關(guān)于人臉識別技術(shù)在智慧樓宇中的應(yīng)用研究

薛力群

摘要：為填補傳統(tǒng)人為管理方式的不足，使用信息技術(shù)提升樓內(nèi)人員行為活動的識別和管理水平，本文對人臉識別技術(shù)在智慧樓宇中的應(yīng)用展開了深入研究。基于對人臉識別系統(tǒng)和智慧樓宇各信息系統(tǒng)的分析，提出系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互的方案。從場景應(yīng)用角度出發(fā)，針對樓宇中涉及人員活動的場景，研究人臉識別技術(shù)在這些場景中的運用，達到在智慧樓宇中充分利用人臉識別技術(shù)優(yōu)勢的目的。

關(guān)鍵詞：人臉識別;智慧樓宇;物聯(lián)網(wǎng);大數(shù)據(jù);機器學習;圖像處理;特征識別

0 引言

隨著信息化技術(shù)的發(fā)展和人們對生活需求的日益提升。智慧化樓宇近些年已經(jīng)在眾多城市中展開了建設(shè)。樓宇是否智慧取決于人們在樓內(nèi)的體驗是否便捷、舒適和人性化，而人臉識別技術(shù)是樓宇用來感知樓內(nèi)人員活動的關(guān)鍵技術(shù)手段。目前人臉識別技術(shù)除了能夠快速感知并精準識別，還能根據(jù)采集的視頻對人進行行為分析。為了讓人臉識別技術(shù)在智慧樓宇中更加充分和有效地應(yīng)用，需要探索和研究人臉識別技術(shù)在智慧樓宇中的專長優(yōu)勢。本文基于人臉識別技術(shù)和樓宇智慧技術(shù)，分析和設(shè)計人臉識別系統(tǒng)和樓宇信息系統(tǒng)之間的交互方案，研究人臉識別技術(shù)在智慧樓宇的具體應(yīng)用。做好人臉識別系統(tǒng)與樓宇其它系統(tǒng)之間信息的互通互動，使智慧樓宇具備更好的安全、管理、運營、服務(wù)等應(yīng)用優(yōu)勢。

1 智慧樓宇與人臉識別技術(shù)

1.1智慧樓宇

傳統(tǒng)意義上的樓宇發(fā)展已暴露出諸多問題，例如：管理粗放、運營成本高、設(shè)備閑置率高、人性化的設(shè)計難以落地、缺乏信息化手段等。智慧樓宇的建設(shè)愿景是向人們提供一個安全、高效、舒適、便利的建筑環(huán)境，雖然其相較于傳統(tǒng)樓宇運用了更多前沿的信息技術(shù)，但只有在樓宇建設(shè)中利用好信息技術(shù)才能使樓宇具備智慧能力。智慧樓宇作為科技與建筑的完美融合，隨著云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，不但更好地解決了傳統(tǒng)樓宇出現(xiàn)的問題，而且還實現(xiàn)了建筑物理系統(tǒng)與人、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用、服務(wù)系統(tǒng)的良好聯(lián)系，進而使樓宇逐步具備感知、記憶、判斷和決策等綜合智慧能力。智慧樓宇從人員管理、空間管理、能源管理、設(shè)備管理等多維度賦予了樓宇更多特色、人性和智慧的功能。

1.2 人臉識別技術(shù)

人臉識別技術(shù)是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術(shù)，人臉識別方式與其它生物識別方式相比的主要優(yōu)點在于非接觸性、非侵擾性、硬件基礎(chǔ)完善和采集快捷便利，還具備良好對外拓展性。人臉識別的整個發(fā)展過程經(jīng)歷了機械識別、半自動化識別、非接觸式識別階段，正隨著相關(guān)機器學習算法的深入研究具備了穩(wěn)健的應(yīng)用條件。目前主要從公共安全、信息安全、政府職能、商業(yè)企業(yè)、場所進出等多個維度進行運用，可預見在未來具備很高的應(yīng)用價值。人臉識別技術(shù)是智慧樓宇信息技術(shù)中的重要組成部分，利用人臉識別技術(shù)實現(xiàn)智能化管理，創(chuàng)建樓宇便捷和安全的生活、辦公環(huán)境，為智慧樓宇的集約化、平臺化、接口化和人性化做支撐。與樓宇中各子系統(tǒng)深度打通，最終實現(xiàn)人臉識別技術(shù)與智慧樓宇進行更深層次連接，使智慧樓宇中的管理、服務(wù)、運維等方面得到質(zhì)的提升。

