基于人臉識(shí)別技術(shù)的自動(dòng)安檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

徐草草 楊啟明 張 雙

（1.成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 樂(lè)山 614000）（2.中國(guó)移動(dòng)樂(lè)山分公司 樂(lè)山 614000）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的出行越來(lái)越頻繁，交通工具的使用也變得越來(lái)越多樣化。頻繁的出行與極大的客流量，給運(yùn)輸安全和人員信息核對(duì)帶來(lái)了極大的困難，目前對(duì)于，交通運(yùn)輸安檢大多還停留在比較原始的人工比對(duì)的方式來(lái)完成［1～5］。這樣不但增加了勞動(dòng)成本，還造成了大量的資源浪費(fèi)。為此，如何快速、準(zhǔn)確、安全進(jìn)行地安全檢查成為解決快輸通行的一個(gè)重要問(wèn)題。隨著自動(dòng)售票系統(tǒng)的產(chǎn)生，識(shí)別檢票技術(shù)也迅速發(fā)展，出現(xiàn)了許多較成熟的技術(shù)，越來(lái)越廣泛應(yīng)用于各種交通領(lǐng)域，給人們帶來(lái)了前所未有的方便。同樣也給檢票系統(tǒng)的建構(gòu)提供了數(shù)據(jù)庫(kù)支撐，為建立自動(dòng)檢票系統(tǒng)提供了數(shù)據(jù)交互上的保證［5～12］。

輪船自動(dòng)檢票系統(tǒng)是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)管理方式來(lái)代替人工手動(dòng)檢票的一種自動(dòng)化檢票模式，是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)營(yíng)中檢票與人員信息核對(duì)與管理的智能系統(tǒng)，也是票務(wù)系統(tǒng)發(fā)展的一種新技術(shù)、新方法，它的出現(xiàn)不但將人從勞動(dòng)中解放出來(lái)，同時(shí)也節(jié)約了旅客的等候時(shí)間，保證了檢查的安全性［11～19］。常規(guī)的檢票系統(tǒng)是一個(gè)閉源的系統(tǒng)，用戶只能在工程師設(shè)定的模式下工作，即使有所調(diào)整也是進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的操作，對(duì)于系統(tǒng)的腳本文件，腳本信息，用戶幾乎完全無(wú)法觀察；這雖然增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性，但這個(gè)用戶帶來(lái)了些許不便，特別是在系統(tǒng)的兼容上出現(xiàn)了極大的問(wèn)題［12～17］。為此本文提出了一種基于SCILAB和TCL/TK的開(kāi)源軟件模式下的檢票系統(tǒng)。本系統(tǒng)運(yùn)用SCILAB和TCL/TK開(kāi)源軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，利用人臉識(shí)別處理相關(guān)技術(shù)作為檢票的信息檢索文件設(shè)計(jì)并完成輪船自動(dòng)檢票功能。在本軟件中實(shí)現(xiàn)的模塊有登錄模塊，檢票模塊，放行控制模塊等基本模塊，實(shí)現(xiàn)了檢票必須的功能。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人臉識(shí)別系統(tǒng)一般包含人臉檢測(cè)與定位、眼睛定位、人臉歸一化、特征提取、進(jìn)行識(shí)別等重要關(guān)鍵技術(shù)［5～12］。研究此系統(tǒng)的在于利用人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢票。首先選用特征點(diǎn)的方式對(duì)人臉進(jìn)行識(shí)別，特征點(diǎn)提取研究中，需要人臉庫(kù)的人臉圖具備表情、成像角度、光照以及膚色不同等，我們選用ORL數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行算法研究和模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 系統(tǒng)算法分析

人臉識(shí)別技術(shù)中被廣泛采用的區(qū)域特征分析算法，它融合了計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人臉識(shí)別技術(shù)與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理于一體，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從視頻中提取人像特征點(diǎn)，利用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型，即人臉特征模板。利用已建成的人臉特征模板與被測(cè)者的人的面像進(jìn)行特征分析，根據(jù)分析的結(jié)果來(lái)給出一個(gè)相似值。通過(guò)這個(gè)值來(lái)判定人的一致吻合性。主成分分析法（Principle Component Analysis）是人臉識(shí)別技術(shù)中，非常重要的一種算法［11～13］。

主成分分析（Principle Component Analysis）也稱K-L變換方法，它利用圖像的K-L分解，是最廣泛的特征提取方法之一，K-L變換是一種常用的正交變換，適用于任意的概率分布，實(shí)現(xiàn)在誤差最小的情況下獲取數(shù)據(jù)壓縮的最佳變換。人們將K-L變換用于統(tǒng)計(jì)特征提取，從而形成了子空間法模式識(shí)別的基礎(chǔ)。Pentland最早將主成分分析法用于人臉識(shí)別，使得人臉識(shí)別技術(shù)由單純的科研轉(zhuǎn)為實(shí)用。PCA的原理就是將高維向量，通過(guò)一個(gè)特殊的特征向量矩陣，投影到一個(gè)低維的向量空間中，表征為低維向量，并不會(huì)損失任何信息，也就是說(shuō)，通過(guò)低維表征的向量和這個(gè)特征向量矩陣，可以完全重構(gòu)出所對(duì)應(yīng)的原來(lái)的高維向量。特征臉?lè)椒ǎ‥IGENFACE）是基于主成分分析的一種方法，將其應(yīng)用到人臉識(shí)別中，如下所述。

