1、科 技 信 息0.引言门禁系统是一种新型的公共安全管理系统，集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，是小区出入口实现安全防范管理的有效途径 。为业主和工作人员提供了方便和安全,对使用者的人身与财产安全起到很大的防护作用，现在应用已经非常广泛123。随着人们对自身安全和健康要求的不断提高，原有接触式门禁系统缺点不断显露 。其接触式的身份验证方法可能直接导致发热类疫情的传播，而且其身份验证的凭证存在易遗失 、伪造的危险 。因此许多国家纷纷采取措施，主要方法是在原有门禁基础上增加采用手持式的红外测温仪检测 。该方式的优点是不接触皮肤，对人体无任何害处，而且速度快，在 1 秒钟内就能鉴别被检测者是
2、否发烧 。但是缺点是增加了检测者的感染几率，给他们造成很大的心理负担 。如果采用人脸识别来提高安全性，非接触式红外测温来检验申请者是否发烧，就可以有效地解决该问题4。1.红外测温原理任何温度超过绝对零度的物体，都会以电磁波的形式向外界辐射出能量 。所辐射能量的大小，直接与该物体的温度有关，并且与该物体热力学温度的 4 次方成正比 。用公式可表达为：E= (T4-T40)式中：E 为辐射出射度，W/m3； 为斯蒂芬 波尔兹曼常数，5.67 10-8W/(M2K4)； 为物体的辐射率；T 为物体的温度；K 为物体周围的环境温度 。根据上面的公式，测量出所发射的 E，就可得出温度 。利用这个原理制成
3、的温度测量计叫红外温度计，这种测量不需要与被测对象接触 。因此属于非接触式测量 。红外温度计可用于很宽温度范围的测温，从 50 直至高于 3000 。人体的体温一般保持在 36.5 左右，是一个天然的生物红外辐射源 。人体能量的 45 是以红外辐射的形式散发的，因此完全可以利用红外测温进行测量 。近 30 年来，非接触红外测温仪在技术上得到迅速发展，性能不断完善，功能不断增强，品种不断增多，适用范围也不断扩大5。2.红外体温测量系统结构本系统中设计的红外体温测量子系统是由主光学系统 、检测元件 、信号处理单元等几部分组成 。测量系统原理如图 1 所示：图 1 红外体温测量系统组成框图3.人脸识
4、别算法设计图 2 小波分解后的人脸图像小波变换具有良好的多尺度特征表达能力，可以在空间域 、频率域及方向上进行分解，并且能够去除冗余信息和噪声 。本文使用 db3 小波对人脸图像进行分解得到 4 个小波系数（LL,LH,HL,HH） 。LL 是水平方向和垂直方向上的低通滤波后的小波系数，它是原始人脸图像的低频信息，代表了最主要的人脸信息，在这个系数中，随机噪声和冗余信息也被大大的削弱了6。由于 LL 方向的小波系数代表了最主要的人脸信息，所以在本文中就选择它作为人脸图像的表征（图 2 是小波分解后的人脸图像） 。在本识别方法中，将预处理过的人脸图像先进行 2 层小波分解，取2 层分解后的 LL
5、 小波系数作为人脸的表征，此时人脸图像的维数就已经大大的下降了，然后对此系数进行傅里叶变换并取模，得到人脸图像对平移变化不敏感的频域信息，再对该频域信息的坐标进行对数变换，从而将人连图像的尺度变换转化为平移变化，最后将结果表示成极坐标的形式，从而也将人脸图像的旋转变化也转化为平移变化 。再进行一次傅里叶变换并取模，最终得到了对平移和尺度以及旋转变化不变的傅里叶变换特征 。主成分分析(PCA)是一种经典的统计方法，它对多元统计观测数据的协方差结构进行分析，求出能简约地表达这些数据依赖关系的主成分 。具体地说，通过线性变换将原始 n 维观测矢量化为个数相同的一组新特征，即每一个新特征都是原始特征的
