基于LTE技术的面部识别系统的研究与设计

摘要：面部识别是基于生物特征识别技术的身份认证中最主要的方法之一，针对现有面部识别系统的存储量小、识别速度慢，无法满足对大量人体特征的数据存储、人员身份及时核查。利用了先进的长期演进（LTE）无线技术、面部识别技术、智能网格计算等，从而实现无线网络的海量存储、快速计算，并满足用户的适时性需求。

关键词：面部识别；生物特征；长期演进（LTE）；OFDM；MIMO

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）16-3839-03

21世纪网络信息化时代的一大特征就是身份的数字化和隐蔽化。现代社会人们对身份识别的安全性、准确性和实用性提出了更高的要求，传统的身份识别方法[2]，如：密码验证、ID 卡（身份证、工作证）等，已经不能很好的满足人们的需求，因而，生物特征识别技术应运而生。生物特征识别（biometrics）技术是指通过计算机利用人体所固有并特有的生理特征和行为特征来进行身份识别或个体验证的一门技术。人脸识别是基于生物特征识别技术的身份认证中最主要的方法之一。与其他身份识别方法相比，人脸识别具有直接、友好和方便等特点。目前该领域研究的一个热点问题是如何进一步提高识别速度，更好的满足查询的实时性要求，也是人脸识别技术急需解决的问题。

LTE（Long Term Evolution，长期演进）是由3GPP组织制定的UMTS（Universal Mobile Telecommunications System， 通用移动通信系统）技术标准的长期演进项目，LTE作为新一代宽带无线移动通信的领军技术，已经在全球快速展开商用。LTE以OFDM和MIMO为核心技术，可以实现提高数据传输速率，降低系统延时，增加系统容量，改善小区边缘网络的性能并降低运营成本，同时，LTE系统可以完全向下兼容3G和ZG的无线网络，因此，运营商通过LTE网络可以为用户提供更多具有吸引力的业务。

尽管部分人脸系统已经投入了实际应用，但是人脸识别技术研究中仍然有许多问题没有得到很好的解决，比如，存储量小、识别速度慢，无法满足对大量人体特征的数据存储、人员身份及时核查。该文中的面部识别装置是将LTE技术和智能网格技术相结合的一个高速无线便携式面部识别系统。LTE无线技术实现数据无线高速传输，实现数据的快速上传、下载；智能网格技术则拥有强大的数据处理、计算能力，实现对图像、数据信息的快速、及时准确处理。

1 LTE关键技术及其优势

在LTE系统中，采用了许多新技术来保证其长期演进的竞争力，其中，最核心的技术是OFDM技术和MIMO技术，这两种技术也是未来移动通信技术的主流技术，将会得到快速的发展和大量采用。

1.1 OFDM技术

OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）即正交频分复用技术，多载波调制的一种。其主要原理是将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。

在相互正交的各个载波中，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样可以减少子信道间相互干扰。由于载波间有部分重叠，所以又提高了频谱利用率。另外，在速率相对较低的子信道中引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，可以较为有效地对抗信道的频率选择性衰落，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，有利于简化信道估计，信道均衡变得相对容易。

由于OFDM技术存在多个正交的子载波，与单载波系统相比，对子载波之间的正交性提出了严格要求，易受频率偏差的影响。另外，多载波系统的输出是多个子信道信号的叠加，因此如果多个信号的相位一致，所得到的叠加信号的瞬时功率就好远远高于信号的平均功率，导致较高的峰值平均功率比。

1.2 MIMO技术

MIMO 技术实质上是通过空间复用增益大大提高信道容量，在不增加带宽和天线发送功率的情况下，频谱利用率可以成倍地提高。而通过空间分集增益则可以提高信道的可靠性，降低信道误码率。MIMO 技术有效地利用随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率，因此它能够在不增加所占用的信号带宽和传输功率的前提下使无线通信的性能改善几个数量级。

随着使用天线数目的增加，MIMO技术实现的复杂度大幅度增高，同时考虑到信道开销的问题，LTE 已确定 MIMO 天线个数的基本配置是下行 2×2、上行 1×2，但也在考虑 4×4 的高阶天线配置。

