基于“數字化圖像”的圖像遠程采集系統設計

黃煒

江蘇省高校招生就業指導服務中心，江蘇 南京 210024

0 引言

隨著圖像處理技術的發展，電子照片可能會被美化、修改等，從而失去相片原有的信息特征，很難保證其采集的真實性和時效性；證件照的拍攝在像素、規格、色彩、表情、姿態、衣著等方面都有嚴格的技術要求，必須具備較高的專業技術和圖像處理的知識。從2020年開始，全國傳統的進校采集工作在實際工作站變得更加艱難，為減少各類人員的工作壓力，提高工作效率，更優質地完成圖像采集工作，我們專門開發了圖像遠程采集系統。本文建設的圖像遠程采集系統，根據三點定位法、基礎圖像處理算法，自動裁剪出符合學信網要求的電子照片。

根據預先設置的電子照片類型對應的特征參數經驗值，對電子照片進行曝光、清晰度、色彩、噪聲和背景進行相應的優化處理，從而制作出符合要求的電子照片。采集服務器接收客戶端發送的經加密壓縮后符合要求的電子照片，并對電子照片進行解密和解壓縮；服務器展示經解密和解壓縮后的電子照片，對電子照片進行人工復核；當電子照片通過人工復核之后，服務器生成對應的電子照片采集回執，從而完成畢業生的遠程圖像采集工作。

1 系統功能分析

1.1 總管理員

1.1.1 片區分配

總管理員為片區管理員分配賬號，維護用戶名、登錄密碼、單位地址、聯系人、聯系電話等信息。

1.1.2 學校管理

（1）學校管理。學校信息的管理與維護，總管理員為學校相關負責人分配賬號，查看/編輯學校名稱、登錄密碼、學校地址、圖采部門、負責人、聯系人、聯系電話等基礎資料。

（2）學生管理。對學生信息的管理及維護，支持學生信息的新增、編輯、刪除等操作，可根據學生姓名、學號等相關信息搜索查詢。

1.1.3 收費管理

（1）收費標準設置。設置交費的交費方式，支持學校統一交費、個人在線交費兩種方式；并可以對收費標準進行自定義。

學校統一交費：學校統一繳納照片采集費用；個人在線交費：學生個人支付圖像采集費用。

（2）交費管理。每場活動內的交費信息列表，可根據學校、交費時間、身份證號等相關信息查看學生的交費明細。

（3）統計管理。統計交費活動中各校的應收、實收、退費等明細情況，生成數據報表，數據報表可查看導出。

1.1.4 照片管理

（1）照片查看。在線查看學生照片，可根據學生姓名、學號、所屬院校等信息篩選學生，并查看已經制作完成的照片。

（2）照片下載。對已經上傳制作完成的照片進行下載，支持照片的單個下載及批量下載；下載的照片以加密壓縮包的形式進行存儲，照片根據學生的身份證號碼進行命名。

（3）照片上傳。學生在手機上拍攝照片以后，自動上傳系統的服務器進行制作處理，照片制作完成后，系統自動發送短信通知學生照片制作進度。

1.1.5 開票處理

（1）個人開票。學生交費完成后系統為每位學生開具電子發票，并通過短信的方式將發票下載地址發送給學生。

（2）學校開票。學校統一交費完成后為學校開具電子發票或紙質發票，電子發票通過短信的方式將發票下載地址發送給學校相關負責人，紙質發票通過郵寄的方式郵寄給學校相關負責人，并記錄郵寄地址，發送物流進度。

1.2 財務管理員

1.2.1 收費管理

（1）交費明細。每場活動內地交費的信息列表，可根據學校、交費時間、身份證號等相關信息查看學生的交費明細。

（2）報錯通知。學生在支付過程中會出現突然斷網等特殊情況，交費成功或者失敗，系統均會發送短信告知學生交費結果。

（3）統計管理。統計交費活動中學校的應收、實收、退費等明細情況，生成數據報表，數據報表可查看導出。

1.2.2 開票處理

（1）個人開票。學生交費完成后系統為每位學生開具電子發票，并通過短信的方式將發票地址發送給學生。

（2）學校發票。學校統一交費完成后為學校開具電子發票或紙質發票，電子發票通過短信的方式將發票下載地址發送給學校相關負責人，紙質發票通過郵寄的方式郵寄給學校相關負責人，并記錄郵寄地址，同步開票進度，發送物流進度。

