人臉識別技術(shù)在高鐵站的應(yīng)用

萬鑫，張建卉，黃曦

（北京鐵路公安局，北京100000）

0 引言

近年來，由于反恐、社會(huì)和國家安全的需要，世界上各個(gè)國家都對安防領(lǐng)域加大了投入。而身份認(rèn)證識別正是安防的一個(gè)核心問題。在該大環(huán)境下，生物特征識別迎來了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球市場對生物識別產(chǎn)品的需求在2010年已經(jīng)達(dá)到71億美元；近幾年，生物識別設(shè)備的綜合性年增長率也達(dá)到20%左右。國際生物識別集團(tuán)（IBG）的報(bào)告《生物識別市場與產(chǎn)業(yè)報(bào)告2009-2014》顯示，在各種生物特征識別技術(shù)中，指紋識別系統(tǒng)所占份額最大，為66.7%；除此之外，人臉識別占到11.4%，虹膜識別、語音識別、靜脈識別和掌形識別各占8.0%、3.0%、2.4%和1.8%。而據(jù)了解，目前中國國內(nèi)人臉識別占比達(dá)18%，以上數(shù)據(jù)顯示，人臉識別有很大的發(fā)展?jié)摿1]。

相對于其他生物識別技術(shù)，人臉識別有著以下明顯的優(yōu)勢：

（1）人臉識別具有可見性。這非常符合人臉識別的思路，只需要看到某個(gè)人的人臉，就可以知道這人是誰，進(jìn)而可以作為后續(xù)證據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。而指紋、虹膜以及其他的生物識別，無法做到這一點(diǎn)。

（2）人臉識別不需要或者極少需要人配合。指紋和虹膜基本需要人較強(qiáng)的主動(dòng)配合和皮膚接觸才能夠完成，而人臉識別則不需要，這就決定了人臉識別的應(yīng)用場景有可以更為廣泛。

（3）人臉識別不需要專門的設(shè)備支持。現(xiàn)在的戶外攝像頭無處不在，滿街的高清攝像機(jī)，人手一臺智能手機(jī)都可以進(jìn)行人臉的抓拍或者捕捉，這就決定了人臉識別應(yīng)用可以有更大范圍普及的可能性。

綜上所述，由于人臉識別的可見性，可接受性以及隱藏性和巨大的應(yīng)用市場已成為生物特征識別技術(shù)中最具發(fā)展?jié)摿妥钣袑?shí)際應(yīng)用前景的技術(shù)之一。此外，人臉識別技術(shù)還融合了人工智能、大數(shù)據(jù)、深度學(xué)習(xí)等前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)[2]，計(jì)算機(jī)視覺、模式識別、圖像處理、神經(jīng)認(rèn)知學(xué)等傳統(tǒng)熱點(diǎn)技術(shù)，以及傳感器件、工程設(shè)計(jì)，等等，因此在研究上具有極其豐富的理論價(jià)值和研究意義。

1 現(xiàn)狀概述

“交通強(qiáng)國，鐵路先行”，中國鐵路歷經(jīng)百年，逐步發(fā)展壯大，從“四橫四縱”到“八橫八縱”，至2018年末中國營業(yè)總額就已達(dá)13.2萬公里，高鐵里程達(dá)2.9萬公里，建造了世界上最現(xiàn)代化的鐵路網(wǎng)和最發(fā)達(dá)的高鐵網(wǎng)，居世界第一，奏響了時(shí)代最強(qiáng)音，形成了“安全優(yōu)質(zhì)，興路強(qiáng)國”的新時(shí)代鐵路精神。

安全是中國鐵路的首要職責(zé)，即要保證人民群眾財(cái)產(chǎn)安全。國家鐵路局發(fā)布交通運(yùn)輸部令2014年第20號要求進(jìn)站乘車需要進(jìn)行實(shí)名制驗(yàn)票。通過人臉識別系統(tǒng)管控旅客進(jìn)站的檢票驗(yàn)票，保證進(jìn)站旅客的人證票一致，實(shí)現(xiàn)身份的安全認(rèn)證，可加強(qiáng)社會(huì)穩(wěn)定，同時(shí)也是構(gòu)建和諧交通建立智慧車站的需求，踐行了“安全”這一鐵路精神[3]。

