人臉識別技術在圖書館管理中的應用

徐瀟潔 薛 蔚

（南京大學信息管理學院，江蘇 南京 210023）

近年來，指紋識別技術已經(jīng)非常普及，隨著人臉識別技術的發(fā)展，越來越多基于生物特征識別的應用走進我們的生活。若將人臉識別技術引入圖書館，將會提高圖書館管理的智能化、人性化及高效性。尤其是將其應用于圖書館的門禁管理、借閱管理和座位管理等方面，將有助于實現(xiàn)讀者與圖書館系統(tǒng)的精準交互。

1 人臉識別技術的概念及應用現(xiàn)狀

1.1 人臉識別技術概述

人臉識別技術是生物識別技術的一種，具有友好性、易獲取性、非接觸性和直接性等突出特點，近年來成為識別技術的熱點[1]。人臉識別技術是指對人的面部生物特征進行采集，通過某種算法，將其與已知的人臉庫進行對比，從而確認或者辨認其身份甚至更多的關聯(lián)信息。人臉技術包括人臉檢測、人臉追蹤、人臉比對3個階段。人臉檢測即確認圖像中是否有人臉；人臉追蹤即在人臉檢測后追蹤提取人臉的特征；人臉對比即將提取的特征與已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫進行對比確認[2]?；咀R別流程見圖1，其中人臉識別的難點主要在于人臉檢測和特征提取。在特定條件下，二維人臉識別技術已經(jīng)取得了精確率很高的識別結(jié)果，技術日趨成熟，然而表情、燈光、姿態(tài)、化妝、整容等因素都會降低人臉識別的效果，近年越來越多的專家開始關注人臉的三維信息，如美國多個機構（FBI、NIST等）合資發(fā)起的“人臉識別挑戰(zhàn)計劃”[3]。

圖1 人臉識別流程

1.2 人臉識別技術的應用現(xiàn)狀

美國首先提出了人臉識別技術，國外人臉識別技術公司的分布以美國、日本、德國為主。我國的相關研究起步較晚，但發(fā)展迅速，在1996-2015年間中國的專利公開量最高，但前十位的專利均為美國，美國掌握著人臉技術的核心專利，日本緊隨其后[4]。在中國，奧運會、世博會、二代身份證等領域已經(jīng)驗證了人臉識別技術的優(yōu)勢[5]。目前，該技術主要應用于安全管理、政府、銀行、電子商務、社會保障、軍隊等領域，詳見表1。

表1 人臉識別應用領域

身份認證和安全防護是人臉識別技術最主要的應用領域，在很多安全級別較高的區(qū)域，例如銀行、運動場、政府機關、機場、檔案館和圖書館等均采用了基于人臉識別的門禁系統(tǒng)來進行身份驗證，甚至手機和筆記本等保存著重要機密的私人用品也需要安全驗證。2017年9月13日蘋果公司發(fā)布了新一代手機Iphone X，取消了指紋識別，取而代之的應用了人臉識別，通過刷臉解鎖手機，還可以運用到Apply pay以及各種需要驗證的APP中[6]。

在公安破案領域，美國標準局NIST在2006年舉辦的Face Recognition Vendor Test表明人臉識別技術的準確性已經(jīng)可以運用到實際工作中；[7]2014年，美國推出了總投入10億美金的電子識別系統(tǒng)，通過監(jiān)控來鎖定嫌疑人；2015年日本引進了智能人臉識別系統(tǒng)推進入境審查的無人化。雖然人臉識別越來越受到重視，但它只是AI技術的一部分，在實際偵查中還會與其他技術相結(jié)合。除此之外，人都是活動的，需要將人臉識別與其行為識別進行動態(tài)結(jié)合，例如通過骨骼空間的幾個角度進行動作識別[8]。