1.3 片區管理員

1.3.1 學校管理

（1）學校管理。學校信息的管理與維護，總管理員為學校相關負責人分配賬號，查看/編輯學校名稱、登錄密碼、學校地址、圖采工作管理部門、負責人、聯系人、聯系電話等基礎資料。

（2）學生管理。對學生信息的管理及維護，支持學生信息的新增、編輯、刪除等操作，可根據學生姓名、學號等相關信息搜索查詢。

1.3.2 收費管理

（1）收費標準設置。設置學生交費的交費方式，支持學校統一交費、個人在線交費兩種方式；并可以對收費標準進行自定義。

學校統一交費：學校統一繳納圖像采集費用；個人在線交費：學生個人支付圖像采集費用。

（2）交費管理。每場交費活動內的交費的信息列表，可根據學校、交費時間、身份證號等相關信息查看學生的交費明細。

（3）統計管理。統計交費活動中各校的應收、實收、退費等明細情況，生成數據報表，數據報表可查看導出。

1.3.3 照片管理

（1）照片查看。在線查看學生照片，可根據學生姓名、學號、所屬院校等信息篩選學生，并查看已經制作完成的照片。

（2）照片下載。對已經上傳制作完的照片進行下載，支持照片的單個下載及批量下載；下載的照片以加密壓縮包的形式進行存儲，照片根據學生的身份證號碼進行命名。

（3）照片上傳。學生在手機上拍攝照片以后，自動上傳系統的服務器進行制作處理，照片制作完成后，系統自動下發短信通知學生照片制作進度。

1.4 學校管理員

1.4.1 學生管理

（1）學生管理。對學生信息的管理及維護，支持學生信息的新增、編輯、刪除等操作，可根據學生姓名、學號等相關信息搜索查詢；支持學生信息的批量導入，下載學生數據導入模板，根據模板填寫學生相關信息進行批量導入。

（2）院系管理。對學校的院系組織架構進行維護管理，支持院系信息的新增、編輯、刪除、批量導入等相關操作；

（3）年度管理。對學校的學生畢業年度進行維護管理，支持年度的新增、編輯、刪除、批量導入等相關操作。

1.4.2 收費管理

（1）收費發起。對交費活動內學校的交費進行配置，支持圖采工作校內通知文字（拍照時間、地點、注意事項等）自定義，設置是否批量交費（批量交費，學校繳納圖像采集費用；非批量繳費，學生繳納拍照費用）、交費起止時間，配置完成后，系統自動生成收費鏈接及二維碼，管理員可進行查看下載。

（2）發票管理。學生交費完成后系統為每位學生開具電子發票，并通過短信的方式將發票下載地址發送給學生；學校統一交費完成后為學校開具電子發票或紙質發票，電子發票通過短信的方式將發票下載地址發送給學校相關負責人，紙質發票通過郵寄的方式郵寄給學校相關負責人，并記錄郵寄地址，發送物流進度。

