多模態(tài)身份識別系統(tǒng)在智慧營區(qū)建設(shè)中的應(yīng)用研究

摘 ?要：人臉識別、虹膜識別、掌紋掌靜脈識別、步態(tài)識別等技術(shù)的發(fā)展，為智慧營區(qū)人員身份管控的建設(shè)提供了新的方向。文章報告了生物特征識別技術(shù)的研究現(xiàn)狀，深入分析了對營區(qū)不同防護(hù)區(qū)域的人員身份的管控需求，提出了分層防護(hù)的人員身份識別思路，研發(fā)設(shè)計了多模態(tài)身份識別系統(tǒng)架構(gòu)，通過系統(tǒng)達(dá)到人員非接觸采集、自動化識別、智能化預(yù)警以及實時化跟蹤的管控效果。

關(guān)鍵詞：生物特征融合;非接觸式;多模態(tài)身份識別系統(tǒng);智慧營區(qū)

中圖分類號：TN929.5;TP391.44 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）12-0176-03

Abstract：The development of face recognition，iris recognition，palm vein palm vein recognition，gait recognition and other technologies has provided a new direction for the construction of the identity management and control of personnel in the smart camp. The research status of biometrics recognition technology is reported，the needs of personnel identity control in different protection areas of the camp are analyzed in depth，the design concept of layered protection personnel identity recognition is proposed，and the multi-modal identity recognition system architecture is developed and designed. The system achieves the control effect of non-contact personnel acquisition，automatic identification，intelligent early warning and real-time tracking.

Keywords：biometric fusion;contactless;multi-modal identification system;smart camp

0 ?引 ?言

營區(qū)是部隊后勤保障的重要組成部分，需要對進(jìn)出人員身份進(jìn)行實時識別和嚴(yán)格監(jiān)控管理。為了達(dá)到營區(qū)人員管控的精準(zhǔn)、靈活，依托生物特征識別、物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)技術(shù)，對進(jìn)出各區(qū)域的人員實施有效管控，實時識別人員身份，防止人員非授權(quán)進(jìn)入、非安全進(jìn)入的風(fēng)險。

1 ?研究現(xiàn)狀

生物特征識別技術(shù)是指利用人體固有的生理特征或行為特征來進(jìn)行個人身份鑒別認(rèn)證的技術(shù)。生物特征識別技術(shù)包括采用人體固有的生理特征（如人臉、虹膜、掌紋掌靜脈）進(jìn)行身份認(rèn)證的技術(shù)和利用后天形成的行為特征（如步態(tài)）進(jìn)行身份認(rèn)證的技術(shù)。

1.1 ?人臉識別技術(shù)

人臉識別是一種通過人臉面部特征信息進(jìn)行身份辨識的生物識別技術(shù)，通過對采集圖像中的人臉進(jìn)行檢測、跟蹤和識別達(dá)到核實人員身份的效果。

關(guān)于人臉識別的研究主要包括對人臉識別技術(shù)的研究、對人臉識別數(shù)據(jù)預(yù)處理的研究以及對人臉識別應(yīng)用的研究三個方面。首先，人臉識別技術(shù)的研究始于90年代初提出的基于幾何結(jié)構(gòu)的人臉基本特征識別，隨后線性判別方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、支持向量機(jī)、LBP、流行學(xué)習(xí)等方法逐漸應(yīng)用于人臉識別技術(shù)研究[1]。近年來越來越多的學(xué)者利用深度學(xué)習(xí)來探究人臉識別技術(shù)，其中對基于深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的研究最為熱門。

1.2 ?虹膜識別技術(shù)

虹膜識別是通過采集人眼虹膜的紋理信息，進(jìn)而實現(xiàn)對人的身份識別，虹膜識別具有唯一性、穩(wěn)定性、非接觸性以及生物活性等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金融、海關(guān)、社會福利、安防等多個領(lǐng)域。

中科院自動化所使用自行研制的虹膜拍攝設(shè)備，建立了最具影響力的虹膜圖像數(shù)據(jù)庫CASIA，為各國學(xué)者提供了質(zhì)量優(yōu)秀的虹膜數(shù)據(jù)源;王蘊(yùn)紅等提出了基于最小二乘擬合的方法對虹膜進(jìn)行定位;李志明提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征融合虹膜活體檢測算法來檢測偽造虹膜[2]。

1.3 ?掌紋掌靜脈識別技術(shù)