目前，人臉識別在應用領域上已經(jīng)有了很大的突破，不僅局限于考勤、門禁上的簡單應用。例如在醫(yī)療領域，張勐、劉哲等人創(chuàng)新性地將人臉識別應用到醫(yī)院，從根本上杜絕了亂開藥和開錯藥的現(xiàn)象[9]，并將人臉識別初步應用于內(nèi)分泌疾病的輔助診斷，通過提取患者臉部的特征數(shù)據(jù)，分析比對從而確定患者的疾病類型[10]。隨著IT技術、AI技術、機器學習的不斷發(fā)展完善，未來人臉識別技術會應用到更多的領域中，并且向三維、多技術、遠距離、完全自動化等方向發(fā)展。

2 生物特征識別技術的對人臉識別技術的優(yōu)勢

2.1 生物特征識別技術的對比

生物識別技術在越來越多的領域都取得了非常好的應用，特別是在身份識別安全性問題上具有顯著的優(yōu)勢。生物特征識別主要包括身體特征和行為模式兩類，具有難以復制、不易遺忘、隨身“攜帶”和隨時隨地可用等優(yōu)勢，其中身體特征包括指紋、眼睛、靜脈、掌型、視網(wǎng)膜、虹膜、臉型、甚至DNA、骨骼等；行為特征主要包括簽名筆記、聲音語態(tài)、行走步態(tài)等[11]?？紤]到技術、效率和安全性，往往選擇不易被復制的先天性特征作為識別身份的主要依據(jù)，以指紋、虹膜和人臉為主，如指紋識別已經(jīng)被應用到多個領域，尤其是考勤制度中。生物特征提取都需要專業(yè)的設備，設備成本問題是各大高校重點考慮的因素之一，同時由于高校人員數(shù)目眾多，采集的便捷程度也是極為重要的。表2是4種被廣泛使用的生物識別技術的性能對比。

表2 生物識別技術的性能對比

通過對比可知，虹膜識別和DNA識別技術的設備成本較高，采集不便利，在高校的實用性較低。出于高校的成本以及效率考慮，指紋和人臉識別技術是比較好的認證方式。

2.2 人臉識別技術的優(yōu)勢

目前，各高校普遍使用以RFID技術為基礎的智能驗證系統(tǒng)，Radio Frequency Identification（簡稱：RFID）是一種自動非接觸性識別技術，利用無線電訊號識別特定目標，達到自動識別被識別對象、獲取相關信息的目的[12]。該技術識別速度和精度都是比較理想的?，F(xiàn)階段，指紋、RFID和人臉識別都是是性價比較高的識別技術，這3種方式的詳細對比見表3。

表3 指紋、RFID和人臉識別的詳細對比

續(xù)表

RFID技術和人臉識別技術相比，存在持卡人和所持證件不一致的問題，如遇到校園卡丟失、借用、被盜和數(shù)據(jù)復制等情況，身份不明的人員便可以隨意進入高校圖書館甚至機密地區(qū)，造成很大的安全隱患，仍然需要人工識別，自動化程度較低。而指紋作為生物特征的秘密信息如今變得極為容易獲取，生物特征的不可復制性優(yōu)勢已不復存在。一旦生物特征被盜取，將面臨以下問題：（1）防范不及時性：用戶在第一時間并不知道，不能像丟失校園卡一樣及時做出防范措施；（2）不可恢復性：依據(jù)生物特征識別的“掛失補辦”手續(xù)將變得復雜；（3）損失連續(xù)性：在防范不及時性的基礎上，用戶基于生物特征認證的所有信息和資源都將被非法盜取。

