人臉識別技術在圖書館管理中的應用

徐瀟潔 薛 蔚

（南京大學信息管理學院，江蘇 南京 210023）

近年來，指紋識別技術已經非常普及，隨著人臉識別技術的發展，越來越多基于生物特征識別的應用走進我們的生活。若將人臉識別技術引入圖書館，將會提高圖書館管理的智能化、人性化及高效性。尤其是將其應用于圖書館的門禁管理、借閱管理和座位管理等方面，將有助于實現讀者與圖書館系統的精準交互。

1 人臉識別技術的概念及應用現狀

1.1 人臉識別技術概述

人臉識別技術是生物識別技術的一種，具有友好性、易獲取性、非接觸性和直接性等突出特點，近年來成為識別技術的熱點[1]。人臉識別技術是指對人的面部生物特征進行采集，通過某種算法，將其與已知的人臉庫進行對比，從而確認或者辨認其身份甚至更多的關聯信息。人臉技術包括人臉檢測、人臉追蹤、人臉比對3個階段。人臉檢測即確認圖像中是否有人臉；人臉追蹤即在人臉檢測后追蹤提取人臉的特征；人臉對比即將提取的特征與已經建立的數據庫進行對比確認[2]。基本識別流程見圖1，其中人臉識別的難點主要在于人臉檢測和特征提取。在特定條件下，二維人臉識別技術已經取得了精確率很高的識別結果，技術日趨成熟，然而表情、燈光、姿態、化妝、整容等因素都會降低人臉識別的效果，近年越來越多的專家開始關注人臉的三維信息，如美國多個機構（FBI、NIST等）合資發起的“人臉識別挑戰計劃”[3]。

圖1 人臉識別流程

1.2 人臉識別技術的應用現狀

美國首先提出了人臉識別技術，國外人臉識別技術公司的分布以美國、日本、德國為主。我國的相關研究起步較晚，但發展迅速，在1996-2015年間中國的專利公開量最高，但前十位的專利均為美國，美國掌握著人臉技術的核心專利，日本緊隨其后[4]。在中國，奧運會、世博會、二代身份證等領域已經驗證了人臉識別技術的優勢[5]。目前，該技術主要應用于安全管理、政府、銀行、電子商務、社會保障、軍隊等領域，詳見表1。

表1 人臉識別應用領域

身份認證和安全防護是人臉識別技術最主要的應用領域，在很多安全級別較高的區域，例如銀行、運動場、政府機關、機場、檔案館和圖書館等均采用了基于人臉識別的門禁系統來進行身份驗證，甚至手機和筆記本等保存著重要機密的私人用品也需要安全驗證。2017年9月13日蘋果公司發布了新一代手機Iphone X，取消了指紋識別，取而代之的應用了人臉識別，通過刷臉解鎖手機，還可以運用到Apply pay以及各種需要驗證的APP中[6]。

在公安破案領域，美國標準局NIST在2006年舉辦的Face Recognition Vendor Test表明人臉識別技術的準確性已經可以運用到實際工作中；[7]2014年，美國推出了總投入10億美金的電子識別系統，通過監控來鎖定嫌疑人；2015年日本引進了智能人臉識別系統推進入境審查的無人化。雖然人臉識別越來越受到重視，但它只是AI技術的一部分，在實際偵查中還會與其他技術相結合。除此之外，人都是活動的，需要將人臉識別與其行為識別進行動態結合，例如通過骨骼空間的幾個角度進行動作識別[8]。

目前，人臉識別在應用領域上已經有了很大的突破，不僅局限于考勤、門禁上的簡單應用。例如在醫療領域，張勐、劉哲等人創新性地將人臉識別應用到醫院，從根本上杜絕了亂開藥和開錯藥的現象[9]，并將人臉識別初步應用于內分泌疾病的輔助診斷，通過提取患者臉部的特征數據，分析比對從而確定患者的疾病類型[10]。隨著IT技術、AI技術、機器學習的不斷發展完善，未來人臉識別技術會應用到更多的領域中，并且向三維、多技術、遠距離、完全自動化等方向發展。

