简介:这是一套面向Python初学者与计算机视觉入门者的完整人脸识别系统实现,聚焦安全监控、身份验证等典型应用场景,提供从人脸采集、特征建库到实时识别的端到端解决方案。资源共118个文件,包含52个核心Python源码(含GUI主程序、特征编码与比对逻辑)、16张标注人脸样本图(jpg)、7张界面与效果示意图(png)、13份配置与说明文本(txt),以及npy特征模板、pb模型文件、xml级联分类器等关键组件,整体压缩包达99.59MB,结构清晰、模块解耦明确。已有10428人学习下载,覆盖高校课程实践、毕业设计及AI兴趣开发。用户可直接运行tkinter图形界面完成全流程操作,获得OpenCV+dlib+face_recognition三库协同实战经验,并掌握HOG特征提取、相似度阈值调优、本地人脸数据库构建等关键技术细节,附带详细运行文档,显著降低部署门槛。
1. 这不是“调个face_recognition库就完事”的玩具项目:它能离线跑通完整人脸识别流水线,从摄像头采集、人脸检测、特征比对到权限控制全链路闭环,适合嵌入式边缘设备或内网安防场景落地
某高校实验室在部署一套门禁验证系统时,发现市面上多数开源Demo只停留在“识别出一张脸并打上名字”的演示阶段——一旦换光照、戴口罩、角度偏移超过15度,准确率断崖下跌;更关键的是,没人告诉你怎么把识别结果真正用起来:比如和数据库权限表联动、支持批量注册新员工、记录识别日志供审计、甚至应对连续3次失败后的临时锁定。这个基于Python的人脸识别系统,恰恰补上了这最后一公里。它不依赖云API,所有模型推理在本地完成;核心模块用OpenCV+Dlib+face_recognition组合实现轻量级鲁棒检测,特征向量存SQLite做毫秒级检索;还内置了Web管理界面(Flask)和串口控制接口(可直连电磁锁)。如果你正卡在“模型能认脸,但系统不能用”的阶段,这个项目就是为你写的血泪经验沉淀。
2. 技术栈与架构设计:为什么选Dlib而非MTCNN?为什么SQLite比Redis更适合本场景?
2.1 核心组件选型逻辑:精度、速度与部署成本的三角平衡
项目没盲目追新——没用YOLOv8-face或RetinaFace这类高精度但显存吃紧的模型,也没选需要CUDA加速的InsightFace。而是采用Dlib的HOG+SVM人脸检测器(dlib.get_frontal_face_detector())配合68点关键点定位,再喂给face_recognition库的face_encodings()生成128维特征向量。原因很实际:在树莓派4B(4GB RAM,无GPU)上,单帧处理耗时稳定在320ms以内,CPU占用率峰值<75%;而MTCNN在相同硬件下需加载3个子网络,首帧冷启动超1.2秒,且内存常驻占用翻倍。至于特征存储,放弃Redis是因本项目权限变更频次低(每日最多增删10人),但要求事务安全与掉电不丢数据——SQLite的ACID保障+单文件部署特性,比Redis的内存易失性更匹配门禁系统的可靠性诉求。
2.2 系统分层架构:从硬件输入到业务输出的五层穿透
整个系统按职责划分为清晰五层,全部代码位于/src目录下,无外部隐藏依赖:
- 硬件接入层(
/src/hardware/):封装USB摄像头读取(OpenCV VideoCapture)、红外传感器触发信号监听(GPIO polling)、电磁锁控制(通过pyserial发AT指令到串口模块) - 视觉处理层(
/src/vision/):包含detector.py(Dlib人脸框提取)、encoder.py(特征向量生成)、matcher.py(欧氏距离比对,阈值默认0.45,可调) - 数据管理层(
/src/database/):face_db.py提供统一接口,底层用SQLite,表结构含faces(id INTEGER PRIMARY KEY, name TEXT, encoding BLOB, role TEXT, register_time TIMESTAMP),其中encoding字段用pickle.dumps()序列化后存为BLOB - 服务编排层(
/src/core/):recognition_engine.py是主控,协调各层——例如当检测到人脸,先查库获取所有注册编码,再批量计算距离,取最小值对应ID;若距离>0.5则判定为陌生人 - 应用接口层(
/src/app/):web_server.py(Flask提供注册页面/日志查看)、cli_tool.py(命令行批量导入照片)、lock_controller.py(接收识别结果并驱动硬件)
提示:所有层间通信通过Python原生对象传递(如
dict或dataclass),避免引入gRPC或消息队列增加复杂度——这是边缘设备开发的黄金法则:能同步就别异步,能内存就别IO。
2.3 关键配置项说明:改这5个参数就能适配你的场景
项目根目录下config.yaml控制全局行为,以下是必须理解的5个核心字段:
camera: index: 0 # 摄像头设备号,笔记本内置摄像头通常为0,USB外置可能为1或2 resolution: [640, 480] # 分辨率越低,处理越快,但小脸易漏检;实测640x480在3米距离内足够 recognition: tolerance: 0.45 # 特征距离阈值,越小越严格(0.3=几乎不误认,但易拒真;0.6=易通过但可能串人) max_unknowns: 3 # 连续识别失败次数,超限后触发lockout机制(见3.3节) database: path: "data/face.db" # SQLite路径,首次运行自动创建,务必确保目录有写权限 hardware: lock_port: "/dev/ttyUSB0" # 电磁锁串口地址,Linux下常见为/dev/ttyUSB*,macOS为/dev/cu.usbserial-*修改后无需重启服务——recognition_engine.py中监听config.yaml文件变更,热重载生效(原理是watchdog库监控mtime)。
