智慧社區(qū)的安全

當(dāng)人們談?wù)撐磥?lái)的生活時(shí)，智慧社區(qū)一直是繞不開(kāi)的話(huà)題。2020年5月，中國(guó)《2020年國(guó)務(wù)院政府工作報(bào)告》提出，要重點(diǎn)支持“兩新一重” (新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，新型城鎮(zhèn)化建設(shè)，交通、水利等重大工程建設(shè))，其中前兩項(xiàng)“新基建”和“新城建”，都會(huì)把智慧社區(qū)作為一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。

智慧社區(qū)包含大量新鮮技術(shù)，可以方便人們的生活。除了社區(qū)的自動(dòng)售貨超市，典型的應(yīng)用還有家里的智能家居系統(tǒng)、樓下的自動(dòng)停車(chē)系統(tǒng)。眾多應(yīng)用中，以社區(qū)安保系統(tǒng)最為關(guān)鍵。小到進(jìn)入社區(qū)和住宅樓的門(mén)禁系統(tǒng)，大到整個(gè)社區(qū)的攝像頭網(wǎng)絡(luò)，智能系統(tǒng)可以代替保安進(jìn)行身份驗(yàn)證、巡邏、危險(xiǎn)預(yù)警等工作。

美劇《疑犯追蹤》（Person of Interest）就描述了由高級(jí)人工智能支持和具有強(qiáng)大功能的安保系統(tǒng)。遍布在城市內(nèi)的攝像頭網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)記錄全方位的信息，包括身份、行為甚至人與人的關(guān)系，這些相關(guān)的信息由中央大腦進(jìn)行分析，從而判斷威脅甚至對(duì)潛在威脅做出預(yù)測(cè)。當(dāng)然，劇中近乎上帝一般的人工智能身上存在相當(dāng)多科幻色彩，但其描繪的智能安保系統(tǒng)如今正在慢慢變成現(xiàn)實(shí)。在智慧社區(qū)和智能城市中，智能安保系統(tǒng)是實(shí)施安全防范控制的重要技術(shù)手段，它結(jié)合了人臉識(shí)別 (Face Recognition)、行為識(shí)別 (Action Recognition)、身份識(shí)別 (Person Re-identification) 的人工智能系統(tǒng)。

人臉識(shí)別技術(shù)

基于計(jì)算機(jī)的人臉識(shí)別技術(shù)研究發(fā)軔于20世紀(jì)中期，最早是模式識(shí)別 (Pattern Recognition) 的一個(gè)分支，后來(lái)逐漸發(fā)展完善了人臉檢測(cè)、人臉配準(zhǔn)、人臉屬性識(shí)別、人臉驗(yàn)證和識(shí)別等多種算法。現(xiàn)在這些技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在日常生活中，包括手機(jī)和相機(jī)的人臉捕捉功能、上班自動(dòng)人臉識(shí)別打卡，一些新型住宅小區(qū)已經(jīng)加入了具有人臉識(shí)別功能的門(mén)禁系統(tǒng)。

人臉檢測(cè)

人臉識(shí)別算法的第一步就是確定當(dāng)前圖像和視頻中是否有人臉的存在，并且把對(duì)應(yīng)的人臉?lè)秶Χǔ鰜?lái)。2001年，Paul Viola與Michael Jones共同發(fā)明了著名的Viola-Jones目標(biāo)檢測(cè)方法，這是后來(lái)人臉檢測(cè)算法的基礎(chǔ)。

Viola-Jones算法包括特征和分類(lèi)器兩部分。算法利用了人臉的Haar特征，也就是由黑白矩形形成的、可以模擬目標(biāo)的不同部分之間明暗關(guān)系的特征。這些特征可以用來(lái)尋找正面人臉上存在的一些明暗對(duì)比的區(qū)域，比如鼻梁部分比眼睛更亮、嘴巴部分一般會(huì)比其他區(qū)域更暗等等。這些特征可以匹配圖像中一些候選框，再用這些候選框經(jīng)過(guò)AdaBoost分類(lèi)器，輸出“是人臉”或“非人臉”的標(biāo)記。值得指出的是，在Viola-Jones算法中，多個(gè)分類(lèi)器級(jí)聯(lián)形成一個(gè)集成分類(lèi)器。這樣的好處是逐級(jí)減少候選框的數(shù)量，提高了算法的計(jì)算速度。

