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8寸7寸单目双目门禁动态人脸识别一体机平板金属外壳定制支架

发布日期:2019-07-07 14:42
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第五篇 一体化人脸门禁产品硬件

当前人脸门禁的主流产品是带屏幕的一体化人脸门禁产品,由于厂家众多、产品功能组件多样、产品性能指标差异较大,经常导致用户对人脸门禁产品的选择比较困难,也较难通过客观指标对人脸门禁进行设备评测。本章节把一体化人脸门禁的主要产品模块组成和主流技术方案进行对比分析,为产品制造商设计研发人脸门禁产品和用户选择人脸门禁产品提供技术规范参考。以下描述一体化门禁产品直接统称为门禁产品。

一体化门禁产品组成

一体化人脸门禁产品通常由摄像头模组、人体感应模块、补光模块、感应卡或键盘、主控板、显示屏、联动输出模块等组成。有些产品通过触摸屏取代键盘,或者直接省掉感应卡模块,均和产品设计定位相关。

图 一体化门禁产品组成

摄像头成像模组

摄像头成像模组是一体化人脸门禁产品的关键组件,关系着人脸识别成像的采集能力和适用范围。影响摄像头成像模组的主要技术参数是接口类型、感光范围、镜头数量等关键指标。

1.基本原理

摄像机成像原理图

摄像机组成

典型的摄像头模组由镜头、传感器、ISP模块、视频编码模块等组成。根据接口类型不同ISP或视频编码模块也可能集成在主控板上。

镜头。主要参数是焦距、光圈和景深。关于焦距、光圈和景深涉及较多光学内容,此处不再展开。

传感器sensor。决定了镜头的低照度和宽动态成像能力,决定着门禁设备是否在室外应用、室内应用等不同的适用范围。

数字信号处理ISP。影响图像白平衡、变形纠正以及对焦控制等多种功能。

图像编码。和摄像头模组的类型有关,USB和MIPI摄像头通常不进行视频压缩编码,网络摄像头涉及到视频压缩编码问题。

2.摄像头模组成像器件

人脸门禁整体上来看是高度集成化的产品,摄像头模组往往来源于电脑摄像头、手机摄像头或安防监控摄像头几种已有产品。根据摄像头的成像芯片来源不同,可以分为以下几种类型:

第一类:以电脑摄像头为主的室内成像摄像头模组

以笔记本电脑、台式机配套的桌面USB摄像头通常应用于桌面、前台等室内应用场景,被拍摄的人和设备之间的距离通常在1米以内,室内光线光亮稳定不存在较大变化,这种以电脑摄像头为主体的室内成像摄像头模组在人脸门禁中得到大量的应用。

以桌面电脑室内成像型摄像头模组的典型指标为:

人脸检测距离:1米以内;

人脸清晰度:以D1、720P或1080P为主;

宽动态光线适应能力:要求光线在人脸部均匀,不具备光线宽动态的适应能力。

低照度成像能力:适宜的成像照度为100-3000Lux,不具备低照度成像能力。

适用范围:室内门禁或者环境良好情况下的人脸检测和识别。

第二类:以手机摄像头为主的宽动态成像模组

随着智能手机的发展,大量智能手机摄像头模组的成像能力得到了较大的提升,主流手机摄像头相对桌面USB摄像头在成像质量有了质的变化。这些摄像头通常是以MIPI接口摄像头为主,也有少数仍以USB接口方式存在。

以手机摄像头模组为主的带有一定程度的宽动态模组的典型指标为:

人脸检测距离:0.5米-2米以内;

人脸清晰度:以720P或1080P为主;

宽动态光线适应能力:具有60db-80db的宽动态成像能力。

低照度成像能力:能进行弱光线的成像,适宜的成像照度为30-3000Lux,初级的低照度成像。

适用范围:有补光环境的室内或者楼层、单元门成像。

第三类:以安防监控摄像头芯片为主的低照度宽动态成像模组

安防摄像头通常以室外为主,而且要适应强光、夜晚弱光无光等多种场景,安防摄像头的专业级成像芯片已经具备较好的低照度宽动态成像能力。这类模组的典型指标为:

人脸检测距离:0.5米-5米;

人脸清晰度:以720P或1080P为主;

