基于掌纹识别技术的校园疫情防控管理系统设计.pdf

收稿日期:2 0 2 2-1 1-0 7基金项目:2 0 2 2年安徽省大学生创新创业训练计划项目(S 2 0 2 2 1 0 3 5 9 0 8 6)。基于掌纹识别技术的校园疫情防控管理系统设计盛存玉,刘 畅,孔艺涵(合肥工业大学 计算机与信息学院,安徽 合肥 2 3 0 0 0 0)摘 要:基于非接触式掌纹识别技术,开发一种校园疫情防控管理系统。系统运用掌纹识别技术作为身份识别技术,通过摄像头一次性完成身份识别和测温,依靠人的手掌纹理“唯一性”进行精准身份认证,并将其与数据库中的师生信息联系起来,方便查询及管理校内流动人员。校园管理系统由门禁终端、云端、数据库等模块组成,旨在通过信息化手段,全面防控疫情,实时更新体温以及行程状况,避免漏报、误报、延报的发生,建立“学校-教师-学生”的一体化疫情防控机制,以期更好地为社会服务。关键词:掌纹识别;疫情防控;系统设计 中图分类号:T P 3 1 1.5 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 60 1 1 50 3 当前,在校园疫情防控方面,对于身份认证的安全性、准确性、实用性要求越来越高1。传统身份卡识别存在容易盗刷的风险;而人脸识别系统具有不稳定性和相似性,出错率较高2,有时候需要摘除口罩才能准确识别,存在感染病毒的风险。有研究表明,掌纹识别具有准确度高、非接触性、方便同时测温等优势3-6,可考虑将其用在校园进出门禁系统中,减少病毒感染的可能性。笔者设计一种基于掌纹识别技术的校园疫情防控管理系统,系统硬件包括控制模块、检测模块、通信模块,实现掌纹拍摄功能、体温检测功能、传输功能;系统软件包括掌纹提取及识别模块、师生数据信息库模块,实现掌纹识别功能、身份核验功能、校园信息互通功能。该系统可应用于中小学和高等院校,准确度高,使用安全方便。1 系统总体设计方案系统设计如图1所示,由门禁终端、云平台、数据库模块等组成。拥有多种功能:掌纹拍摄功能。考虑到客户端是根据进出人员的掌纹来确定人员身份认证,所以需要对进出师生进行拍照,获取他们的掌纹图像,将手掌伸出置于距离摄像头设备1 0 c m左右触发拍照。体温检测功能。需要在检测到有访问需求时同步进行体温检测以及体温范围判定。传输功能。照片需要传输至服务器处理识别,再将结果返回到系统中。身份核验功能。可以操控门禁的开关,让师生等人员能够进入。校园信息互通功能。将布置在校园各地的门禁终端在云端链接互通,及时传递异常人员流向,并以此达到校园的人员管理需要。图1 系统架构具体操作过程:提前收集老师和学生的掌纹,将其录入掌纹信息库中。师生经过时将手掌伸出置于距离设备1 0 c m左右,摄像头拍摄师生的掌纹照片并上传到云端进行识别匹配,进而确定师生的身份信息,与此同时,运用红外摄像头为师生测温。通过联网的信息收发模块将师生的出入信息、体温情况、行程信息立即汇总存储在数据库中,以便管理员查看。通过信息化管理手段,全面监测统计师生进出校园,及时体温状况,避免漏报、误报、延报的发生,建立“学校教师学生”的一体化疫情防控机制。如图2所示。5112 0 2 3年8月内 蒙 古 科 技 与 经 济A u g u s t 2 0 2 3第1 6期 总第5 3 0期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 6 T o t a l N o.5 3 0图2 操作流程2 管理系统的硬件设计该管理系统的硬件设计如图3所示,包括控制模块、检测模块(掌纹和体温)和通信模块设计。通过摄像头等图像采集设备获取待测手掌的红外图像、原始深度图像和可见光图像;同时通过体温检测探头同步采集进出人员的体温信息;通过核心处理器处理,实现掌纹识别、体温检测及活体检测;通过W i-F i通信模块将相关数据发送 至云平台;采 用L C D显示屏进行显示及系统多功能操作。此外,可借助可外接存储模块,如e MMC和D D R等存储设备来满足系统的性能需求。系统外围辅助模块包括L C D显示屏、电磁锁以及电源等。其中,L C D显示屏显示采集到的图像并可以执行相关交互操作;电磁锁模块控制着门的开关,是最终的执行模块;电源模块则保证系统设备供电正常。图3 系统硬件设计2.1 控制模块设计控制模块主要任务是完成掌纹图像和体温信息采集处理、门禁控制、数据计算处理等,根据功能不同可分为控制器与被控制器。控制器是微处理器模块,硬件平台需要对图像采集设备采集的图像进行掌纹检测与识别,并采集体温信息等,所以核心处理器需要较强运算能力的C P U。