試論基于PCA人臉識(shí)別的 智能防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

陳磊

（中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)有限公司金融及資本運(yùn)行部（董事會(huì)辦公室），吉林 長(zhǎng)春 130011）

對(duì)于人臉識(shí)別來(lái)說(shuō)，在諸多研究領(lǐng)域中，已經(jīng)得到了充分的體現(xiàn)，比如模式識(shí)別、圖像處理以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，人臉識(shí)別主要是指在數(shù)據(jù)庫(kù)中，對(duì)不同人臉圖像驗(yàn)證特征進(jìn)行深入分析，與一個(gè)特定場(chǎng)景進(jìn)行深入分析和對(duì)比，進(jìn)而對(duì)場(chǎng)景中單個(gè)或多個(gè)人的身份進(jìn)行鑒別。因此，基于PCA人臉識(shí)別，加強(qiáng)智能防盜報(bào)警系統(tǒng)是至關(guān)重要的，可以將防盜報(bào)警系統(tǒng)的功能充分彰顯出來(lái)，發(fā)揮出智能化的優(yōu)勢(shì)，從而借助PCA人臉識(shí)別，防止不必要的安全隱患。

一、總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要圍繞人臉識(shí)別來(lái)進(jìn)行，無(wú)須對(duì)數(shù)字加密等功能進(jìn)行添加，在系統(tǒng)功能中，主要包括：將本系統(tǒng)軟件打開(kāi)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)一個(gè)用戶界面進(jìn)行輸出，界面內(nèi)容主要包括程序開(kāi)關(guān)按鈕、程序相關(guān)參數(shù)設(shè)置等。用戶在點(diǎn)擊運(yùn)行以后，程序會(huì)將對(duì)應(yīng)計(jì)算機(jī)借助USB外置攝像頭拍攝到圖像，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，然后結(jié)合設(shè)置時(shí)間間隔，對(duì)圖像進(jìn)行截取，并進(jìn)行識(shí)別，在程序界面的識(shí)別結(jié)果一欄中，會(huì)實(shí)時(shí)顯示出識(shí)別結(jié)果。程序借助識(shí)別結(jié)果，可以對(duì)檢測(cè)者是否為本人進(jìn)行判斷，如果非本人，會(huì)顯示警報(bào)，而且借助USB連接GSM通信模塊，借助通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)，將預(yù)設(shè)的信息發(fā)送到手機(jī)終端上，將實(shí)時(shí)報(bào)警功能充分發(fā)揮出來(lái)。系統(tǒng)總體說(shuō)明圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總功能圖

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（一）硬件總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件，其模塊主要包括機(jī)模塊、攝像模塊、通信模塊等，其中，對(duì)于主機(jī)模塊來(lái)說(shuō)，需要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行、圖像處理等功能進(jìn)行顯示。而對(duì)于攝像頭來(lái)說(shuō)，要將圖像的收集工作落實(shí)到位。通信模塊借助串口轉(zhuǎn)USB，要將實(shí)時(shí)通信報(bào)警功能充分體現(xiàn)出來(lái)。

主機(jī)模塊屬于PC主機(jī)，不同用戶有著不同的主機(jī)型號(hào)和配置，但是本系統(tǒng)程序的通用性比較顯著，基于理論視角，個(gè)人PC機(jī)，都可以對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行安裝使用。本系統(tǒng)主要結(jié)合人臉識(shí)別功能，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)拓展，所以更加明確提出了對(duì)攝像模塊的要求。在攝像頭獲取人臉圖像過(guò)程中，人臉的光線情況、與攝像頭的距離等，都會(huì)對(duì)人臉識(shí)別功能產(chǎn)生極大的影響。

在相關(guān)測(cè)試對(duì)比以后，本設(shè)計(jì)的攝像模塊，對(duì)谷客高清攝像頭進(jìn)行了應(yīng)用，這種產(chǎn)品的優(yōu)勢(shì)主要包括光圈大、自動(dòng)對(duì)焦等，可以與本系統(tǒng)對(duì)攝像模塊的要求相符合。谷客攝像頭的動(dòng)態(tài)分辨率為640×480，而且其圖像采集速度為60幀/秒。鏡頭對(duì)多層鍍膜濾鏡進(jìn)行了應(yīng)用，可以將所拍攝的圖像還原出來(lái)，確保圖像的高度清晰。

（二）GSM通信系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

其中，TC35i GSM通信模塊與PC主機(jī)接口設(shè)計(jì)，要想為硬件模塊的連接創(chuàng)造有利條件，要對(duì)USB接口進(jìn)行應(yīng)用，以此來(lái)連接好TC35i模塊和主機(jī)模塊，也就是TC35i要作為USB，從設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信，TC35i模塊的通信接口屬于標(biāo)準(zhǔn)9針串口，要想促使USB連接通信的實(shí)現(xiàn)，就要加強(qiáng)串口轉(zhuǎn)USB線的應(yīng)用，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。

三、軟件總體設(shè)計(jì)

針對(duì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，圖像處理、界面設(shè)計(jì)以及GSM通信軟件設(shè)計(jì)等，是重要的構(gòu)成內(nèi)容。圖像處理程序的諸多函數(shù)，都是直接對(duì)opencv的庫(kù)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，所以整體程序的簡(jiǎn)潔性比較強(qiáng)。

（一）預(yù)處理模塊

1、圖像讀取和存儲(chǔ)

通過(guò)調(diào)用預(yù)定函數(shù)初始化視頻設(shè)備以后，可以對(duì)PC機(jī)中視頻設(shè)備中的視頻圖像進(jìn)行調(diào)用。借助cvsaveimage這一函數(shù)，可以與保存圖像到文件的需求相符合。

