基于高清安防設(shè)備的人臉識別在特定使用環(huán)境下的應(yīng)用

徐明

【摘 要】隨著視頻技術(shù)發(fā)展，高清安防設(shè)備逐漸開始取代傳統(tǒng)標(biāo)清設(shè)備成為應(yīng)用主流，基于高清設(shè)備的人臉識別技術(shù)也在逐步完善，針對動態(tài)視頻人臉識別技術(shù)仍存在較大使用局限的技術(shù)現(xiàn)狀，本文主要探討在現(xiàn)有技術(shù)條件下，如何快速搭建適合特定環(huán)境的人臉識別系統(tǒng)，并通過擴(kuò)展應(yīng)用提高人臉識別技術(shù)的實戰(zhàn)精度和應(yīng)用深度，使技術(shù)指標(biāo)更好的轉(zhuǎn)化為實戰(zhàn)應(yīng)用成果。

【關(guān)鍵詞】高清 攝像頭 人臉識別 智能學(xué)習(xí) 預(yù)警 算法

近年來，視頻技術(shù)不斷更迭，隨著高清攝像機(jī)、高清硬盤錄像機(jī)和高清視頻傳輸網(wǎng)絡(luò)等逐漸成為市場和應(yīng)用的主流，與高清技術(shù)有關(guān)的周邊研發(fā)，如行為識別、圖像處理、視頻快速檢索、全景攝像、主動預(yù)警等技術(shù)的功能也日臻完善，開始走入民用市場。針對于人的面部特征進(jìn)行有效識別技術(shù)，也于近幾年取得了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展，系統(tǒng)識別率和設(shè)備集成度都不斷提高，并開始在專業(yè)領(lǐng)域和民用市場同時引起廣泛關(guān)注，筆者重點從一種人臉識別系統(tǒng)本身和基于系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行擴(kuò)展運算兩個方面對人臉識別技術(shù)進(jìn)行闡述，嘗試一種更為精準(zhǔn)的人臉識別配套運算方式（“看門人”擴(kuò)展算法），使其更為有效的應(yīng)用于實際生活。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 高清安防設(shè)備現(xiàn)狀

國內(nèi)高清安防設(shè)備正處于快速發(fā)展的階段，趨于成熟。首先，高分辨率是高清設(shè)備的直接優(yōu)勢，更高的分辨率帶來更為廣闊的應(yīng)用前景；其次，更高的編碼壓縮算法（如H.265），有效提高壓縮效率、減少延遲，減輕存儲設(shè)備壓力，可實現(xiàn)利用1-2Mbps的傳輸速度傳送1080P畫質(zhì)的圖像；再次，WIFI、4G移動網(wǎng)絡(luò)的廣泛覆蓋，使得傳統(tǒng)的基于有線網(wǎng)絡(luò)的高清視頻傳輸轉(zhuǎn)向移動領(lǐng)域，使用智能手機(jī)、平板電腦，甚至車載設(shè)備都能夠?qū)崿F(xiàn)高清在線播放；最后，入侵報警、雙向視頻通話、移動偵測等功能的嵌入，使高清安防設(shè)備的智能化程度不斷提升。高清安防設(shè)備的普及使用為人臉識別技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用推廣奠定了基礎(chǔ)。

1.2 人臉識別技術(shù)現(xiàn)狀

人臉識別技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)熱點，既有?？低暋⒋笕A股份這樣的大型安防企業(yè)投入研發(fā)，也有漢王、銀晨和大量智能化企業(yè)不斷推進(jìn)社會應(yīng)用，更有騰訊、谷歌等核心算法開發(fā)企業(yè)推動技術(shù)革新（如表1所示）。國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會也制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如《GA/T 922.2-2011 安防人臉識別應(yīng)用系統(tǒng)》、《GA/T 1093-2013 出入口控制人臉識別系統(tǒng)技術(shù)要求》、《GA/T 1126-2013 近紅外人臉識別設(shè)備技術(shù)要求》、《GA/T 1212-2014 安防人臉識別應(yīng)用防假體攻擊測試方法》和《GA/T 31488-2015 安全方法視頻監(jiān)控人臉識別系統(tǒng)技術(shù)要求》等，人臉識別的技術(shù)規(guī)范體系不斷健全。四種常用的人臉識別核心算法，如表1所示。

