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深圳市星辰远东数码科技有限公司
深圳市南山高科技园区深南花园办公楼4楼
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一、概述
1．背景：
目前，在公安业务中，使用指定对象的照片查询与已有照片数据人群的关系进而确定对象身份，一直是依靠人工完成的工作，照片数据的数量越大，人工检索工作的可行性与可靠性就越差，当数量达到以万张或十万、百万张计算时，人工检索就变成不可能的任务。
另外，在现行公安业务体系中，不同人口（如常住人口和在逃人员）的照片数据由各地区、各职能部门分别收集、管理、使用，数据标准不统一，也很难直接利用照片实现快速的交叉查询，照片线索不能及时充分发挥作用。人脸识别技术为解决这些问题提供了有效的手段。
2．应用原理：
采用人脸识别技术，使照片中的面像信息数字化，在大型计算机系统中，把指定对象的面像数据与指定数据库中的面像数据，通过高速运算逐一进行比对，在有限时间内给出有限数量的相似队列，由人工进行最后确认。
3．应用模式：
采用星辰远东数码科技有限公司的人脸识别技术核心软件,以公安各业务的照片库为应用基础，以公安现有各级专用网络为有线传输平台，并借用各种公用无线传输平台，采用Browser/Server三层结构建立人脸识别应用系统，实现公安从省/直辖市级中心到移动警务的基于照片身份鉴别手段。
4.系统目的:
为公安各单位根据取得的照片线索在中心数据库中查询对象信息，快速确定对象身份。
5.社会意义：
随着各地人口档案信息管理系统的逐步完善，随着身份证、暂住证、护照等证件的电子化，基于人脸识别技术的照片比对系统一定能在追逃、破案、寻人等应用中发挥巨大的能量，有益于提高公安破案率、减少犯罪率，可以大大加快公安对嫌疑人的身份确认过程，并为社会化的公安布控提供有效的科技手段，加速“科技强警”进程,形成高智能的、社会化的、规模化的公安防范体系。在提高国家的公共安全水平上具有广泛的社会效益。
二、关键技术介绍
1、人脸识别技术简介
生物特征识别技术(Biometrics)是利用人体的生理特征和行为特征来进行身份验证的技术，指纹、面像、掌纹、眼虹膜、DNA以及视网膜等人体特征具有人体所固有的不可复制的唯一性，无法复制、失窃或被遗忘。随着计算机技术的迅速发展，人们研究开发出了指纹识别(FingerPrint
Scan)、人脸识别、话音识别(Speaker Recognition)等多种生物特征识别技术，目前许多技术都己经成熟并得以应用。其中的人脸识别技术更是生物特征识别技术的最新发展，具有广泛的推广应用前景。
人脸识别技术包含人脸检测/跟踪(Face Detect&Track)、人脸确认(Face
Verification)与人脸识别(Face Identification)等三个方面。人脸检测是指在动态的场景与复杂的背景中判断是否存在面像并分离出面像，人脸跟踪指对被检测到的面像进行动态目标跟踪；人脸确认则是对被检测到的面像进行“一对一”的身份确认，它所回答的是“Yes
Or No”；人脸识别则是在面像库中进行目标搜索，识别结果是按相似度从高到低排列的一个面像队列，它所回答的是“Who
are you?”。
人脸跟踪一般采用基于模型的方法或基于运动与模型相结合的方法，另外，肤色模型跟踪也不失为一种简单有效的手段。
人脸检测分为参考模板、人脸规则、样本学习、肤色模型与特征子脸等方法。参考模板方法首先设计一个或数个标准人脸模板，然后计算测试样本与标准模板之间的匹配程度，若两者的相似性度量高于预先设定的阀值则认为存在人脸；人脸具有一定的结构分布特征，人脸规则即提取这些特征生成相应的规则以判断在测试样本中是否包含人脸；样本学习则采用模式识别中人工神经网络方法，通过对面像样本集和非面像样本集的学习产生分类器；肤色模型依据面像肤色在色彩空间中分布相对集中的先验规则来进行检测；特征子脸将所有面像集合视为一个面像子空间，基于检测样本与其在特征子空间投影之间的距离判断是否存在面像。上述方法在实际系统中也可综合采用。
