Visual ID

胡鈺軒 陳晨 凌家豪

【摘 要】在計算機和信息技術快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的身份鑒別技術存在著重要的安全隱患。因此，人臉識別作為生物特征識別技術中最為直觀的一種方法，已經(jīng)逐步滲透到人們的日常生活中。本文研究的Visual ID人臉識別門禁系統(tǒng)，主要包括人臉識別終端、后臺管理系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)幾大塊;結合了區(qū)塊鏈技術，有效地為用戶信息的存儲提供一個去中心化平臺，極大提高安全性;同時，采用了迭代發(fā)卡模型——螺旋模型，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化Faster RCNN算法，并結合OpenPose開源框架和dlib表情識別開發(fā)技術，打造新型人臉識別系統(tǒng)，提升信息安全。

【關鍵詞】新型人臉識別技術;區(qū)塊鏈;OpenPose開源框架;人工智能

從20年前的網(wǎng)上聊天，到20年后的網(wǎng)上購物，再到現(xiàn)今的共享經(jīng)濟，計算機和信息技術正快速地融入人類的日常生活。如何準確、有效的識別用戶身份，提升信息安全已成為一項重要的研究課題。

傳統(tǒng)的身份鑒別技術主要依靠外物（身份證、鑰匙等）或者自身記憶（密碼、用戶名等）。然而不管是借助于外物還是自身記憶，都存在著嚴重的安全隱患。若證明自己身份的表示物品被盜或者遺忘，不僅很難重新獲得原始的身份標識物品，而且身份信息也易被他人獲取，從而導致身份被他人冒充，造成嚴重后果。傳統(tǒng)的門禁系統(tǒng)是利用指紋、智能IC卡、鍵盤按鍵來進行門禁控制的，而這些傳統(tǒng)門禁系統(tǒng)的安全性能也都不高，人們急需要一種更加安全和可靠的技術應用在門禁系統(tǒng)中。

由此，生物識別技術因其獨特的優(yōu)勢，受到了各企業(yè)和研究所的重視，在很多領域成功取代了傳統(tǒng)識別技術，而且隨著計算機和人工智能的快速發(fā)展，生物識別技術很容易配合計算機、網(wǎng)絡，實現(xiàn)自動化管理，正在快速融入人們日常的生活。而人臉識別，是通過提取人臉部特征信息進行其信息識別的一種生物特征。是一種先通過在一定的環(huán)境中檢測出人臉，然后通過計算機提取出與人臉有關的信息特征并進行分析處理，最后利用處理后的特征與人臉數(shù)據(jù)庫中的特征進行比對，以此來確認人身份的技術。作為生物特征識別技術中最為直觀的一種方法，具有主動性、非侵犯性、友好性、簡便性、準確性等優(yōu)勢。因此，多年來它一直受到不同領域研究者的青睞。隨著國內平安城市、智慧城市項目的深入發(fā)展，城市監(jiān)控進一步高清化，使得人臉識別數(shù)據(jù)采集不再成為最大阻礙，提升了其應用領域。如今，人臉識別廣泛應用于公安部門、支付驗證、安全系統(tǒng)、檔案管理等方面，成為人工智能領域的一大潮流。

某大學一棟女生宿舍上線了“人臉識別系統(tǒng)”，盡管目前機器處在調試狀態(tài)，但校方肯定這一系統(tǒng)對于保障宿舍安全的有效性;某地肯德基已經(jīng)將“微笑支付”變?yōu)楝F(xiàn)實;在金融領域，招商銀行、建設銀行、中國農業(yè)銀行已經(jīng)上線了ATM“刷臉取款”;北京天壇公園安裝了“人臉識別廁紙機”，它可以自動放出長度約60厘米的紙，目的是為了節(jié)省廁紙;而近期發(fā)布的iPhone X將Face ID引入了現(xiàn)代人生活中無法逃離的手機，并試圖借此技術來鞏固自身的科技實力。可見，“臉”正在成為個人身份的憑據(jù)。萊布尼茲曾說：“世界上沒有兩片相同的樹葉”。對人工智能而言，它正在以強大的學習能力和精妙的算法來給予每個個體獨一無二身份屬性的確認。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，未來三年內國內有望形成年銷售額過百億元的市場規(guī)模，并在未來十年內有望形成年銷售額過千億元的市場規(guī)模。分析人士表示，人臉識別應用范圍的擴大疊加政府采購的強力推進，將促使人臉識別子行業(yè)延續(xù)高景氣度，值得關注。同時，政府也一直積極提供政策支持。2015年以來，國家密集出臺了《關于銀行業(yè)金融機構遠程開立人民幣賬戶的指導意見（征求意見稿）》、《安全防范視頻監(jiān)控人臉識別系統(tǒng)技術要求》、《信息安全技術網(wǎng)絡人臉識別認證系統(tǒng)安全技術要求》等法律法規(guī)，為人臉識別在金融、安防、醫(yī)療等領域的普及打下了堅實的基礎，掃清了政策障礙。同時，2017年人工智能首次寫入國家政府報告，作為人工智能的重要細分領域，可以預計人臉識別相關政策支持力度將不斷增強。