1.3 人臉識別技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

相比于指紋識別，人臉識別的應(yīng)用要滯后得多，2011年起才開始在我國走入民用市場，但在僅僅不到四年的時間里，人臉識別的市場份額就驟增百分之二十五以上，成為生物識別的第二大應(yīng)用技術(shù)，充分說明其未來前景。但受核心技術(shù)發(fā)展限制和產(chǎn)品效果參差不齊的現(xiàn)實市場狀況影響，人臉識別技術(shù)必須配合實際使用環(huán)境，才能發(fā)揮出最佳的效果。比如應(yīng)用于考勤系統(tǒng)，因其人臉比對數(shù)據(jù)量小，比對環(huán)境理想，被檢測人員能夠主動配合檢測等因素，其誤報率和可靠性都能達(dá)到合理范圍，因此應(yīng)用廣泛。但是在機(jī)場、火車站等海量人臉比對的環(huán)境中，攝像機(jī)位置、被檢測人員非主動配合、比對庫異常龐大等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)建設(shè)高投入、低比中率和低時效性等問題，使得人臉識別表現(xiàn)出并不可靠的一面。

綜合市場應(yīng)用反饋，我們發(fā)現(xiàn)，人臉識別系統(tǒng)需要根據(jù)安裝使用環(huán)境以及使用目的，有針對的配合相應(yīng)的輔助條件，才能達(dá)到較高使用精度。在這里我們能想到的一種方式是輔助以必要的擴(kuò)展應(yīng)用算法，讓人臉識別系統(tǒng)更加智能和精準(zhǔn)。

2 一種適用于動態(tài)人臉識別的常見環(huán)境

我們挑選一種公共安全防范中常見的環(huán)境進(jìn)行討論，該環(huán)境為居民小區(qū)的一棟住宅樓，具備如下幾個特點：

2.1 出入口情況

出入口數(shù)量不多，在6個以內(nèi)為佳，適合建設(shè)小型化單獨式系統(tǒng)，圖像采集數(shù)量適中，易于施工和數(shù)據(jù)處理。

2.2 光線情況

現(xiàn)場光線情況較好，白天具有良好的自然光或有燈光補(bǔ)充，攝像頭所拍攝方向不存在逆光的情況，夜間有充足的照明補(bǔ)充，確保攝像機(jī)能夠捕捉到清晰的人臉面部圖像。

2.3 供電和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境

為保障人臉識別系統(tǒng)的長期不間斷運行和數(shù)據(jù)上傳，環(huán)境能夠提供穩(wěn)定的220V供電，方便接入有線或無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.4 配套人防措施

人臉識別系統(tǒng)本身雖然不需要有操作人員24小時值守，但是受其安裝位置較低和狀態(tài)巡檢需要，應(yīng)該為其配備人防措施，形成定時巡檢制度，以保持系統(tǒng)持續(xù)運轉(zhuǎn)。

3 一種能夠快速搭建的人臉識別系統(tǒng)

人臉識別系統(tǒng)一般由四個部分組成，分別是：人臉圖像的檢測和采集、人臉圖像的預(yù)處理、人臉圖像的特征提取、人臉圖像的匹配識別。前三個部分系統(tǒng)組成已經(jīng)可以實現(xiàn)高度集成，也可以嵌入到前端攝像機(jī)內(nèi)完成按監(jiān)控點的分散式運算，但系統(tǒng)的比對速度和識別比對率主要取決于第四部分，即對前端采集來的人臉特征在比對圖像庫中進(jìn)行比對的準(zhǔn)確性和比對效率。

