人臉識(shí)別技術(shù)在智慧樓宇中的應(yīng)用

孟 超

(天津國(guó)土資源和房屋職業(yè)學(xué)院，天津 300270)

一、人臉識(shí)別技術(shù)在智慧樓宇中的應(yīng)用場(chǎng)景

(一)人員出入管理

在智慧樓宇系統(tǒng)中，在樓宇出入口與地下車(chē)庫(kù)出入口等位置安裝若干數(shù)量的攝像頭與通道閘機(jī)設(shè)備，在人員出入樓宇時(shí)，跟蹤拍攝出入人員的影像資料，提取處理面部特征信息，對(duì)比人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)，從而判斷監(jiān)控對(duì)象的真實(shí)身份，賦予業(yè)主相應(yīng)的控制權(quán)限，確定外來(lái)訪(fǎng)客身份與是否提前預(yù)約申請(qǐng)，以此來(lái)甄別不明身份人員，記錄人員出入時(shí)間、位置等信息。與此同時(shí)，系統(tǒng)在短時(shí)間內(nèi)識(shí)別人員真實(shí)身份，控制閘機(jī)等終端設(shè)備提供服務(wù)，如識(shí)別到監(jiān)控對(duì)象為建筑業(yè)主或預(yù)約通過(guò)的外來(lái)訪(fǎng)客時(shí)，控制閘機(jī)提供通行通道，以實(shí)現(xiàn)樓宇系統(tǒng)的刷臉開(kāi)門(mén)、重點(diǎn)場(chǎng)所門(mén)禁控制、訪(fǎng)客登記等使用功能。

在人員出入管理場(chǎng)景中，與傳統(tǒng)的IC卡識(shí)別、密碼識(shí)別技術(shù)相比，人臉識(shí)別技術(shù)的核心價(jià)值在于，不會(huì)因讀卡器損壞、密碼失竊等突發(fā)狀況而影響到門(mén)禁系統(tǒng)使用功能的正常發(fā)揮，有著其他技術(shù)手段無(wú)法與之比擬的便捷性、安全性。

(二)物品存取

現(xiàn)階段，部分智慧建筑中雖然配置有物品存取柜，向用戶(hù)提供物品臨時(shí)存取服務(wù)，然而所采取身份認(rèn)證方式較為滯后，主要采取密碼識(shí)別與刷卡認(rèn)證手段，存在安全隱患，如用戶(hù)丟失識(shí)別卡致使存取物品被盜取。與常規(guī)認(rèn)證手段相比，人臉識(shí)別技術(shù)在智慧樓宇物品存取場(chǎng)景中有著顯著優(yōu)勢(shì)，通過(guò)提取識(shí)別人體面部特征信息，快速識(shí)別用戶(hù)的真實(shí)身份，在顯示屏上顯示用戶(hù)存取柜的編號(hào)位置、使用狀態(tài)、物品入柜時(shí)間等信息，以及提供刷臉線(xiàn)上支付物品滯留存取費(fèi)用、開(kāi)啟存取柜、調(diào)整存取柜使用狀態(tài)等服務(wù)，避免因用戶(hù)身份認(rèn)證錯(cuò)誤而出現(xiàn)盜領(lǐng)物品問(wèn)題。此外，為提供高效、便捷的物品存取服務(wù)，用戶(hù)可提前在智慧樓宇系統(tǒng)中提交他人代取申請(qǐng)，附加代領(lǐng)人身份、預(yù)計(jì)領(lǐng)取時(shí)間等信息，由系統(tǒng)識(shí)別用戶(hù)身份是否為代領(lǐng)人，根據(jù)識(shí)別結(jié)果選擇性向其賦予操作權(quán)限。

