raspberry pi代碼如何實現人臉識別開鎖應用

這篇文章將為大家詳細講解有關raspberry pi代碼如何實現人臉識別開鎖應用，文章內容質量較高，因此小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。

一、案例概述

1. 背景

幫朋友實現了一個人臉識別進行開鎖的功能，用在他的真人實景游戲業務中。幾個月來運行穩定，體驗良好，借著此次宅家的時間，整理一下這個應用的實現過程。

總的來說需求描述簡單，但由于約束比較多，在架構與選型上還是花了些心思。2. 部署效果由于該游戲還在線上服務中，此處就不放出具體操作的視頻了。部署效果如下圖所示：

• 玩家發現并進入空間后，在顯示屏看到自己在當前場景出鏡的實時畫面。

• 玩家靠近觀察時，捕獲當前幀進行人臉識別，實時畫面中出現水印字幕“認證中”

• 人臉認證失敗時，實時畫面水印字幕變更為“認證失敗”，字幕維持2秒后消失，恢復初始狀態。玩家繼續尋找游戲線索，重新進行認證。

• 人臉認證成功時，實時畫面水印字幕變更為“認證成功”，并彈開保險箱門。進入后續游戲環節。

二、產品要求

1. 需求說明

需求提出時比較明確，核心邏輯不復雜。

• 人臉識別：通過人臉識別進行鑒權。

• 開鎖管理：通過鑒權則打開箱門，未通過則保持鎖定。

• 反饋提示：需要有實時視頻反饋，指引明確，便于優化玩家體驗。

2. 約束說明

畢竟是生意，所以在商言商，對實用性和成本要求很高，關鍵是不要影響游戲過程，同時保證玩家體驗。

• 低成本：需要低建設成本，低維護成本。

• 易維護：對維護人員技術水平要求低，出現軟硬件故障時，任意店員可以快速恢復。

• 高可靠：識別準確率高，容錯能力強，系統持續運行中故障率低。

• 有限空間：整套系統在去除顯示屏、電磁鎖、保險箱后，其它結構實施空間不能超過20cm*15cm*15cm 體積。

• 采光不足：實景空間小，有頂光無側光，曝光時間較長。

• 通用供電：只提供5V、12V兩種直流電接口。

• 并行處理：鑒權流程與反饋流程并行，鑒權過程中，反饋系統不能出現中斷、阻塞等情況，使玩家有明顯的中斷、卡死體驗。

• 弱網絡環境：由于房間隔斷多，網絡共用，所以網速有限，有突發延遲情況。

3. 功能設計

可能的架構方案有多種（不同方案間的比較，在文末進行），下面展開說明一下最終上線的方案。

（1） 設定流程

流程與效果，請參考前文“玩家體驗” 部分內容。

（2）可配置內容

a. 騰訊云密鑰對

修改配置文件，用于適配騰訊云賬號切換功能（測試賬號/正式賬號）。

b. 人員庫ID

修改配置文件，用于指定不同人員庫（測試庫/正式庫）。

c. 水印提示

更換對應圖片，實現更換水印。使用圖片管理，而不是文字配置的原因，是由于圖片配置模式無需字庫支持，無需配置顯示大小，易于圖案嵌入。由于所見即所得，對維護人員要求低。

d. 關機選項

可配置任務完成后，是否自動關機。用于游戲環境復位準備，減少復位工作量。

（3） 運營與維護

a. 系統運營管理

場景啟動時，統一上電。認證通過后，自動關機，完成復位。

b. 故障處理

軟硬件故障：無法開機、可開機無顯示、可開機顯示系統異常，可開機未知異常等等，更換樹莓派或其它硬件。網絡故障：正常運行，無法認證，可查網絡+查云日志，解決網絡問題；云產品異常：運行4個月，未發生過，可以忽略，如發生則聯系云售后；

