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(shí)別技術(shù)也在逐步完善，針對(duì)動(dòng)態(tài)視頻人臉識(shí)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(shí)別系統(tǒng)，并通過擴(kuò)展應(yīng)用提高人臉識(shí)別技術(shù)的實(shí)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(shí)戰(zhàn)應(yīng)用成果。

【關(guān)鍵詞】高清 攝像頭 人臉識(shí)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(chǎng)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(shí)別、圖像處理、視頻快速檢索、全景攝像、主動(dòng)預(yù)警等技術(shù)的功能也日臻完善，開始走入民用市場(chǎng)。針對(duì)于人的面部特征進(jìn)行有效識(shí)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(shí)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(chǎng)同時(shí)引起廣泛關(guān)注，筆者重點(diǎn)從一種人臉識(shí)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(yùn)算兩個(gè)方面對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行闡述，嘗試一種更為精準(zhǔn)的人臉識(shí)別配套運(yùn)算方式（“看門人”擴(kuò)展算法），使其更為有效的應(yīng)用于實(shí)際生活。

1 技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 高清安防設(shè)備現(xiàn)狀

國(guó)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(shì)，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(chǔ)設(shè)備壓力，可實(shí)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(dòng)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(dòng)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(bào)警、雙向視頻通話、移動(dòng)偵測(cè)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(shí)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(shí)別技術(shù)現(xiàn)狀

人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成為行業(yè)熱點(diǎn)，既有?？低?、大華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(huì)應(yīng)用，更有騰訊、谷歌等核心算法開發(fā)企業(yè)推動(dòng)技術(shù)革新（如表1所示）。國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)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(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)》、《GA/T 1093-2013 出入口控制人臉識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)要求》、《GA/T 1126-2013 近紅外人臉識(shí)別設(shè)備技術(shù)要求》、《GA/T 1212-2014 安防人臉識(shí)別應(yīng)用防假體攻擊測(cè)試方法》和《GA/T 31488-2015 安全方法視頻監(jiān)控人臉識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)要求》等，人臉識(shí)別的技術(shù)規(guī)范體系不斷健全。四種常用的人臉識(shí)別核心算法，如表1所示。

1.3 人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

相比于指紋識(shí)別，人臉識(shí)別的應(yīng)用要滯后得多，2011年起才開始在我國(guó)走入民用市場(chǎng)，但在僅僅不到四年的時(shí)間里，人臉識(shí)別的市場(chǎng)份額就驟增百分之二十五以上，成為生物識(shí)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(shí)市場(chǎng)狀況影響，人臉識(shí)別技術(shù)必須配合實(shí)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(duì)數(shù)據(jù)量小，比對(duì)環(huán)境理想，被檢測(cè)人員能夠主動(dòng)配合檢測(cè)等因素，其誤報(bào)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(chǎng)、火車站等海量人臉比對(duì)的環(huán)境中，攝像機(jī)位置、被檢測(cè)人員非主動(dòng)配合、比對(duì)庫(kù)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(shí)效性等問題，使得人臉識(shí)別表現(xiàn)出并不可靠的一面。

綜合市場(chǎng)應(yīng)用反饋，我們發(fā)現(xiàn)，人臉識(shí)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(duì)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(shí)別系統(tǒng)更加智能和精準(zhǔn)。

2 一種適用于動(dòng)態(tài)人臉識(shí)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(gè)特點(diǎn)：

2.1 出入口情況

出入口數(shù)量不多，在6個(gè)以內(nèi)為佳，適合建設(shè)小型化單獨(dú)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(chǎng)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(shí)別系統(tǒng)的長(zhǎng)期不間斷運(yùn)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(shí)別系統(tǒng)本身雖然不需要有操作人員24小時(shí)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(shí)巡檢制度，以保持系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

3 一種能夠快速搭建的人臉識(shí)別系統(tǒng)

人臉識(shí)別系統(tǒng)一般由四個(gè)部分組成，分別是：人臉圖像的檢測(cè)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(shí)別。前三個(gè)部分系統(tǒng)組成已經(jīng)可以實(shí)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(diǎn)的分散式運(yùn)算，但系統(tǒng)的比對(duì)速度和識(shí)別比對(duì)率主要取決于第四部分，即對(duì)前端采集來的人臉特征在比對(duì)圖像庫(kù)中進(jìn)行比對(duì)的準(zhǔn)確性和比對(duì)效率。

根據(jù)使用環(huán)境設(shè)置，我們選取一種簡(jiǎn)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(duì)匹配服務(wù)和針對(duì)性較強(qiáng)的擴(kuò)展應(yīng)用服務(wù)組成的小范圍單獨(dú)式人臉識(shí)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(duì)色彩還原和低照度圖像增強(qiáng)等技術(shù)能力。在實(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，我們選擇銀晨品牌的ISCamHD-200，該型號(hào)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(shí)際測(cè)試實(shí)驗(yàn)中暫未考慮安全措施，采取無線WIFI的傳輸形式。