1.3 LTE技术的优势

从技术角度来看，LTE系统中的OFDM技术支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20MHz多种带宽，MIMO技术实现了在20MHz频谱带宽能够提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率；LTE采用扁平的网络结构，优化的帧结构，大大降低了传输时延，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms；有效地协调小区间干扰，改善小区边缘用户的性能，提高小区容量，支持100Km半径的小区覆盖，能够为350Km/h高速移动用户提供>100kbps的接入服务。

对用户来说，由于LTE系统具有更高的传输速率和很好的移动性，大大提升用户对移动通信业务的体验。

对运营商来说，采用了新的空间技术和大带宽发射使得频谱效率高，扁平化的网络结构使得运营维护成本大大降低。同时，LTE技术优势也助于运营商对用户提供更多、更具有吸引力的业务，从而提高经济效益。

2 基于LTE技术的便携式面部识别系统

2.1 基于LTE技术的面部识别系统框架

基于LTE技术的面部识别系统可以通过高分辨率摄像设备进行人像采集，获取面部图像信息，同时，也可以通过LTE无线网络获取远程终端的图像信息，这些图像信息交给图像处理模块进行人脸检测及识别，图像处理结果可以通过本地显示模块输出，也可以由LTE无线网络发送至远程终端。

2.2 基于LTE技术的面部识别系统中各模块功能

1） 高分辨率摄像模块，主要用来获取高清晰的面部图像信息，并快速传输给图像处理单元，此模块中采用的摄像头即为普通的网络摄像头，不需要驱动，这样比较简单，方便操作实现。

2） 图像处理模块，主要用来实现对高清晰面部图像进行人脸检测、人脸识别及人脸特征提取。人脸检测是在高清晰面部图像的基础上，克服光照、姿态、背景以及遮挡物等外在因素的影响，还需要对这些外在因素造成的后果进行补救或矫正，保证人脸检测和定位的准确性。人脸识别则是在上述照片和图像序列中识别某个人脸图像，其中采用小波变换的人脸特征提取技术，以保持人脸表示的多样性和唯一性，同时将人脸特征数据进行压缩，实现最小的数据量携带信息量的最大化。

3） LTE无线网络模块，主要完成LTE无线网络接入，建立LTE无线数据链路，提供高速、便捷的无线宽带接入方式，实现数据的快速上传、下载等。通过LTE无线网络，能够快速将获得的面部图像信息传送给智能网格，并进行快速处理。同时，也可以适时将智能网络中存储的信息，快速调入，满足及时发现、及时处理功能需求。

4） 显示模块，采用先进的电容触控技术和人体工程技术，给用户提供一个友好的人机交互界面，实现面部识别结果的显示，还可以通过显示模块实现用户对系统资源的管理以及系统参数的配置或更改。

5） 电源管理模块，完成对电池的充放电管理、过流保护、系统整机的供电和电源的功率动态分配。诺基亚正在研究LTE无线充电技术，通过LTE无线电波在周围环境产生的电磁辐射可以被转换成充足的电流， 诺基亚研究中心研究员Markku Rouvala表示有可能在未来3至4年或可应用，届时，基于LTE技术的面部识别系统的电源管理模块可拓展LTE无线充电功能。

6） USB接口模块，为电池充电以及外置电源提供一个接口，同时也实现该终端与PC之间的数据高速传输等。

基于LTE技术的便携式面部识别系统启动后，软件自动配置各个接口单元的工作参数，准备接收无线的接入数据，自动寻找、登陆LTE网络。

3 结论

基于LTE技术的面部识别系统采用LTE无线通信技术，高速无线与有线网络结合，实现对信息及时、准确、快速处理。系统设计难度低、系统稳定性强、成本低廉，体积小、便于携带，是一个对人物身份进行快速鉴定的便携式系统。该系统适用于剧院、机场、车站等公共场合，在安防、罪犯追踪等方面，具有携带方便、适时鉴定、隐蔽性强等优点。

参考文献：

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