200行代码如何实现人脸识别开锁应用？

多种条件限制之下，如何完成真人实景游戏场景下的人脸识别开锁功能？云加社区邀请到腾讯科技产品经理—高树磊，分享他是如何用200行代码，从系统架构、硬件选型、到系统搭建，一步步地实现此精致小巧的人脸识别开锁应用的，希望能和大家一道交流。

一、案例概述

1. 背景

帮朋友实现了一个人脸识别进行开锁的功能，用在他的真人实景游戏业务中。几个月来运行稳定，体验良好，借着此次宅家的时间，整理一下这个应用的实现过程。

总的来说需求描述简单，但由于约束比较多，在架构与选型上还是花了些心思。

2. 部署效果

由于该游戏还在线上服务中，此处就不放出具体操作的视频了。部署效果如下图所示：

3. 玩家体验

• 玩家发现并进入空间后，在显示屏看到自己在当前场景出镜的实时画面。
• 玩家靠近观察时，捕获当前帧进行人脸识别，实时画面中出现水印字幕“认证中”
• 人脸认证失败时，实时画面水印字幕变更为“认证失败”，字幕维持2秒后消失，恢复初始状态。玩家继续寻找游戏线索，重新进行认证。
• 人脸认证成功时，实时画面水印字幕变更为“认证成功”，并弹开保险箱门。进入后续游戏环节。

二、产品要求

1. 需求说明

需求提出时比较明确，核心逻辑不复杂。

• 人脸识别：通过人脸识别进行鉴权。
• 开锁管理：通过鉴权则打开箱门，未通过则保持锁定。
• 反馈提示：需要有实时视频反馈，指引明确，便于优化玩家体验。

2. 约束说明

毕竟是生意，所以在商言商，对实用性和成本要求很高，关键是不要影响游戏过程，同时保证玩家体验。

• 低成本：需要低建设成本，低维护成本。
• 易维护：对维护人员技术水平要求低，出现软硬件故障时，任意店员可以快速恢复。
• 高可靠：识别准确率高，容错能力强，系统持续运行中故障率低。
• 有限空间：整套系统在去除显示屏、电磁锁、保险箱后，其它结构实施空间不能超过20cm*15cm*15cm 体积。
• 采光不足：实景空间小，有顶光无侧光，曝光时间较长。
• 通用供电：只提供5V、12V两种直流电接口。
• 并行处理：鉴权流程与反馈流程并行，鉴权过程中，反馈系统不能出现中断、阻塞等情况，使玩家有明显的中断、卡死体验。
• 弱网络环境：由于房间隔断多，网络共用，所以网速有限，有突发延迟情况。

3. 功能设计

可能的架构方案有多种（不同方案间的比较，在文末进行），下面展开说明一下最终上线的方案。

（1） 设定流程

流程与效果，请参考前文“玩家体验” 部分内容。

（2）可配置内容

a. 腾讯云密钥对

修改配置文件，用于适配腾讯云账号切换功能（测试账号/正式账号）。

b. 人员库ID

修改配置文件，用于指定不同人员库（测试库/正式库）。

c. 水印提示

更换对应图片，实现更换水印。使用图片管理，而不是文字配置的原因，是由于图片配置模式无需字库支持，无需配置显示大小，易于图案嵌入。由于所见即所得，对维护人员要求低。

