人脸识别技术在城市轨道交通的应用探讨

　　人脸识别技术应用非常广泛，如今已不断融入我们日常生活。莫斯科市为了提高地铁安全将开始安装具有人脸识别功能的摄像头。人脸识别技术将成为改变世界技术之一。当前，在我国各城市轨道交通均设有视频监控系统，车站范围内均设置了大量的监控摄像机，用于地铁运营和公共安全防范监控，其结构特点是摄像机多，监控管理点少。如何将藏匿在人群中的危险分子在进入轨道交通范围内时，及时、准确的被辨别出来是运营单位及公安部门迫切需要解决的问题。随着社会的进步，一些高科技技术不断被运用于工业或民用的生产和生活，人脸识别技术作为全球最前沿的生物识别技术及图像处理技术日趋发展和完善，被不断的运用到社会中的各个领域中。 

　　1.人脸识别技术的概念 

　　人脸识别技术是基于人的脸部特征，对输入的人脸图像或视频流进行判断，首先判断其是否存在人脸，如果存在人脸，则进一步的给出每个脸的位置、大小等信息。根据这些信息，进一步提取每一个人脸所对应的身份特征，并与已知人脸进行对比，从而识别每个人的身份。 

　　2.人脸识别技术的研究范围 

　　(1)人脸检测，就是从各种不同的场景中检测出人脸的存在并确定其位置。这方面的研究主要受光照、噪声、面部倾斜度以及各种各样的遮挡的影响。
　　(2)人脸表征，就是采取某种表示方法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(欧式距离、曲率、角度等)、代数特征(如矩阵特征矢量)、固定特征模版、特征脸、云纹图等。
　　(3)人脸比对，就是将待识别的人脸与数据库中的已知人脸比较，得出相关信息。这个过程是选择适当的人脸表征方式与匹配策略。整个识别系统的构造与人脸的表征方式密切相关。 

　　3.人脸识别技术系统应用架构 

　　人脸识别系统在城市轨道交通的应用是基于当前视频监控系统基础上进行的安防升级，一方面可以充分利用当前视频监控系统的录像存储、传输及监控等设备资源，达到节约投资目的；另一方面相当于给当前视频监控系统增加了一双“慧眼”，为轨道交通运营安全增添了保障。
　　根据城市轨道交通建筑和运营管理特点，在车站的每个出入口及换乘通道增设高清网络摄像机，用于视频图像采集。在车站机房内增设视频分析服务器，用于人脸的检测，校正、分割及质量评价等处理，为每个待识别比对的人脸提取出最好的单张人脸图片。在远程监控中心增设识别服务器、数据服务器及识别终端，完成人脸识别比对，报警输出及数据管理等服务。远程监控中心与车站间的信息传送可利用既有视频监控系统的传输网络。 

　　4.人脸识别技术系统应用实现 

　　城市轨道交通人脸识别系统是从视频图像中获取未知的一系列人员的人脸图像，通过和重点人员人脸数据库中已经输入的一系列已知身份的人脸信息作对比，根据未知人脸与已知人脸的相似度大小，判断未知人员是否具有重点人员的身份可能。识别服务器根据比对结果，向车站本地监控终端及远程监控中心输出比对结果和报警。
　　(1)人脸捕获。通过设置在车站出入口或换乘通道的摄像机获取一系列视频图像；视频分析服务器从视频图像流中检测到人脸，再将捕获到的人脸从背景中分离出来，用于后续的识别分析，并自动保存。摄像机的像素，光照、安装位置、有无遮挡以及图像处理技术直接影响着人脸捕获的质量及效果。
　　(2)人脸特征提取。人脸特征的提取是人脸识别中的一个关键步骤，直接影响到识别的准确性，其由设置在车站的视频分析服务器来完成。面部识别系统应具有支持提取信息，获得相关属性的模式。在这模式下，提取得到的面部特征有助于避免光照、人的姿态、表情等外界环境影响对人脸识别的干扰。通过人脸特征提取，生成人脸模型数据，传送到远程监控中心进行识别比对。
　　(3)人脸的比对。人脸识别比对在远程监控中心完成，采用一对多比对形式，通过搜索查询重点人员人脸数据库，判断各车站捕获的人脸是否存在于重点人员人脸数据库中。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。人脸比对速度与重点人员数据库容量有关，直接决定着系统响应速度。为提高比对速度，可根据监控中心管辖车站的多少来配置识别服务器数量。
　　(4)报警输出。在本地监控室和远程监控中心设置报警设备和监控终端，根据人脸识别比对模块输出的结果，一旦发现可疑的人成员，可以通过声音、光及语音等自动报警。通过图形用户界面，显示信息，如人脸识别相似比、人脸的位置等，并将相关的视频图像切换至监控终端，便于跟踪监视。同时将报警位置、时间点、前后时间段的视频存储，便于事后核查。
　　(5)数据库管理。人脸识别系统需要完成数据库的管理和维护功能，以满足系统对数据库应用程序的需要。对数据库的管理维护功能，包括数据导入，数据库维护，数据库参数配置，数据导出，用户权限管理，查询统计和报警管理功能。当有新的重点人员人脸添加进入人脸数据库，需要对人脸数据库进行更新。
　　(6)输出显示。通过人脸部识别系统分析后得到的识别结果在远程监控中心的识别终端上输出显示，以便远程监控中心值班室的工作人员实时查看和记录。同时，识别终端也是警方对鉴定结果二次确认的基础。人脸识别系统显示的输出内容需要与报警功能相关联，需要将报警时间，地点，报警级别，报警日志信息在人脸识别系统输出中显示出来。
　　(7)系统管理。人脸识别系统中运用了大量的设备，设备上运行了不同的软件，各种硬件和软件一起构成了完整的系统。其主要包括高清摄像机、录像机、视频分析服务器、识别显示终端和人脸识别服务器等设备。如何让系统中纷杂的软件和硬件良性运行下去就需要做好系统管理。系统管理功能涉及到系统配置管理，设备配置管理，系统日志管理，用户管理等功能模块，该系统还需要预留与其他系统的接口，便于系统升级和维护。 

