一種基于人臉識別技術的門禁系統及解鎖方法與流程

本發明涉及屬于生物識別技術領域，尤其涉及一種使用人臉識別技術來解鎖門和保險箱的技術，具體地，涉及一種基于人臉識別技術的門禁系統及解鎖方法。

背景技術：

門禁系統是隨著自動識別技術的發展而迅速發展的，在經歷過早期的第一代門禁技術(鍵盤密碼方式)、第二代門禁技術(磁卡方式)和第三代門禁技術(接觸式1C卡方式)之后，RFID技術與生物特征識別技術如今已經成為當代門禁技術的主流。

生物特征識別門禁系統是以人體生物特征作為辨識條件的門禁系統，主要包括指紋識別、掌紋識別、語音識別和人臉識別等，這些生物特征相同的概率達到數十億分之一。

近年來，基于生物特征的身份認證技術的迅速發展，門禁系統得到了飛躍式的發展。其中，利用人臉特征進行身份驗證又是最自然、最直接的手段，相比其他人體生物特征(指紋、靜脈、瞳孔和簽名等)人臉識別具有主動性、非侵犯性、用戶友好等特點，易于為用戶所接受。

人臉識別解鎖(face-to-unlock)，是指通過識別人臉來允許用戶解鎖門和保險箱的門禁系統。本領域技術人員清楚，人臉識別解鎖方法均需要提取人臉圖像數據和攝像數據進行臉部特征分析的過程，采用光學人臉圖像數據和攝像數據進行采集臉部特征分析時目前的主流技術。

然而，不論是基于二維的或者是三維的光學人臉圖像數據和攝像數據進行采集臉部特征和判斷，均存在如下問題：

①、假冒者可以通過使用光學攝像頭拍攝的二維圖像照片或一個三維的假人可以達到順利解鎖的目的，安全性較差，很難避免拿用戶的照片、錄像或者蠟像來欺騙解鎖。

②、如果使用光學攝像頭拍攝三維的光學人臉圖像數據和攝像數據，并用三維的算法進行人臉臉部特征提取和判斷，算法復雜，需要強大的后臺處理能力，不適合僅使用直流電源供電的門和保險箱的門禁裝置。

技術實現要素：

為了實現上述目標，本發明提供了一種基于人臉識別技術的門禁系統，本發明的技術方案如下：

一種基于人臉識別技術的門禁系統，其包括殼體、門把手、位于所述門把手之上且嵌設于所述門外部分殼體中的交互單元、鎖緊單元、控制所述鎖緊單元啟閉的觸發單元和人臉識別單元；其中，所述交互單元的操作面的底面凸出于所述門外部分殼體的表面，即所述交互單元的操作面與所述門外部分殼體成銳角；所述人臉識別單元包括數據存儲模塊、圖像采集模塊、影像處理模塊和判斷模塊；圖像采集模塊包括紅外攝像頭和光學攝像頭，所述紅外攝像頭和光學攝像頭平行放置且并行設于所述交互單元的操作面上，以使所述紅外攝像頭和光學攝像頭的兩光軸互相平行且與所述交互單元的操作面相垂直；影像處理模塊，其分別接收所述紅外攝像頭和光學攝像頭在預定時間段內同時采集到的同一目標人臉的多組三維圖像數據對，確定所述多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，并從上述圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對；其中，所述圖像數據特征包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和所述五官輪廓特征點間的距離關系；初始化時，所述紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對為特定目標人臉的比對參照圖譜，且所述比對參照圖譜被存儲在所述數據存儲模塊中，以形成比對參照圖譜集；判斷模塊利用所述紅外攝像頭的圖像數據判定是否是人臉的圖像數據，并根據所述紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，同特定目標人臉的比對參照圖譜集進行比較，判斷目標人臉相似度是否滿足閾值的要求，并將判斷結果發送出去；所述觸發單元接收判斷單元的判斷結果，控制所述鎖緊單元的啟閉。

