某市轨道交通人脸采集与识别系统详解.docx
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某市轨道交通人脸采集与识别系统详解
某省市轨道交通人脸采集与识别系统
建设方案
V1.1
2010年8月
1.
建设需求
一、前言
随着平安城市建设的逐步展开，大规模的监控系统正在建设。
仅仅依靠人工干预从海量的视频数据中挖掘有效信息是远远不够的。
银晨科技以此为出发点，依靠其自身雄厚的科研实力，推出的人脸识别布控系统，正是解决这个难题的一把利器。
通过人脸识别，有效解决了海量视频数据如何有效利用的问题；
Ø采用人脸实时检测技术，可以不引起注意地快速清晰的记录人员的脸部照片，并进行高精度的存储。
比起视频录像，人脸照片数据量很少但更有效；
Ø查阅照片，比看录像更快，更直观。
输入目标人员照片信息，由机器从存储的人脸数据中搜索相似人脸，最终关联找到对应的录像片段,这样就大大改善了从海量视频录像中查找需要片段的速度，降低了人员工作强度，提高了工作效率。
Ø大量人脸数据的长期保存供利用，这些都提供给公安系统用户以远远超出普通监控的功效和价值。
Ø本系统内的人脸采集与识别，到最终预警提示，非常高效及时。
并可以和监控系统实现连动，提供准确直观的报警信息，从而为用户提供了快速反应的可能。
本系统已经被诸多公安部门以及商家采用，分别应用于：
机场、地铁、码头、超市、网吧等公共场所。
二、布控系统结构图
2-1系统拓扑图
整个系统的运作流程如下：
Ø用户预先将关注对象（布控人员）的照片通过分交分局管理机输入到本系统中。
Ø由摄像头采集的视频流通过视频分配器一分为二，一路进DVR进行录像。
一路接入视频盒，视频盒对输入的视频图像进行实时的人脸检测，并将检测到的人脸通过TCP/IP网络发送给中心应用服务器。
Ø中心应用服务器将人脸数据存储在本地，建立采集人脸库。
并实时的分析人脸数据，提取人脸的特征值。
将提取的特征值与预先输入的布控人员的特征值比较，如果发现是同一个人，则产生报警，并将报警发送给地铁管理机和公交分局管理机。
Ø管理机将布控人员的信息和采集的人脸同时显示，并调取录像，帮助用户快速响应。
三、系统主要功能
Ø实时布控，实时报警。
可布控1000个布控对象，响应迅速，从采集人脸到报警端显示时间间隔小于1秒。
在完全符合银晨施工规范的场景下，识别率可达到85%以上。
但实际应用中，可能会因为光照或者摄像机安装等原因，而导致识别率降低。
Ø人脸数据存储
存储时间由用户自由控制，根据需要，用户可以增加磁盘来进行扩展。
对于磁盘空间不足时，可选择最久以前的人脸进行覆盖。
Ø历史人脸预览
在管理端，用户可根据时间和采集地点，查询采集到的人脸，并可以根据人脸，调取对应的录像。
Ø历史人脸检索
在管理端，根据用户输入的图片，自动在采集人脸库中进行比对检索，将结果展现给用户，并可关联到录像。
Ø报警连动
通过多种方式的连动，帮助用户来更快的做出响应。
如显示布控对象信息、显示报警人脸、关联录像、播放音频文件、截图等等。
Ø报警检索
对于确认的报警，系统将永久性进行存储，对于未确认的无效报警，系统将进行定期的删除。
系统提供报警检索。
四、系统相关配置
本场所需要涉及的通道有3处。
本系统中主要的部件包括：
摄像机、硬盘录像机、银晨视频盒、应用服务器、中心应用服务器、以及管理机。
Ø摄像机
摄像机相关的要求应为：
高清晰（540线以上）低照度（0.03~0.1Lux）彩色CCD摄像机,电子快门快速可达1/150秒；
大光圈（F1.2~1.4）镜头；镜头可变焦，其变焦范围覆盖实际需要的焦距，推荐摄像机参数如下：
图像传感器:
1/3″DPS（数字像素系统）
制式:
PAL/NTSC
水平清晰度:
彩色540线，黑白600线
最低照度
彩色0.5Lux/F1.2；黑白0.08Lux/F1.2（慢快门模式）
