基于AI人臉識別技術(shù)的高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 偉 侯昌東

（云南師范大學(xué)職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 云南·昆明 650092）

0 引言

化學(xué)改變世界，在人類發(fā)展進(jìn)步的歷程中，化學(xué)在其中發(fā)揮了重要作用。化學(xué)的學(xué)習(xí)和研究探索是離不開實(shí)驗(yàn)的，但由于化學(xué)藥品有易燃易爆有毒等特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)人員的疏忽、操作不當(dāng)，極易造成化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生，化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全問題成為了高校面臨亟待解決的難題之一。本文探討了基于百度 AI人臉?biāo)阉髂芰Φ刃畔⒒夹g(shù)在化學(xué)實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)人員監(jiān)管這一維度的管理應(yīng)用，助力推進(jìn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)安全制度措施落到實(shí)處更進(jìn)一步。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室從設(shè)計(jì)之初，就嚴(yán)格按照實(shí)驗(yàn)的相關(guān)要求設(shè)計(jì)，并多次討論修改，專家論證，完善設(shè)計(jì)后開始基礎(chǔ)建設(shè)，安裝調(diào)試設(shè)施設(shè)備等。

化學(xué)實(shí)驗(yàn)建設(shè)好后，制定和完善化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全責(zé)任制度、安全準(zhǔn)入制度、安全管理制度，做好實(shí)驗(yàn)防護(hù)措施，并針對不同化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的化學(xué)實(shí)驗(yàn)人員、管理人員和指導(dǎo)教師進(jìn)行對應(yīng)的安全教育和準(zhǔn)入培訓(xùn)。由于化學(xué)實(shí)驗(yàn)的特殊性，人工監(jiān)管難度大，很難做到監(jiān)管全覆蓋。采用信息化手段，應(yīng)用百度AI人臉?biāo)阉髂芰夹g(shù)設(shè)計(jì)開發(fā)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室人員準(zhǔn)入和實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室必須有指導(dǎo)教師制度的監(jiān)控全覆蓋，以減少和杜絕由于人為因素引起的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全事故的發(fā)生。系統(tǒng)通過調(diào)用百度API實(shí)現(xiàn)人臉?biāo)阉髯R別，其人臉庫首選識別率達(dá)99%以上，為系統(tǒng)分析處理準(zhǔn)確性提供了保障。

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)由視頻處理服務(wù)模塊、人臉采集模塊、人臉?biāo)阉魈幚砟K和視圖模塊組成。

視頻處理服務(wù)模塊完成監(jiān)控視頻采集、存儲，人臉檢測、偵測與抓圖存儲功能；人臉采集模塊完成人臉庫的采集及其管理功能；人臉?biāo)阉魈幚砟K完成圖片中人臉的檢測、檢索以及其搜索識別結(jié)果的分析處理功能；視圖模塊完成人機(jī)交互功能。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)通電開啟，視頻處理服務(wù)開始采集監(jiān)控視頻，并將視頻數(shù)據(jù)存儲到硬盤，監(jiān)控視頻采集的同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)人臉偵測，如果偵測到人臉時(shí)抓圖并存儲到數(shù)據(jù)服務(wù)器中。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)服務(wù)器中的圖片數(shù)據(jù)（人臉偵測抓圖），并將檢測到的圖片通過互聯(lián)網(wǎng)向百度AI人臉?biāo)阉髯R別服務(wù)發(fā)出請求，待返回圖片識別結(jié)果后，系統(tǒng)對圖片識別結(jié)果信息按設(shè)計(jì)功能進(jìn)行分析處理，有異常情況時(shí)提醒管理用戶處理。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)使用C#語言編寫，與百度AI服務(wù)數(shù)據(jù)請求通訊，使用POST向API服務(wù)地址發(fā)送請求URL數(shù)據(jù)格式方式有時(shí)間間隔限制，系統(tǒng)采用調(diào)用百度AI服務(wù)windows動(dòng)態(tài)庫方式，以提高系統(tǒng)性能。

2.1 視頻處理服務(wù)模塊

視頻處理服務(wù)模塊的實(shí)現(xiàn)，可以對攝像設(shè)備基于網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議進(jìn)行二次開發(fā)實(shí)現(xiàn)。目前，人臉偵測技術(shù)較為成熟，為了提高系統(tǒng)處理能力和良好的擴(kuò)展性，直接使用攝像設(shè)備提供的視頻采集、存儲、人臉偵測等功能，配置人臉偵測抓圖功能，通過FTP方式將人臉偵測抓圖數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器。

2.2 人臉采集模塊

人臉采集模塊主要完成系統(tǒng)人臉庫的創(chuàng)建和管理。登錄百度AI開放平臺的控制臺，創(chuàng)建人臉識別應(yīng)用（appid）。每個(gè)人臉識別應(yīng)用對應(yīng)一個(gè)人臉庫，在人臉庫中創(chuàng)建學(xué)生組（group_students）和教師組（group_teachers），也可以調(diào)用百度AI接口（GroupAdd）添加人臉庫用戶組。收集滿足化學(xué)實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)入制度的實(shí)驗(yàn)學(xué)生和指導(dǎo)教師的人臉數(shù)據(jù)圖片，圖片大小小于10MB，為了提高識別率，對每人收集戴護(hù)目鏡和不戴護(hù)目鏡兩種人臉數(shù)據(jù)，系統(tǒng)循環(huán)調(diào)用百度AI接口（UserAdd）將人臉數(shù)據(jù)注冊添加到人臉數(shù)據(jù)庫中，還可以使用系統(tǒng)人臉庫管理UI界面中現(xiàn)場采集上傳功能把人臉數(shù)據(jù)注冊添加到數(shù)據(jù)庫中，人臉庫管理UI界面還提供人臉更新和刪除等功能。

