胡钰轩 陈晨 凌家豪

【摘 要】在计算机和信息技术快速发展的今天，传统的身份鉴别技术存在着重要的安全隐患。因此，人脸识别作为生物特征识别技术中最为直观的一种方法，已经逐步渗透到人们的日常生活中。本文研究的Visual ID人脸识别门禁系统，主要包括人脸识别终端、后台管理系统、人脸识别系统几大块;结合了区块链技术，有效地为用户信息的存储提供一个去中心化平台，极大提高安全性;同时，采用了迭代发卡模型——螺旋模型，通过深度神经网络优化Faster RCNN算法，并结合OpenPose开源框架和dlib表情识别开发技术，打造新型人脸识别系统，提升信息安全。

【关键词】新型人脸识别技术;区块链;OpenPose开源框架;人工智能

从20年前的网上聊天，到20年后的网上购物，再到现今的共享经济，计算机和信息技术正快速地融入人类的日常生活。如何准确、有效的识别用户身份，提升信息安全已成为一项重要的研究课题。

传统的身份鉴别技术主要依靠外物（身份证、钥匙等）或者自身记忆（密码、用户名等）。然而不管是借助于外物还是自身记忆，都存在着严重的安全隐患。若证明自己身份的表示物品被盗或者遗忘，不仅很难重新获得原始的身份标识物品，而且身份信息也易被他人获取，从而导致身份被他人冒充，造成严重后果。传统的门禁系统是利用指纹、智能IC卡、键盘按键来进行门禁控制的，而这些传统门禁系统的安全性能也都不高，人们急需要一种更加安全和可靠的技术应用在门禁系统中。

由此，生物识别技术因其独特的优势，受到了各企业和研究所的重视，在很多领域成功取代了传统识别技术，而且随着计算机和人工智能的快速发展，生物识别技术很容易配合计算机、网络，实现自动化管理，正在快速融入人们日常的生活。而人脸识别，是通过提取人脸部特征信息进行其信息识别的一种生物特征。是一种先通过在一定的环境中检测出人脸，然后通过计算机提取出与人脸有关的信息特征并进行分析处理，最后利用处理后的特征与人脸数据库中的特征进行比对，以此来确认人身份的技术。作为生物特征识别技术中最为直观的一种方法，具有主动性、非侵犯性、友好性、简便性、准确性等优势。因此，多年来它一直受到不同领域研究者的青睐。随着国内平安城市、智慧城市项目的深入发展，城市监控进一步高清化，使得人脸识别数据采集不再成为最大阻碍，提升了其应用领域。如今，人脸识别广泛应用于公安部门、支付验证、安全系统、档案管理等方面，成为人工智能领域的一大潮流。

某大学一栋女生宿舍上线了“人脸识别系统”，尽管目前机器处在调试状态，但校方肯定这一系统对于保障宿舍安全的有效性;某地肯德基已经将“微笑支付”变为现实;在金融领域，招商银行、建设银行、中国农业银行已经上线了ATM“刷脸取款”;北京天坛公园安装了“人脸识别厕纸机”，它可以自动放出长度约60厘米的纸，目的是为了节省厕纸;而近期发布的iPhone X将Face ID引入了现代人生活中无法逃离的手机，并试图借此技术来巩固自身的科技实力。可见，“脸”正在成为个人身份的凭据。莱布尼兹曾说：“世界上没有两片相同的树叶”。对人工智能而言，它正在以强大的学习能力和精妙的算法来给予每个个体独一无二身份属性的确认。据统计数据显示，未来三年内国内有望形成年销售额过百亿元的市场规模，并在未来十年内有望形成年销售额过千亿元的市场规模。分析人士表示，人脸识别应用范围的扩大叠加政府采购的强力推进，将促使人脸识别子行业延续高景气度，值得关注。同时，政府也一直积极提供政策支持。2015年以来，国家密集出台了《关于银行业金融机构远程开立人民币账户的指导意见（征求意见稿）》、《安全防范视频监控人脸识别系统技术要求》、《信息安全技术网络人脸识别认证系统安全技术要求》等法律法规，为人脸识别在金融、安防、医疗等领域的普及打下了坚实的基础，扫清了政策障碍。同时，2017年人工智能首次写入国家政府报告，作为人工智能的重要细分领域，可以预计人脸识别相关政策支持力度将不断增强。