2 生物特征識別技術的對人臉識別技術的優勢

2.1 生物特征識別技術的對比

生物識別技術在越來越多的領域都取得了非常好的應用，特別是在身份識別安全性問題上具有顯著的優勢。生物特征識別主要包括身體特征和行為模式兩類，具有難以復制、不易遺忘、隨身“攜帶”和隨時隨地可用等優勢，其中身體特征包括指紋、眼睛、靜脈、掌型、視網膜、虹膜、臉型、甚至DNA、骨骼等；行為特征主要包括簽名筆記、聲音語態、行走步態等[11]。考慮到技術、效率和安全性，往往選擇不易被復制的先天性特征作為識別身份的主要依據，以指紋、虹膜和人臉為主，如指紋識別已經被應用到多個領域，尤其是考勤制度中。生物特征提取都需要專業的設備，設備成本問題是各大高校重點考慮的因素之一，同時由于高校人員數目眾多，采集的便捷程度也是極為重要的。表2是4種被廣泛使用的生物識別技術的性能對比。

表2 生物識別技術的性能對比

通過對比可知，虹膜識別和DNA識別技術的設備成本較高，采集不便利，在高校的實用性較低。出于高校的成本以及效率考慮，指紋和人臉識別技術是比較好的認證方式。

2.2 人臉識別技術的優勢

目前，各高校普遍使用以RFID技術為基礎的智能驗證系統，Radio Frequency Identification（簡稱：RFID）是一種自動非接觸性識別技術，利用無線電訊號識別特定目標，達到自動識別被識別對象、獲取相關信息的目的[12]。該技術識別速度和精度都是比較理想的。現階段，指紋、RFID和人臉識別都是是性價比較高的識別技術，這3種方式的詳細對比見表3。

表3 指紋、RFID和人臉識別的詳細對比

續表

RFID技術和人臉識別技術相比，存在持卡人和所持證件不一致的問題，如遇到校園卡丟失、借用、被盜和數據復制等情況，身份不明的人員便可以隨意進入高校圖書館甚至機密地區，造成很大的安全隱患，仍然需要人工識別，自動化程度較低。而指紋作為生物特征的秘密信息如今變得極為容易獲取，生物特征的不可復制性優勢已不復存在。一旦生物特征被盜取，將面臨以下問題：（1）防范不及時性：用戶在第一時間并不知道，不能像丟失校園卡一樣及時做出防范措施；（2）不可恢復性：依據生物特征識別的“掛失補辦”手續將變得復雜；（3）損失連續性：在防范不及時性的基礎上，用戶基于生物特征認證的所有信息和資源都將被非法盜取。

人臉識別技術具備以下突出優勢：（1）可追蹤：人臉識別技術利用視頻技術，不僅可以掌控館內的任何動態，又可以確認館內人員的身份，可形成被鎖定人員的行動軌跡，有效地對圖書館進行全面監管[13]。（2）識別精度高：在現有技術水平下，通過提前錄入人臉數據庫，失誤率比較低。（3）安全性高：該技術要求人員親自到現場，與預先存儲于數據庫中的信息相匹配才能通過，無法被他人模仿。（4）獲取信息準確：根據人臉可獲取人員的身份、所在地等數據，從而形成一定的數據庫，通過后續的分析可獲取想要的信息[14]。綜上而言，人臉識別在圖書館的應用是最佳選擇，在其他領域也有非常廣闊的應用前景。

3 人臉識別技術在圖書館管理中的應用

3.1 門禁系統

目前，國內高校采用的門禁管理方式，主要以門鎖、門禁卡和館員對出入人員（讀者或外來人員）進行身份登記方式為主[15]，這種管理方式雖然成本低，技術要求性不高，但是大量增加了工作人員的工作量，不夠靈活，而且容易出錯，冒名借閱圖書的現象時有發生，造成許多不必要的經濟損失與麻煩，安全性低。尤其是圖書館的館藏庫對門禁控制系統的安全性要求較高，如涉及到權限問題，需求也越來越復雜。而人臉技術和門禁系統的結合將有效地解決這一問題，人臉識別門禁系統的基本工作原理如圖2所示。當學生從圖書館大門進入時，啟動帶有人臉識別系統的視頻攝像機采集定位人臉特征，上傳至門禁控制器，門禁控制器將采集的圖像與后臺數據庫進行對比辨識，當匹配到一致的特征時，則大門自動開啟。同時，記錄下人像、進入時間等信息，與后臺的館內工作人員信息相結合，對工作人員進行人臉識別統計，從而實現自動考勤。還可以進行實時監管，防止出現刷完卡就離開工作崗位的現象。

圖2 人臉識別門禁系統的基本工作原理

圖書館是學生主要活動的場所之一，通過人臉識別技術和門禁技術的結合，可以準確地掌握進入圖書館的人員動態，只有在學校系統注冊過的人員才可以通行，持有別人校園卡的人將無法直接進入圖書館，保證了讀者身份的有效性和數據的準確性。因此通過門禁系統獲取的數據進行圖書館人員統計時，能準確獲取出入圖書館學生的所在學院、專業、時間、次數和借閱信息等數據，為日后的圖書館研究奠定了良好的基礎。