優選地，所述圖像數據特征中同一目標人臉的五官輪廓特征點，分布于目標人臉的臉盤、眉毛、眼睛、鼻子和/或嘴唇上，且所述紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對相應點的位置確定，同所述紅外攝像頭和光學攝像頭相對的安裝位置相關。

優選地，所述閾值取決于同一目標人臉中的每一個五官輪廓特征點和所述五官輪廓特征點間的距離與比對參照圖譜中相應值偏差的容忍度相關。

優選地，所述交互單元的操作面還包括影像顯示區、觸摸屏區和硬件按鈕開關區，所述影像顯示區用于顯示所述光學攝像頭拍攝的目標人臉圖像；所述觸摸屏區用于人機交互界面；硬件按鈕開關區用于啟閉電源和/或所述紅外攝像頭和光學攝像頭拍攝的啟動。

優選地，所述圖像采集模塊還包括預處理子模塊，用于在進行圖像采集前，將所述光學攝像頭采集到的用戶人臉圖像顯示在所述影像顯示區，以便用戶通過調整自身的位置將用戶人臉的五官圖像預對準在所述影像顯示區指定的方框中。

優選地，所述交互單元的操作面與所述門外部分殼體成的銳角為33°到34°之間。

優選地，所述數據存儲模塊中存儲的所述比對參照圖譜為最近一次采集的目標人臉的所述紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對。

優選地，所述圖像采集單元還包括紅外補光燈，以滿足所述光學攝像頭的照度要求；所述光學攝像頭包括雙鏡光學攝像頭。

優選地，所述的基于人臉識別技術的門禁系統，還包括管理模塊和WIFI模塊，所述管理模塊用于日志管理、密碼解鎖、RFID解鎖和/或機械解鎖的管理，所述WIFI模塊用于使用者遠程解鎖。

為了實現上述目標，本發明還提供了一種基于人臉識別技術的解鎖方法，包括初始化步驟S1和人臉識別步驟S2；其中，

步驟S1具體包括如下步驟：

步驟S11：啟動初始化工作模式，所述紅外攝像頭和光學攝像頭在預定時間段內同時采集同一目標人臉的多組三維圖像數據對；

步驟S12：確定所述多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，并從上述圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，得到特定目標人臉的比對參照圖譜；其中，所述圖像數據特征包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和所述五官輪廓特征點間的距離關系；

步驟S13：將所述比對參照圖譜存儲在所述數據存儲模塊中，以形成比對參照圖譜集；

步驟S2具體包括如下步驟：

步驟S21：啟動識別工作模式，所述紅外攝像頭和光學攝像頭在預定時間段內同時采集同一目標人臉的多組三維圖像數據對；

步驟S22：確定所述多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，并從上述圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，得到特定目標人臉的比對參照圖譜；其中，所述圖像數據特征包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和所述五官輪廓特征點間的距離關系；

步驟S23：利用所述紅外攝像頭的圖像數據判定是否是人臉的圖像數據，如果是，執行步驟S24，否則，顯示解鎖失敗，執行步驟S25；

步驟S24：根據所述紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，同特定目標人臉的比對參照圖譜進行比較，判斷目標人臉相似度是否滿足閾值的要求；如果是，控制所述鎖緊單元的開啟，否則，執行步驟S25；

步驟S25：解鎖過結束。

從上述技術方案可以看出，本發明提供了一種基于人臉識別技術的門禁系統，其采用交互單元的操作面的底面凸出于門外部分殼體的表面，即交互單元的操作面與殼體成銳角的身份驗證結構，且通過使用高清晰度的紅外攝像頭和雙光學攝像頭鏡頭掃描用戶的臉，進行各種身材高度的用戶身份驗證；并采用密碼和/或射頻識別卡對系統進行管理。

附圖說明

圖1所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統的主視圖

圖2所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統采用計算機軟件渲染的立體示意圖；其中，交互單元的操作面與門外部分殼體成銳角

