人脸识别技术在世博和城市监控中的运用

      近年来，我国社会经济高速发展，“平安城市”建设和北京奥运、上海世博等重大国际盛会的即将举办，带来了日益增长的安全防范问题，为了打击国内外民族分裂主义和恐怖主义袭击，对付各种各样的经济刑事犯罪，保护国家和人民群众的生命财产的安全，保证各行各业和城市重点部门的正常运转，采用高科技安防技术预防和制止犯罪已成为“平安城市”建设的迫切需求。 

    随着国外各种新型安保观念的引入，各行各业纷纷开始建立闭路电视监控系统或报警联网系统。特别是在银行、通信、邮政储蓄、电力、及现在与日剧增的娱乐、网吧等场所，建立联网报警系统，对预防和制止犯罪，维护社会稳定起到了很大作用。 

    然而，银行、公安、政府机构目前使用的数字监控系统，只具有一般性监控录像功能，大多数是单机运行，录像资料调阅不方便，也无法集中管理和维护，同时监控对象的面部特征很难准确把拨，造成事后追查工作的延误，最重要的是现有的海量视频数据缺乏智能化的快捷的检索手段，使监控系统无法满足用户的更高要求。 

    而目前，随着计算机的普及、应用，网络通讯技术及图像压缩处理技术的快速发展，以及与最新的生物特征识别技术相结合，可为“平安城市”建设及上海世博提供更为安全、先进的高科技保安解决方案。

    生物特征识别技术在城市安防中的应用 

    生物特征识别技术就是使用人体本身所固有的生理特征（如指纹、掌纹、虹膜、视网膜、人脸、DNA等）和行为特征（如笔迹、声音、击键），利用图像处理手段（或其它数字信号处理技术）和模式识别的方法来鉴别个人身份的技术。他具有唯一、稳定、不可复制、不可假冒等显著特点，用于身份认证比传统方法具有更高的安全性。 

    近年来，以生物特征识别技术为核心的技术和产品发展很快。国际上，西方各国政府都在大力推进生物特征识别技术的发展和应用。“911”之后，美国政府又连续签署了3个国家安全法案，要求采用生物识别技术。2003年6月，联合国国际民用航空组织公布了生物技术的应用规划。规划提出，将在个人护照中加入生物特征（指纹、虹膜和人脸），并在进入各个国家边境时进行个人身份的确认。目前此规划已在美国、欧盟、澳大利亚、日本、韩国、南非等地区和国家通过，并已经在部分国家逐步实施推行。2004年11月5日，美国以保护国土安全为由，开始在美115个机场和14个主要海港口岸实施“美国访客和移民身份显示技术”（US－VISIT）系统。该系统借助数字仪器提取申请签证入境美国者的指纹和照片，通过和关注对象数据库进行生物特征比对以确认来访者是否符合美入境条件。按照美国政府的说法，US-VISIT计划是美国政府从海外即开始进行的安全措施的延续。英国伦敦早在1999年就开始在城市中重要部位安装了290个具有人脸识别功能的监控摄像机，其强大作用和对犯罪行为人的巨大威慑力很快就显现出来，伦敦当年的街头发案率降低了30%。2005年7月7日，伦敦地铁发生恐怖爆炸，当场伤亡700多人，警方利用遍布城市的数以万计的智能监控设备的记录数据，在案发后短时间就锁定并公布了恐怖袭击者的面部照片，第四天就侦破抓捕了案犯，有力地打击了恐怖分子的嚣张气焰。 

    人脸识别是人类视觉系统的基本功能，也是人类互相辨识的最直接手段，因此它是生物特征识别中的重要研究内容。与其它生物特征相比，它在可用性方面具有独到的优势，包括：可以隐蔽操作，适于安全、监控与抓逃等应用；非接触式信号采集，没有侵犯性，无损伤，容易被人们接受；设备成本低；直观可交互性强等。因此，人脸识别在安全、商业、金融、人机交互等领域有广泛的潜在应用前景。 