宽动态光线适应能力:具有80db-100db的宽动态成像能力。

低照度成像能力:能进行微光或弱光线的成像,适宜的成像照度为0.1-5000Lux。

适用范围:园区、社区的室外人脸识别,建筑室外出入口的人脸识别应用。

3.摄像头接口类型

摄像头模组的接口类型和摄像头的体积、应用范围有较大的关系。主要有以下接口类型

A.USB

常见的电脑摄像头通常大部分USB摄像头。USB摄像头是目前应用最广泛的摄像头模组,具有市场占有率高、兼容性好等特点。

通用串行总线(英语:Universal Serial Bus,缩写:USB)是连接计算机系统与外部设备的一种串口总线标准,也是一种输入输出接口的技术规范,被广泛地应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品,并扩展至摄影器材、数字电视(机顶盒)、游戏机等其它相关领域。最新一代是USB 3.1,传输速度为10Gbit/s,三段式电压5V/12V/20V,最大供电100W ,新型Type C插型不再分正反。

USB是一种常用的pc接口,他只有4根线,两根电源两根信号,故信号是串行传输的,usb接口也称为串行口。

一般的排列方式是:红白绿黑从左到右。

定义:

红色-USB电源:标有-VCC、Power、5V、5VSB字样

白色-USB数据线:(负)-DATA-、USBD-、PD-、USBDT-

绿色-USB数据线:(正)-DATA+、USBD+、PD+、USBDT+

黑色-地线:GND、Ground

USB 1.0是在1996年出现的,速度只有1.5Mb/s(位每秒);1998年升级为USB 1.1,速度也大大提升到12Mb/s,USB1.1是较为普遍的USB规范,其高速方式的传输速率为12Mbps,低速方式的传输速率为1.5Mbps(b是Bit的意思)。大部分MP3为此类接口类型。

USB2.0规范是由USB1.1规范演变而来的。它的传输速率达到了480Mbps,折算为MB为60MB/s,足以满足大多数外设的速率要求。USB 2.0中可以用USB 2.0的驱动程序驱动USB 1.1设备,像USB 线、插头等等附件也都可以直接使用。

USB 3.0由Intel、微软、惠普、德州仪器、NEC、ST-NXP等业界巨头组成的USB 3.0Promoter Group已经正式完成并公开发布。USB3.0的物理层采用8b/10b编码方式,理论速度也就4Gb/s,可广泛用于PC外围设备和消费电子产品。

B.MIPI

主流的智能手机摄像头是MIPI接口摄像头模组。MIPI摄像头常见于手机、平板中,支持500万像素以上高清分辨率。

MIPI(移动产业处理器接口)是Mobile Industry Processor Interface的缩写,是由MIPI联盟制定的移动设备接口规范。MIPI联盟是一个开放的会员制组织。2003年7月,由美国德州仪器(TI)、意法半导体(ST)、英国ARM和芬兰诺基亚(Nokia)4家公司共同成立。MIPI联盟旨在推进手机应用处理器接口的标准化。目前比较成熟的MIPI协议接口应用有DSI(显示接口)和CSI(摄像头接口)。MIPI是差分串口传输,速度快,抗干扰。主流手机模组用MIPI传输,传输时使用4对差分信号传输图像数据和一对差分时钟信号。

MIPI-CSI接口通常从COMS Sensor,Video Encoder和其它视频输出设备收集数据。

Camera Serial Interface,相机串行接口。CSI接口与DSI接口同属一门,都是MIPI(移动产业处理器接口联盟)制定的一种接口规范。分为如下协议:

CSI-1:CSI-1是相机最初的标准MIPI接口。它作为一种架构来定义相机和主处理器之间的接口。其继任者是MIPI CSI-2和MIPI CSI-3,两个标准仍在不断发展。

CSI-2:MIPI CSI-2 v1.0规范于2005年发布。它使用D-PHY或C-PHY(这两个标准均由MIPI联盟设定)作为物理层选项。该协议分为以下几个层次:

物理层(C-PHY/D-PHY)

车道合并层。

低层协议层。

像素到字节转换层

应用程序层

CSI-3:MIPI CSI-3是一种高速双向协议,主要用于多层对等基于UniPro的M-PHY设备网络中摄像机和主机之间的图像和视频传输。它最初于2012年发布,并于2014年在1.1版本中重新发布。

出于EMI的原因,系统设计人员可以在每种M-PHY速度级别中选择两种不同的时钟速率(a和b)。M-PHY速度时钟频率比特率齿轮1G1A 1.25Gbits/sG1B 1.49Gbits/s齿轮2G2A 2.5Gbits/sG2B 2.9Gbits/s齿轮3G3A 5Gbits/s,G3B 5.8Gbits/s。