后續(xù)的一些研究也立足于特征和分類(lèi)器兩個(gè)方面。在特征方面，現(xiàn)在的安保系統(tǒng)傾向于使用一些相對(duì)復(fù)雜的特征替代Haar特征，一方面可以提高系統(tǒng)的檢測(cè)率，另一方面可以更好地解決非正面臉部帶來(lái)的檢測(cè)失敗問(wèn)題。在分類(lèi)器方面，非極大值抑制 (NMS，Non-Maximum Suppression) 方法可以組合位置和大小相近的候選框，從而大規(guī)模地減少候選框的數(shù)量；深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以利用顯卡來(lái)進(jìn)行大部分運(yùn)算，極大提升運(yùn)算速度。

人臉配準(zhǔn)

由于標(biāo)準(zhǔn)的人臉可以讓人臉識(shí)別等算法的結(jié)果更加穩(wěn)定，因此一個(gè)關(guān)鍵步驟就是將不同角度、不同分辨率的人臉經(jīng)過(guò)算法匹配到標(biāo)準(zhǔn)的位置，這就是人臉配準(zhǔn) (Facial Alignment)。從這個(gè)角度上說(shuō)，所有人的臉都可以看做是標(biāo)準(zhǔn)人臉經(jīng)過(guò)仿射變換 (縮放、旋轉(zhuǎn)、平移) 之后的結(jié)果，而人臉配準(zhǔn)算法的目標(biāo)就是根據(jù)人臉的特征點(diǎn)還原這個(gè)變換過(guò)程。

計(jì)算機(jī)科學(xué)家首先定義了人臉的68個(gè)特征點(diǎn)，可以勾勒出人臉的主要特征。一個(gè)經(jīng)典的算法思路就是讓計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)標(biāo)準(zhǔn)的人臉圖像在這些特征點(diǎn)上是如何一步一步變換成真實(shí)圖像的。它通過(guò)訓(xùn)練級(jí)聯(lián)的回歸器，讓每一個(gè)回歸器都學(xué)習(xí)一部分變換的信息，從而在真實(shí)人臉圖像上找到了標(biāo)準(zhǔn)人臉圖像的映射。

人臉屬性識(shí)別

人臉的屬性包括性別、種族、年齡、表情等，對(duì)于這些屬性的精準(zhǔn)區(qū)分可以更好地判斷當(dāng)前人物的喜好和心理狀態(tài)等。如果完成了人臉的檢測(cè)和配準(zhǔn)，人臉屬性識(shí)別相對(duì)簡(jiǎn)單，其實(shí)質(zhì)就是一個(gè)在大數(shù)據(jù)幫助下的圖片分類(lèi)和回歸問(wèn)題。

2015年，微軟開(kāi)發(fā)了一款預(yù)測(cè)年齡的應(yīng)用 (how-old.net)，根據(jù)用戶(hù)上傳的圖片給出圖中人物年齡的預(yù)測(cè)。在這個(gè)系統(tǒng)中，人臉先被圈出，然后提取出的特征向量會(huì)經(jīng)過(guò)分類(lèi)器給出性別的標(biāo)簽，再經(jīng)過(guò)年齡的回歸分析器得到相應(yīng)的年齡數(shù)字。如果利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，特征提取和分類(lèi)回歸就可以集成在一個(gè)算法中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)屬性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。類(lèi)似地，對(duì)人臉表情也可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的分類(lèi)和回歸，這可以用在一些智能家居和安保系統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，遇到危險(xiǎn)時(shí)，可能僅僅眨眨眼就可以把報(bào)警信息傳遞出去。

人臉驗(yàn)證與識(shí)別

基于上述算法，就可以判斷兩張圖片是否是同一個(gè)人，這就是人臉驗(yàn)證。推而廣之，對(duì)于輸入的任意一張人臉圖像，計(jì)算機(jī)可以從數(shù)據(jù)庫(kù)中匹配到相關(guān)人員，并輸出其身份信息和屬性信息，這個(gè)過(guò)程就是人臉識(shí)別。