2.3 人臉?biāo)阉魈幚砟K

人臉?biāo)阉魈幚砟K完成人臉?biāo)阉鱉:N識別，并對識別結(jié)果分析處理。系統(tǒng)人臉?biāo)阉魈幚砟K實(shí)時(shí)檢測視頻處理服務(wù)模塊人臉偵測抓圖存儲服務(wù)器的圖片數(shù)據(jù)，檢測到圖片時(shí)，調(diào)用百度AI接口（MultiSearch）搜索識別圖片中的人臉數(shù)據(jù)，返回圖片中所有人臉的搜索識別結(jié)果，對搜索識別結(jié)果做以下分析處理：

（1）搜索識別結(jié)果為SUCCESS，圖片中所有人臉score符合條件，人臉?biāo)鶎賹W(xué)生組（group_students）且有所屬教師組（group_teachers）或都所屬教師組（group_teachers）為無異常情況，刪除此搜索識別圖片；

（2）搜索識別結(jié)果為SUCCESS，搜索識別圖片中所有人臉score符合條件，若人臉全部所屬學(xué)生組，說明此化學(xué)實(shí)驗(yàn)室無指導(dǎo)教師（可設(shè)置為一定時(shí)間后仍未有人臉?biāo)鶎俳處熃M），提示管理用戶查看處理，將此圖片移至日志文件夾，并做好日志記錄；

（3）搜索識別結(jié)果為null或有score不符合條件：表示當(dāng)前人員人臉信息不在人臉庫中，說明當(dāng)前化學(xué)實(shí)驗(yàn)室中的人員不能進(jìn)入，系統(tǒng)提示管理用戶查看處理，將此圖片移至日志文件夾，并做好日志記錄。

人臉?biāo)阉魈幚砟K主要代碼如下：

2.4 視圖模塊

視圖模塊用于顯示系統(tǒng)各種信息，完成與管理用戶交互功能，提供查看處理異常記錄、異常記錄統(tǒng)計(jì)、日志管理、人臉庫管理、數(shù)據(jù)庫管理等操作。

3 系統(tǒng)使用驗(yàn)證

3.1 測試環(huán)境

系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)算機(jī)：CPU：Inteli5-8400T，內(nèi)存：8GB，操作系統(tǒng)：Windows 10專業(yè)版。

FTP數(shù)據(jù)服務(wù)器、系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)算機(jī)和攝像頭硬盤機(jī)采用千兆交換機(jī)連接，系統(tǒng)運(yùn)行計(jì)算機(jī)與百度AI服務(wù)器使用300M寬帶連接調(diào)用。

攝像人臉偵測設(shè)置1920*1080分辨率抓圖，抓圖間隔30秒，百度AI應(yīng)用接口并發(fā)支持10QPS（完成百度云企業(yè)認(rèn)證）。

3.2 測試結(jié)果

由于圖片大小和人臉數(shù)的不同，完成人臉?biāo)阉鱉:N識別的時(shí)間在200ms-500ms之間，以500ms計(jì)算，本系統(tǒng)1分鐘可以完成120張人臉圖的M:N識別搜索處理，一套系統(tǒng)可以支持處理60個(gè)攝像頭的同時(shí)人臉偵測抓圖，可以滿足一個(gè)高校標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全監(jiān)控性能要求。若需要同時(shí)監(jiān)控的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室數(shù)量較多或減少人臉偵測抓圖間隔時(shí)間，可增加系統(tǒng)套數(shù)解決。根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室大小、布局的不同，系統(tǒng)攝像設(shè)備的安裝數(shù)量、角度、高度等都不同，需要多次測試調(diào)整，以達(dá)到較好的人臉偵測抓圖效果。

4 結(jié)語

基于百度 AI人臉?biāo)阉髂芰夹g(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全監(jiān)控系統(tǒng)，解決了實(shí)驗(yàn)室安全管理中人員準(zhǔn)入制度和化學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)驗(yàn)室必須有指導(dǎo)教師制度的智能監(jiān)管全覆蓋，彌補(bǔ)其人工管理較難，且難于監(jiān)管到位的問題。實(shí)驗(yàn)室智能化安全管理涉及面較廣，比如實(shí)驗(yàn)操作過程監(jiān)控分析，對存在安全隱患的操作作出實(shí)時(shí)提示和預(yù)警等。人臉識別技術(shù)只是人工智能的一個(gè)分支，基于目前計(jì)算機(jī)視覺處理技術(shù)，還不能實(shí)現(xiàn)化學(xué)實(shí)驗(yàn)智能安全“全功能”監(jiān)控，但隨著信息技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域技術(shù)的突破，智能安全監(jiān)控將成為高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室安全教學(xué)和實(shí)驗(yàn)研究中的重要組成部分，為高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)安全管理保駕護(hù)航。