人脸确认/识别从本质上讲是采样面像与库存面像的依次比对并找出最佳匹配对象。因此，面像的描述即特征的提取、选择决定了人脸识别的具体方法与性能。
2、人脸识别技术与传统技术的比较
与其他生物识别技术，诸如指纹识别，掌纹识别，眼虹膜识别和话者识别等技术相比较，人脸识别具有以下独一无二的特性：
1）其它的生物识别技术都需要识别对象的配合动作，如指纹采集、眼虹膜扫描等等，而人脸识别不需要识别对象的主动配合，可以应用在隐蔽的场合；
2）在需要对识别对象进行人工干预、事后审计的应用场合，只有面像能更直观、更方便的核查识别对象的身份。
3）人脸识别技术所采用的识别依据是面像（即面部照片），系统的基础数据容易获取。由于是非接触式数据采集及识别，因此识别对象一般不会产生象其它生物特征识别技术那样的心理排斥反应；
4）人脸识别技术基础数据的采集设备为摄像机、数码像机、扫描仪等通用设备，目前这些设备已经得到了广泛使用，因此使用人脸识别技术可充分利用用户已有设备和计算机、网络等基础设施，而不需要添置其它生物特征识别技术所要求的专用设备，从而最大限度地保护了用户原有投资并大大增强了用户原有系统的功能及安全性能；
与传统的生物识别技术相比，人脸识别技术具有更为简便、准确、经济及可扩展性良好等众多优势，可广泛应用于身份鉴别、安全验证、监控、门禁控制等各个方面。
在本技术方案中，人脸识别技术为2000年度、2001年度国家863项目研究成果，已于2002年11月26日通过了由中国科学院组织的国家级鉴定。由6位代表我国计算机领域最高学术水平的两院院士、7名著名计算机专家组成的鉴定委员会对该项成果给予了高度评价。专家一致认为，该技术的多项关键指标已经达到国际领先水平。中央电视台、人民日报、光明日报、新华社等国内众多媒体进行了全面报道。
3、人脸识别技术的特点
与国外主流的识别技术（如Identix的FaceIT）相比，星辰远东人脸识别技术具有如下的优势：
- 星辰远东算法对原始人脸图像（面像）进行系列预处理之后生成了归一化（尺寸、灰度）的样本，随即对该样本进行了掩膜处理，去除了发型、面部两颊等非稳定区域，保留了眼、鼻、嘴形成的倒三角区（对于颅骨已定型的成年人而言，该区域具有较强的稳定性，不易随年龄的推移而变化）。掩模处理之后的样本如下图所示：
掩模处理之后的样本即为训练样本（建模样本）。换言之，星辰远东算法使用了稳定的特征区域。这使得算法的识别率不会受到背景、发型、胖瘦变化等干扰因素的影响；而其它识别算法则使用了整个面部区域作为特征区域，这种策略使得算法识别率容易受到发型、胖瘦变化、表情、姿态等干扰因素的影响。
- 星辰远东算法可实现同一帧原始视频图像内多个目标的同时检测、跟踪，而不是逐一进行检测、跟踪，系统实时性好，能满足用户的实际应用需求。实时监控系统的监控点一般设置在人流量大、场景复杂、运动方向不规则的通道、出口等公共场所，同时对多个目标进行实时检测、跟踪是系统的基本要求。
- 星辰远东算法训练所采用的大量训练样本主要为亚洲人种，对亚洲人种具有良好的识别能力。而FaceIT等算法训练所采用的主要是欧美人种，一般来说亚洲人种的眼窝较浅、鼻梁较低而欧美人种的眼窝深陷、鼻梁突出。从图象处理的角度来看，欧美人种在面部纹理、灰度特征等方面与亚洲人种存在一定的差异，因此对于欧美人种有效的人脸识别算法对亚洲人种有可能部分失效（泛化能力较弱），而对亚洲人种有效的识别算法对欧美人种而言则是具有更好的分类能力（特征更明显）。