人臉識別技術具備以下突出優(yōu)勢：（1）可追蹤：人臉識別技術利用視頻技術，不僅可以掌控館內(nèi)的任何動態(tài)，又可以確認館內(nèi)人員的身份，可形成被鎖定人員的行動軌跡，有效地對圖書館進行全面監(jiān)管[13]。（2）識別精度高：在現(xiàn)有技術水平下，通過提前錄入人臉數(shù)據(jù)庫，失誤率比較低。（3）安全性高：該技術要求人員親自到現(xiàn)場，與預先存儲于數(shù)據(jù)庫中的信息相匹配才能通過，無法被他人模仿。（4）獲取信息準確：根據(jù)人臉可獲取人員的身份、所在地等數(shù)據(jù)，從而形成一定的數(shù)據(jù)庫，通過后續(xù)的分析可獲取想要的信息[14]。綜上而言，人臉識別在圖書館的應用是最佳選擇，在其他領域也有非常廣闊的應用前景。

3 人臉識別技術在圖書館管理中的應用

3.1 門禁系統(tǒng)

目前，國內(nèi)高校采用的門禁管理方式，主要以門鎖、門禁卡和館員對出入人員（讀者或外來人員）進行身份登記方式為主[15]，這種管理方式雖然成本低，技術要求性不高，但是大量增加了工作人員的工作量，不夠靈活，而且容易出錯，冒名借閱圖書的現(xiàn)象時有發(fā)生，造成許多不必要的經(jīng)濟損失與麻煩，安全性低。尤其是圖書館的館藏庫對門禁控制系統(tǒng)的安全性要求較高，如涉及到權限問題，需求也越來越復雜。而人臉技術和門禁系統(tǒng)的結(jié)合將有效地解決這一問題，人臉識別門禁系統(tǒng)的基本工作原理如圖2所示。當學生從圖書館大門進入時，啟動帶有人臉識別系統(tǒng)的視頻攝像機采集定位人臉特征，上傳至門禁控制器，門禁控制器將采集的圖像與后臺數(shù)據(jù)庫進行對比辨識，當匹配到一致的特征時，則大門自動開啟。同時，記錄下人像、進入時間等信息，與后臺的館內(nèi)工作人員信息相結(jié)合，對工作人員進行人臉識別統(tǒng)計，從而實現(xiàn)自動考勤。還可以進行實時監(jiān)管，防止出現(xiàn)刷完卡就離開工作崗位的現(xiàn)象。

圖2 人臉識別門禁系統(tǒng)的基本工作原理

圖書館是學生主要活動的場所之一，通過人臉識別技術和門禁技術的結(jié)合，可以準確地掌握進入圖書館的人員動態(tài)，只有在學校系統(tǒng)注冊過的人員才可以通行，持有別人校園卡的人將無法直接進入圖書館，保證了讀者身份的有效性和數(shù)據(jù)的準確性。因此通過門禁系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)進行圖書館人員統(tǒng)計時，能準確獲取出入圖書館學生的所在學院、專業(yè)、時間、次數(shù)和借閱信息等數(shù)據(jù)，為日后的圖書館研究奠定了良好的基礎。

3.2 借閱系統(tǒng)

在傳統(tǒng)圖書館借閱模式中，學生辦理校園一卡通后，即可獲得享有圖書館資源的權限，在借閱讀書時，需要在磁卡器上放置校園卡確認借閱者身份，同時將所借的圖書放置到紅外線掃描設備上掃描書本條形碼信息，才能確保圖書借閱信息的準確性。如果將人臉識別技術和RFID技術相結(jié)合，RFID技術保證了閱讀器能自動同時讀取多本圖書信息，人臉識別技術保證了人員信息驗證的正確性，讀者可以直接“刷臉”借閱書籍，極大地減少了讀者等待的時間，從根本上解決了重復勞動的問題。其基本工作原理如圖3所示。

圖3 人臉識別技術和RFID技術相結(jié)合的借閱系統(tǒng)工作原理

校園一卡通是學生進入圖書館和借閱書籍的憑證，只限于本人使用，學生必須保管好借閱證，如果丟失甚至被盜用，容易被未知人員非法使用，會造成不必要的損失[16]。人臉識別技術可以有效地避免防范不及時，減少圖書館書籍的丟失率，不明人員也不能隨意進出圖書館。在保證人員信息準確性的基礎上，在進行文獻閱讀率的相關研究時，可以圍繞借閱人員的專業(yè)、年級、性別和頻次等信息進行分析，由此不僅可以根據(jù)學生的文獻利用情況，為其提供個性化的定向服務，還可以為圖書館采購部門提供建議。