6、线性组合 。如果这些新特征互不相关，其中少数 m 个(m n)包含了原始数据的最重要的特征就是主成分 。因此，主成分分析是一种特征抽取的方法 。对于一个给定的观测样本集(x1,xi,xn),我们假设其均值为零（不为零的需做平移处理）则该样本集的主成分方向是矩阵（1）的特征向量 。c=1nni=1xixTi（1）那些对应的特征值非零的特征向量在观测样本集所能张成的空间之中，因此主成分方向可以表示成观测样本的线性组合 。把观测向量在这些特征向量上进行投影，可获得一组坐标系数，它代表了该图像在主成分子空间的位置，可作为分类的依据 。对得到的傅里叶不变特征用主成分分析的方法来进行特征提取，得到用于人脸
7、识别的识别特征 。用得到的人脸识别特征来训练支持向量机网络，最后用训练好的支持向量机进行识别 。这种方法具有很高的识别率，并且计算量少，能够满足系统的实时性要求7。4.门禁系统的总体设计门禁系统由控制器 、读卡器 、电控锁 、红外检测模块 、人脸识别模块 、开门开关 、识别卡和通信管理器 、管理主机 、管理软件等组成 。其中门禁控制器与读卡器通过 RS485 进行通信 。系统总体构成如图 3 所示：图 3 门禁系统的总体构成框图其中控制器 、读卡器 、电控锁 、开门开关 、识别卡 、人脸识别和红外检测构成基本的门禁控制单元设备 。控制器是门禁系统核心，它由一台微处理机加上相应的外围电路组成 。
8、如果将读卡器比作系统的眼睛，将电控锁比作系统的手，那么控制器就是系统的人脑，由它来决定某一张是否为本系统已注册的有效卡，该卡是否符合所限定的时间段和开门权限 。从而控制电控锁是否打开 。4.1 门控器的硬件设计具有红外测温功能的人脸识别门禁系统设计安徽国防科技职业学院机电工程系 侯国栋 常迎梅摘 要 本文介绍了一种新的具有红外测温功能的人脸识别门禁系统设计，它在原有的 IC 卡门禁系统上增加红外测温功能，并采用 IC 卡信息加人脸特征进行身份识别取代单一的 IC 卡的方式，使门禁系统不但能够阻止具有发烧高温特征的患者入内,极大减少其他人员的感染几率，并具有人脸识别技术的高安全性，这种门禁系统更
9、安全，更易被人接受 。实验证明，该系统能够起到很好的实际应用效果 。关键词 非接触式 门禁系统 红外测温 人脸识别（下转第 520 页）高校理科研究519 科 技 信 息图 4 门禁系统软件工作流程门控器是整个系统的核心控制部分，对门锁的一切操作均由它来控制完成，上机发下的控制命令及门锁的状态和记录信息都经由门控器来传送，因而门禁系统的智能化程度也就主要取决于这部分的设计 。为了实现非接触式身份识别，本系统采用 philips 公司的非接触智能 IC 卡（M1）作为用户卡，用来储存用户的身份信息，以其全球唯一的序列号 SN 作为身份凭证 。整个门控器分为三大部分：其一是读写器部分，包括 MCU
10、 、复位电路 、时钟电路 、显示电路 、键盘 、数据存储等主控模块及非接触 IC 卡读写模块和电锁驱动部分；其二人脸识别模块和红外测温模块；其三是中央控制电脑与读写器之间的数据传输模块 。4.2 门禁系统软件设计门禁系统中主控器的软件主要完成门禁系统的初始化 、卡的识别 、人脸特征获取及识别 、红外测温及判断 、开启门锁及保存有关数据和数据传输等功能 。其总体工作流程如图 4 所示 。5.结语本文详细阐述了具有红外测温功能的人脸识别门禁系统原理 、硬件结构及软件设计 。本系统经过实际应用的验证，系统运行稳定可靠，操作简单方便，因而具有较好的应用前景 。如果将其扩展为网络型，其安全性和使用范围将
11、会获得更大的提高 。参考文献1徐超汉,徐智能.智能大厦楼宇自动化系统设计方法M.北京：科学技术文献出版社，1998.1-2.2张瑞武.智能建筑M.北京：清华大学出版社，1996.1-3.3魏延华，刘万军.智能大厦楼宇自动化的保安系统J.东北大学学报，2004，25（z1）:226-228.4何武,肖洽文.口岸视频红外测温系统设计与应用J.工业控制计算机,2006.06:2-3.5潘明,张密,余臣等.基于 CAN 总线的分布式红外测温系统J.中国测试技术,2008,5:1-2.6ZHANG D.Face Detection by Wavelet TransformJ.IEEETransom Im