3.3 比對(duì)和擴(kuò)展服務(wù)設(shè)備

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際數(shù)據(jù)情況（大樓內(nèi)住戶約800人，日均訪客約100人），評(píng)估后臺(tái)服務(wù)屬于小數(shù)據(jù)計(jì)算，在測(cè)試實(shí)驗(yàn)中選用性能較高的PC機(jī)進(jìn)行后臺(tái)運(yùn)算。人臉識(shí)別系統(tǒng)原理圖，如圖1所示。

4 基于人臉識(shí)別系統(tǒng)的“看門人”擴(kuò)展算法模型

在傳統(tǒng)的人臉識(shí)別系統(tǒng)中，用戶更為看中圖像識(shí)別核心算法本身的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用識(shí)別率，但在實(shí)際應(yīng)用過程中，不同識(shí)別核心算法所表現(xiàn)出來的效果差距并不巨大。針對(duì)本文所設(shè)定的測(cè)試環(huán)境，前文所提到的四種常用圖像識(shí)別核心算法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的差距影響可忽略不計(jì)，我們嘗試在核心識(shí)別算法以外，綜合利用實(shí)地客觀環(huán)境因素，提煉擴(kuò)展算法，達(dá)到了提高人臉識(shí)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(dòng)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(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)抓取經(jīng)過攝像機(jī)的人臉圖片比對(duì)，沒有比中就將圖片入庫(kù)，如果比中就對(duì)比中次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，在系統(tǒng)投入使用的初期，比對(duì)庫(kù)是空的，隨著系統(tǒng)比中增加，比對(duì)庫(kù)最終會(huì)達(dá)到一個(gè)趨于相對(duì)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(jì)數(shù)閾值，當(dāng)計(jì)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(duì)庫(kù)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(shí)，匹配真實(shí)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(dòng)進(jìn)行常規(guī)比對(duì)，對(duì)采集到的人臉進(jìn)行判斷，對(duì)符合“看門人名單”的進(jìn)行計(jì)數(shù)，不符合的進(jìn)行圖像入庫(kù)并提示“生人”給管理人員核查，同時(shí)進(jìn)行“生人”計(jì)數(shù)，當(dāng)同一“生人”計(jì)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(duì)“看門人名單”中的人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行“未出現(xiàn)時(shí)長(zhǎng)計(jì)時(shí)”，當(dāng)采集到圖像時(shí)計(jì)時(shí)清零，當(dāng)未采集到計(jì)時(shí)時(shí)長(zhǎng)超過設(shè)定閾值時(shí)，系統(tǒng)給出提示，由管理人員核實(shí)該人是否已經(jīng)不在此居住。

4.4 “家庭”歸類

針對(duì)同一時(shí)間段內(nèi)（預(yù)設(shè)為10秒）同時(shí)出現(xiàn)的人臉進(jìn)行標(biāo)識(shí)計(jì)數(shù)，當(dāng)人臉同時(shí)出現(xiàn)次數(shù)超過習(xí)慣性的閾值范圍，即判斷該幾個(gè)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(duì)所有采集到的人臉信息出現(xiàn)時(shí)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(shí)段、節(jié)假日出入時(shí)段等。

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

5 一種分布式聯(lián)網(wǎng)比對(duì)的應(yīng)用模式

根據(jù)人臉識(shí)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(chǎng)位置、角度、光線和人臉出現(xiàn)的移動(dòng)方位這些能夠影響識(shí)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(duì)率相對(duì)接近完美，能夠可靠應(yīng)用。相比于海量人臉比對(duì)系統(tǒng)中存在的比對(duì)效率低下、傳輸延遲大、誤報(bào)率高等現(xiàn)實(shí)問題，我們嘗試將海量問題化整為零，在單獨(dú)式系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，以人臉?biāo)P(guān)聯(lián)的身份證號(hào)碼（管理人員根據(jù)需要進(jìn)行人工核實(shí)后）作為唯一比對(duì)項(xiàng)，進(jìn)行大范圍的互聯(lián)比對(duì)。

此種分布式聯(lián)網(wǎng)比對(duì)應(yīng)用模式有如下四個(gè)優(yōu)勢(shì)：

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

此種平臺(tái)互聯(lián)方式解決了單獨(dú)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(duì)核實(shí)后的身份證號(hào)碼進(jìn)行確認(rèn)，對(duì)單獨(dú)式平臺(tái)的識(shí)別方法和圖片數(shù)據(jù)格式及特征項(xiàng)沒有要求，有效規(guī)避了對(duì)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(duì)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(shí)才傳輸圖片和視頻，優(yōu)化了傳統(tǒng)類似項(xiàng)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(huì)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(shí)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(huì)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(xiàng)目實(shí)施的實(shí)際。

6 結(jié)語

在可期的未來，一方面人臉識(shí)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(dòng)技術(shù)革新，另一方圍繞人臉識(shí)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(dòng)人臉識(shí)別產(chǎn)品的普及應(yīng)用，可以預(yù)見人臉識(shí)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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