Visual ID人臉識別門禁系統(tǒng)以“人臉識別門禁系統(tǒng)”為核心業(yè)務，貫穿小區(qū)安全管理服務及物業(yè)服務等服務，為使產(chǎn)品更加契合用戶需求，采用了迭代發(fā)卡模型——螺旋模型，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡優(yōu)化Faster RCNN算法，并結合OpenPose開源框架和dlib表情識別開發(fā)技術，提高在人面識別的精度。本項目平臺采用的算法是卡內基梅隆大學全新的OpenPose——基于骨架模型運動識別算法。OpenPose可以實現(xiàn)人的面部表情、軀干和四肢甚至手指的跟蹤，不僅適用于單人也適用于多人，同時具有較好的魯棒性?；蛟S會是人機交互上的一個里程碑，為機器理解人提供了一個高質量的信息維度。另外本平臺還融入了區(qū)塊鏈技術，實現(xiàn)平臺的高效性以及安全性，建立平臺與客戶之間的信任度。采用這一算法能夠使識別更加精確，滿足更多用戶的需求。

Visual ID 人臉識別門禁硬件系統(tǒng)主要有主控模塊、觸發(fā)模塊、拍照模塊、驅動模塊及電源模塊等。當觸發(fā)模塊的光電開關檢測有物體后，通過算法判斷人臉信息，若比對成功，則系統(tǒng)操作樹莓派 GPIO，通過與人臉識別電源模塊連接的繼電器控制通斷，從而實現(xiàn)開關門。

Visual ID 人臉識別門禁軟件系統(tǒng)主要包括人臉識別終端、后臺管理系統(tǒng)、人臉識別系統(tǒng)這幾大塊。對于后臺管理系統(tǒng)采用MFC構建管理界面，采用Socket與終端模塊通信，用戶數(shù)據(jù)保存在 MySQL 數(shù)據(jù)庫中。MFC是微軟公司提供的一個類庫，以C++類的形式封裝了Windows API，并且包含一個應用程序框架，以減少應用程序開發(fā)人員的工作量。其中包含大量Windows句柄封裝類和很多Windows的內建控件和組件的封裝類。對于人臉識別的實現(xiàn)在實驗過程中圖像來源于電腦攝像頭，需要使用 OpenCV 完成對攝像頭的控制等操作。OpenCV是一個基于C/C++語言的開源圖像處理函數(shù)庫。其代碼都經(jīng)過優(yōu)化，可用于實時處理圖像，具有良好的可移植性。可以進行圖像/視頻載入、保存和采集的常規(guī)操作，具有低級和高級的應用程序接口（API），提供了面向 Intel IPP 高效多媒體函數(shù)庫的接口，可針對使用的 Intel CPU 優(yōu)化代碼，提高程序性能。

首先，人臉識別采用先進的深度網(wǎng)絡技術，卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡改進算法是基于Haar特征AdaBoost算法的改進算法，通過直接使用已訓練的模型對原始數(shù)據(jù)進行特征提取分析，將特征所提取信息放在一個模型內解決，從而優(yōu)化算法。提取人臉特征向量時，CNN的前幾個卷積層重點刻畫人臉的局部邊緣和紋理特征;中間層通過對局部進行組合刻畫了臉部的五官;更高層表現(xiàn)了人臉的全局特征。通過層層遞進，模仿了人類視覺系統(tǒng)信息分層處理機制，更好地挖掘訓練數(shù)據(jù)中的關聯(lián)特性。其次，通過歐拉距離、線性判別分析、聯(lián)合貝葉斯進行相關相似度判斷，便可進行判斷。然后RPN負責找到可能的目標窗口進行初步人脈檢測，R-CNN負責進一步判斷。

