Visual ID

胡鈺軒 陳晨 凌家豪

【摘 要】在計算機(jī)和信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的身份鑒別技術(shù)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(shù)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(jié)合了區(qū)塊鏈技術(shù)，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(luò)優(yōu)化Faster RCNN算法，并結(jié)合OpenPose開源框架和dlib表情識別開發(fā)技術(shù)，打造新型人臉識別系統(tǒng)，提升信息安全。

【關(guān)鍵詞】新型人臉識別技術(shù);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(jì)，計算機(jī)和信息技術(shù)正快速地融入人類的日常生活。如何準(zhǔn)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(shù)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(yán)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(biāo)識物品，而且身份信息也易被他人獲取，從而導(dǎo)致身份被他人冒充，造成嚴(yán)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(jìn)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(shù)應(yīng)用在門禁系統(tǒng)中。

由此，生物識別技術(shù)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(lǐng)域成功取代了傳統(tǒng)識別技術(shù)，而且隨著計算機(jī)和人工智能的快速發(fā)展，生物識別技術(shù)很容易配合計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)自動化管理，正在快速融入人們?nèi)粘５纳睢６四樧R別，是通過提取人臉部特征信息進(jìn)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(jī)提取出與人臉有關(guān)的信息特征并進(jìn)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(jìn)行比對，以此來確認(rèn)人身份的技術(shù)。作為生物特征識別技術(shù)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(zhǔn)確性等優(yōu)勢。因此，多年來它一直受到不同領(lǐng)域研究者的青睞。隨著國內(nèi)平安城市、智慧城市項目的深入發(fā)展，城市監(jiān)控進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域。如今，人臉識別廣泛應(yīng)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(lǐng)域的一大潮流。

某大學(xué)一棟女生宿舍上線了“人臉識別系統(tǒng)”，盡管目前機(jī)器處在調(diào)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(lǐng)域，招商銀行、建設(shè)銀行、中國農(nóng)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(jī)”，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(jī)，并試圖借此技術(shù)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(xué)習(xí)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(rèn)。據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，未來三年內(nèi)國內(nèi)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(nèi)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(yīng)用范圍的擴(kuò)大疊加政府采購的強力推進(jìn)，將促使人臉識別子行業(yè)延續(xù)高景氣度，值得關(guān)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(guān)于銀行業(yè)金融機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)程開立人民幣賬戶的指導(dǎo)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(shù)要求》、《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)人臉識別認(rèn)證系統(tǒng)安全技術(shù)要求》等法律法規(guī)，為人臉識別在金融、安防、醫(yī)療等領(lǐng)域的普及打下了堅實的基礎(chǔ)，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(xì)分領(lǐng)域，可以預(yù)計人臉識別相關(guān)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(wù)，貫穿小區(qū)安全管理服務(wù)及物業(yè)服務(wù)等服務(wù)，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(luò)優(yōu)化Faster RCNN算法，并結(jié)合OpenPose開源框架和dlib表情識別開發(fā)技術(shù)，提高在人面識別的精度。本項目平臺采用的算法是卡內(nèi)基梅隆大學(xué)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。或許會是人機(jī)交互上的一個里程碑，為機(jī)器理解人提供了一個高質(zhì)量的信息維度。另外本平臺還融入了區(qū)塊鏈技術(shù)，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(qū)動模塊及電源模塊等。當(dāng)觸發(fā)模塊的光電開關(guān)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(guān)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(gòu)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(yīng)用程序框架，以減少應(yīng)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(nèi)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(jìn)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(yīng)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(jìn)的深度網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，卷積深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)算法是基于Haar特征AdaBoost算法的改進(jìn)算法，通過直接使用已訓(xùn)練的模型對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取分析，將特征所提取信息放在一個模型內(nèi)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(jìn)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(jìn)，模仿了人類視覺系統(tǒng)信息分層處理機(jī)制，更好地挖掘訓(xùn)練數(shù)據(jù)中的關(guān)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(jìn)行相關(guān)相似度判斷，便可進(jìn)行判斷。然后RPN負(fù)責(zé)找到可能的目標(biāo)窗口進(jìn)行初步人脈檢測，R-CNN負(fù)責(zé)進(jìn)一步判斷。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)則采用樹莓派等相關(guān)平臺技術(shù)，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(wù)手機(jī)應(yīng)用程序，通過WiFi模塊的捆綁和免費的云端服務(wù)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(wù)器系統(tǒng)。其中MySQL是一個關(guān)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(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)之一，在 WEB 應(yīng)用方面，MySQL 是最好的RDBMS（關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)）應(yīng)用軟件。 MySQL關(guān)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(nèi)，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(yīng)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(shè)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(xué)計算軟件包都提供了Python的調(diào)用接口，例如著名的計算機(jī)視覺庫OpenCV、三維可視化庫VTK、醫(yī)學(xué)圖像處理庫ITK。 移動端后臺服務(wù)器交由企業(yè)打理，PC端服務(wù)器則由小區(qū)物業(yè)管理。企業(yè)服務(wù)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(wù)器數(shù)據(jù)庫中;圖片通過Python語言寫的Server，運用Socket 網(wǎng)絡(luò)編程傳遞到物業(yè)服務(wù)器中。物業(yè)服務(wù)器采用MySQL+PythonServer+Shell調(diào)用Linux C++的SDK識別，返回人臉識別結(jié)果。此外，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用開發(fā)包，便可導(dǎo)入到應(yīng)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(jìn)行深度挖掘，將其打造成一個物業(yè)綜合服務(wù)平臺。

具有創(chuàng)新的是，Visual ID人臉識別門禁系統(tǒng)結(jié)合了區(qū)塊鏈技術(shù)。比以往的識別技術(shù)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(shù)，實現(xiàn)購買的高效性以及安全性。分布式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的匯款可以在去中心化的機(jī)制下使用戶以更低的費用和更快的速度完成轉(zhuǎn)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(xué)方法相關(guān)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(nèi)所有網(wǎng)絡(luò)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(shù)，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(yīng)鏈管理的效率。當(dāng)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(shù)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(jìn)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(shù)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(gòu)建用戶與平臺之間的信任度，存儲和認(rèn)證用戶身份，防止外來不明人員的進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shù)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(gòu)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(jìn)，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(jìn)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?jǐn)?shù)據(jù)來源的多樣化，動態(tài)人臉捕抓、手機(jī)拍攝、攝像機(jī)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(zhǔn)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(shù)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(lǐng)先于其他系統(tǒng)。

除了維持核心業(yè)務(wù)，VISUAL ID還致力于不斷開發(fā)新產(chǎn)品。基于AI技術(shù)生物識別和區(qū)塊鏈技術(shù)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(jì)效益，同時有利于新市場的開拓，提高企業(yè)的聲譽，擴(kuò)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(shù)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(yīng)用領(lǐng)域市場規(guī)模，公安領(lǐng)域16億以上、交通領(lǐng)域50億以上、金融領(lǐng)域百億級別、教育領(lǐng)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(dá)到數(shù)百億。人臉識別作為人工智能模式識別中應(yīng)用領(lǐng)域最為廣泛的細(xì)分行業(yè)，伴隨安防、交通等新增市場的打開，預(yù)計整體市場規(guī)模有望呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。