- 在公安业务应用中，能够获取的识别对象的照片一般情况下是一张，即每类的训练样本只有1张，这对于识别精度无疑是有影响的（欠学习，也就是样本量不足），甚至不少算法根本无法完成训练过程。星辰远东算法可利用单一样本经过若干变换(几何变换及灰度变换)后生成多个视图，在目前技术条件下最大限度地消除了光照、姿态等干扰因素的影响，从而可有效提高系统的识别精度。从单一样本变换生成若干视图的范例见下图：
 
三、系统简介
基本功能
在全直辖市（省）范围内，连接现有的各个公安照片库，实现基于嫌疑人照片的自动检索，缩小排查范围。支持网上协查，用户可根据业务体系自主选择协查单位（其它照片比对中心）。
2．数据来源：
无缝连接在逃人员库、常/暂住人口库、特定工作对象库等业务数据库。
支持数码相机、扫描仪、摄像机等多种照片录入方式，支持动态实时视频采集方式。
3．技术特点：
可对各类图像进行光照补偿、对比度增强、平滑降噪等预处理；
结合亚洲人种的面貌特征建立比对模板库及高效的索引机制，比对模板可批量生成，也可逐个生成。
四、系统构成
本系统由建立在直辖市（省）公安部门的照片比对中心，和通过公安专网辐射到各基层业务单位（派出所、警署、巡警）的照片网络检索终端、移动终端以及采集系统组成。
整个直辖市统一管理全国追逃库以及市内追逃对象及其他工作对象。若区局有特殊需要，亦可依托自有业务数据库建立区级照片比对中心。
1．直辖市（省）级比对中心
- 同步全国追逃库，同时也包括各省（直辖市）协查对象、通缉对象照片；
- 管理直辖市（省）级范围追逃对象；
- 接收所属采集点采集上传的面像资料建档；
- 管理本市范围的布控对象；
- 联接常住人口、暂住人口、重点人口等相关业务数据库；
比对中心架构
规模：50～500万人；
2．采集系统：
- 在分局、派出所、责任区刑侦队等处设置的面像采集点，负责收集重点管理对象的面像资料；
- 每名新进对象使用银晨面像采集系统进行照片拍摄；
上传照片到市级比对中心。
采集系统移动终端
3．检索终端：
- 在分局、派出所、责任区刑侦队等处设置的检索终端，完成面像检索任务的提交与结果返回；
- 使用数码相机、摄像机、扫描仪等各种手段获取嫌疑人照片；
- 通过网络提交给比对中心比对；
- 比对中心人员从比对结果列表中人工查找，返回结果到检索终端；
- 如果找到嫌疑人，工作人员采取必要的业务措施。
4．移动终端：
- 在警车上设置的离线检索终端，用于流动盘查；
- 从各中心下载当前需要重点布控人员的面像资料，最多1万人；
- 在执勤过程中拍摄嫌疑人面像，输入移动终端；
- 在移动终端上进行比对。
五、业务流程：
本系统需要在使用前建立比对库，然后才能进行比对。
建立比对库：
比对库照片来源可以是：
- 上级下发的通缉令、追逃系统等在逃人员照片；
- 违法犯罪人员信息库
- 本级管辖内的重点管理人口照片；
- 常住人口库照片；
- 暂住人口库照片；
- 在各采集点上传来的照片；
- 特定对象照片：如法轮功分子、特定地区流动人口等；
- 其他照片；
建立比对库的流程：
- 联接各照片数据库
- 读取照片
- 建立比对模版
- 同步更新照片模版
从架构上而言，业务库照片是存放在业务系统中，比如常驻人口照片存放在办证中心的常口库；而所有模板则存放在比对中心。在初次成批建立模板之后，模板与照片之间的同步依靠系统同步机制数据网关完成，以保证系统一致性。
2．比对业务：
比对中心的比对业务流程如图所示：
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比对的实现可以有三种方式：
a）中心排查式：
在各检索终端采集嫌疑人照片，或者接收其他协查照片，连同其相关线索，通过网络提交到比对中心，比对中心根据线索到各业务库模板中自动比对，产生相似队列。中心人员进行人工排查，如果找到，则发送最终结果到照片提交者；否则，通知提交者未找到。