系統(tǒng)的整體結構則采用樹莓派等相關平臺技術，針對小區(qū)的情況定制專屬小區(qū)門禁情況的信息與服務手機應用程序，通過WiFi模塊的捆綁和免費的云端服務器全方位的覆蓋市場。系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，移動端平臺可以在Android與iOS上實現(xiàn)，Android開發(fā)使用Java語言，iOS開發(fā)使用Objective-C語言。數(shù)據(jù)庫采用MySQL，采用Ubuntu 16.04 LTS 作為服務器系統(tǒng)。其中MySQL是一個關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，由瑞典 MySQL AB 公司開發(fā)。MySQL 是最流行的關系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一，在 WEB 應用方面，MySQL 是最好的RDBMS（關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）應用軟件。 MySQL關系數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)保存在不同的表中，而不是將所有數(shù)據(jù)放在一個大倉庫內，這樣就增加了速度并提高了靈活性。由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點，一般中小型網(wǎng)站的開發(fā)都選擇 MySQL 作為網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫。PC終端平臺通過C++語言在Visual Studio上實現(xiàn)。Visual Studio 是微軟公司推出的基于Windows 平臺的應用程序開發(fā)環(huán)境，Visual Studio 2015 包含了更多強大的新特性。人臉識別的代碼通過python語言實現(xiàn)，版本為Python2.7。Python是最受歡迎的程序設計語言之一。Python 2于2000年10月16 日發(fā)布，穩(wěn)定版本是Python 2.7。 眾多開源的科學計算軟件包都提供了Python的調用接口，例如著名的計算機視覺庫OpenCV、三維可視化庫VTK、醫(yī)學圖像處理庫ITK。 移動端后臺服務器交由企業(yè)打理，PC端服務器則由小區(qū)物業(yè)管理。企業(yè)服務器采用Tomcat，在該環(huán)境下，運行JSP文件。通過Java語言，將用戶信息傳遞至物業(yè)服務器數(shù)據(jù)庫中;圖片通過Python語言寫的Server，運用Socket 網(wǎng)絡編程傳遞到物業(yè)服務器中。物業(yè)服務器采用MySQL+PythonServer+Shell調用Linux C++的SDK識別，返回人臉識別結果。此外，網(wǎng)絡上大量開源框架的出現(xiàn)給我們提供了人臉檢測和識別的API，所有的SDK均提供了全平臺支持，只需獲取ArcFace引擎應用開發(fā)包，便可導入到應用中。因此，人臉識別成功率大大提升。中后期對小區(qū)用戶數(shù)據(jù)進行深度挖掘，將其打造成一個物業(yè)綜合服務平臺。

具有創(chuàng)新的是，Visual ID人臉識別門禁系統(tǒng)結合了區(qū)塊鏈技術。比以往的識別技術極大地提高了安全性和易操作性。

1、區(qū)塊鏈支付。在項目的商城購買支付中運用了區(qū)塊鏈技術，實現(xiàn)購買的高效性以及安全性。分布式網(wǎng)絡技術的匯款可以在去中心化的機制下使用戶以更低的費用和更快的速度完成轉賬支付，使得支付行為具有去中心化、方便快捷、高安全性、記賬速度快、成本較低、互相監(jiān)察驗證等優(yōu)點。另外由于“區(qū)塊鏈”是一串使用密碼學方法相關聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每一個數(shù)據(jù)塊中包含了過去十分鐘內所有網(wǎng)絡交易的信息，用于驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區(qū)塊，每筆交易筆筆可挖，防止欺詐交易的發(fā)生，為消費者的購買提供更高層次的安全保障。

2、區(qū)塊鏈物流平臺。本項目通過區(qū)塊鏈技術，使得平臺物流以及消費者各獲得一個透明可靠的統(tǒng)一信息平臺，消費者可以實時查看狀態(tài)，降低物流成本，追溯物品的生產(chǎn)和運送整個過程，從而提高本平臺供應鏈管理的效率。當發(fā)生糾紛時，舉證和追查也變得更加清晰和容易。