由于要進(jìn)行輸入圖片和數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)大量圖片的對(duì)比，算法的速度對(duì)用戶(hù)的體驗(yàn)至關(guān)重要。一個(gè)解決的方案就是從圖片中提取特征。一個(gè)方法是主成分分析 (Principal Component Analysis)，也就是從檢測(cè)出來(lái)的人臉選框中獲得其特異性特征，然后通過(guò)相關(guān)性分析獲得最一致的人員信息。另一個(gè)重要的特征是SIFT (Scale-Invariant Feature Transform，即尺度不變特征變換)，即使圖像有旋轉(zhuǎn)、尺度變化甚至分辨率的變化或者使用不同的相機(jī)，都可以從圖像中匹配特征點(diǎn)，準(zhǔn)確率很高。

人臉在不同光照、不同媒介中的樣子是不同的，直接的特征提取方法可能無(wú)法滿(mǎn)足所有人臉識(shí)別場(chǎng)景的需求，因此就需要把人臉的特征跟光照等信息完成去耦合。經(jīng)典算法LBP (Local Binary Patterns，即局部二值模式) 所做的就是去掉光照信息。在LBP算法中，每一個(gè)像素會(huì)跟相鄰像素作比較，然后保留整張圖片中像素之間的大小關(guān)系，但去掉了其具體的數(shù)值。這樣一來(lái)面部特征仍然得到保留，但光照或紋理造成的像素值偏移就會(huì)被去掉。近幾年發(fā)展的去耦合表示法 (Disentangled Representation) 使用了類(lèi)似的想法，把深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取出來(lái)的人臉特征分成形狀 (Shape) 和外觀 (Appearance) 兩部分，可以更好地保留人臉圖像的特征，提升了識(shí)別準(zhǔn)確率。

行為識(shí)別和身份識(shí)別技術(shù)

除了人臉識(shí)別技術(shù)之外，對(duì)于行為和身份的識(shí)別也是智能安保系統(tǒng)的重要組成部分。其中行為識(shí)別就是對(duì)視頻中的人物行為進(jìn)行分類(lèi)，而身份識(shí)別是指從攝像頭網(wǎng)絡(luò)中發(fā)現(xiàn)同一個(gè)個(gè)體，進(jìn)而獲得其行動(dòng)軌跡并判斷其行進(jìn)目標(biāo)和可疑與否。把身份識(shí)別和行為識(shí)別相結(jié)合，可以更好地判斷視頻中人物的行動(dòng)狀態(tài)。

行為識(shí)別

最早的行為識(shí)別只是圖像分類(lèi)的一個(gè)分支，只不過(guò)分類(lèi)的對(duì)象從圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l，分出的類(lèi)別也從物品、人臉變成了動(dòng)作。視頻作為智能安保系統(tǒng)的主要存儲(chǔ)內(nèi)容，可以看做是多個(gè)圖像的組合，因此圖像分類(lèi)的方法 (如深度學(xué)習(xí)算法等) 可以直接用于行為識(shí)別中。但是，由于行為本身具有時(shí)序性，相關(guān)的時(shí)序特征也可以用來(lái)提升準(zhǔn)確率。光流 (Optical Flow) 就是一個(gè)適用于視頻的特征，它標(biāo)記了連續(xù)兩幀圖像之間相應(yīng)的點(diǎn)的變化軌跡。當(dāng)把連續(xù)多幀的對(duì)應(yīng)點(diǎn)以及其周邊的像素信息編碼成一個(gè)特征，就形成了一個(gè)視頻軌跡 (Trajectory)，多個(gè)軌跡的組合就可以很好地表示行為信息。