(三)設(shè)備租借

在設(shè)備租借場(chǎng)景中，對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，替代傳統(tǒng)的二維碼掃描或是無(wú)線(xiàn)射頻的技術(shù)手段，用戶(hù)無(wú)須提前在智慧樓宇物資管理平臺(tái)中提交設(shè)施設(shè)備租借申請(qǐng)，可以直接租借使用設(shè)施設(shè)備，由攝像頭抓拍用戶(hù)的面部特征信息，對(duì)信息進(jìn)行提取識(shí)別處理，確定用戶(hù)身份，記錄設(shè)備租借返還時(shí)間、設(shè)備品種型號(hào)等信息，自動(dòng)生成物資租借清單，向用戶(hù)智能移動(dòng)終端發(fā)送相關(guān)信息，提供線(xiàn)上支付、刷臉支付服務(wù)。例如，用戶(hù)使用智慧樓宇中的停車(chē)位或充電樁時(shí)，自動(dòng)識(shí)別用戶(hù)身份，記錄停車(chē)位使用時(shí)間與充電樁耗電量，用戶(hù)在控制屏上刷臉支付，或是在手機(jī)終端上遠(yuǎn)程支付設(shè)備租借費(fèi)用，系統(tǒng)還將實(shí)時(shí)觀測(cè)設(shè)備使用狀況，在出現(xiàn)停放車(chē)輛剮蹭、充電樁故障等問(wèn)題，或是車(chē)輛充電完成后，向用戶(hù)實(shí)時(shí)發(fā)送信息。如此，既可以為用戶(hù)提供高效、便捷的服務(wù)體驗(yàn)，同時(shí)，還可以減輕智慧樓宇設(shè)施設(shè)備的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作量。

(四)消費(fèi)支付

在新建的智慧建筑中，人臉識(shí)別技術(shù)在消費(fèi)支付場(chǎng)景中得到落地應(yīng)用，智慧樓宇系統(tǒng)與自動(dòng)販賣(mài)機(jī)、超市收銀機(jī)等終端設(shè)備保持通信連接，用戶(hù)可選擇刷臉支付方式，由設(shè)備攜帶的攝像頭采集面部特征信息，快速識(shí)別用戶(hù)真實(shí)身份，直接扣除用戶(hù)賬戶(hù)中的預(yù)存款或綁定銀行卡，生成并發(fā)送扣費(fèi)清單，以此來(lái)節(jié)省支付時(shí)間，便于用戶(hù)在建筑樓宇中進(jìn)行消費(fèi)。

(五)樓宇安防與異常報(bào)警

在智慧樓宇門(mén)禁安防系統(tǒng)運(yùn)行期間，所配置攝像頭裝置持續(xù)對(duì)樓宇內(nèi)流動(dòng)人員進(jìn)行跟蹤拍攝，從圖像視頻資料中提取面部特征信息，對(duì)比靜態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，有效識(shí)別監(jiān)控對(duì)象的真實(shí)身份。在無(wú)法識(shí)別監(jiān)控對(duì)象真實(shí)身份，或是靜態(tài)人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中未存儲(chǔ)目標(biāo)身份信息時(shí)，系統(tǒng)向安防人員發(fā)送報(bào)警信號(hào)，由安防人員對(duì)未知身份人員進(jìn)行問(wèn)詢(xún)調(diào)查，控制閘機(jī)禁止其進(jìn)入重要場(chǎng)所，保存未知人員的路徑行為監(jiān)控畫(huà)像資料。

同時(shí)，智慧樓宇系統(tǒng)與所處區(qū)域公安機(jī)關(guān)的數(shù)據(jù)庫(kù)保持后臺(tái)鏈接狀態(tài)，在未知身份人員存在跳過(guò)閘機(jī)、損壞閘機(jī)等行為時(shí)，系統(tǒng)將未知身份人員的面部特征信息提交至轄區(qū)公安機(jī)關(guān)的人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行核對(duì)識(shí)別，確定目標(biāo)真實(shí)身份，在識(shí)別到未知身份人員存在犯罪記錄或具備嫌疑人身份時(shí)，向公安機(jī)關(guān)發(fā)送預(yù)警提示信息。此外，依托人臉識(shí)別技術(shù)，現(xiàn)代智慧樓宇系統(tǒng)中具有自動(dòng)抓拍功能，當(dāng)出現(xiàn)非法人員盜用合法卡作案、撬開(kāi)樓宇出入口閘機(jī)與防盜門(mén)時(shí)，由系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)非法人員的作案過(guò)程與行為進(jìn)行拍攝，抓拍聯(lián)動(dòng)視頻，將視頻資料提交至公安機(jī)關(guān)，以提供案件偵破線(xiàn)索和編制黑名單布控名單。

