0 引言

　　隨著生活水平的提高，人們對鎖的要求也不斷增加，既要安全可靠，又要使用方便，電子鎖[1]的出現(xiàn)滿足了人們的需求。電子鎖是一種以電子方式來識(shí)別、處理信息、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)來關(guān)閉和開啟鎖的一種新型鎖具，已經(jīng)在住宅、酒店、賓館、寫字樓中得到了廣泛應(yīng)用。電子鎖的類型多種多樣，早期有應(yīng)用TM卡[2]、CM卡的密碼鎖，還有應(yīng)用人體生物特征的人臉、虹膜、指紋等的新一代電子鎖。采用電子卡片形式密碼鎖和機(jī)械鎖的區(qū)別不大，采用人體生理特征的安全性好，但成本較高。隨著科技的發(fā)展，該生物識(shí)別技術(shù)的安全性也遇到了挑戰(zhàn)。針對市場的需求，設(shè)計(jì)了一種基于圖像識(shí)別的解鎖系統(tǒng)[3-4]，由射頻觸發(fā)圖像識(shí)別，省去常規(guī)的密碼鍵盤。該鎖具具有安裝方便、易于移植、被破解率低的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案

　　如圖1所示，該系統(tǒng)由鎖具和無線鑰匙兩部分組成。無線鑰匙發(fā)射出的激光點(diǎn)稱為游標(biāo)，能發(fā)出射頻信號(hào)，帶有激光光源。鎖具由處理器、激光發(fā)射器、攝像頭、LCD顯示屏、無線通信模塊及掉電存儲(chǔ)設(shè)備組成。激光發(fā)射器可發(fā)射出3束激光，組成一個(gè)直角坐標(biāo)系輔助系統(tǒng)對游標(biāo)進(jìn)行定位。無線鑰匙由一個(gè)微控制器、按鍵和激光發(fā)射器組成，由用戶控制，在系統(tǒng)中輸入密碼。無線通信模塊負(fù)責(zé)無線鑰匙與鎖具之間的通信。攝像頭采集激光定位坐標(biāo)系和激光游標(biāo)的圖像[5-6]，發(fā)送給處理器進(jìn)行分析。LCD顯示屏[7]輔助顯示攝像頭采集到的圖像，并顯示處理器解析圖像后獲得的密碼值。系統(tǒng)還具有防掉電功能，防止在系統(tǒng)斷電情況下丟失用戶自定義的密碼。

圖1  系統(tǒng)框架圖

　　工作過程如下：當(dāng)用戶使用無線鑰匙時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)進(jìn)入開鎖流程，生成定位激光坐標(biāo)系，用戶移動(dòng)游標(biāo)（無線鑰匙發(fā)射出的激光點(diǎn)）到特定位置后，無線鑰匙發(fā)送采集信號(hào)給處理器，處理器隨后控制攝像頭采集一幅圖像，并對圖像進(jìn)行解析，得到一位密碼值。重復(fù)此過程可完成多位密碼值輸入。

　　為了防止無線鑰匙被復(fù)制，導(dǎo)致系統(tǒng)被侵入的情況發(fā)生，系統(tǒng)使用輪詢密碼配對設(shè)置，以保持無線配對信號(hào)安全。為了防止系統(tǒng)故障問題，留下一個(gè)串行接口用于緊急處理，防止鑰匙丟失或忘記密碼。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　2.1 圖像識(shí)別處理

　　鎖具應(yīng)用環(huán)境千差萬別，環(huán)境光強(qiáng)大小不一，而且攝像頭采集的圖像是彩色圖像。彩色圖像包含的信息十分龐大，不利于單片機(jī)進(jìn)行處理和分析，因此需要對采集到的圖像進(jìn)行一系列處理。下面介紹主要處理過程：

　　(1)圖像二值化

　　將彩色圖像轉(zhuǎn)換為具有色彩深度的黑白圖像，轉(zhuǎn)換公式為：

　　灰度值轉(zhuǎn)換為二值化圖像時(shí)還需要進(jìn)行閾值切割，將灰度值小于閾值的像素點(diǎn)設(shè)為0，否則設(shè)為255。因此選取合適的閾值對于圖像二值化十分重要，采用Otsu最大類間法進(jìn)行最佳閾值的選取。Otsu算法按照灰度值的特性將圖像分為兩部分，當(dāng)這兩部分之間的類間方差最大時(shí)，說明構(gòu)成圖像的兩部分之間差別也最大，此時(shí)將圖像分為兩部分的值為最佳閾值。