这种模式的人工排查工作在中心完成，适合于前端网络带宽不足、人力不足等场合，如派出所、监所等地，也可以扩展集成到GSM、CDMA等宽带数字通讯体系中用于移动警务。
b）前端排查式：
在各检索终端采集嫌疑人照片，或者接收其他协查照片，连同其相关线索，通过网络提交到比对中心，比对中心根据线索到各业务库模板中自动比对，产生相似队列。系统将相似队列通过网络发回给照片提交者，系统采用浏览器模式将队列显示，由提交者完成人工排查。
这种模式的人工排查在前端完成，灵活性大，适合于专网宽带接入的分局等业务口。
c) 移动排查式：
从各比对中心下载近期重点追查的人员面像库及其模板（数量不超过1万人）到移动终端照片比对仪，随警车外出执勤，现场采集嫌疑人照片进行比对，人工排查。
这种模式方便灵活，离线方式速度快，针对性强，特别适合于特别任务时的流动布控。
3．系统流程：
系统的建立、使用等环节的完整流程如下图：
其他系统
图中：
- 在分局、派出所、责任区刑侦队设立采集系统，对已知身份的“危险人员”采集其照片，连同辅助信息（身份证号、姓名、性别、身高等）通过网络集中到本系统针对不同管制范围分设的对象库；
- 其他业务系统（重口、常口、暂口等）照片库则通过数据交换模块连接到本系统；本系统只读取其以生成模板，不复制照片，并通过身份证号作索引，保持数据同步更新；
- 中心将各种来源照片库通过预处理、人脸检测、人脸定位等模块成批处理后生成模板，形成模板库；
- 各业务口（治安、刑侦等）在需要鉴别某嫌疑人身份时，可以通过采集系统、数码相机、扫描仪等设备获取其照片，通过检索终端提交到中心，同时提供其他已知辅助信息（性别、身高、辖区等）以约束比对范围；
- 中心将其照片通过预处理、人脸检测、人脸定位等模块处理后生成多视图以提高比对命中率，并将每一视图生成模板；
- 比对引擎将每视图的模板与模板库中符合约束条件的人员模板逐一比对，根据相似程度产生相似队列；
- 根据采用的不同比对模式，可以将相似队列送中心人工排查，返回结果到查询终端；也可将相似队列直接送检索终端由查询提交人员自行鉴别；
- 比对仪通过数据交换下载近期布控对象的照片等信息及其模板，接受嫌疑人照片并通过上述照片处理过程产生相似队列，供巡警等自行排查；
- 通信中间件用于公安专用广域网范围内数据的可靠传输；应用服务模块负责完成Web请求服务管理；交易中间件负责保证系统级数据访问的一致性；负荷均衡模块负责保证本系统分布式计算的均衡以提高系统的运行效率；系统管理模块负责完成本系统中心的管理，包括权限管理、照片库管理、系统日志等。
六、系统特点与指标
1．系统特点：
- 支持SQL Server、ORACLE、SYBASE等大型数据库系统，可提供理想的比对和查询速度；
- 数据库规模动态可伸缩，可满足不同级别公安机关的需求；
- 使用方便、操作灵活，用户界面友好；
- 可从本地和远程方便地接入系统，比对、查询有关信息；
- 离线与联网方式的各种比对手段，方便灵活；
- 基于Browser/Server的三层结构。客户端采用web浏览器方式访问系统，办案人员无须经过特殊培训即可运用自如；
- 遵循《金盾工程总体设计方案》、《公安信息系统应用支撑平台总体方案设计 》、公安信息化标准汇编 》等系列规范。
2．人脸识别技术的特点：
● 使用方便，用户接受度高。
● 直观性突出，符合人的认知规律。
● 识别精确度高，速度快。
● 技术成熟度高。
● 使用通用性设备。
● 基础数据易于获得。
● 应用场合广，成本较低，易于推广使用。
3．系统性能指标
- 系统容量
- 直辖市（省）级比对中心：50～1000万模板
- 区（市）级比对中心：10～100万模板
- 模板容量
- 紧凑模板(Compact Template): <1K Bytes
- 全模板(Full Template): <4K Bytes
- 比对速度