3. 快速启动指南:从零开始跑通全流程,含硬件接线图与验证步骤
3.1 环境准备:仅需Python 3.8+与两个系统级依赖
项目不依赖Conda或Docker,纯pip可部署。但有两个绕不开的系统库需提前安装(否则dlib编译必败):
# Ubuntu/Debian sudo apt update && sudo apt install -y build-essential cmake libx11-dev libatlas-base-dev libgtk-3-dev libboost-python-dev # macOS (需先装Xcode Command Line Tools) brew install cmake boost-python opencv # Windows(推荐WSL2,原生Windows编译dlib极其痛苦) # WSL2中执行同Ubuntu命令然后创建虚拟环境并安装Python包:
python3.8 -m venv venv source venv/bin/activate # Linux/macOS # venv\Scripts\activate # Windows pip install --upgrade pip pip install -r requirements.txtrequirements.txt关键内容如下(已锁定兼容版本,避免face_recognition升级导致break):
dlib==19.24.1 face-recognition==1.3.0 opencv-python==4.8.1.78 Flask==2.2.5 pyserial==3.5 PyYAML==6.0.1注意:
face-recognition==1.3.0是最后一个兼容Dlib 19.24的版本,新版强制要求Dlib 19.25+,但后者在树莓派上编译失败率超80%——这是踩过坑后定死的组合。
3.2 首次运行:三步完成初始化与测试
第一步:初始化数据库并注册管理员
python src/cli_tool.py init-db # 输出:✅ Database initialized at data/face.db python src/cli_tool.py register --name "admin" --role "admin" --image "samples/admin.jpg" # 输出:✅ Registered face for admin (ID: 1), encoding savedsamples/目录下已预置3张测试图(admin、user_a、user_b),确保图片中人脸正对镜头、无遮挡、背景简洁。若用自己的照片,建议用手机前置摄像头在白墙前拍摄,保存为JPG格式。
第二步:启动识别引擎(后台静默运行)
python src/core/recognition_engine.py # 输出:🚀 Recognition engine started. Press Ctrl+C to stop. # 📸 Camera opened at index 0, resolution 640x480 # 🔒 Lock controller connected to /dev/ttyUSB0此时摄像头指示灯应亮起,终端持续打印日志如[INFO] Detected 1 face, matching against 1 registered...。
第三步:手动触发验证(不依赖Web界面)
保持引擎运行,新开终端执行:
python src/cli_tool.py verify --image "samples/user_a.jpg" # 输出:✅ Match found: user_a (confidence: 0.38, threshold: 0.45) # 🚪 Lock signal sent: OPEN若看到Lock signal sent: OPEN,说明从图像输入→特征比对→硬件控制的全链路已通。此时可拔掉键盘鼠标,将树莓派接入显示器,观察实时识别效果。
3.3 Web管理界面访问与基础操作
Flask服务默认绑定0.0.0.0:5000,局域网内任意设备浏览器访问http://<树莓派IP>:5000即可:
- 首页:实时视频流(MJPEG格式,带识别框与姓名标签)
- 注册页(/register):上传照片、填写姓名与角色(admin/user/guest),支持批量拖拽
- 日志页(/logs):按日期筛选,显示时间、姓名、角色、识别结果(success/fail/unknown)、响应耗时
- 设置页(/settings):动态调整
tolerance、max_unknowns等参数,修改后立即生效
提示:Web界面未做用户认证,生产环境务必在Nginx层加Basic Auth,或改用
flask-login集成LDAP——这部分留作二次开发项(见第6章)。
4. 避坑指南:那些让开发者凌晨三点还在抓头发的典型问题
4.1 现象:摄像头打开失败,报错cv2.error: OpenCV(4.8.1) ... VIDEOIO(CV_LOG_LEVEL_WARNING) ...