3.2 借閱系統

在傳統圖書館借閱模式中，學生辦理校園一卡通后，即可獲得享有圖書館資源的權限，在借閱讀書時，需要在磁卡器上放置校園卡確認借閱者身份，同時將所借的圖書放置到紅外線掃描設備上掃描書本條形碼信息，才能確保圖書借閱信息的準確性。如果將人臉識別技術和RFID技術相結合，RFID技術保證了閱讀器能自動同時讀取多本圖書信息，人臉識別技術保證了人員信息驗證的正確性，讀者可以直接“刷臉”借閱書籍，極大地減少了讀者等待的時間，從根本上解決了重復勞動的問題。其基本工作原理如圖3所示。

圖3 人臉識別技術和RFID技術相結合的借閱系統工作原理

校園一卡通是學生進入圖書館和借閱書籍的憑證，只限于本人使用，學生必須保管好借閱證，如果丟失甚至被盜用，容易被未知人員非法使用，會造成不必要的損失[16]。人臉識別技術可以有效地避免防范不及時，減少圖書館書籍的丟失率，不明人員也不能隨意進出圖書館。在保證人員信息準確性的基礎上，在進行文獻閱讀率的相關研究時，可以圍繞借閱人員的專業、年級、性別和頻次等信息進行分析，由此不僅可以根據學生的文獻利用情況，為其提供個性化的定向服務，還可以為圖書館采購部門提供建議。

3.3 座位管理系統

現代圖書館不僅為學生提供文獻資料、網絡資源，更是同學們自習的重要場所之一，由于圖書館的自習環境相對于普通自習教室更加優越，但資源有限導致圖書館的座位越來越短缺，經常出現圖書館提供的座位數量與學生需求之間不匹配現象。

目前國內許多高校開始運用微信公眾平臺提供在線預約座位的服務[17]，并具有現場刷卡確認和取消座位的功能，但是實時監測模塊還有待提高，它是保證座位得到充分利用的有力保證。國內各大高校使用了適合自身的方法進行圖書館的座位監管，主要方法有：（1）基于硬件的監管方法。主要是通過傳感器實時監控學生是否在座位上，例如使用單片機和紅外接近開關相結合的監控管理系統來減少圖書館亂占座的現象[18]，通過座位下壓力數值來分辨使用狀態的座位管理系統防止他人搶座或幫忙占座現象[19]，結合GIS與圖書館座位系統有效解決占座不合理現象[20]。雖然可以完全實現自動化管理，但是硬件初始成本和后續維護成本極高，對技術水平的要求也比較高。（2）基于軟件的監管方法。主要是通過使用根據自身要求構建的圖書館座位管理系統來實現部分自動化管理，但是仍然需要館員定時巡查來提高利用率。該方法適應性高，技術成本低，但是管理成本高，增加了館員的工作量。（3）基于軟硬件結合的管理方法。隨著技術的不斷發展，兩者相結合成為了主要趨勢，并且在此基礎上還可以進行不斷優化。

將人臉結合技術運用在座位管理系統中在國內并不多見，徐海東[21]曾在蘇州大學圖書館座位管理系統的基礎上，設計了引入人臉識別模塊的新型管理系統；張敏[17]在遼寧大學圖書館已有系統的基礎上構建了微環境下通過人臉識別技術優化的入館選座系統。在自習區域設置人臉識別器，杜絕一人通過刷多張校園卡占據多位，將接收到的人臉與預約信息或后臺學生數據庫進行比對，匹配成功才可進入自習教室。同時將視頻監控功能與人臉識別系統相結合，在監控中對進出人員進行身份識別和座位使用情況識別，以保證座位的高利用率。

4 結語

綜上所述，筆者提出將門禁系統、座位系統和借閱管理系統與人臉識別系統相結合的設想，給學生的校園學習生活帶來便利，為圖書館的基本工作提供了一定保障，確保學生和館員的人身安全和財物安全，也確保了圖書館內重要文獻資料的完整保存，同時也提高了圖書館的運行效率，實現圖書館半自動化管理，具有成本低、維護方便、實用性高的優勢，相信隨著圖書館功能越來越豐富，在后續發展中將會引入更多的先進技術，進一步提升圖書館的人性化。