MIPI接口摄像头模组

C.RJ45网络接口

当前主流的安防监控用的摄像头大多数为网络接口摄像头。

网络摄像头模组通常是指采用以海思为代表的SOC方案,将视频采集、视频编码压缩、视频传输等调试集成到一体的摄像头模块。网络摄像头模组在安防领域应用非常广泛。

D.其它接口

摄像头模组还涉及LVDS、并行信号、模拟信号传输等多种接口方式,在人脸门禁中较少使用。

4.成像镜头数量

A,单目型

指单个摄像头进行视频采集和人脸检测。单目摄像头是当前数量最大的摄像头模组类型。

单目型镜头

B.可见光和近红外双目型

指采用双传感器进行视频采集,其中一个传感器为可见光传感器,用于采集人脸信息和比对成像;另一个传感器为近红外传感器,用于进行人脸的活体检测等功能。

可见光和近红外双目型镜头

C.双可见光双目型

双目成像(Stereo System):利用双摄像头拍摄物体,再通过三角形原理计算物体距离。指用两个可见光传感器用于摄像头成像,两个传感器和镜头均采用可见光,通过双目三维测量等方法进行人脸的活体检测。双目测距成像因为效率低、算法难、精度差、容易受到环境因素干扰。由两个单目相机组成(两个相机之间的距离叫“基线”是已知的),通过这个基线来估计每个像素的空间位置来测量物体与我们之间的距离,克服单目相机无法知道距离的缺点。双目相机测量到的深度范围和基线有关,基线距离越大,能够测量到的就越远。

双目立体视觉中间点三维重建

优点:可用于室内也可用于室外。

缺点:配置与标定较为复杂,其深度和精度受双目的基线或者分辨率所限,并且视差的计算非常消耗计算机资源,在现有的条件下,计算量是双目的主要问题之一。

D.双目结构光型

结构光(Structured Light):结构光投射特定的光信息到物体表面后,由摄像头采集。根据物体造成的光信号的变化来计算物体的位置和深度等信息,进而复原整个三维空间。

Astra 3D传感器(来源于雷锋网)

总结:通过对摄像头模组的成像器件、接口类型、镜头数量等进行分析,当前主流的摄像头可以分为以下三种类别:

人体感应模块

当人脸门禁在弱光或无光环境使用时,通常需要人体感应模块来探测是否有人靠近,然后实时启动补光模块进行补光和人脸识别。补充的技术典型有以下几种:

1.近红外人体感应器

人体感应类开关又叫热释人体感应开关或红外智能开关。它是基于红外线技术的自动控制产品,当人进入感应范围时,专用传感器探测到人体红外光谱的变化,自动接通负载,人不离开感应范围,将持续接通;人离开后,延时自动关闭负载。这样的感应器广泛应用于入侵报警系统中用于探测人员活动。

红外探测器

2.热释电红外传感器

人体辐射的红外线中心波长为9~10um,而探测元件的波长灵敏度在0.2~20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口,这个滤光片可通过光的波长范围为7~10um,正好适合于人体红外辐射的探测,而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收,这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。

热释电红外传感器

优点:本身不发任何类型的辐射,器件功耗很小,隐蔽性好。价格低廉。

缺点:容易受各种热源、光源干扰;被动红外穿透力差,人体的红外辐射容易被遮挡,不易被探头接收;环境温度和人体温度接近时,探测和灵敏度明显下降,有时造成短时失灵。

3.微波雷达

雷达微波对移动物体的探测具有较高的灵敏度,感应范围内即使微小的动作也能被感应器及时捕捉,如抬起或放下手臂、转身、弯腰等。微波感应能穿透玻璃和薄木门及小于10cm的墙体。不受环境、温度、灰尘等影响。微波感应没有方向性的差异,任何方向的运动均能被有效感应。

微波感应模块具有抗射频干扰能力强、不受温度、湿度、光线、气流、尘埃影响等优势。

微波雷达

总结:近红外、热释电和微波雷达进行人体探测各有优缺点,近红外和热释电灵敏度高成本低廉但是容易受到室外光的干扰,微波雷达体积小探测范围远但是功耗校对较大。综合来看微波雷达是比较成熟可靠的人体感应方案。