(六)特殊人群關(guān)照

考慮到智慧建筑中部分用戶(hù)為殘障人士、孕婦、兒童、老年人等社會(huì)弱勢(shì)群體，容易出現(xiàn)各類(lèi)突發(fā)疾病或是滑倒等安全事故，存在安全隱患。因此，需要將人臉識(shí)別技術(shù)拓展至關(guān)照特殊人群的應(yīng)用場(chǎng)景中，基于人臉特征信息識(shí)別結(jié)果來(lái)記錄登記在冊(cè)的特殊人群的居家/出行狀態(tài)，在非接觸性、非侵?jǐn)_性的前提下對(duì)特殊人群進(jìn)行跟蹤監(jiān)管，在檢測(cè)到特殊人群出現(xiàn)跌倒滑落與長(zhǎng)時(shí)間靜止不動(dòng)等異常狀況，或是長(zhǎng)時(shí)間未記錄特殊人群的門(mén)禁出入信息時(shí)，由物業(yè)人員上前查看身體狀況或上門(mén)探望，必要情況下聯(lián)系用戶(hù)預(yù)留的應(yīng)急聯(lián)系人和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，及時(shí)處理突發(fā)問(wèn)題，避免問(wèn)題惡性發(fā)展。

(七)樓宇對(duì)講

在早期建成的建筑工程中，受到技術(shù)水平限制，樓宇對(duì)講系統(tǒng)普遍采取語(yǔ)音對(duì)講方式，用戶(hù)通過(guò)辨別訪(fǎng)客聲音特征來(lái)判斷身份，判斷精度較差，存在安全隱患，偶爾出現(xiàn)非法人員模擬用戶(hù)親屬朋友聲音闖入用戶(hù)住宅引發(fā)建筑樓宇的惡性事故。而對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，樓宇對(duì)講系統(tǒng)采取全新的彩色可視對(duì)講方式，在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示智慧樓宇出入口門(mén)禁處的訪(fǎng)客視頻圖像資料，以及訪(fǎng)客身份信息，幫助用戶(hù)確定訪(fǎng)客的真實(shí)身份，在訪(fǎng)客身份異常時(shí)，用戶(hù)可以使用智慧樓宇系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)功能，向安全人員發(fā)送報(bào)警信號(hào)，以保障用戶(hù)的人身安全，及時(shí)消除安全隱患。

(八)簽到考勤

在智慧辦公樓宇中，在樓宇出入口放置人臉考勤機(jī)，系統(tǒng)中導(dǎo)入員工身份信息與面部特征信息。如此，員工可以直接通過(guò)人臉考勤機(jī)面部識(shí)別而自動(dòng)簽到打卡，在系統(tǒng)未在約定時(shí)間內(nèi)接收全體員工簽到考勤信息時(shí)，自動(dòng)向用戶(hù)反饋異?？记谛畔?，便于人力管理工作的開(kāi)展，杜絕代簽到問(wèn)題的出現(xiàn)。同時(shí)，考慮到部分特殊用戶(hù)因長(zhǎng)期勞動(dòng)致使指紋磨損嚴(yán)重，對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用，還將解決這類(lèi)用戶(hù)無(wú)法通過(guò)指紋識(shí)別等其他生物識(shí)別技術(shù)確定身份的技術(shù)難題。

二、智慧樓宇中的人臉識(shí)別過(guò)程

(一)人臉圖像采集檢測(cè)

在智慧樓宇人臉識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行期間，遠(yuǎn)程控制在樓宇出入門(mén)禁、電梯、消防樓梯等部位安裝的攝像頭，對(duì)過(guò)往人員的人臉圖像進(jìn)行跟蹤拍攝，同時(shí)拍攝獲取動(dòng)態(tài)圖像以及靜態(tài)圖像，調(diào)整前端攝像頭的角度位置來(lái)跟蹤拍攝目標(biāo)對(duì)象，避免因拍攝角度、頭發(fā)遮擋等因素影響而無(wú)法從圖像信息中提取有效、全面的面部特征信息。隨后，進(jìn)入人臉檢測(cè)環(huán)節(jié)，在人臉圖像資料中標(biāo)定目標(biāo)對(duì)象的人臉位置，篩除無(wú)用數(shù)據(jù)，從中提取結(jié)構(gòu)特征、直方圖特征、Haar特征等關(guān)鍵信息，采取AdaBoost學(xué)習(xí)算法，從提取的關(guān)鍵信息中挑選組合形成人臉矩形特征等弱分類(lèi)器，再由一定數(shù)量的弱分類(lèi)器共同組成處于層疊結(jié)構(gòu)狀態(tài)的強(qiáng)分類(lèi)器。

