基于人臉識別的火車站監(jiān)控解決方案

　　建設(shè)平安城市，已經(jīng)成為當(dāng)今國際社會的一個重要話題。眾所周知，人體生物特征唯一、穩(wěn)定，且使用起來安全、可靠，那么如何將生物特征識別技術(shù)成功地應(yīng)用到現(xiàn)有的安防系統(tǒng)中，并整合出一套成熟、完善的應(yīng)用體系?

　　本文以基于人臉識別的某火車站布控監(jiān)控解決方案為例，介紹了如何在城市安防系統(tǒng)中運用人臉識別系統(tǒng)。

　　談到“平安城市”的建設(shè)，人們會很自然地聯(lián)想到近年來在世界各地發(fā)生的恐怖事件。在美國“911”恐怖襲擊、英國倫敦地鐵爆炸案之后，世界各國政府已逐漸將“反恐”、“城市安防”提到日程上。時下我國公安部也組織了“3111”工程，旨在全國范圍內(nèi)全面推動城市報警與監(jiān)控建設(shè)的重大工程項目。從2005年10月開始到2008年，在省、市、縣三級，每個省確定一個市，有條件的地市確定一個縣，有條件的縣確定一個社區(qū)或街區(qū)為試點，開展城市報警與監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)試點工程。隨著這項工作的深入開展將對我國監(jiān)控、報警行業(yè)的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用。這是繼2000年銀行監(jiān)控系統(tǒng)改造以來中國安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一個春天。

　　“平安城市”系統(tǒng)工程將涉及到大量的監(jiān)控和報警點建設(shè)，其整合產(chǎn)品之多，包含部門之廣，實屬前所未有。加上我國人口眾多，幅員遼闊，犯罪分子流動性較強(qiáng)，情況比較復(fù)雜，所以必須將具有智能作用的軟件系統(tǒng)與優(yōu)質(zhì)的硬件設(shè)施加以整合，組成實用高效的管理平臺和實用的解決方案，方能夠充分發(fā)揮其潛在效用，達(dá)到事半功倍的目的。業(yè)內(nèi)權(quán)威人士指出：“現(xiàn)在中國安防界并不缺安防器材，缺的是整體的解決方案。”

　　生物特征識別技術(shù)，在經(jīng)歷了世界各國科學(xué)家數(shù)十年潛心研究完善之后，已經(jīng)日趨成熟，并逐步地走上安防界的舞臺，不斷發(fā)揮出其重要的作用。有關(guān)專家預(yù)測：到2008年，中國生物特征識別技術(shù)的市場空間將增至數(shù)十億美元。因此，正確、高效地利用人體生物特征識別技術(shù)，尤其是人臉識別技術(shù)，將能夠給現(xiàn)有的城市安防監(jiān)控系統(tǒng)畫上點睛之筆，并將為建設(shè)“和諧社會”做出不可磨滅的貢獻(xiàn)。

　　1.生物識別技術(shù)

　　所謂的生物識別技術(shù)，是指通過計算機(jī)將人體固有的生理特征或行為特征收集起來并處理，來進(jìn)行個人身份鑒定的技術(shù)。生物識別技術(shù)利用的特征，大體上可以分為兩類。一類是與生俱來的生理特征，多為先天性的，如指紋、掌紋、虹膜、面像、DNA等;一類是行為特征，乃習(xí)慣使然，后天形成的，如步態(tài)、筆跡等。同傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方法，如身份標(biāo)識物品(鑰匙、證件、ATM卡)和身份標(biāo)識知識(用戶名和密碼)相比，生物識別技術(shù)具有認(rèn)證精度高、不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身“攜帶”和隨地可用等優(yōu)點，因而在電子商務(wù)、安全設(shè)備等多種場合得到應(yīng)用。安全監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)注的對象，往往是具有身份特征的“人”，因此，如何將生物識別技術(shù)有效地應(yīng)用到安全監(jiān)控系統(tǒng)中，引起了廣大生物識別技術(shù)提供商、安防設(shè)備生產(chǎn)商和應(yīng)用集成商濃厚的興趣。