补光模块

当前采用的人脸识别补光模块通常使用高亮度的LED灯进行补光。LED补光灯已经是非常成熟的技术,是一种能够将电能转化为可见光的固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。LED补光模块的成熟度比较高差异也比较小,选择合适功率的补光模块即可。

发光二极管

主控板

主控板是人脸门禁计算的核心模块,通常的主控板CPU有以下几种计算类型:

FPGA架构

专用加速芯片架构

X86架构

Arm架构

1.Arm主控

目前人脸门禁的主流主控芯片是以Arm为内核的各类嵌入式智能硬件设备芯片,主要芯片方案有瑞星微、全志、联发科、高通等多个厂商。由于厂商芯片种类繁多,对主控芯片按照芯片基于ARM架构的CPU指令集不同来进行划分,以利于对不同硬件进行性能的对比。

A.超低功耗、超低性能:嵌入式内核

采用Arm Cortex-M系列MCU,超低功耗、超长待机,适用于智能锁、智能猫眼等产品方案。嵌入式内核的CPU处理能力通常在数M或数十M FLOPS左右,性能较低,往往只适用于功耗和性能非常有限的视觉计算。ARM Cortex-M架构,依照市场需求区隔成M0至M4与M7的等级,Cortex-M0主打初阶8/16位应用,Cortex-M3主打中阶的16/32位应用,Cortex-M4主打高阶32位与DSC(数字信号控制)应用,而Cortex-M7则主打旗舰级的高阶自动化生产与IoT应用。

超低功耗、超低性能的嵌入式内核,在人脸识别领域一般仅支持30万-100万像素的人脸比对,人脸库容量要求100人以内,而且要求人脸要高度配合。属于标准理想人脸识别的应用状态。人脸识别算法通常是传统模型并非深度学习的模型。

B.低功耗、低性能:A7、A9内核

ARM Cortex-A7 MPCore处理器是 ARM 迄今为止开发的最有效的应用处理器,它显著扩展了 ARM 在未来入门级智能手机、平板电脑以及其他高级移动设备方面的低功耗领先地位。Cortex-A7 处理器是一种由ARM公司推出的基于ARMv7-A架构的高能效处理器,从2012年地开始被广泛用于低成本、全功能入门级智能手机。

该处理器与为其他Cortex-A系列处理器开发的程序完全兼容,并借鉴了高性能Cortex-A15处理器的设计,采用了包括虚拟化、大物理地址扩展 (LPAE) NEON 高级 SIMD 和 AMBA 4 ACE 一致性等全新技术。并着重考虑了性能与功耗间的平衡。采用了28nm工艺的单个Cortex-A7 处理器的能源效率是65nm工艺下的ARM Cortex-A8 处理器(被用于2010-2012年间的许多流行智能手机)的5倍,性能提升50%,而尺寸仅为后者的五分之一。

Arm Cortex-A系列的低端CPU,A7、A9系列,通常提供单内核数十M FLOPS的算力,可用于深度学习模型经过大幅度优化的人脸算法,在小规模人脸库进行比对应用。A7、A9架构的芯片数量最多、应用广泛,但受限于芯片性能问题,往往无法实现复杂的算法计算,可用于完全配合型的人脸比对应用场景。

适用的深度学习模型如Resnet 18等低层的深度学习模型,适用人脸库容量通常在1000人以下。

C.中等性能:A12、A17和A53、A57内核

基于arm Cortex-A系列的中端CPU,如32位的A12、A17或者64位的A53、A57,单内核可完成数百MFLOPS的计算性能,多核心并行可实现接近G FLOPS的处理能力,能够运行一些中等规模的深度学习模型如Resnet 34、Resnet 50,可应用于5000甚至10000人脸库的配合型人脸比对分析等。

Cortex-A17 MPCore处理器是目前Cortex-A系列中性能最高的处理器。Cortex-A17微架构和Cortex-A12完全相同,但是在Cortex-A12架构基础上改进了外部互联,引入了新的一致性总线AMBA4 ACE(原来是AMBA4 AXI),可以更快速地连接内存控制器,从而改善性能和能效。

而得益于这个新的总线,Cortex-A17 可以支持多核心 SoC 的完整内存一致性操作,能够参与 big.LITTLE 双架构混合方案,比如两个Cortex-A17搭配两个Cortex-A7。Cortex-A17将肩负起Cortex-A9下一代的重任,相比 Cortex-A9,Cortex-A17性能提升最多60%。