3.3 座位管理系統(tǒng)

現(xiàn)代圖書館不僅為學生提供文獻資料、網(wǎng)絡資源，更是同學們自習的重要場所之一，由于圖書館的自習環(huán)境相對于普通自習教室更加優(yōu)越，但資源有限導致圖書館的座位越來越短缺，經(jīng)常出現(xiàn)圖書館提供的座位數(shù)量與學生需求之間不匹配現(xiàn)象。

目前國內(nèi)許多高校開始運用微信公眾平臺提供在線預約座位的服務[17]，并具有現(xiàn)場刷卡確認和取消座位的功能，但是實時監(jiān)測模塊還有待提高，它是保證座位得到充分利用的有力保證。國內(nèi)各大高校使用了適合自身的方法進行圖書館的座位監(jiān)管，主要方法有：（1）基于硬件的監(jiān)管方法。主要是通過傳感器實時監(jiān)控學生是否在座位上，例如使用單片機和紅外接近開關相結(jié)合的監(jiān)控管理系統(tǒng)來減少圖書館亂占座的現(xiàn)象[18]，通過座位下壓力數(shù)值來分辨使用狀態(tài)的座位管理系統(tǒng)防止他人搶座或幫忙占座現(xiàn)象[19]，結(jié)合GIS與圖書館座位系統(tǒng)有效解決占座不合理現(xiàn)象[20]。雖然可以完全實現(xiàn)自動化管理，但是硬件初始成本和后續(xù)維護成本極高，對技術水平的要求也比較高。（2）基于軟件的監(jiān)管方法。主要是通過使用根據(jù)自身要求構建的圖書館座位管理系統(tǒng)來實現(xiàn)部分自動化管理，但是仍然需要館員定時巡查來提高利用率。該方法適應性高，技術成本低，但是管理成本高，增加了館員的工作量。（3）基于軟硬件結(jié)合的管理方法。隨著技術的不斷發(fā)展，兩者相結(jié)合成為了主要趨勢，并且在此基礎上還可以進行不斷優(yōu)化。

將人臉結(jié)合技術運用在座位管理系統(tǒng)中在國內(nèi)并不多見，徐海東[21]曾在蘇州大學圖書館座位管理系統(tǒng)的基礎上，設計了引入人臉識別模塊的新型管理系統(tǒng)；張敏[17]在遼寧大學圖書館已有系統(tǒng)的基礎上構建了微環(huán)境下通過人臉識別技術優(yōu)化的入館選座系統(tǒng)。在自習區(qū)域設置人臉識別器，杜絕一人通過刷多張校園卡占據(jù)多位，將接收到的人臉與預約信息或后臺學生數(shù)據(jù)庫進行比對，匹配成功才可進入自習教室。同時將視頻監(jiān)控功能與人臉識別系統(tǒng)相結(jié)合，在監(jiān)控中對進出人員進行身份識別和座位使用情況識別，以保證座位的高利用率。

4 結(jié)語

綜上所述，筆者提出將門禁系統(tǒng)、座位系統(tǒng)和借閱管理系統(tǒng)與人臉識別系統(tǒng)相結(jié)合的設想，給學生的校園學習生活帶來便利，為圖書館的基本工作提供了一定保障，確保學生和館員的人身安全和財物安全，也確保了圖書館內(nèi)重要文獻資料的完整保存，同時也提高了圖書館的運行效率，實現(xiàn)圖書館半自動化管理，具有成本低、維護方便、實用性高的優(yōu)勢，相信隨著圖書館功能越來越豐富，在后續(xù)發(fā)展中將會引入更多的先進技術，進一步提升圖書館的人性化。