　　1.1概述

　　一般而言，生物識別技術(shù)包括采集、預(yù)處理、特征提取、特征比對等模塊，處理流程如圖1所示。

　　圖1生物識別技術(shù)處理流程圖

　　在實現(xiàn)形式上，采集單元往往是作為一個獨立的設(shè)備存在的。例如，人臉識別技術(shù)中，一般通過CCD來采集人臉的圖像。而預(yù)處理、特征提取、特征比對一般是以獨立模塊或存在于計算機(jī)中算法模塊的形式存在，作為比對系統(tǒng)的一個模塊。比對過程是將采集、提取到的生物特征與統(tǒng)一存儲在數(shù)據(jù)庫或文件系統(tǒng)中的所有備選的生物特征進(jìn)行比較，確定最相似的一個或多個人作為輸出。

　　1.2應(yīng)用指標(biāo)

　　應(yīng)用生物識別技術(shù)，必須考慮以下幾個指標(biāo)：

　　1.可靠性

　　可靠性是識別技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)，與識別技術(shù)機(jī)理有著密不可分的關(guān)系?？煽啃院饬苛俗R別特征中蘊含的信息，以及這些信息的可分性。一般而言，識別特征蘊含的信息量越豐富，區(qū)分能力越強(qiáng)，可靠性就越好。

　　2.穩(wěn)定性

　　穩(wěn)定性是指識別特征是否會隨著環(huán)境和時間的變化而發(fā)生變化，是否能夠保持同一不變。

　　3.采集安全性

　　采集安全性是目前國際上都非常重視的一個問題，它主要考量的是識別特征的收集是否會對人體造成傷害。一般而言，人臉、聲音和虹膜識別這種非接觸式的采集方式較之指紋、掌紋、視網(wǎng)膜等直接接觸的采集方式要更安全。

　　4.便利性

　　便利性是生物識別技術(shù)應(yīng)用中非常重要的一個條件。便利性，一方面是指特征的便于攜帶、不易丟失、防偽防盜性能好;另一方面也是指識別特征采集過程中對人的要求。一般而言，直接采集方式的生物識別技術(shù)都需要人主動配合，采集時間也較長。這類生物識別技術(shù)的便利性較之非接觸式的生物識別技術(shù)要差。

　　5.響應(yīng)速度

　　響應(yīng)速度一般是指單次生物特征識別所需要的時間。一般而言，系統(tǒng)地響應(yīng)速度與應(yīng)用架構(gòu)有著密切關(guān)系。例如，在不同庫容的指紋、人臉數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行一次查詢，系統(tǒng)地響應(yīng)時間自然也不相同。為了比較不同的生物識別技術(shù)的響應(yīng)速度，通常我們可以用1：1比對所需要的時間來衡量。

　　6.識別性能

　　生物識別技術(shù)的性能一般用誤識率和拒識率兩個參數(shù)來衡量。所謂的誤識率是指識別錯誤的樣本占識別總數(shù)的比率;而拒識率是指沒有被正確識別的樣本占總的樣本的比率。

　　表1給出了指紋、人臉、聲音、虹膜、視網(wǎng)膜等生物識別技術(shù)上述指標(biāo)的比較結(jié)果。

　　表1各類生物識別技術(shù)比較

　　考慮安防系統(tǒng)本身的特點，識別特征采集的安全性、使用的便利性、系統(tǒng)的響應(yīng)速度是非常關(guān)鍵的。在這些方面，人臉、指紋是有優(yōu)勢的。例如，現(xiàn)有的基于生物識別技術(shù)的門禁系統(tǒng)多采用指紋、人臉作為識別特征。另一方面，在安防系統(tǒng)中部署生物識別系統(tǒng)，必須充分利用現(xiàn)有的安防設(shè)備，對現(xiàn)有系統(tǒng)地改造盡可能的小，成本造價盡可能的低。綜合這兩方面的因素，我們認(rèn)為人臉識別技術(shù)是現(xiàn)階段與安防系統(tǒng)成功結(jié)合的首選。

