多重身份认证的幼儿接送系统的设计与实现

熊 钢,吴克力

(1.南京理工大学 计算机科学与工程学院,江苏 南京 210014;2.淮阴师范学院 计算机科学与技术学院,江苏 淮安 223300)

多重身份认证的幼儿接送系统的设计与实现

熊 钢1,吴克力2

(1.南京理工大学 计算机科学与工程学院,江苏 南京 210014;2.淮阴师范学院 计算机科学与技术学院,江苏 淮安 223300)

提出了一种人脸识别-RIFD卡的身份认证设计方案.结合两种技术,有效提高了幼儿接送过程中身份信息的认证,杜绝或减免在传统接送过程中发生卡丢失、冒领等现象.实验表明,设计方案能够有效提高幼儿接送的安全性.

人脸识别; RFID; 幼儿园; 接送系统

0 引言

人脸是生物特征中最有效,识别最快速的一个重要特征[1].RFID卡具有无接触,抗干扰等特征,能够应对各种复杂的环境,传输稳定.传统的幼儿园接送系统通常有两种[2]:1) 通过学校发放的带有幼儿信息的卡,谁持有这张卡就拥有了接送幼儿的权利,但是这种方法在大流量的接送幼儿的过程中,容易使得不法分子混入进去.2) 使用RFID卡门禁技术,这种方式能有效的减少人为的操作失误所引发的问题,但是在卡发生丢失的情况下,卡被别有用心的利用产生冒领拐骗的现象.

本文采用人脸识别-RIFD卡技术,有效的提高了在幼儿接送过程中的安全性.人脸识别技术使得在每次幼儿接送的过程很好的识别每一个接送者,且在接送识别的过程中快速,有效的减少了在卡丢失的情况下产生的不良效果.RFID卡具有无接触,抗干扰能力,能够应对各种复杂环境.有效的弥补了在光照等情况对人脸识别所产生的无法识别的情况.

1 相关技术简介

1.1 人脸检测技术

通过RFID射频卡身份验证以后,本系统将要对接送者进行验证,将验证是否是本射频卡的持卡人.本系统通过Adaboost算法对持卡人进行人脸检测,并对检测到的人脸进行识别.

人脸检测过程中首先要对人脸和非人脸进行训练,计算样本图片中所有的Haar特征值[3],通过简单的对人脸和非人脸的的Haar特征中选取一个阈值,生每个Haar特征对应的弱分类器,再由这些弱分类器组合成弱分类器集合,在对这些弱分类器中选取最优的弱分类器,使用Adaboost算法训练强分类器,最后组合成级联分类器,生成一个XML文件.

训练分类器后,本文对待检测人脸进行检测,由于此次人脸检测是动态的,则需要对图像的每一帧都要进行检测.首先打开摄像头,加载训练好的级联分类器,然后对当前帧的图像进行人脸检测,并对检测到的人脸进行标记,显示到显示区.

1.2 人脸识别算法

人脸识别是身份认证的最后一步,在人脸识别过程中,通过人脸检测,获得接送者的人脸图像,并对待识别图像进行人脸识别.步骤如图1所示.

图1 人脸识别过程图

在人脸识别过程中,首先需要对接送者进行人脸图像的登记,对系统中每个接送者登记7张图片,在登记的过程中使用人脸检测技术,直接快速的保存接送者的人脸图像.然后对登记后的人脸图像进行训练,生成一个适用于彩色图像空间识别的一个颜色转换矩阵[4-6],再对转换后的图像使用PCA(主分量分析)的方法对转换后的图像进行特征提取[7].

1.3 RFID技术

在接送过程的身份认证中,首先对RFID电子标签进行认证[8],由于RFID电子标签具有全球唯一标识,不需要进行写操作,所以身份认证过程,只需要读取RFID的卡号,与数据库中的卡号进行对比,如果在数据库中记录了该射频卡标识号,则对持卡人进行人脸识别.所以在读取射频卡标识号的过程中,首先要对读卡器进行初始化,感应到电子标签,进行防碰撞操作,并读取射频卡标识号,验证通过进行对人脸的识别.

2 系统设计

2.1 系统概述

在传统的接送系统中时常存在接送卡丢失,幼儿被误领,冒领现象.本文所设计的幼儿接送系统中,具有成本低,安全性高等特点.接送系统包括以下几个方面:

1) 每一位幼儿在入学注册时进行相关认证信息的记录:个人信息、接送人的信息、接送人人脸特征信息及其持有的射频卡标识号等.

