Tài liệu: Nghiên cứu dựng hệ thống khóa cửa thông minh bằng nhận diện khuôn mặt

Chuyên khảo phân tích Nghiên cứu dựng hệ thống khóa cửa thông minh bằng nhận diện khuôn mặt, đánh giá các khía cạnh quan trọng, đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo.

• Tác giả: Trương Tuấn Anh
• Người hướng dẫn: TS. Ngô Quang Vĩ
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Xây Dựng Hệ Thống Khóa Cửa Thông Minh Bằng Nhận Diện Khuôn Mặt
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Khóa Cửa Thông Minh Nhận Diện Khuôn Mặt

Hệ thống khóa cửa thông minh là một giải pháp bảo mật hiện đại kết hợp công nghệ nhận diện khuôn mặt và tự động hóa. Đây là một trong những ứng dụng tiêu biểu của kỹ thuật điều khiển trong cuộc sống hàng ngày. Hệ thống này thay thế các khóa truyền thống bằng công nghệ sinh trắc học, mang lại an toàn cao và tiện lợi vượt trội. Nghiên cứu xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh không chỉ đáp ứng nhu cầu bảo mật mà còn thể hiện sự phát triển của công nghệ AI trong Việt Nam. Dự án này được thực hiện tại Trường Đại học Thủy Lợi, Khoa Điện - Điện Tử, dưới sự hướng dẫn của TS. Ngô Quang Vĩ. Mục tiêu chính là phát triển một mô hình khóa cửa tự động sử dụng xử lý ảnh và nhân diện khuôn mặt để xác thực người dùng một cách an toàn và hiệu quả.

1.1. Mục Tiêu Của Đề Tài Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài là xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh dựa trên công nghệ nhận diện khuôn mặt. Hệ thống sẽ sử dụng ESP32-CAM làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với các chuẩn giao tiếp như UART và SPI. Dự án tập trung vào quy trình xử lý ảnh, lưu trữ dữ liệu khuôn mặt an toàn, và thiết lập kết nối Wifi thông qua Smartconfig. Kết quả cuối cùng là một mô hình khóa cửa tự động có khả năng nhận diện, xác thực người dùng và điều khiển khóa từ xa.

1.2. Nội Dung Nghiên Cứu Chính

Đề tài bao gồm 4 chương chính: Tổng quan về đề tài (20%), Nghiên cứu quy trình xử lý ảnh và công nghệ (30%), Thiết kế hệ thống xử lý ảnh (40%), và Kết quả thực nghiệm (10%). Nội dung chi tiết đề cập đến sinh trắc học, các loại xác thực hiện đại, lịch sử nhận diện khuôn mặt, và nguyên lý hoạt động của hệ thống. Dự án cũng trình bày chi tiết về phân vùng bộ nhớ ESP32, thu thập dữ liệu khuôn mặt, và thi công mô hình thực tế.

II. Công Nghệ Xử Lý Ảnh Và Nhận Diện Khuôn Mặt

Xử lý ảnh là nền tảng kỹ thuật để thực hiện nhận diện khuôn mặt trong hệ thống khóa cửa thông minh. Quá trình này bao gồm các bước cơ bản: chuyển đổi mức xám ảnh, áp dụng các bộ lọc, và trích xuất đặc trưng khuôn mặt. Công nghệ sinh trắc học giúp xác thực danh tính người dùng thông qua các dấu hiệu sinh học độc nhất như khuôn mặt, vân tay hay mống mắt. So với các loại xác thực sinh trắc học khác, nhận diện khuôn mặt mang lại tiện lợi cao nhất vì không cần thiết bị phụ trợ. Lịch sử nhận diện khuôn mặt cho thấy sự phát triển từ các thuật toán cơ bản đến công nghệ AI hiện đại. Nguyên lý hoạt động của hệ thống dựa trên việc so sánh dữ liệu khuôn mặt được lưu trữ với ảnh thực tế, đảm bảo xác thực chính xác và nhanh chóng.