(二)人臉圖像信息預(yù)處理

根據(jù)人臉識(shí)別技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，受到攝像頭型號(hào)、光照條件變化、噪聲、拍攝角度、現(xiàn)場(chǎng)干擾源等多方面因素影響，系統(tǒng)所拍攝人臉圖像信息較為模糊，如果直接從圖像資料中提取面部特征信息進(jìn)行識(shí)別，容易出現(xiàn)身份識(shí)別錯(cuò)誤、面部特征信息失真、信息提取不全等問(wèn)題，致使人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用受阻，無(wú)法取得預(yù)期的應(yīng)用效果。針對(duì)于此，在智慧樓宇中應(yīng)用人臉識(shí)別技術(shù)時(shí)，需要在系統(tǒng)識(shí)別人臉過(guò)程中增設(shè)圖像信息預(yù)處理步驟，依次開(kāi)展視頻圖像光線(xiàn)補(bǔ)償、灰度調(diào)整、直方圖均衡處理、歸一化處理、幾何圖形校正、圖像銳化等操作行為，盡量消除外部條件對(duì)人臉識(shí)別精度及效率造成的限制干擾。以歸一化處理為例，對(duì)圖像信息中所統(tǒng)計(jì)面部特征數(shù)據(jù)依次開(kāi)展幾何歸一化與灰度歸一化處理，分別采取廣義變化法和光線(xiàn)補(bǔ)償法實(shí)現(xiàn)操作，調(diào)整圖像信息中的面部特征點(diǎn)位與灰度。

而在圖像濾波處理環(huán)節(jié)，采取高斯平滑濾波或是均值濾波處理措施，濾除所采集圖像資料信息中夾雜的雜波，高斯平滑濾波處理法依照傅里葉變換原理，將圖像資料信息切換為特定頻域后構(gòu)建高斯函數(shù)模型，在模型輸出值中自動(dòng)濾除初始圖像資料中夾雜的噪音，憑借二維函數(shù)對(duì)稱(chēng)性特征準(zhǔn)確檢測(cè)和處理圖像不平滑部位的像素。而均值濾波處理法是通過(guò)獲取周邊圖像和值與求解均值的方式，采取均值像素更換圖像資料中檢測(cè)標(biāo)記的噪聲圖像，具有處理效率高、方法簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，但會(huì)破壞圖像細(xì)節(jié)，容易出現(xiàn)局部變形現(xiàn)象，致使人臉識(shí)別準(zhǔn)確度隨之下滑。

(三)人臉特征提取

在人臉識(shí)別技術(shù)體系中，人臉特征提取原理為，將人臉圖像信息中的面部特征數(shù)據(jù)視為柔性體，從中提取原始特征數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)應(yīng)高維數(shù)據(jù)，通過(guò)提取、分類(lèi)處理人臉原始特征，在低維空間內(nèi)完成數(shù)據(jù)處理任務(wù)，以此來(lái)替代傳統(tǒng)的高維數(shù)據(jù)處理任務(wù)，起到減少數(shù)據(jù)處理量、提高數(shù)據(jù)處理效率、有效保留人臉特征識(shí)別數(shù)據(jù)的作用。參照人臉識(shí)別技術(shù)在國(guó)內(nèi)同類(lèi)智慧樓宇項(xiàng)目中的應(yīng)用實(shí)例來(lái)看，人臉特征提取算法包括線(xiàn)性判別分析以及主成分分析兩種，均采取轉(zhuǎn)換二維圖像矩陣的方式完成特征提取任務(wù)，在提取過(guò)程中產(chǎn)生較大圖像位數(shù)，致使人臉特征提取效率降低，系統(tǒng)難以在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別用戶(hù)真實(shí)身份，沒(méi)有在真正意義上實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別系統(tǒng)與門(mén)禁系統(tǒng)、樓宇對(duì)講系統(tǒng)、視頻布控系統(tǒng)等配套系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制。針對(duì)于此，在開(kāi)發(fā)智慧樓宇人臉識(shí)別系統(tǒng)時(shí)，可選擇采取全新算法來(lái)替代傳統(tǒng)算法，如LDA算法和二維主成分分析算法，以此來(lái)提高人臉特征提取效率，但LDA算法具有訓(xùn)練樣本數(shù)量小的局限性，二維主成分分析算法有著識(shí)別精度低的局限性，應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目需求加以選擇。