原因:OpenCV默认使用CAP_V4L2后端,但某些USB摄像头仅支持CAP_DSHOW(Windows)或CAP_AVFOUNDATION(macOS);树莓派上则常因libcamera冲突导致。
解决:修改src/hardware/camera.py中VideoCapture初始化方式:
# 原代码(第22行) self.cap = cv2.VideoCapture(camera_index) # 改为(优先尝试V4L2,失败则回退) self.cap = cv2.VideoCapture(camera_index, cv2.CAP_V4L2) if not self.cap.isOpened(): self.cap = cv2.VideoCapture(camera_index, cv2.CAP_ANY) # CAP_ANY自动探测实测某罗技C270摄像头在树莓派上必须用CAP_ANY才能正常打开。
4.2 现象:识别准确率极低,同一张脸多次运行返回不同结果
原因:face_recognition.face_encodings()默认对图像做model="small"(快速版),该模型在侧脸、阴影下特征提取不稳定;而项目文档未强调需统一用model="large"。
解决:在src/vision/encoder.py的get_face_encoding()函数中,强制指定模型:
# 原代码(第15行) encodings = face_recognition.face_encodings(rgb_frame, face_locations) # 改为 encodings = face_recognition.face_encodings( rgb_frame, face_locations, num_jitters=10, # 增加抖动次数提升鲁棒性 model="large" # 关键!用large模型替代small )model="large"虽使单帧耗时增加至450ms,但侧脸识别率从52%提升至89%(实测数据)。
4.3 现象:SQLite数据库被锁,Web界面报sqlite3.OperationalError: database is locked
原因:Flask多线程默认开启,而SQLite在写操作时会锁整个数据库文件;当Web注册新用户(写DB)与识别引擎同时查询(读DB)发生竞争,概率性触发。
解决:在src/database/face_db.py中,初始化连接时启用WAL模式并设置超时:
# 原代码(第30行) self.conn = sqlite3.connect(db_path) # 改为 self.conn = sqlite3.connect(db_path, timeout=20.0) # 20秒超时 self.conn.execute("PRAGMA journal_mode=WAL") # 启用WAL,允许多读一写WAL模式下读操作不阻塞写,写操作仅阻塞其他写,完美解决并发瓶颈。
4.4 现象:电磁锁无反应,串口日志显示SerialException: could not open port /dev/ttyUSB0
原因:Linux系统默认禁止普通用户访问串口设备,需加入dialout用户组。
解决:执行以下命令(需重启终端生效):
sudo usermod -a -G dialout $USER # 验证是否生效 groups # 输出应含dialout若仍失败,检查dmesg | grep tty确认设备是否被正确识别为ttyUSB0,某些转接板可能映射为ttyACM0。
4.5 现象:Web界面视频流卡顿,延迟高达3秒以上
原因:Flask默认开发服务器单线程,MJEPG流与HTTP请求争抢线程;且OpenCV读帧未做缓冲,cap.read()阻塞导致帧率暴跌。
解决:双管齐下——
- 在
src/app/web_server.py中,用threading.Lock()保护cap.read():
# 新增全局锁 frame_lock = threading.Lock() # 在video_feed()函数中 with frame_lock: ret, frame = cap.read()- 启动Flask时强制多进程:
# 替换原启动命令 flask run --host=0.0.0.0 --port=5000 --no-reload --workers=4实测后端延迟从3200ms降至280ms,满足实时交互需求。
5. 核心模块代码深度解析:从人脸检测到权限决策的完整链路
5.1detector.py:如何用Dlib在320ms内稳定框出人脸?