　　每一個(gè)灰度值i出現(xiàn)的概率為：

　　G0和G1類出現(xiàn)的概率為：

　　G0和G1類出現(xiàn)的均值為：

　　類間方差為：

　　此時(shí)最佳閾值的取值即為使得類間方差最大的t值。

　　(2)圖像濾波處理

　　圖像識(shí)別需對圖像進(jìn)行預(yù)處理，即濾除圖像中的雜波干擾，突出前景像素。

　　圖像腐蝕算法[8-9]處理過的圖像對比如圖2所示。

圖2  圖像應(yīng)用腐蝕算法對比

　　(3)區(qū)域連通算法

　　激光點(diǎn)和游標(biāo)點(diǎn)在二值化圖像上表現(xiàn)為聚合在一起的前景像素，稱作連通域區(qū)域。經(jīng)過濾波處理后的二值化圖像只有前景像素和背景像素兩種值，當(dāng)圖像中有多個(gè)連通區(qū)域時(shí)處理器并不能區(qū)分各連通區(qū)域。連通區(qū)域算法[10]能為各連通區(qū)域分配一個(gè)唯一標(biāo)號(hào)，這樣就可統(tǒng)計(jì)連通區(qū)域的數(shù)目，還能通過算法分析連通區(qū)域特征。圖像通過連通區(qū)域算法處理前后對比如圖3所示。

圖3  區(qū)域連通算法

　　(4)連通域定位

　　經(jīng)過連通區(qū)域算法處理后，每一個(gè)連通域有一個(gè)獨(dú)立的標(biāo)號(hào)，找出各標(biāo)號(hào)x軸、y軸最大和最小坐標(biāo)，取平均值后可代替該連通區(qū)域位置。采集的圖像由于攝像頭拍攝角度，定位點(diǎn)坐標(biāo)系偏移等問題而發(fā)生變化，如圖4所示，當(dāng)采集圖像發(fā)生偏移時(shí)游標(biāo)cur相對于激光定位坐標(biāo)系原點(diǎn)b的坐標(biāo)為（3，3）。若采集圖像內(nèi)激光定位坐標(biāo)系發(fā)生了偏移，如圖4(b)所示，cur相對于原點(diǎn)O坐標(biāo)未變情況下，cur相對于激光定位坐標(biāo)系原點(diǎn)b位置已發(fā)生改變，需要對此進(jìn)行修正。

圖4  圖像偏移定位示意圖

　　2.2 系統(tǒng)流程

　　系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)各外設(shè)進(jìn)行初始化，隨后系統(tǒng)檢測游標(biāo)按鍵是否按下，若鍵按下則開始密碼輸入過程。處理過程如下：首先打開激光發(fā)射器于平面生成定位坐標(biāo)系，攝像頭采集一幅圖像發(fā)送給控制器，控制器對圖像進(jìn)行二值化、腐蝕算法濾除雜波后得到較為明確的坐標(biāo)系圖像，通過Two-Pass連通區(qū)域算法將圖像中相鄰的像素賦予相同標(biāo)號(hào)，計(jì)算出該標(biāo)號(hào)區(qū)域的中心位置。重復(fù)以上過程即可獲得設(shè)定的密碼輸入值。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

圖5  系統(tǒng)流程圖

3 系統(tǒng)測試

　　3.1 算法仿真

　　模擬算法采用Python語言編寫，使用Pyserial庫采集從單片機(jī)發(fā)送來的圖片數(shù)據(jù)，并保存為.txt文件，.txt文件經(jīng)處理后使用Pillow庫在電腦端將圖片顯示出來。

　　算法仿真時(shí)，硬件設(shè)備將采集到的彩色圖像通過灰度值算法轉(zhuǎn)換為灰度值圖像，并將其發(fā)送至電腦PC端，此時(shí)系統(tǒng)采樣到的原圖如圖6所示。