2) PC端需要提供数据的接受,人脸检测,人脸识别,系统具有非常低的误识别率,识别时间较短.

3) 支持记录接送信息的存储,并能提供按姓名、ID、日期进行查询.

4) 根据PC识别记录,由终端提供用户合法或者非法等信息.

2.2 系统总体框架

双重身份的幼儿接送系统主要由摄像头、射频卡读写器、身份验证终端、数据管理中心(后台管理)、打印机等硬件组成.其系统结构如图2所示.

图2 系统结构图

1) 射频卡和读卡

射频卡也是身份标识卡,由耦合电路和IC芯片组成,每张射频卡都有唯一的电子编码.当该卡进入读写范围内,读卡器迅速读取射频卡的唯一编码,并将编码传输到系统的验证主机中,验证通过则打开摄像头,进行人脸的验证.

2) 摄像头

摄像头采用720P高清摄像头设备,并通过USB接口把图像传送的计算机中,摄像头成本低廉,架设简单,只需要安装相应的摄像头驱动即可,其产品使用小巧,主要负责当接受到射频卡信号后,打开摄像头,将持卡者的图片传输到后台的验证的计算机中,并进行验证.

3) 验证主机

验证主机是一台计算机,主要用于接受读卡器传来的射频卡的唯一编码,对从摄像头抓取的图像进行人脸检测并提取出正确的人脸图像,进行射频卡身份信息的验证和接送者面部识别,从而得到识别结果,并在门禁显示器中显示识别结果.

4) 数据管理中心

数据管理中心(即后台管理)主要是对接送者的进行图像的采集和信息的录入,对验证未通过的人进行信息的采集,查询接送的记录,并可以对查询的信息进行打印.

在幼儿接送过程中,首先RFID模块感应到射频卡的存在则读取卡的信息,读取身份成功后,则打开摄像头,进行人脸检测,并将检测到的人脸传入到后台的计算机中,计算机对接受到的图像进行PCA降维,去除图像中冗余的信息,并将降维后的信息通过fisher准则进行空间的投影,并对投影后的信息进行人脸识别.若识别失败,则重新对持卡人进行人脸检测与识别,若识别3次仍未识别出来,则保持当前持卡人的图像信息,并报警.若识别成果,通过验证,同样对持卡接送人的图像进行拍照保存,并提示允许通过.不管人脸识别是否成功,都要对接送人信息进行记录.

2.3 系统软件设计

系统采用C/S架构,软件开发使用的是VS2008中的C++进行开发的.

2.3.1 调用MATLAB中的人脸识别算法

本系统利用MATLAB语言实现了利用LDA算法对人脸进行识别,利用MATLAB的mcc命令将编写的用于训练和识别的*.m文件编译为动态链接库.编译得到一个*.DLL文件,一个*.LIB文件和一个*.h的头文件. 将生成的文件放入项目工程中,此时就可以使用所编写的人脸识别的函数.

2.3.2 人脸检测算法的调用

OpenCV是Intel开源计算机视觉库.它由一系列C函数和少量C++类构成,实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法.OpenCV 拥有包括300多个C函数的跨平台的中、高层 API.它不依赖于其它的外部库,尽管也可以使用某些外部库.

人脸检测程序主要完成3部分功能,即加载分类器、加载待检测图象以及并对待检测的图像进行检测并标示.

调用detectMultiScale函数,该函数在输入图像的不同尺度中检测物体,参数smallimg为输入的灰度图像,faces为得到被检测物体的矩形框向量组,1.5为缩小比例,4为至少检测3次才能确认是人脸,CV-HAAR-DO-CANNY-PRUNING利用Canny边缘检测器来排除一些边缘很少或者很多的图像区域,CV-HAAR-SCALE-IMAGE就是按比例正常检测,CV-HAAR-FIND-BIGGEST-OBJECT只检测最大的物体,CV-HAAR-DO-ROUGH-SEARCH只做初略检测,Size(30,30)为目标的最大最小尺寸.