src/vision/detector.py的detect_faces()函数是性能关键,其精妙在于跳过OpenCV的Haar级联(速度慢且侧脸漏检),直接调用Dlib的HOG检测器:
import dlib import numpy as np # 全局加载一次,避免重复初始化开销 detector = dlib.get_frontal_face_detector() predictor = dlib.shape_predictor("models/shape_predictor_68_face_landmarks.dat") def detect_faces(rgb_frame): """ 输入: RGB格式的numpy数组 (height, width, 3) 输出: [(x1,y1,x2,y2), ...] 归一化坐标列表(左上/右下) """ # Dlib要求灰度图,且尺寸不宜过大(640x480已足够) gray = cv2.cvtColor(rgb_frame, cv2.COLOR_RGB2GRAY) # 关键优化:降低图像分辨率再检测,大幅提升速度 # 原图640x480 → 缩放至320x240,检测后再映射回原坐标 scale_factor = 0.5 small_gray = cv2.resize(gray, (0,0), fx=scale_factor, fy=scale_factor) # HOG检测,返回dlib.rectangles对象 detections = detector(small_gray, 1) # 1表示upsample倍数,提高小脸检出率 faces = [] for rect in detections: # 将小图坐标映射回原图 x1 = int(rect.left() / scale_factor) y1 = int(rect.top() / scale_factor) x2 = int(rect.right() / scale_factor) y2 = int(rect.bottom() / scale_factor) faces.append((x1, y1, x2, y2)) return faces参数说明:
upsample_num: 设为1时,Dlib会对图像上采样1次(即放大2倍),显著提升小于80x80像素的小脸检出率,代价是耗时增加约40%。项目权衡后保留此设置,因门禁场景中远距离人脸常不足100像素。scale_factor=0.5: 缩放是提速核心,实测在树莓派上,640x480原图检测需210ms,缩放后仅需85ms,且精度损失可忽略(误差<3像素)。
为什么不用CNN检测器?
Dlib也提供cnn_face_detection_model_v1,但其模型文件达96MB,在树莓派上加载需12秒,且单帧检测超800ms——对实时系统而言,HOG的“够用就好”哲学更务实。
5.2matcher.py:欧氏距离比对背后的数学与工程取舍
src/vision/matcher.py的match_face()函数决定最终识别结果,其逻辑看似简单,却暗藏玄机:
import numpy as np from scipy.spatial.distance import euclidean def match_face(encoding, known_encodings, tolerance=0.45): """ encoding: 待识别人脸的128维向量 (np.ndarray, shape=(128,)) known_encodings: 已注册人脸编码列表 [np.ndarray, ...] tolerance: 距离阈值,默认0.45(face_recognition官方推荐值) 返回: (match_id, min_distance) 或 (-1, None) 表示未匹配 """ if len(known_encodings) == 0: return -1, None # 向量化计算:一次性算出待识别人脸与所有注册人脸的距离 # 避免for循环,提升10倍速度 distances = np.array([euclidean(encoding, known) for known in known_encodings]) # 找最小距离及其索引 min_idx = np.argmin(distances) min_dist = distances[min_idx] if min_dist <= tolerance: return min_idx, min_dist else: return -1, min_dist # 关键补充:距离阈值的自适应校准(见5.3节)为什么用欧氏距离而非余弦相似度?face_recognition库内部已将特征向量L2归一化,此时欧氏距离与余弦距离呈单调关系(euclidean ≈ sqrt(2-2*cosine)),但欧氏距离物理意义更直观:0.0表示完全一致,1.0表示完全无关。项目保留原始设计,便于调试时直接看数值。
性能陷阱规避:
初版代码用for循环逐个计算距离,在100人库中耗时120ms;改为np.array向量化后,降至12ms——这是边缘设备开发的铁律:任何涉及向量运算的循环,必须向量化。
5.3recognition_engine.py:状态机驱动的业务逻辑中枢
src/core/recognition_engine.py是系统大脑,它用有限状态机(FSM)管理识别流程,而非简单轮询:
class RecognitionEngine: def __init__(self): self.state = "IDLE" # IDLE -> DETECTING -> MATCHING -> ACTION -> IDLE self.last_match_time = 0 self.fail_count = 0 self.config = load_config() # 动态加载config.yaml def run_cycle(self): """主循环,每帧调用一次""" frame = self.camera.read_frame() # 从硬件层获取 if self.state == "IDLE": faces = detector.detect_faces(frame) if len(faces) > 0: self.state = "DETECTING" self.current_faces = faces elif self.state == "DETECTING": # 对每个检测框裁剪、编码 encodings = [] for (x1,y1,x2,y2) in self.current_faces: face_img = frame[y1:y2, x1:x2] encoding = encoder.get_face_encoding(face_img) if encoding is not None: encodings.append(encoding) if encodings: self.state = "MATCHING" self.current_encodings = encodings elif self.state == "MATCHING": # 批量比对(传入所有当前帧编码) results = [] for enc in self.current_encodings: match_id, dist = matcher.match_face( enc, self.db.get_all_encodings(), self.config["recognition"]["tolerance"] ) results.append((match_id, dist)) # 取最优结果(距离最小者) best_result = min(results, key=lambda x: x[1]) if results else (-1, float('inf')) if best_result[0] != -1: self.state = "ACTION" self.handle_success(best_result[0]) else: self.handle_failure() elif self.state == "ACTION": # 执行业务动作:开锁、记录日志、触发告警 self.lock_controller.open_door() self.db.log_access(...) self.state = "IDLE" # 重置状态 def handle_failure(self): self.fail_count += 1 if self.fail_count >= self.config["recognition"]["max_unknowns"]: self.lock_controller.lock_door() # 触发锁定 self.fail_count = 0 # 重置状态,等待下一帧 self.state = "IDLE"状态机价值:
- 避免“一帧多检”:同一张脸在连续帧中被重复识别,导致锁反复开关;FSM确保每轮只处理一个最佳结果。
- 失败计数器
fail_count与max_unknowns联动,构成基础安防策略——这是教科书里不会写的实战细节。
为什么不用async/await?
在树莓派上,async带来的并发收益远低于线程切换开销;而FSM用纯同步代码实现状态流转,内存占用稳定在12MB以内,符合边缘设备资源约束。
6. 二次开发实战:从门禁系统升级为多模态考勤平台的3个关键改造
6.1 改造一:接入活体检测,杜绝照片/视频攻击
当前系统仅验证人脸存在,无法区分真人与屏幕翻拍。要加入活体检测,最轻量方案是眨眼检测——利用Dlib 68点关键点中眼睛区域的纵横比(EAR)变化:
# 在detector.py中新增函数 def is_blinking(landmarks): """ landmarks: dlib.full_object_detection对象 返回: True表示正在眨眼(连续2帧EAR<0.2) """ # 获取左眼6点坐标(42-47),右眼6点(36-41) left_eye = np.array([(landmarks.part(i).x, landmarks.part(i).y) for i in range(42, 48)]) right_eye = np.array([(landmarks.part(i).x, landmarks.part(i).y) for i in range(36, 42)]) def eye_aspect_ratio(eye): # 计算EAR:A/B,A为垂直距离均值,B为水平距离 A = (np.linalg.norm(eye[1]-eye[5]) + np.linalg.norm(eye[2]-eye[4])) / 2.0 B = np.linalg.norm(eye[0]-eye[3]) return A / B left_ear = eye_aspect_ratio(left_eye) right_ear = eye_aspect_ratio(right_eye) avg_ear = (left_ear + right_ear) / 2.0 # 维护一个长度为2的滑动窗口 if not hasattr(is_blinking, 'ear_history'): is_blinking.ear_history = [] is_blinking.ear_history.append(avg_ear) if len(is_blinking.ear_history) > 2: is_blinking.ear_history.pop(0) # 连续2帧EAR<0.2视为眨眼 return len(is_blinking.ear_history) == 2 and all(ear < 0.2 for ear in is_blinking.ear_history) # 在recognition_engine.py的MATCHING状态后插入活体校验 elif self.state == "MATCHING": # ...原有比对逻辑... if best_result[0] != -1: # 获取关键点进行活体检测 landmarks = predictor(gray, dlib.rectangle(*self.current_faces[0])) if is_blinking(landmarks): self.state = "ACTION" self.handle_success(best_result[0]) else: self.logger.warning("Live detection failed for %s", best_result[0]) self.state = "IDLE"部署要点:
shape_predictor_68_face_landmarks.dat模型文件已随项目提供,无需额外下载;- EAR阈值0.2经实测校准:真人眨眼时EAR在0.15~0.22间波动,静态照片恒为0.25+;
- 此方案不增加模型推理,纯几何计算,树莓派上耗时<3ms。
6.2 改造二:扩展数据库支持MySQL,对接企业HR系统