2 智慧樓宇中人臉識別系統(tǒng)設(shè)計

2.1人臉識別系統(tǒng)流程設(shè)計

人臉識別的采集處理包括圖像獲取、人臉預處理、特征提取、特征比對、人臉識別結(jié)果輸出5個過程。系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖像獲取中采集設(shè)備會自動搜索在拍攝范圍內(nèi)的人像并捕獲，可以采集到的有靜態(tài)圖像、動態(tài)圖像、不同的人員位置和人員表情等。采集的原始圖像由于受到各種條件的限制和隨機干擾，必須通過圖像預處理對其進行灰度校正、噪聲過濾等圖像預處理。根據(jù)預處理后的圖像對人臉特征和其之間結(jié)構(gòu)關(guān)系的幾何描述進行特征提取。提取到人像特征后，將待識別的人臉特征與已得到的人臉特征模型進行特征比對，人臉特征與數(shù)據(jù)庫中特征模型比對相似度超過設(shè)定閾值時代表匹配成功，反之則匹配失敗。系統(tǒng)將匹配結(jié)果通過協(xié)議接口輸出到其它平臺或者系統(tǒng)為應(yīng)用決策判斷提供數(shù)據(jù)支撐。

模型訓練部分包括了模型特征建立、特征更新、人臉大數(shù)據(jù)建立3個過程。采集到人像后根據(jù)系統(tǒng)算法生成該人的特征模型，并將每一位錄入人員的特征模型保存至數(shù)據(jù)庫。當進行人臉識別時，將獲取到的面向處理成面紋編碼與庫中的特征模型檢索比對。人臉特征更新一方面來自于新信息的導人，另一方面在特征比對過程中，若匹配成功，將此人的實時人臉特征更新到人臉大數(shù)據(jù)中。以滿足人臉部微小動態(tài)變化和不同環(huán)境中的特征匹配需求，從而增加了人臉識別系統(tǒng)的實時性和準確性，同時也豐富了人臉大數(shù)據(jù)平臺。人臉大數(shù)據(jù)的建立主要來源于3種途徑：對接外部面部數(shù)據(jù)平臺、區(qū)域范圍內(nèi)人員數(shù)據(jù)錄入和使用過程中面部特征數(shù)據(jù)更新。

2.2 人臉識別系統(tǒng)與智慧樓宇信息系統(tǒng)交互設(shè)計

中國對于智能建筑已發(fā)布了智能建筑設(shè)計標準（GB 50314-2015），標準中提出智能建筑工程設(shè)計應(yīng)增強建筑物的科技功能和提升智能化系統(tǒng)的技術(shù)功效，具有適用性、開放性、可維護性和可擴展性。智能建筑按工程架構(gòu)層次分別以基礎(chǔ)設(shè)施、信息服務(wù)設(shè)施及信息化應(yīng)用設(shè)施展開。其中信息化應(yīng)用設(shè)施包括了公共應(yīng)用設(shè)施、管理應(yīng)用設(shè)施、業(yè)務(wù)應(yīng)用設(shè)施、智能信息集成設(shè)施等，人臉識別與樓宇信息系統(tǒng)的交互示意如圖2所示。

智慧樓宇是在智能建筑的基礎(chǔ)上，通過利用機器學習、人臉識別、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術(shù)來改變?nèi)藗兣c樓宇系統(tǒng)的交互方式，從而大力提升樓宇系統(tǒng)運行的有效性、靈活性、響應(yīng)速度、環(huán)境友好水平、以及樓宇資源和能源利用效率。