3、管理員身份驗證。將系統(tǒng)管理員的各類身份證明錄入數(shù)據(jù)庫，利用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)對管理員的正確、高效識別，防止不法人員冒充替代。另外還能實時監(jiān)督管理員的工作情況，是否按時上班，有無出現(xiàn)晚到早退現(xiàn)象，改進了部分管理流程，提高了一定的管理效率。

4、用戶存在性證明。將區(qū)塊鏈技術運用在用戶存在性證明方面，能有效的為用戶信息的存儲提供一個去中心化平臺，構建用戶與平臺之間的信任度，存儲和認證用戶身份，防止外來不明人員的進入。本項目將區(qū)塊鏈系統(tǒng)運用到用戶信息儲存的數(shù)據(jù)庫中，不僅提高了對已知存在用戶完成人臉識別時的速度，還能保證已知存在用戶的人身安全，防止不法分子的進入。實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞的高效性與安全性。

5、歷史數(shù)據(jù)存儲。運用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層對各已知存在用戶的歷史交易數(shù)據(jù)或者行為數(shù)據(jù)進行存儲，保證用戶歷史交易以及行為的安全性，且運用區(qū)塊鏈加密技術防止此類歷史數(shù)據(jù)外泄，保證用戶信息及各類歷史數(shù)據(jù)只能自己查看，構建自我與平臺之間的信任度，吸引用戶的使用。

綜上，基于區(qū)塊鏈和OpenPose的新型人臉識別系統(tǒng)Visual ID作為一個對傳統(tǒng)人臉識別系統(tǒng)的改進，具有廣闊的發(fā)展前景。與其他傳統(tǒng)的人臉識別系統(tǒng)相比，該項目具有以下明顯的優(yōu)勢：

1、先進性：采用DCNN和haar-like獨特的混合人臉識別算法，識別精度更高，識別速度更快。

2、多樣化：支持數(shù)據(jù)來源的多樣化，動態(tài)人臉捕抓、手機拍攝、攝像機抓取，照片掃描等多種方式;支持現(xiàn)場捕捉照片與數(shù)據(jù)庫中照片自動匹配檢索。

3、高效低成本化：合理配置和選取合適的產(chǎn)品軟硬件型號，使整個系統(tǒng)穩(wěn)定、高效、可靠、低成本運行。

4、快速化：普通照片中提取人臉特征值，極大地降低了數(shù)據(jù)存儲空間。

5、實用性：適合于各國人種，不受種族膚色及性別的影響，不受面部表情，胡須和發(fā)型等變化的影響。

6、方便性：完善的照片比對功能，比對方式多，比對準確率高，比對速度快，支持全局人臉識別和分部識別部件的人臉識別。

7、安全性：區(qū)塊鏈技術的引入，使得系統(tǒng)從用戶登陸、管理員身份驗證到系統(tǒng)人臉數(shù)據(jù)庫的分布式存儲在安全性上都領先于其他系統(tǒng)。

除了維持核心業(yè)務，VISUAL ID還致力于不斷開發(fā)新產(chǎn)品?；贏I技術生物識別和區(qū)塊鏈技術產(chǎn)品的開發(fā)有利于充分發(fā)掘企業(yè)的資源和生產(chǎn)能力，提高經(jīng)濟效益，同時有利于新市場的開拓，提高企業(yè)的聲譽，擴大銷售量，提高競爭能力，從而既可滿足市場需求，又增加了企業(yè)的盈利。為此，VISUAL ID將會面對市場需求的多樣化，提高創(chuàng)新能力，加大技術開發(fā)。

我國人臉識別市場規(guī)模從2012年的16.7億元，上升至2015年的75億元。根據(jù)測算，人臉識別主要應用領域市場規(guī)模，公安領域16億以上、交通領域50億以上、金融領域百億級別、教育領域百億級別，在不考慮大安防硬件存量市場的前提下，整體市場規(guī)模就達到數(shù)百億。人臉識別作為人工智能模式識別中應用領域最為廣泛的細分行業(yè)，伴隨安防、交通等新增市場的打開，預計整體市場規(guī)模有望呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。