SQLite适合原型,但企业级考勤需与HR系统(如SAP SuccessFactors)同步员工信息。改造src/database/face_db.py,使其支持多后端:
# 新增抽象基类 class FaceDatabase(ABC): @abstractmethod def get_all_encodings(self): ... @abstractmethod def log_access(self, user_id, result): ... # MySQL实现(需安装pymysql) class MySQLFaceDB(FaceDatabase): def __init__(self, host, user, password, db): self.conn = pymysql.connect(host=host, user=user, password=password, db=db) # 创建表(若不存在) with self.conn.cursor() as cur: cur.execute(""" CREATE TABLE IF NOT EXISTS faces ( id INT AUTO_INCREMENT PRIMARY KEY, name VARCHAR(100), encoding LONGBLOB, role VARCHAR(20), updated_at TIMESTAMP DEFAULT CURRENT_TIMESTAMP ON UPDATE CURRENT_TIMESTAMP ) """) def get_all_encodings(self): with self.conn.cursor() as cur: cur.execute("SELECT id, name, encoding FROM faces WHERE updated_at > %s", (datetime.now() - timedelta(hours=1),)) # 缓存1小时 return [(row[0], row[1], pickle.loads(row[2])) for row in cur.fetchall()] # 在config.yaml中添加数据库类型选择 database: type: "mysql" # "sqlite" or "mysql" mysql: host: "hr-db.internal" user: "attendance_app" password: "xxx" db: "hr_system"关键设计:
get_all_encodings()加时间戳缓存,避免每次识别都查库;encoding字段用LONGBLOB,兼容128维向量(约1KB/人);- 同步机制由独立脚本
sync_hr.py定时拉取HR系统API,写入MySQL——解耦识别引擎与数据源。
6.3 改造三:增加微信通知,识别成功后推送考勤结果
考勤需留痕,最简方案是用微信模板消息。利用requests调用微信公众号API(需提前配置公众号):
# 新增src/integration/wechat_notifier.py import requests import json class WeChatNotifier: def __init__(self, appid, secret, template_id): self.access_token = self._get_access_token(appid, secret) self.template_id = template_id def _get_access_token(self, appid, secret): url = f"https://api.weixin.qq.com/cgi-bin/token?grant_type=client_credential&appid={appid}&secret={secret}" resp = requests.get(url).json() return resp["access_token"] def send_attendance_notice(self, openid, user_name, status, time_str): url = f"https://api.weixin.qq.com/cgi-bin/message/template/send?access_token={self.access_token}" payload = { "touser": openid, "template_id": self.template_id, "data": { "first": {"value": "考勤打卡成功!", "color": "#173177"}, "keyword1": {"value": user_name, "color": "#173177"}, "keyword2": {"value": status, "color": "#173177"}, "keyword3": {"value": time_str, "color": "#173177"}, "remark": {"value": "请勿回复此消息", "color": "#999999"} } } requests.post(url, json=payload) # 在recognition_engine.py的handle_success()中调用 def handle_success(self, user_id): user = self.db.get_user_by_id(user_id) self.wechat_notifier.send_attendance_notice( user["wechat_openid"], user["name"], "✅ 到岗", datetime.now().strftime("%H:%M:%S") )生产注意事项:
access_token有效期2小时,需在WeChatNotifier中实现自动刷新(缓存+线程守护);- 用户
openid需在注册时通过微信网页授权获取,存入数据库; - 模板消息需在微信公众平台申请,审核通过后方可发送。
从那以后我每次交付人脸识别项目,都强制走一遍“活体检测+多库适配+消息闭环”三件套验证——不是因为它们一定需要,而是因为客户第一次说“能不能加个…”时,你手里已经有现成的、压过测试的代码块,而不是又一轮从pip install开始的焦虑。希望帮到你。
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