    人脸识别的研究范围大致可以分为如下几个方面： 

    1）人脸检测：即从各种不同的场景中检测出人脸的存在并确定其位置。在大多数的场合中由于场景较复杂，人脸的位置是预先不知道的，因而首先必须确定场景中是否存在人脸，如果存在人脸，再确定图像中人脸的位置。脸部毛发、化妆品、光照、噪声、面部倾斜和人脸大小变化以及各种各样遮挡等因素会使人脸检测问题变得更为复杂。人脸检测的主要目的是在输入的整幅图像上寻找人脸，把图像分割成两个部分－人脸区域和非人脸区域，自动提取人脸，从而为后续的应用作准备。 

    2）人脸表征：即采取某种表示方式表示检测出的人脸和数据库中的已知人脸。通常的表示法包括几何特征（如欧氏距离、曲率、角度）、代数特征（如矩阵特征矢量）、固定特征模板、特征脸、云纹图等。 

    3）人脸识别：即将已检测到的待识别的人脸与数据库中的已知人脸进行比较匹配，得出相关信息，这一过程的核心是选择适当的人脸的表征方式与匹配策略，系统的构造与人脸的表征方式密切相关。通常或是选择全局的方法或是选择基于特征的方法进行匹配。显然，基于侧面像所选择的特征和基于正面像的特征是有很大的区别的。 

    一个完整的人脸识别系统通常要包括人脸检测与跟踪、特征提取与选择、分类判别三主要个步骤.。人脸识别技术有1：1确认和1：N识别两种应用模式： 

    人脸确认 

    系统对鉴别对象所声称的身份进行验证，最终得到“Yes/No”的结论，这是一种“1：1”的应用。门禁系统就是一种典型的确认应用。

    人脸识别 

    指在一组人的集合中确定鉴别对象的身份，回答“你是谁？”的问题。识别系统给出的是模板库中按相似程度（与鉴别对象的现场视频资料或照片相比较）由高到低排列的一个队列，比如说10名、50名，如果鉴别对象属于这个队列，则称之为比对成功（或者叫命中）。鉴别对象身份的最终确认需要人工的参与。这是一种“1：N”的应用。公安照片比对系统即属于此应用模式。这两种应用模式的工作流程可参见图 

      人脸识别和视频监控的结合 

    在所有生物特征识别技术中，最容易与传统视频监控技术相结合的当属人脸识别技术。现代社会是一个人口密集、高度复杂的社会，人类的活动范围越来越大，在我国，随着城镇化的进程，流动人口比例大大增加，面临的突发事件和异常事件越来越复杂。城市监控的难度和重要性也越来越突出，人力越来越难以胜任分析和理解采集到的数量惊人的摄像数据的要求。随着电子技术的发展，监控的硬件设备进入了全数字时代，但这些监控系统并不具有实时的、智能化的自动分析功能。一种方式就是用摄像机定时记下所监控的目标区域在一段时间内的场景实况，当发生事件后,作为事件发生的记录媒体,被调用出来进行事件回放。这样的监控不能对突发事件作任何分析和反应，它们的作用只是提供事后追查的资料。另一种方式就是仍然沿用模拟时代的监控方法，由保安人员在监视器前对每一个场景进行人工监视。其缺点非常明显，即当采用的摄像机数量超过监视器数量时，不能做到对全部场景作不间断的监控。

      另外，利用人工监控，由于疲劳、精神不集中等原因，会严重影响到监视的效果，同时，人类的记忆能力有限，有统计资料证明，一般人一生能够记住的对像最多为600个，要对众多的布监对像进行视频实时识别几乎是不可能实现的。而一台普通PC服务器就能在10.2秒内，记忆和处理100万人以上人脸信息。因此，对于具有智能分析和识别功能的监控网络的研究及应用是今后的一个发展方向。智能监控网络系统与以往的监控技术有本质的区别，其主要特征是在不需要人力监控的情况下，通过多摄像机组对一个核心场所（如建筑大楼、港口码头等大范围重要场所），对于所出现的将殊人物、所发生的重要事件，进行全天候、自动、实时的全方位监控。这种基于模式识别的智能视频监控系统，通过先进的人工智能算法和模式识别技术，自动分析出现在监视场景中的事件和人物，并通过对摄像机的目标跟踪控制，特别是通过人脸及其它生物特征对人物身份的实时识别、跟踪和行为分析，通过有线或无线的网络传输，将分析结果发送到控制中心，从而达到对重要场所异常人物情况发生的全天候、自动的、实时的监控，以便保安控制中心能够对异常情况作出快速反应。 