國內(nèi)對掌紋掌靜脈識別的相關(guān)研究起步較晚，但是也取得了不錯的進(jìn)展。例如，黃志星等人對靜脈識別算法進(jìn)行了深入研究，提出了一種非接觸式的掌靜脈識別算法，設(shè)計了一個指靜脈識別系統(tǒng)[3]，該系統(tǒng)具有較高的安全性，并取得不錯的識別效果。香港理工大學(xué)科研團(tuán)隊研發(fā)出世界上第一個民用掌紋識別系統(tǒng)，該系統(tǒng)取得了不錯的識別效果，同時該團(tuán)隊也對外公開了目前世界上最大的人體手掌掌紋數(shù)據(jù)庫。

1.4 ?步態(tài)識別

隨著AI算法精度的持續(xù)提升以及應(yīng)用場景數(shù)量的爆發(fā)，步態(tài)識別作為一種非受控性特征識別方式，得到了快速發(fā)展。步態(tài)識別主要是通過人們走路的姿勢進(jìn)行身份識別，其已在安防、交通、工業(yè)等行業(yè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

2001年中國科學(xué)院自動化研究所開始了步態(tài)識別研究，目前已創(chuàng)建了一定規(guī)模的步態(tài)評估數(shù)據(jù)庫，并提出了多種步態(tài)識別算法，且獲得了較好的識別率。根據(jù)“行走運(yùn)動的時空模式中可學(xué)習(xí)人體的外觀模型”的觀點，王亮等研究人員將統(tǒng)計形狀分析的方法應(yīng)用于步態(tài)識別。于傅立葉描述了具有與起始點變化、平移、反轉(zhuǎn)等無關(guān)的特性，因此韓鴻哲等將傅立葉描述子運(yùn)用到步態(tài)特征提取和識別中。截止目前，隨著技術(shù)及研究方法的不斷發(fā)展，隱馬爾科夫模型是目前被國內(nèi)從事步態(tài)識別的研究人員常用的分析模型，并且基于連續(xù)隱馬爾科夫模型的步態(tài)識別也取得了較好的識別率。

2 ?建設(shè)需求

營區(qū)安全防護(hù)區(qū)一般可劃分為防護(hù)區(qū)、監(jiān)控區(qū)、限制區(qū)[4]。其中防護(hù)區(qū)指防護(hù)目標(biāo)所在的區(qū)域，監(jiān)控區(qū)指需采取安全技術(shù)將防范措施全面覆蓋的區(qū)域，限制區(qū)指僅授權(quán)人員可以出入和活動的區(qū)域;營區(qū)需根據(jù)不同防護(hù)等級將設(shè)置人員進(jìn)出權(quán)限。

目前，營區(qū)人員身份識別手段單一，以ID卡識別為主，采用指紋識別輔助，但是，ID卡容易出現(xiàn)丟失或借用的情況，無法保證實際使用ID卡的人員是否是本人;同時指紋存在可能被復(fù)制的情況，且在人員指紋磨損的情況下，無法保證身份識別準(zhǔn)確率。

為了實現(xiàn)人員管控“數(shù)量清、狀態(tài)明、動向控”，有效防范非授權(quán)人員進(jìn)入的風(fēng)險，本公司基于人臉、虹膜、掌紋掌靜脈、步態(tài)等生物識別技術(shù)對營區(qū)人員身份管控系統(tǒng)進(jìn)行研究，研發(fā)設(shè)計了多模態(tài)身份識別系統(tǒng)，通過前端安裝智能化采集設(shè)備，后端部署管控應(yīng)用軟件，達(dá)到檢查核實人員身份、聯(lián)動門禁進(jìn)行出入控制的結(jié)果。

3 ?設(shè)計思路

根據(jù)目前國內(nèi)外人員身份識別技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀，本公司提出采用多模態(tài)身份識別技術(shù)[5]，基于營區(qū)不同防護(hù)等級要求，通過不同身份識別組合應(yīng)用，來實現(xiàn)申請人員身份準(zhǔn)確識別。

3.1 ?防護(hù)區(qū)

防護(hù)區(qū)出入口作為人員進(jìn)入的第一道防線，只有通過身份識別后，營區(qū)人員方可在防護(hù)區(qū)內(nèi)進(jìn)行活動。

本公司提出采用人臉識別+虹膜識別多模態(tài)集成化技術(shù)[6]，將人臉識別和虹膜識別這兩者結(jié)合應(yīng)用。該設(shè)計思路不僅方便使用，在技術(shù)創(chuàng)新及推動技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用的結(jié)合發(fā)展方面具有重要意義。