（3）統計管理。統計交費活動中學校的應收、實收、退費等明細情況，生成數據報表，數據報表可查看導出。

（4）批量交費。圖像遠程采集系統支持圖像采集的批量繳費，在線進行批量交費，填寫發票信息；支持電子發票與紙質發票的生成，可查看紙質開票進度，下載電子發票；

1.4.3 照片管理

（1）照片查看。在線查看學生照片，可根據學生姓名、學號、所屬院校等信息篩選學生，并查看已經制作完成的照片。

（2）照片下載。對已經上傳制作完的照片進行下載，支持照片的單個下載及批量下載；下載的照片以加密壓縮包的形式進行存儲，根據學生的身份證號碼進行命名。

1.5 學生

1.5.1 登錄驗證

通過微信小程序，進入圖像遠程采集系統；選擇學校、輸入身份證號、姓名、手機號、手機號短信驗證碼進行驗證，驗證通過后設置登錄密碼，通過手機號加密碼進行登錄。

1.5.2 圖像采集

圖像采集支持相冊上傳、現場拍攝多方式上傳圖片。

相冊上傳：圖片上傳后，系統對照片進行檢測處理，制作符合采集要求的照片。

現場拍攝：用戶拍攝需觀看完整拍攝引導視頻及注意事項，拍攝完成后，系統根據嚴格的圖片檢測標準，對照片的像素、規格、色彩、表情、姿態、衣著等方面進行檢測，檢測通過的照片自動存入草稿箱，檢測不通過的，會進行相應提示并提示學生重新拍攝照片。

1.5.3 交費

在線支付圖像采集費用，支持微信、支付寶多方式支付，支付結果通過短信進行通知；交費成功后顯示提示單，提示電子發票將于交費活動后以短信形式發送至本人預留手機號。

1.5.4 照片制作及下載

用戶照片上傳后，系統根據圖片檢測標準，自動裁剪出符合要求的電子照片。根據預先設置的電子照片類型及對應的特征參數經驗值，對電子照片進行清晰度、色彩、噪聲和背景的優化處理，制作出符合要求的電子照片；制作進度實時同步學生，制作完成后通過微信公眾號進行通知，學生可登錄系統進行下載。

2 系統流程設計，見下圖

3 相關關鍵技術方案

3.1 圖像采集技術方案

3.1.1 照片制作

畢業生圖像采集，對于圖像背景、照片尺寸、下顎到頭頂位置，眼睛位置等都有嚴格的要求，線下采集時需要特定的拍攝環境及專業的拍照技術；遠程圖像采集系統采用照片自動換底、自動裁剪、圖像特征提取等技術，打破線下采集時必須在特定環境下采集的要求，對圖像進行制作。

（1）圖像特征提取。圖像處理關鍵是特征點提取。Moravec算子以上下左右及45°角方向上像素點灰度變化的最小方差點為核心，根據圖像設定閾值作為判斷依據。Moravec算子的計算簡單迅速，但抗噪能力差。在設計有高噪聲圖像去噪算法的基礎上，將小于設定閾值的點作為待測點；選擇待測點中的極值點作為特征點，劃定窗口范圍，在待測點中留下灰度差平方和最大值點，確認該最大值為特征點。

（2）照片自動換底。使用機器學習的自動扣圖方法，去除采集照片的底色，更換符合采集要求的底色，自動合成圖像。

（3）彩色圖像的平滑處理。根據彩色圖像平滑處理的算法數學模型，對采集的彩色通像進行平滑處理，制作出符合畢業生圖像采集要求的圖片。

（4）自動裁剪技術。基于圖片識別的自動裁剪方法，先進行人臉識別，如果圖片內沒有人臉，則進行背景識別，在此基礎上找到圖片需要保留的主體部分進行裁剪。

（5）幾何變換。用數學建模的方法來描述圖像位置、大小、形狀等變化。在拍攝時人像與攝像頭不成相互平行關系的時候，會發生一些幾何畸變，例如會把一個正方形拍攝成一個梯形等，進行一定的畸變校正[1]。

（6）高噪聲圖像去噪。因圖像采集的手機設備質量、數據傳輸環境等都會影響成像質量，成像需有較好分辨度，為此圖像去噪必不可少。通過對圖像進行批量標準化處理，避免卷積后出現網絡內部協變量轉移。對批量標準化后的圖像進行圖像重構，輸出殘差圖像。圖像損失函數進行反向更新和迭代，得到理想去噪模型進行圖像去噪[2]。

（7）圖像變換。由于圖像陣列很大，直接在空間域中進行處理，涉及計算量很大。利用傅里葉變換、沃爾什變換、離散余弦變換間接處理技術，將空間域的處理轉換為變換域處理。

3.1.2 翻拍檢測

高校畢業生圖像信息采集，適用于制作學歷證書、錄入學信網學籍檔案；部分學生為了保證照片的好看美觀，會使用翻拍的經過美顏照片進行線上圖像采集工作；為了避免考生使用翻拍照片，系統使用人證核身、人臉識別等技術，避免學生使用翻拍照片。

