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這篇文章將為大家詳細講解有關 raspberry pi 代碼如何實現人臉識別開鎖應用，文章內容質量較高，因此丸趣 TV 小編分享給大家做個參考，希望大家閱讀完這篇文章后對相關知識有一定的了解。
一、案例概述
1. 背景
幫朋友實現了一個人臉識別進行開鎖的功能，用在他的真人實景游戲業務中。幾個月來運行穩定，體驗良好，借著此次宅家的時間，整理一下這個應用的實現過程。
總的來說需求描述簡單，但由于約束比較多，在架構與選型上還是花了些心思。2. 部署效果由于該游戲還在線上服務中，此處就不放出具體操作的視頻了。部署效果如下圖所示：
玩家發現并進入空間后，在顯示屏看到自己在當前場景出鏡的實時畫面。
玩家靠近觀察時，捕獲當前幀進行人臉識別，實時畫面中出現水印字幕“認證中”
人臉認證失敗時，實時畫面水印字幕變更為“認證失敗”，字幕維持 2 秒后消失，恢復初始狀態。玩家繼續尋找游戲線索，重新進行認證。
人臉認證成功時，實時畫面水印字幕變更為“認證成功”，并彈開保險箱門。進入后續游戲環節。
二、產品要求 1. 需求說明
需求提出時比較明確，核心邏輯不復雜。
人臉識別：通過人臉識別進行鑒權。
開鎖管理：通過鑒權則打開箱門，未通過則保持鎖定。
反饋提示：需要有實時視頻反饋，指引明確，便于優化玩家體驗。
2. 約束說明
畢竟是生意，所以在商言商，對實用性和成本要求很高，關鍵是不要影響游戲過程，同時保證玩家體驗。
低成本：需要低建設成本，低維護成本。
易維護：對維護人員技術水平要求低，出現軟硬件故障時，任意店員可以快速恢復。
高可靠：識別準確率高，容錯能力強，系統持續運行中故障率低。
有限空間：整套系統在去除顯示屏、電磁鎖、保險箱后，其它結構實施空間不能超過 20cm*15cm*15cm 體積。
采光不足：實景空間小，有頂光無側光，曝光時間較長。
通用供電：只提供 5V、12V 兩種直流電接口。
并行處理：鑒權流程與反饋流程并行，鑒權過程中，反饋系統不能出現中斷、阻塞等情況，使玩家有明顯的中斷、卡死體驗。
弱網絡環境：由于房間隔斷多，網絡共用，所以網速有限，有突發延遲情況。
3. 功能設計
可能的架構方案有多種（不同方案間的比較，在文末進行），下面展開說明一下最終上線的方案。
（1）設定流程
流程與效果，請參考前文“玩家體驗”部分內容。
（2）可配置內容
a. 騰訊云密鑰對
修改配置文件，用于適配騰訊云賬號切換功能（測試賬號 / 正式賬號）。
b. 人員庫 ID
修改配置文件，用于指定不同人員庫（測試庫 / 正式庫）。
c. 水印提示
更換對應圖片，實現更換水印。使用圖片管理，而不是文字配置的原因，是由于圖片配置模式無需字庫支持，無需配置顯示大小，易于圖案嵌入。由于所見即所得，對維護人員要求低。
d. 關機選項
可配置任務完成后，是否自動關機。用于游戲環境復位準備，減少復位工作量。
（3）運營與維護
a. 系統運營管理
場景啟動時，統一上電。認證通過后，自動關機，完成復位。
b. 故障處理
軟硬件故障：無法開機、可開機無顯示、可開機顯示系統異常，可開機未知異常等等，更換樹莓派或其它硬件。網絡故障：正常運行，無法認證，可查網絡 + 查云日志，解決網絡問題；云產品異常：運行 4 個月，未發生過，可以忽略，如發生則聯系云售后；
（4）成本分析
硬件成本：500～600 元。
備件成本：按 1:1 備件，500～600 元。
運行成本：云端 0 元，使用免費額度；電費網費，忽略不計。
二、技術實現 1. 系統架構
（1）硬件組成
樹莓派：終端主控攝像頭：視頻輸入傳感器：超聲波測距顯示屏：視頻輸出繼電器：控制電磁鎖電磁鎖：控制保險箱門
（2）關鍵特性
圖片識別：使用圖片識別，而非視頻流，減少對網絡帶寬要求。識別要求低：欠曝光照片也有高識別率。觸發識別：玩家在場景內活動時間長，觸發模式避免了高頻認證、誤開鎖情況，同時降低認證成本。測距選型：超聲波傳感器技術成熟，成本低（3 元）；激光傳感器成本高（30 元）多進程：視頻處理與監測鑒權由兩個進程實現，避免了阻塞等情況，同時使用進程間通信，實現可靠交互。