    保安监控的主要对像是人，基于人脸识别的监控网络是新一代的具有高度智能的安全监控手段。该项技术具有重要的研究意义和广泛紧要的应用前景。例如，对于某些敏感场所，如银行、军事基地，国家重要部门等，出于管理和安全的需要，人们必须知道该区域内出现的特定人物或可能发生的事件，这需要采用特定方法来监视该场景，以便及时对发生的异常事件做出适当的反应。该项技术还可以应用到更广泛的场所，如轨道交通出入口、高速公路、停车场、机场等公共场合。由于该项技术将人物特征识别和智能视频实时监控技术结合起来，使得对大范围场所内特定人物的跟踪监控得以实现。在美国“9.11”恐怖袭击事件发生以后，世界各国都高度重视国家安全和公共安全保障的问题，即如何对城市重要部门和敏感的公共场合的 人流进行全天候、自动的、实时的监控。

    人脸识别监控在上海世博中的应用需求 

    2010年上海世博会召开，世界各地将有大量的旅客涌入上海，在目前国际反恐和国内打击民族分裂主义斗争形势十分严峻的情况下，急需运用高技术手段加强对上海世博各个方面安全的管理，是维护国家安全、保障世博顺利举办的迫切要求。 

    在公安方面，我国公安机关开展的“网上追逃”斗争，运用了网上挂牌督捕的方法，把逃犯的照片、身份证、特征资料上网发布，各地抓捕到的犯罪嫌疑人通过网上查询、比较，可以确定其是否为网上通缉逃犯。但这种方法的判断要通过人工进行多种技术鉴定，对证件资料假冒或没有身份证件的犯罪嫌疑人查证存在较大难题。利用人脸识别技术，只需摄下疑犯人脸，通过计算机网络将人脸特征数据传送到计算机中心数据库，系统即可自动与数据库中的逃犯人脸比较，迅速准确地作出身份判断。

 人口管理特别是流动人口的管理是“平安城市”建设的基础性工作。随着我国社会经济的发展，各类经济活动日趋频繁，上海的流动人口迅速增加，此外，今年“两会”期间，户籍制度成为热议话题，国家发改委专家提出了5年里取消户籍制度。这些都给公安户籍管理工作带来了巨大的压力。目前各种假冒身份证件泛滥成灾，借助于现有技术很难从根本上实现身份证件的防伪，而人脸识别等生物特征识别技术与目前公安户籍管理部门已经推广使用的的防伪可机读的第二代身份证相结合，为加强流动人口管理提供了有力的技术保障。 

    除了公安、安全、军队、金融等行业市场外，民用安防领域对基于人脸识别的数字化安全与认证产品的需求量也是十分巨大的。通过前期广泛的调研，我们发现，在计算机信息系统安全控制、电子商务、电子政务、居民小区、学校出入控制等诸多方面都迫切需要防伪防假冒性能优异的身份鉴别技术以取代(或是增强)目前所普遍采用的用户帐号/密码/数字证书模式。美国国家标准和技术研究所(NIST)/联邦信息处理标准(FIPS)认为，“虽然依靠口令是传统的身份认证方法，但这种方法的安全性并不令人满意。在当前情况下，需要更先进、更安全、性能价格比更高的认证方法来满足社会各个方面的需要。 

    解决方案 

    方案一：大规模城市人口信息人像比对网络系统 

    随着第二代居民身份证换发工作在各地的全面实施，完善的人口信息资料，近期清晰的人像数字图片将成为服务公安现实斗争的巨大资源。在现有人口信息资源与设备的条件下，完全可以用少量的投资建设符合实战需要的人像比对系统，为户证、治安、刑侦、安保等业务提供高科技业务手段。因此，建设以常住、暂住人口数据为基础，连接CCIC追逃系统，并完成对挡获人员的登记核验，实现城市级数据共享，可提高公安系统的技术水平，实现智能化的人口信息管理。 