而且,为了方便功能扩展,核心处理器要具备接口丰富、体积小以及性价比高等特点。被控制器最终表现是电磁锁,通过I O口驱动继电器控制电磁锁,以实现智能门禁开关功能。控制模块借助e MM C和D D R、L C D显示屏、Z K A T电磁锁以及电源等设备,实现终端与管理系统的交互进行,门禁终端核心芯片采用A l l w i n n e r A 1 0 0,根据匹配结果及温度特征控制门禁开启关闭。2.2 检测模块设计检测模块主要任务是完成图像采集、体温采集等功能。其中图像采集功能利用包含有红外摄像头、红外补光灯、点阵投射器和可见光摄像头的 3 D结构光模组实现,获取红外手部图像以及可见光手部图像,并对图像进行处理以及格式转换,将图像格式转换为R G B、YUV等格式上传识别。体温检测使用红外CMO S传感器、光学镜头、红外窄带滤光片组成的红外摄像头,获取辐射值及检测位温度值,构建物体温度辐射测量补偿模型,设置温度修正算法,提高测量体温的精度,实现近距离的连续、自动、非接触采集体温。2.3 通信模块设计通信模块主要完成硬件、软件等资源整合统一等功能。采用W i-F i通信,芯片采用E S P 3 2-C 6,它最大优点在于提供了对 2.4 GH z W i F i 6 协议(8 0 2.1 1 a x)的支持,并向下兼容8 0 2.1 1 b/g/n,支持 S t a t i o n 工作模式,功耗低,传输速率更高。以R a b b i t MQ 作为中转站,将师生进入记录、掌纹原始图像、温度信息等数据发送至云平台,并接收掌纹识别匹配结果及人员信息,根据匹配结果及温度特征控制门禁开启关闭,从而实现门禁终端与管理系统的交互,并可借助5 G技术为设备信息的上传下载提供更高的传输速率。通信接口包括有服务器接口与门禁终端请求接口。3 系统软件设计软件设计主要包括掌纹提取识别设计和师生信息数据库。硬件端将掌纹原始图像上传至云平台软件端,在云端进行掌纹提取及识别,核验进出人员信息并将匹配结果反馈到硬件端控制门禁系统。在数据库系统存储各门禁终端的人员进出信息,在出现体温异常情况时及时通知管理员,并自动追踪溯源到该人员的行程轨迹及密切接触者信息,能够提高管控效率,缩短应急时间。3.1 掌纹提取识别设计611总第5 3 0期内 蒙 古 科 技 与 经 济掌纹提取将不同大小、颜色、拍摄设备、角度的手掌图像进行归一化,以便后续特征提取和识别。对不同的掌纹图像进行预处理,包括掌纹图像的定位分割、掌纹图像的去噪、掌纹图像的增强等。对处理后的图像采用定位算法进行关键点定位。在手掌中心范围内找寻并分割出中心有效区域作为感兴趣区域(R e g i o n o f I n t e r e s t,R O I)。掌纹识别基于深度学习方法,将提取到R O I与掌纹数据库中存储掌纹进行匹配,提高掌纹识别结果的准确性。借助2 D手姿势估计级联结构正则化方法进行原始图像矫正处理,将手建模,得到目标手部图像,计算指缝关键点的位置,识别出左右手。基于轻量级神经网络E E P N e t和损失函数结合策略进行掌纹识别,将提取到R O I与掌纹数据库中存储掌纹进行匹配,提高掌纹识别结果的准确性,如图4所示。图4 掌纹提取及识别设计基于深度学习的方法,通过轻量级神经网络E E P N e t(E f f i c i e n t a n d E f f e c t i v e P a l m p r i n t N e t-w o r k)进行掌纹识别7。提出两个鲁棒的损失函数B a l a n g c e d L o s s(B L)和C o n t r a s t L o s s(C L),损失函数B a l a n g c e d L o s s(B L)解决掌纹特征表达较弱的问题,损失函数C o n t r a s t L o s s(C L)用以解决困难掌纹的分类问题,实现良好的识别率(A R R)和较低的等误率(E E R),将OH S M应用到二次识别中,最终得到较为鲁棒的结果;利用(2 D)P C A去除冗余的语义信息;使用 R a n d A u g m e n t 网络技术进行数据增强,提升网络训练性能;利用融合多级特征的轻量级网络 E E P N e t 进行掌纹识别;以新的通道注意力机制来加强特征通道间信息的交流。3.2 师生数据库建立师生数据库主要存储师生信息,分为用户表、角色表、教师表、学生表、出入信息表等。采用O r a c l e、M y s q l、S Q L S e r v e r或者M y s q l 作为掌纹识别服务端的数据库。