admin 孙琪皓，詹 杰，张 浩
（湖南科技大学 物理与电子科学学院，湖南 湘潭411201）
锁一直是人们生活的必需品，随着社会经济和科学技术的发展，人们对锁的安全及方便性提出了更高的要求。应用ARM技术结合图像识别设计了一种电子锁，该锁通过摄像头采集密钥信息，控制器解码信息并对密钥进行验证。系统部件少，硬件依赖性低，可移植性高，易于使用，并能不断更新解锁方式。
随着生活水平的提高，人们对锁的要求也不断增加，既要安全可靠，又要使用方便，电子锁[1]的出现满足了人们的需求。电子锁是一种以电子方式来识别、处理信息、控制执行机构来关闭和开启锁的一种新型锁具，已经在住宅、酒店、宾馆、写字楼中得到了广泛应用。电子锁的类型多种多样，早期有应用TM卡[2]、CM卡的密码锁，还有应用人体生物特征的人脸、虹膜、指纹等的新一代电子锁。采用电子卡片形式密码锁和机械锁的区别不大，采用人体生理特征的安全性好，但成本较高。随着科技的发展，该生物识别技术的安全性也遇到了挑战。针对市场的需求，设计了一种基于图像识别的解锁系统[3-4]，由射频触发图像识别，省去常规的密码键盘。该锁具具有安装方便、易于移植、被破解率低的特点。
1 系统方案
如图1所示，该系统由锁具和无线钥匙两部分组成。无线钥匙发射出的激光点称为游标，能发出射频信号，带有激光光源。锁具由处理器、激光发射器、摄像头、LCD显示屏、无线通信模块及掉电存储设备组成。激光发射器可发射出3束激光，组成一个直角坐标系辅助系统对游标进行定位。无线钥匙由一个微控制器、按键和激光发射器组成，由用户控制，在系统中输入密码。无线通信模块负责无线钥匙与锁具之间的通信。摄像头采集激光定位坐标系和激光游标的图像[5-6]，发送给处理器进行分析。LCD显示屏[7]辅助显示摄像头采集到的图像，并显示处理器解析图像后获得的密码值。系统还具有防掉电功能，防止在系统断电情况下丢失用户自定义的密码。
图1 系统框架图
工作过程如下：当用户使用无线钥匙时，触发系统进入开锁流程，生成定位激光坐标系，用户移动游标（无线钥匙发射出的激光点）到特定位置后，无线钥匙发送采集信号给处理器，处理器随后控制摄像头采集一幅图像，并对图像进行解析，得到一位密码值。重复此过程可完成多位密码值输入。
为了防止无线钥匙被复制，导致系统被侵入的情况发生，系统使用轮询密码配对设置，以保持无线配对信号安全。为了防止系统故障问题，留下一个串行接口用于紧急处理，防止钥匙丢失或忘记密码。
2 系统软件设计
2.1 图像识别处理
锁具应用环境千差万别，环境光强大小不一，而且摄像头采集的图像是彩色图像。彩色图像包含的信息十分庞大，不利于单片机进行处理和分析，因此需要对采集到的图像进行一系列处理。下面介绍主要处理过程：
(1)图像二值化
将彩色图像转换为具有色彩深度的黑白图像，转换公式为：
灰度值转换为二值化图像时还需要进行阈值切割，将灰度值小于阈值的像素点设为0，否则设为255。因此选取合适的阈值对于图像二值化十分重要，采用Otsu最大类间法进行最佳阈值的选取。Otsu算法按照灰度值的特性将图像分为两部分，当这两部分之间的类间方差最大时，说明构成图像的两部分之间差别也最大，此时将图像分为两部分的值为最佳阈值。
每一个灰度值i出现的概率为：
G0和G1类出现的概率为：
G0和G1类出现的均值为：
类间方差为：
此时最佳阈值的取值即为使得类间方差最大的t值。
(2)图像滤波处理
图像识别需对图像进行预处理，即滤除图像中的杂波干扰，突出前景像素。
图像腐蚀算法[8-9]处理过的图像对比如图2所示。
图2 图像应用腐蚀算法对比
(3)区域连通算法
激光点和游标点在二值化图像上表现为聚合在一起的前景像素，称作连通域区域。经过滤波处理后的二值化图像只有前景像素和背景像素两种值，当图像中有多个连通区域时处理器并不能区分各连通区域。连通区域算法[10]能为各连通区域分配一个唯一标号，这样就可统计连通区域的数目，还能通过算法分析连通区域特征。图像通过连通区域算法处理前后对比如图3所示。
图3 区域连通算法
(4)连通域定位
经过连通区域算法处理后，每一个连通域有一个独立的标号，找出各标号x轴、y轴最大和最小坐标，取平均值后可代替该连通区域位置。采集的图像由于摄像头拍摄角度，定位点坐标系偏移等问题而发生变化，如图4所示，当采集图像发生偏移时游标cur相对于激光定位坐标系原点b的坐标为（3，3）。若采集图像内激光定位坐标系发生了偏移，如图4(b)所示，cur相对于原点O坐标未变情况下，cur相对于激光定位坐标系原点b位置已发生改变，需要对此进行修正。
图4 图像偏移定位示意图
2.2 系统流程