2.1. Các Bước Cơ Bản Trong Xử Lý Ảnh

Xử lý ảnh tuân theo quy trình tiêu chuẩn: Thu nhập ảnh từ camera, chuyển đổi mức xám, áp dụng các bộ lọc để cải thiện chất lượng, và trích xuất đặc trưng. Mỗi bước đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn bị dữ liệu cho nhận diện khuôn mặt chính xác. Hệ thống xử lý ảnh trong đề tài sử dụng ESP32-CAM để thực hiện các tính toán này một cách tối ưu.

2.2. Ưu Và Nhược Điểm Sinh Trắc Học

Công nghệ sinh trắc học có ưu điểm là bảo mật cao, khó giả mạo, và dễ sử dụng. Tuy nhiên, nhược điểm bao gồm: chi phí triển khai cao, yêu cầu độ chính xác cao, và vấn đề bảo vệ dữ liệu. Nhận diện khuôn mặt vẫn là lựa chọn tối ưu cho hệ thống khóa cửa thông minh nhờ cân bằng giữa bảo mật và tiện lợi.

III. Thiết Kế Hệ Thống Khóa Cửa Tự Động

Thiết kế hệ thống khóa cửa thông minh bao gồm ba khối chính: khối xử lý trung tâm (ESP32-CAM), khối chấp hành (động cơ và khóa điện), và khối cảm biến (camera). Nguyên lý hoạt động của hệ thống là: camera chụp ảnh khuôn mặt → xử lý ảnh → so sánh với dữ liệu lưu trữ → điều khiển khóa cửa. Lấy địa chỉ IP và thiết lập Wifi là những bước quan trọng để hệ thống hoạt động kết nối. Quá trình Thu thập dữ liệu khuôn mặt được thực hiện thông qua phân vùng bộ nhớ ESP32, đảm bảo lưu trữ an toàn và hiệu quả. Thi công mô hình được tiến hành với các linh kiện công nghiệp, tạo ra một prototype hoạt động ổn định và đáng tin cậy.

3.1. Sơ Đồ Khối Và Các Thành Phần Chính

Hệ thống khóa cửa gồm khối xử lý trung tâm dùng ESP32-CAM, khối chấp hành với động cơ servo điều khiển khóa, và khối cảm biến là camera tích hợp. Các khối này được kết nối thông qua chuẩn giao tiếp SPI và UART. Thiết kế sơ đồ đảm bảo luồng dữ liệu hiệu quả từ cảm biến đến bộ xử lý và tới khối chấp hành.

3.2. Quy Trình Lưu Trữ Và Xác Thực Khuôn Mặt

Lưu trữ khuôn mặt được thực hiện bằng cách phân vùng bộ nhớ ESP32 cho phép lưu trữ đặc trưng khuôn mặt. Thu thập dữ liệu khuôn mặt từ người dùng được lặp lại multiple times để đảm bảo độ chính xác cao. Khi có yêu cầu mở cửa, hệ thống so sánh khuôn mặt hiện tại với dữ liệu lưu trữ, quyết định chấp nhận hay từ chối truy cập.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Hiệu Quả Hệ Thống

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống khóa cửa thông minh hoạt động hiệu quả với độ chính xác nhận diện trên 95%. Mô hình khóa cửa được thi công thành công và đã qua kiểm thử trong các điều kiện thực tế. Kết quả mô hình chứng minh rằng công nghệ nhận diện khuôn mặt kết hợp ESP32-CAM và xử lý ảnh là một giải pháp khả thi. Kết quả thực nghiệm bao gồm các bài test: khi chưa bật nhận diện khuôn mặt, khi bật nhận diện với người được phép, và khi bật nhận diện với người lạ. Hệ thống cho thấy tốc độ phản hồi nhanh (dưới 2 giây) và bảo mật đáp ứng yêu cầu. Những phát hiện này mở ra hướng phát triển mới cho các ứng dụng khóa cửa thông minh tại Việt Nam.

4.1. Kết Quả Độ Chính Xác Nhận Diện

Thực nghiệm trên 100 mẫu khuôn mặt khác nhau cho thấy độ chính xác nhận diện đạt 96.5% khi điều kiện ánh sáng tốt. Tốc độ xử lý trung bình là 1.5 giây, đáp ứng yêu cầu bảo mật thực tế. Hệ thống khóa cửa đã giảm lỗi nhận diện sai từ 15% xuống còn 3.5% sau khi tối ưu hóa quy trình xử lý ảnh.

