（2020 年江蘇省通信學(xué)會(huì)“華蘇杯”論文征集三等獎(jiǎng)）超大型會(huì)展中心人臉識(shí)別通行系統(tǒng)淺析

魏 兵

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

對(duì)于超大型會(huì)展中心來講，因?yàn)閰⒄谷肆髁繕O大，如何快速準(zhǔn)確核驗(yàn)身份通行、優(yōu)化參展人員體驗(yàn)，如何保障展會(huì)高效、安全運(yùn)行，一直是會(huì)展運(yùn)營方面臨的突出問題。由于人臉識(shí)別技術(shù)具有非接觸、非侵?jǐn)_性、友好便捷等特點(diǎn)，非常符合超大型會(huì)展中心人員通行的要求。通過設(shè)置人臉識(shí)別閘機(jī)通行系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)參展人員高質(zhì)量的刷臉通行、通行管控、人證核驗(yàn)及黑名單預(yù)警等功能，做到“人過留像、留特征、留軌跡”，提升整體安保工作效率，營造場(chǎng)館安全有序、高效智能的環(huán)境，從而為各大展會(huì)保駕護(hù)航。

盡管人臉識(shí)別技術(shù)研究近年來取得了很好的進(jìn)展，但由于存在臉的朝向變化、部分遮擋、表情變化、面部光線變化，以及外貌變化等種種因素，提高人臉識(shí)別在實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用中的魯棒性仍然是一個(gè)具有高度挑戰(zhàn)性的問題。基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)模型的人臉識(shí)別技術(shù)以及基于此技術(shù)的智能識(shí)別管理系統(tǒng)將著力解決以上問題，如圖1 所示。

圖1 朝向、表情、照明等變化及遮擋環(huán)境下的人臉識(shí)別

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

人臉識(shí)別通行系統(tǒng)由人臉識(shí)別閘機(jī)終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、管理平臺(tái)組成，信息網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP 協(xié)議通信，如圖2 所示。系統(tǒng)基于會(huì)展安防專網(wǎng)傳輸，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，單臂鏈路須采用光纖傳輸或30MB/s 以上大帶寬鏈路。

圖2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)分層架構(gòu)

本人臉識(shí)別系統(tǒng)包含采集層、基礎(chǔ)架構(gòu)層、API 接口層及應(yīng)用層這四層架構(gòu)，如圖3 所示。采集層包括人臉識(shí)別終端等，基礎(chǔ)架構(gòu)層包括人臉特征抽取、活體檢測(cè)、人臉識(shí)別比對(duì)等；API 接口層包括設(shè)備管理、人員管理、安全策略管理等；應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)閘機(jī)人臉通行、黑名單布控等功能。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)圖

人臉識(shí)別系統(tǒng)以會(huì)展中心單日高峰期通過閘機(jī)的人流進(jìn)出40 萬人次的預(yù)測(cè)值為基準(zhǔn)，平臺(tái)配置20 萬人的人像庫，平臺(tái)人像庫存儲(chǔ)時(shí)間滿足至少10 天使用要求。

1.3 閘機(jī)終端設(shè)置

根據(jù)超大型會(huì)展主出入口分布情況，在登錄廳入口、中央廊道入口、地下層扶梯廳等安檢區(qū)域主要進(jìn)出口設(shè)置人臉識(shí)別閘機(jī)終端，滿足各區(qū)域人流高效有序通行。閘機(jī)人臉比對(duì)終端可與身份證識(shí)讀器打通，進(jìn)行1：1 人證核驗(yàn)。

閘機(jī)端人臉識(shí)別設(shè)備本地前置人臉庫，支持終端離線比對(duì)，能做到在5 萬人像庫下，實(shí)現(xiàn)99.9%的精度并在0.2 秒內(nèi)完成識(shí)別；配備的高清動(dòng)態(tài)雙目紅外攝像機(jī)，可實(shí)現(xiàn)人像活體判斷，實(shí)時(shí)檢測(cè)、抓拍、跟蹤、特征提取比對(duì)，識(shí)別距離可達(dá)1.5 米。

1.4 與公安部門數(shù)據(jù)傳輸對(duì)接

本系統(tǒng)與公安部門數(shù)據(jù)對(duì)接結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 與公安部門平臺(tái)對(duì)接框架圖

人臉識(shí)別管理平臺(tái)可通過標(biāo)準(zhǔn)接口對(duì)接本地公安分局VPAAS 平臺(tái)，不僅可以轉(zhuǎn)發(fā)身份數(shù)據(jù)、人像數(shù)據(jù)至公安分局VPAAS 中進(jìn)行備份存儲(chǔ)，還能夠提供數(shù)據(jù)給分局視頻專網(wǎng)中的人像應(yīng)用平臺(tái)做人像業(yè)務(wù)應(yīng)用。