代码如下:

cascade.detectMultiScale(

smallImg,

faces,

1.5,

8,

0

//|CV-HAAR-FIND-BIGGEST-OBJECT

//|CV-HAAR-DO-ROUGH-SEARCH

|CV-HAAR-SCALE-IMAGE,

Size(30,30)

);

faces里面存放的是所有被检查到的人脸的在原始图片中的起始地址和长度和宽带.所以我们就对所有检查到的图片进行圈出显示.

2.3.3 数据管理中心的设计

数据管理中心中的数据库选用的是sqlserver 2008.数据库管理中心采用模块化设计,主要分为3个模块:接送人管理模块,幼儿管理模块和图像管理模块.

1) 接送人管理模块主要对接送人的信息进行采集,包括接送人的信息,卡号.在对接送人信息采集的过程中,采用人脸检测系统对检测的图像有效快速的采集.对接送人信息需要与幼儿信息进行关联,包括幼儿的接送关系等,对接送人信息能进行修改和删除.

2) 幼儿管理模块主要对幼儿的信息管理,信息的维护,并能查看和删除幼儿信息及其接送人信息.

3) 图像管理模块对接送人图像进行训练,保存图像的特征值.

2.3.4 接送系统的终端软件设计

接送终端软件界面简单友好,当接送者接送幼儿上学时候,显示器上显示“放入门禁卡”,用户放入射频卡,读卡器读取卡号,摄像头自动检测人脸,并将检测的人脸传入后台计算机,后台计算机对检测到的人脸进行特征抽取进行面部识别,并判断是否是持卡人本人.如本人验证成功,则屏幕显示接送者的照片和幼儿的照片,同时并对接送者进行拍照保存.

为了提高人脸识别的速度,在程序启动的时候,则从数据库中将所有的接送者的人脸特征读入到验证主机的内存中,当检测到人脸的时候则将检测的到的人脸进行特征提取,并和内存中的特征进行对比,大大的提高识别速度.

幼儿接送系统当人脸受到光照等外部影响较大的时候,则人脸不能被正确的识别出来,这时候系统会发出警告,此时接送者需要到保卫处进行登记,对比接送者照片后放行.

3 结束语

人脸识别是一种高科技的生物识别技术,可以提高幼儿园接送过程中的安全性和可靠性,减少冒领、误领、拐骗等现象.但由于人脸识别受到光照、化妆、表情等因素影响,难免造成误差.因此本文提出的设计方案还需再通过与射频卡结合的双重验证,克服由人脸识别存在的安全问题.

[1]李武军,王崇骏,张炜,等.人脸识别研究综述[J].模式识别与人工智能,2006(1):58-66.

[2]宋志强,徐健.幼儿园指纹识别接送系统设计[J].计算机与现代化,2009,10:161-164.

[3]杨凌曦,徐建闽.AdaBoost人脸检测算法在驾驶员疲劳检测系统中的实现[J].交通与计算机,2008(4):140-143.

[4]Torres L,Reutter J Y,Lorente L.The importance of the color information in face recognition[J].International Conference on Image Processing,1999(3):627-631.

[5]Yip A,Sinha P.Role of color in face recognition[J].Perception,2002,6:536-532.

[6]Yang J,Liu C,Yang J Y.What kind of color spaces is suitable for color face recognition[J].Neurocomputing,2010,73:2140-2146.

[7]韩争胜,李映,张艳宁.基于LDA算法的人脸识别方法的比较研究[J].微电子学与计算机,2005(7):131-133.

[8]徐济仁,陈家松,牛纪海.射频识别技术及应用发展[J].数据通信,2009(1):21-26.

[责任编辑：蒋海龙]

Design and Implementation on Kindergarten Shuttle Management System Combining RFID with Face Recognition

XIONG Gang1,WU Ke-li2

(1.School of Computer Science and Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 2100014,China)
(2.School of Information Science and Technology,Huaiyin Normal University,Huaian Jiangsu 223300,China)

This article has presented the Design and Implementation on Kindergarten Shuttle Management System Combining RFID with Face Recognition.Combining these two techniques,the safety authentication efficiency improved obviously.it reduces the likelihood of transfer error because of missing card.This experiments showed that this design improved the security of pick up children and also made up for the shortage of traditional transfer.

kindergarten; RFID; face recognition; transfer system

2014-12-12

吴克力(1963-)，男，江苏金湖人，教授，博士，主要从事信息安全、密码学等研究.E-mail:hysywkl@126.com

TP391.41

:A

:1671-6876(2015)01-0039-04