基于动态人脸识别技术的平安校园建设The Construction of Safe Campus Based on Dynamic Face Recognition Technology

陈思行（沈阳市120中学，辽宁沈阳110034）

基于动态人脸识别技术的平安校园建设
The Construction of Safe Campus Based on Dynamic Face Recognition Technology

陈思行（沈阳市120中学，辽宁沈阳110034）

随着智能识别技术的不断成熟，人脸识别技术是近年来计算机视觉领域和机器学习领域中最富挑战性的课题之一，受到学者们的广泛关注。目前，从精确实用的角度来看人脸识别技术是优于其它生物识别技术的身份鉴别方法。本文通过分析，给出人脸识别系统的设计及系统软件开发的实施方案。重点讨论了以人脸识别为核心技术的安防系统在平安校园建设上的应用。

人脸识别；智能化监管平台；平安校园

校园是莘莘学子学习科学文化知识、进行研究实践的场所，在一定程度上承担着育人的作用。随着学校规模的不断扩大,学生人数的不断增多,导致对学校进行监管和掌控的覆盖面积也越来越大，治安管理形态和工作的复杂性和难度也在加强，校园安全面临着前所未有的挑战[1]。

以现在学校使用的校园监控系统来看，每天都有海量的网络视频数据被产生和存储，其中就包含着大量可用的人脸信息。但是，以现有的硬件配置和软件开发技术而言，对这些人脸信息的使用还停留在依靠人工排查、人工比对的相对落后阶段，导致对这些数据整体的利用率不高。因此，能够在海量视频信息中快速鉴别人员身份的新的监控技术的开发和使用就变得十分迫切和重要。

近年来，尤其是在美国遭遇恐怖袭击后，人脸识别技术作为新的计算机安全技术引起了人们的广泛关注，成功有效的人脸识别技术具有广阔的应用前景，可在校园安全、视频监控、智能空间、人机交互及视频索引等方面发挥巨大的作用。

1 人脸识别技术概述

人脸识别技术就是依靠生物特征识别领域中的人脸面部特征来达到身份确认的识别技术。其通过摄像头等采集设备提取人脸面部特征，依靠计算机软件系统通过特征匹配来进行身份识别和验证。与其他传统的生物识别技术相比，其采集方便、识别快捷、安全友好等优势冒险,越来越被大众所接受。目前，人脸识别技术已经被广泛应用在门禁系统、视频监控系统、身份识别等众多领域。

人脸识别技术在智能识别过程中主要分为三个步骤[2]：第一步是进行人脸的定位检测采集，这一过程主要是对视频和图像中是否存在人脸进行搜索，如果确定存在人脸时将把人的面部从整个背景中采集出来。第二个步骤是进行人脸面部的特征处理，这一过程的主要目的是提取已经检测到的人脸的主要特征信息，例如脸型，五官分布比例等进行进一步的预处理。第三步是进行人脸匹配与识别，这个部分是把提取到的面部特征信息与样本库中的人脸信息进行对比，最终确定图像或视频中出现的人脸的真实身份，其基本原理如图1所示。

图1 人脸识别技术原理图

2 人脸识别系统的设计

平安校园安防监控系统的核心是人脸识别技术。由于系统将要面对成千上万的人脸识别，为了在经济性、可靠性、实时性等方面取得良好的性能，需要对系统进行全面的设计与优化。在开发和设计系统时，需要把人脸识别模块分成两个部分。一部分是特征提取模块，这一部分主要是对人脸图像进行特征提取，然后把获得的人脸图像录入到数据库中。在录入的同时还要让系统管理员在后台输入人脸的身份信息，如姓名、年龄、地址等，进而把这些新特征值保存到数据库。另一部分被分解出来的模块是也叫人脸识别模块，这一部分主要针对待识别的人脸图像进行特征提取并进行识别工作，即识别图像中的人脸，并显示人脸的身份信息[3]。

考虑到人脸识别的实时性,在设计系统时还要考虑人脸识别过程所需的最大时间问题。在识别时间允许的情况下,通过多次采集、多次识别可提高系统识别的准确度。假设人员的行进速度为vm/s,系统允许人员的识别距离为Sm,图像采集卡速度为μframe/s,识别软件允许的后台运算时间为T,则说明软件的识别时间要在T秒内完成,否则不能保证系统识别过程的要求[4]。此外，系统的识别时间主要包括人脸检测、特征提取、特征比对等。其中人脸检测与特征提取在系统图像采集后只做一次,。然而，特征比对就要遍历授权的标准人脸数据库进行逐一对比,给出匹配相似度。由此不难发现,当识别任务的数量增大时,标准人脸数据库就大,比对的时间就长，在图像采集精度的限制下,与全数据库进行比对后系统的误识率也会相对增加。

3 系统软件设计流程

人脸识别软件的设计需要考虑包含人脸的采集、校验、信号的传输和考勤记录以及报警等相关功能性要求。通过计算机可同时对若干个智能通道和摄像机进行管理，授权不同的修改权限。例如，在门禁系统的设计时开门逻辑可设为“一人开门”或“多人与开门”方式，即核查一人正确即可开门，或同时对俩人或三人的脸部进行“与”校验，结果正确方可驱动，否则进行报警[5]。通过人脸识别软件的设计还能满足其他特殊门禁管理的要求，并对校园内部人员的进出时间、大门及电控锁的状态、报警情况进行记录、录像。当外部人员通过非法手段开门时，系统还会发出“非法开门”报警信号，联动报警系统，保证系统安全可靠运行。

