三维结构光人脸识别电子柜锁系统设计论文

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　　摘要：为了满足数据中心网络机柜等应用场景电子柜锁高安全、高便利产品的需求， 设计了一套基于三维结构光人脸识别技术的 电子柜锁系统， 采用近距离的三维结构光人脸识别模组， 通过构建 ESP32-C3 和 BF5823双 MCU 系统， 并将系统集成到有限空间的 电子柜锁结构里， 无线、有线网络通信实现人脸模板、鉴权信息和事件管理; 为实现大通量数据传输， 对现有的 MODBUS TCP 通 信协议进行了优化， 使其充分发挥 TCP 和 MODBUS 二者的优点。实验结果表明， 该系统假体抗拒率达 100%， 人脸活体检测接收率 为 99.71%， 从触发到单次人脸识别开锁时间小于 2.5 s， 解决了网络机柜等应用人脸识别开锁的难点。
　　Abstract: In order to meet the requirements of high security and convenience products for electronic cabinet locks in application scenarios such as data center network cabinet, a set of electronic cabinet lock system based on three-dimensional structured light face recognition technology is designed. The close three-dimensional structured light face recognition module is adopted . By building ESP32-C3 and BF5823 dual MCU systems, and integrating the system into the electronic cabinet lock structure in a limited space, the wireless and wired network communication realizes face template, authentication information and event management. In order to realize high-throughput data transmission, the existing Modbus TCP communication protocol is optimized to give full play to the advantages of both TCP and MODBUS . The experimental shows that the prosthesis resistance rate of the system is 100%, and the acceptance rate of face detection is 99.71%. The time from triggering to single face recognition unlocking is less than 2.5 seconds, which solves the difficulties of face recognition unlocking in network cabinets and other applications.

　　Key words: 3D structured light; face recognition; ESP32-C3; electronic cabinet lock; network cabinet

　　0 引言

　　随着硬件计算能力的增强， 人脸识别技术被广泛 应用于智能门锁、考勤、支付、 App 解锁等领域， 为 用户带来了便捷、安全的刷脸鉴权体验， 也给人脸识 别产品带来了空前爆发式发展。三维人脸识别技术目 前以双目人脸识别和三维结构光人脸识别技术应用最 为广泛[1]。双目三维人脸识别的核心技术是算法， 由 于二维双目人脸识别和三维双目人脸识别的硬件是相 近的， 从硬件上很难区分用的是哪种算法， 造成产品 混淆。三维结构光人脸识别技术是通过硬件加算法来 实现活体三维人脸识别， 算法较双目三维人脸识别简 单， 是高精度的三维技术， 通过人工智能三维结构光 人脸识别算法， 解决了头模、面具、视频及照片等多 种手段的恶意攻击所带来的安全问题[2-4]。目前人脸识 别门锁以家用门锁、过道门禁设备为主， 其门锁体积 大， 不适合安装在网络服务器机柜、电力柜等上面的电子锁使用， 安装在此类机柜上的电子锁一般以刷卡、 指纹等方式现场开锁， 且大部分人脸识别电子锁还是 建立在双目或单目人脸识别基础上， 对安装在网络服 务器机柜、电力柜等上面的高安全要求场景的电子锁 不太适用[5]。图 1 所示为数据中心网络机柜 NFC 电子锁 系统示意图。

　　为克服上述不足， 本文设计了一种三维结构光人脸 识别电子柜锁系统， 向用户提供了非接触式、无感的解 锁体验。图 2 所示为三维结构光人脸识别电子柜锁实物。

　　1 三维结构光人脸识别模组及识别原理

　　图 3 所示为三维结构光人脸识别模组实物。该三维 结构光人脸识别模组集成了近红外摄像机、近红外结构 光投射器、 LED 及基于一颗为门锁场景深度定制的 AI 处 理器芯片的电路板， 活体人脸识别算法运行在 AI 处理器 内， 其内部具有大容量内存， 可保存人脸模板达 100 个， 并可将鉴权结果通过串口输出。

　　图 4 所示为三维结构光人脸识别原理。三维结构光 人脸识别是主动模式， 近红外激光投射器内置激光器和 复杂的衍射光学器件等光学部件， 产生结构化的近红外 光线照射到人脸上， 因人脸的不同部位深浅不同对近红 外结构光会反射不同相位信息的光线， 近红外摄像机拍 摄到这种带有深度信息的相位变化图像[6]， 经过嵌入式 强算力 AI 处理器芯片运算， 将这种图像中的相位信息构 建为人脸三维结构， 和模组内的三维人脸模板进行 1 ∶N 人脸识别匹配。

　　2 系统结构设计

　　图 5 所示为三维结构光人脸识别电子锁结构， 由功 能模块、锁体、控制盒、钢栓和压板等组成， 锁内锁外 走线通过走线口， 整个锁体按 IP65 设计。

　　此柜锁操作人员一般为成人， 所以在设计时对人脸 识别模组的视场根据图 6 进行了计算， 得到如表 1 所示的 结果 (人脸识别模组安装高度 120 cm， 垂直视场 71°)， 即功能模块罩壳的斜面视觉交互界面与竖直方向夹角为 25°， 保证不同身高的操作员能方便地刷脸开锁。