采用 N a v i c a t 1 2 f o r M y S Q L进行数据库管理。系统云平台数据库使用p h p M y A d m i n来管理。数据库中存储掌纹特征数据、体温信息、人员信息和出入信息等,当出现异常情况,管理系统会自动推送报警信息,并通过数据库信息自动查询行程轨迹以及密切接触者的人员信息。4 管理系统测试管理系统测试分为硬件测试和软件测试,硬件测试主要是掌纹提取和体温检测,软件测试主要是系统程序设计及客户端操作。经过反复实验和测试,基于掌纹识别技术的校园疫情防控管理系统准确度高,使用方便安全,其中掌纹识别准确率为9 9%以上。5 结束语生物特征具有唯一性和不变性,正逐渐发展成为主流的身份认证方式8。相较于人脸、指纹、虹膜模态识别,掌纹具有特征丰富,隐私性较高、非接触性、准确度高、不易伪造等特点,掌纹识别是一种非侵犯的识别技术,易被人们接受9。笔者设计的掌纹识别技术的校园疫情防控管理系统,可通过摄像头一次性完成身份识别和测温。依靠人的手掌纹理“唯一性”进行精准身份认证,并将其与数据库中的师生信息联系起来,建立“学校-教师-学生”的一体化疫情防控机制,方便查询及管理校内流动人员。校园管理系统通过信息化手段,在新冠疫情防控中,能够实时检测更新体温以及行程状况,避免漏报、误报、延报的发生,将该系统运用于中小学和高校进行校园疫情防控管理,科学可行,具有一定应用前景。参考文献1 张年,刘燕.高校智慧门禁系统的设计与应用探讨J.科技创新与应,2 0 1 7(1 4):7 4.2 D i n g C,T a o D.T r u n k-b r a n c h e n s e m b l e c o n v o l u t i o n a l n e u r a l n e t w o r k s f o r v i d e o-b a s e d f a c e r e c o g n i t i o n J.I E E E T r a n s a c-t i o n s o n P a t t e r n A n a l y s i s a n d M a c h i n e I n-t e l l i g e n c e,2 0 1 8,4 0(4):1 0 0 2-1 0 1 4.3 F e i L,L u G,J i a W,e t a l.F e a t u r e e x t r a c t i o n m e t h o d s f o r p a l m p r i n t r e c o g n i t i o n:A s u r v e y a n d e v a l u a t i o n J.I E E E T r a n s a c t i o n s o n S y s t e m s,M a n,C y b e r n e t i c s:S y s t e m s,2 0 1 9,4 9(2):3 4 3-3 6 3.(下转第1 3 3页)711盛存玉,等 基于掌纹识别技术的校园疫情防控管理系统设计2 0 2 3年第1 6期信息素养是指读者自身能够判断需要什么信息并能够对信息进行检索、获取和利用的能力4-5。因此,图书馆除了要加强数字资源的宣传与培训外,还要加强读者的信息素养培训,提高读者检索、获取及利用信息的能力。高校图书馆多以公选课的形式面向本科生开设信息素养相关课程,但是选修人数较少,收获甚微。我们应改变传统的课堂教学方式,选择浅显易懂、生活化的信息素养教材,以实践课的形式将基础知识学习与上机实践操作相结合,这样既能激发读者的学习兴趣,同时又能有效提高读者的信息素养。2.6 加强校外访问服务的宣传和推广数据商为保护自身数字资源版权,一般会通过I P地址控制的形式将数据库访问授权限制在校园网内,从而导致读者在校园网外将无法直接使用图书馆的电子资源进行下载。因此,为了提升数字资源的使用效能,同时更好地服务于教学与科研,大部分高校图书馆包括聊城大学图书馆均提供了数字资源的校外访问服务,主要有以下3种形式:校外访问系统。高校图书馆直接购买正式的校外访问系统平台,为用户免费开通校外访问账号,以流式重写与端口映射的方式实现图书馆数字资源的校外授权访问。V P N远程 访问。多数高校 都建有自己 的V P N,并且每位师生拥有独立的V P N账号,师生读者在校外可通过V P N远程客户端登录来访问数字资源。C A R S I校外访问服务。C A R S I平台为已经建立校园网内统一身份认证的高校用户提供全球学术信息资源共享服务6。