（4） 成本分析

硬件成本：500～600元。

備件成本：按1:1備件，500～600元。

運行成本：云端0元，使用免費額度；電費網費，忽略不計。

二、技術實現

1. 系統架構

（1）硬件組成

樹莓派：終端主控攝像頭：視頻輸入傳感器：超聲波測距顯示屏：視頻輸出繼電器：控制電磁鎖電磁鎖：控制保險箱門

（2）關鍵特性

圖片識別：使用圖片識別，而非視頻流，減少對網絡帶寬要求。識別要求低：欠曝光照片也有高識別率。觸發識別：玩家在場景內活動時間長，觸發模式避免了高頻認證、誤開鎖情況，同時降低認證成本。測距選型：超聲波傳感器技術成熟，成本低（3元）；激光傳感器成本高（30元）多進程：視頻處理與監測鑒權由兩個進程實現，避免了阻塞等情況，同時使用進程間通信，實現可靠交互。

2. 系統搭建

（1） 騰訊云配置

a. 注冊賬號

按文檔指引，獲取API密鑰

b. 配置人臉識別

訪問官網控制臺，通過“新建人員庫->創建人員->上傳照片”，建立認證基礎。其中所使用的“人員庫ID”是關鍵信息，用于后續API調用識別時，指定認證動作匹配的人員庫。注：由于此案例只識別一個人員，無需對人員ID進行匹配，故不用指定人員ID。

（2）樹莓派配置

a. 安裝系統訪問 http://www.raspberrypi.org 獲取鏡像，并進行安裝。注意必須安裝桌面版，否則需要單獨管理HDMI輸出。

b. 配置網絡進入命令行，執行 "raspi-config"，選擇"Network Options"，配置WiFi接入點。為了固定IP，編輯 /etc/dhcpcd.conf 文件，添加配置信息。

# 具體內容請參考你的本地網絡規劃
interface wlan0
static ip_address=192.168.0.xx/24
static routers=192.168.0.1
static domain_name_servers=192.168.0.1 192.168.0.2

c. 安裝騰訊云SDK

參考指引文檔，安裝調用騰訊云API的依賴庫。

sudo apt-get install python-pip -y
pip install tencentcloud-sdk-python

d. 安裝圖像處理庫系統默認安裝python2.7，但沒有 opencv 庫，需要安裝。（下載包體積較大，默認源為國外站，比較慢。樹莓派改國內源方法，請自行百度，并挑選離自己近的源站）

sudo apt-get install libopencv-dev -y
sudo apt-get install python-opencv -y

e. 部署代碼

訪問github獲取源碼，將src文件夾內容，復制到 /home/pi/faceid 下。更改 /home/pi/faceid/config.json 中的配置信息，必須改為你的 云API密鑰(sid/skey)、人員庫ID(facegroupid)，其它配置按需調整。

f. 配置自啟動需要配置圖形界面自啟動，保證視頻輸出由HDMI接口輸出至顯示屏，編輯 /home/pi/.config/autostart/faceid.desktop 寫入如下內容

Type=Application
Exec=python /home/pi/faceid/main.py

（3）硬件接線

樹莓派GPIO圖示：

• CSI接口

b. 超聲波傳感器

• TrigPin：BCM-24 / GPIO24

• EchoPin：BCM-23 / GPIO23

• VCC ：接5V

• GND ：接GND

c. 繼電器4引腳側 接 樹莓派GPIO引腳

• VCC ：接5V

• GND/RGND ：接GND

• CH1 : BCM-12 / GPIO12

3端口側 接 電磁鎖

• 初始狀態為電磁鎖接常閉端。

• 繼電器原理請參考 3.3.4 硬件相關 部分。

（3） 測試運行

完成上述工作后，接電啟動系統，本地反饋查看顯示屏，云端識別結果可查看系統日志。

3. 代碼邏輯與涉及技術

（1） 流程偽代碼

# 監測鑒權進程-主進程
獲取應用配置（API ID/Key 等）
初始化GPIO引腳（準備控制 傳感器、繼電器）
啟動視頻管理進程（輔進程）
循環開始：
  if not 測距達到觸發標準:
    continue
  與輔進程通信（捕獲當前幀，并存入指定路徑，并添加“認證中”水印）
  調用云API，使用該幀圖片人臉識別
  if 識別成功:
    與輔進程通信（變更水印為“認證成功”）
    等待5秒
    關機 或 繼續運行（由config.json中 su2halt 字段指定）
  else：
    與輔進程通信（變更水印為“認證失敗”）
    等待2秒
  與輔進程通信（清除水印）

