基于預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫的城市軌道交通人臉識別過閘系統(tǒng)性能優(yōu)化方案

展宗思 嚴(yán) 軍

(1.西安市軌道交通集團有限公司， 710018， 西安；2.成都智元匯信息技術(shù)股份有限公司， 610213， 成都∥第一作者， 高級工程師)

近年來，基于人臉識別技術(shù)，城市軌道交通實現(xiàn)了一種免介質(zhì)、無接觸的人臉識別過閘方式。這種過閘方式更便捷、更安全，如能大范圍推廣應(yīng)用，將發(fā)揮較大價值。然而，受計算能力和網(wǎng)絡(luò)條件所限，目前人臉識別過閘系統(tǒng)的性能表現(xiàn)仍難以達到大范圍推廣應(yīng)用的要求[1]。為有效解決此問題，本文提出一種基于預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫的性能優(yōu)化方案。

1 人臉識別過閘系統(tǒng)性能現(xiàn)狀

城市軌道交通人臉識別過閘系統(tǒng)是一種集圖像采集、圖像處理、數(shù)據(jù)比對、數(shù)據(jù)搜索等功能于一體的計算機集成系統(tǒng)，其通過車站閘機安裝的人臉識別PAD(平板電腦)采集乘客人臉圖像、提取人臉特征數(shù)據(jù)，并通過專用網(wǎng)絡(luò)將人臉特征數(shù)據(jù)上傳至后臺系統(tǒng)，進行驗證、比對、計費、扣費等[2]。經(jīng)國內(nèi)多地城市軌道交通實踐證明，人臉識別過閘系統(tǒng)人臉數(shù)據(jù)庫的人臉數(shù)及并發(fā)訪問人數(shù)過大時，該系統(tǒng)的響應(yīng)耗時、誤識率等關(guān)鍵性能指標(biāo)均難以滿足正常使用要求[3]。

人臉識別過閘系統(tǒng)的響應(yīng)耗時為人臉圖像采集、人臉活體檢測、特征數(shù)據(jù)提取、特征數(shù)據(jù)比對+搜索和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葮I(yè)務(wù)的累計耗時。其中，人臉圖像采集、人臉活體檢測、特征數(shù)據(jù)提取等業(yè)務(wù)的耗時同PAD的軟硬件性能相關(guān)聯(lián)，同后臺系統(tǒng)軟硬件性能及網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備性能關(guān)聯(lián)不大。由于PAD軟硬件性能、網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備性能均相對穩(wěn)定，故與其關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)耗時也相對恒定。在所有業(yè)務(wù)中，唯有人臉特征數(shù)據(jù)比對+搜索業(yè)務(wù)的耗時直接取決于后臺系統(tǒng)的軟硬件性能。在相同硬件條件下，人臉識別過閘系統(tǒng)各業(yè)務(wù)的耗時情況如圖1所示。

如圖1 a)所示：當(dāng)人臉數(shù)據(jù)庫的人臉數(shù)為500萬張且并發(fā)訪問人數(shù)超過100個時，人臉識別過閘系統(tǒng)總響應(yīng)耗時超過了300 ms(系統(tǒng)性能臨界值)，其中絕大部分為特征數(shù)據(jù)比對+搜索業(yè)務(wù)耗時。如圖1 b)所示：當(dāng)人臉數(shù)據(jù)庫的人臉數(shù)為2 000萬張且并發(fā)訪問人數(shù)持續(xù)增大時，比對+搜索業(yè)務(wù)耗時呈非線性增長，誤識率也明顯增大；人臉圖像采集、人臉活體檢測、特征數(shù)據(jù)提取等業(yè)務(wù)耗時則未被人臉數(shù)據(jù)庫的人臉數(shù)、并發(fā)訪問人數(shù)的變化所影響。由此可推斷，人臉特征數(shù)據(jù)比對+搜索耗時是人臉識別過閘系統(tǒng)性能的關(guān)鍵約束因素。

a) 人臉數(shù)為500萬張

b) 人臉數(shù)為2 000萬張圖1 人臉識別過閘系統(tǒng)各業(yè)務(wù)的耗時情況Fig.1 Time-consumption situation of each businessof the face recognition gate system

2 性能優(yōu)化方案

為優(yōu)化人臉識別過閘系統(tǒng)的性能，本文提出一種基于預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫的性能優(yōu)化方案。該方案對車站入口通道乘客視頻中的人臉數(shù)據(jù)進行預(yù)篩，形成縮小版預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫，預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫提供更小的特征數(shù)據(jù)比對及搜索范圍，有助于后臺系統(tǒng)縮短人臉識別耗時和降低誤識率。

