具有双目识别模块的学生上机管理系统设计.doc

具有双目识别模块的学生上机管理系统设计 摘要：本文主要介绍了具有双目识别模块的学生上机管理系统的设计思路。通过把传统的上机管理系统与一套具有双目识别功能的人脸识别设备相结合，使上机管理系统的功能得到强化突现，并促使使用者养成良好的上机习惯与用眼习惯。 关键词：双目识别 上机管理系统 人体工程学 中图分类号：tp391 文献标识码：a 文章编号：1007-9416(2012)02-0078-02 人类是靠眼睛来实现视觉的。通过科学研究发现，单个人眼只能形成二维的图像。人类之所以能够产生立体的视觉，全凭我们同时使用了双眼来接收图像。若仅使用单个眼睛时，人们只能知道物体的形状，但无法判断物体的远近和大小。这个现象及其原理已被广泛地应用在日常的生产生活当中，例如3d电影。本文就是结合了双目识别的原理，改进了常规的人脸识别技术，并将其与传统的学生上机管理系统相结合，开发智能化程度较高的新型管理系统。 1、双目识别的理论基础 1.1 相机成像原理 一般来说，不同的数码相机成像规律不同，且光路较为复杂，但原理基本一致，如图1所示。其中，o点为光学中心，abc为物，a＇b＇c＇为物abc在数码相机中ccd（电荷偶合器件）或cmos（互补金属氧化物半导体）上所对应的像。点a＇、b＇、c＇分别由点a、b、c过点o的连线，与像平面相交得到。由几何关系得: 故本文将该光路图简化为图2。此光路图将o至像平面的距离等效处理，等效距离随焦距变化而变化的，其值可由实测标定。 1.2 人脸曲面的逆构建 1.2.1 坐标系 由等效光路图易知，为了建立满足几何关系的方程，需要建立像平面坐标系和系统坐标系。 本文采用的像平面坐标系是像素坐标系，像平面是一个矩形区域，坐标系的 图2 简化后的等效光路图 原点位于像平面的中心位置，像素坐标的最小刻度是单位像素（pixel）。像素坐标刻度与像平面实长之间成一个线性比例关系 或 在像素坐标系上，目标点坐标值的测量误差限为0.5像素，故对应像平面实长的测量误差限即为厘米。在实际应用当中，比例系数的值并不一定需要进行标定。因为参数可采用像素单位进行标定，从而简化了运算过程。 系统坐标系的建立是为了便于系统的构建，以及结果的运算处理，其构造相对于像平面坐标系要复杂的多。文中所建立的系统坐标系是一个三维的笛卡尔坐标系，三个坐标轴的方向分别对应于：像平面中心连线方向、相机观测方向，以及与前两者正交且过光学中心的直线方向。 此外，像平面坐标系的横坐标是与系统坐标系的x轴重合的，这样便于坐标的运算处理。目标点的识别结果将以系统坐标的方式进行表示和存储。 1.2.2 特征点及其定位方法 在传统的人脸识别技术中，为了进行有效的人脸识别，需要寻找若干个特征点，以便提高识别精度。常用的脸部特征点有眼睛、嘴、鼻子等。在本文当中，特征点除了能够进行位置标定外，还能够组织形成三角形网格，用插值的方法来进行结果的估计。 由于特征点选取和识别的技术已经达到十分成熟的地步，故对其具体原理不再赘述。 如图3所示的是双目识别系统观测某点时的等效光路图。其中，是两个像平面中心的距离，和分别是两条光线在系统坐标系xz平面上的投影与x轴的夹角。 实测中，夹角的计算公式为 需要注意的是，由于双目系统的两个像平面坐标系是关于y轴对称的，因此在两个像平面中的坐标也是对 称的。此外，由于在实际应用当中一般 图3 双目识别系统的等效光路图 使用的是两部相同的图像采集设备，故有 测距结果即为所测点的系统坐标系下的z轴坐标值。此外，要将测点在系统空间中进行定位，还需要计算出x轴和y轴上的坐标值。 通过测定坐标定位公式，我们可以定义人脸面部上的各个特征点。特征点取的越多，对人脸曲面的描述也就越具体。由于所取特征点是一组离散的点，因此应用插值算法可构建出完整的人脸曲面。 1.2.3 结果判定 本文所述的双目识别检测技术，共含有三个子项，包括平整度检测、图像识别、曲面识别。平整度检测项目主要用于判定测试对象是否是真人，而不是平整的图片等物；图像识别项目采用的是常规的人脸识别方法，用于二维人脸图像特征的检测；曲面识别项目则是用于检测三维人脸曲面的几何特征。 结合以上三项，可以进行较传统方法更为可靠的人像识别。 2、双目识别模块的设计 本文提出的学生上机管理系统的双目识别功能是通过双目识别模块进行实现的，这是实现该系统功能的关键一环。 2.1 设计思想 双目识别模块主要进行对象的识别，同时通过与主机连接进行实时通信，一方面向主机上传识别结果，另一方面接收主机的指令。 由于本文所述的双目识别模块是用于学生上机管理的，因此在设计思想上应该要根据设计对象的特点进行一定的创新。设计思想主要包括以下三个方面： (1)双目识别模块应满足实时进行学生身份识别的基本要求，以便识别成功后进行