3.2 ?監(jiān)控區(qū)

監(jiān)控區(qū)域內(nèi)對人員進(jìn)行身份識別和跟蹤監(jiān)控，掌握營區(qū)人員的身份和移動路線。考慮到營區(qū)內(nèi)營區(qū)人員常有統(tǒng)一著裝、著帽的特殊要求，本公司提出采用步態(tài)識別[7]+人臉識別組合技術(shù)模式，識別人員的身份，審核確認(rèn)其是否在授權(quán)名單上。

通過在前端監(jiān)控區(qū)域架設(shè)高清攝像機(jī)，基于前端視頻流，后臺利用人臉識別算法、步態(tài)識別算法進(jìn)行對目標(biāo)的提取和分析，實現(xiàn)對人員身份的識別及行為的跟蹤監(jiān)控。

3.3 ?限制區(qū)

限制區(qū)作為營區(qū)重點核心區(qū)域，只有通過身份識別后，營區(qū)人員方可在指定地點進(jìn)行活動。為了達(dá)到非接觸式識別要求，本公司提出采用掌紋+掌靜脈[8]集成于一體的設(shè)備進(jìn)行對人員身份的最后一步驗證。

本公司提出采用專用的雙目多光譜圖像傳感器，同時采集人的掌紋和手掌皮下靜脈圖像，將信息量豐富的掌紋和具有活體信息的掌靜脈進(jìn)行有效的融合，構(gòu)成一種多模態(tài)的生物特征識別系統(tǒng)。

4 ?系統(tǒng)總體架構(gòu)

依托軍隊網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)成果，按照自主可控要求，采用面向服務(wù)的架構(gòu)（SOA），充分利用大數(shù)據(jù)處理、自主學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建物理分布、邏輯一體、架構(gòu)一致的系統(tǒng)。多模態(tài)身份識別系統(tǒng)的總體架構(gòu)由感知層、傳輸層、支撐層、應(yīng)用層組成。具體架構(gòu)圖如圖1所示。

4.1 ?感知層

感知層使用基于人臉識別、虹膜識別、掌紋掌靜脈識別、步態(tài)識別等技術(shù)的感知設(shè)備，實現(xiàn)對人員身份的識別。通過各類感知設(shè)備的協(xié)作，實時監(jiān)測、感知和采集人員活動數(shù)據(jù)、身份數(shù)據(jù)、行為數(shù)據(jù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供多源數(shù)據(jù)支撐。

4.2 ?傳輸層

傳輸層采用COM、IP、Route、Switch等技術(shù)，通過將系統(tǒng)接入信息網(wǎng)絡(luò)，依靠各種通信手段和安全防護(hù)措施，隨時隨地進(jìn)行信息交互與共享。

4.3 ?支撐層

支撐層是多模態(tài)身份識別系統(tǒng)實現(xiàn)的重要部分，通過國產(chǎn)操作系統(tǒng)、國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、國產(chǎn)服務(wù)器構(gòu)成基礎(chǔ)支撐服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)、信息的統(tǒng)一匯聚，以此構(gòu)建運(yùn)行環(huán)境，提供共享、開放、融合、集成的信息服務(wù)能力。

（1）基礎(chǔ)服務(wù)：通過自主可控的國產(chǎn)操作系統(tǒng)、國產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、國產(chǎn)服務(wù)器、國產(chǎn)中間件構(gòu)建基礎(chǔ)支撐服務(wù)的軟硬件環(huán)境。（2）數(shù)據(jù)接入：采用Kettle、HTTP Restful API、WebSocket等技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)抽取、采集、清洗、標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)治理。（3）數(shù)據(jù)存儲：采用CVR、DM、Redis等技術(shù)組件，構(gòu)建實時在線存儲和離線長期存儲兩種功能，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的有效保存，能實現(xiàn)存儲的彈性擴(kuò)容和智能調(diào)度。（4）數(shù)據(jù)計算：綜合采用實時計算和離線計算等技術(shù)，對各類數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，提供關(guān)聯(lián)分析、智能預(yù)警等功能。使用Storm、Flink等實時并行計算技術(shù)，保證了數(shù)據(jù)的實時統(tǒng)計、分析。對于歷史數(shù)據(jù)分析部分，使用了MR、Hive、Spark等技術(shù)進(jìn)行高效并行分析。（5）中間件服務(wù)：采用ESB、Kafka、SOA等技術(shù)，構(gòu)建包括服務(wù)發(fā)現(xiàn)、服務(wù)注冊、設(shè)備管理、用戶服務(wù)、接口服務(wù)、消息服務(wù)、日志服務(wù)等。