4.2. Đánh Giá Hiệu Quả Và Khả Năng Ứng Dụng

Hệ thống khóa cửa thông minh đã chứng minh tính khả thi trong môi trường thực. Công nghệ nhận diện khuôn mặt có tiềm năng ứng dụng rộng rãi cho bảo mật tòa nhà, văn phòng, và cơ sở công nghiệp. Kết quả dự án tạo tiền đề cho các nghiên cứu tiếp theo về tự động hóa và kỹ thuật điều khiển trong Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Trong thời đại phát triển hiện nay, vấn đề bảo mật và an ninh là một vấn đề cực kỳ quang trọng và cấp thiết trong đời sống của chúng ta. Ta có thể thấy hàng loạt các công nghệ có liên quan và ảnh hưởng đến vấn đề này đang được thúc đẩy phát triển mạnh mẽ. Từ vấn đề an ninh của các cơ quan, trụ sở, văn phòng, cho đến việc đảm bảo an toàn cho các thiết bị, nhà cửa, công trình. Điển hình như muốn thiết lập hệ thống bảo vệ nhà cửa tránh sự xâm nhập của người lạ.

Hệ thống có thể là một ổ khóa thông minh cài đặt mật khẩu, kí tự hay là vân tay, khuôn mặt, giọng nói hoặc là tròm mắt,. thay cho trước đây người ta chủ yếu sử dụng các loại khóa cơ khí. Chúng ta không thể phủ nhận được rằng bộ khóa cơ thông thường có tác dụng ngăn cản hay kéo dài thời gian hành động của kẻ trộm. Khóa cơ rất dễ mở, đơn giản với hai thanh sắt dẹp, một thanh để xoay trục ổ khóa, một thanh để đẩy các chốt lò xo về vị trí mở.

Loại này gặp vấn đề lớn đó là tính bảo mật không được cao và dễ dàng bị phá bới các loại dụng cụ vô cùng đơn giản. Bên cạnh đó, vấn đề chìa khóa để mở cửa cũng gây ra rất nhiều vướng mắc cho chúng ta phải bận tâm như: Cất chìa khóa làm sao cho an toàn? Nếu mất chìa khóa, kẹt chìa thì phải làm sao? Lúc đó chúng ta lại phải thuê thợ sửa khóa đến, điều đó gây rất nhiều phiền phức cũng như tốn kém về thời gian cũng như tiền bạc của chúng ta. Ngày nay với sự phát triển vượt bậc của khoa học công nghệ thì việc đưa ra các giải pháp cho vấn đề trên là hoàn toàn có thể. Như đã nêu ở trên tính bảo mật và sự tiện ích sẽ được đặt lên hàng đầu thì một ổ khóa cửa thông minh để bảo vệ lối ra vào và phát hiện được người lạ xâm nhập là một điều vô cùng cần thiết.

Khóa cửa thông minh sẽ dần thay thế cho các loại khóa truyền thống, nó đang dần khẳng định vị thế của mình vì một số lý do: Công nghệ bảo mật cao, điều khiển từ xa qua ứng dụng điện thoại, mẫu mã thiết kế sang trọng, tự động khóa khi đóng cửa và khóa thông minh thường bền hơn so với khóa truyền thống. Trong đồ án này, em sẽ nói về hệ thống bảo vệ đóng mở cửa bằng phương pháp nhận diện khuôn mặt dựa trên công nghê sinh trắc học (Những thông tin sinh trắc 2 học của mỗi người thường là duy nhất chính vì vậy nó tạo ra sự bảo vệ cực kỳ an toàn cho ngôi nhà của người sử dụng). Cụ thể hơn đó là: Nghiên cứu, xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh bằng nhận diện khuôn mặt. Mục tiêu đề tài.

Với đồ án này là đi xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh bằng nhận diện khuôn mặt, cần xác định mục tiêu là vấn đề bảo mật cho lối ra vào của một địa điểm nhất định, cụ thể hơn là bộ khóa cửa cho một căng hộ. Yêu cầu đặt ra cho bộ khóa này gồm những tiêu chí sau: • Khả năng nhận dạng có độ chính xác cao. • Đáp ứng được tính an toàn và bảo mật • Cho phép người sử dụng lưu trữ khuôn mặt vào dữ liệu của hệ thống. • Tốc độ mở ổ khóa nhanh, chính xác.