現(xiàn)階段，在智慧樓宇項(xiàng)目中，主要采取AdaBoost算法來(lái)取代傳統(tǒng)的boosting算法，這項(xiàng)算法具備可自動(dòng)調(diào)節(jié)初始化誤差值、自學(xué)習(xí)能力、權(quán)重系數(shù)自適應(yīng)調(diào)整、快速生成強(qiáng)弱分類(lèi)器的優(yōu)勢(shì)。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，人臉識(shí)別系統(tǒng)基于AdaBoost算法，選取積分圖計(jì)算方式準(zhǔn)確描述圖像資料中的面部灰度信息，掌握數(shù)值特征和切換至相同數(shù)理特征，在訓(xùn)練過(guò)程中極短時(shí)間內(nèi)生成弱分類(lèi)器并整合為強(qiáng)分類(lèi)器，使用弱強(qiáng)分類(lèi)器依次對(duì)圖像資料中的面部特征信息進(jìn)行過(guò)濾檢測(cè)，完成人臉特征信息提取任務(wù)。

(四)身份識(shí)別

系統(tǒng)將人臉圖像中提取處理后的特征數(shù)據(jù)導(dǎo)入靜態(tài)/動(dòng)態(tài)人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)中加以搜索匹配，在數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先設(shè)定閾值，將人臉面部特征量以分類(lèi)器形式進(jìn)行定向分類(lèi)搜索匹配處理，在搜索匹配結(jié)構(gòu)相似度超過(guò)預(yù)定閾值后，輸出匹配結(jié)果，完成人臉識(shí)別過(guò)程，確定人員的真實(shí)身份。同時(shí)，在人臉識(shí)別系統(tǒng)中可采取辨別識(shí)別方法或是確認(rèn)識(shí)別方法，辨別識(shí)別是將面部特征量同時(shí)與多個(gè)搜索結(jié)果進(jìn)行匹配，識(shí)別效率較高，但設(shè)計(jì)難度較大。而確認(rèn)識(shí)別是采取一對(duì)一的搜索匹配方式，識(shí)別效率低下，但設(shè)計(jì)方法較為成熟。

此外，還應(yīng)正確認(rèn)識(shí)到各種人臉識(shí)別方式的技術(shù)局限性，攻克技術(shù)難題，進(jìn)一步提高人臉識(shí)別效率和準(zhǔn)確率。以常見(jiàn)的多尺度人臉檢測(cè)機(jī)制為例，在保持檢測(cè)窗口大小不變或等比例放大縮小的前提下，使用經(jīng)過(guò)預(yù)先訓(xùn)練學(xué)習(xí)的分類(lèi)器覆蓋圖片窗口執(zhí)行檢測(cè)操作，在數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配相似度超過(guò)一定標(biāo)準(zhǔn)的用戶(hù)身份。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，多尺度人臉檢測(cè)機(jī)制有著檢測(cè)速度快的優(yōu)勢(shì)，但所設(shè)定檢測(cè)窗口的縮放次數(shù)與比例合理性缺乏保證，容易出現(xiàn)漏檢問(wèn)題，且系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)算量較大。針對(duì)于此，需要提前在系統(tǒng)中預(yù)設(shè)縮放次數(shù)和比例的閾值，在各層級(jí)圖像中設(shè)置統(tǒng)一的配對(duì)積分圖，將檢測(cè)窗口步進(jìn)值設(shè)定為2，以此來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，為進(jìn)一步提高智慧樓宇的智能化、自動(dòng)化程度，向業(yè)主提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)，企業(yè)必須正確認(rèn)識(shí)到人臉識(shí)別技術(shù)在智慧樓宇中的應(yīng)用價(jià)值，深入了解技術(shù)原理和人臉識(shí)別過(guò)程，結(jié)合項(xiàng)目情況科學(xué)制定人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，持續(xù)拓展人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。