　　2人臉識別技術(shù)

　　在識別技術(shù)上，早期的人臉識別技術(shù)采用特征臉、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法，需要大量的訓(xùn)練樣本進(jìn)行訓(xùn)練?；趲缀翁卣鞯娜四樧R別方法利用人的眼、鼻、嘴等部件的形狀或類型以及它們之間的幾何關(guān)系來做識別。這種方法識別速度快，但識別率較低，并且，往往需要人工干預(yù)，確定眼睛、下巴等位置。

　　較之于其它的生物識別技術(shù)，人臉識別技術(shù)的優(yōu)勢非常明顯。首先，作為識別特征，人臉具有穩(wěn)定、可靠、安全、便利等特點。在一般情況下，人的面部特征是非常穩(wěn)定可靠的，“攜帶”便利。面像也是用于區(qū)分人的首要特征。正因為如此，在公安、安全部門的偵查、在安全保衛(wèi)、出入控制中，人像得到廣泛的應(yīng)用。其次，人臉圖像的采集非常方便，尤其是基于標(biāo)準(zhǔn)視頻的圖像采集方式。目前，絕大多數(shù)安防系統(tǒng)采用的都是可見光范圍內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)攝像頭，完全滿足人臉圖像的采集要求，不需要進(jìn)行任何改造或升級。人臉圖像的采集是非接觸式的，也不需要人主動配合，最大限度地提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。第三，與安防系統(tǒng)結(jié)合人臉識別系統(tǒng)能夠最大效能的發(fā)揮現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)勢，真正達(dá)到“預(yù)防-記錄-取證”的目標(biāo)。

　　我們知道，目前安防系統(tǒng)最關(guān)注的還是監(jiān)控場景中的人，尤其是重點關(guān)注的人及其行為。這種關(guān)注通常是“隱性的”，“非介入式”的，不能進(jìn)行專門的干預(yù)。采用人臉檢測技術(shù)可以快速的分析出場景中人的位置，采集到人的面部圖像。采用人臉識別技術(shù)，可以迅速的將這些圖像與數(shù)據(jù)庫中的“嫌疑人、“危險人物”等進(jìn)行比對排查。一旦命中，系統(tǒng)將迅速做出響應(yīng)。人臉識別系統(tǒng)采集的人臉圖像又可以作為非常重要的監(jiān)控數(shù)據(jù)記錄下來，存儲在監(jiān)控數(shù)據(jù)庫中，作為事后檢索的索引，或者與公安、安全部門的數(shù)據(jù)庫接駁，進(jìn)行取證、認(rèn)定。從這個角度來說，如果說目前的安防系統(tǒng)有“錄”無“防”的話，那么人臉識別系統(tǒng)的應(yīng)用，將給安防系統(tǒng)一雙“慧眼”，檢測、識別場景中的人，做到能“防”、能“錄”、能“查”，滿足機(jī)場、海關(guān)、金庫等重要場合的安全保障任務(wù)。

　　北京海鑫科金信息技術(shù)有限公司首席科學(xué)家、清華大學(xué)電子工程系丁曉青教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組采用基于彈性匹配的方法進(jìn)行人臉識別。該人臉識別技術(shù)包含了在復(fù)雜背景下多人臉實時檢測算法、人臉特征的提取及鑒別特征的篩選、以及在特征層次上的統(tǒng)計識別判決，對于光照、姿態(tài)、表情變化、年齡、裝飾甚至偽裝、場景、圖象來源具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力和魯棒性。圖2為人臉識別技術(shù)處理流程圖。

　　圖2人臉識別技術(shù)處理流程圖

　　該技術(shù)采用屬性拓?fù)鋱D來表示人臉，拓?fù)鋱D的任一個頂點均包含一個特征向量，用來記錄人臉在該點附近的信息。這種方法結(jié)合了灰度特性和幾何結(jié)構(gòu)，在比對時允許圖像存在彈性形變，在克服表情變化對識別影響方面收到了較好的效果。同時對于單個人也不再需要多個樣本進(jìn)行訓(xùn)練。以這種方法為核心的TH-IDFace系統(tǒng)在2004年第17屆國際模式識別大會舉辦的FAT2004人臉認(rèn)證競賽中，以高比率勝出而獲得大會頒發(fā)的唯一的“人臉驗證算法全面最優(yōu)性能獎”，為中國爭得了榮譽。