• Sản phẩm có tính thẩm mỹ. • Thuận tiện cho người sử dụng. Nội dung nghiên cứu 1. Tổng quan về các loại khóa thông minh.

Trong thời điểm công nghệ tiên tiến phát triển, khóa cửa thông minh sẽ dẫn lối vào tiện nghi trong cuộc sống thường ngày của mỗi người. Khóa cửa thông minh có tác dụng thực hiện nhiệm vụ đóng, mở cửa khi nhận được lệnh mà không cần đùng đến chìa khóa cơ, sử dụng kết nối không dây với một khóa mã để thực hiện quá trình xác nhận hay là nhận dạng khuôn mặt để mở khóa cửa [3]. Những loại khóa đó có các ứng dụng rất thiết thực như: • Khóa cửa vân tay: Hệ thống khóa vân tay cho phép người dùng mã hóa trên thiết bị và chỉ khi có bàn tay đó đặt vào thì khóa cửa mới tự động được mở. • Khóa thẻ từ RFID: RFID viết tắt của Radio Frequency Identification là công nghệ nhận dạng đối tượng dựa trên những bước sóng vô tuyến.

Khóa thông minh sử dụng công 3 nghệ này có thể nhận dạng được danh tính của người ra vào qua một hệ thống tiếp nhận tín hiệu và xử lý tức thì. • Khóa mật mã: dùng mật mã để thay thế cho chìa khóa mở cửa. • Khóa nhận dạng khuôn mặt: Hệ thống nhận diện trực tiếp bằng khuôn mặt, cho phép mở cửa khi nhận dạng chính xác danh tính người sử dụng và được hiển thị hình ảnh trực tiếp trên màn hình ở bề mặt của khóa. Ưu và nhược điểm của các loại khóa thông minh Ưu điểm của các loại khóa thông minh.

• Tính tiện lợi, tính thẩm mỹ cao. • Thời gian đóng/ mở cửa nhanh chóng. • Tính an toàn, bảo mật cao • Kiểm soát chặt chẽ việc ra/ vào. • Tính tiện dụng, dễ sử dụng.

• Tính thẩm mỹ cao. Nhược điểm của các loại khóa thông minh. • Với khóa cửa mã số, mã khóa có thể dễ dàng bị tiết lộ hoặc bị phá mã. • Chi phí lắp đặt và bảo trì tương đối cao hơn so với khóa cửa thông thường.

• Với các hệ thống khóa cửa của các tòa nhà, trung tâm lớn, do khóa được vận hành trên hệ thống máy chủ tự động nên có thể tiềm tàng rủi ro máy chủ bị xâm nhập giúp các người khác có thể thực hiện được các hành vi xấu. • Để duy trì tính an toàn và bảo mật, khóa cửa thông minh cần liên tục được bảo trì và nâng cấp để chống lại xâm nhập. Bên cạnh đó để hoàn thành đồ án “Nghiên cứu xây dựng hệ thống khóa cửa thông minh bằng nhận diện khuôn mặt”. Sử dụng các kiến thức em đã được học trong các môn học như Vi xử lý, điện tử công suất và một số môn chuyên nghành khác để thực hiện các nội dung sau: • Tìm hiểu, tính toán thiết kế mạch cho phần cứng.

4 • Tìm hiểu về hệ thống khóa cửa thông minh trên thị trường. • Xử lý quá trình nhận diện khuôn mặt và lưu trữ khuôn mặt. • Xây dựng mô hình mẫu. • Kiểm tra, thử nghiệm và hiệu chỉnh phần cứng của thiết bị qua đó so sánh đánh giá tính thực tế của đồ án.

NGHIÊN CỨU QUY TRÌNH XỬ LÝ ẢNH VÀ CÔNG NGHỆ 2. Giới thiệu về vài khái niệm cơ bản trong xử lý ảnh. Điểm ảnh Gốc của ảnh (ảnh tự nhiên) là ảnh liên tục về không gian và độ sáng. Để xử lý bằng máy tính (số), ảnh cần phải được số hoá.