典型芯片如RK3288、MT6595等,典型设备如树莓派,Raspberry Pi Broadcom CM2708 ARM11 @1 GHz(OC): 316.56 MFLOPS。

D.高性能:A72、A73和A53、A57的混合结构内核

A72、A73是arm的高性能处理器,通过与A53、A57的大小核架构搭配,可实现高性能和低功耗的良好结合。Cortex-A73采用全尺寸ARMv8-A架构,最高可以达到2.8GHz主频,可以使用10nm、14/16nm工艺,而根据ARM官方介绍,当A73使用10nm工艺时,对比上代16nm工艺的A72,性能有30%的提升,并且对AR/VR都有更好的优化。A73是采用ARMv8-A架构中核心最小的处理器,每核心面积在0.65mm,并且继续支持big.LITTLE架构。

A72、A73处理器提供了单核超G FLOPS的浮点处理能力,接近于x86CPU的性能,可用于服务器级别的ARM设备中。

典型的A73芯片如瑞星微RK3399、高通枭龙835等。这类CPU以及结合GPU能够运行Resnet50、Resnet101等深度学习模型,可用于数万人脸库比对及高性能的人脸检测等。

2.专用加速芯片主控

A.嵌入式GPU芯片

深度学习的芯片领导厂商英伟达推出了专门面向设备计算的嵌入式开发模块Jetson TK1、TK2、TX1、TK2等模块。以最新的TX2为例,典型性能达到1.5TFPLOPS。

TX2由TX1的Tegra X1升级至Tegra Parker处理器,该处理器由16nm工艺制造,6核心设计,CPU部分由2个丹佛+4个A57核心共同组成,GPU则采用Pascal架构,拥有256个CUDA,浮点性能为1.5TeraFLOPS,相比老款Tegra X1的 GPU性能提高约50%。

GPU专用芯片的优势是性能强劲、软件兼容性好,劣势是成本高、发热量大、在嵌入式市场占有率太低。

B.Intel专用加速芯片

Intel收购的神经网络加速芯片公司Movidius,推出了一种称为神经计算引擎(Neural Compute Engine)的功能,这是一种集成在芯片上的DNN加速器。Movidius称,有了它,Myriad X的DNN推理吞吐量能达到每秒超过一万亿次运算(TOPS),而理论运算量能达到4+ TOPS。

Movidius Myriad X VPU视觉处理单元,这是配备专用神经网络计算引擎的片上系统芯片(SoC),可用于加速端的深度学习推理,比如无人机、机器人、智能摄像头、虚拟现实等产品。Myriad X是芯片上集成的硬件模块,面向专为高速、低功耗、不牺牲精确度地运行基于深度学习的神经网络,让设备能够实时地看到、理解和响应周围环境,可提供1TFlops(每秒万亿次)的计算性能,总体性能可以超过4TFlops。该芯片的尺寸也非常迷你,长宽只有8.8×8.1毫米,而且功耗不到1W,采用台积电16nm FFC工艺制造。

Movidius MA2485

Movidius芯片的优势是成本低、性能强劲、功耗低,但是它的开发环境复杂、软件兼容性差以及产品化程度差。目前有部分厂商使用这类芯片做人脸门禁的开发。

C.海思NPU方案

国内视频成像芯片的主导厂商海思在2017年发布了当前业界最强的视觉智能处理芯片3559A,这是全球旗舰性能的SOC芯片。采用12nm超低功耗工艺;支持多核多CPU;支持3200万像素30帧编码;有独立的DSP和GPU,支持OpenGL和OpenCL,可以做很多现在PC才能做的工作;带双核NNIE 神经网络计算引擎,支持深度学习算法,算力达到惊人的4T(远超NVIDIA的TX1);支持多sensor输入(最多8个),并支持运行拼接算法;支持Professional 4KP30 raw video output等。

作为人脸门禁产品来看,海思芯片主要优势是性能强劲、稳定性好,但是也存在成本太高、定制开发难度大、软件兼容性低等局限。

3.X86 CPU主控

X86主控是指采用基于x86指令的CPU研发的人脸识别门禁设备,x86CPU的优势是软件兼容性好,缺点是成本高、设备体积大、产品稳定性一般,所以现在人脸门禁设备越来越少采用x86架构。

