2014-11-17 09:18:15
來源：中國安全防范產品行業協會
【摘要】為切實增強監獄監管區的進出控制和保障監獄的安全管理，本文提出了一種以三維人臉識別系統為應用基礎的監管區出入口管理系統。由于三維模型比二維圖像含有更豐富的信息，所以識別精度得到很大提高，同時，GA-FRS-H1型三維人臉識別系統采用了先進的匹配檢索算法，在提高識別精度的同時亦保證了識別的快速性。自主開發的監獄出入口管理軟件系統將三種鑒別信息（即三維人臉模型信息、身份證信息和二維彩色人臉照片信息）匹配、綁定起來存于后臺數據庫中，方便識別和查閱。該出入口管理系統的應用將有利于進出監獄人員的規范有效管理，保障監獄安全。
【關鍵詞】三維人臉識別監獄出入口管理系統
引言
監獄是國家的刑罰執行機關，也是關押罪犯的主要場所。由于其本身的特殊性，對安全管理有著特殊的要求。監獄AB門是進出監獄監管區的必經之地，必須進行嚴密監管。傳統的AB門進出都是采用IC卡與值班干警肉眼識別相結合的方法，這種方法存在一定的弊端，值班人員夜間疲勞、值班人員責任心等各種因素均很大程度上影響著監獄監管安全[1]。監獄外來人員繁多、成分復雜，傳統的人工管控方式逐漸滿足不了監獄的高安全性要求，所以采用新的現代化技術防范手段對提升AB門的監管力度有著重大而深遠的意義。
近年來，生物識別技術得到了越來越多人的認同。由于每個人的生物特征與他人相比，具有在一定時期內不變的穩定性和唯一性，不易進行偽造和假冒，所以利用生物識別技術進行身份認定更安全、準確、可靠。作為人類生物特征中最重要的一種，人臉反映了很多人類個體重要的信息，是人們區分不同個體最直接的辨別對象，因而人臉識別自出現以來就受到了研究人員的高度重視，目前已成為基于生物特征識別技術的身份認證中最主要的方法之一[2]。人臉識別以非接觸的方式獲取識別對象的人臉圖像，成功獲取人臉圖像后，計算機自動將其與數據庫圖像比對，完成識別過程。與其他生物特征識別技術相比，人臉識別技術具有主動性、非侵犯性和隱蔽性等許多優點，因此更加適用于各種安全防衛工作[3]。在這種背景下，采用先進的人臉識別技術，針對監獄高安全級別單位，推出監獄人臉識別出入口管理解決方案，有效控制進出人員的真實身份，具有重要意義[4]。
二維人臉識別起步較早，并已經取得了巨大的成功，目前已在多個領域使用[5]。然而，二維人臉識別也存在著一些缺陷，主要有以下幾點[6-9]：①光照：光照強度的變化和光照不均勻都會對二維成像帶來影響。②臉部姿態和表情：人的臉部姿態和表情的變化是影響人臉識別的主要因素。③遮擋物：眼鏡、接聽電話等面部遮擋物會顯著增大二維人臉圖像辨識的難度。由于上述原因，二維人臉識別技術的易用性和可靠性大為降低，三維人臉識別也正是在這種形勢下提出的。三維人臉數據的優點在于帶有人臉的原始幾何信息，不受光照和表情等因素的影響[10]。目前，三維人臉識別已經成為了國際人臉識別領域研究的熱點。
一、國安光電GA-FRS-H1型三維人臉識別系統
三維人臉識別是指將采集獲得的待識別對象的臉部三維形狀數據作為識別依據，與庫中已知身份的臉部三維形狀數據進行匹配，然后得出待識別對象身份的過程[11]。三維人臉識別流程可以抽象成四個模塊，如圖1所示。
圖1 三維人臉識別流程
1.數據獲取模塊
數據獲取模塊主要是獲取三維人臉數據，并對應人臉識別單元。人臉識別單元本質上是一臺近紅外結構光三維掃描儀，掃描儀投射出結構光束，照射到人臉表面，由于人臉的凸凹不平而產生相應畸變，這些畸變后的光束再反射回掃描儀。三維人臉掃描儀會準確記錄下這些畸變，將其轉換成三維點云數據，傳遞到數據處理模塊。
2.數據處理模塊
數據處理模塊對數據進行去噪處理，采用基于點云數據的三角曲面插值理論和方法，對采集到的點云數據進行曲面擬合和優化重構，并進行光滑和優化處理，以及人臉切割及姿態歸一化等步驟，得到三維人臉模型。
3.特征提取模塊
特征提取模塊主要提取臉部的特征信息，提取原則為信息盡量從人臉剛性部位（鼻梁、額頭、下巴、眼角等）提取，因此首先提取臉部的特征點(內眼角，鼻尖，鼻根等)，在此基礎上提取出四條特征線，分別為過對稱面的側影線、眼睛下側的水平曲線、鼻尖區域曲線以及嘴唇中間水平曲線，如圖2所示。由于面部特征是通過空間曲線信息構成的，對光線的依賴自然就消失了。在幾乎沒有光線的情況下仍然正常工作。