Số hoá ảnh là sự biến đổi gần đúng một ảnh liên tục thành một tập điểm phù hợp với ảnh thật về vị trí (không gian) và độ sáng (mức xám). Khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được thiết lập sao cho mắt người không phân biệt được ranh giới giữa chúng. Mỗi một điểm như vậy gọi là điểm ảnh (PEL: Picture Element) hay gọi tắt là Pixel. Trong khuôn khổ ảnh hai chiều, mỗi pixel ứng với cặp tọa độ (x, y) [ Điểm ảnh (Pixel) là một phần tử của ảnh số tại toạ độ (x, y) với độ xám hoặc màu nhất định.

Kích thước và khoảng cách giữa các điểm ảnh đó được chọn thích hợp sao cho mắt người cảm nhận sự liên tục về không gian và mức xám (hoặc màu) của ảnh số gần như ảnh thật. Mỗi phần tử trong ma trận được gọi là một phần tử ảnh. Điểm ảnh trong ảnh màu 2. 6 Về cơ bản thì độ phân giải là một thước đo được sử dụng để mô tả độ sắc nét và rõ ràng của một hình ảnh.

Và nó cũng được dùng như là một trong những thước đo để đánh giá chất lượng của các thiết bị điện tử như màn hình, máy in, máy ảnh kỹ thuật số cùng với nhiều công nghệ phần cứng và phần mềm khác. Sự khác biệt về độ phân giải Như ảnh trên chúng ta thấy rằng tuy cùng kích thước nhưng độ phân giải khác nhau, và độ phân giải càng thấp thì càng mờ. như ảnh một sẽ được hiểu là chiều rộng có 175 điểm ảnh xoa chiêu dai có 256 điểm ảnh. Tác dụng của độ phân giải Chúng ta không nên phủ nhận đi hoàn toàn tác dụng của độ phân giải, minh chứng là nó luôn là một trong những thông số đáng chú ý nhất mỗi khi mua thiết bị hay làm việc với hình ảnh.

Các nhà phát triển đã luôn chú trọng mảng về thông số này nên do đó, nó có một vài tác dụng sau: • Tăng độ sắc nét, giảm độ nhiễu của hình ảnh trên màn hình có kích thước nhỏ • Tác dụng khi in khổ lớn như in các tạo chí hay khi cần crop ảnh 2. Mức xám của ảnh. Mức xám của điểm ảnh là cường độ sáng của nó được gán bằng giá trị số tại điểm đó. 7 • Các thang giá trị mức xám thông thường: 16, 32, 64, 128, 256 (Mức 256 là mức phổ dụng, Lý do là từ kỹ thuật máy tính dùng 1 byte (8 bit) để biểu diễn mức xám Mức xám dùng 1 byte biểu diễn: 28 =256 mức, tức là từ 0 đến 255).

• Ảnh đen trắng: Là ảnh có hai màu đen, trắng (không chứa màu khác) với mức xám ở các điểm ảnh có thể khác nhau. • Ảnh nhị phân: Ảnh chỉ có 2 mức đen trắng phân biệt tức dùng 1 bit mô tả 21 mức khác nhau. Nói cách khác: mỗi điểm ảnh của ảnh nhị phân chỉ có thể là 0 hoặc 1. • Ảnh màu: Trong khuôn khổ lý thuyết ba màu (Red, Blue, Green) để tạo nên thế giới màu, khi đó các giá trị màu: 28*3=224≈ 16,7 triệu màu.3 Hệ màu RBG 2.

Các bước cơ bản trong xử lý ảnh Hình 2. Các bước cơ bản trong xử lý ảnh Sơ đồ này bao gồm các phần sau: 8 Phần thu nhận ảnh: Ảnh có thể nhận qua camera màu hoặc đen trắng). Camera thường dùng là loại quét dòng: ảnh tạo ra có dạng hai chiều. Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, vào môi trường (ánh sáng, phong cảnh, thời tiết).

Tiền xử lý: Sau bộ thu nhận, ảnh có thể nhiễu độ tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng.