基于人臉識別的火車(chē)站監控解決方案

　　建設平安城市，已經(jīng)成為當今國際社會(huì )的一個(gè)重要話(huà)題。眾所周知，人體生物特征唯一、穩定，且使用起來(lái)安全、可靠，那么如何將生物特征識別技術(shù)成功地應用到現有的安防系統中，并整合出一套成熟、完善的應用體系?

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

　　談到“平安城市”的建設，人們會(huì )很自然地聯(lián)想到近年來(lái)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(shí)下我國公安部也組織了“3111”工程，旨在全國范圍內全面推動(dòng)城市報警與監控建設的重大工程項目。從2005年10月開(kāi)始到2008年，在省、市、縣三級，每個(gè)省確定一個(gè)市，有條件的地市確定一個(gè)縣，有條件的縣確定一個(gè)社區或街區為試點(diǎn)，開(kāi)展城市報警與監控系統建設試點(diǎn)工程。隨著(zhù)這項工作的深入開(kāi)展將對我國監控、報警行業(yè)的發(fā)展起到巨大的促進(jìn)作用。這是繼2000年銀行監控系統改造以來(lái)中國安防產(chǎn)業(yè)發(fā)展的又一個(gè)春天。

　　“平安城市”系統工程將涉及到大量的監控和報警點(diǎn)建設，其整合產(chǎn)品之多，包含部門(mén)之廣，實(shí)屬前所未有。加上我國人口眾多，幅員遼闊，犯罪分子流動(dòng)性較強，情況比較復雜，所以必須將具有智能作用的軟件系統與優(yōu)質(zhì)的硬件設施加以整合，組成實(shí)用高效的管理平臺和實(shí)用的解決方案，方能夠充分發(fā)揮其潛在效用，達到事半功倍的目的。業(yè)內權威人士指出：“現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(zhuān)家預測：到2008年，中國生物特征識別技術(shù)的市場(chǎng)空間將增至數十億美元。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)，將能夠給現有的城市安防監控系統畫(huà)上點(diǎn)睛之筆，并將為建設“和諧社會(huì )”做出不可磨滅的貢獻。

　　1.生物識別技術(shù)

　　所謂的生物識別技術(shù)，是指通過(guò)計算機將人體固有的生理特征或行為特征收集起來(lái)并處理，來(lái)進(jìn)行個(gè)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(lèi)。一類(lèi)是與生俱來(lái)的生理特征，多為先天性的，如指紋、掌紋、虹膜、面像、DNA等;一類(lèi)是行為特征，乃習慣使然，后天形成的，如步態(tài)、筆跡等。同傳統的身份認證方法，如身份標識物品(鑰匙、證件、ATM卡)和身份標識知識(用戶(hù)名和密碼)相比，生物識別技術(shù)具有認證精度高、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(diǎn)，因而在電子商務(wù)、安全設備等多種場(chǎng)合得到應用。安全監控系統關(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)有效地應用到安全監控系統中，引起了廣大生物識別技術(shù)提供商、安防設備生產(chǎn)商和應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(shí)現形式上，采集單元往往是作為一個(gè)獨立的設備存在的。例如，人臉識別技術(shù)中，一般通過(guò)CCD來(lái)采集人臉的圖像。而預處理、特征提取、特征比對一般是以獨立模塊或存在于計算機中算法模塊的形式存在，作為比對系統的一個(gè)模塊。比對過(guò)程是將采集、提取到的生物特征與統一存儲在數據庫或文件系統中的所有備選的生物特征進(jìn)行比較，確定最相似的一個(gè)或多個(gè)人作為輸出。

　　1.2應用指標

　　應用生物識別技術(shù)，必須考慮以下幾個(gè)指標：

　　1.可靠性

　　可靠性是識別技術(shù)應用的基礎，與識別技術(shù)機理有著(zhù)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，區分能力越強，可靠性就越好。

　　2.穩定性

　　穩定性是指識別特征是否會(huì )隨著(zhù)環(huán)境和時(shí)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(gè)問(wèn)題，它主要考量的是識別特征的收集是否會(huì )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)應用中非常重要的一個(gè)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(guò)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(dòng)配合，采集時(shí)間也較長(cháng)。這類(lèi)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.響應速度

　　響應速度一般是指單次生物特征識別所需要的時(shí)間。一般而言，系統地響應速度與應用架構有著(zhù)密切關(guān)系。例如，在不同庫容的指紋、人臉數據庫中進(jìn)行一次查詢(xún)，系統地響應時(shí)間自然也不相同。為了比較不同的生物識別技術(shù)的響應速度，通常我們可以用1：1比對所需要的時(shí)間來(lái)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(gè)參數來(lái)衡量。所謂的誤識率是指識別錯誤的樣本占識別總數的比率;而拒識率是指沒(méi)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)上述指標的比較結果。

　　表1各類(lèi)生物識別技術(shù)比較

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

　　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，需要大量的訓練樣本進(jìn)行訓練?；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(lèi)型以及它們之間的幾何關(guān)系來(lái)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，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，人臉具有穩定、可靠、安全、便利等特點(diǎn)。在一般情況下，人的面部特征是非常穩定可靠的，“攜帶”便利。面像也是用于區分人的首要特征。正因為如此，在公安、安全部門(mén)的偵查、在安全保衛、出入控制中，人像得到廣泛的應用。其次，人臉圖像的采集非常方便，尤其是基于標準視頻的圖像采集方式。目前，絕大多數安防系統采用的都是可見(jiàn)光范圍內的標準攝像頭，完全滿(mǎn)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(dòng)配合，最大限度地提高了系統的響應速度。第三，與安防系統結合人臉識別系統能夠最大效能的發(fā)揮現有監控系統的優(yōu)勢，真正達到“預防-記錄-取證”的目標。

　　我們知道，目前安防系統最關(guān)注的還是監控場(chǎng)景中的人，尤其是重點(diǎn)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(zhuān)門(mén)的干預。采用人臉檢測技術(shù)可以快速的分析出場(chǎng)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據庫中的“嫌疑人、“危險人物”等進(jìn)行比對排查。一旦命中，系統將迅速做出響應。人臉識別系統采集的人臉圖像又可以作為非常重要的監控數據記錄下來(lái)，存儲在監控數據庫中，作為事后檢索的索引，或者與公安、安全部門(mén)的數據庫接駁，進(jìn)行取證、認定。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，如果說(shuō)目前的安防系統有“錄”無(wú)“防”的話(huà)，那么人臉識別系統的應用，將給安防系統一雙“慧眼”，檢測、識別場(chǎng)景中的人，做到能“防”、能“錄”、能“查”，滿(mǎn)足機場(chǎng)、海關(guān)、金庫等重要場(chǎng)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)包含了在復雜背景下多人臉實(shí)時(shí)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(chǎng)景、圖象來(lái)源具有極強的適應能力和魯棒性。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)采用屬性拓撲圖來(lái)表示人臉，拓撲圖的任一個(gè)頂點(diǎn)均包含一個(gè)特征向量，用來(lái)記錄人臉在該點(diǎn)附近的信息。這種方法結合了灰度特性和幾何結構，在比對時(shí)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(shí)對于單個(gè)人也不再需要多個(gè)樣本進(jìn)行訓練。以這種方法為核心的TH-IDFace系統在2004年第17屆國際模式識別大會(huì )舉辦的FAT2004人臉認證競賽中，以高比率勝出而獲得大會(huì )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(yù)。

　　表2FAT2004人臉認證競賽中TH-IDFace系統測試排名

　　3.案例分析

　　下面我們以國內某市火車(chē)站監控中心系統為例，分析人臉識別系統在城市安全監控中的成功運用。

　　3.1案例背景

　　某市火車(chē)站地處重要地理位置，瀕臨多條繁華商業(yè)街區，站內外客流量較大，流動(dòng)作案分子較多，常有各類(lèi)刑事案件發(fā)生。在進(jìn)出站行人中藏匿著(zhù)各類(lèi)特殊人群。當有需要對這些人員進(jìn)行辨別、防范時(shí)，如何準確、有效地發(fā)現他們就成為車(chē)站公安、安保部門(mén)迫切希望解決的問(wèn)題。

　　根據目前國內多數火車(chē)站進(jìn)出站管理流程的模式來(lái)看，火車(chē)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(lèi)地區旅客的流動(dòng)速度會(huì )放慢，因為每個(gè)旅客都會(huì )在這段時(shí)間被攝像頭拍攝。當有特殊人群的查找任務(wù)出現時(shí)，上述地點(diǎn)將會(huì )成為公安、安保部門(mén)最為關(guān)注的地點(diǎn)。通常，相關(guān)部門(mén)會(huì )在進(jìn)出站口和售票處安裝錄像監控設備，利用這些地點(diǎn)的特殊性來(lái)布置和實(shí)施信息網(wǎng)絡(luò )，搜集旅客的面部信息進(jìn)行辨認識別。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(shí)間接觸的對象的面部特征;不能同時(shí)辨認多個(gè)對象;不能長(cháng)時(shí)間保持注意力和辨認力等等。因此現有的安防系統在這類(lèi)應用中的作用非常有限，且相關(guān)部門(mén)迫切需要引入人臉識別技術(shù)，來(lái)提高安全防范的效率和效果。

　　3.2方案設計與特點(diǎn)