- 紧凑模板比对速度：400,000次/秒（视机器配置不同速度有所不同，目前实际测试速度已经超过1,000,000次/秒）
- 全模板比对速度：5,000次/秒
- 识别率（基于30万模板库）
- 前100位累计匹配率：95%
- 前200位累计匹配率：98%
- 前300位累计匹配率：99.9%
- 照片质量要求：
- 8位灰度图、 24位RGB彩图
- 200*250像素或以上（60%以上面积为头像）
- 300DPI以上
光照均匀、正面姿态、中性表情。
4．系统性能分析
存储容量
每张照片采用JPEG压缩后大小限10k之内，足以保证清晰的头像，100万人照片库按照每人最多3张计算，每张照片模板小于5k，其他辅助信息每人不超过200字节，故总量最大为：
（3×10,000＋3×5,000＋200）×1,000,000＝45.2G
现有一般数据存储系统都能胜任。
响应时间
影响比对中心响应时间的因素分析：
- 中心处理能力：中心应数据服务器提供高速数据访问，Web服务器完成并发终端请求处理，以1000个前端系统50条并发请求计算，系统可在1秒内轻松完成数据与其他业务处理；
- 比对引擎运算速度：，在采用多处理器超线程技术的高性能应用服务器上可以达到每秒10万次比对，30万模板库一般3秒左右完成；
- 照片库大小：算法采用逐一比对，模板库大小与处理时间是线性关系，容量增加不会存在时间问题；
- 并发请求数量：比对中心的前端系统数量直接影响并发请求的数量，一般为5％，以本方案的设计能力，可以容纳50条并发请求不会感觉到系统响应的延时，因此一个中心可以支持1000个前端系统；
- 网络带宽：检索终端上传信息一般是一张照片加辅助信息，大致为10k，在普通拨号方式56k带宽下都能完全交互。
综上所述，本系统在30万人模板、1000个前端的情况下，常规情况下能在数秒之内完成整个处理流程。
比对精度
根据统计分析，人脸的相似度为正态分布，模板库大小与相似队列人数在同一累积匹配率时满足线性关系：
模板库大小 |
相似队列人数 |
累积匹配率（％） |
30万 |
100 |
95 |
60万 |
200 |
95 |
30万 |
200 |
98 |
60万 |
400 |
98 |
30万 |
300 |
99．9% |
60万 |
600 |
99．9% |
据此可以推算更大容量模板库的匹配率。
七、系统实施
本系统实施涉及到公安部门刑侦口、治安口、技术口等多个部门，需要细致的规划，实施过程如图。
?
八、系统选型
比对中心：
本系统根据预算处理、存储能力、网络响应等特性的需要，采用曙光系列服务器，针对其提供的一些特有处理能力进行算法与系统设计，保证了系统的最佳效率。
a）数据库服务器、应用服务器
考虑到系统的实时性要求，使用高性能的64位服务器。数据库服务器采用天演ES680－4，采用SCSI硬盘；应用服务器采用天阔S240XP－4，双通道SCSI硬盘提供高速数据通路；
软件平台：IBM AIX 4.3.3(Or 5L)+Oracle V9.01+应用软件
b）Web服务器
使用天阔S240XP－3服务器以处理多路并发请求。
软件平台：Windows 2000 Advanced Server+IIS+应用软件。
c）比对中心工作站
P4 2.4G/256M RAM以上/60G/windows 2000 Professional+应用软件。
采集系统：
星辰远东面像数字采集系统，包括：
- PIII以上联网主机一台；
- 1/3英吋摄像机两部（正面与90度侧面各一）；
- 灯光两组；
- 成像控制板一块。
检索终端：
- PIII以上联网主机一台；
- 1/3英吋摄像机一部；
- 扫描仪一台；
- 灯光两组。
移动终端：
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