适用于人脸门禁的x86处理器通常为:低功耗赛扬、ATOM系列处理器、低功耗笔记本CPU。

赛扬处理器、ATOM处理器和低功耗笔记本CPU是CPU领导厂商INTEL为了进军嵌入式和移动计算市场所研发的低功耗高性能处理器。赛扬处理器是Intel旗下的「经济型」产品, 于1998年推出。其定位是低端,比奔腾低一级。Intel Atom(官方中文译名英特尔凌动处理器,开发代号Silverthorne)是Intel的一个超低电压处理器系列。该处理器的市场定位是在于智能手机、平板电脑和低成本PC。

后来由于INTEL放弃嵌入式和移动CPU处理器芯片领域,这两个处理器的产品线基本上不再更新。部分人脸门禁产品为了软件兼容性好采用了这类处理器方案。

低功耗赛扬、ATOM系列处理器的浮点运算能力在0.1-0.5TFLOPS左右。

低功耗笔记本系列CPU处理器的浮点性能在0.2-0.6TFLOPS左右。

4.FPGA主控

利用FPGA大规格可编程逻辑进行人脸识别的运算处理是比较早期的一种技术方案,由于FPGA产品体积大、开发困难等原因,当前在人脸门禁一体化设备中较少采用这种方案。

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA芯片的内部结构

FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主,以硬件描述语言来实现;相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别,也造成了FPGA开发入门较难。FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。

总结:

主控板是人脸门禁机的计算核心,目前是ARM架构的主控板占据主流产品市场。根据主控板的计算性能,将人脸门禁设备可划分为:

消费级人脸门禁设备:人脸库1000人以下,适合单个房间或者中小型企业的人脸门禁管理。合适的CPU涉及:ARM的A7、A9等。

企业级人脸门禁设备:人脸库10000人以下,适合单个建筑或企业的人脸门禁管理。适合的CPU涉及:arm的A12、A17、A53、A57以及Intel的赛杨或atom系列芯片等。

行业级人脸门禁设备:人脸库容量50000人以下,适合大型园区的人脸比对管理。适合的CPU涉及:arm的A72、A73以及专用的芯片加速硬件如Movidius、海思NPU等。

显示屏

1.规格尺寸

人脸门禁的屏幕尺寸参考手机屏幕和平板电脑屏幕,从3.7寸到10英寸多种类型。

2.接口类型

A.TTL(RGB)接口

SoC的引脚电平标准都是属于TTL电平,+5V表示逻辑,0V表示逻辑0,这就是TTL电平。对于SoC中内置的LCD控制器而言,他的接口输出也是TTL电平,我们把这种接口叫做TTL接口(也叫做RGB接口)。如果LCD的硬件接口也是TTL接口,那么可以直接对接(一般是通过软排线连接),但是一个很现实的原因,TTL电平有很大的缺陷,例如:不能传递太远,抗干扰能力差。

很多的LCD的硬件接口并不是TTL接口,而是采用了其他的接口。为了能够进行匹配,我们的主板这边的接口应该要和LCD的硬件接口必须要相对应,所以我们应该把LCD控制器输出的TTL接口的信号通过IC芯片进行转换,把它变成LCD的硬件接口相对应的接口信号,使他们顺利完成通信。

TTL接口

B.LVDS接口

LVDS,即Low Voltage Differential Signaling,是一种低压差分信号技术接口。由于采用低压和低电流驱动方式,因此,实现了低噪声和低功耗。在液晶显示器中,LVDS接口电路包括两部分,即主板侧的LVDS输出接口电路(LVDS发送端)和液晶皮肤侧的LVDS输入接口电路(LVDS接收器)。LVDS发送端将TTL信号转换成LVDS信号,然后通过驱动板与液晶皮肤之间的柔性电缆(排线)将信号传送到液晶皮肤侧的LVDS接收端的LVDS解码IC中,LVDS接收器再将串行信号转换为TTL电平的并行信号,送往液晶屏时序控制与行列驱动电路。也就是其实TFT只识别TTL(RGB)信号。

