一种基于人脸识别技术的门禁系统及解锁方法与流程

本发明涉及属于生物识别技术领域，尤其涉及一种使用人脸识别技术来解锁门和保险箱的技术，具体地，涉及一种基于人脸识别技术的门禁系统及解锁方法。

背景技术：

门禁系统是随着自动识别技术的发展而迅速发展的，在经历过早期的第一代门禁技术(键盘密码方式)、第二代门禁技术(磁卡方式)和第三代门禁技术(接触式1C卡方式)之后，RFID技术与生物特征识别技术如今已经成为当代门禁技术的主流。

生物特征识别门禁系统是以人体生物特征作为辨识条件的门禁系统，主要包括指纹识别、掌纹识别、语音识别和人脸识别等，这些生物特征相同的概率达到数十亿分之一。

近年来，基于生物特征的身份认证技术的迅速发展，门禁系统得到了飞跃式的发展。其中，利用人脸特征进行身份验证又是最自然、最直接的手段，相比其他人体生物特征(指纹、静脉、瞳孔和签名等)人脸识别具有主动性、非侵犯性、用户友好等特点，易于为用户所接受。

人脸识别解锁(face-to-unlock)，是指通过识别人脸来允许用户解锁门和保险箱的门禁系统。本领域技术人员清楚，人脸识别解锁方法均需要提取人脸图像数据和摄像数据进行脸部特征分析的过程，采用光学人脸图像数据和摄像数据进行采集脸部特征分析时目前的主流技术。

然而，不论是基于二维的或者是三维的光学人脸图像数据和摄像数据进行采集脸部特征和判断，均存在如下问题：

①、假冒者可以通过使用光学摄像头拍摄的二维图像照片或一个三维的假人可以达到顺利解锁的目的，安全性较差，很难避免拿用户的照片、录像或者蜡像来欺骗解锁。

②、如果使用光学摄像头拍摄三维的光学人脸图像数据和摄像数据，并用三维的算法进行人脸脸部特征提取和判断，算法复杂，需要强大的后台处理能力，不适合仅使用直流电源供电的门和保险箱的门禁装置。

技术实现要素：

为了实现上述目标，本发明提供了一种基于人脸识别技术的门禁系统，本发明的技术方案如下：

一种基于人脸识别技术的门禁系统，其包括壳体、门把手、位于所述门把手之上且嵌设于所述门外部分壳体中的交互单元、锁紧单元、控制所述锁紧单元启闭的触发单元和人脸识别单元；其中，所述交互单元的操作面的底面凸出于所述门外部分壳体的表面，即所述交互单元的操作面与所述门外部分壳体成锐角；所述人脸识别单元包括数据存储模块、图像采集模块、影像处理模块和判断模块；图像采集模块包括红外摄像头和光学摄像头，所述红外摄像头和光学摄像头平行放置且并行设于所述交互单元的操作面上，以使所述红外摄像头和光学摄像头的两光轴互相平行且与所述交互单元的操作面相垂直；影像处理模块，其分别接收所述红外摄像头和光学摄像头在预定时间段内同时采集到的同一目标人脸的多组三维图像数据对，确定所述多组图像数据对中图像数据特征的区域，并从上述图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对；其中，所述图像数据特征包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和所述五官轮廓特征点间的距离关系；初始化时，所述红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对为特定目标人脸的比对参照图谱，且所述比对参照图谱被存储在所述数据存储模块中，以形成比对参照图谱集；判断模块利用所述红外摄像头的图像数据判定是否是人脸的图像数据，并根据所述红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，同特定目标人脸的比对参照图谱集进行比较，判断目标人脸相似度是否满足阈值的要求，并将判断结果发送出去；所述触发单元接收判断单元的判断结果，控制所述锁紧单元的启闭。

优选地，所述图像数据特征中同一目标人脸的五官轮廓特征点，分布于目标人脸的脸盘、眉毛、眼睛、鼻子和/或嘴唇上，且所述红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对相应点的位置确定，同所述红外摄像头和光学摄像头相对的安装位置相关。

优选地，所述阈值取决于同一目标人脸中的每一个五官轮廓特征点和所述五官轮廓特征点间的距离与比对参照图谱中相应值偏差的容忍度相关。

优选地，所述交互单元的操作面还包括影像显示区、触摸屏区和硬件按钮开关区，所述影像显示区用于显示所述光学摄像头拍摄的目标人脸图像；所述触摸屏区用于人机交互界面；硬件按钮开关区用于启闭电源和/或所述红外摄像头和光学摄像头拍摄的启动。

优选地，所述图像采集模块还包括预处理子模块，用于在进行图像采集前，将所述光学摄像头采集到的用户人脸图像显示在所述影像显示区，以便用户通过调整自身的位置将用户人脸的五官图像预对准在所述影像显示区指定的方框中。

优选地，所述交互单元的操作面与所述门外部分壳体成的锐角为33°到34°之间。

优选地，所述数据存储模块中存储的所述比对参照图谱为最近一次采集的目标人脸的所述红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对。

优选地，所述图像采集单元还包括红外补光灯，以满足所述光学摄像头的照度要求；所述光学摄像头包括双镜光学摄像头。

优选地，所述的基于人脸识别技术的门禁系统，还包括管理模块和WIFI模块，所述管理模块用于日志管理、密码解锁、RFID解锁和/或机械解锁的管理，所述WIFI模块用于使用者远程解锁。

为了实现上述目标，本发明还提供了一种基于人脸识别技术的解锁方法，包括初始化步骤S1和人脸识别步骤S2；其中，

步骤S1具体包括如下步骤：

步骤S11：启动初始化工作模式，所述红外摄像头和光学摄像头在预定时间段内同时采集同一目标人脸的多组三维图像数据对；

步骤S12：确定所述多组图像数据对中图像数据特征的区域，并从上述图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，得到特定目标人脸的比对参照图谱；其中，所述图像数据特征包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和所述五官轮廓特征点间的距离关系；

步骤S13：将所述比对参照图谱存储在所述数据存储模块中，以形成比对参照图谱集；

步骤S2具体包括如下步骤：

步骤S21：启动识别工作模式，所述红外摄像头和光学摄像头在预定时间段内同时采集同一目标人脸的多组三维图像数据对；

步骤S22：确定所述多组图像数据对中图像数据特征的区域，并从上述图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，得到特定目标人脸的比对参照图谱；其中，所述图像数据特征包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和所述五官轮廓特征点间的距离关系；

步骤S23：利用所述红外摄像头的图像数据判定是否是人脸的图像数据，如果是，执行步骤S24，否则，显示解锁失败，执行步骤S25；

步骤S24：根据所述红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，同特定目标人脸的比对参照图谱进行比较，判断目标人脸相似度是否满足阈值的要求；如果是，控制所述锁紧单元的开启，否则，执行步骤S25；

步骤S25：解锁过结束。

从上述技术方案可以看出，本发明提供了一种基于人脸识别技术的门禁系统，其采用交互单元的操作面的底面凸出于门外部分壳体的表面，即交互单元的操作面与壳体成锐角的身份验证结构，且通过使用高清晰度的红外摄像头和双光学摄像头镜头扫描用户的脸，进行各种身材高度的用户身份验证；并采用密码和/或射频识别卡对系统进行管理。

附图说明

图1所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统的主视图

图2所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统采用计算机软件渲染的立体示意图；其中，交互单元的操作面与门外部分壳体成锐角

图3所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统结构的示意图

图4所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统中双镜光学摄像头的示意图

图5所示为本发明中图像数据特征包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离关系的示意图

图6所示为本发明基于人脸识别技术门禁系统的解锁方法的流程示意图

图7所示为本发明实施例中用户如果带了一个平时不戴的眼镜时的红外摄像图像数据(图片)示意图

具体实施方式

体现本发明特征与优点的实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的示例上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上当做说明之用，而非用以限制本发明。

以下结合附图1至图7，通过具体实施例对本发明的基于实时系统的热处理设备温度控制及方法、实现该方法的装置作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式、使用非精准的比例，且仅用以方便、明晰地达到辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，下述文字中的使用者通常代表具有管理该系统的人员，而用户则是需要通过本系统解锁的人员。很清楚，使用者最终很可能也是用户中的一个成员。

请参阅图1，图1所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统的主视图。如图1所示，该基于人脸识别技术的门禁系统可以包括壳体1、门把手2、位于门把手2之上且嵌设于门外部分壳体1中的交互单元3、锁紧单元(图未示)、控制锁紧单元启闭的触发单元(图未示)、直流电源单元(图未示)和人脸识别单元(图未示)。其中，锁紧单元、控制锁紧单元启闭的触发单元、直流电源单元和人脸识别单元均位于壳体1中。

请参阅图2，图2所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统采用计算机软件渲染的立体示意图。如图2所示，在本发明的实施例中，该交互单元3的操作面的底面凸出于门外部分壳体1的表面，即交互单元3的操作面与门外部分壳体3成锐角；较佳地，该交互单元3的操作面与门外部分壳体1成的锐角为33°到34°之间。使用时，用户可以站在距离进户门和保险箱门半步到一步的距离，以使不同身高的用户可以通过前后移动来达到一个理想的录入和识别状态。