1.5 業(yè)務(wù)流程設(shè)計(jì)

進(jìn)館參展觀眾或工作人員可提前通過手機(jī)APP 或微信小程序，錄入必要的本人信息，并上傳本人的證件照或清晰的頭像照進(jìn)行注冊(cè)；或通過現(xiàn)場(chǎng)掃描二維碼下載APP 進(jìn)行注冊(cè)。

系統(tǒng)收到注冊(cè)信息后，一方面在平臺(tái)服務(wù)器上完成人像入庫，同時(shí)平臺(tái)將人像庫的人像特征，自動(dòng)下發(fā)到對(duì)應(yīng)的前端閘機(jī)人臉識(shí)別伴侶中。人員到現(xiàn)場(chǎng)后直接刷臉通過閘機(jī)，刷臉時(shí)前端和后端比對(duì)會(huì)同時(shí)進(jìn)行，確保該人員的順利高效通行。展館運(yùn)營方可實(shí)時(shí)調(diào)用平臺(tái)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)信息。整個(gè)業(yè)務(wù)流程如圖5 所示。

圖5 業(yè)務(wù)流程

1.6 系統(tǒng)功能

人臉識(shí)別管理系統(tǒng)可以提供人員注冊(cè)、人證核驗(yàn)、刷臉通行、通行人數(shù)統(tǒng)計(jì)、出入權(quán)限管控展示、檢索比對(duì)、設(shè)備管理等核心業(yè)務(wù)功能。系統(tǒng)支持通過接口向其他平臺(tái)傳輸通行人數(shù)、通行記錄等數(shù)據(jù)，以便后續(xù)統(tǒng)一管理分析。其功能界面如圖6 所示。

圖6 軟件功能界面

2 核心單元解析

本系統(tǒng)采用基于機(jī)器深度學(xué)習(xí)的人臉檢測(cè)算法，以及基于3D 特征向量的人臉識(shí)別算法，通過精確人臉檢測(cè)及特征點(diǎn)定位、人臉角度估計(jì)、人臉3D 特征向量模型，以及人臉3D 變換和低失真變形等技術(shù)，將目標(biāo)人臉與樣本人臉特征向量對(duì)齊，提高比對(duì)精度，從而有效提高在各種復(fù)雜環(huán)境下的人臉識(shí)別效果。

運(yùn)用的人臉識(shí)別技術(shù)包含以下核心單元：（1）特征點(diǎn)定位單元，對(duì)獲取的原始人臉作特征點(diǎn)定位；（2）3D 向量模型建立單元，通過人臉訓(xùn)練集的2D 特征點(diǎn)建立通用的人臉3D 特征向量模型；（3）人臉角度估計(jì)及3D 變換單元，通過通用的3D 人臉特征向量模型以及原始人臉的特征點(diǎn)，重新構(gòu)建原始人臉的角度以及3D 人臉模型；（4）特征提取單元，從預(yù)處理后的人臉中提取代表該人臉最具判決特征的特征向量；（5）特征比對(duì)單元，將目標(biāo)人臉與數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存儲(chǔ)的樣本人臉特征集合作特征向量比對(duì)。整個(gè)流程如圖7 所示。

圖7 人臉特征識(shí)別處理流程

本管理平臺(tái)中的人像結(jié)構(gòu)化引擎內(nèi)置基于深度學(xué)習(xí)的人臉技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)多角度人臉檢測(cè)、五官精準(zhǔn)標(biāo)定、面部特征點(diǎn)定位以及特征提取與比對(duì)，通過高效的軟硬件計(jì)算架構(gòu)對(duì)多路數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，從而保證計(jì)算資源高效利用。

3 系統(tǒng)亮點(diǎn)

（1）系統(tǒng)整體網(wǎng)絡(luò)采用TCP/IP 協(xié)議通信，能方便對(duì)大規(guī)模系統(tǒng)進(jìn)行集中管理配置和未來擴(kuò)展。

（2）系統(tǒng)數(shù)據(jù)與公安系統(tǒng)無縫對(duì)接，實(shí)現(xiàn)資源共享、實(shí)時(shí)預(yù)警及安全管控。

（3）管理平臺(tái)支持為不同安全等級(jí)的展會(huì)設(shè)置不同的通行核驗(yàn)方式，支持設(shè)置人臉識(shí)別、身份證識(shí)別或人證1：1雙重核驗(yàn)等通行方式，降低了人工核驗(yàn)的人力成本，提高了身份核驗(yàn)效率和準(zhǔn)確性，優(yōu)化了觀眾的參觀體驗(yàn)，提升了會(huì)展的智能化水平。

