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face_recognition结合pinpong开发人脸识别门禁

涉及学科：技术、电子电路、工程

人脸识别是人工智能的一个热门应用，在我们的生活中已经随处可见，如手机面部解锁、火车站进站检票、超市扫脸付款等。因而，人脸识别也成为中小学人工智能教育中一个重要案例，很多教材都会通过各种方式，让学生体验或者实现人脸识别，感受人工智能的强大功能。

●人脸识别门禁系统的技术实现

一是能够运行在迷你电脑上。因为我们总不能接一台巨大的PC机，放在大门的旁边。如果用普通计算机，不仅接线成为难题，连供电都麻烦。

二是能够驱动常见的电子锁。常见的电子锁类似一个继电器，只要给特定的接口提供一定的电流，就能打开或者关闭锁舌。

要让人脸识别门禁系统运行在迷你电脑上，那首选的开源硬件肯定是树莓派、虚谷号和拿铁熊猫之类。这些开源硬件的特点是都能运行Linux和Python。而采用Python作为编程语言，本来就是我们最好的选择之一。首先，使用Python就意味着我们开发的应用是跨平台的，能够很好地运行在各种开源硬件上。其次，Python的人工智能相关库很多，搭建一个人脸识别应用的技术难度较低。

●开发环境的搭建

人脸识别门禁是一个典型的信息系统，涉及多方面的功能，如拍摄人脸、识别人脸和门锁控制等。这里的人脸识别，指的是对特定人群的人脸识别。以我校的创客空间为例，只有科技制作社的部分学生有权限进入，系统的摄像头要能够将当前的人脸和预设的用户人脸进行比较，匹配成功则开门。具体的工作流程如图2所示。

1.软件环境的搭建

从工作流程中可以看出，人脸识别门禁的核心功能也分为识别、匹配和开门三部分。我们分别使用了三个相关的库来完成这些功能。

摄像头控制：OpenCV。

OpenCV是著名的开源计算机视觉库。绝大多数的Python项目都会利用OpenCV来控制摄像头。其实OpenCV也具备了人脸识别的功能，只不过相对face_recognition来说，要稍微复杂一点。

安装方法：pipinstallopencv-python。

人脸识别和匹配：face_recognition。

在人脸识别的库方面，我们选择了face_recognition。face_recognition是一个强大、简单、易上手的人脸识别开源项目，并且配备了完整的开发文档和应用案例。face_recognition对硬件的要求比较低，树莓派和虚谷号都能流畅运行。

安装方法：pipinstallface_recognition。

门锁控制：pinpong。

一些开源硬件都已经具备了驱动外围电子模块的功能，如树莓派有GPIO功能，虚谷号和拿铁熊猫则整合了一块Arduino。如果使用的是其他类型的迷你电脑，则需要借助Arduino或者掌控板之类的智能终端。不管采用什么开源硬件，pinpong库都是最佳选择之一。pinpong库是一个基于Firmata协议开发的Python硬件控制库，支持多款开源硬件，是虚谷计划中众多开源软件中的一个组成部分。Pinpong库的特点是代码简洁，而且配置方便。

安装方法：pipinstallpinpong。

需要强调的是，安装这几个库一般还要先安装一些依赖库，而这些安装工作是由pip自动完成的。

2.硬件环境的搭建

考虑到绝大多数创客空间都有Arduino，这个项目选择了虚谷号。但是在本机测试可以使用任何一块Arduino，如DFRduino。

扩展板和一个继电器模块是必需的。如果希望体积小一点，这里推荐使用树莓派Zero。如果用的是NUC或者HTPC，则推荐beetle控制器，结合专用的扩展板，体积很小，安装起来特别方便，如图3所示。

器材清单：①开源硬件——虚谷号、扩展板;②扩展模块——继电器、电子锁（电磁锁）。

硬件连接：有些电子锁（电磁锁）采用9-12V的电压支持，所以需要用继电器（或者通用开关控制模块）来控制。不同的硬件连接方式大同小异，接线参考如下页图4所示。

●代码测试和运行

限于篇幅，这里仅仅提供了几段核心代码，需要具体的代码请访问虚谷号的GitHub官方文档（vvBoard-docs）。

1.摄像头检测人脸

参考代码如图5所示。

2.匹配预设的人脸

参考代码如图6所示。

3.控制继电器打开门锁

参考代码如图7所示。

自国务院发布《新一代人工智能发展规划》以来，全国各地涌现出一大批人工智能教材。但现有的教材中，人工智能与人的交互手段非常单一，无非是键盘鼠标的输入和屏幕输出，再加上语音的交互。对中小学生而言，没有结合硬件的人工智能应用总不够直观形象、酷炫有趣，缺乏“生活”气息。以人脸识别为例，让学生设计具备人脸识别功能的创客作品，无論是学习兴趣还是最终收获，都要远高于局限于普通电脑的“体验”。在做中学，在研中学，人工智能教育需要结合真实的动手