　　表2FAT2004人臉認(rèn)證競賽中TH-IDFace系統(tǒng)測試排名

　　3.案例分析

　　下面我們以國內(nèi)某市火車站監(jiān)控中心系統(tǒng)為例，分析人臉識別系統(tǒng)在城市安全監(jiān)控中的成功運用。

　　3.1案例背景

　　某市火車站地處重要地理位置，瀕臨多條繁華商業(yè)街區(qū)，站內(nèi)外客流量較大，流動作案分子較多，常有各類刑事案件發(fā)生。在進(jìn)出站行人中藏匿著各類特殊人群。當(dāng)有需要對這些人員進(jìn)行辨別、防范時，如何準(zhǔn)確、有效地發(fā)現(xiàn)他們就成為車站公安、安保部門迫切希望解決的問題。

　　根據(jù)目前國內(nèi)多數(shù)火車站進(jìn)出站管理流程的模式來看，火車站的進(jìn)站口、出站口、售票口都是有人值守的位置，而且是旅客必經(jīng)之地。另外在這類地區(qū)旅客的流動速度會放慢，因為每個旅客都會在這段時間被攝像頭拍攝。當(dāng)有特殊人群的查找任務(wù)出現(xiàn)時，上述地點將會成為公安、安保部門最為關(guān)注的地點。通常，相關(guān)部門會在進(jìn)出站口和售票處安裝錄像監(jiān)控設(shè)備，利用這些地點的特殊性來布置和實施信息網(wǎng)絡(luò)，搜集旅客的面部信息進(jìn)行辨認(rèn)識別。但人工查找和比對有很大的局限性，例如：人的記憶力有限，通常不能清楚地記住短時間接觸的對象的面部特征;不能同時辨認(rèn)多個對象;不能長時間保持注意力和辨認(rèn)力等等。因此現(xiàn)有的安防系統(tǒng)在這類應(yīng)用中的作用非常有限，且相關(guān)部門迫切需要引入人臉識別技術(shù)，來提高安全防范的效率和效果。

　　3.2方案設(shè)計與特點

　　結(jié)合前文介紹的各類生物識別技術(shù)的比較和案例背景需求的分析，我們選擇人臉作為識別特征。其原因主要在于：

　　直觀、自然

　　在本案例中，安保工作人員人工辨別也是采用人臉作為特征的，采用人臉識別技術(shù)最符合安保人員的工作習(xí)慣。

　　非接觸、便利

　　由于火車站流量大，必須保證一定的通過速度，避免旅客的等候與滯留。因此，采用指紋、掌紋、虹膜等需要旅客主動配合的，響應(yīng)速度慢的生物識別技術(shù)是不合適的。

　　成本

　　本案例中，相關(guān)部門已經(jīng)在各個關(guān)鍵位置安裝了視頻錄像系統(tǒng)?？蛻粝Ｍ軌?qū)ο到y(tǒng)的改造盡可能的小，成本低。指紋、掌紋、虹膜等識別方式需要安裝新的采集設(shè)備，必須重新進(jìn)行布線、安裝、聯(lián)調(diào)等，工作量大，成本高。而人像識別系統(tǒng)前端可以完全利用現(xiàn)有安防系統(tǒng)中的攝像頭，只需要在后端配置一臺人臉比對服務(wù)器，工作量小，成本低。

　　3.3系統(tǒng)架構(gòu)