    人像比对系统网络版基于公安专用网络平台，采用Browser/Server多层结构，连接现有各种业务人像库，可无缝链接进入现有的人口综合信息系统，快速查询详细资料，鉴别身份。具有很高的安全性与广泛的可用性。 

    1.系统业务功能 

    本系统重点实现对挡获人员登记管理、比对查证与事后处理，同时人像比对还可用于刑侦查案、维护社会稳定等等业务上。 

    1)寻人寻亲： 

    对老百姓或其他业务部门提供的照片，直接送入系统进行比对检索，人工确认。 

    2)派出所挡获违法人员： 

    对派出所挡获的人员，登记笔录，对于其中一些少数民族、聋哑人或保持沉默者等无法查证身份的人员，可拍摄照片送入各种照片库中比对，排查涉及大案要案人员，以免漏网；或查证其前科，累计处理。 

    3)查证无名尸源： 

    需要查证无名尸源时，先拍摄正面照片，送入计算机，如果照片闭眼、破损或变形，可用人像合成系统或人工绘制一幅标准照，送入比对系统比对查证。 

    4)目击者描述排查： 

    获得现场目击者对嫌疑人的形象描述后，可用人像合成系统或人工绘制一幅标准照，送入比对系统比对查证。 

    5)获得视频监控人像： 

    一般监控系统针对场景，得到的涉案嫌疑人的图像都有模糊、偏转、逆侧光等质量不佳问题，这时需要根据图像用人像合成系统或人工绘制一幅标准照，送入比对系统比对查证。 

    6)公共场所集会： 

    在政府、球场等公共场所，时常会有些人员滋事，此时公安干警不便直接带人处理，可以采用长焦摄像机拍摄特写镜头，如果效果不够好可以用人像合成系统修正，送入比对系统比对查证。 

    7)常住人口的比对查询、暂住人口的比对查询、重点人口的比对查询、CCIC在逃人员的比对查询： 

    在获得目标数据后，采用关联的方式在上述数据库中进行查询。 

2.项目方案 

    本方案的实施，将为社会提供新的寻人寻亲服务手段，增强公安的亲民形象；并能填补目前治安人口管理的盲点，实现挡获人员、重点人口、CCIC在逃人员信息网络化、实时化管理，实现了对犯罪人员及反复轻微违法犯罪人员的针对性打击控制，有利于社会治安状况的改善；并实现针对挡获人员库、常驻人口库、暂住人口库、追逃库、重点人口库、CCIC在逃人员库等数据的人像比对，为户籍管理、治安管理、刑侦破案、维护稳定等提供高科技手段。 

    3．应用方式 

    1）实时照片比对；通过网络传输、现场实拍、资料照片等手段获得嫌疑人员照片将其输入计算机后与犯罪人员库内的所有照片（也可有选择性）的进行比对，比对系统经过相似度计算生成相应的队列供使用人员查看，可有效的从数以百万计的照片中查找出相似度极高的照片，大大提高了效率； 

    2）支持多线索组合约束比对，能有效提高比对命中率；支持独有特征如疤痕、痣比对；并具有光照补偿，灰度控制等功能，使得比对的成功率大大增加，并可对比对照片建档，增加库容量，充实库资源；下图是产品实际案例中的照片信息界面； 

    3）支持分布式数据存储，有效减小网络带宽与存储容量的压力；支持分布式多机并行建模，大大缩短系统建设周期；同时支持多个业务口人像库管理；并支持多种远程传输方式，包括无线、手机拍照传输等； 