d. 关机选项

可配置任务完成后，是否自动关机。用于游戏环境复位准备，减少复位工作量。

（3） 运营与维护

a. 系统运营管理

场景启动时，统一上电。认证通过后，自动关机，完成复位。

b. 故障处理

软硬件故障：无法开机、可开机无显示、可开机显示系统异常，可开机未知异常等等，更换树莓派或其它硬件。

网络故障：正常运行，无法认证，可查网络+查云日志，解决网络问题；

云产品异常：运行4个月，未发生过，可以忽略，如发生则联系云售后；

（4） 成本分析

硬件成本：500～600元。

备件成本：按1:1备件，500～600元。

运行成本：云端0元，使用免费额度；电费网费，忽略不计。

三、技术实现

1.  系统架构

（1）硬件组成

树莓派：终端主控

摄像头：视频输入

传感器：超声波测距

显示屏：视频输出

继电器：控制电磁锁

电磁锁：控制保险箱门

（2）关键特性

图片识别：使用图片识别，而非视频流，减少对网络带宽要求。

识别要求低：欠曝光照片也有高识别率。

触发识别：玩家在场景内活动时间长，触发模式避免了高频认证、误开锁情况，同时降低认证成本。

测距选型：超声波传感器技术成熟，成本低（3元）；激光传感器成本高（30元）

多进程：视频处理与监测鉴权由两个进程实现，避免了阻塞等情况，同时使用进程间通信，实现可靠交互。

2. 系统搭建

（1） 腾讯云配置

a. 注册账号

按文档指引，获取API密钥

b. 配置人脸识别

访问官网控制台，通过“新建人员库->创建人员->上传照片”，建立认证基础。

其中所使用的“人员库ID”是关键信息，用于后续API调用识别时，指定认证动作匹配的人员库。

注：由于此案例只识别一个人员，无需对人员ID进行匹配，故不用指定人员ID。

（2）树莓派配置

a. 安装系统

访问 www.raspberrypi.org 获取镜像，并进行安装。注意必须安装桌面版，否则需要单独管理HDMI输出。

b. 配置网络

进入命令行，执行 "raspi-config"，选择"Network Options"，配置WiFi接入点。为了固定IP，编辑 /etc/dhcpcd.conf 文件，添加配置信息。

# 具体内容请参考你的本地网络规划  
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. 安装腾讯云SDK

参考指引文档，安装调用腾讯云API的依赖库。

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

d. 安装图像处理库

系统默认安装python2.7，但没有 opencv 库，需要安装。（下载包体积较大，默认源为国外站，比较慢。树莓派改国内源方法，请自行百度，并挑选离自己近的源站）

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

e. 部署代码

访问github获取源码，将src文件夹内容，复制到 /home/pi/faceid 下。

更改 /home/pi/faceid/config.json 中的配置信息，必须改为你的 云API密钥(sid/skey)、人员库ID(facegroupid)，其它配置按需调整。

f. 配置自启动

需要配置图形界面自启动，保证视频输出由HDMI接口输出至显示屏，编辑 /home/pi/.config/autostart/faceid.desktop 写入如下内容

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

（3）硬件接线

树莓派GPIO图示：

a. 摄像头

• CSI接口

camera+rpi.png

b. 超声波传感器

• TrigPin：BCM-24 / GPIO24
• EchoPin：BCM-23 / GPIO23
• VCC ：接5V
• GND ：接GND

c. 继电器

4引脚侧 接 树莓派GPIO引脚

• VCC ：接5V
• GND/RGND ：接GND
• CH1 : BCM-12 / GPIO12

3端口侧 接 电磁锁

• 初始状态为电磁锁接常闭端。
• 继电器原理请参考 3.3.4 硬件相关 部分。

（3） 测试运行

完成上述工作后，接电启动系统，本地反馈查看显示屏，云端识别结果可查看系统日志。

3.  代码逻辑与涉及技术

（1） 流程伪代码

# 监测鉴权进程\-主进程  
获取应用配置（API ID/Key 等）  
初始化GPIO引脚（准备控制 传感器、继电器）  
启动视频管理进程（辅进程）  
循环开始：  
  if not 测距达到触发标准:  
    continue  
  与辅进程通信（捕获当前帧，并存入指定路径，并添加“认证中”水印）  
  调用云API，使用该帧图片人脸识别  
  if 识别成功:  
    与辅进程通信（变更水印为“认证成功”）  
    等待5秒  
    关机 或 继续运行（由config.json中 su2halt 字段指定）  
  else：  
    与辅进程通信（变更水印为“认证失败”）  
    等待2秒  
  与辅进程通信（清除水印）  
  
# 视频管理进程\-辅进程  
初始化摄像头  
循环开始：  
  取帧  
  取进程间共享队列  
    按消息进行不同操作（帧图像保存/加不同水印/不处理）  
  输出帧

（2）视频与识别

a. 实时视频

如上文伪代码所示，通过逐帧处理，并连续输出，显示实时视频。

b. 触发识别

测距传感器确认物体靠近，且0.3秒内距离变化小于2cm，确认为待认证状态。再延时0.3秒，进行图像帧捕获。再次延时的原因是物体停止时，会有扭转、微调等动作，若直接取帧，会由于采光不足（上文提到的约束）出现模糊情况，所以再次延时，确保捕获稳定图像。

c. 人脸识别

请参考文档介绍

（3） 图像水印

a. 水印原理

opencv中，提供了多种图像处理函数，如：图文处理（图加字）、图图处理（图间加/减/乘/除/位运算）等等。通过不同的处理方式，可以实现 底图加字、底图加图、掩膜处理等等多种效果。本案例中使用的是基于位运算的掩膜处理方式。

