的對(duì)比圖。圖9(a)為使用手機(jī)拍攝到的圖像,,為了直觀顯示按鍵值對(duì)比,,圖中對(duì)激光坐標(biāo)系內(nèi)各位置添加輔助線進(jìn)行了劃分。圖9(b)為無(wú)線鍵盤電子鎖系統(tǒng)攝像頭采集的圖像,,LCD顯示屏中圖像為通過(guò)算法處理后的圖像,。由于手機(jī)拍攝角度與電子鎖攝像頭處在對(duì)立角度,所以兩圖中最亮的區(qū)域不同,。圖9(b)中a,、b、c分別為激光定位坐標(biāo)系定位點(diǎn),,b點(diǎn)為原點(diǎn),a點(diǎn)為y軸方向,,c點(diǎn)為x軸方向,,cur為游標(biāo),各點(diǎn)的坐標(biāo)值已給出,,此時(shí)通過(guò)系統(tǒng)圖像識(shí)別算法處理解譯后所得值為1,。

  圖9(a)中游標(biāo)激光點(diǎn)偏離按鍵1中心點(diǎn),距邊界不遠(yuǎn)處,,此時(shí)系統(tǒng)依舊能識(shí)別出正確的按鍵值,,表明當(dāng)前系統(tǒng)所需功能已基本完成,,使用時(shí)將游標(biāo)定位在各按鍵中心點(diǎn)附近可以保證系統(tǒng)識(shí)別的正確率。

圖像 009.png

(a)采集時(shí)圖像             (b)識(shí)別后圖像

圖9  單次密碼輸入

  系統(tǒng)預(yù)設(shè)密碼值為“123456”,,用戶可自行更改,,圖10(a)為輸入5位密碼值時(shí)圖像。當(dāng)密碼輸入正確時(shí),,圖像如圖10(b)所示,,顯示“Key Correct”;否則顯示密碼錯(cuò)誤,,需重新輸入密碼,。

圖像 010.png


(a)輸入密碼過(guò)程        (b)輸入密碼正確

圖10  密碼輸入過(guò)程

4 分析與總結(jié)

  無(wú)密碼鍵盤的非接觸式電子鎖,采用了圖像識(shí)別技術(shù)提升了鎖具的安全性和隱蔽性,。經(jīng)調(diào)試測(cè)試,,該套系統(tǒng)能完成解鎖的需求,但對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用還需進(jìn)一步調(diào)試改進(jìn),;如在不同環(huán)境下圖像識(shí)別的準(zhǔn)確度還需大量實(shí)驗(yàn)改進(jìn),;使用者是否能正確地確定游標(biāo)區(qū)域,還需不需要設(shè)計(jì)一些輔助措施,;電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障如何處理等,。這也是下一步需努力的方向。

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