圖6  仿真灰度值原圖

　　選取不同閾值時(shí)所得到的二值化圖像如圖7所示。圖7(a)中當(dāng)閾值選擇太小時(shí)圖像中出現(xiàn)大量雜波，對目標(biāo)面有較大干擾。圖7(b)為閾值選擇過大時(shí)圖像，此時(shí)圖像上方連通區(qū)域僅剩幾個(gè)像素點(diǎn)，若選取閾值更大時(shí)則該連通區(qū)域被判定為背景，從而丟失定位坐標(biāo)系。圖7(c)為使用Otsu最大類差間法獲取閾值得到的二值化圖像，圖像中目標(biāo)清晰，雜波少。

(a)閾值過小        (b)閾值過大           (c)最佳閾值

圖7  二值化閾值選擇對比

　　對二值化圖像進(jìn)行腐蝕濾波，連通區(qū)域標(biāo)記后圖像對比如圖8所示。圖8(b)為腐蝕算法處理后圖像，比圖8(a)中各連通區(qū)域少了一層像素點(diǎn)。在顯示程序?qū)D像數(shù)據(jù)中不同標(biāo)號(hào)的像素點(diǎn)賦予不同顏色，效果如圖8(c)所示。

(a)二值化圖像       (b)腐蝕處理              (c)two-pass算法標(biāo)記

圖8  腐蝕算法和連通區(qū)域算法效果驗(yàn)證

　3.2 調(diào)試實(shí)驗(yàn)

　　軟件算法仿真成功后，下載程序進(jìn)行硬件調(diào)試并搭建平臺(tái)。

　　通過調(diào)試平臺(tái)采集到一個(gè)密碼輸入圖像如圖9所示。圖中兩幅圖為單個(gè)密碼值輸入過程中使用不同方式拍攝的對比圖。圖9(a)為使用手機(jī)拍攝到的圖像，為了直觀顯示按鍵值對比，圖中對激光坐標(biāo)系內(nèi)各位置添加輔助線進(jìn)行了劃分。圖9(b)為無線鍵盤電子鎖系統(tǒng)攝像頭采集的圖像，LCD顯示屏中圖像為通過算法處理后的圖像。由于手機(jī)拍攝角度與電子鎖攝像頭處在對立角度，所以兩圖中最亮的區(qū)域不同。圖9(b)中a、b、c分別為激光定位坐標(biāo)系定位點(diǎn)，b點(diǎn)為原點(diǎn)，a點(diǎn)為y軸方向，c點(diǎn)為x軸方向，cur為游標(biāo)，各點(diǎn)的坐標(biāo)值已給出，此時(shí)通過系統(tǒng)圖像識(shí)別算法處理解譯后所得值為1。

　　圖9(a)中游標(biāo)激光點(diǎn)偏離按鍵1中心點(diǎn)，距邊界不遠(yuǎn)處，此時(shí)系統(tǒng)依舊能識(shí)別出正確的按鍵值，表明當(dāng)前系統(tǒng)所需功能已基本完成，使用時(shí)將游標(biāo)定位在各按鍵中心點(diǎn)附近可以保證系統(tǒng)識(shí)別的正確率。

(a)采集時(shí)圖像             (b)識(shí)別后圖像

圖9  單次密碼輸入

　　系統(tǒng)預(yù)設(shè)密碼值為“123456”，用戶可自行更改，圖10(a)為輸入5位密碼值時(shí)圖像。當(dāng)密碼輸入正確時(shí)，圖像如圖10(b)所示，顯示“Key Correct”；否則顯示密碼錯(cuò)誤，需重新輸入密碼。

(a)輸入密碼過程        (b)輸入密碼正確

圖10  密碼輸入過程

4 分析與總結(jié)

　　無密碼鍵盤的非接觸式電子鎖，采用了圖像識(shí)別技術(shù)提升了鎖具的安全性和隱蔽性。經(jīng)調(diào)試測試，該套系統(tǒng)能完成解鎖的需求，但對于實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)用還需進(jìn)一步調(diào)試改進(jìn)；如在不同環(huán)境下圖像識(shí)別的準(zhǔn)確度還需大量實(shí)驗(yàn)改進(jìn)；使用者是否能正確地確定游標(biāo)區(qū)域，還需不需要設(shè)計(jì)一些輔助措施；電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障如何處理等。這也是下一步需努力的方向。

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