圖3所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統結構的示意圖

圖4所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統中雙鏡光學攝像頭的示意圖

圖5所示為本發明中圖像數據特征包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離關系的示意圖

圖6所示為本發明基于人臉識別技術門禁系統的解鎖方法的流程示意圖

圖7所示為本發明實施例中用戶如果帶了一個平時不戴的眼鏡時的紅外攝像圖像數據(圖片)示意圖

具體實施方式

體現本發明特征與優點的實施例將在后段的說明中詳細敘述。應理解的是本發明能夠在不同的示例上具有各種的變化，其皆不脫離本發明的范圍，且其中的說明及圖示在本質上當做說明之用，而非用以限制本發明。

以下結合附圖1至圖7，通過具體實施例對本發明的基于實時系統的熱處理設備溫度控制及方法、實現該方法的裝置作進一步詳細說明。需說明的是，附圖均采用非常簡化的形式、使用非精準的比例，且僅用以方便、明晰地達到輔助說明本發明實施例的目的。

需要說明的是，下述文字中的使用者通常代表具有管理該系統的人員，而用戶則是需要通過本系統解鎖的人員。很清楚，使用者最終很可能也是用戶中的一個成員。

請參閱圖1，圖1所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統的主視圖。如圖1所示，該基于人臉識別技術的門禁系統可以包括殼體1、門把手2、位于門把手2之上且嵌設于門外部分殼體1中的交互單元3、鎖緊單元(圖未示)、控制鎖緊單元啟閉的觸發單元(圖未示)、直流電源單元(圖未示)和人臉識別單元(圖未示)。其中，鎖緊單元、控制鎖緊單元啟閉的觸發單元、直流電源單元和人臉識別單元均位于殼體1中。

請參閱圖2，圖2所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統采用計算機軟件渲染的立體示意圖。如圖2所示，在本發明的實施例中，該交互單元3的操作面的底面凸出于門外部分殼體1的表面，即交互單元3的操作面與門外部分殼體3成銳角；較佳地，該交互單元3的操作面與門外部分殼體1成的銳角為33°到34°之間。使用時，用戶可以站在距離進戶門和保險箱門半步到一步的距離，以使不同身高的用戶可以通過前后移動來達到一個理想的錄入和識別狀態。

請參閱圖3，圖3所示為本發明一種基于人臉識別技術的門禁系統結構的示意圖。在本發明的實施例中，人臉識別單元包括數據存儲模塊、圖像采集模塊、影像處理模塊和判斷模塊。交互單元的操作面可以包括影像采集區、影像顯示區、觸摸屏區和硬件按鈕開關區。影像采集區用于安裝圖像采集模塊；影像顯示區用于顯示光學攝像頭拍攝的目標人臉的圖像；觸摸屏區用于人機交互界面；硬件按鈕開關區用于啟閉電源和/或紅外攝像頭和光學攝像頭拍攝的啟動。

本發明采用兩種攝像頭(紅外攝像頭和光學攝像頭)所拍攝的彩色圖像數據和紅外圖像數據。具體地，圖像采集模塊可以包括紅外攝像頭和光學攝像頭，并行設于交互單元3的操作面上，紅外攝像頭和光學攝像頭平行放置；紅外攝像頭和光學攝像頭的兩光軸互相平行且與交互單元的操作面相垂直。

在本發明的實施例中，由于紅外攝像頭和光學攝像頭幾乎從同一個位置角度對同一目標人臉拍攝，雖然分別得到光學彩色圖像數據和紅外圖像數據，但光學彩色圖像數據和紅外圖像數據間存在一定的位置對應關系，原則上可以認為紅外攝像頭和光學攝像頭在同一個位置拍攝。

在本發明的其它實施例中，如果希望后續的判斷算法簡單一些，紅外攝像頭和光學攝像頭的位置角度些許偏差，也是可以通過位置補償算法進行修正的，該修正技術可以采用現有技術中的任何方法，在此不再贅述。

此外，圖像采集模塊還可以包括預處理子模塊，用于在進行圖像采集前，將光學攝像頭采集到的用戶人臉圖像顯示在影像顯示區，以便用戶通過調整自身的位置將本用戶人臉的五官圖像預對準在影像顯示區指定的方框中。

