进门控制系统的制作方法

本实用新型总体上涉及进门控制系统，具体地，涉及结合了三维识别技术的进门控制系统，例如智能门锁、智能门禁系统等。

背景技术：

进门控制系统，例如门锁和门禁系统等，涉及到受控制区域的安全性，对人员进出采用各类身份认证方式起到权限控制作用。

目前基于人脸识别的门锁、门禁类产品普遍采用的是二维人脸识别技术，缺乏有效的人脸三维信息获取能力，仅依靠拍摄二维图像信息进行识别，容易受到照片、平板、面具等伪造手段攻击，受到人脸化妆、配饰、光照变化等干扰影响。采用三维识别技术的门锁、门禁产品有望克服以上问题，提高产品安全性和易用性

然而，传统三维成像设备利用激光线扫描或投影多幅变化条纹结构光对物体进行三维成像，需要采集过程中物体保持静止，并保持稳定良好的外部光照环境。体感三维采集设备采用单幅结构光投射和拍摄的方法获取三维图像。上述设备由于需要实现中远距离的三维成像，设备体积大、功耗高。上述三维成像/识别技术均难以应用在门锁、门禁产品当中。

此外，由于门锁一般由电池供电，需要能连续工作几个月到一年而不更换电池，而且门锁中能使用的计算芯片的计算能力较低，因此在将三维人脸识别技术应用到门锁的情况下，功耗和成本上存在很大限制。可以看到，除了安全性和小型化以外，门锁有着不同于其它产品的低功耗和低运算量的要求，因此，不适于将应用于其它产品的三维识别技术方案直接移植到智能门锁上。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种结合了三维识别技术的进门控制系统，特别是一种结合了三维识别技术的智能门锁、门禁系统，并提供了相应的进门控制方法，它们至少部分地解决了现有技术中存在的上述不足。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种进门控制系统，其包括：投射单元、红外摄像头、控制及计算单元以及执行机构。投射单元用于向预定区域投射红外光的面结构光光场以及投射红外光的均匀照明光场。红外摄像头在所述投射单元向所述预定区域投射红外光时，采集位于所述预定区域中的人脸的图像。控制及计算单元连接至所述投射单元和红外摄像头，并且包括处理器和存储器，其中该存储器上存储有处理器可读指令，所述处理器可读指令使得处理器执行以下处理：利用机器学习的方法基于所述红外摄像头采集的人脸图像进行人脸识别，判断所述图像中的人脸是否获得授权；以及根据判断结果，发出开锁或闭锁的控制指令。执行机构接收来自所述控制及计算单元的控制指令，并相应地执行开锁或闭锁操作。

优选地，所述进门控制系统还可以包括用于探测是否有人进入所述预定区域的接近传感器，所述接近传感器包括激光测距传感器或远红外感应传感器，并且所述控制及计算单元可以根据所述接近传感器的探测结果来控制所述投射单元和红外摄像头的工作。

优选地，所述投射单元所投射的面结构光光场为应用了空间编码结构光技术的结构光光场。

在一些有利实施例中，所述控制及计算单元构造为控制所述投射单元同时投射所述面结构光光场以及均匀照明光场；并且所述控制及计算单元中所述处理器可读指令使得处理器利用机器学习的方法基于在所述面结构光光场及均匀照明光场同时照射下采集的人脸图像进行人脸识别。

在一些有利实施例中，所述投射单元包括共用的光源和用于基于所述共用的光源同时形成所述面结构光光场和均匀照明光光场的光学元件。所述光学元件优选包括衍射光学元件，即DOE。

在一些有利实施例中，所述同时投射的所述均匀照明光场与所述面结构光光场的亮度比在1:2～1:100的范围内，优选在1:2～1:10范围内。

优选地，所述投射单元和所述红外摄像头的工作视场角在30°～120°的范围内，并且工作距离在0.3～1米的范围内。

在一些实施例中，该进门控制系统可以不包含可见光摄像头。

所述进门控制系统可以实现为利用电池供电的智能门锁或者可持续供电的智能门禁。

根据本实用新型另一个方面，还提供了一种进门控制方法，该方法包括：向预定区域投射红外光的面结构光光场以及投射红外光的均匀照明光场；在所述投射的同时，采集位于所述预定区域中的人脸的图像；利用机器学习的方法基于所述人脸图像进行人脸识别，判断所述图像中的人脸是否获得授权；以及根据判断结果，执行开锁或闭锁操作。