有效像素：
720（H）x540（V）
动态范围:
101dB（典型值），120dB（最大值）
信噪比:
大于50dB
控制方式:
OSD屏幕菜单控制模式
日夜转换:
手动转换
白平衡:
多种白平衡模式可选
色温范围:
自动2，000K到11，000K，手动可调
增益控制:
可调
背光补偿:
开/关可选
镜像:
开/关可选
Gamma校正:
25-100可调
同步方式:
内同步/线锁同步
镜头接口:
CS/C类型
光圈控制:
直流驱动/视频驱动
视频输出:
BNC型1.0-1.2Vp-p/75Ω
工作温度:
-10℃~+50℃
工作湿度:
30%-90%RH
电源:
AC24V/DC12V
Ø银晨面部特征视频盒
目前每个视频盒支持1路视频的处理。
为嵌入式硬件。
主要完成人脸数据的初步采集，处理速度可达每秒5~12帧，支持多人脸检测。
4-5银晨人脸视频盒
3路视频需视频盒3套。
Ø硬盘录像机
需要录像的通道共计3个通道，选用8路硬盘录像机。
考虑到需要跟系统集成，选用海康-s系列的硬盘录像机。
如果每个通道的录像时间为每天17个小时，每小时需要的空间为640MB。
则3路视频30天需要的存储空间为：
640MB*17*30*3=1TB
选用1块1TBSATA硬盘。
Ø中心应用服务器
硬件配置：
中心应用服务器的工作主要集中在4点：
1 人脸数据特征值提取，即建模。
2 人脸存储。
3 历史人脸检索。
4 比对
1颗英特尔®至强®X5504系列至强四核CPU，每秒大约能处理50帧人脸数据，考虑80%的并发率，则实际处理能力可以满足3个视频盒的需要。
假设每天有20000人通过采集点，每人平均通过时间在3秒左右，
则每天采集的人脸总数为20000*3*10=600KB。
每张人脸的大小在10KB,则每天的存储空间消耗为600KB*10KB=6GB。
存储周期按30天计算，需要空间总计为6GB*30=180GB。
应用服务器其主要配置为：
5 CPU：
1颗INTEL5504系列至强四核CPU
6 内存：
4G
7 硬盘：
RAID5SATA160GB×3。
8 网卡：
100/1000M
9 显卡：
普通。
10 操作系统：
WindowsServer2003/2008标准版
推荐配置：
处理器、操作系统和内存
处理器类型
英特尔®至强®X5504四核处理器
处理器速度
2.0GHz
处理器数
1个处理器
可用的处理器核数
四核
高速缓存
4MB
内存
4GBDDR3
内置驱动器
内置驱动器
RAID53块160GBSATA
系统特性
外形
1U\2U机架式
兼容的操作系统
Microsoft®Windows®Server2003/2008
Ø布控管理机/报警机
管理端、报警机可共用该机，供操作人员使用
商用PC机：
1台，主要配置为：
11 CPU：
英特尔®奔腾®双核处理器E2180
12 内存：
1G
13 硬盘：
160G
14 系统：
WindowsXP专业版
15 网卡：
100M
五、系统部署与安装
1．摄像头安装
尽量选择正对人员行进方向，水平偏移的夹角应小于10度；
保证人脸在镜头中为正面，故俯冲角要小，尽量不超过10度；这需要计算（简单的几何关系）并选择合适的水平安装距离和垂直安装高度；同时选择或调试合适的镜头焦距。
在水平安装距离确定后，也要保证较好的人脸采集大小，在镜头画面中，脸部眉毛到嘴的矩形框不小于64*64像素；为此，建议抓拍处的画面宽度不超过1.4米；这需要选择/调试合适的镜头焦距；
另外，为保证抓拍人脸时现场光照足够，建议若镜头画面中人脸不够亮时，需要相应增加照明设备，对人员脸部补光（一般应达到100~800Lux）。
2．安装后台硬件
视频线将视频信号直接引到机房，接入视频分配器。
每路视频一分为2，一路接入硬盘录像机器，一路接入视频盒。
视频盒接入局域网。
硬盘录像机接入局域网。