（1）人臉識別。人臉識別包含了活體檢測、人臉對比、屬性分析等技術，提供10種在線/離線活體檢測能力，判斷是否真人操作，抵御圖片、視頻、模具等翻拍照片行為。

（2）人證核身。傳入人臉視頻和身份信息，先通過活體檢測技術判斷視頻中是否為真人，再將視頻中人臉以及身份信息與權威庫的證件照進行人臉比對，從而驗證視頻中人是真人且為本人。

（3）光照錐法。使用光照錐（illumination cone）方法來解決光照變化和姿態變化下的人臉識別方法，通過SVD迭代估計光照、人臉3D形狀、表面點反射率，并最終利用人臉3D形狀分布（如對稱性、鼻子為最近點等）作為約束求解人臉的3D形狀。

3.1.3 人臉檢測

畢業生圖像采集時，對人的臉部光線、表情等都有嚴格要求；遠程圖像采集系統基于球諧函數、人物姿態及表情的機器學習等方法對人臉進行檢測，并反饋檢測不通過原因及改善方法。

（1）面部光線檢測。人臉圖像看成是反射系數與光照之間在球面上的卷積，利用球諧函數對卷積進行展開，用球諧函數的二階形式來近似描述基于朗伯模型的人臉圖像。根據郎伯光照模型，表示人臉圖像；利用球諧函數的二階形式與表面反射率相乘得到圖像，作為人臉的基向量與對同一姿態下不同光線條件的人臉圖像進行描述[4]。

（2）人物姿態及表情檢測。利用人臉特征快速確定人臉方向，分割出大致正向的人臉候選區域，運用AdaBoost、SVM和RVM三種基于圖像的方法對人臉候選區域進行姿態及表情的分類檢測。

（3）邊緣探測。在圖像測量，模式識別時，從圖像中抽出線條，檢測出圖像邊緣或者抽出圖像輪廓。使用微分算法，考察數字圖像的每一個像素的上、下、左、右鄰域灰度的加權值，把各方向上的灰度值加權之和作為輸出，達到提取圖像邊緣的效果。

（4）三點定位法。根據眼虹膜、鼻翼等面像五官輪廓的大小、位置、距離等屬性，計算出它們的幾何特征量，用三個點的坐標位置信息來計算出當前的位置信息，依據畢達哥拉斯定理，得出未知點的位置計算公式，根據特征量描述該面像的特征向量[5]。

3.1.4 圖像傳輸

圖像采集完成后需通過云端上傳服務器進行圖片的處理制作，為了加快照片上傳速度、防止在傳輸過程中被他人攔截和破壞，在傳輸的過程中對照片進行加密、壓縮；本系統使用了哈夫曼壓縮、置亂和擴散的加密算法進行處理，保障了照片的傳輸速度與安全。

（1）哈夫曼壓縮。利用哈夫曼壓縮的方法，計算原圖和壓縮以后的尺寸，計算壓縮率并比較分析；給定有權重的一系列數據（帶權重），從中挑選最小權重的兩個數據，組成一棵樹，得到的父節點再插入到數據系列當中。

（2）置亂和擴散加密。置亂是將圖像各像素點按一定的規則打亂順序。擴散是通過在元素之間建立擴散路徑，使元素沿著該路徑向其他元素擴散。每一個元素都沿著指定的路徑擴散，從而使元素間相互發生影響。使用Logistic函數生成一維序列加密，解密過程為加密的逆過程。

3.2 系統實施方案

3.2.1 系統架構

根據目前線下圖像采集開展情況，結合實際工作需要，開發圖像采集線上平臺，以應對全省圖像采集工作順利進行，進一步加強數據的統一與協調，降低管理維護的成本，提升服務效率。