　　3 系统电路设计

　　三维结构光人脸识别电子柜锁电路分锁内外两部分，各自包含了一块 MCU， 锁内 MCU 采用乐鑫公司 ESP32- C3. 该 MCU 为开源 RISC-V 架构， 支持 2.4 GHz WiFi 和 低功耗蓝牙 BLE5; 锁外 MCU 采用比亚迪公司出品的具 备读写卡、触摸按键、 MCU 三合一功能的 BF5823 芯片。 锁内电路板通过 4 线连接线对锁外电路板供电， 并建立 串口通讯， 这种将电路分为内外两部分的电路可以防止 电 子 柜 锁 因 外 部 电 路 外 壳 被 破 坏 后 通 过 技 术 手 段 开 锁[7-8]。

　　图 7 所示为电子柜锁电路功能示意图。锁内电路包 括锁内 MCU ( ESP32-C3 )、 WiFi/BLE 通讯电路 、锁执 行、 485 通讯电路、稳压电路、北向接口、串口电源12 V 接口等， 上位机设备通过北向接口经过 485 通讯电 路或 WiFi/BLE 通讯电路无线下发鉴权、人脸模板等信 息， 锁内 MCU ( ESP32-C3) 接收到这些下发信息后进行 处理和保存， 并将人脸模板通过串口电源接口传递到锁 外电路， 锁外电路处理信息后将模板数据透传给三维结 构光人脸识别模组， 三维结构光人脸识别模组接收完人 脸模板后对模板文件进行验证后回传接收成功及人脸模 板存储地址信息， 锁内 MCU ( ESP32-C3) 将回传的人脸 模板存储地址根据人脸模板对应的鉴权信息保存在锁内 MCU ( ESP32-C3) 指定鉴权信息内存里。

　　4 系统软件设计

　　此系统的软件由上位机软件和三维结构光人脸识别 电子柜锁内嵌软件组成， 三维结构光人脸识别电子柜锁 内嵌软件包括锁内 MCU 软件、锁外 MCU 软件和三维结 构光模组软件。上位机设备为具备网络组网功能的网控 器等设备， 可以管理和控制电子柜锁。上位机软件管理 操作人员的权限、人脸模板、人脸模板下传到电子柜锁 等功能; 电子柜锁内嵌软件接收上位机指令， 管理人脸 模板， 采集、识别、鉴权人脸图像， 控制电子锁动作和 声光提示。

　　4.1 开锁鉴权流程

　　图 8 所示为此电子柜锁系统的开锁鉴权流程， 其人 脸识别开锁过程包括如下步骤：

　　( 1) 上位机设备下发开锁权限信息， 锁内电路接收 信息后保存;

　　( 2) 上位机设备下发三维人脸模板数据帧， 锁内电 路接收到三维人脸模板数据帧后传递到锁外电路， 锁外 电路将三维人脸模板数据帧透传给三维结构光人脸识别 模组， 三维结构光人脸识别模组接收完全部三维人脸模 板， 经校验正确后回传接收成功信息和三维人脸模板存 储在三维结构光人脸识别模组上的地址;

　　( 3) 锁内电路将回传的三维人类模板存储在三维结 构光人脸识别模组上的地址根据人脸模板对应的权限信 息保存在锁内 MCU ( ESP32-C3 ) 内存内;

　　( 4) 锁外电路检测到有触摸键按下， 唤醒或开启三 维结构光人脸识别模组进行人脸检测和识别， 并将识别 结果和对应的模板地址通过串口电源接口发送到锁内电 路， 由锁内 MCU ( ESP32-C3 ) 根据模板地址在开锁权限 信息内搜寻鉴权， 如鉴权成功， 驱动锁执行开锁动作;

　　( 5) 锁内电路将开锁结果回传到锁外电路， 锁外 电路控制 LED 语音告诉操作人员“开锁成功”等有关 信息;

　　( 6) 锁外电路检测到刷卡信息， 将卡号通过串口电 源接口发送到锁内电路， 由锁内电路鉴权开锁， 锁内电路将开锁结果回传到锁外电路， 锁外电路控制 LED 语音 告诉操作人员“开锁成功”等有关信息。