　　5.人脸识别系统应用的关键技术 

　　(1)大角度偏转的人脸识别技术。大角度偏转的人脸主要使用三维人脸特征提取，三面部特征提取是将面部特征点以及头部姿势信息从一个给定的区域内提取出来的方法。面部特征位置，需要最大限度地适应人脸在不同位置各方面的变化，这样能够进一步的提高该算法的精确性。
　　(2)图像预处理技术。图像预处理技术，包括几何尺寸归一化，眼镜的提取和图像灰度属性修正。在归一化几何尺寸时，眼睛和下颚点的自动定位，通过缩放，旋转将两眼对齐，并且下颚点的两个中心的距离是一个预定义的常数，然后图像被裁剪到一个固定的大小。对于眼镜对面部识别系统的影响，可通过计算特定区域中边缘点的数目来确定是否戴了眼镜，提取出眼睛边缘的特定区域，然后基于所提取区域的图像和重建的图像误差补偿，使用认证系统多次迭代重建的方法来补偿的眼镜遮挡的一部分。数据库图像和现场图像之间存在着的差异，可以运用灰度拉伸校正方法，改变图像的灰度直方图分布，可以削弱由不同成像机制导致的面部差异。
　　(3)人脸老化技术。人脸老化过程的模拟研究日趋重要，但由于人脸在老化的过程中存在着很多的不确定性和多样性，使得人脸老化的研究成为一个具有挑战性的课题，具有巨大的应用价值。我们可以应用年龄的函数来描述模型参数与年龄的变化之间的关系，自动年龄估计，也可以决定目标年龄段的模型参数，并因此可以是重构人脸图像的相应的变化。为了使形状和纹理的变化融入到人脸的变化中，可以建立相应的针对不同年龄的脸原型，漫画生成算法，形状和质地不同的原型融合到源图像中，以此来实现年龄变换。 

　　6.人脸识别系统应用的注意事项 

　　尽管人脸识别技术在不断的发展和完善，但是在识别率、防伪性上，还是与指纹、视网膜等有着较大的差距。城市轨道交通大客流及复杂环境特点也影响着人脸识别技术在城市轨道交通的应用，对此，人脸识别系统在城市轨道交通的应用，还需注意以下几个方面：
　　(1)视频图像获取过程中的不确定性。由于城市轨道交通复杂的环境，如光照、安装位置、遮挡物以及人的姿态等影响，造成获取的视频图像质量不一，使得人脸获取不清晰或缺少等，影响了识别率。所以在摄像机的安装和选用上应注意安装位置、光照、镜头照射角度以及宽动态功能的选择，以提高视频图像的质量。
　　(2)人脸模式的多样性和人脸塑性变形的不确定性。由于同一人脸因如胡须、眼镜、发型等具有多样性，并且不同表情对人脸的塑形变形，影响了人脸特征的精确提取。采用更先进的图像处理技术及稳健、精确的人脸表达方法是人脸识别技术在城市轨道交通广泛应用的基础。
　　(3)城市轨道交通具有大客流特点，一幅视频图像中往往很有多张人脸，视频分析和比对的任务较大。为了实现实时排查，需要对视频分析服务器、比对服务器的数量进行合理配置，对人脸检测、比对技术不断的优化改进。
　　(4)基于原有视频监控系统基础上升级改造的人脸识别系统，必须建立与原有视频监控系统的联动，充分利用原有系统大范围监控覆盖的优势，通过联动控制，实现对人员的跟踪，从而提高警务人员办案效率。 

　　7.结语 

　　随着人脸识别技术的进一步成熟和社会认同度的提高，人脸识别产品将应用在更多的领域。在城市轨道交通引进人脸识别系统，必将有助于减轻公安人员的工作压力，为城市轨道交通的安全运营和刑侦破案提供良好的技术支持，有助于乘客的人身财产安全，维护社会的稳定。但由于城市轨道交通的种种特殊性，这项技术在城市轨道交通的应用还需要不断的完善，还有很多问题阻碍着人脸识别技术在城市轨道交通的进一步应用，相信人脸识别技术在未来几年内将会有更广阔的发展空间，也能够为安防领域作为更大的贡献。