Visual ID人脸识别门禁系统以“人脸识别门禁系统”为核心业务，贯穿小区安全管理服务及物业服务等服务，为使产品更加契合用户需求，采用了迭代发卡模型——螺旋模型，通过深度神经网络优化Faster RCNN算法，并结合OpenPose开源框架和dlib表情识别开发技术，提高在人面识别的精度。本项目平台采用的算法是卡内基梅隆大学全新的OpenPose——基于骨架模型运动识别算法。OpenPose可以实现人的面部表情、躯干和四肢甚至手指的跟踪，不仅适用于单人也适用于多人，同时具有较好的鲁棒性。或许会是人机交互上的一个里程碑，为机器理解人提供了一个高质量的信息维度。另外本平台还融入了区块链技术，实现平台的高效性以及安全性，建立平臺与客户之间的信任度。采用这一算法能够使识别更加精确，满足更多用户的需求。

Visual ID 人脸识别门禁硬件系统主要有主控模块、触发模块、拍照模块、驱动模块及电源模块等。当触发模块的光电开关检测有物体后，通过算法判断人脸信息，若比对成功，则系统操作树莓派 GPIO，通过与人脸识别电源模块连接的继电器控制通断，从而实现开关门。

Visual ID 人脸识别门禁软件系统主要包括人脸识别终端、后台管理系统、人脸识别系统这几大块。对于后台管理系统采用MFC构建管理界面，采用Socket与终端模块通信，用户数据保存在 MySQL 数据库中。MFC是微软公司提供的一个类库，以C++类的形式封装了Windows API，并且包含一个应用程序框架，以减少应用程序开发人员的工作量。其中包含大量Windows句柄封装类和很多Windows的内建控件和组件的封装类。对于人脸识别的实现在实验过程中图像来源于电脑摄像头，需要使用 OpenCV 完成对摄像头的控制等操作。OpenCV是一个基于C/C++语言的开源图像处理函数库。其代码都经过优化，可用于实时处理图像，具有良好的可移植性。可以进行图像/视频载入、保存和采集的常规操作，具有低级和高级的应用程序接口（API），提供了面向 Intel IPP 高效多媒体函数库的接口，可针对使用的 Intel CPU 优化代码，提高程序性能。

首先，人脸识别采用先进的深度网络技术，卷积深度神经网络改进算法是基于Haar特征AdaBoost算法的改进算法，通过直接使用已训练的模型对原始数据进行特征提取分析，将特征所提取信息放在一个模型内解决，从而优化算法。提取人脸特征向量时，CNN的前几个卷积层重点刻画人脸的局部边缘和纹理特征;中间层通过对局部进行组合刻画了脸部的五官;更高层表现了人脸的全局特征。通过层层递进，模仿了人类视觉系统信息分层处理机制，更好地挖掘训练数据中的关联特性。其次，通过欧拉距离、线性判别分析、联合贝叶斯进行相关相似度判断，便可进行判断。然后RPN负责找到可能的目标窗口进行初步人脉检测，R-CNN负责进一步判断。

系统的整体结构则采用树莓派等相关平台技术，针对小区的情况定制专属小区门禁情况的信息与服务手机应用程序，通过WiFi模块的捆绑和免费的云端服务器全方位的覆盖市场。系统实现过程中，移动端平台可以在Android与iOS上实现，Android开发使用Java语言，iOS开发使用Objective-C语言。数据库采用MySQL，采用Ubuntu 16.04 LTS 作为服务器系统。其中MySQL是一个关系型数据库管理系统，由瑞典 MySQL AB 公司开发。MySQL 是最流行的关系型数据库管理系统之一，在 WEB 应用方面，MySQL 是最好的RDBMS（关系数据库管理系统）应用软件。 MySQL关系数据库将数据保存在不同的表中，而不是将所有数据放在一个大仓库内，这样就增加了速度并提高了灵活性。由于其体积小、速度快、总体拥有成本低，尤其是开放源码这一特点，一般中小型网站的开发都选择 MySQL 作为网站数据库。PC终端平台通过C++语言在Visual Studio上实现。Visual Studio 是微软公司推出的基于Windows 平台的应用程序开发环境，Visual Studio 2015 包含了更多强大的新特性。人脸识别的代码通过python语言实现，版本为Python2.7。Python是最受欢迎的程序设计语言之一。Python 2于2000年10月16 日发布，稳定版本是Python 2.7。 众多开源的科学计算软件包都提供了Python的调用接口，例如著名的计算机视觉库OpenCV、三维可视化库VTK、医学图像处理库ITK。 移动端后台服务器交由企业打理，PC端服务器则由小区物业管理。企业服务器采用Tomcat，在该环境下，运行JSP文件。通过Java语言，将用户信息传递至物业服务器数据库中;图片通过Python语言写的Server，运用Socket 网络编程传递到物业服务器中。物业服务器采用MySQL+PythonServer+Shell调用Linux C++的SDK识别，返回人脸识别结果。此外，网络上大量开源框架的出现给我们提供了人脸检测和识别的API，所有的SDK均提供了全平台支持，只需获取ArcFace引擎应用开发包，便可导入到应用中。因此，人脸识别成功率大大提升。中后期对小区用户数据进行深度挖掘，将其打造成一个物业综合服务平台。