優(yōu)質(zhì)是中國鐵路的本質(zhì)屬性，即要為旅客提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，高鐵甚之。夙昔，傳統(tǒng)人工確認(rèn)實(shí)名制和檢驗(yàn)票方式已不能滿足與日俱增的旅客需求；在高峰期時(shí)，進(jìn)站口往往緩慢擁堵，旅客因等待時(shí)間過長，易造成旅客與工作人員之間的矛盾；這種方式要求工作人員擁有高度責(zé)任心，但依然避免不了出現(xiàn)漏檢和疏忽，給旅客帶來不便，高峰期時(shí)此現(xiàn)象更為明顯。隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展，依托于海量人臉圖像數(shù)據(jù)的涌現(xiàn)，人臉識別以其非接觸、非強(qiáng)制、快速等優(yōu)勢迅速火熱起來，能夠達(dá)到快速準(zhǔn)確的驗(yàn)證目的，恰巧能滿足高鐵站人證檢驗(yàn)一致的需求，因此以人臉識別技術(shù)為支撐的身份核驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。通過使用人臉識別實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)票業(yè)務(wù)，解決了人證一致性問題，降低了身份識別錯(cuò)誤率；減少了旅客等候時(shí)間，提高了進(jìn)站業(yè)務(wù)效率；極大減少了人力成本，使人力資源得到更好的配置；向智慧車站又邁進(jìn)了一步；提升了旅客出行體驗(yàn)，積極響應(yīng)了“優(yōu)質(zhì)”這一鐵路精神。

本文的工作主要圍繞人臉識別在高鐵站實(shí)際應(yīng)用中遇到的種種實(shí)際問題展開，構(gòu)建新的解決方案與方法，提升人臉識別的精度與應(yīng)用。

2 存在的問題分析

二維人臉人證驗(yàn)證算法對現(xiàn)場的環(huán)境、拍攝的人臉質(zhì)量要求較高，需要保證拍攝的圖片質(zhì)量滿足識別的要求才能進(jìn)行識別。在實(shí)際的應(yīng)用中，由于高鐵站人流量較大，首先需要保證旅客能夠快速通行，我們發(fā)現(xiàn)下列的原因影響了旅客的通行速度。

（1）姿態(tài)[4]

由于部分旅客對人證驗(yàn)證設(shè)備的自助使用不熟悉，不知道需要面對攝像頭進(jìn)行人證驗(yàn)證，特別是著急進(jìn)站的旅客，存在往候車室闖的情況。導(dǎo)致設(shè)備不能夠迅速地拍攝到符合識別要求的人臉圖片，因此設(shè)備需要反復(fù)多次提醒旅客重新拍攝照片，極大地影響了通行效率。相機(jī)拍攝的示例見圖1。

圖1 人臉姿態(tài)圖

（2）遮擋[4]

旅客中佩戴墨鏡、頭發(fā)、口罩、手拿身份證車票等情況容易對人臉照成遮擋，這將導(dǎo)致人證驗(yàn)證的過程中人臉有效區(qū)域較小，容易造成相似度偏低，達(dá)不到設(shè)定的閾值，旅客無法通行堵塞通道。相機(jī)拍攝的示例見圖2。

圖2 人臉遮擋圖

（3）表情[4]

旅客在通行的過程中可能存在和周圍的同事朋友講話聊天的情況，這時(shí)拍攝到的人臉圖片可能會(huì)帶有各種表情，和身份證標(biāo)準(zhǔn)照片相比，容易造成相似度偏低，達(dá)不到設(shè)定的閾值，旅客無法通行堵塞通道。相機(jī)拍攝的示例見圖3。

圖3 人臉表情圖

（4）化妝[4]

旅客在出行時(shí)會(huì)進(jìn)行打扮化妝，和身份證標(biāo)準(zhǔn)照片相比人為地涂畫了很多紋理特征在臉上，特別是眉毛部分，有可能完全改變了眉毛的形狀和顏色。如果涂抹較濃，人臉特征改變較大，識別算法會(huì)人為現(xiàn)場照片和身份證照片不是同一人員，導(dǎo)致旅客無法通行堵塞通道。相機(jī)拍攝的示例見圖4。

圖4 人臉表情圖

（5）環(huán)境光照[4]

各個(gè)高鐵站的進(jìn)站口方向通常都是固定不變的，有些進(jìn)站口方向正對室外，這就不可避免地造成了需要在逆光環(huán)境下拍攝人臉，這會(huì)造成人臉區(qū)域動(dòng)態(tài)范圍降低人臉曝光不足。同時(shí)光照角度也是隨著一年四季的變化而變化，并且現(xiàn)場還存在各種人為的燈光，例如路燈、廣告牌的燈等。在不同的光照條件下，人臉陰影是不同的，這會(huì)造成相似度偏低，達(dá)不到設(shè)定的閾值，旅客無法通行堵塞通道。相機(jī)拍攝的示例見圖5。

圖5 環(huán)境光照圖

（6）年齡變化[4]