在系统软件设计的前期还需考虑系统硬件设施对软件的支持能力，并且要充分体现系统软件需要达到的功能[2]。因此，人脸识别系统的软件首先需要完成的是将校园内用户脸部的信息进行采集，并将得到的信息转化为数字信号进行保存。当有外部用户发出请求信号时，识别系统将自动对请求发出者的面部信息进行采集。然后把采集完成的信息与系统保存的数字信号进行对比，从而达到人脸自动识别的功能。识别完成后如果系统能够确认请求者的身份，将执行开门动作。当系统无法确认请求者的身份时，系统将向请求者的上一级管理员发送提示信息，然后系统将根据请求者管理员的指令进行最终判别。如果长时间得不到管理员的指令时，人脸识别系统将自动结束识别过程并进行一次初始化，其功能的软件设计流程如图2所示。

图2 人脸识别系统软件的设计流程图

4 人脸识别系统在校园安全防范中的应用

目前，平安校园建设主要集中于出入口、楼道、操场、食堂、宿舍等地方，用于解决物品遗失、校园盗窃、车辆违规、人员聚集、校园暴力、食品安全等安防问题[6]。然而现有的校园安防系统还存在人力成本高、故障率高等相关实际问题。因此，以人脸识别为核心技术的大安防系统在平安校园的建设上显得尤为重要。同时借助高清、智能、集成等先进技术可对校园进行全方位、全天候的防范，最大限度地减少各种安全隐患。

例如，在校园门禁安防系统中使用人脸识别技术，能极大地促进校园安全的防卫，帮助学校的安保部门进行突发事件的侦破。在门禁安防系统中利用人脸识别技术进行实际应用时，需要利用摄像头获取人脸固定点位的特征，并要对眼眶、脸颊骨以及下颚等位置特征进行记录。同时不同人的脸部这几个固定点位特征都会存在差异。因此利用不同的特性差异来对人脸进行身份核实，确保了门禁安防系统能够真正发挥出作用。

此外，将人脸识别技术与校园实时报警系统相融合，也是平安校园、智慧校园建设中必不缺少的重要组成部分。人脸实时报警系统主要由抓拍机、人脸实时报警服务器、管理平台等设备组成[7]。而人脸抓拍机的安放并不是随意的，应该严格按照指定的安装位置进行。人脸抓拍机内设有人脸跟踪、抓拍、对比和分析等一系列相关功能，而这些功能的实现主要还是依靠于智能分析。将人脸实时报警服务器和黑名单数据库的人员进行比对，可时时掌握校园的动态情况，从容处理各类复杂的突发事件，为准确迅速地调度指挥奠定坚实的基础。

然而，在应用人脸识别系统时，还需注意一些相关技术问题。(1)安装位置的选取。由于人脸识别摄像机要安装在门禁入口处，而校园大门的入口一般相对较窄，所以为了实现抓拍照片的清晰度，需要200万及以上像素的高清相机和补光灯。摄像机设在通道正前方，正面抓拍人脸，左右偏转小于30°，上下偏转小于15°。同时建议摄像机的俯视角度为15度。(2)摄像机的选择。只有选对了摄像机型号和监控范围，两者密切配合，抓拍到的图像中人脸区域的像素才可能不低于8080。由于拍摄的环境并不是一成不变，通常是时时刻刻处在变化之中，如室内光线较暗且经常存在逆光的现象，所以摄像机需要有自动光圈配置。

平安校园建设应本着“实用、可靠、安全、经济、先进和共享”的建设理念。同时，还应遵循以下原则：(1)可靠性原则：在系统设计、设备选取、调试、安装等环节都需严格执行国家、行业的有关标准及规范要求，采用成熟的技术和设备；(2)先进性原则：采用先进的信息技术，保证系统的先进性，提高系统性能，降低运行维护成本；(3)可扩充性原则：遵守各种标准、规范，选择标准化部件，利于灵活替换和容量扩展，为系统扩展提供了良好的基础；(4)安全性原则：选用的硬件设备应具有防雷击、超载、断电等防破坏性的安全功能，软件还需具备防病毒感染和故障保护等特性，从而提升系统整体的运行安全[8]。建成后的智能平安校园平台可为学校保卫处、信息中心、后勤处等相关职能部门提供全方位的安保服务。通过及时的安保信息发布能够节约现有的人力物力消耗，减少了校园的运行维护成本，提高了校园的安全级别，最终实现了真正意义上的智慧校园。

[1]邱显清,高海滨.信息技术护航平安校园[J].中国教育信息话,2012,(7),22-23.

[2]叶芳荃.基于人脸识别技术的门禁系统分析[J].科技展望,2017,(16),108-109.

[3]夏平平,吕太之.动态人脸识别系统的设计与实现[J].武汉工程大学学报,2011,33(10),107-110.

[4]徐挺.大容量人脸识别门禁系统的研究[J].计算机仿真,2008,25(6),217-219.

[5]孙锋申.人脸识别技术的门禁系统设计与实现[J].电子产品世界,2011,(10),43-45.

[6]于水波.信息化背景下高校平安校园管理服务中心的建设研究[J].北京联合大学学报,2013,27(3),57-62.

[7]冯一帆.人脸识别在高校安全防范中的应用[J].电子制作,2017,(1),99-100.

[8]李春华.智能平安校园平台建设的研究与实践[J].职教通讯,2014,(26),48-50.

With the development of intelligent recognition technology,face recognition technology is one of the most challenging subjects in the field of computer vision and machine learning in recent years.Meanwhile,the face recognition has attracted much attention of scholars.At present,face recognition technology is a authentication methods which is superior to other biometric identification from the point of accuracy and practicability.In this work,the design of face recognition system and the implementation of system software development are shown through the analysis.It is discussed that the security system based on face recognition can be used in the construction of safe campus.

face recognition;intelligent supervision platform;safe campus

辽宁沈阳人，男(2000-)沈阳市第120中学高中学生。本文受辽宁省教育厅科学研究一般项目L2012386资助。