应用服务器接入局域网。
管理机接入局域网。
3．安装软件
在中心应用服务器上安装银晨人脸识别布控中心。
在管理机上安装银晨人脸识别布控管理端和报警端。
配置视频盒和系统参数。
4．测试系统
在系统输入测试目标照片。
测试目标依次通过各个采集点。
检查采集和报警情况，并调整识别参数。
六、软硬件清单
附件4
序号
产品名称
产品型号
厂家
数量
单位
单价（RMB）
合计（RMB）
1
银晨面部特征视频盒
网络版
银晨
3
台
2
摄像机
ISCAM-540HP/SK
银晨
3
台
3
镜头
5-50
腾龙
3
台
4
中心应用服务器
DELL
1
台
5
管理机/报警机
DELL
1
台
6
视频分配器
1分24口
国产
1
台
7
硬盘录像机
DS-8016HF-S
海康
1
台
8
交换机
S1224
H3C
1
台
9
辅助材料
国产
1
批
共计
（1）公用软件
序号
产品名称
产品型号
厂家
数量
单位
单价（RMB）
合计（RMB）
7
布控中心
银晨
1
8
报警软件
银晨
1
9
管理软件
银晨
1
10
通道许可
银晨
3
共计
2.人像相片比对系统ISFaceMatch组成
20万人像相片比对系统，（以后人像相片库容量可以扩展）整个系统基本架构是浏览器/服务器（B/S）模式的。
2.1.数据库系统
该系统主要完成保存照片，与之相对应的基本信息、压缩照片、模板、比对日志等数据。
支持对不同业务用途的人脸照片数据分库保存。
2.2.照片导入系统
该系统安装在人像比对系统服务器端，可以从业务库中批量提取数据并导入数据库中，也可以从指定路径调取图像文件批量导入数据库。
2.3.建模子系统
该子系统20万人建模。
时间5小时内即完成，且入库率极高；
采用4～5KB长度模板，识别精度最佳，同时数据量不大，处理性能很好；
支持定时建模，增量建模，或指定区段建模；
可支持对自动建模失败的照片手工建模。
2.4.比对服务子系统
主要包括比对服务器，以及比对应用服务器等；
比对应用服务器前置于比对服务器群组之外，完成比对请求的接收、预处理、分发、结果汇集、结果返回，结果存储等工作环节；
每个比对服务器负责按需加载模板和更新模板，完成每个比对请求的处理；比对服务器一般从比对应用服务器接收转发的比对请求。
本子系统的处理能力如下：
●支持接收前端用户的识别请求，1对N的快速识别，产生相似队列，返回给前端比对用户，用户可以设置返回结果数、最低相似度；
●支持接收前端客户端用户的验证请求，即完成1对1的验证，用户可以设置阈值；
●支持前端客户端提交人脸数据的实时建模、录入功能；
●支持比对条件的设置，如分类库别、性别、年龄段等；结果返回条数，阈值也可设置；
●支持模板装载数量、范围可手工调节分配；这样便于在按数据规模和设备配备情况需要规划或调整比对模板加载策略时，采用灵活且合理的方式；
●支持动态模板增量加载；支持模板库动态增容；这样便于适应入库照片数据动态增量性变动的日常情况，新增数据能很快被生效于比对服务中；
●为了系统运行可靠，应用服务器支持双冗余连接方式部署，避免单点故障；
●比对请求支持WebService接口方式，可支持与相关业务系统进行系统集成。
2.5.Web服务子系统
提供浏览器页面，支持系统管理、手工建模和比对识别等功能；
提供数据统计功能，帮助业务考核和指导使用；统计包括：
数据采集，比对请求、比对成功等数据；业务接口调用情况，系统使用情况；比对及结果的统计；
比对功能：
支持提供图像文件，本地定位后，上传比对，返回显示结果；支持单张的比对方式；相似度阈值、返回条数可前台配置；
系统配置：
对系统功能、有关参数配置；
2.6.人像采集子系统
支持特定类型特定型号的扫描仪、数码相机等设备现场直接采集照片；
支持其他扫描仪、视频抓拍、外系统提供的照片的录入；
支持自动人脸定位、手工人脸定位、照片裁剪。
支持姿态自动/人工调整；