為了得到樣本的偏差矩陣，我們計(jì)算了每一個(gè)樣本與平均的偏差，方法為

這里將平均偏差集用矩陣D來(lái)描述，則D的維數(shù)為m×N。

通過(guò)對(duì)平均偏差值進(jìn)行求解式（3）和線性運(yùn)算，可得到樣本及的協(xié)方差矩陣，C得維數(shù)為m×m。計(jì)算C的特征向量，這些特征向量就是人臉空間的正交基底。用它們的線性組合可以重構(gòu)得到樣本中任意的人臉圖像。通過(guò)量化后的特征向量，我們可以得到人臉的輪廓，即為特征臉，如圖1。將特征向量按所對(duì)應(yīng)的特征值得大小降序排列，特征向量所對(duì)應(yīng)的特征值越大，它在重構(gòu)時(shí)的貢獻(xiàn)越大。所而對(duì)那些接近于特征值0的特征向量，則可以忽略不計(jì)。

圖1 特征臉數(shù)據(jù)集

一般情況下樣本的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于圖像的象素個(gè)數(shù)，根據(jù)矩陣的奇異值分解定理（SVD）我們可以計(jì)算出維數(shù)為N×N的矩陣DDT的N個(gè)特征向量vi和特征值λi，根據(jù)SVD定理，矩陣C=DDT的特征之和DDT的非0特征值相等，所以C最多只有N個(gè)非0特征值。根據(jù)定理，C的特征向量可以表示為

其中vi是 DDT的特征向量，λi是對(duì)應(yīng)的特征值，ui是的特征向量。

這些特征向量所組成的特征臉子空間的維數(shù)為m in( )

N，m 。同時(shí)，對(duì)一定小的特征值所對(duì)應(yīng)的特征向量是可以忽略的，這樣空間可以變得更小，以此來(lái)降低計(jì)算機(jī)的計(jì)算量。把全部的特征向量寫成矩陣的形式。將一個(gè)人臉圖像樣本X的偏差y向特征子空間投影，利用式（5）可以得到的系數(shù)向量z，即它在這個(gè)特征臉子空間的系數(shù)向量。這樣一個(gè)人臉圖像就可以用較低維的系數(shù)向量表征。

這樣就可以通過(guò)計(jì)算在這個(gè)較低維空間中人臉樣本的距離來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別。距離越小，代表人臉圖之間越相似。

2.2 系統(tǒng)的搭建

輪船安檢系統(tǒng)是一個(gè)專用的控制系統(tǒng)，它對(duì)旅客的控制，船票的檢驗(yàn)都有非常重要的作用。通常檢票系統(tǒng)的開(kāi)放與關(guān)閉需要專人來(lái)控制，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)里面首先要為控制者設(shè)計(jì)權(quán)限。同時(shí)還需要對(duì)每次權(quán)限人員的開(kāi)啟與關(guān)閉進(jìn)行登記，方便管理。為此，在我們的系統(tǒng)里面設(shè)計(jì)了管理者界面。如圖2。

圖2 管理者登陸界面

在用戶登陸以后，需要對(duì)所檢票的信息進(jìn)行管理，為了保證旅客的安全，通常我們需要對(duì)所檢票的情況進(jìn)行限制性管理。一種是以船的班次為檢索詞，對(duì)所對(duì)應(yīng)的航線進(jìn)行檢票管理。還有一種情況在同一個(gè)時(shí)段如果有多個(gè)航線或班次需要處理時(shí)，我們還可以以時(shí)間為檢索詞，設(shè)定時(shí)間段來(lái)進(jìn)行檢票處理。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了雙檢索詞檢索系統(tǒng)，如圖3。

圖3 車次或航班管理界面

經(jīng)歷以上兩個(gè)管理以后，該系統(tǒng)就能進(jìn)行管理功能，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)旅客的管理。參見(jiàn)圖4。

圖4 初始化檢票系統(tǒng)

2.3 系統(tǒng)測(cè)試

在系統(tǒng)搭建完成以后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬功能性測(cè)試實(shí)驗(yàn)。理論情況下，通過(guò)人臉比對(duì)，若旅客的人臉信息與檢票系統(tǒng)中提供的用戶購(gòu)票信息人臉信息相同或者近似相同，那么該旅客就能順利通過(guò)檢票，否則將會(huì)被禁止。通過(guò)系統(tǒng)實(shí)踐證明，只要合理的設(shè)置辨識(shí)參數(shù)，是可以有效的實(shí)現(xiàn)安全檢票的。如圖5所示。

通過(guò)系統(tǒng)的測(cè)試，系統(tǒng)具有較好的操作性，在檢票時(shí)可以較快通過(guò)人臉及車票信息自動(dòng)搜索系統(tǒng)售票記錄并進(jìn)行人臉識(shí)別，系統(tǒng)操作方便、快捷。因此該系統(tǒng)是可行的。

3 結(jié)語(yǔ)

該系統(tǒng)是一個(gè)較為全面的開(kāi)源設(shè)計(jì)的管理系統(tǒng)，管理者在登錄模塊通過(guò)正確的密碼登錄系統(tǒng)之后，就能對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)管理。在系統(tǒng)正常運(yùn)行的模式下，人臉拍攝系統(tǒng)通過(guò)與售票系統(tǒng)預(yù)存的圖片實(shí)時(shí)交互就能實(shí)現(xiàn)車票的檢票管理。本系統(tǒng)具有良好的可操作性，具有簡(jiǎn)單，快捷，方便等特點(diǎn)。最重要的是設(shè)計(jì)者為使用者預(yù)留了大量的開(kāi)發(fā)接口，該接口可以與警務(wù)，銀行等系統(tǒng)連接，可以為打擊犯罪提供追中數(shù)據(jù)。