基于動(dòng)態(tài)人臉識(shí)別技術(shù)的平安校園建設(shè)The Construction of Safe Campus Based on Dynamic Face Recognition Technology

陳思行（沈陽市120中學(xué)，遼寧沈陽110034）

基于動(dòng)態(tài)人臉識(shí)別技術(shù)的平安校園建設(shè)
The Construction of Safe Campus Based on Dynamic Face Recognition Technology

陳思行（沈陽市120中學(xué)，遼寧沈陽110034）

隨著智能識(shí)別技術(shù)的不斷成熟，人臉識(shí)別技術(shù)是近年來計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域和機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中最富挑戰(zhàn)性的課題之一，受到學(xué)者們的廣泛關(guān)注。目前，從精確實(shí)用的角度來看人臉識(shí)別技術(shù)是優(yōu)于其它生物識(shí)別技術(shù)的身份鑒別方法。本文通過分析，給出人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及系統(tǒng)軟件開發(fā)的實(shí)施方案。重點(diǎn)討論了以人臉識(shí)別為核心技術(shù)的安防系統(tǒng)在平安校園建設(shè)上的應(yīng)用。

人臉識(shí)別；智能化監(jiān)管平臺(tái)；平安校園

校園是莘莘學(xué)子學(xué)習(xí)科學(xué)文化知識(shí)、進(jìn)行研究實(shí)踐的場所，在一定程度上承擔(dān)著育人的作用。隨著學(xué)校規(guī)模的不斷擴(kuò)大,學(xué)生人數(shù)的不斷增多,導(dǎo)致對學(xué)校進(jìn)行監(jiān)管和掌控的覆蓋面積也越來越大，治安管理形態(tài)和工作的復(fù)雜性和難度也在加強(qiáng)，校園安全面臨著前所未有的挑戰(zhàn)[1]。

以現(xiàn)在學(xué)校使用的校園監(jiān)控系統(tǒng)來看，每天都有海量的網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)被產(chǎn)生和存儲(chǔ)，其中就包含著大量可用的人臉信息。但是，以現(xiàn)有的硬件配置和軟件開發(fā)技術(shù)而言，對這些人臉信息的使用還停留在依靠人工排查、人工比對的相對落后階段，導(dǎo)致對這些數(shù)據(jù)整體的利用率不高。因此，能夠在海量視頻信息中快速鑒別人員身份的新的監(jiān)控技術(shù)的開發(fā)和使用就變得十分迫切和重要。

近年來，尤其是在美國遭遇恐怖襲擊后，人臉識(shí)別技術(shù)作為新的計(jì)算機(jī)安全技術(shù)引起了人們的廣泛關(guān)注，成功有效的人臉識(shí)別技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景，可在校園安全、視頻監(jiān)控、智能空間、人機(jī)交互及視頻索引等方面發(fā)揮巨大的作用。

1 人臉識(shí)別技術(shù)概述

人臉識(shí)別技術(shù)就是依靠生物特征識(shí)別領(lǐng)域中的人臉面部特征來達(dá)到身份確認(rèn)的識(shí)別技術(shù)。其通過攝像頭等采集設(shè)備提取人臉面部特征，依靠計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)通過特征匹配來進(jìn)行身份識(shí)別和驗(yàn)證。與其他傳統(tǒng)的生物識(shí)別技術(shù)相比，其采集方便、識(shí)別快捷、安全友好等優(yōu)勢冒險(xiǎn),越來越被大眾所接受。目前，人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、身份識(shí)別等眾多領(lǐng)域。