# 視頻管理進程-輔進程
初始化攝像頭
循環開始：
  取幀
  取進程間共享隊列
    按消息進行不同操作（幀圖像保存/加不同水印/不處理）
  輸出幀

（2）視頻與識別

a. 實時視頻如上文偽代碼所示，通過逐幀處理，并連續輸出，顯示實時視頻。

b. 觸發識別

測距傳感器確認物體靠近，且0.3秒內距離變化小于2cm，確認為待認證狀態。再延時0.3秒，進行圖像幀捕獲。再次延時的原因是物體停止時，會有扭轉、微調等動作，若直接取幀，會由于采光不足（上文提到的約束）出現模糊情況，所以再次延時，確保捕獲穩定圖像。

c. 人臉識別

請參考文檔介紹。

（3） 圖像水印

a. 水印原理

opencv中，提供了多種圖像處理函數，如：圖文處理（圖加字）、圖圖處理（圖間加/減/乘/除/位運算）等等。通過不同的處理方式，可以實現 底圖加字、底圖加圖、掩膜處理等等多種效果。本案例中使用的是基于位運算的掩膜處理方式。

b. 水印圖片

為了便于維護和更新，本案例中使用圖片做為水印來源，避免字庫約束，也增大了靈活性，易于在水印中增加圖形，并以分辨率直接定義水印大小，所見即所得。默認水印圖片為白底黑字。

c. 水印處理邏輯

為突出水印的浮動效果，將水印圖片中的黑色區域透明化后，疊加到原始圖片中。由于字體透明效果，水印字體顏色隨基礎視頻變化，效果比較明顯。源碼說明

# img1為當前視頻幀（底圖），img2為已讀取水印圖
def addpic(img1,img2):
    # 關注區域ROI-取底圖中將被水印圖編輯的圖像
    rows, cols = img2.shape[:2]
    roi = img1[:rows, :cols]

    # 圖片灰化-避免水印圖非純黑純白情況
    img2gray = cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    # 生成掩膜-過濾淺色，位運算取非
    ret, mask = cv2.threshold(img2gray, 220, 255, 3) #cv2.THRESH_BINARY
    mask_inv = cv2.bitwise_not(mask)

    # 生成水印區圖像-底圖裁出字體部分，生成水印區最終圖像，替換原圖水印區
    img1_bg = cv2.bitwise_and(roi, roi, mask=mask_inv)
    dst = cv2.add(img1_bg, img2)
    img1[:rows, :cols] = dst
    return img1

（4）硬件相關

a. 超聲波測距

超聲波傳感器（4引腳：VCC、Trig、Echo、GND）,Trig端輸出一個大于10μs的高電平，激活發出超聲波，并在收到反射波后，Echo端會輸出一個持續高電平，持續時間就是“發波至收波”的時間。即：測距結果(米)=Echo端高電平時長*340米/2

b. 繼電器

使用的5V繼電器模塊有雙側接線，一側為供電與信號（4引腳，兼容3.3V信號），一側為通路開閉管理（3端口）。繼電器在“通路管理側”實現了一個“單刀雙開關”的模式，通過“供電與信號”側“CH1引腳”的高低電平，控制單刀的方向。在安裝過程中，電磁鎖供電默認接繼電器常閉端，對繼電器給出信號后，繼電器切換到常開端，則電磁鎖斷電開鎖.

c. GPIO

GPIO（General-purpose input/output 通用輸入輸出），以引腳方式提供硬件間的聯系能力。樹莓派 3B+，有40個GPIO引腳（請參考 3.2.3 硬件接線 中的參考圖示），樹莓派官方操作系統 Raspbian 下，可以使用系統默認安裝的 python 中 RPi.GPIO 庫，進行操作。

關于raspberry pi代碼如何實現人臉識別開鎖應用就分享到這里了，希望以上內容可以對大家有一定的幫助，可以學到更多知識。如果覺得文章不錯，可以把它分享出去讓更多的人看到。