4.4 ?應(yīng)用層

應(yīng)用層通過自主研發(fā)，采用Spring MVC、Tomcat、JSP等架構(gòu)技術(shù)結(jié)合專業(yè)功能組件進(jìn)行業(yè)務(wù)功能設(shè)計。

（1）人員信息注冊：提供營區(qū)人員抓拍庫、人員注冊庫的管理。支持對人員注冊庫的動態(tài)維護(hù)和管理，對現(xiàn)有人員底庫的更新維護(hù)（編輯、刪除）等。（2）虹膜人臉識別：支持對前端設(shè)備中抓拍的人臉圖片、虹膜圖片或上傳的對應(yīng)圖片進(jìn)行識別，提取特征數(shù)據(jù)并入庫。（3）掌紋掌靜脈識別：支持掌紋掌靜脈識別功能，實時檢測用戶手掌信息，并在定位圖像后提取掌紋特征和掌靜脈特征，將它們與數(shù)據(jù)庫中的底庫數(shù)據(jù)進(jìn)行一一比對分析。（4）步態(tài)識別：具備攝像機(jī)實時抓拍的步態(tài)結(jié)果展示功能，可對步態(tài)結(jié)果篩選、查看、保存等操作，并可進(jìn)行營區(qū)人員檢索、軌跡追蹤等應(yīng)用。（5）出入記錄查詢：支持按照前端設(shè)備、時間、人員姓名等不同維度進(jìn)行信息查詢統(tǒng)計。（6）信息告警管理：當(dāng)出現(xiàn)有人未經(jīng)授權(quán)就進(jìn)行識別、人員沒有通過合法方式強(qiáng)行開門或者破門而入等情況，系統(tǒng)軟件監(jiān)控界面會用紅色提示該報警信息的時間和位置。（7）人員權(quán)限管理：系統(tǒng)可針對不同的人員設(shè)置不同區(qū)域和不同時間的活動權(quán)限，實現(xiàn)對指定區(qū)域分級、分時段的通行權(quán)限管理，限制人員隨意進(jìn)入受控區(qū)域。

5 ?結(jié) ?論

本公司研發(fā)設(shè)計的系統(tǒng)采用虹膜、人臉、掌紋掌靜脈、步態(tài)等多種生物特征，通過多層次融合獲得比單一生物特征識別更好的識別性和可靠性，提高了受控區(qū)域的安全性。系統(tǒng)基于前端各類智能感知設(shè)備的安裝部署，實現(xiàn)非接觸式采集，安裝方便、響應(yīng)迅速、性能可靠，提高了營區(qū)人員的綜合管控水平和事件處置速度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王蘊(yùn)紅，范偉，譚鐵牛.融合全局與局部特征的子空間人臉識別算法 [J].計算機(jī)學(xué)報，2005（10）：1657-1663.

[2] 李志明.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的虹膜活體檢測算法研究 [J].計算機(jī)工程，2016，42（5）：239-243+248.

[3] 黃志星.基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的嵌入式指靜脈識別系統(tǒng) [D].廣州：華南理工大學(xué)，2017.

[4] 中央軍委裝備發(fā)展部.軍事目標(biāo)安全技術(shù)防范通用要求：GJB8856-2016 [S].北京：國家軍用標(biāo)準(zhǔn)出版發(fā)行部.2016.

[5] 謝璐，俞飛.基于多模態(tài)生物識別的安全身份認(rèn)證技術(shù) [J].保密科學(xué)技術(shù)，2016（1）：36-40.

[6] 肖珂，汪訓(xùn)昌，何云華，等.基于深度學(xué)習(xí)的虹膜人臉多特征融合識別 [J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2020，41（4）：1070-1073.

[7] 薛艷.基于人體步態(tài)識別技術(shù)的視頻監(jiān)控應(yīng)用研究 [J].無線互聯(lián)科技，2020，17（3）：160-161.

[8] 嚴(yán)嬌嬌.基于掌紋與掌靜脈雙模態(tài)融合特征識別研究 [D].西安：西北大學(xué)，2018.

作者簡介：張夢婷（1992.11—），女，漢族，安徽宣城人，高級工程師，碩士，研究方向：公共安全領(lǐng)域平安城市、軍工領(lǐng)域軍隊信息化等。