具有创新的是，Visual ID人脸识别门禁系统结合了区块链技术。比以往的识别技术极大地提高了安全性和易操作性。

1、区块链支付。在项目的商城购买支付中运用了区块链技术，实现购买的高效性以及安全性。分布式网络技术的汇款可以在去中心化的机制下使用户以更低的费用和更快的速度完成转账支付，使得支付行为具有去中心化、方便快捷、高安全性、记账速度快、成本较低、互相监察验证等优点。另外由于“区块链”是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了过去十分钟内所有网络交易的信息，用于验证其信息的有效性（防伪）和生成下一个区块，每笔交易笔笔可挖，防止欺诈交易的发生，为消费者的购买提供更高层次的安全保障。

2、区块链物流平台。本项目通过区块链技术，使得平台物流以及消费者各获得一个透明可靠的统一信息平台，消费者可以实时查看状态，降低物流成本，追溯物品的生产和运送整个过程，从而提高本平台供应链管理的效率。当发生纠纷时，举证和追查也变得更加清晰和容易。

3、管理员身份验证。将系统管理员的各类身份证明录入数据库，利用区块链技术实现对管理员的正确、高效识别，防止不法人员冒充替代。另外还能实时监督管理员的工作情况，是否按时上班，有无出现晚到早退现象，改进了部分管理流程，提高了一定的管理效率。

4、用户存在性证明。将区块链技术运用在用户存在性证明方面，能有效的为用户信息的存储提供一个去中心化平台，构建用户与平台之间的信任度，存储和认证用户身份，防止外来不明人员的进入。本项目将区块链系统运用到用户信息储存的数据库中，不仅提高了对已知存在用户完成人脸识别时的速度，还能保证已知存在用户的人身安全，防止不法分子的进入。实现数据传递的高效性与安全性。

5、历史数据存储。运用区块链数据层对各已知存在用户的历史交易数据或者行为数据进行存储，保证用户历史交易以及行为的安全性，且运用区块链加密技术防止此类历史数据外泄，保证用户信息及各类历史数据只能自己查看，构建自我与平台之间的信任度，吸引用户的使用。

综上，基于区块链和OpenPose的新型人脸识别系统Visual ID作为一个对传统人脸识别系统的改进，具有广阔的发展前景。与其他传统的人脸识别系统相比，该项目具有以下明显的优势：

1、先进性：采用DCNN和haar-like独特的混合人脸识别算法，识别精度更高，识别速度更快。

2、多样化：支持數据来源的多样化，动态人脸捕抓、手机拍摄、摄像机抓取，照片扫描等多种方式;支持现场捕捉照片与数据库中照片自动匹配检索。

3、高效低成本化：合理配置和选取合适的产品软硬件型号，使整个系统稳定、高效、可靠、低成本运行。

4、快速化：普通照片中提取人脸特征值，极大地降低了数据存储空间。

5、实用性：适合于各国人种，不受种族肤色及性别的影响，不受面部表情，胡须和发型等变化的影响。

6、方便性：完善的照片比对功能，比对方式多，比对准确率高，比对速度快，支持全局人脸识别和分部识别部件的人脸识别。

7、安全性：区块链技术的引入，使得系统从用户登陆、管理员身份验证到系统人脸数据库的分布式存储在安全性上都领先于其他系统。

除了维持核心业务，VISUAL ID还致力于不断开发新产品。基于AI技术生物识别和区块链技术产品的开发有利于充分发掘企业的资源和生产能力，提高经济效益，同时有利于新市场的开拓，提高企业的声誉，扩大销售量，提高竞争能力，从而既可满足市场需求，又增加了企业的盈利。为此，VISUAL ID将会面对市场需求的多样化，提高创新能力，加大技术开发。

我国人脸识别市场规模从2012年的16.7亿元，上升至2015年的75亿元。根据测算，人脸识别主要应用领域市场规模，公安领域16亿以上、交通领域50亿以上、金融领域百亿级别、教育领域百亿级别，在不考虑大安防硬件存量市场的前提下，整体市场规模就达到数百亿。人脸识别作为人工智能模式识别中应用领域最为广泛的细分行业，伴随安防、交通等新增市场的打开，预计整体市场规模有望呈现爆发式增长。