　　結合前文介紹的各類(lèi)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(guān)、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慣。

　　非接觸、便利

　　由于火車(chē)站流量大，必須保證一定的通過(guò)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(dòng)配合的，響應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(mén)已經(jīng)在各個(gè)關(guān)鍵位置安裝了視頻錄像系統?？蛻?hù)希望能夠對系統的改造盡可能的小，成本低。指紋、掌紋、虹膜等識別方式需要安裝新的采集設備，必須重新進(jìn)行布線(xiàn)、安裝、聯(lián)調等，工作量大，成本高。而人像識別系統前端可以完全利用現有安防系統中的攝像頭，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系統架構

　　整個(gè)系統的架構如圖3所示。在傳統的視頻監控系統之上，我們通過(guò)一個(gè)視頻分頻器將攝像頭采集到的監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(guò)局域網(wǎng)提交到人臉比對服務(wù)器上，與各類(lèi)特殊人群數據庫進(jìn)行比對。比對的結果將實(shí)時(shí)顯示在人像比對顯示器上。一旦有人員命中，系統將觸發(fā)監控室的語(yǔ)音報警系統，并將比對結果寫(xiě)入系統日志。同時(shí)，在滯留室中，可以將犯罪嫌疑人的照片錄入到監控對象數據庫中，并且提交到人臉比對服務(wù)器中，進(jìn)行實(shí)時(shí)比對，一旦命中，即可直接由相關(guān)工作人員確認。

　　圖3某車(chē)站人臉識別監控布控方案圖

　　公司整套系統應用軟件以國際領(lǐng)先水平的、具有完全自主知識產(chǎn)權的技術(shù)為核心，并根據應用的實(shí)際情況進(jìn)行定制化開(kāi)發(fā)。例如，利用分布式計算技術(shù)，將人臉識別系統的主要模塊人臉自動(dòng)檢測、特征提取與比對分攤到人臉特征提取器與比對服務(wù)器上，充分發(fā)揮了機器的協(xié)作處理能力，提高了系統的響應速度。根據機場(chǎng)安全保衛系統的業(yè)務(wù)流程，實(shí)現了系統的授權與認證管理、日志記錄、報表生成與打印等。

　　3.4實(shí)施效果

　　整個(gè)工程自2005年8月開(kāi)始實(shí)施，歷時(shí)一個(gè)月竣工。

　　圖4某車(chē)站監控指揮中心人臉比對顯示墻

　　圖4顯示了系統工作時(shí)的狀態(tài)。圖示時(shí)刻入站旅客與數據庫中匹配上，值守人員核對無(wú)誤后，監控室將會(huì )收到報警信號，相關(guān)人員會(huì )迅速采取行動(dòng)。

　　該系統自2005年10月正式投入使用。一年來(lái)，系統已正確識別出近百名嫌疑人員，誤識率小于1%，為安全保衛部門(mén)提供了及時(shí)、準確的信息與證據。未使用人臉識別系統的前兩年，車(chē)站相關(guān)工作人員只能通過(guò)人工辨別和檢查身份證的方式識別，耗時(shí)較長(cháng)，效率很低，而借助人臉識別系統的點(diǎn)睛之筆，就能夠有效地發(fā)揮安防監控系統的應有作用。

　　4.結語(yǔ)

　　人臉自動(dòng)識別系統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”建設而實(shí)現安全防范管理的有效措施。海鑫人臉自動(dòng)識別系統在使用時(shí)，依據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(lái)達到身份識別或驗證目的。該系統采用國際領(lǐng)先的識別算法，用于大規模面像照片和相關(guān)信息數據庫中高準確度、高速度的身份認證，具有速度快、精度高、對環(huán)境適應能力強等優(yōu)點(diǎn)。因其安全、適用面廣、極為方便的使用和管理方式，被應用于海關(guān)、機場(chǎng)、金融機構、賓館、校園、高檔寫(xiě)字樓、智能化小區等高安全性要求的重要場(chǎng)所。該系統已成為安全防范進(jìn)入新一代生物識別領(lǐng)域的重要標志。

　　城市安全已經(jīng)成為社會(huì )各界日益關(guān)注的話(huà)題。人們在生活質(zhì)量提高的同時(shí)，愈來(lái)愈關(guān)心自己的生命和生存環(huán)境的安全。而現有被動(dòng)的安防監控系統已經(jīng)不能滿(mǎn)足這種對于安全的強烈需求，于是生物識別技術(shù)的出現與成熟為建設主動(dòng)式、智能型安全監控系統提供了必要的技術(shù)基礎。在車(chē)站、機場(chǎng)、海關(guān)等重要場(chǎng)合的安全保衛工作中，生物識別技術(shù)將繼續發(fā)揮巨大的作用。