根據(jù)使用環(huán)境設(shè)置，我們選取一種簡單的處理方式，由集成度較高的少量前端采集設(shè)備、小數(shù)據(jù)的后端比對匹配服務(wù)和針對性較強(qiáng)的擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)組成的小范圍單獨式人臉識別系統(tǒng)（如圖1所示）。

3.1 前端設(shè)備

前端攝像機(jī)的選擇需要采用大靶面的感光芯片，一般是大于1/3而小于1/2，還要綜合考究低照度能力、針對色彩還原和低照度圖像增強(qiáng)等技術(shù)能力。在實際測試實驗中，我們選擇銀晨品牌的ISCamHD-200，該型號集成了人臉采集功能，連接無線WIFI傳輸設(shè)備進(jìn)行使用。

3.2 傳輸設(shè)備

根據(jù)視頻碼流、傳輸網(wǎng)絡(luò)選用百兆的以太網(wǎng)，有線和無線的方式均可，采取必要的加密措施以確保信息安全，距離較遠(yuǎn)的情況可采用光纖傳輸。在實際測試實驗中暫未考慮安全措施，采取無線WIFI的傳輸形式。

3.3 比對和擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場實際數(shù)據(jù)情況（大樓內(nèi)住戶約800人，日均訪客約100人），評估后臺服務(wù)屬于小數(shù)據(jù)計算，在測試實驗中選用性能較高的PC機(jī)進(jìn)行后臺運算。人臉識別系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

4 基于人臉識別系統(tǒng)的“看門人”擴(kuò)展算法模型

在傳統(tǒng)的人臉識別系統(tǒng)中，用戶更為看中圖像識別核心算法本身的優(yōu)缺點和應(yīng)用識別率，但在實際應(yīng)用過程中，不同識別核心算法所表現(xiàn)出來的效果差距并不巨大。針對本文所設(shè)定的測試環(huán)境，前文所提到的四種常用圖像識別核心算法對實驗結(jié)果的差距影響可忽略不計，我們嘗試在核心識別算法以外，綜合利用實地客觀環(huán)境因素，提煉擴(kuò)展算法，達(dá)到了提高人臉識別系統(tǒng)精度的目的，根據(jù)算法的形成思路，為算法起名為“看門人”，主要模型如下：

4.1 主動學(xué)習(xí)建立“看門人名單”

建立“看門人名單”是“看門人”算法的基礎(chǔ)，人臉識別系統(tǒng)自動抓取經(jīng)過攝像機(jī)的人臉圖片比對，沒有比中就將圖片入庫，如果比中就對比中次數(shù)進(jìn)行計數(shù)，在系統(tǒng)投入使用的初期，比對庫是空的，隨著系統(tǒng)比中增加，比對庫最終會達(dá)到一個趨于相對穩(wěn)定增加的常態(tài)平衡，根據(jù)大樓內(nèi)住戶的生活習(xí)慣設(shè)定計數(shù)閾值，當(dāng)計數(shù)超過該閾值則可視為此人臉為大樓住戶，從而建立起大樓住戶的人臉名單作為比對庫的基礎(chǔ)資料，稱為“看門人名單”，該名單可由大樓管理部門進(jìn)行人工核實，匹配真實身份。

4.2 分辨“生人”和“新住戶”

在建立“看門人名單”的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)自動進(jìn)行常規(guī)比對，對采集到的人臉進(jìn)行判斷，對符合“看門人名單”的進(jìn)行計數(shù)，不符合的進(jìn)行圖像入庫并提示“生人”給管理人員核查，同時進(jìn)行“生人”計數(shù)，當(dāng)同一“生人”計數(shù)量達(dá)到住戶習(xí)慣閾值數(shù)后，將其列為“新住戶”，并提示管理人員更新“看門人名單”。

4.3 “名單注銷”功能

針對“看門人名單”中的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行“未出現(xiàn)時長計時”，當(dāng)采集到圖像時計時清零，當(dāng)未采集到計時時長超過設(shè)定閾值時，系統(tǒng)給出提示，由管理人員核實該人是否已經(jīng)不在此居住。