2. 系統搭建
（1）騰訊云配置
a. 注冊賬號
按文檔指引，獲取 API 密鑰
b. 配置人臉識別
訪問官網控制臺，通過“新建人員庫 - 創建人員 - 上傳照片”，建立認證基礎。其中所使用的“人員庫 ID”是關鍵信息，用于后續 API 調用識別時，指定認證動作匹配的人員庫。注：由于此案例只識別一個人員，無需對人員 ID 進行匹配，故不用指定人員 ID。
（2）樹莓派配置
a. 安裝系統訪問 http://www.raspberrypi.org 獲取鏡像，并進行安裝。注意必須安裝桌面版，否則需要單獨管理 HDMI 輸出。
b. 配置網絡進入命令行，執行 raspi-config，選擇 Network Options，配置 WiFi 接入點。為了固定 IP，編輯 /etc/dhcpcd.conf 文件，添加配置信息。
# 具體內容請參考你的本地網絡規劃
interface wlan0
static ip_address=192.168.0.xx/24
static routers=192.168.0.1
static domain_name_servers=192.168.0.1 192.168.0.2c. 安裝騰訊云 SDK
參考指引文檔，安裝調用騰訊云 API 的依賴庫。
sudo apt-get install python-pip -y
pip install tencentcloud-sdk-pythond. 安裝圖像處理庫系統默認安裝 python2.7，但沒有 opencv 庫，需要安裝。（下載包體積較大，默認源為國外站，比較慢。樹莓派改國內源方法，請自行百度，并挑選離自己近的源站）
sudo apt-get install libopencv-dev -y
sudo apt-get install python-opencv -ye. 部署代碼
訪問 github 獲取源碼，將 src 文件夾內容，復制到 /home/pi/faceid 下。更改 /home/pi/faceid/config.json 中的配置信息，必須改為你的 云 API 密鑰 (sid/skey)、人員庫 ID(facegroupid)，其它配置按需調整。
f. 配置自啟動需要配置圖形界面自啟動，保證視頻輸出由 HDMI 接口輸出至顯示屏，編輯 /home/pi/.config/autostart/faceid.desktop 寫入如下內容
Type=Application
Exec=python /home/pi/faceid/main.py（3）硬件接線
樹莓派 GPIO 圖示：
CSI 接口
b. 超聲波傳感器
TrigPin：BCM-24 / GPIO24
EchoPin：BCM-23 / GPIO23
VCC：接 5V
GND：接 GND
c. 繼電器 4 引腳側 接 樹莓派 GPIO 引腳
VCC：接 5V
GND/RGND：接 GND
CH1 : BCM-12 / GPIO12
3 端口側 接 電磁鎖
初始狀態為電磁鎖接常閉端。
繼電器原理請參考 3.3.4 硬件相關 部分。
（3）測試運行
完成上述工作后，接電啟動系統，本地反饋查看顯示屏，云端識別結果可查看系統日志。
3. 代碼邏輯與涉及技術（1）流程偽代碼
# 監測鑒權進程 - 主進程
獲取應用配置（API ID/Key 等）初始化 GPIO 引腳（準備控制 傳感器、繼電器）啟動視頻管理進程（輔進程）循環開始： if not 測距達到觸發標準:
continue
與輔進程通信（捕獲當前幀，并存入指定路徑，并添加“認證中”水印） 調用云 API，使用該幀圖片人臉識別
if 識別成功:
與輔進程通信（變更水印為“認證成功”） 等待 5 秒
關機 或 繼續運行（由 config.json 中 su2halt 字段指定） else： 與輔進程通信（變更水印為“認證失敗”） 等待 2 秒