人臉識(shí)別技術(shù)在智能識(shí)別過程中主要分為三個(gè)步驟[2]：第一步是進(jìn)行人臉的定位檢測采集，這一過程主要是對視頻和圖像中是否存在人臉進(jìn)行搜索，如果確定存在人臉時(shí)將把人的面部從整個(gè)背景中采集出來。第二個(gè)步驟是進(jìn)行人臉面部的特征處理，這一過程的主要目的是提取已經(jīng)檢測到的人臉的主要特征信息，例如臉型，五官分布比例等進(jìn)行進(jìn)一步的預(yù)處理。第三步是進(jìn)行人臉匹配與識(shí)別，這個(gè)部分是把提取到的面部特征信息與樣本庫中的人臉信息進(jìn)行對比，最終確定圖像或視頻中出現(xiàn)的人臉的真實(shí)身份，其基本原理如圖1所示。

圖1 人臉識(shí)別技術(shù)原理圖

2 人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

平安校園安防監(jiān)控系統(tǒng)的核心是人臉識(shí)別技術(shù)。由于系統(tǒng)將要面對成千上萬的人臉識(shí)別，為了在經(jīng)濟(jì)性、可靠性、實(shí)時(shí)性等方面取得良好的性能，需要對系統(tǒng)進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。在開發(fā)和設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，需要把人臉識(shí)別模塊分成兩個(gè)部分。一部分是特征提取模塊，這一部分主要是對人臉圖像進(jìn)行特征提取，然后把獲得的人臉圖像錄入到數(shù)據(jù)庫中。在錄入的同時(shí)還要讓系統(tǒng)管理員在后臺(tái)輸入人臉的身份信息，如姓名、年齡、地址等，進(jìn)而把這些新特征值保存到數(shù)據(jù)庫。另一部分被分解出來的模塊是也叫人臉識(shí)別模塊，這一部分主要針對待識(shí)別的人臉圖像進(jìn)行特征提取并進(jìn)行識(shí)別工作，即識(shí)別圖像中的人臉，并顯示人臉的身份信息[3]。

考慮到人臉識(shí)別的實(shí)時(shí)性,在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)還要考慮人臉識(shí)別過程所需的最大時(shí)間問題。在識(shí)別時(shí)間允許的情況下,通過多次采集、多次識(shí)別可提高系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確度。假設(shè)人員的行進(jìn)速度為vm/s,系統(tǒng)允許人員的識(shí)別距離為Sm,圖像采集卡速度為μframe/s,識(shí)別軟件允許的后臺(tái)運(yùn)算時(shí)間為T,則說明軟件的識(shí)別時(shí)間要在T秒內(nèi)完成,否則不能保證系統(tǒng)識(shí)別過程的要求[4]。此外，系統(tǒng)的識(shí)別時(shí)間主要包括人臉檢測、特征提取、特征比對等。其中人臉檢測與特征提取在系統(tǒng)圖像采集后只做一次,。然而，特征比對就要遍歷授權(quán)的標(biāo)準(zhǔn)人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行逐一對比,給出匹配相似度。由此不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)識(shí)別任務(wù)的數(shù)量增大時(shí),標(biāo)準(zhǔn)人臉數(shù)據(jù)庫就大,比對的時(shí)間就長，在圖像采集精度的限制下,與全數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對后系統(tǒng)的誤識(shí)率也會(huì)相對增加。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