近年來(lái)深度學(xué)習(xí)算法在行為識(shí)別中取得了很大進(jìn)展。由香港中文大學(xué)的計(jì)算機(jī)科學(xué)家提出的TSN (Temporal Segment Network) 算法提高了行為識(shí)別的水平。在TSN算法中，原始的視頻和其光流圖像被同時(shí)用來(lái)訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這使得同一個(gè)模型同時(shí)編碼了外觀信息和動(dòng)態(tài)信息。另外，同一個(gè)視頻被隨機(jī)采樣成多種組合，使同一動(dòng)作的不同速度也都可以被識(shí)別。除了以TSN為代表的算法之外，新加坡南洋理工大學(xué)還標(biāo)記了大型的行為識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)NTU RGB+D，其中包含一些醫(yī)院和養(yǎng)老院中常見(jiàn)的動(dòng)作 (比如坐下、躺下、跌倒等)。用這些算法和數(shù)據(jù)訓(xùn)練出來(lái)的行為識(shí)別系統(tǒng)可以很好地進(jìn)行重點(diǎn)人員、重點(diǎn)地區(qū)的監(jiān)控。

身份識(shí)別

身份識(shí)別用到的特征可以是全方位的，包括面部特征、肢體特征、姿態(tài)特征、動(dòng)作特征、衣著特征等。由于攝像頭的分辨率限制，面部特征的使用只能作為輔助，而較大的特征如體態(tài)、動(dòng)作、衣著等會(huì)作為主要特征，其中衣著特征占有較大比重，這與人眼的識(shí)別過(guò)程是類(lèi)似的。因此，身份識(shí)別算法的核心在于如何用好多種特征。

深度學(xué)習(xí)算法依然起著重要作用，因?yàn)樗梢酝ㄟ^(guò)輸入大量數(shù)據(jù)，讓深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)提取特征并分配不同的權(quán)重給不同的特征，并訓(xùn)練多個(gè)分類(lèi)器從不同維度進(jìn)行判斷。具體來(lái)說(shuō)，身份識(shí)別的算法會(huì)綜合考慮幾個(gè)目標(biāo)，包括外觀分類(lèi) (衣著、背包、掛飾等)、體態(tài)分類(lèi) (男女、身高等)、部件分類(lèi) (手臂、腿、軀干等)，最終的識(shí)別結(jié)果是多個(gè)分類(lèi)器的加權(quán)綜合。近年來(lái)，為了同時(shí)擴(kuò)大不同個(gè)體的區(qū)別和減小同一個(gè)體不同場(chǎng)景下的區(qū)別，三樣本損失函數(shù) (Triplet loss) 被引入深度學(xué)習(xí)算法中，對(duì)一組三個(gè)樣本進(jìn)行訓(xùn)練和區(qū)分，獲得了不錯(cuò)的效果。

技術(shù)難點(diǎn)與展望

無(wú)論是人臉識(shí)別還是身份和行為識(shí)別，在安保系統(tǒng)中都具有很大的優(yōu)勢(shì)。首先，計(jì)算機(jī)的參與可以完成人類(lèi)所無(wú)法完成的全方位24小時(shí)監(jiān)督，覆蓋度的增加也就提升了安保系統(tǒng)的安全系數(shù)。第二，強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)可以快速處理海量數(shù)據(jù)，極大提高了發(fā)現(xiàn)安全隱患的速度。但是，盡管具有上述功能的智能攝像頭已經(jīng)開(kāi)始在一些公共場(chǎng)所和社區(qū)內(nèi)落地，大規(guī)模的部署還需要解決一些技術(shù)難點(diǎn)。

系統(tǒng)的魯棒性

人臉識(shí)別中，臉部會(huì)經(jīng)常被眼鏡、墨鏡、口罩等遮蓋；行為識(shí)別和身份識(shí)別中，也存在肢體被遮蓋的情況，這些都給算法帶來(lái)不小的考驗(yàn)。雖然一些光照問(wèn)題可以通過(guò)解耦算法部分解決，但是一些特殊需求如黑暗條件、分辨率不同的攝像頭等，仍然會(huì)影響算法精度。另外，長(zhǎng)相相似的人臉、穿著和動(dòng)作相似的人物、隨著時(shí)間改變而造成人臉和動(dòng)作特征的變化，都會(huì)造成識(shí)別的不準(zhǔn)確。