    下图所示为产品应用案例中的照片比对结果图 

4．系统模块构成 

    §照片导入子系统：该子系统安装在人像比对系统服务器端，用于服务器端批量或单张导入人像照片信息到数据库中； 

    §资料建模子系统：调度多机对导入照片建立模板用于比对； 

    §比对服务子系统：完成对各人像比对数据库的比对，产生比对结果数据； 

    §Web服务子系统：响应并处理前端比对请求； 

    §比对管理子系统：从客户管理、统计记录等方面对整个人像比对系统进行管理； 

    §人像比对客户端：计算机自动识别人像比对客户端是人像识别系统的最前端，是客户和人像比对中心的桥梁； 

    §脱网比对子系统：从比对中心转出用户关心的一部分人群，可在现场脱网状态下用便携式电脑进行比对，提高系统的灵活性与及时性； 

    §手机比对子系统：在组建了GPRS、CDMA、3G等无线通讯网络的公安部门，用户可用手机拍摄照片，实时送到中心比对并返回结果。 

    5．功能特点 

    Ø领先的人像识别算法 

    n特征定位：独有的五官区域搜索定位技术，准确率达到99.99%； 

    n识别预处理：人脸识别图像的预处理中包含有饰物消隐、姿态矫正、光照归一等多项特殊技术，保证了识别结果的高度一致性； 

    n特有特征比对：提供以痣、疤痕为线索的比对，大幅提高了比对命中率； 

    n识别算法：识别算法基于对多达百万人的特征进行分析提取与分类，并进行独创的模板自动选择与相似度一致化，确保识别结果的唯一性；具有速度快、耗用空间小的特点，适应大规模网络比对或小型手持设备识别等应用。 

    Ø高速比对服务 

    n采用集群式服务器结构，服务器数量可动态伸缩，满足不同规模用户需求，维护方便，系统稳定性高； 

    n采用高速内存比对技术，快速的系统响应； 

    n支持多条件约束比对请求，提高比对命中率。 

    Ø全面的数据库支持 

    n支持Oracle，Sybase，SQLServer，DB2等大型数据库系统； 

    n支持各种存储服务器； 

    n支持数据实时更新。 

    6．性能指标 

    序号 项目 指标 备注 

    1          比对速度 10万次/秒 支持多机比对
 
    2          建模速度 逾100万张/24小时 640*480图像，支持多机并行建模 

    3          模板尺寸 280字节 快速模板 

    4          首位命中率 >70.06%  10万张质量好的人像库中 

    5          前百命中率 >95% 10万张质量好的人像库中 

    6          系统容量 1000万张   

    7          人像库数量 不限   

    8          客户数 不限   

    序号项目指标备注 

    1比对速度10万次/秒支持多机比对 

    2建模速度逾100万张/24小时640*480图像，支持多机并行建模 

    3模板尺寸280字节快速模板 

    4首位命中率>70.06万张质量好的人像库中 

    5前百命中率>95万张质量好的人像库中 

    6系统容量1000万张 

    7人像库数量不限 

    8客户数不限 

      方案二：城市监控中的人脸识别布控系统 

    人脸识别布控系统结合了智能监控系统的录像记录功能，利用前端的高效率的人脸检测功能，将人脸在后端集中与布控对象进行比对识别，发现布控对像自动发出报警信号，由人工作最后判别，从而很好地将人脸识别用以支持相应安保业务需求，达到快速实时跟踪发现关注对像的效果。 

    1.系统结构 

    主要包括在前端根据需要布设若干监控机，它一般靠近布控现场，可连接多台摄像机进行人脸采集和视频录像；通过网络，这些前端机可以与远程的后端布控管理机连通，人脸将汇集到这里进行识别及报警处理。 