人臉識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)需要考慮包含人臉的采集、校驗(yàn)、信號的傳輸和考勤記錄以及報(bào)警等相關(guān)功能性要求。通過計(jì)算機(jī)可同時(shí)對若干個(gè)智能通道和攝像機(jī)進(jìn)行管理，授權(quán)不同的修改權(quán)限。例如，在門禁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)開門邏輯可設(shè)為“一人開門”或“多人與開門”方式，即核查一人正確即可開門，或同時(shí)對倆人或三人的臉部進(jìn)行“與”校驗(yàn)，結(jié)果正確方可驅(qū)動(dòng)，否則進(jìn)行報(bào)警[5]。通過人臉識(shí)別軟件的設(shè)計(jì)還能滿足其他特殊門禁管理的要求，并對校園內(nèi)部人員的進(jìn)出時(shí)間、大門及電控鎖的狀態(tài)、報(bào)警情況進(jìn)行記錄、錄像。當(dāng)外部人員通過非法手段開門時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)發(fā)出“非法開門”報(bào)警信號，聯(lián)動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的前期還需考慮系統(tǒng)硬件設(shè)施對軟件的支持能力，并且要充分體現(xiàn)系統(tǒng)軟件需要達(dá)到的功能[2]。因此，人臉識(shí)別系統(tǒng)的軟件首先需要完成的是將校園內(nèi)用戶臉部的信息進(jìn)行采集，并將得到的信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進(jìn)行保存。當(dāng)有外部用戶發(fā)出請求信號時(shí)，識(shí)別系統(tǒng)將自動(dòng)對請求發(fā)出者的面部信息進(jìn)行采集。然后把采集完成的信息與系統(tǒng)保存的數(shù)字信號進(jìn)行對比，從而達(dá)到人臉自動(dòng)識(shí)別的功能。識(shí)別完成后如果系統(tǒng)能夠確認(rèn)請求者的身份，將執(zhí)行開門動(dòng)作。當(dāng)系統(tǒng)無法確認(rèn)請求者的身份時(shí)，系統(tǒng)將向請求者的上一級管理員發(fā)送提示信息，然后系統(tǒng)將根據(jù)請求者管理員的指令進(jìn)行最終判別。如果長時(shí)間得不到管理員的指令時(shí)，人臉識(shí)別系統(tǒng)將自動(dòng)結(jié)束識(shí)別過程并進(jìn)行一次初始化，其功能的軟件設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 人臉識(shí)別系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)流程圖

4 人臉識(shí)別系統(tǒng)在校園安全防范中的應(yīng)用

目前，平安校園建設(shè)主要集中于出入口、樓道、操場、食堂、宿舍等地方，用于解決物品遺失、校園盜竊、車輛違規(guī)、人員聚集、校園暴力、食品安全等安防問題[6]。然而現(xiàn)有的校園安防系統(tǒng)還存在人力成本高、故障率高等相關(guān)實(shí)際問題。因此，以人臉識(shí)別為核心技術(shù)的大安防系統(tǒng)在平安校園的建設(shè)上顯得尤為重要。同時(shí)借助高清、智能、集成等先進(jìn)技術(shù)可對校園進(jìn)行全方位、全天候的防范，最大限度地減少各種安全隱患。

例如，在校園門禁安防系統(tǒng)中使用人臉識(shí)別技術(shù)，能極大地促進(jìn)校園安全的防衛(wèi)，幫助學(xué)校的安保部門進(jìn)行突發(fā)事件的偵破。在門禁安防系統(tǒng)中利用人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用時(shí)，需要利用攝像頭獲取人臉固定點(diǎn)位的特征，并要對眼眶、臉頰骨以及下顎等位置特征進(jìn)行記錄。同時(shí)不同人的臉部這幾個(gè)固定點(diǎn)位特征都會(huì)存在差異。因此利用不同的特性差異來對人臉進(jìn)行身份核實(shí)，確保了門禁安防系統(tǒng)能夠真正發(fā)揮出作用。

此外，將人臉識(shí)別技術(shù)與校園實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)相融合，也是平安校園、智慧校園建設(shè)中必不缺少的重要組成部分。人臉實(shí)時(shí)報(bào)警系統(tǒng)主要由抓拍機(jī)、人臉實(shí)時(shí)報(bào)警服務(wù)器、管理平臺(tái)等設(shè)備組成[7]。而人臉抓拍機(jī)的安放并不是隨意的，應(yīng)該嚴(yán)格按照指定的安裝位置進(jìn)行。人臉抓拍機(jī)內(nèi)設(shè)有人臉跟蹤、抓拍、對比和分析等一系列相關(guān)功能，而這些功能的實(shí)現(xiàn)主要還是依靠于智能分析。將人臉實(shí)時(shí)報(bào)警服務(wù)器和黑名單數(shù)據(jù)庫的人員進(jìn)行比對，可時(shí)時(shí)掌握校園的動(dòng)態(tài)情況，從容處理各類復(fù)雜的突發(fā)事件，為準(zhǔn)確迅速地調(diào)度指揮奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