请参阅图3，图3所示为本发明一种基于人脸识别技术的门禁系统结构的示意图。在本发明的实施例中，人脸识别单元包括数据存储模块、图像采集模块、影像处理模块和判断模块。交互单元的操作面可以包括影像采集区、影像显示区、触摸屏区和硬件按钮开关区。影像采集区用于安装图像采集模块；影像显示区用于显示光学摄像头拍摄的目标人脸的图像；触摸屏区用于人机交互界面；硬件按钮开关区用于启闭电源和/或红外摄像头和光学摄像头拍摄的启动。

本发明采用两种摄像头(红外摄像头和光学摄像头)所拍摄的彩色图像数据和红外图像数据。具体地，图像采集模块可以包括红外摄像头和光学摄像头，并行设于交互单元3的操作面上，红外摄像头和光学摄像头平行放置；红外摄像头和光学摄像头的两光轴互相平行且与交互单元的操作面相垂直。

在本发明的实施例中，由于红外摄像头和光学摄像头几乎从同一个位置角度对同一目标人脸拍摄，虽然分别得到光学彩色图像数据和红外图像数据，但光学彩色图像数据和红外图像数据间存在一定的位置对应关系，原则上可以认为红外摄像头和光学摄像头在同一个位置拍摄。

在本发明的其它实施例中，如果希望后续的判断算法简单一些，红外摄像头和光学摄像头的位置角度些许偏差，也是可以通过位置补偿算法进行修正的，该修正技术可以采用现有技术中的任何方法，在此不再赘述。

此外，图像采集模块还可以包括预处理子模块，用于在进行图像采集前，将光学摄像头采集到的用户人脸图像显示在影像显示区，以便用户通过调整自身的位置将本用户人脸的五官图像预对准在影像显示区指定的方框中。

较佳地，该图像采集单元还可以包括红外补光灯，以满足光学摄像头的照度要求(例如，光线不足时间段的正常拍摄)。并且，光学摄像头还可以包括双镜光学摄像头(如图4所示)，双镜光学摄像头在采集三维图像数据中，可以提高分辨率。

请再参阅图3，在本发明的较佳实施例中，影像处理模块用于分别接收红外摄像头和光学摄像头在预定时间段内同时采集到的同一目标人脸的多组三维图像数据对，确定多组图像数据对中图像数据特征的区域，并从上述图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对。

请参阅图5，如图所示，图像数据特征可以包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离关系；初始化时，红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对为特定目标人脸的比对参照图谱，并将比对参照图谱存储在数据存储模块中。

在本发明的实施例中，判断模块具有两重功能，首先其利用红外摄像头的图像数据判定是否是人脸的图像数据，第二，其根据红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，同特定目标人脸的比对参照图谱进行比较，判断目标人脸相似度是否满足阈值的要求，并将判断结果发送出去。

需要说明的是，上述阈值的取值取决于：同一目标人脸中的每一个五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离与比对参照图谱中相应值偏差的容忍度相关。例如，根据精度，可以要求所有五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离与比对参照图谱中相应值偏差小于某一个预定的值，也可以要求所有五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离与比对参照图谱中相应值平均偏差小于某一个预定的值，或者要求所有五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离与比对参照图谱中相应值加权平均偏差小于某一个预定的值。

最后触发单元接收判断单元的判断结果，控制锁紧单元的启闭。

请参阅图6，图6所述为本发明基于人脸识别技术门禁系统的解锁方法的流程示意图，如图所示，该方法包括初始化步骤S1和人脸识别步骤S2；初始化步骤S1用于管理员设定允许登录的人员信息，即形成允许登录人员的比对参照图谱集，该比对参照图谱集中的人员数量可以根据数据存储模块的容量限定，例如，可以为10～50个允许登录的人员等，并且还可以根据需要随时更改比对参照图谱集中的信息。

需要说明的是，在初始化步骤S1和人脸识别步骤S2进行正式图像采集前，光学摄像头首先拍摄用户人脸图像并预先显示在影像显示区，以便用户根据影像显示区显示的自身人脸图像，及时调整自身的位置，即将用户人脸的五官图像预对准在影像显示区指定的方框中。

具体地，初始化步骤S1可以包括如下步骤：

步骤S11：启动初始化工作模式，红外摄像头和光学摄像头在预定时间段内同时采集同一目标人脸的多组三维图像数据对。

具体地，红外摄像头和光学摄像头中的预定时间段通常为几秒钟(例如为5秒钟)，在同时采集到的同一目标人脸的多组三维图像数据时可以形成多组图像数据对(例如为5组)，形成的5组图像数据对分别是采集时间在1秒、2秒、3秒、4秒和5秒时的5组三维图像数据对。