公民二代身份證的有效期為五年、十年、二十年、長期，在此期間身份證照片和旅客現(xiàn)場照片之間的存在著時(shí)間差。有些旅客在此時(shí)間內(nèi)，可能長相有較大的改變，這會(huì)對識別帶來不利的影響，如果相似度偏低，達(dá)不到設(shè)定的閾值，會(huì)造成旅客無法通行堵塞通道。相機(jī)拍攝的示例見圖6。

圖6 年齡變化圖

3 應(yīng)對策略

通過上文的描述可以看到，當(dāng)前鐵路上實(shí)名制核驗(yàn)進(jìn)站閘機(jī)在人臉識別上遇到的各種問題都可以歸納為身份證芯片內(nèi)存儲的照片與現(xiàn)場照片的照片區(qū)別較大造成（現(xiàn)場照片中的人臉存在姿態(tài)、光照、遮擋等問題，而身份證照片均為正面且圖像像素為102×126）。為了解決身份證照片與現(xiàn)場旅客照片在姿態(tài)、像素、年齡等方面差別較大造成識別率下降的問題，我們建立了旅客圖像數(shù)據(jù)庫，存儲旅客不同時(shí)期的進(jìn)站圖像，當(dāng)旅客進(jìn)站時(shí)通過存儲的圖像與現(xiàn)場抓拍的圖像進(jìn)行比對。通過前期的實(shí)驗(yàn)表明，利用身份證芯片保存的低清圖片（分辨率：126×108）與現(xiàn)場攝像機(jī)抓拍的高清圖像（分辨率：1280×720）比對的準(zhǔn)確率要低于現(xiàn)場高清圖片與高清圖片的比對準(zhǔn)確率。

基于上述思想，我們設(shè)計(jì)了現(xiàn)場身份比對平臺：在旅客首次通過實(shí)名制自助核驗(yàn)閘機(jī)進(jìn)行人證比對時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)保存符合條件現(xiàn)場高清照片；當(dāng)旅客再次通過實(shí)名制自助核驗(yàn)閘機(jī)時(shí)，系統(tǒng)調(diào)用保存的現(xiàn)場照片與當(dāng)前拍攝的現(xiàn)場照片進(jìn)行比對。流程圖如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場比對系統(tǒng)流程圖[5]

（1）當(dāng)旅客使用實(shí)名制自助核驗(yàn)閘機(jī)時(shí)，系統(tǒng)讀取旅客的身份證信息，并根據(jù)身份證號調(diào)用旅客的歷史進(jìn)站圖像進(jìn)行比對。

（2）若該旅客無歷史進(jìn)站圖像則使用身份證芯片存儲的圖像與現(xiàn)場圖像比對。如果人證比對成功則將現(xiàn)場圖像存儲到旅客圖像數(shù)據(jù)庫。

（3）對于人證比對失敗且無歷史進(jìn)站圖像的數(shù)據(jù)，由后臺人工審核該次比對結(jié)果是否正確，若人工判斷現(xiàn)場圖像與身份證圖像是同一個(gè)人，則將現(xiàn)場圖像注冊進(jìn)圖像數(shù)據(jù)庫。

目前我們已將該系統(tǒng)用于某車站進(jìn)行測試運(yùn)行，經(jīng)過6月的測試運(yùn)行，系統(tǒng)供注冊200余萬人，經(jīng)過現(xiàn)場比對系統(tǒng)糾正自助核驗(yàn)閘機(jī)錯(cuò)誤判斷100余萬次，提高通行率約為1.5個(gè)百分點(diǎn)。

通過目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，現(xiàn)場比對系統(tǒng)可以有效提高實(shí)名制自助核驗(yàn)閘機(jī)的通行效率。當(dāng)然目前的系統(tǒng)仍有待改進(jìn)的地方：

（1）當(dāng)前系統(tǒng)的注冊數(shù)據(jù)主要通過人工判定，需要消耗較大的人力，后期可通過針對這部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行專門的算法訓(xùn)練減少人工參與程度。

（2）若改系統(tǒng)在不同的車站同時(shí)使用，需要設(shè)計(jì)一套有效的數(shù)據(jù)傳輸模式，做到旅客在不同的車站注冊數(shù)據(jù)可以互通。

4 結(jié)語

本文首先介紹了人臉識別在高鐵站應(yīng)用的一些基本情況，在解決了旅客鐵路出行人證驗(yàn)證的同時(shí)，提高了旅客的通行效率。然后通過分析目前的人證驗(yàn)證應(yīng)用系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了多種不利于人臉驗(yàn)證的因素，最后針對這些不利條件提出了身份比對平臺，通過此平臺人臉正確驗(yàn)證率得到了提升。同時(shí)身份比對平臺也存在提升的空間，在此思路下，還可進(jìn)一步的研究。