加入C A R S I的优势是高校师生可以不必通过校园I P地址确认身份,无须使用V P N,就可以在校外任何地方使用校园网账号直接访问机构图书馆订购的数字资源,使得校园网外的师生读者可以避免因使用V P N或者校外访问系统软件所带来的拥堵、迟缓和并发数限制,使用非常方便。3 结束语数字资源已成为高校师生教学科研必需的参考资源,高校图书馆在加强数字资源建设的同时,要不断优化数字资源布局,提高数字资源服务效能,才能实现数字资源利用效益最大化。参考文献1 朱晓菁.谈高校图书馆纸本文献与数字资源的协调发展J.图书馆学刊,2 0 0 9,3 1(1 1):8 1-8 4.2 教育部高等学校图书情报工作指导委员会.2 0 1 9年度高校图书馆基本数据排行榜E B/O L.(2 0 2 0-1 1-1 6)2 0 2 2-0 1-1 0.h t-t p:/www.s c a l.e d u.c n/t j p g/2 0 2 0 1 1 1 6 0 2 3 1.3 周荣.浅谈服务台在图书馆服务中的作用J.内蒙古科技与经济,2 0 1 5(8):1 4 8-1 4 9.4 焦海霞,张晓阳,左健民.基于引文与多目标决策的研究生学术信息素养评价研究J.情报杂志,2 0 1 4,3 3(5):1 7 0-1 7 4,1 2 4.5 黄永斌.高校学生信息素养现状及提升途径J.情报探索,2 0 0 8(1 0):2 8-2 9.6 中国教育网络.支持疫情防控科研攻关C E R-N E T发 布 全 球 学 术 资 源 共 享 平 台C A R S IE B/O L.(2 0 2 0-0 5-0 8)2 0 2 2-0 1-1 0.h t t p:/www.c h i n a z d u c a t i o n n e t w o r k,2 0 2 0(2):1 6.(上接第1 1 7页)4 Z h o n g D,D u X,Z h o n g K.D e c a d e p r o g r e s s o f p a l m p r i n t r e c o g n i t i o n:A b r i e f s u r v e y J.N e u r o c o m p u t i n g,2 0 1 9,3 2 8:1 6-2 8.5 L e n g L,L i M,T e o h A.M a t c h i n g r e d u c t i o n o f 2 D P a l m H a s h c o d eC/I n t e r n a t i o n a l S y m-p o s i u m o n B i o m e t r i c s a n d S e c u r i t y T e c h n o l o-g i e s(I S B S S T),2 0 1 4:1 2 4-1 2 8.6 L e n g L,T e o h A,L i M,e t a l.A n a l y s i s o f c o r-r e l a t i o n o f 2 D P a l m H a s h C o d e a n d o r i e n t a-t i o n r a n g e s u i t a b l e f o r t r a n s p o s i t i o n J.N e u r o c o m p u t i n g,2 0 1 4,1 3 1:3 7 7-3 8 7.7 夏伟.基于深度学习的掌纹识别算法研究D.合肥:合肥工业大学,2 0 2 1.8 T o n g S.G,H u a n g Y.Y,T o n g Z.M.A r o b u s t f a c e r e c o g n i t i o n m e t h o d c o m b i n i n g L B P w i t h m u l t i-m i r r o r s y mm e t r y f o r i m a g e s w i t h v a-r i o u s f a c e i n t e r f e r e n c e sJ.I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f A u t o m a t i o n a n d C o m p u t i n g,2 0 1 9,1 6(5):6 7 1-6 8 2.9 费伦科.掌纹图像多级特征提取与识别算法研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 6.331云玉芹,等 地方高校图书馆数字资源利用现状及对策思考 以聊城大学图书馆为例2 0 2 3年第1 6期