本系統應用程序部署操作系統為Linux操作系統（Cent OS7.8）；整體建設采用B/S+小程序的三層結構體系，后臺工作人員只需安裝一般的瀏覽器（如IE）便能對處理業務及信息瀏覽，不受時間、空間、地域的限制，前臺學生角色使用微信小程序即完成相關功能。即便系統功能進行變化，也只要變更應用服務器上的相關業務邏輯，客戶端會自動更新，做到了客戶端的零維護。

3.2.2 實現方式

（1）學生端（微信小程序）。微信小程序用戶體驗比較好，可以擁有與原生手機軟件的體驗，但不需額外下載安裝，只要有微信就可以直接使用；同時，可通過微信進行消息提醒等工作。通過對畢業生的行為習慣分析，最終決定使用微信小程序開發學生端。

（2）后臺端（PC）。后臺采用瀏覽器訪問，在降低用戶學習成本的情況下，優化相關體驗。借助B/S架構，可以實現快速的迭代升級。

3.3 系統安全方案

3.3.1 數據備份

計算機中的數據或文件復制并保存，這就相當于將紙質文件復印后另外備份存放。對于重要數據和文件及時或定時備份，可以防止因計算機故障或計算機病毒侵襲造成損失。

3.3.2 身份認證

系統采用安全認證機制：系統為每位管理員及用戶生成密鑰文件，在系統登錄時，管理員必須提供密鑰文件方能登錄，系統將對登錄后的操作進行日志記錄。

3.3.3 病毒防范

采用自適應安全架構，將預測、防御、監控和響應能力融為一體，構建基于主機端的安全態勢感知平臺，為用戶提供持續的安全監控、分析和快速響應能力，幫助用戶在公有云、私有云、混合云、物理機、虛擬機等多樣化的業務環境下，實現安全的統一策略管理，有效預測風險，精準感知威脅，提升響應效率，全方位保護圖像遠程采集的高效開展。

3.3.4 網絡攻擊

所有工作站只保留TCP/IP及FTP協議，并關閉與系統無關的諸如IIS其他操作系統服務，防止操作系統遭到惡意攻擊。

3.3.5 數字水印技術

證件照比較嚴肅，使用的時候要嚴謹，特別是在網絡上使用電子證件照的時候，用到電子證件照的地方越來越多，如果不經處理隨意發送，有可能會產生潛在的風險被不法分子利用。為此，通過嵌入智能圖像處理軟件，設計了數字水印嵌入，該系統與符合國際標準的jpeg圖像壓縮相融合，實現了對圖像數據的全程監控。經系統處理后輸出的圖像數據同時含有水印和簽名信息。

3.3.6 數據庫服務器異常

可根據異常的嚴重程度進行恢復。在出現意外停機時可使用數據庫系統歸檔日志方式將數據庫恢復到出現異常的最近時間，使數據丟失的損失降到最低，或者使用最近的備份數據及時恢復。

3.3.7 信息傳輸加密

采集服務器接收該客戶端發送的經加密壓縮后符合要求的電子照片，并對電子照片進行解密和解壓縮；服務器展示經解密和解壓縮后的電子照片，以便對電子照片進行人工復核。

4 壓力測試

通過搭建與實際環境相似的測試環境，通過測試程序在同一時間內或某一段時間內，向系統發送預期數量的交易請求、測試系統在不同壓力情況下的效率狀況，以及系統可以承受的壓力情況。然后針對性地進行測試與分析，找到影響系統性能的瓶頸，評估系統在實際使用環境下的效率情況，評價系統性能以及判斷是否需要對應用系統進行優化處理或結構調整。并對系統資源進行優化。

5 結語

基于“數字化圖像”的圖像遠程采集系統的有效運用，采用“三點”定位法，自動裁剪出符合要求的電子照片。通過客戶端將電子照片的采集服務前移，在技術上解決了原圖鑒別難題，確保采集的人像特征信息的真實性和時效性；另外客戶端還具有對相片進行自動裁剪和智能過濾等功能，提高了電子照片的處理效率，減少了各級工作人員的工作負擔；打破傳統畢業生采集證件照必須大規模集中采集的局限。所以在當前數字化及學校需求趨勢下，基于“數字化圖像”的圖像遠程采集系統可有效作為高校畢業生證件照采集的有效手段。