LVDS接口

显示的是单信道8位数据模式:有5组差分线,4组信号线,一组时钟线。分别是Y0M、Y0P、Y1M、Y1P、Y2M、Y2P、CLKOUT_M、CLKOUT_P。

C.eDP接口

EDP(Embedded DisplayPort)一种基于Display Port架构和协议的全数字化接口,可以用简单的连接器和较少的引脚来传递高分辨率信号,且传输速率高于LVDS。

eDP接口

EDP接口信号由Main Link、AUXCH、HPD等组成,相比LVDS,可以提供更高清的传输能力。

D.MIPI接口

MIPI (Mobile Industry Processor Interface) 是2003年由ARM, Nokia, ST ,TI等公司成立的一个联盟,目的是把手机内部的接口如摄像头、显示屏接口、射频/基带接口等标准化,从而减少手机设计的复杂程度和增加设计灵活性。MIPI联盟下面有不同的WorkGroup,分别定义了一系列的手机内部接口标准,比如摄像头接口CSI、显示接口DSI、射频接口DigRF、麦克风/喇叭接口SLIMbus等。统一接口标准的好处是手机厂商根据需要可以从市面上灵活选择不同的芯片和模组,更改设计和功能时更加快捷方便。MIPI是一个比较新的标准,其规范也在不断修改和改进,目前比较成熟的接口应用有DSI(显示接口)和CSI(摄像头接口)。CSI/DSI分别是指其承载的是针对Camera或Display应用(例如LCD显示),都有复杂的协议结构。

MIPI接口

E.几种接口类型的对比小结

液晶显示屏的几种接口对比如下表所示:

联动输出模块

1.门禁设备的典型接线图

A.传统IC卡门禁的接线图

传统IC卡门禁的接线图

B.人脸识别门禁的接线图

在人脸门禁设备与传统设备对接时,直接将人脸识别门禁兼容485或韦根协议,作为传统设备的一个读卡器进行连接,或者人脸门禁直接连接开关量,控制门禁主板进行设备的开关。

2.开关量

开关量输出是指数字量输出,输出0或1,用于控制外部信号灯、继电器等开关信号。 开关量是指非连续性信号的采集和输出,包括遥信采集和遥控输出。它有1和0两种状态,这是数字电路中的开关性质,而电力上是指电路的开和关或者说是触点的接通和断开。“开”和“关”是电器最基本、最典型的功能。一般开关量装置通过内部继电器实现开关量的输出。开关量输出通道是指为了防止外电路的干扰,往往微成隔离型通道,即DO通道与主机间无直接电连接。由于DO一般用来直接驱动或通过继电器来带动电气设备,了解它的驱动能力很重要。有的数字调节器的DO通道是直接由光隔离或小功率开关电路引出,它的驱动能力不大于20mA。这时要带动一个电气设备(如电动机的交流接触器、电动阀门的单相电动机、电加热器等),必须通过中间继电器。

3.RS485/232

RS485是现场总线使用最广泛的协议之一。在门禁领域主要用于多级设备互联和与上位机通讯。

在要求通信距 离为几十米到上千米时,广泛采用RS-485串行总线标准。RS-485采用平衡发送和差分接收,因此具有抑制共模干扰的能力。

典型的串行通标准是RS232和RS485,它们定义了电压,阻抗等,但不对软件协议给予定义,区别于RS232, RS485的特性包括:

RS-485的电气特性:逻辑“1”以两线间的电压差为+(2—6)V表示;逻辑“0”以两线间的电压差为-(2—6)V表示。接口信号电平比RS-232-C降低了,就不易损坏接口电路的芯片, 且该电平与TTL电平兼容,可方便与TTL 电路连接。

RS-485的数据最高传输速率为10Mbps 。

RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合,抗共模干扰能力增强,即抗噪声干扰性好。

RS-485接口的最大传输距离标准值为4000英尺(约1219米),实际上可达 3000米,另外RS-232-C接口在总线上只允许连接1个收发器,即单站能力。而RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。

4.韦根协议

Wiegand是一种数据传输协议,中文被翻译为“韦根”或者“维根”,它是由美国安全工业协会SIA(Security Industry Association)规定的读写接口控制协议。在门禁和一卡通系统中,韦根码作为一种读卡设备与上位机之间的通信介质,其应用领域非常广泛。根据美国安全工业协会颁布的《以26位维根码读卡器为界面的门禁控制标准草案》,26位维根码长度为26位。