2.1 優(yōu)化后的系統(tǒng)硬件

為滿足基于預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫的人臉識別過閘系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确矫娴挠布枨?，需要先對人臉識別過閘系統(tǒng)的硬件進行優(yōu)化。優(yōu)化后的人臉識別過閘系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

由圖2可見：優(yōu)化后的通道攝像機采用槍式高清視頻攝像機，其具備高分辨率、超低碼流等特性，支持3D降噪、背光補償?shù)裙δ?；?yōu)化后的車站級系統(tǒng)增配視頻分析服務(wù)器，為提取視頻中人臉特征數(shù)

注：APP為應(yīng)用程序。圖2 優(yōu)化后的人臉識別過閘系統(tǒng)硬件構(gòu)成圖Fig.2 Hardware composition after face recognitiongate system optimization

據(jù)提供硬件資源；優(yōu)化后的后臺系統(tǒng)采用分布式云計算平臺，為人臉特征數(shù)據(jù)比對+搜索、人臉數(shù)據(jù)篩選等業(yè)務(wù)處理以及動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫部署提供硬件資源。

車站級系統(tǒng)至后臺系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸借助于既有專用通信網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)，后臺系統(tǒng)至APP云平臺及第三方支付平臺之間的數(shù)據(jù)傳輸借助于電信運營商專線網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。

2.2 優(yōu)化后的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流程

在優(yōu)化后的人臉識別過閘系統(tǒng)硬件支持下，可實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程優(yōu)化。優(yōu)化后的業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

1) 一般情況下，通道攝像機將實時采集到的乘客進站視頻流推送至車站視頻分析服務(wù)器；視頻分析服務(wù)器逐幀提取人臉特征數(shù)據(jù)后交由前置服務(wù)器上傳至后臺系統(tǒng)；后臺系統(tǒng)收到人臉特征數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行安全驗證、比對、搜索后獲得篩選結(jié)果，并將此篩選結(jié)果按照線路、車站分類存儲于預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫。乘客到達站廳閘機前，后臺系統(tǒng)將不同線路、車站的人臉數(shù)據(jù)下發(fā)至對應(yīng)閘機PAD暫存，乘客過閘時PAD可在極短時間內(nèi)完成人臉識別及身份驗證，并命令閘機放行。

2) 特殊情況下，PAD識別到的乘客人臉特征數(shù)據(jù)未包含于本機暫存的人臉數(shù)據(jù)中，則將該人臉特征數(shù)據(jù)上送至后臺系統(tǒng)進行身份驗證。經(jīng)后臺系統(tǒng)比對+搜索和身份驗證后，將驗證結(jié)果返回至對應(yīng)PAD。如身份驗證通過，則命令閘機放行；否則，PAD顯示“乘客未注冊或未開通人臉過閘功能”

圖3 優(yōu)化后的系統(tǒng)業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流程圖

且閘機拒絕放行。

2.3 優(yōu)化后的效果

為驗證本方案的優(yōu)化效果，在西安地鐵自動售檢票系統(tǒng)實驗室(具備人臉識別過閘功能)安裝槍式高清視頻攝像機，在測試平臺部署視頻分析服務(wù)器和預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫，以此模擬測試環(huán)境來檢驗人臉識別過閘系統(tǒng)的性能優(yōu)化效果。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 優(yōu)化后的系統(tǒng)性能測試數(shù)據(jù)表

表1數(shù)據(jù)表明：當(dāng)人臉數(shù)據(jù)庫人臉數(shù)達到2 000萬張且并發(fā)訪問人數(shù)增加到140時，人臉識別過閘系統(tǒng)人臉識別+過閘耗時變化不明顯，始終保持在300 ms以內(nèi)；閘機通行能力、誤識率滿足使用要求。人臉數(shù)據(jù)庫的人臉數(shù)和并發(fā)訪問人數(shù)持續(xù)增大的情況下，優(yōu)化后的人臉識別過閘系統(tǒng)仍可保證良好性能表現(xiàn)。

3 結(jié)語

本文從分析城市軌道交通人臉識別過閘系統(tǒng)性能不足的問題出發(fā)，提出基于預(yù)篩動態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫的系統(tǒng)硬件、業(yè)務(wù)及數(shù)據(jù)流程等優(yōu)化方案。經(jīng)實驗室測試驗證，該方案不僅能使人臉識別過閘系統(tǒng)性能得到較大提升，而且具有較高的可行性，為人臉識別過閘系統(tǒng)大范圍推廣應(yīng)用創(chuàng)造了條件。