2.7.用户权限管理子系统
支持多用户，分级权限管理，分类访问控制。
可增删改用户列表信息，含姓名、警号、所属分县局等，并分配权限（或从相关系统中导入\继承）。
通过用户验证，实现用户登录和权限分配的验证，确保系统使用安全。
可通过配置能对部分用户实行IP绑定控制，即必须注册的IP地址才允许访问系统。
3.人像相片比对系统ISFaceMatch分析说明
3.1.系统部署
后台
1服务器，相片比对服务在1台上都安装，则提供Web服务及Oracle数据库系统。
前台终端
运行IE终端，从服务器下载安装客户端控件，进入比对。
客户端控件让用户可以采集图像或输入图片文件，以及可以介入预处理（挑选脸部比对区域、边框眼镜、手工校正眼位、手工调整姿态等）的操作界面。
“区域比对功能”中，可选择面部包含疤痕、痣的部分直接比对，提升比对成功率。
3.2.比对的使用方式
3.3.数据容量
3.3.1需求
目前需导入的存量数据是20万张。
3.3.2分析
数据容量主要涉及到硬件资源（特别是内存）匹配程度，以及模板加载策略，还有数据库服务器存储。
1.用户初步指定了比对服务器资源，即1台服务器（两颗四核至强，内存8G以上，硬盘至少3块SATA160G）；
2.初始20万照片数据，其对应模板数据量约1GB；
1）若采用一级模板全部加载内存的策略，估计比对速度在1秒左右。
3.照片数据本身一般会导入，其数据量估计在6-8GB级别；硬盘是足够存放的。
总之，用户需要比对的库容量通过合理的方案都能够得到满足。
3.4.用户数
终端用户按20人计算，并发请求数10个计算。
终端用户数方面，用户帐号登记、登录验证及正常使用方面都没有明显限制，可以满足。
3.5.网络流量
网络流量主要是人脸比对请求及人脸比对结果；
1）基层派出所的比对终端提交上传的比对请求：
主要是照片数据，一般不超过20KB（脸部照片及特征脸数据），公安网络即使最低的2M线路也完全能适应；
2）分局的照片比对应用服务器汇集输入的人脸请求数据：
在20个并发请求峰值时，流量共约<4Mbps（最高并发下），带宽完全可以满足；
3）分局照片应用服务器汇集输出的人脸结果数据：
返回结果中照片数（一般包含12张照片），主要是照片（按10KB计），则最高并发20个请求时，流量共约20Mbps（最高并发下），带宽可以满足；
4）基层用户端接收人脸结果数据：
返回结果中照片数（一般包含12张照片），主要是照片（按10KB计），流量字节约为120KB，2M带宽下可在0.5秒内传输完毕；
3.6.联网环境
基本上都是公安内网上，连续性及安全基础条件较好；且带宽是千兆主干，百兆到桌面。
根据前面的数据分析，通信可以满足。
3.7.系统安全
1）账号与数字证书关联，确保授权访问
根据银晨在上海市公安局的实践，建议用操作人员的数字证书认证取代常见的账号密码登录验证；客户端主机插入数字证书USBKey后，系统自动与公安的数字证书认证后台联系，确保授权用户访问；
2）Web访问，启用HTTPS安全协议
采用数字证书方式；估计某省市局已有数字证书CA管理系统，可为本人脸识别应用颁发一套数字证书，该证书数据可用于在Web服务器后台绑定，致使对本系统Web后台的访问启用Web安全协议，使Web传输通道得到加密通信安全；
3）所有的账号验证及登录操作过程都纳入到日志记录范围，这有利于事后进行相关安全事件检查。
4.人像相片比对系统ISFaceMatch主要指标
序号
项目
指标
备注
识别模板
1.
模板尺寸
4～5K字节
用于1-N的人像识别
2.
建模速度
100万张/24小时
2台服务器（支持多机多进程并行）。
3.
拒登率
<0.002%（十万分之二）
200万级二代证
4.
误登率
<0.0001%（百万分之一）
5.
首位命中率
>78.5%
6.
前五位命中率
>92.3%
7.
前十位命中率
>95.8%
8.