12、age Processing，1995，14(3)：187-196.7唐述敏，方景龙.基于支持向量机的人脸识别J.计算机与数字工程，2005，7（33）：75-78.（上接第 519 页）例 1：设 A 为 m 阶实对称矩阵且正定 。B 为 m n 阶实矩阵，B 为 B的转置矩阵，试证明：BAB 为正定矩阵的充分必要条件是秩(B)=n 。分析：直接证明 BA 为正定矩阵的充要条件是秩(B)=n 。难度很大，因为两个数学概念没有什么直接的联系，正定矩阵的定义是：若矩阵 A 对于任意的实非零列矩阵 X 有 XAX0 则 A 就是一个正定矩阵，也就是说明 BAB 要是一个正定矩阵，关键就要对任意一个
13、实非零列矩阵使得 XAX0 成立，在学习矩阵的秩，发现当一个线性方程 Bx=0 的系数矩阵 B 的秩决定了方程的解是非零解还是零解 x0，而这个 x0也可以看成是正定矩阵定义中的实非零列矩阵 X，那样就可以通过构造一个线性方程把两者联系在了一起 。证明：（必要性）用反证法：若秩(B)0，所以 BAB 为正定矩阵 。这是一道历年的考研题，出现在 193 的华中师范大学研究所考试中，结论是要求学生证明矩阵为正定矩阵充要条件是相关的矩阵秩 。其中涉及到的数学概念有：矩阵的秩，矩阵秩与线性方程非零解的关系(本题中为齐次线性方程)，正定矩阵的定义等 。这道题所要证明的分别是矩阵的正定和矩阵的秩，两个看似
14、没有联系的概念，但是可以通过转化，构造方法来间接证明 。解答题目过程中用了数学方法中的构造法，通过构造一个简单的线性方程 齐次线性方程 Bx=0，用方程是否有非零的解与系数矩阵秩的关系，把所要证明的矩阵 B 看成是 Bx=0 的系数矩阵，由 B 的秩得出 Bx=0 有非零解 x0。用构造线性方程的方法来证明是矩阵秩证显然是一种简明 、功能独特方法，它的特点是针对某些问题，直接证明比较困难，若根据问题的特点，通过转化，构造线性方程，再用系数矩阵秩与非零解的关系，使问题得到解决 。例 2：设 A 使 n 阶反对称矩阵，b 为 nn 元列向量，r(A)=,b，证明：r(B)=r(A)，其中 B=A
15、b-b 0。分析：这道题目也是要求证明矩阵的秩，但两个矩阵 A 和 B 不是具体矩阵，那证明 r(B)=r(A)就不可能用计算来完成证明 。在这种情况下就可以考虑运用构造线性方程的方法，讨论方程非零解与矩阵秩的关系构造一个 Ax=b 而加以证明 。证明：由 r(A)=r(A,b)，有 r(A)=rAb=r-Ab =rA-b 设 Ax=b 有解 x0，即 Ax0=b，x0A=b，即 -x0A=b所以 -x0Ax0=-x0b=bx0。又因为 x0A=bx0，从而 2bx0=0，即 bx0=0 。所以A-b x0=b0，即A-b x=b0有解，所以 r(B)=rA b-b 0=rA-b =r(A)
16、。综上所述，构造线性方程在高等代数证明秩的问题中，显得灵活 、简便，而且也往往是发现问题，找到解决问题途径 、方法的钥匙 。从大多数教材中也发现，矩阵的秩与线性方程的解之间具有非常紧密且重要的关联，不光要求学生理解，更重要的是通过这些方法从多角度启发思维能力，在掌握基础知识之余，加强了启发式的教学，培养学生发散思维及创新能力 。参考文献1张禾瑞等编.高等代数第五版M.北京：高等教育出版社,20072黎伯堂,刘桂真编写.高等代数解题技巧与方法M.山东：山东科学技术出版社,19993陈志杰主编.高等代数与解析几何M.北京：高等教育出版社,2001浅谈高等代数中的一道证明题铜仁学院数学与计算机系 黎 薇摘 要 本文讨论矩阵秩的证明问题中用到的一种方法 。关键词 构造法 矩阵的秩 线性方程高校理科研究520