2、圖像二值化

對(duì)于圖像二值化來(lái)說(shuō)，主要是指將已經(jīng)進(jìn)行灰度化處理，及時(shí)轉(zhuǎn)換成僅僅涵蓋黑白灰度級(jí)的二值圖像，將圖像的特點(diǎn)充分展現(xiàn)出來(lái)，為圖像識(shí)別提供一定的便利性。對(duì)其處理過(guò)程進(jìn)行分析，主要是指將圖像上像素點(diǎn)的灰度值進(jìn)行設(shè)置，具體設(shè)置為0/255，也就是將整個(gè)圖像的黑白效果呈現(xiàn)出來(lái)。

（二）人臉識(shí)別模塊

在這個(gè)模塊中，要對(duì)二值化處理后的黑白照片，進(jìn)行降維處理，對(duì)算法處理過(guò)程中的運(yùn)算量進(jìn)行降低，所以要加強(qiáng)PCA算法的應(yīng)用。通常來(lái)說(shuō)，攝像頭獲取到的圖像尺寸比較大，如果在矩陣運(yùn)算中進(jìn)行應(yīng)用，可以促進(jìn)系統(tǒng)的運(yùn)算量的增加，這對(duì)運(yùn)行的順暢性產(chǎn)生了極大的影響，所以要適度裁剪和縮小處理原圖。調(diào)用Opencv中的庫(kù)函數(shù)，面部檢測(cè)獲取到了圖像，對(duì)于檢測(cè)到的人臉圖像，不斷提高自動(dòng)截取水平。

在圖像處理以后，借助算法提取處理后圖像的人臉特征值，并排列轉(zhuǎn)換成矩陣。用于比對(duì)的模型，也就是借助同種訓(xùn)練方法，結(jié)合訓(xùn)練樣本，對(duì)多個(gè)人臉特征值矩陣進(jìn)行提取和保存，為識(shí)別時(shí)的比對(duì)創(chuàng)造有利條件。在識(shí)別以后，“結(jié)果系數(shù)”，可以表示識(shí)別結(jié)果，在訓(xùn)練模型中，結(jié)果系數(shù)與檢測(cè)者的特征值矩陣與檢測(cè)者的特征值矩陣之間的距離比較近，如果結(jié)果系數(shù)比較小，可以判斷兩人臉的相似度比較高。反之，如果結(jié)果系數(shù)較大，則可以說(shuō)明兩人臉的相似度非常低。

四、實(shí)驗(yàn)、調(diào)試及其分析

（一）實(shí)驗(yàn)與調(diào)試

在攝像頭范圍內(nèi)的不同位置和距離，讓單名或多名檢測(cè)者進(jìn)行面部檢測(cè)，而且對(duì)相應(yīng)的表情進(jìn)行轉(zhuǎn)換，結(jié)合識(shí)別結(jié)果一欄中的結(jié)果系數(shù)，可以為系統(tǒng)是否檢測(cè)出人臉提供一定的依據(jù)。具體來(lái)說(shuō)：首先，借助圖像預(yù)處理模塊，在攝像頭中，可以對(duì)原始圖像進(jìn)行獲取，在對(duì)人臉進(jìn)行檢測(cè)以后，進(jìn)行裁剪，并二值化處理面部圖像。其次，借助PCA算法，在二值化后的人臉圖像，對(duì)相應(yīng)的特征值進(jìn)行獲取，并實(shí)現(xiàn)向特征值矩陣的順利轉(zhuǎn)化。再次，對(duì)比和分析得到的特征值矩陣、經(jīng)訓(xùn)練的模型的特征值矩陣，將模型中與測(cè)試者特征值矩陣相似度較高的矩陣找出來(lái)，并進(jìn)行深入對(duì)比，在獲取結(jié)果系數(shù)時(shí)，要結(jié)合二者之間的差額。最后，對(duì)結(jié)果系數(shù)的大小進(jìn)行分析，結(jié)合參與識(shí)別的人，以此來(lái)確定是否為本人。在為本人的情況下，在界面上，會(huì)將“歡迎”的字樣顯示出來(lái)。

（二）調(diào)試結(jié)果與分析

光線嚴(yán)重影響到了結(jié)果系數(shù)。在PCA算法特點(diǎn)的影響下，人臉識(shí)別參與者的光線環(huán)境嚴(yán)重影響著識(shí)別的結(jié)果系數(shù)，所以在對(duì)固定數(shù)值的判定方式進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，如果環(huán)境光線變化顯著，極容易導(dǎo)致警報(bào)誤報(bào)的出現(xiàn)。具體的解決方法是：在程序中，要對(duì)“警報(bào)閥”進(jìn)行設(shè)置，可以結(jié)合使用現(xiàn)場(chǎng)的光線環(huán)境調(diào)整，以便于對(duì)是否引起警報(bào)的結(jié)果系數(shù)進(jìn)行判斷。如果檢測(cè)光線環(huán)境的變化比較顯著時(shí)，要及時(shí)對(duì)警報(bào)閾值進(jìn)行調(diào)整，避免誤報(bào)現(xiàn)象的出現(xiàn)。

五、結(jié)束語(yǔ)

要想不斷提高人臉識(shí)別和實(shí)時(shí)報(bào)警效率，本系統(tǒng)人臉識(shí)別環(huán)節(jié)，對(duì)PCA算法進(jìn)行了積極應(yīng)用，滿足了本系統(tǒng)的基本要求，可以保證較高的識(shí)別率，避免環(huán)境變化影響到識(shí)別率，并且在實(shí)時(shí)報(bào)警通信方面的數(shù)據(jù)傳輸方面，不斷提高警報(bào)信息的完整性和具體性。