系统上电后，首先对系统各外设进行初始化，随后系统检测游标按键是否按下，若键按下则开始密码输入过程。处理过程如下：首先打开激光发射器于平面生成定位坐标系，摄像头采集一幅图像发送给控制器，控制器对图像进行二值化、腐蚀算法滤除杂波后得到较为明确的坐标系图像，通过Two-Pass连通区域算法将图像中相邻的像素赋予相同标号，计算出该标号区域的中心位置。重复以上过程即可获得设定的密码输入值。系统流程图如图5所示。
图5 系统流程图
3 系统测试
3.1 算法仿真
模拟算法采用Python语言编写，使用Pyserial库采集从单片机发送来的图片数据，并保存为.txt文件，.txt文件经处理后使用Pillow库在电脑端将图片显示出来。
算法仿真时，硬件设备将采集到的彩色图像通过灰度值算法转换为灰度值图像，并将其发送至电脑PC端，此时系统采样到的原图如图6所示。
图6 仿真灰度值原图
选取不同阈值时所得到的二值化图像如图7所示。图7(a)中当阈值选择太小时图像中出现大量杂波，对目标面有较大干扰。图7(b)为阈值选择过大时图像，此时图像上方连通区域仅剩几个像素点，若选取阈值更大时则该连通区域被判定为背景，从而丢失定位坐标系。图7(c)为使用Otsu最大类差间法获取阈值得到的二值化图像，图像中目标清晰，杂波少。
(a)阈值过小 (b)阈值过大 (c)最佳阈值
图7 二值化阈值选择对比
对二值化图像进行腐蚀滤波，连通区域标记后图像对比如图8所示。图8(b)为腐蚀算法处理后图像，比图8(a)中各连通区域少了一层像素点。在显示程序对图像数据中不同标号的像素点赋予不同颜色，效果如图8(c)所示。
(a)二值化图像 (b)腐蚀处理 (c)two-pass算法标记
图8 腐蚀算法和连通区域算法效果验证
3.2 调试实验
软件算法仿真成功后，下载程序进行硬件调试并搭建平台。
通过调试平台采集到一个密码输入图像如图9所示。图中两幅图为单个密码值输入过程中使用不同方式拍摄的对比图。图9(a)为使用手机拍摄到的图像，为了直观显示按键值对比，图中对激光坐标系内各位置添加辅助线进行了划分。图9(b)为无线键盘电子锁系统摄像头采集的图像，LCD显示屏中图像为通过算法处理后的图像。由于手机拍摄角度与电子锁摄像头处在对立角度，所以两图中最亮的区域不同。图9(b)中a、b、c分别为激光定位坐标系定位点，b点为原点，a点为y轴方向，c点为x轴方向，cur为游标，各点的坐标值已给出，此时通过系统图像识别算法处理解译后所得值为1。
图9(a)中游标激光点偏离按键1中心点，距边界不远处，此时系统依旧能识别出正确的按键值，表明当前系统所需功能已基本完成，使用时将游标定位在各按键中心点附近可以保证系统识别的正确率。
(a)采集时图像 (b)识别后图像
图9 单次密码输入
系统预设密码值为“123456”，用户可自行更改，图10(a)为输入5位密码值时图像。当密码输入正确时，图像如图10(b)所示，显示“Key Correct”；否则显示密码错误，需重新输入密码。
(a)输入密码过程 (b)输入密码正确
图10 密码输入过程
4 分析与总结
无密码键盘的非接触式电子锁，采用了图像识别技术提升了锁具的安全性和隐蔽性。经调试测试，该套系统能完成解锁的需求，但对于实际生产运用还需进一步调试改进；如在不同环境下图像识别的准确度还需大量实验改进；使用者是否能正确地确定游标区域，还需不需要设计一些辅助措施；电子系统出现故障如何处理等。这也是下一步需努力的方向。
参考文献
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[2] 丁明勇，李昔华.TM卡智能电子锁与门禁系统研制[J].重庆工商大学学报(自然科学版)，2004(5)：488-490.
[3] 张家怡.图像识别的技术现状和发展趋势[J].电脑知识与技术，2010，21(6)：6045-6046.
[4] 徐莹.纸币图像识别技术研究[D].成都：西南石油大学，2012.
[5] 陶杰，王欣.基于STM32F407和OV7670的低端视频监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2014(3)：60-63.
[6] 曾浩，张祺，郑斯凯.基于STM32F407的图像远程采集终端[J].工业控制计算机，2014(11)：81-83.
[7] 黄杰勇，何冬.基于STM32F407的液晶控制器设计[J].现代计算机(专业版)，2015(10)：66-69.
[8] 杨琨，曾立波，王殿成.数学形态学腐蚀膨胀运算的快速算法[J].计算机工程与应用，2005(34)：54-56.
[9] 李晓飞，马大玮，粘永健，等.图像腐蚀和膨胀的算法研究[J].影像技术，2005(1)：37-39.
[10] 牛连强，彭敏，孙忠礼，等.利用游程集合的标号传播实现快速连通域标记[J].计算机辅助设计与图形学学报，2015(1)：128-135，156.
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