然而，在應(yīng)用人臉識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，還需注意一些相關(guān)技術(shù)問題。(1)安裝位置的選取。由于人臉識(shí)別攝像機(jī)要安裝在門禁入口處，而校園大門的入口一般相對較窄，所以為了實(shí)現(xiàn)抓拍照片的清晰度，需要200萬及以上像素的高清相機(jī)和補(bǔ)光燈。攝像機(jī)設(shè)在通道正前方，正面抓拍人臉，左右偏轉(zhuǎn)小于30°，上下偏轉(zhuǎn)小于15°。同時(shí)建議攝像機(jī)的俯視角度為15度。(2)攝像機(jī)的選擇。只有選對了攝像機(jī)型號和監(jiān)控范圍，兩者密切配合，抓拍到的圖像中人臉區(qū)域的像素才可能不低于8080。由于拍攝的環(huán)境并不是一成不變，通常是時(shí)時(shí)刻刻處在變化之中，如室內(nèi)光線較暗且經(jīng)常存在逆光的現(xiàn)象，所以攝像機(jī)需要有自動(dòng)光圈配置。

平安校園建設(shè)應(yīng)本著“實(shí)用、可靠、安全、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)和共享”的建設(shè)理念。同時(shí)，還應(yīng)遵循以下原則：(1)可靠性原則：在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)備選取、調(diào)試、安裝等環(huán)節(jié)都需嚴(yán)格執(zhí)行國家、行業(yè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求，采用成熟的技術(shù)和設(shè)備；(2)先進(jìn)性原則：采用先進(jìn)的信息技術(shù)，保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，提高系統(tǒng)性能，降低運(yùn)行維護(hù)成本；(3)可擴(kuò)充性原則：遵守各種標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，選擇標(biāo)準(zhǔn)化部件，利于靈活替換和容量擴(kuò)展，為系統(tǒng)擴(kuò)展提供了良好的基礎(chǔ)；(4)安全性原則：選用的硬件設(shè)備應(yīng)具有防雷擊、超載、斷電等防破壞性的安全功能，軟件還需具備防病毒感染和故障保護(hù)等特性，從而提升系統(tǒng)整體的運(yùn)行安全[8]。建成后的智能平安校園平臺(tái)可為學(xué)校保衛(wèi)處、信息中心、后勤處等相關(guān)職能部門提供全方位的安保服務(wù)。通過及時(shí)的安保信息發(fā)布能夠節(jié)約現(xiàn)有的人力物力消耗，減少了校園的運(yùn)行維護(hù)成本，提高了校園的安全級別，最終實(shí)現(xiàn)了真正意義上的智慧校園。

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[2]葉芳荃.基于人臉識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)分析[J].科技展望,2017,(16),108-109.

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[5]孫鋒申.人臉識(shí)別技術(shù)的門禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子產(chǎn)品世界,2011,(10),43-45.

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[8]李春華.智能平安校園平臺(tái)建設(shè)的研究與實(shí)踐[J].職教通訊,2014,(26),48-50.

With the development of intelligent recognition technology,face recognition technology is one of the most challenging subjects in the field of computer vision and machine learning in recent years.Meanwhile,the face recognition has attracted much attention of scholars.At present,face recognition technology is a authentication methods which is superior to other biometric identification from the point of accuracy and practicability.In this work,the design of face recognition system and the implementation of system software development are shown through the analysis.It is discussed that the security system based on face recognition can be used in the construction of safe campus.

face recognition;intelligent supervision platform;safe campus

遼寧沈陽人，男(2000-)沈陽市第120中學(xué)高中學(xué)生。本文受遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項(xiàng)目L2012386資助。