比对速度
100万次/秒
1台比对服务器（支持多机多进程并行）
人像照片
质量要求
9.
两眼瞳孔距离
>40像素
10.
姿态
俯仰角度20度以内，左右偏转30度以内，平面旋转20度以内，正面脸效果更佳；
支持三维姿态校正
11.
其他
五官清晰；支持多光照模式；支持多人种；
其他
12.
图片文件格式
JPG、BMP等格式
13.
系统容量
最高1000万
14.
业务库数
<99
15.
比对响应时间
<3秒/200万级
与用户数、网络条件有关
5.人像相片比对系统ISFaceMatch系统配置
5.1.硬件设备
序号
设备
用途
配置说明
1.
数据库+相片比对+Web服务器（1台）
公交分局人像相片比对数据库、相片比对服务、Web服务
CPU：
Xeon四核3.0Gx2以上，Mem：
8G以上，HDD：
RAID5SATA250Gx3以上，操作系统为Windows2003Server企业版
2.
相片比对终端PC（每所至少1台）
公交派出所相片比对终端
CPU：
奔腾42.4G以上，Mem：
512MB以上，操作系统为WindowsXPSP2以上
3.
中心网
后台互联
服务器之间千兆光纤网互联
4.
基层网
用户访问
公安三级网络，最低２Ｍ
5.2.8.2支持软件
序号
名称
配置说明
1.
数据库
支持Oracle9i\10g版本
2.
中心操作系统
Windows2003Server（企业版）
3.
本系统客户端操作环境
WindowsXP，InternetExplorer５.５以上
4.
公安业务系统用户操作环境
由业务用户端实际情况决定
5.
外部其他用户操作环境
由外部用户确定
6.
集成应用环境
J2EE/.Net
7.
杀毒软件
根据用户的实际情况定
6.附录．地铁人像采集环境要求
摄像机安装的方位角度，要保证最佳的人脸采集方向和角度，尽量：
●选择大多数情况下能正对人脸的方向，不宜过于偏左或偏右；
●保证人脸在镜头中为正面，故俯冲角要小，尽量不超过10度；这需要计算（简单的几何关系）并选择合适的水平安装距离和垂直安装高度；同时选择或调试合适的镜头焦距（可计算）。
●避开逆光，防止画面中出现门外的强泛光，或是强灯光，或是墙面\镜面\光亮地面的强反光；为此，可考虑一些措施——适当摆动摄像机，选择某些超宽动态/有逆光补偿的摄像机，或是加外物使反光面不直接反光；
与环境光照相关的需要：
●为保证抓拍人脸时现场光照足够，建议若镜头画面中人脸不够亮时，需要相应增加照明设备，对人员脸部补光，光照度一般应在200~800Lx；
●尽量避免因现场建筑结构、环境等原因造成的脸部光照不均匀，特别是“亮暗脸”（比如脸部左边暗右边亮），这对抓拍和识别都非常不利；
在水平安装距离确定后，也要保证较好的人脸采集大小，尽量：
●在镜头画面中，脸部眉毛到嘴的矩形框不小于64×64像素；为此，建议抓拍处的画面宽度不超过1.6米；这需要选择/调试合适的镜头焦距（可计算）；
跟现场抓拍人员相关的一些约束：
●在镜头画面中，被拍摄人是正面照，且为平视，头部的上下俯仰角不超过±15°，（头部竖直）左右侧偏角不超过±20°，（脸平面内）左右旋转角不超过±5°；可从摄像机安装方位上设法达到；
●人在视频中停留时间一般不少于2秒，而且为中性表情，不戴墨镜，不戴口罩，不戴帽子，化装不能太浓，人脸无遮挡；
注：
1、环境光照可以用“光照照度计”（手持式）现场测量，测量人员在采集线处，面朝摄像机，将照度计的测量头紧贴脸部，多测几个读数平均；
2、摄像机安装位置需现场勘察，可用“激光测距”手持机测量距离、天花板高度等参数，记录下来，最后进行相关角度计算，以判断是否能保证人员姿态角度合适；
3、摄像机的焦距选择，可以在现场环境测量并确定位置后，有成像公式来计算的。
4、建议在现场勘察时，用数码相机拍摄现场照片以便搜集直观的资料。
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