“智慧校园”方案

一、 前言

        人脸识别技术的研究始于20世纪60年代末期,20世纪90年代后期以来,一些商业性的人脸识别系统逐渐进入市场,但是,这些技术和系统离实用化 都有一定距离,性能和准确率也有待提高。

        美国遭遇恐怖袭击后,这一技术引起了广泛关注,作为非常容易隐蔽使用的识别技术,人脸识别逐渐成为国际反恐和安全防范最重要的手段之一。近年来,人脸识别在中国的市场,也经历着迅速的发展,而且发展的脚步也越来越快。主 要原因为。

1.科技的进步

        国际上,美国标准与技术研究院(NIST)举办的 Face Recognition Vendor Test 2006,通过大规模的人脸数据测试表明,当今世界上人脸识别方法的识别精度比2002 年的 FRVT2002 至少提高了一个数量级(10 倍),而对于高清晰,高质量人脸图像识别,机器的识别精度几乎达到 100%。在我国,近年来科技界和社会各 个方面都认识到人脸识别技术的重要性,国家政策对人脸识别技术研究给予了很 大支持,使得我国人脸识别技术也得到了迅速的发展。

2.应用需求的增加

        越来越趋向于高科技的犯罪手段使得人们对各种场合的安全机制要求也近乎苛刻,各种应用需求不断涌现。人脸识别市场的快速发展一方面归功于生物识 别需求的多元化,另一方面则是由于人脸识别技术的进步。从需求上来说,除了 传统的考勤、门禁等应用外,视频监控环境下的身份识别正成为一种迫切的需求, 即在一个较复杂的场景中,在较远的距离就识别出特定的人,这显然是其它生物 识别方法所欠缺的,而人脸识别却是一个极佳的选择。

二、 需求分析

        随着经济的发展,社会开放程度的提高,社会上的一些违法犯罪事件也日渐影响到学校和校园。如何建立一个安全的校园环境,保障师生的学习和校园生活安 全一直是教育部门和社会各界关注的焦点。特别是中小学校和幼儿园的校园安全 建设尤其重要,中小学校师生均属于安全防卫能力较弱的群体,大部分中小学生 尚未成年,防范意识和自我保护能力比较弱。中小学校园安全问题,维系着社会的稳定,牵动着家庭的幸福,已成为全社会密切关注的话题,直接影响到和谐社 会的建设,祖国的未来。

        据社会调查显示,造成中小学校安全事故发生的原因,很大一部分是由外来的侵害造成的,包括冒领接走、被绑架和学生外出活动伤害等等。针对以上事故 原因,可以通过加强学生进出管理、接送管理、校门进出人员管理、宿舍人员出入管理等来 改善和避免。

        首先是解决学生独自进出校园,而家长不知道学生进出情况,这一个环节存在的隐患,目前可能发生的情况是,学生半路没回学校,或者学生在校逗留但校方、家长都不知情,对于学生的去向无法得知;另一方面是加强校门看守和学生宿舍出入人员的有效管理,目前大多采取的是来访、出入登记的方式,外来人员提供虚假证件或事由就可进入校园,学生出入校门或宿舍也多采取人工看管方式,有少数学校也采用了智能 IC 卡系统等管理 手段,但智能卡“只认卡不认人”的缺陷并不能给学校带来真正有效的安全管理, 冒用卡片进入校园或学生宿舍的事故时有发生。杜绝此类情况就要保证进入校 园、宿舍的人员身份得到验证,校方可实时得知到出入人员的身份信息。

        其次解决传统监控摄像头是事件发生之后,人工去查看监控内容,对于校园内管理人员或者老师、保安等相关用户无法实时得知校园内发生打架、斗殴、学生玩火或者陌生人穿入等异常行为发生,由于传统的监控或者网络监控摄像头需要人主动去查看或者等事件发生之后才去查看调用当时的相关录像,起不到加强校园安全措施,存在一定的滞后性,无法很好的、及时制止事件的发生,容易酿成大事件。因此,为了解决提前预警相关不良行为发生能够及时通知相关人员的问题,需要部署一套行为分析系统,通过人脸追踪和行为分析,能够让系统自动判断出正在发生不良行为及时通知相关人员到场处理,并且将当时画面进行录像或者拍照保存,能够及时复盘。

        在校园信息化过程中,必不可少的是一个信息展示平台,智慧班牌,是智慧校园建设最重要的组成部分之一。通常在每个教室门口配置一块22寸(或其他尺寸)高清屏或触控屏,可以显示课程信息、师生资料、班级风采、荣誉展示等内容,还可以显示时间、天气预报、校园通知等公共信息,另外还可以进行学生签到、图书查询、考试排座、成绩查询等互动操作。智慧班牌既提升了校园的整体形象,又充分的展现了校园风采、丰富了校园生活,同时,也成了学校和班级,教师和学生,以及家长和学生之间的互动媒介之一。在这个智慧班牌系统上还可以追加上人脸识别考勤,让学生可以在教室门口实现实时签到,也能够让走班制的课任老师能够快速进行一个点名签到。