較佳地，該圖像采集單元還可以包括紅外補光燈，以滿足光學攝像頭的照度要求(例如，光線不足時間段的正常拍攝)。并且，光學攝像頭還可以包括雙鏡光學攝像頭(如圖4所示)，雙鏡光學攝像頭在采集三維圖像數據中，可以提高分辨率。

請再參閱圖3，在本發明的較佳實施例中，影像處理模塊用于分別接收紅外攝像頭和光學攝像頭在預定時間段內同時采集到的同一目標人臉的多組三維圖像數據對，確定多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，并從上述圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對。

請參閱圖5，如圖所示，圖像數據特征可以包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離關系；初始化時，紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對為特定目標人臉的比對參照圖譜，并將比對參照圖譜存儲在數據存儲模塊中。

在本發明的實施例中，判斷模塊具有兩重功能，首先其利用紅外攝像頭的圖像數據判定是否是人臉的圖像數據，第二，其根據紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，同特定目標人臉的比對參照圖譜進行比較，判斷目標人臉相似度是否滿足閾值的要求，并將判斷結果發送出去。

需要說明的是，上述閾值的取值取決于：同一目標人臉中的每一個五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離與比對參照圖譜中相應值偏差的容忍度相關。例如，根據精度，可以要求所有五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離與比對參照圖譜中相應值偏差小于某一個預定的值，也可以要求所有五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離與比對參照圖譜中相應值平均偏差小于某一個預定的值，或者要求所有五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離與比對參照圖譜中相應值加權平均偏差小于某一個預定的值。

最后觸發單元接收判斷單元的判斷結果，控制鎖緊單元的啟閉。

請參閱圖6，圖6所述為本發明基于人臉識別技術門禁系統的解鎖方法的流程示意圖，如圖所示，該方法包括初始化步驟S1和人臉識別步驟S2；初始化步驟S1用于管理員設定允許登錄的人員信息，即形成允許登錄人員的比對參照圖譜集，該比對參照圖譜集中的人員數量可以根據數據存儲模塊的容量限定，例如，可以為10～50個允許登錄的人員等，并且還可以根據需要隨時更改比對參照圖譜集中的信息。

需要說明的是，在初始化步驟S1和人臉識別步驟S2進行正式圖像采集前，光學攝像頭首先拍攝用戶人臉圖像并預先顯示在影像顯示區，以便用戶根據影像顯示區顯示的自身人臉圖像，及時調整自身的位置，即將用戶人臉的五官圖像預對準在影像顯示區指定的方框中。

具體地，初始化步驟S1可以包括如下步驟：

步驟S11：啟動初始化工作模式，紅外攝像頭和光學攝像頭在預定時間段內同時采集同一目標人臉的多組三維圖像數據對。

具體地，紅外攝像頭和光學攝像頭中的預定時間段通常為幾秒鐘(例如為5秒鐘)，在同時采集到的同一目標人臉的多組三維圖像數據時可以形成多組圖像數據對(例如為5組)，形成的5組圖像數據對分別是采集時間在1秒、2秒、3秒、4秒和5秒時的5組三維圖像數據對。

接下來，可以進行處理上述5組三維圖像數據對的步驟，即執行步驟S12。

步驟S12：確定多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，并從上述圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，得到特定目標人臉的比對參照圖譜；其中，圖像數據特征包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離關系。

請再參閱圖5，圖5為本發明實施例中從圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對的原理示意圖。如圖5所示，二維的圖像數據特征中同一目標人臉的五官輪廓特征點，分布于目標人臉的臉盤、眉毛、眼睛、鼻子和/或嘴唇上，在確定多組圖像數據特征點時，系統首先需要確定多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，即也就是說，同一目標人臉可以用上述的一個或多個器官進行檢驗，當然，如果采用上述全部器官進行檢驗是最佳的，即識別精準度高；即便是雙胞胎，采用本發明也可以滿足識別精準度的要求。

但在有些情況下，例如，某一個用戶如果帶了一個平時不戴的眼鏡(如圖7所示，在用戶眼睛部分的紅外圖像數據就一片漆黑)，系統識別時的光學攝像圖像數據特征與紅外攝像圖像數據特征的對應值就有了變化，此時就需要通過對其它器官的吻合度來進行識別。