4.4 “家庭”歸類

針對同一時間段內(nèi)（預(yù)設(shè)為10秒）同時出現(xiàn)的人臉進(jìn)行標(biāo)識計數(shù)，當(dāng)人臉同時出現(xiàn)次數(shù)超過習(xí)慣性的閾值范圍，即判斷該幾個人臉的關(guān)系密切，可根據(jù)居住習(xí)慣劃分為家庭關(guān)系或朋友關(guān)系。

4.5 “生活習(xí)慣”歸類

對所有采集到的人臉信息出現(xiàn)時間分布進(jìn)行分析，可詳細(xì)分析人員離開和進(jìn)入的具體規(guī)律，如工作日出入習(xí)慣時段、節(jié)假日出入時段等。

擴(kuò)展類算法所搭建的模型更貼近應(yīng)用實際，使識別的智能向應(yīng)用的智能轉(zhuǎn)化，在實際項目實施過程中意義更為重大。

5 一種分布式聯(lián)網(wǎng)比對的應(yīng)用模式

根據(jù)人臉識別核心算法原理，同一攝像機(jī)所采集的人臉圖片在現(xiàn)場位置、角度、光線和人臉出現(xiàn)的移動方位這些能夠影響識別率的關(guān)鍵要素上差距甚微，同一攝像機(jī)所采集的人臉圖片比對率相對接近完美，能夠可靠應(yīng)用。相比于海量人臉比對系統(tǒng)中存在的比對效率低下、傳輸延遲大、誤報率高等現(xiàn)實問題，我們嘗試將海量問題化整為零，在單獨式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以人臉?biāo)P(guān)聯(lián)的身份證號碼（管理人員根據(jù)需要進(jìn)行人工核實后）作為唯一比對項，進(jìn)行大范圍的互聯(lián)比對。

此種分布式聯(lián)網(wǎng)比對應(yīng)用模式有如下四個優(yōu)勢：

5.1 弱化了聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

此種平臺互聯(lián)方式解決了單獨式系統(tǒng)在聯(lián)網(wǎng)過程中存在的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不一問題，只針對核實后的身份證號碼進(jìn)行確認(rèn)，對單獨式平臺的識別方法和圖片數(shù)據(jù)格式及特征項沒有要求，有效規(guī)避了對前端設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的難題。

5.2 便于傳輸

由于僅依靠身份信息進(jìn)行傳遞，圖片和視頻傳輸?shù)膲毫p小，對網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊笠泊蟠蠼档?，在常?guī)情況下只進(jìn)行小數(shù)據(jù)量交換，必要時才傳輸圖片和視頻，優(yōu)化了傳統(tǒng)類似項目的傳輸方式。

5.3 易于應(yīng)用

采用分布式數(shù)據(jù)交換，更有利于配合其他社會公共資源（如航班、鐵路、住宿、上網(wǎng)等）進(jìn)行大數(shù)據(jù)應(yīng)用，使人臉識別系統(tǒng)能夠更有效服務(wù)于生產(chǎn)生活。

5.4 組網(wǎng)靈活

分布式系統(tǒng)建設(shè)聯(lián)網(wǎng)隨意性大，組網(wǎng)靈活，能夠有效整合社會面資源，一改以往求大求全的建設(shè)模式，避免了統(tǒng)一建設(shè)的高額一次性投入。

不依托于網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)的孤島系統(tǒng)很難產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)用效能，能夠優(yōu)化傳輸方式、提高應(yīng)用效率的方法則更切合項目實施的實際。

6 結(jié)語

在可期的未來，一方面人臉識別核心算法的持續(xù)優(yōu)化和配套安防設(shè)備的指標(biāo)刷新將穩(wěn)步推動技術(shù)革新，另一方圍繞人臉識別核心算法紛紛出現(xiàn)的擴(kuò)展應(yīng)用和技術(shù)融合也將大力推動人臉識別產(chǎn)品的普及應(yīng)用，可以預(yù)見人臉識別技術(shù)將在人們生產(chǎn)生活、公共安全領(lǐng)域發(fā)揮難以替代的巨大作用。

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