        最后是解决学校内其他相关系统的统一平台管理,目前校园存在班牌系统、图书管理系统、饭堂管理系统等集成在一起,通过用户人脸数据打通所有平台的数据通道,实现用户可以在班牌机上查看自己班级相关信息或者刷脸考勤,又可以在图书馆通过刷脸借书和还书,在饭堂又可以直接刷脸付款吃饭等等,打造一个高科技智慧校园,做到一人刷脸走遍校园各个角落,校园管理者或者老师、家长都可以实时知道学生的相关信息。

        人脸识别技术具有识别的唯一性,身份鉴定不可仿冒,能很好地解决以上学校在安全管理方面存在的问题,为学生营造健康、安全的校园环境,这一生物识 别技术的应用正在成为校园安全建设的新动向。

三、 方案设计遵循标准和原则

3.1 设计依据

        本方案设计遵循GA/T497-2009《中华人民共和国公共安全行业标准》。方案中所涉及产品的设计生产、安装调试等参照以下相关文件及标准:

《中华人民共和国安全防范行业标准》GA/T74-94

《建筑智能化系统工程设计管理暂行规定》建设部

《民用建筑电气设计规范》(JGJ/T16-92)

《智能建筑设计标准》(DBJ08-4-95)

《建筑和建筑群综合布线工程设计规范》中国工程建设标准协会

3.2 设计目标

  • 将人脸作为进出校门及校内各场所的身份鉴别条件,身份不符者门禁装置拒绝通行。
  • 采用人脸作为进出的身份鉴别条件,对学生进行人脸识别成功后,系统会根据学生绑定情况给对应微信号推送刷脸通行记录,让家长实时知道学生进出情况。
  • 采用网络摄像头做人脸布控和行为分析,可以提前预警正在发生的不良行为,比如打架斗殴、火灾预警等,并且及时推送提醒相关人员及时处理。
  • 采用人脸数据打通校园其他平台系统,做到一人一脸校园无阻通行,因此系统平台有标准接口开放,方便对接。
  • 实现学校、班级宣传/信息发布,能够快速全校发布学校、班级日常信息,充分展示学校教育教学特色、师资力量、新闻动态、学生风采等。
  • 扩展系统能够将设备作为考勤设备,让学生进行刷脸考勤,系统根据后台参数生成对应报表,定时推送给班主任。
  • 能提供人脸识别门禁出入人员信息的管理平台,按不同权限对数据库进行操作,并可提供查询门禁记录、数据备份和数据打印输出等功能。
  • 能通过网络实现人脸识别数据的传输、远程访问和远程系统维护。
  • 集成教务系统、排课系统、人事管理系统、访客系统等为一个平台,统一管理,并且能够快速对接兼容其他子系统。

3.3 设计原则

先进性: 系统采用国际、国内的通行的先进技术,适应时代发展的需要。

成熟性:以实用为原则采用成熟的经过工程检验的先进技术和产品,方案设计中所选用的产品均经过严格的质量检验和成功的工程应用实例。

开放性:采用开放的技术标准,避免系统互联或扩展的障碍。

标准化:国际标准化的设计和标准化的产品。

可扩展性:充分考虑未来发展,在系统设计时留有合理的冗余。系统具有充分的扩展能力,为今后系统扩充的留有充分的余地。

安全性和可靠性:包括系统自身的安全和信息传递的安全,以及运行的可靠性,满足系统能够确保长时间不间断运行的要求。

设计、施工、运营与服务:强调以人为本的设计思想,为用户提供高效、便捷、运行可靠的应用方案。

3.4 设计思想

        利用人脸识别技术与软件技术,实现完全智能和具有高安全性的身份鉴别验证系统,配合自动化门控装置进行校园出入口通行控制。校方管理者通过系统的 数据查询与分析功能,可实时掌握学生信息,维持安全的校园环境。同时也能够提供学校、班级日常信息发布,充分展示学校教育教学特色、师资力量、新闻动态、学生风采等,形成学校、老师、学生、家长一个互动交流的平台,可以时刻关注到学生的成长情况,实现一个系统平台把学校的存在的信息孤岛都打通,提供一种优 于其它方式的校园安全系统解决方案。

四、 技术概述

4.1 关于人脸识别技术

  • 是基于人的脸部特征为信息源进行身份验证的一种生物识别技术。
  • 人脸识别技术与其它生物识别明显的优势在于:特征值采集是非接触式的。
  • 人脸识别系统无须专用的昂贵采集设备,现有的通用设备(如摄像机、摄像头等)就足以满足要求。
  • 作为最容易隐蔽使用的识别技术,人脸识别成为当今国际反恐和安全防范最重要的手段之一。

4.2 人脸识别技术原理

        用摄像机或摄像头采集含有人脸的图像或视频流,并自动在图像中检测和跟踪人脸,进而对检测到的人脸进行脸部的一系列相关技术处理,包括人脸图像采 集、人脸定位、人脸识别预处理、记忆存储和比对辨识,达到识别不同人身份的 目的。