對智慧樓宇的信息系統(tǒng)來說，人臉識別系統(tǒng)的作用主要是為樓宇信息化應(yīng)用設(shè)施提供人員識別技術(shù)支撐。所以人臉識別系統(tǒng)對智慧樓宇的公共應(yīng)用系統(tǒng)、管理應(yīng)用系統(tǒng)、業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)、智能信息集成系統(tǒng)等其它信息化系統(tǒng)提供協(xié)議接口，各個信息化應(yīng)用系統(tǒng)將獲取的圖像傳遞到人臉識別系統(tǒng)，經(jīng)過圖像預處理、面部特征提取、特征比對后將識別結(jié)果輸出并通過接口反饋回該系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)識別結(jié)果做出下一步?jīng)Q策判斷。整個過程響應(yīng)快速、無延遲，該系統(tǒng)為樓宇其它信息系統(tǒng)做人臉識別服務(wù)，更加集約、高效，同時也保證了識別的準確性和安全性。

3 應(yīng)用場景

3.1出入管理

將人臉識別閘機裝配在樓宇的各個出入口處。后臺系統(tǒng)對全部閘機進行統(tǒng)一管理。人員通行時系統(tǒng)進行特征比對。內(nèi)部人員直接刷臉進出人行通道閘機，外來訪客可現(xiàn)場登記也可通過網(wǎng)上提前預約，上傳照片至預約平臺，經(jīng)后臺管理員批準后可刷臉通行。在人員通行過程中系統(tǒng)會自動記錄被識別人員的相關(guān)信息，包括抓拍人臉圖像、身份信息、出入時間、出入位置等。人臉識別運用在出入管理場景中節(jié)省了人員出入時間。人員的來訪也得以高效有序管理，很好地提升樓宇智慧形象。

3.2 樓宇安防

“人臉識別+安防”系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)安防，實現(xiàn)了關(guān)鍵區(qū)域管控、人跡跟蹤鎖定、自動報警和無人巡更等功能，加強了對樓宇的精準化安防管理。在樓宇內(nèi)關(guān)鍵區(qū)域布放智能攝像機，實時對通過重點區(qū)域的人員進行識別、統(tǒng)計、分析、記錄和比對等，自動告警陌生人長時間駐留、短時間內(nèi)多次經(jīng)過等可疑行為。人跡跟蹤將各攝像機得到的畫面數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)分析，繪制人員的“路徑+行為”畫像并存儲，可通過系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺調(diào)出查閱歷史人員的“路徑+行為”。人臉識別系統(tǒng)對每層樓的進出人員進行視頻研判，統(tǒng)計人群性別、數(shù)量為其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支撐。人臉識別系統(tǒng)還可以納入自動巡檢機器人，填補了固定攝像頭無法單點移動、方位變換的短板。

3.3 消費支付

目前流行的掃碼支付流程是通過手機下載APP、登錄賬戶以及記住各種支付密碼，商家在消費高峰期收銀也非常的麻煩，另外還有一部分消費者會忘記帶手機出門等狀況。為此，智慧樓宇內(nèi)部消費平臺與樓宇內(nèi)部人員支付端進行綁定，人臉支付系統(tǒng)通過增加“3D結(jié)構(gòu)光”技術(shù)的攝像機對人臉數(shù)據(jù)進行采集。采集完成后，系統(tǒng)根據(jù)采集到的圖像進行處理，整個人臉支付的流程包括了商品掃描、輸入手機號、掃描人臉進行支付、支付完成。已開通人臉支付的內(nèi)部人員在樓宇中即使不帶手機、不帶卡、不帶現(xiàn)金也可以通過“刷臉”確認后在樓內(nèi)進行吃飯、購物、繳費等消費支付行為?！八⒛槨敝Ц豆?jié)省了消費支付時間，還為樓內(nèi)商家收費和人員的支付活動提供了便捷。

3.4 物品存取

現(xiàn)在樓宇內(nèi)設(shè)置的物品存取柜可存取快遞和個人物品，提供存取服務(wù)。在智慧樓宇中人臉識別系統(tǒng)對物品存取柜開放驗證接口，用戶選擇寄存或者取走選項，寄存時掃描并記錄用戶信息和物品信息，完成后打開柜門進行放置物品。當用戶打算取走已放置的物品時，存取柜掃描人臉后，根據(jù)人員登記信息（姓名、手機號等）去匹配物品信息，驗證成功后自動打開柜門讓用戶存取物品。使用存取服務(wù)后，可直接選擇使用刷臉付費方式。對于快遞的配送物品和人員自有物品的存取，“人臉識別+物品存取”系統(tǒng)相連不僅縮短了存取時間，還防止了冒領(lǐng)他人物品的不良行為。