接下来，可以进行处理上述5组三维图像数据对的步骤，即执行步骤S12。

步骤S12：确定多组图像数据对中图像数据特征的区域，并从上述图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，得到特定目标人脸的比对参照图谱；其中，图像数据特征包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离关系。

请再参阅图5，图5为本发明实施例中从图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对的原理示意图。如图5所示，二维的图像数据特征中同一目标人脸的五官轮廓特征点，分布于目标人脸的脸盘、眉毛、眼睛、鼻子和/或嘴唇上，在确定多组图像数据特征点时，系统首先需要确定多组图像数据对中图像数据特征的区域，即也就是说，同一目标人脸可以用上述的一个或多个器官进行检验，当然，如果采用上述全部器官进行检验是最佳的，即识别精准度高；即便是双胞胎，采用本发明也可以满足识别精准度的要求。

但在有些情况下，例如，某一个用户如果带了一个平时不戴的眼镜(如图7所示，在用户眼睛部分的红外图像数据就一片漆黑)，系统识别时的光学摄像图像数据特征与红外摄像图像数据特征的对应值就有了变化，此时就需要通过对其它器官的吻合度来进行识别。

从图5可以看出，上述二维的图像数据特征点的确定，是根据5组三维图像数据对中目标人脸的一个或多个器官轮廓的极限点或变化点进行布局选择的。同一目标人脸的五官轮廓特征点的选择可以为，例如，对于眼睛来说，可以是两眼框的宽度和高度的极限点、两个眼睛的瞳孔位置、鼻子的最高点和鼻子骨骼的位置点等，五官轮廓特征点间的距离关系就是上述各特征点间的距离，例如，眼框的两宽度极限点间的距离等。

步骤S13：初始化时，上述红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对就是特定目标人脸的比对参照图谱，多个特定目标人脸的比对参照图谱形成了比对参照图谱集，此时，就可以将上述比对参照图谱集存储在数据存储模块中。

在本发明的实施例中，使用者(用户管理员)可以通过管理模块对比对参照图谱集进行管理，使用者可以通过密码和/或RFID卡进入管理界面进行操作，例如建立新用户(注册新用户)时，使用者通过交互单元的操作面上的用户详细信息的采集和录入。此外，管理模块还可以包含日志、密码解锁、RFID解锁和/或机械解锁。例如，如果使用者主权限(例如密码丢失)丢失，则无法控制锁定，在这种情况下，可以使用机械钥匙，恢复使用者主权限。此外，在本发明的一些实施例中，还可以包括用于使用者远程解锁WIFI模块。

在本发明的较佳实施例中，为了适应小孩在成长过程中特征位置点的变化，数据存储模块中存储的比对参照图谱集可以为最近一次采集的目标人脸的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对。

请再参阅图5，步骤S2可以具体包括如下步骤：

步骤S21：启动识别工作模式，红外摄像头和光学摄像头在预定时间段内同时采集同一目标人脸的多组三维图像数据对。为节省电源，启动识别工作模式用户可以通过硬件按钮开关区的开关进行切换，该步骤与步骤S11相同，在此不再赘述。

步骤S22：确定多组图像数据对中图像数据特征的区域，并从上述图像数据特征的区域提取同一目标人脸的图像数据特征并形成二维的红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，得到特定目标人脸的比对参照图谱；其中，图像数据特征包括同一目标人脸的五官轮廓特征点和五官轮廓特征点间的距离关系；该步骤同S12相同，在此不再赘述。

步骤S23：利用红外摄像头的图像数据判定是否是人脸的图像数据，如果是，执行步骤S24，否则，执行步骤S25。该步骤主要是用于避免拿用户的照片、录像或者蜡像来欺骗解锁。

步骤S24：根据红外摄像图像数据特征和光学摄像图像数据特征对，同特定目标人脸的比对参照图谱进行比较，判断目标人脸相似度是否满足阈值的要求；如果是，控制锁紧单元的开启，否则，执行步骤S25；

具体地，影像处理模块分别对比数据存储模块中存储的特定目标人脸的比对参照图谱数据，并进行红外摄像头和光学摄像头拍摄数据间相关性验证，如果吻合，就控制锁紧单元启闭的触发单元开锁，影像显示区将同步显示解锁成功，然后经过一预定的时间(5秒钟)后，门将再次锁定；如果不吻合，门不能被解锁，并且验证未成功然后经过一预定的时间(20秒)后，影像显示区将显示故障，并在5秒后关闭。

步骤S25：解锁过结束。

此外，本发明通过缩短上半部分的设计长度来达到符合北美标准门洞的尺寸，可以在不换门不重新打孔的前提下同时使用该产品。

以上所述的仅为本发明的实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。