從圖5可以看出，上述二維的圖像數據特征點的確定，是根據5組三維圖像數據對中目標人臉的一個或多個器官輪廓的極限點或變化點進行布局選擇的。同一目標人臉的五官輪廓特征點的選擇可以為，例如，對于眼睛來說，可以是兩眼框的寬度和高度的極限點、兩個眼睛的瞳孔位置、鼻子的最高點和鼻子骨骼的位置點等，五官輪廓特征點間的距離關系就是上述各特征點間的距離，例如，眼框的兩寬度極限點間的距離等。

步驟S13：初始化時，上述紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對就是特定目標人臉的比對參照圖譜，多個特定目標人臉的比對參照圖譜形成了比對參照圖譜集，此時，就可以將上述比對參照圖譜集存儲在數據存儲模塊中。

在本發明的實施例中，使用者(用戶管理員)可以通過管理模塊對比對參照圖譜集進行管理，使用者可以通過密碼和/或RFID卡進入管理界面進行操作，例如建立新用戶(注冊新用戶)時，使用者通過交互單元的操作面上的用戶詳細信息的采集和錄入。此外，管理模塊還可以包含日志、密碼解鎖、RFID解鎖和/或機械解鎖。例如，如果使用者主權限(例如密碼丟失)丟失，則無法控制鎖定，在這種情況下，可以使用機械鑰匙，恢復使用者主權限。此外，在本發明的一些實施例中，還可以包括用于使用者遠程解鎖WIFI模塊。

在本發明的較佳實施例中，為了適應小孩在成長過程中特征位置點的變化，數據存儲模塊中存儲的比對參照圖譜集可以為最近一次采集的目標人臉的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對。

請再參閱圖5，步驟S2可以具體包括如下步驟：

步驟S21：啟動識別工作模式，紅外攝像頭和光學攝像頭在預定時間段內同時采集同一目標人臉的多組三維圖像數據對。為節省電源，啟動識別工作模式用戶可以通過硬件按鈕開關區的開關進行切換，該步驟與步驟S11相同，在此不再贅述。

步驟S22：確定多組圖像數據對中圖像數據特征的區域，并從上述圖像數據特征的區域提取同一目標人臉的圖像數據特征并形成二維的紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，得到特定目標人臉的比對參照圖譜；其中，圖像數據特征包括同一目標人臉的五官輪廓特征點和五官輪廓特征點間的距離關系；該步驟同S12相同，在此不再贅述。

步驟S23：利用紅外攝像頭的圖像數據判定是否是人臉的圖像數據，如果是，執行步驟S24，否則，執行步驟S25。該步驟主要是用于避免拿用戶的照片、錄像或者蠟像來欺騙解鎖。

步驟S24：根據紅外攝像圖像數據特征和光學攝像圖像數據特征對，同特定目標人臉的比對參照圖譜進行比較，判斷目標人臉相似度是否滿足閾值的要求；如果是，控制鎖緊單元的開啟，否則，執行步驟S25；

具體地，影像處理模塊分別對比數據存儲模塊中存儲的特定目標人臉的比對參照圖譜數據，并進行紅外攝像頭和光學攝像頭拍攝數據間相關性驗證，如果吻合，就控制鎖緊單元啟閉的觸發單元開鎖，影像顯示區將同步顯示解鎖成功，然后經過一預定的時間(5秒鐘)后，門將再次鎖定；如果不吻合，門不能被解鎖，并且驗證未成功然后經過一預定的時間(20秒)后，影像顯示區將顯示故障，并在5秒后關閉。

步驟S25：解鎖過結束。

此外，本發明通過縮短上半部分的設計長度來達到符合北美標準門洞的尺寸，可以在不換門不重新打孔的前提下同時使用該產品。

以上所述的僅為本發明的實施例，所述實施例并非用以限制本發明的專利保護范圍，因此凡是運用本發明的說明書及附圖內容所作的等同結構變化，同理均應包含在本發明的保護范圍內。