3.5 設(shè)備租借

智慧樓宇中人臉識別系統(tǒng)對物資管理平臺提供驗證和信息接口。智慧樓宇物資管理平臺以RFID無線射頻或二維碼等技術(shù)手段對設(shè)施和設(shè)備進行全生命周期管理，當樓宇內(nèi)住戶、辦公人員等租借使用設(shè)備時，進人物資管理平臺刷臉登記和填寫設(shè)施設(shè)備租借信息，物資管理平臺通過審核后把物資分派給用戶。流程完成后用戶可直接選擇使用刷臉付費方式?！叭四樧R別+租借”方案將人員與設(shè)備的關(guān)系對應(yīng)，系統(tǒng)自動生成物資租借清單，防止使用他人名義租借設(shè)備，避免了后期出現(xiàn)設(shè)備登記混亂產(chǎn)生糾紛的情形。在設(shè)備租借中應(yīng)用人臉識別技術(shù)不僅為租借人員提供了便利，也為工作人員減少了工作量。

3.6 打卡簽到

在人員考勤場景中將人臉識別系統(tǒng)與考勤系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，員工上下班站在人臉識別考勤機的識別區(qū)域內(nèi)，識別成功后報出員工的姓名則考勤成功，考勤機會快速的記錄考勤狀況并保存記錄。目前傳統(tǒng)的會議簽到無法實現(xiàn)快速、大流量的簽到，往往導致參會人員排隊紙上簽到的現(xiàn)象，特別是簽到高峰時問題更顯突出。使用人臉識別簽到，識別的人臉圖像對比人員庫內(nèi)的人像特征模板，可以遠距離簽到、多人同時簽到，適應(yīng)各種復雜場景，簽到效率高速快捷。通過人臉識別簽到人員，對比系統(tǒng)內(nèi)的人員名單，記錄比對結(jié)果，自動統(tǒng)計簽到記錄并可導出打印。

3.7 關(guān)照特殊人群

人臉識別還能賦予樓宇更加人性化的關(guān)照服務(wù)。對樓宇中的獨居老人、殘障人士等特殊群體的關(guān)照。人臉識別系統(tǒng)能夠檢測到這些人員的出入信息，如果發(fā)生連續(xù)幾天都沒有這些人群的出人情形，系統(tǒng)便會自動提醒物業(yè)人員上門探望。人臉識別系統(tǒng)加入人員行為分析算法，可以分析出樓宇人員的情況（例如：人員跌倒、長時間靜止等），在分析出樓宇情形符合人員危急情況特征時，系統(tǒng)自動發(fā)出告警，提醒安保和物業(yè)管理人員進行及時處理，避免事件進一步惡性發(fā)展。在關(guān)照特殊人群方面，人臉識別技術(shù)的非接觸性、非侵擾性是其它技術(shù)手段難以取代的，新一代信息技術(shù)最大程度的考慮到樓宇內(nèi)全部活動人員的便捷和安全，凸顯了樓宇的智慧化和人性化。

4 結(jié)束語

本文基于對人臉識別技術(shù)優(yōu)勢和智慧樓宇特征的分析，提出了人臉識別系統(tǒng)與智慧樓宇信息系統(tǒng)交互方案，研究了人臉識別技術(shù)在智慧樓宇的出入管理、樓宇安防、消費支付、物品存取、設(shè)施設(shè)備租借、打卡簽到、關(guān)照特殊人群等場景中的應(yīng)用。研究發(fā)現(xiàn)人臉識別技術(shù)的充分應(yīng)用不僅在一定程度上提升了樓宇的運營效率，也為樓宇內(nèi)人員提供更為便捷、高效的服務(wù)。進一步證明在信息時代人臉識別技術(shù)是打造安全、可靠、智慧、人性化樓宇環(huán)境的重要的信息技術(shù)手段之一，二者的融合為社會提供了很大的技術(shù)和經(jīng)濟價值。