圖2 人臉曲線特征信息
4.檢索識別模塊
檢索識別模塊將獲取的三維臉模同三維人臉模型庫中的臉模比對、識別，在這一模塊中，良好的尋優算法是決定系統工作快速性的關鍵。
二、監獄三維人臉識別出入口管理系統需求
監獄作為一個高安全的特殊區域，門的控制和管理至關重要。為規范監獄AB門進出，一般可以將進出監獄監管區的人員分成四種：服刑人員的家屬和朋友、車輛駕駛員、公安干警等警務人員和工程隊施工人員。
1．三維人臉模型庫的建立
為了提高三維人臉識別系統的可靠性和安全性，首先要建立三維人臉模型庫，每位人員的數據庫信息采用統一的格式。
外來人員第一次進入監區時，必須持本人身份證等有效證件到登記處登記，進行三維臉模信息和二維彩色人臉照片信息的采集和錄入，同時系統會自動將三維人臉模型信息、二維彩色人臉照片信息和身份證信息綁定起來，存儲在后臺數據庫中。同樣，所有的服刑人員也必須進行三維臉模的登記。
下面以服刑人員家屬進出監區為例說明進出監管區流程。
2．進入監管區流程
家屬由會見家屬通道進入監管區。家屬首先進入A門，將身份證放在人臉識別終端上的身份證讀卡器上確認，同時進行三維人臉識別，并在值班室顯示器上顯示其個人信息。二者信息符合方可通過蝴蝶閘，之后，由值班人員換發IC卡，并打開B門，家屬進入監管區，如圖3所示。
圖3 家屬進入監獄監管區流程圖
3．離開監管區流程
家屬來到B門，向值班人員換回身份證，然后將身份證放在人臉識別終端上的身份證讀卡器上確認，同時進行三維人臉識別，兩者相符方可通過蝴蝶閘，由A門離開監管區，如圖4所示。
若離開人員與進入人員不同，由于三維人臉識別系統的高精度和高可靠性，可以迅速識別出二者的不同，從而向警務人員發出警報，防止逃獄的可能。
圖4 家屬離開監獄監管區流程圖
三、監獄三維人臉識別出入口管理系統
根據監獄出入口管理系統的需求，設計三維人臉識別系統，其結構如圖5所示。
圖5 三維人臉識別系統結構示意圖
1. 三維人臉掃描儀
三維人臉掃描儀對應數據獲取模塊，主要功能是獲取高品質的三維人臉數據。
2. 第三方接口模塊
提供完整的交互功能，通過開關量接口來對二維攝像機、指示燈等設備進行控制。
3. LED光帶
LED光帶主要用于補光，保證二維攝像機能捕捉到清晰的人臉圖像。
4. 二維攝像機
二維攝像機用于捕捉二維人臉圖像，并將二維人臉數據發送到計算單元。
5. 指示燈
指示燈用于指示系統運行狀態是否正常、人臉識別結果是否成功。
6. 液晶顯示屏
液晶顯示屏共顯示四個部分的內容，分別為三維人臉模型信息、二維人臉彩色照片信息、身份證信息和登記信息提示（或識別信息提示）。外來人員登記界面如圖6所示。
圖6 外來人員登記界面
7.身份證讀卡器
用于讀取身份證存儲的信息，以便在登記人員信息時，與獲取的三維臉模及二維彩色人臉圖像進行匹配和綁定；或用于進出人員控制時，方便調出相應人臉數據庫，進行比對、識別。
8.計算單元
計算單元主要功能如下：接收從識別單元傳來的人臉數據，重建三維臉模，與已登記的三維臉模庫中的模板比對、識別，并將結果輸出到主機。
9.主機
主要功能是：運行軟件程序，同顯示屏等設備數據通信，記錄、存儲來訪人員行為信息，進行訪問控制等。
四、結語
監獄三維人臉識別出入口管理系統將三種鑒別信息，即三維人臉模型信息、身份證信息和二維彩色人臉照片信息匹配、綁定起來存于后臺數據庫中，方便識別和查閱。
建立每位服刑人員及其探監人員的三維臉模庫并將其與身份證信息、二維彩色人臉照片相匹配后，上傳至公安大平臺數據庫，實現數據共享，有助于公安機關對二次犯罪人員的調查和精確抓捕，有助于挖掘服刑人員犯罪行為背后可能的“真正元兇”或“利益共同體”。
監獄作為國家的刑罰執行機關，擔負著預防和減少犯罪、維護社會安寧和穩定的重要職能。GA-FRS-H1三維人臉識別出入口管理系統，能有效防止外來人員和非授權工作人員的進入，提高對接見人員的資格識別和審查效率，最大限度地減少人為疏忽、徇私枉法等因素造成的管理上的漏洞，對進一步規范服刑人員親屬會見制度起到積極作用。