优选地，所述进门控制方法还可以包括：利用接近传感器探测是否有人进入所述预定区域。

优选地，所述投射的面结构光光场为应用了空间编码结构光技术的结构光光场。

在一些有利实施例中，所述面结构光光场以及均匀照明光场的所述投射是同时进行的；并且所述人脸识别是基于在所述面结构光光场及均匀照明光场同时照射下采集的人脸图像而实现的。

在一些有利实施例中，所述同时投射的所述均匀照明光场与所述面结构光光场的亮度比在1:2～1:100的范围内，优选在1:2～1:10范围内。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本实用新型实施例的进门控制方法的一个示例的示意性流程图；

图2为根据本实用新型实施例的进门控制系统的一个示例的示意性框图；

图3为可应用于根据本实用新型实施例的进门控制方法和系统的投影单元的一个示例的示意图；

图4为根据本实用新型实施例的、结合了图3所示投影单元的智能门锁的示意图；

图5为可应用于根据本实用新型实施例的进门控制方法和系统的投影单元的另一示例的示意图；和

图6为根据本实用新型实施例的、结合了图5所示投影单元的智能门锁的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

首先，参照图1介绍根据本实用新型实施例的进门控制方法。在图1所示示例中，进门控制方法1包括以下处理：

S10：利用接近传感器探测在实行进门控制的区域(即预定区域)内是否有人员接近，如果有，则发出触发信号；

S20：向上述预定区域中投射红外光的面结构光光场，以及投射红外光的均匀照明光场；

S30：利用红外摄像头采集位于预定区域中的人脸的图像；

S40：利用机器学习方法基于人脸图像进行人脸识别，判断图像中的人脸是否获得授权；以及

S50：根据对人脸是否获得授权的判断结果，执行开锁或闭锁操作。

需要说明的是，步骤S10是根据本实用新型实施例的进门控制方法的优选示例中的可选特征，根据本实用新型实施例的进门控制方法并不限于必须包含通过探测人员接近来触发后续的投射和拍摄/图像采集的工作。例如，在一些实现方式中，可以通过人员手动按动按钮触发进门控制系统的进门控制/识别操作。或者，在另一些实现方式中，特别是在相应的进门控制系统处于连续供电的情况下，投射和图像采集工作可以持续地进行或者间歇地自动触发执行。

处理S20中，向预定区域投射了两种不同的红外光光场，一种是面结构光光场，另一种是均匀的照明光场。

红外光的结构光光场投射到人脸上用于形成三维信息图像。在本实用新型中，优选所投射的面结构光光场为应用了空间编码结构光技术的结构光光场，更优选地为应用了空间编码结构光技术的随机散斑点阵图案。应用了空间编码结构光技术的结构光光场使得能够在仅投射单幅结构光图案(结构光光场)的情况就获取整个结构光光场区域中的三维信息，而无需如传统三维成像/检测设备中那样进行扫描操作，简化操作，节省时间，提升用户体验。与此同时，这也意味着降低进门控制系统的功耗，对于例如通过电池供电的门锁产品来说尤为有利。

红外光的照明光场主要用于辅助获取红外光的二维图像，可以起到在低光照条件下补光的作用，同时有助于抵抗环境杂散光干扰的作用。

根据本实用新型的一些有利实施例，面结构光光场以及均匀照明光场的所述投射同时进行。这意味着，所投射的红外光均匀照明光场会形成结构光光场的背景光，而应用结构光三维成像/检测技术时，通常都要求尽量降低投射结构光时的背景光/杂散光的亮度。然而，本申请的发明人发现，通过控制结构光光场与照明光场的亮度比例，以及/或者通过后续的图像处理算法的适应性改造，同时投射的结构光光场和照明光场是可以可行的。通过同时投射两种红外光场，并相应地在同时投射的情况下进行人脸图像采集，简化了投射和图像采集的操作，节省了时间，相应地提升了用户体验，并有助于降低功耗。

根据一些有利的实施例，同时投射的均匀照明光场与面结构光光场的亮度比可以在1:2～1:100的范围内，优选在1:2～1:10的范围内。

然而，应该理解的是，根据本实用新型实施例的进门控制方法并不限于同时投射上述红外光的面结构光光场和照明光场。

处理S30中，采集位于所述预定区域中的人脸的图像。尽管在此将处理S20与处理S30示出为具有前后顺序，但是实际上，可以是处理S20中的投射先启动，并延续到处理S30，或者处理S20中的投射和处理S30中的图像采集可以控制为同步进行。