　　4.2 批量数据交互时对 MODBUS-TCP 协议的扩展

　　此系统通信协议设计考虑兼容于通用工业监控系统 协议， WiFi 通讯采用 MODBUS TCP 协议， RS485 通讯采 用 MODBUS RTU 协议。由于 MODBUS RTU 协议传输的 数据受到协议中数据长度一字节的限制， 只能传输最长 256 字节的数据。在 WiFi 通讯时采用 TCP/IP 协议， 每帧 数据长度可以扩展到几千字节， 有利于大数据传输， 如 人脸模板、事件等大容量数据传输。 MODBUS TCP 协议 建立在 MODBUS RTU 协议基础， 导入了数据长度一字节 这个限制字段， 造成 MODBUS TCP 协议也被限制在最长 256 字节的数据， 这样没有充分利用 TCP/IP 大通量数据 传输性能， 可以将 MODBUS TCP 协议加以扩展或升级， 使其可以传输更大字节数的数据， 系统应用中导入了这 样一个扩展的 MODBUS TCP 协议， 命名为 DB-MODBUS- TCP 协议， 即双字节 MODBUS TCP 协议， 将数据字节数 扩充到 2 字节长度， 原数据长度 1 字节保持不变， 超过 256 长度时， 余数放到数据长度， 目的是为了和原 MOD⁃ BUS-TCP 协议兼容。其数据长度以净荷长度为准[9- 11]。

　　DB-Modbus-TCP 通讯协议是在 MODBUS RTU 通讯 协议前面添加 6 个字节， 分别为帧标识、协议标识、净 荷长度， 其中帧标识可由用户自定义， 可以为帧的序号 或包头; 协议标识可以定义协议版本等; 净荷长度为其 后面所有字节之和。由于是 TCP 协议本身已校验， 所以 可省去 CRC 校验。表 2、表 3 分别为 DB-MODBUS-TCP读寄存器帧格式和回应帧格式; 表 4、表 5 分别为 DB- MODBUS-TCP 写多个寄存器帧格式和回应帧格式。

　　5 测试验证与结果分析

　　图 9 所 示 为 测 试 实 物， 被 测 试 的 电 子 柜 锁 通 过 RS485 和电脑通信， 电脑端测试软件界面如图 10 所示。 电脑端测试软件可以下载人脸模板、鉴权信息、远程开 锁等功能， 经测试单个人脸模板文件传输时间小于 5 s。

　　此系统在不同光照下对不同攻击拒绝率、人脸活体 检测接受率的测试按照 《人脸识别线下支付安全应用技 术规范 (试行) 》 来测试。

　　5.1 测试条件

　　( 1) 光线条件

　　测试的光线条件分为 5 类。强光： 检测样本表面呈 现的光照度为 10 800~13 200 Lux; 弱光： 检测样本表面 呈现的光照度为 13.5~16.5 Lux; 正常光： 检测样本表面 呈现的光照度为 630~770 Lux; 逆光： 检测样本背面呈 现 的 光 照 度 为 10 800~13 200 Lux， 环 境 的 光 照 度 为 630~ 770 Lux; 阴阳光： 检测样本侧面呈现的光照度为 10 800~13 200 Lux， 环境的光照度为 630~ 770 Lux。

　　( 2) 温度条件

　　测试的温度条件为 22~24 ℃。

　　( 3) 湿度条件

　　测试的温度条件为 40%RH~50%RH。

　　5.2 假体攻击检测性能

　　通过二维静态纸质图像、二维静态非纸质图像、二维静态电子图像、二维动态图像、三维面具、三维头模、 人脸区域不完整等假体攻击测试， 其拒绝率为 100%， 未 发现假体攻击成功的现象。表 6 所示为三维头模拒绝率 测试结果。

　　5.3 活体检测接受性能

　　人脸活体检测接受率为 99.71%， 如表 7 所示， 正常 光情况下人脸活体检测接受率为 100%， 接受率低的一组 数据是在阴阳光下产生， 81 次有 1 次， 三维结构光模组 还配 LED 用于人脸补光， 所以在室内正常光线下活体识 别率可以达到 100%。

　　5.4 活体检测速度

　　计算真人活体检测时间 2. 17 s， 计算二维假体 (静 态纸质图像) 活体检测时间 0.58 s， 计算三维假体 (三 维头模) 活体检测时间 2.24 s。

　　6 结束语

　　本文针对高安全、高便利人脸识别电子柜锁的需求， 设计了一套基于三维结构光人脸识别技术的电子柜锁系 统。实验结果表明： 该系统防伪性强， 可杜绝通过二维静态纸质图像、二维静态非纸质图像、二维静态电子图 像、二维动态图像、三维面具、三维头模、人脸区域不 完整等假体攻击测试， 其拒绝率为 100%， 未发现假体攻 击成功的现象; 在室内正常光线下活体识别率可以达到 100%。同时还具有以下优点： 该电子柜锁系统通过触摸 按键唤醒开启人脸识别模块， 可以减少该模块工作电流， 增加其寿命， 同时通过触发唤醒开启以免误开启电子柜 锁; 锁外的人脸识别模组和锁内鉴权执行机构通过串口 连接， 实现更高安全的防撬、防技术开启和防水要求， 由于过线少更便于装配; 双字节 MODBUS TCP 协议的提 出扩展了 MODBUS TCP 协议， 有利于大通量数据通信， 人脸模板下载速度快。

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