b. 水印图片

为了便于维护和更新，本案例中使用图片做为水印来源，避免字库约束，也增大了灵活性，易于在水印中增加图形，并以分辨率直接定义水印大小，所见即所得。

默认水印图片为白底黑字。

c. 水印处理逻辑

为突出水印的浮动效果，将水印图片中的黑色区域透明化后，叠加到原始图片中。由于字体透明效果，水印字体颜色随基础视频变化，效果比较明显。

源码说明

# img1为当前视频帧（底图），img2为已读取水印图
def addpic(img1,img2):

# 关注区域ROI\-取底图中将被水印图编辑的图像  
rows, cols \= img2.shape\[:2\]  
roi \= img1\[:rows, :cols\]  

# 图片灰化\-避免水印图非纯黑纯白情况  
img2gray \= cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR\_BGR2GRAY)  
# 生成掩膜\-过滤浅色，位运算取非  
ret, mask \= cv2.threshold(img2gray, 220, 255, 3) #cv2.THRESH\_BINARY  
mask\_inv \= cv2.bitwise\_not(mask)  

# 生成水印区图像\-底图裁出字体部分，生成水印区最终图像，替换原图水印区  
img1\_bg \= cv2.bitwise\_and(roi, roi, mask\=mask\_inv)  
dst \= cv2.add(img1\_bg, img2)  
img1\[:rows, :cols\] \= dst  
return img1

水印效果示意图（示意图扩大了水印区，用于突出效果，实际应用方案中水印区较小）

示意图.jpg

（4）硬件相关

a. 超声波测距

超声波传感器（4引脚：VCC、Trig、Echo、GND）,Trig端输出一个大于10μs的高电平，激活发出超声波，并在收到反射波后，Echo端会输出一个持续高电平，持续时间就是“发波至收波”的时间。

即：测距结果(米)=Echo端高电平时长*340米/2

b. 继电器

使用的5V继电器模块有双侧接线，一侧为供电与信号（4引脚，兼容3.3V信号），一侧为通路开闭管理（3端口）。

继电器在“通路管理侧”实现了一个“单刀双开关”的模式，通过“供电与信号”侧“CH1引脚”的高低电平，控制单刀的方向。

在安装过程中，电磁锁供电默认接继电器常闭端，对继电器给出信号后，继电器切换到常开端，则电磁锁断电开锁.

c. GPIO

GPIO（General-purpose input/output 通用输入输出），以引脚方式提供硬件间的联系能力。树莓派 3B+，有40个GPIO引脚（请参考上文硬件接线 中的参考图示），树莓派官方操作系统 Raspbian 下，可以使用系统默认安装的 python 中 RPi.GPIO 库，进行操作。

四、其它方案

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1.  方案选型对比

设计的核心在于人脸鉴权模块，这里直接影响成本和稳定性，最后选择了上文方案（平衡成本、维护性及可靠性）。曾经的其它几种备选人脸识别方案：

（1） 本地识别A方案

使用ESP-EYE芯片，均由芯片完成，依赖ESP-IDF、ESP—WHO，使用C进行开发。

低硬件成本（模块成本189*2），高开发维护成本（C开发）。

问题：难于更新配置与故障分析处理。适用于大量部署场景。

（2） 本地识别B方案

使用树莓派直接进行人脸识别，方案成熟，开源代码丰富。

中硬件成本，低开发成本，高维护成本。

问题：树莓派负载高，即使用间隔帧算法，也仅维持在20fps以下，卡顿明显。如进一步调优，受限于个人经验问题，恐难以保持长期稳定运行。

（3） 本地识别C方案

使用 BM1880边缘计算开发板 或其它图像处理板，社区口碑不错，有框架支持。

问题：高硬件成本（模块成本1000*2），高开发维护成本(C开发)。如果使用算力棒，需要X86_64做基础平台，成本降低有限，复杂度不变。适用于扩展能力场景。

（4） 云端识别A方案

使用腾讯云的视频智能分析产品，简化终端架构，使用树莓派zero推流上云（后续放出实现方案），即可获取识别结果，且支持高频多次检索等特性。

部署成本低（终端视频相关模块150元），运营成本低（当前0.28元/分钟，按该场景下单次运行20分钟计算，单次游戏成本5.6元）

问题：对网络稳定性依赖大，断流等情况影响体验。在本案例的网络约束下，影响使用效果，更适于网络条件较好、高频检索的应用场景。