采集人脸图像之后，进门控制方法1进入到处理S40，其中，根据本实用新型实施例，在计算单元中进行三维数据和二维数据的处理，利用机器学习(例如深度学习)的方法进行三维特征提取和人脸识别算法模型运算，给出识别结果，判断图像中人脸是否获得授权。采用人脸三维信息进行识别，可以大幅提高防攻击能力，降低误识率。

在以上讨论的处理S20中同时投射结构光光场和照明光场的实施例中，相应地，在处理S40中人脸识别也是基于在面结构光光场和照明光场同时照射下采集的人脸图像而实现的。

接下来，在处理S50中，根据判断的结果，执行进门控制中的开锁(允许通过)或闭锁(不允许通过)的操作。这样的操作可以通过例如一定的执行机构来执行，该执行机构可以是机械的以及/或者电子驱动和/或控制的。

以上介绍了根据本实用新型实施例的进门控制方法的一个示例。下面将参照图2至图6详细介绍可以用于实现上述进门控制方法的进门控制系统。

图2示出了根据本实用新型实施例的进门控制系统的一个示例。该示例中，进门控制系统2包括投射单元10、红外摄像头20、控制及计算单元30以及执行机构40。

投射单元10用于向预定区域(进门监测的区域)投射红外光的面结构光光场以及投射红外光的均匀照明光场。在投射单元10向预定区域投射红外光时，红外摄像头20采集位于预定区域中的人脸的图像。控制及计算单元30与投射单元和红外摄像头20连接，并接收红外摄像头20采集的图像。根据本实用新型实施例，控制及计算单元30利用机器学习的方法基于红外摄像头20采集的人脸图像进行人脸识别，判断图像中的人脸是否获得授权，并且根据判断结果，向执行机构40发出开锁或闭锁的控制指令。为了实现上述功能，控制及计算单元30可以包括处理器31和存储器32，存储器32上存储有处理器可读指令，该处理器可读指令当由所述处理器31执行时使得处理器31执行上述人脸识别等处理。执行机构40接收来自控制及计算单元30的控制指令，并相应地执行开锁或闭锁操作。

如图2所示，进门控制系统2还可以包括用于探测是否有人进入所述预定区域的接近传感器50。当接近传感器50探测到有人员接近时，可以发送触发信号给控制及计算单元30。控制及计算单元30根据接近传感器50的探测结果来控制投射单元10和红外摄像头20的工作。利用接近传感器进行自动人体感应和触发，人脸采集装置覆盖范围大，无需人为对准识别装置，可实现无感解锁，用户体验好。采用感应触发方式还有助于降低系统的待机功耗。

接近传感器50可以处于持续或间歇的工作状态，例如可以每隔一段时间(例如0.3～1秒)感应环境中预定区域内人员位置的变化。该预定区域例如可以为门锁、门禁系统进行进门控制的监测范围内(例如约门锁、门禁前方1m范围内)。根据本实用新型实施例，接近传感器50优选可以采用激光测距传感器或远红外感应传感器。激光测距传感器和红外感应传感器作为接近传感器，具有体积小、功耗小、成本低的优势。

控制及计算单元30包括处理器31和存储器32，还可以包括外围电路(例如图4和图6中所示的电路板33)。控制及计算单元30可以是一体式的，也可以是分布式的，例如可以包括分开分布但是能够协同工作的不止一个处理器和/或不止一个存储器。在图2所示的示例中，控制及计算单元30接收到来自接近传感器10的触发信号后，启动投射单元10，投射一定的结构光光场，并提供补光照明。

红外摄像头20在本实用新型中可以只包括一个摄像头，这样有利于设备小型化，并有利于降低成本。除了镜头本身，红外摄像头20可以包括滤光片(未示出)，滤光片用于过滤干扰光线，优选使用近红外带通滤光片，带通范围例如在780～1100nm。红外摄像头20的镜头工作距离优选0.3～1米，视场角优选30°～120°。

根据本实用新型实施例的进门控制方法和系统可以仅使用一个红外摄像头来实现，同时也不需要使用可见光摄像头来实现三维成像或进行人工对准(现有技术的门锁、门禁系统中通常需要使用可见光摄像头配合显示屏幕来进行人工对准)。这有利于设备小型化，并有利于降低图像采集的功耗。当然，应该理解，根据本实用新型实施例的方法和系统中可以结合可见光摄像头来工作，本实用新型在此方面不受限制。