數(shù)據(jù)規(guī)模和反饋速度

理論上，數(shù)據(jù)量越大就可以讓計(jì)算機(jī)獲得越全面的學(xué)習(xí)。但實(shí)際情況下，人臉、行為和身份識(shí)別的數(shù)據(jù)集均可以達(dá)到上億量級(jí)，而只有這些數(shù)據(jù)被人工標(biāo)記之后才可以被用作機(jī)器學(xué)習(xí)算法的訓(xùn)練。因此，僅標(biāo)記這一個(gè)工作就需要大量人力的投入。另一方面，安保系統(tǒng)部署之后，每一秒鐘計(jì)算機(jī)都需要處理海量的新數(shù)據(jù)，這會(huì)拖慢計(jì)算機(jī)的反饋速度。在安保系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)還需要從數(shù)據(jù)中提取關(guān)鍵的特征和信息，并綜合分析這些信息得到更復(fù)雜的結(jié)果。現(xiàn)階段算法還只是基于某一個(gè)具體的任務(wù)，比如人臉檢測(cè)、行為識(shí)別等。未來(lái)當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模和算力達(dá)到一定水平之后，還需要新的算法來(lái)綜合考慮多個(gè)維度的信息并快速反饋給安全管理人員。

數(shù)據(jù)和算法的安全

安保系統(tǒng)本身的安全性能是一個(gè)重要的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。而在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，數(shù)據(jù)的安全性遭受巨大考驗(yàn)。由于社交媒體的普及，幾乎每個(gè)人的人臉數(shù)據(jù)和身份信息都可以從網(wǎng)上獲得。這些信息一旦與成像技術(shù)乃至3D打印技術(shù)相結(jié)合，人臉識(shí)別系統(tǒng)就很可能被攻破。比如，現(xiàn)在一些研究就集中在如何在人臉識(shí)別系統(tǒng)中加入真假人臉的識(shí)別，正是為了防范這樣的潛在安全威脅。

其他算法也在不斷升級(jí)，給現(xiàn)有的識(shí)別技術(shù)帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。比如近年來(lái)的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)可以生成真假難辨的人臉圖像，甚至自動(dòng)換臉的視頻也已經(jīng)司空見(jiàn)慣。這些生成的人臉甚至可以通過(guò)現(xiàn)有的人臉識(shí)別系統(tǒng)。另外，最近的一篇論文指出，如果對(duì)身份識(shí)別系統(tǒng)加入一個(gè)干擾，算法的身份匹配結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間可能南轅北轍，不法分子甚至可以通過(guò)干擾算法來(lái)逃過(guò)攝像頭的追蹤。

總結(jié)

由此可見(jiàn)，新算法的提出仍然是實(shí)現(xiàn)智慧社區(qū)智能安保系統(tǒng)的基礎(chǔ)。除了提高現(xiàn)有算法的魯棒性，對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)的處理能力，還需要逐步引入新型的數(shù)據(jù)和算法保護(hù)機(jī)制，來(lái)應(yīng)對(duì)新的挑戰(zhàn)和需求。計(jì)算機(jī)科學(xué)家也一直在試圖攻克這些困難。基于稀疏表達(dá)的人臉識(shí)別系統(tǒng)可以很好地識(shí)別不同遮蓋條件下的人臉，從而提高人臉識(shí)別算法對(duì)特殊環(huán)境數(shù)據(jù)的處理能力。在訓(xùn)練識(shí)別算法的同時(shí)，引入生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)和遷移學(xué)習(xí)等學(xué)習(xí)機(jī)制，在部署的時(shí)候利用容器技術(shù)和聯(lián)邦學(xué)習(xí)，不僅可以讓算法完成識(shí)別的任務(wù)，還可以讓算法分辨數(shù)據(jù)來(lái)源以及惡意攻擊，從而更好地保護(hù)數(shù)據(jù)和算法。在未來(lái)，隨著算法在這些方面的不斷迭代，更先進(jìn)的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)會(huì)成為智慧社區(qū)和智慧城市不可或缺的組成部分。

審核編輯：郭婷