韦根传感器是由一根双稳态磁敏感功能合金丝和缠绕其外的感应线圈组成的。它的工作原理是:在交变磁场中,当平行于敏感丝的某极性(例如n极)磁场达到触发磁感应强度时,敏感丝中的磁畴受到激励会发生运动,磁化方向瞬间转向同一方向,同时在敏感丝周围空间磁场也发生瞬间变化,由此在感应线圈中感生出一个电脉冲。此后若该磁场减弱,敏感丝磁化方向将保持稳定不变,感应线圈也无电脉冲输出;但当相反极性(s极)磁场增强触发磁感应强度时,敏感丝磁化方向又瞬间发生翻转,并在感应线圈中感生出一个方向相反的电脉冲。如此反复,韦根传感器便将交变磁场的磁信号转换成交变电信号。

Wiegand接口界面由三条导线组成:

数据0(Data 0):暂定蓝色,通常为绿色。

数据1(Data 1):暂定白色,通常为白色。

GND:暂定信号地,通常为黑色。

这3条线负责传输Wiegand信号。D0、D1在没有数据输出时都保持+5V高电平。若输出为0,则D0拉低一段时间,若输出为1,则D1拉低一段时间。如下图所示:

韦根信号传输原理

上图显示的是读卡器将数字信号以bit的方式发给门禁控制器的一个时序图。这个时序图的Wiegand指导方针是遵照SIA 门禁控制标准协议,这个协议是针对26bit的Wiegand读卡器(一个脉冲时间在20us至100us之间,脉冲的跳变时间在200us至20ms之间)。Data1和Data0信号是高电平(大于Voh),直到读卡器准备发一个数据流过来。读卡器发出的是异步的低电平的脉冲(小于Vol),通过Data1 或者Data0 线把数据流传送给门禁控制盒(如图一的锯齿波)。Data1和Data0脉冲不会交叠,也不会同步发生。

5.以太网有线和WIFI

越来越多的门禁主机采用以太网TCP/IP协议进行设备间通讯,这样的联网型门禁设备可以通过对接网络协议的方式进行对接开发。

有线以太网通过RJ45网线进行连接,WIFI网络是成熟稳定的协议,以近距离无线方式进行连接。

6.蓝牙

在近场通讯时,蓝牙也是较常用的连接协议。蓝牙( Bluetooth® ):是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,当时是作为RS232数据线的替代方案。

蓝牙2.0的速度:1.8M/s,蓝牙3.0的速度:可达24M/s,蓝牙4.0的速度:24M/s,覆盖范围可超过100m。

蓝牙2.0的标准是基于1.2进行改进和研发的 ,相较于1.2来说,蓝牙2.0的传输速度有极大幅度的提高,约为1.8M/s~2.1M/s,同时,2.0开始支持双工模式,即可以同时支持语音通话和数据传输,其中数据传输支持文档和图片。

蓝牙3.0于2007年正式公布,3.0采用了全新的交替射频技术Generic Alternate MAC/PHY"(AMP)。3.0极大地提高了传输速度,能够达到24Mbps,在需要的时候甚至能够调用802.11 WI-FI并实现高速数据传输的强大功能。由于3.0的传输速度提高了八倍以上,配备蓝牙3.0的设备之间能够进行很多视频、高清图片等大容量的文件传输。

蓝牙4.0标准在2010年7月发布,4.0最大的亮点是低功耗,且加强了兼容性,降低了延迟,但理论最高传输速度依然没有改变,还是24Mbps,不过,蓝牙4.0能够覆盖超过100米的范围,远远高于过去仅仅只能覆盖10米时的标准,这一点是极大的改变。

总结:人脸门禁与门禁主控板、电磁锁的联动,可以支持开关量、485、以太网、韦根协议以及蓝牙等多种形式。目前485、韦根协议、以太网是主流的协议,未来蓝牙等也有非常大的发展潜力。

本篇总结:

一体化人脸门禁产品是当前人脸门禁的主流产品,产品部件众多、组合方式多样、适用范围差异较大。客观来看,所有产品功能设计的组合是为了用户的需求和场景的细分,所以提出了以用户使用场景来划分一体化人脸门禁产品,形成了三种场景分类、三种比对设备级别的细分。

三种场景分类为:第一类,室内标准配合场景;第二类,楼道出入口半配合场景;第三类,园区或建筑出入口自然通行场景。

三种比对设备级别为:第三级,消费级,适用于1000人脸库以内的配合型比对;第四级,企业级,适用于10000人脸库以内的半配合型比对;第五级,行业级,适用于50000人脸库以内的自然通行比对。其它分级如第一级学术级、第二级娱乐级和第六级金融级属于应用数量较少的种类,不再详细阐述。

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