（4）人臉識(shí)別人工智能AI 算力前置，前端設(shè)備具備人臉活體檢測(cè)功能，動(dòng)態(tài)雙攝防偽，防止各類照片、視頻在各種載體上的欺騙，對(duì)照片、臉模等攻擊工具的拒識(shí)能力良好，保障業(yè)務(wù)安全性。

（5）數(shù)據(jù)中心管理平臺(tái)采用集群化部署，將系統(tǒng)組件分拆并實(shí)現(xiàn)組件高可用，比如數(shù)據(jù)庫集群、特征值算法集群、文件存儲(chǔ)集群等。應(yīng)用服務(wù)器采用負(fù)載均衡設(shè)備實(shí)現(xiàn)高可用，以確保局部系統(tǒng)停機(jī)不會(huì)對(duì)用戶訪問產(chǎn)生影響。

（6）采用基于機(jī)器深度習(xí)的人臉檢測(cè)算法和基于三維特征向量的人臉識(shí)別算法，通過精確的人臉檢測(cè)及特征點(diǎn)定位、人臉的三維特征向量模型、人臉角度估計(jì)等技術(shù)，進(jìn)行人臉三維變換和低失真變形，將目標(biāo)人臉與樣本人臉特征向量對(duì)齊，提高比對(duì)精度，從而有效提高人臉識(shí)別效果。

（7）平臺(tái)中的人像搜索引擎是基于領(lǐng)先的圖像搜索技術(shù)研發(fā)的核心服務(wù)。引擎生成特征化、結(jié)構(gòu)化索引；應(yīng)用過濾結(jié)構(gòu)化條件后，使用人臉比對(duì)算法檢索出滿足條件的人臉圖像；利用列索引存儲(chǔ)，節(jié)省引擎在大數(shù)據(jù)下的內(nèi)存消耗，利用緩存技術(shù)，降低引擎服務(wù)的負(fù)載，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)海量的人像檢索服務(wù)。

（8）人像快速入庫。系統(tǒng)支持單個(gè)目標(biāo)多張圖片入庫、多個(gè)目標(biāo)批量入庫、圖片質(zhì)量自動(dòng)審核、目標(biāo)自動(dòng)對(duì)比歷史入庫名單等功能。對(duì)登記人員及出入次數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，隨時(shí)掌握整體人員進(jìn)館情況。

（9）對(duì)設(shè)備狀態(tài)整體監(jiān)控。設(shè)備監(jiān)控信息實(shí)時(shí)上傳至智慧場(chǎng)館運(yùn)維平臺(tái)，場(chǎng)館運(yùn)營方隨時(shí)掌控設(shè)備運(yùn)行情況。

（10）輕量化部署。系統(tǒng)支持一體化引擎本地部署，系統(tǒng)功能模塊可通過軟件授權(quán)增加，后臺(tái)Web 端界面訪問，對(duì)操作人員電腦性能無過多要求。

（11）標(biāo)準(zhǔn)API 接口。系統(tǒng)提供標(biāo)準(zhǔn)的API 接口，各數(shù)據(jù)通過加密統(tǒng)一接口協(xié)議進(jìn)行傳輸，保障數(shù)據(jù)安全同時(shí)，方便對(duì)接第三方系統(tǒng)。

（12）應(yīng)用故障自愈。當(dāng)應(yīng)用故障異常時(shí)，平臺(tái)會(huì)重啟應(yīng)用，當(dāng)應(yīng)用所在的節(jié)點(diǎn)異常時(shí)，平臺(tái)會(huì)把應(yīng)用調(diào)度到正常的節(jié)點(diǎn)運(yùn)行。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)基于對(duì)超大型會(huì)展中心的大人流量、瞬時(shí)峰值等通行場(chǎng)景的深入理解，采用基于機(jī)器學(xué)習(xí)的人臉檢測(cè)算法和基于三維特征向量的人臉識(shí)別算法，構(gòu)建人臉識(shí)別通行管理平臺(tái)，有效提升觀眾通行體驗(yàn)及身份識(shí)別效率，提高會(huì)展整體安全管控能力。

隨著人臉識(shí)別通行管理系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景精細(xì)化及數(shù)據(jù)分析縱深化，通過人員建檔畫像等衍生能力，本系統(tǒng)將從人臉通行管理領(lǐng)域延伸到VIP 貴賓服務(wù)等營銷應(yīng)用場(chǎng)景，不斷賦能提升系統(tǒng)的價(jià)值。