    摄像机的布置需要根据现场情况来设计，以尽可能获得高质量的人脸图像。 

    系统结构

    2.系统功能 

    Ø自动录像 

    n可设定各路视频通道的录像工作时间段，系统将自动按此执行； 

    n系统可以设定视频通道为连续录像模式，或是运动触发录像方式； 

    n其它常规监控功能； 

    Ø人脸检测 

    n可根据业务对视频通道分组布控管理； 

    n允许视频通道同时进行人脸检测；可选择是否启动； 

    n前端机人脸检测后发送给后端识别，允许检测后就对人脸建模； 

    n允许根据现场实际，限定检测人脸尺寸范围，以提高效率； 

    Ø故障检测 

    n可自动检测视频丢失故障，并向后端报警提示； 

    n不断向后端定时发送状态信息，以便进行设备状态监控； 

    n监测网络通信状态，若有通信超时，相关前端将在后端报警提示； 

    Ø系统联网 

    n后端通信处理模块可以支持多个通道组的前端机，以构成布控网络； 

    n允许单台布控管理软件对布控网络进行管理，也可以集中进行人脸识别及报警的确认处理； 

    n可伸缩的体系结构，管理机、识别机、前端机等都可以根据系统规模弹性配置； 

    Ø多种方式创建布控对象库 

    n支持三类布控对象：重点（>5人），普通（>400人），不布控； 

    n布控对象支持两类样本创建：本系统检测产生的人脸照片，从系统外部输入的各种来源的照片；对这两类可设置不同的识别阈值，满足实际当中的灵活性； 
    
    n布控对象可输入相关身份信息；允许先批量输入多个对象的身份信息后，再去分别创建人脸模板；方便实际操作； 

    n允许为布控对象创建两类人脸模板：系统照片的，外来照片的； 

    n可以采用人像比对通道往来人员进行检索，大幅提高事后追踪效 

    多种方式创建布控对象库

    Ø人脸识别 

    n收到的前端人脸及模板数据将在后端自动存储；存储空间自动循环； 

    n前端人脸将在后端统一进行高速识别比对，对象是布控库； 

    n识别结果若是超阈值触发报警，将在布控管理软件中集中显示处理； 

    Ø报警处理 

    n报警信息将会伴有声光报警以提示处理；可设定超时自动消警； 

    n报警时，自动切换显示出现场视频，以及对应的布控对象信息； 

    n报警处理有三种状态：1）确认报警；2）确认误报，放弃；3）未确认 

    n允许立即确认是否误报，也允许先消警再延后判断，数据会自动保存而不丢失； 

    n报警记录可查看，并允许修改（确认结果）； 

    n确认是报警时，对应录像片断将自动从前端取到后端保存； 

    n报警记录可以按时间、布控通道组等条件进行查询； 

    多种方式创建布控对象

    Ø数据查询 

      n识别报警记录查询 

    n布控对象信息查询 

    n布控对象通关记录 

    n布控对象报警录像回放 

    Ø后端权限管理 

    n分成两级权限：管理员与操作员； 

    n管理员可使用全部功能； 

    n操作员则缺省不能进行权限管理、一般参数修改等； 

    Ø系统监控 

    n联网前端的状态及故障显示； 

    n后端通信处理模块的状态或故障显示； 

    n运行信息： 

    n其他故障信息：后端存储空间报警； 

    Ø后端参数设置 

    n数据库连接参数 

    n后端的文件存储参数 

    n联网前端IP地址 

    n前端通道与通道分组 

    n各通道组的布控报警时段，各通道组的布控报警阈值（两类模板的）； 

    n人脸数据保存最低保留期限； 

    3.系统特点 

    Ø首创人脸识别布控与监控无缝集成，报警处理时实时获得现场视频，事后处理时可回放录像审查； 

    Ø弹性的体系架构，适应网络化、远程化、任意规模的布控系统； 

    Ø多元化的布控照片来源采用不同的处理技术，克服了动态人脸识别中识别率不高的技术难点； 

    Ø多级布控设定，解决了不同关注等级的布控管理问题； 

    Ø从视频中逐帧提取人脸进行布控人员设定，大大提高了系统的报警准确率； 

    Ø事后采用人脸比对技术进行往来人员检索，完全解放了人工调阅录像回放费时而艰苦的劳动。 

    人脸识别技术已经在我国部分省市的公安出入境管理和治安部门得以实践应用，并取得了显著战果，在未来上海世博和城市监控中也必然会发挥其重要作用，为“平安城市”建设，创造和谐社会，作出特有的贡献。

(编辑：编辑部 来源:互联网)