與輔進程通信（清除水印）# 視頻管理進程 - 輔進程
初始化攝像頭
循環開始： 取幀
取進程間共享隊列
按消息進行不同操作（幀圖像保存 / 加不同水印 / 不處理） 輸出幀 （2）視頻與識別
a. 實時視頻如上文偽代碼所示，通過逐幀處理，并連續輸出，顯示實時視頻。
b. 觸發識別
測距傳感器確認物體靠近，且 0.3 秒內距離變化小于 2cm，確認為待認證狀態。再延時 0.3 秒，進行圖像幀捕獲。再次延時的原因是物體停止時，會有扭轉、微調等動作，若直接取幀，會由于采光不足（上文提到的約束）出現模糊情況，所以再次延時，確保捕獲穩定圖像。
c. 人臉識別
請參考文檔介紹。
（3）圖像水印
a. 水印原理
opencv 中，提供了多種圖像處理函數，如：圖文處理（圖加字）、圖圖處理（圖間加 / 減 / 乘 / 除 / 位運算）等等。通過不同的處理方式，可以實現 底圖加字、底圖加圖、掩膜處理等等多種效果。本案例中使用的是基于位運算的掩膜處理方式。
b. 水印圖片
為了便于維護和更新，本案例中使用圖片做為水印來源，避免字庫約束，也增大了靈活性，易于在水印中增加圖形，并以分辨率直接定義水印大小，所見即所得。默認水印圖片為白底黑字。
c. 水印處理邏輯
為突出水印的浮動效果，將水印圖片中的黑色區域透明化后，疊加到原始圖片中。由于字體透明效果，水印字體顏色隨基礎視頻變化，效果比較明顯。源碼說明
# img1 為當前視頻幀（底圖），img2 為已讀取水印圖
def addpic(img1,img2):
# 關注區域 ROI- 取底圖中將被水印圖編輯的圖像
rows, cols = img2.shape[:2]
roi = img1[:rows, :cols]
# 圖片灰化 - 避免水印圖非純黑純白情況
img2gray = cv2.cvtColor(img2, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
# 生成掩膜 - 過濾淺色，位運算取非
ret, mask = cv2.threshold(img2gray, 220, 255, 3) #cv2.THRESH_BINARY
mask_inv = cv2.bitwise_not(mask)
# 生成水印區圖像 - 底圖裁出字體部分，生成水印區最終圖像，替換原圖水印區
img1_bg = cv2.bitwise_and(roi, roi, mask=mask_inv)
dst = cv2.add(img1_bg, img2)
img1[:rows, :cols] = dst
return img1（4）硬件相關
a. 超聲波測距
超聲波傳感器（4 引腳：VCC、Trig、Echo、GND）,Trig 端輸出一個大于 10μs 的高電平，激活發出超聲波，并在收到反射波后，Echo 端會輸出一個持續高電平，持續時間就是“發波至收波”的時間。即：測距結果 (米)=Echo 端高電平時長 *340 米 /2
b. 繼電器
使用的 5V 繼電器模塊有雙側接線，一側為供電與信號（4 引腳，兼容 3.3V 信號），一側為通路開閉管理（3 端口）。繼電器在“通路管理側”實現了一個“單刀雙開關”的模式，通過“供電與信號”側“CH1 引腳”的高低電平，控制單刀的方向。在安裝過程中，電磁鎖供電默認接繼電器常閉端，對繼電器給出信號后，繼電器切換到常開端，則電磁鎖斷電開鎖.
c. GPIO
GPIO（General-purpose input/output 通用輸入輸出），以引腳方式提供硬件間的聯系能力。樹莓派 3B+，有 40 個 GPIO 引腳（請參考 3.2.3 硬件接線 中的參考圖示），樹莓派官方操作系統 Raspbian 下，可以使用系統默認安裝的 python 中 RPi.GPIO 庫，進行操作。
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