控制及计算单元30控制投射单元10和红外摄像头20配合工作以便采集人脸三维图像光场，并进行三维数据的处理，利用机器学习(例如深度学习)的方法进行三维特征提取和人脸识别算法模型运算，给出识别结果。根据识别结果控制执行机构40进行允许通过和不允许通过的操作。

执行机构40按照控制及计算单元30的控制指令，执行允许通过和不允许通过的操作，这例如可以通过相应的门锁或门禁系统的机械和/或电子控制来实现。

投射单元10为了投射两种红外光光场，可以具有不同的实现方式。

图3示意性地示出了可应用于根据本实用新型实施例的进门控制方法和系统的投影单元的一个示例。在该示例中，投射单元10包括用于形成和投射不同光场的两个分立的模块，即结构光模块11和照明模块12。应该理解的是，根据本实用新型实施例的进门控制系统2并不限于只包括一个结构光模块11，而可以根据期望投射的不同结构光光场的数量，设置相应数量的结构光模块11。结构光模块11和照明模块12所使用的光源优选为近红外波段，例如波长在780～1100nm范围。使用近红外波段可以避免可见光干扰和减少对使用者的干扰。

结构光模块11的投射图案可以是不同类型的结构光光场，优选使用随机散斑点阵图案。结构光模块11优选使用基于LD(Laser Diode,激光二极管)或VCSEL激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器)光源，并结合DOE(Diffractive Optical Elements，衍射光学元件)图案生成器的结构。结构光模块11的投射角度α1优选在30°～120°，工作距离(所投射到的近侧位置F和远侧位置B与结构光模块11的距离，图3和图5中所示L1到L2的范围)优选至少为0.3～1米的范围。例如图3中示出，结构光模块11所能投射到的近侧位置F与结构光模块11的距离L1为0.3米，远侧位置B与结构光模块11的距离L2为1米。

照明模块12可以是以采用LED(Light Emitting Diode，发光二极管)、LD或VCSEL作为光源，并可以结合匀光器件进行工作。光源优选使用LED，匀光器件优选DOE。照明优选使用的光波长也为近红外，例如780～1100nm范围。照明模块的投射角度α2以及工作距离与结构光模块11的相同或相近。此外，在一些有利的实施例中，结构光模块11和照明模块12构造为使得照明光场和结构光光场的亮度比例控制在1:2～1:100之间，优选在1:2～1:10范围内。

图4示出了根据本实用新型实施例的、结合了图3所示投影单元的智能门锁100的示意图。该图中所示结构及布局仅为示意性的，而非限制性的，在此不做赘述。

图5示意性地示出了可应用于根据本实用新型实施例的进门控制方法和系统的投影单元的另一示例。在该示例中，投射单元10具有既用于投射结构光光场又用于投射均匀照明光场的一体式构造。具体而言，图5所示投射单元10包括共用的光源10a和用于基于该共用的光源同时形成面结构光光场和均匀照明光光场的光学元件10b。光学元件10b优选包括衍射光学元件，即DOE。应该注意的是，利用DOE投射出结构光光场(结构光图案)本身就会伴随有杂散光引起的背景照明，而本实用新型的能够同时投射结构光光场和照明光场的投射单元的不同于此之处在于，其在投射结构光光场的同时要实现对比度和均匀性受控的背景照明光场。在有利实施例中，图5所示示例中的投射单元10所同时投射的照明光场与面结构光光场的亮度比例控制在1:2～1:100之间，1:2～1:10范围内。

此外，类似于图3所示示例，图5所示示例中的投射单元10的工作视场角α3在30°～120°的范围内，工作距离在0.3～1米的范围内。

图6为根据本实用新型实施例的、结合了图5所示投影单元的智能门锁的示意图。该图中所示结构及布局仅为示意性的，而非限制性的，在此不做赘述。

以上结合附图和不同示例介绍了根据本实用新型实施例的进门控制方法和系统。根据本实用新型实施例的进门控制系统可以实现为利用电池供电的智能门锁，也可以实现为可持续供电的智能门禁，并且本实用新型并不限于此。

此外，本实用新型的进门控制方法和系统还可以与指纹、门卡、密码、钥匙等其他权限控制方式/系统结合使用。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。