　　整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3所示。在傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)之上，我們通過一個視頻分頻器將攝像頭采集到的監(jiān)控錄像輸送到海鑫人臉特征提取器里，完成人臉的檢測、存儲、記錄后，將人臉圖像通過局域網(wǎng)提交到人臉比對服務(wù)器上，與各類特殊人群數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對。比對的結(jié)果將實時顯示在人像比對顯示器上。一旦有人員命中，系統(tǒng)將觸發(fā)監(jiān)控室的語音報警系統(tǒng)，并將比對結(jié)果寫入系統(tǒng)日志。同時，在滯留室中，可以將犯罪嫌疑人的照片錄入到監(jiān)控對象數(shù)據(jù)庫中，并且提交到人臉比對服務(wù)器中，進(jìn)行實時比對，一旦命中，即可直接由相關(guān)工作人員確認(rèn)。

　　圖3某車站人臉識別監(jiān)控布控方案圖

　　公司整套系統(tǒng)應(yīng)用軟件以國際領(lǐng)先水平的、具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)為核心，并根據(jù)應(yīng)用的實際情況進(jìn)行定制化開發(fā)。例如，利用分布式計算技術(shù)，將人臉識別系統(tǒng)的主要模塊人臉自動檢測、特征提取與比對分?jǐn)偟饺四樚卣魈崛∑髋c比對服務(wù)器上，充分發(fā)揮了機(jī)器的協(xié)作處理能力，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度。根據(jù)機(jī)場安全保衛(wèi)系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程，實現(xiàn)了系統(tǒng)的授權(quán)與認(rèn)證管理、日志記錄、報表生成與打印等。

　　3.4實施效果

　　整個工程自2005年8月開始實施，歷時一個月竣工。

　　圖4某車站監(jiān)控指揮中心人臉比對顯示墻

　　圖4顯示了系統(tǒng)工作時的狀態(tài)。圖示時刻入站旅客與數(shù)據(jù)庫中匹配上，值守人員核對無誤后，監(jiān)控室將會收到報警信號，相關(guān)人員會迅速采取行動。

　　該系統(tǒng)自2005年10月正式投入使用。一年來，系統(tǒng)已正確識別出近百名嫌疑人員，誤識率小于1%，為安全保衛(wèi)部門提供了及時、準(zhǔn)確的信息與證據(jù)。未使用人臉識別系統(tǒng)的前兩年，車站相關(guān)工作人員只能通過人工辨別和檢查身份證的方式識別，耗時較長，效率很低，而借助人臉識別系統(tǒng)的點睛之筆，就能夠有效地發(fā)揮安防監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)有作用。

　　4.結(jié)語

　　人臉自動識別系統(tǒng)解決方案是信息技術(shù)、通訊技術(shù)和生物識別技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，也正是基于“平安城市”建設(shè)而實現(xiàn)安全防范管理的有效措施。海鑫人臉自動識別系統(tǒng)在使用時，依據(jù)人面像本身所固有的生理特征，利用圖像處理技術(shù)和模式識別的方法來達(dá)到身份識別或驗證目的。該系統(tǒng)采用國際領(lǐng)先的識別算法，用于大規(guī)模面像照片和相關(guān)信息數(shù)據(jù)庫中高準(zhǔn)確度、高速度的身份認(rèn)證，具有速度快、精度高、對環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點。因其安全、適用面廣、極為方便的使用和管理方式，被應(yīng)用于海關(guān)、機(jī)場、金融機(jī)構(gòu)、賓館、校園、高檔寫字樓、智能化小區(qū)等高安全性要求的重要場所。該系統(tǒng)已成為安全防范進(jìn)入新一代生物識別領(lǐng)域的重要標(biāo)志。

　　城市安全已經(jīng)成為社會各界日益關(guān)注的話題。人們在生活質(zhì)量提高的同時，愈來愈關(guān)心自己的生命和生存環(huán)境的安全。而現(xiàn)有被動的安防監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足這種對于安全的強(qiáng)烈需求，于是生物識別技術(shù)的出現(xiàn)與成熟為建設(shè)主動式、智能型安全監(jiān)控系統(tǒng)提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。在車站、機(jī)場、海關(guān)等重要場合的安全保衛(wèi)工作中，生物識別技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮巨大的作用。