4.3 人脸识别技术特点

  • 非接触式和非强迫性特征值采集。
  • 随身“携带”,随时随地可用,避免口令、IC/ID卡、条码卡或磁卡存在的丢失、遗忘、复制及被盗等诸多不利因素。
  • 通过人眼就能判断数据的最直观技术,方便人工确认,复核、鉴定。
  • 识别速度快,精度高,目前已在各行各业广泛使用。
  • 比传统的身份鉴定方法更具安全、保密和方便性。
  • 理论上具有绝对的防伪性、不可伪造及被盗。

4.4 人脸识别应用于身份鉴别的优势

        目前市场上应用较多的身份鉴别系统,一般可分为密码验证、IC 卡验证等传统的身份鉴别系统,和近年新兴的采用现代生物识别技术的身份验证系统,常 见的用于身份验证的生物识别技术有:人脸识别、指纹、虹膜、手指静脉等。

4.4.1 与密码、IC 卡身份验证系统比较

        1.冒用他人身份是传统的密码、IC卡等身份验证系统无法克服的明显缺陷,无法确定“谁在真正使用它”,而人脸识别是无法替代的,基于人脸识别技术的身份验证系统有效地解决了这一问题。

        2.使用密码、IC卡等身份验证系统的用户一旦身份被他人冒用,将很难追查非法冒用者,而人脸识别身份验证系统根本不存在用户身份被冒用的情况,并且随机可调取人脸图像,事后调查数据一目了然。

4.4.2 与指纹身份验证系统比较

  1. 受角度、空气湿度、污渍等因素影响,指纹识别拒识率较高,而人脸识别不仅可以保证全天候使用,而且识别速度非常快。
  2. 事实表明约有5%的人的指纹无法被指纹识别仪辨别,原因有很多;相对而言,每个人都有一张完好的易于辨认的脸 。
  3. 指纹读取必须主动配合,而且必须接触到识别仪,这样会带来使用的不方便、用户的心理抵抗等,用户指纹还存在被他人复制的可能,而人脸识别的非主动性和非接触性特征则使这些矛盾荡然无存。

4.4.3 与虹膜、手指静脉身份验证系统比较

  1. 虽然虹膜和手指静脉识别也是先进的现代生物识别技术,但应用这两种技术的身份验证系统相对较复杂,现阶段还不能普及到普通民用领域,这些系统的维护和售后成本也相对较高。
  2. 尽管误识率和拒识率都非常低,但虹膜识别对光源的要求很高,而且识别速度较人脸识别要慢很多;手指静脉识别也需要使用者的高度配合才能正常使用。

五、 方案设计

5.1 系统拓扑结构

图 5.1

5.2 系统建设目标

  1. 加强校园的安全管理,人脸识别不可伪造的特性,杜绝了非法人员进入校园。
  2. 实现全校师生档案资料、排课、教学计划、教务管理、宿舍、校车、饭堂等统一管理。
  3. 采集学生人脸信息存档备份,人脸信息具有人眼可直接识别性,信息利用率高,通过校园网可实现学生档案的信息化管理。
  4. 可记录和统计学生的人脸识别使用情况,加强学生宿舍的安全管理,也可应用于图书馆等场所,替代纸质的阅览证。
  5. 通过摄像头监控公共区域实时分析是否有打架斗殴、求救、非法聚众等非法行为产生,及时通知相关人员留意,并且进行录像或者图片留存等方式进行备案。
  6. 显著提升学校的智能化程度和办学形象。
  7. 通过人脸识别生成的刷脸记录,可以让家长实时收到学生的进出情况,让家长放心、安心。
  8. 学生进入校园时进行人脸识别,验证身份,可以控制门禁的开关自动放行,减少校门看守人员的工作量和难度。
  9. 自由设置学生的人脸识别权限,学生在校园内可进出的场所完全可控,可以设置学生可以进入或互访的楼宇、楼层以至于宿舍房间,配合门禁装置,完全可以实现宿舍管理无人化,并可保存人脸识别记录,查询学生的上课、住宿等情况。

5.3 系统功能设计

  • 人脸采集和识别:通过手机微信端拍照上传或者pc端上传照片到系统,系统自动提取照片头像特征值进行存储,并且下发到识别终端数据库,设备采集当前用户头像与本地数据库中存储人员面部信息进行比对识别;
  • 系统参数设置:对人员统一授权,管理方便,可进行用户注册、授权、修改、删除及人脸建模、重新建模等用户管理操作;
  • 数据库存储和管理:系统设定的参数、人脸模板信息和所有刷脸通行记录都被保存于数据库中,根据条件生成对应的报表,提供给相关人员查看;
  • 教务教学管理模块,实现学校日常工作信息化;
  • 班排系统模块化,提供学校、班级日常信息发布,充分展示学校教育教学特色、师资力量、新闻动态、学生风采等、公告等信息,同时也能够提供一个老师、学生、家长互动交流的一个平台;
  • 日志记录信息管理功能:系统管理员可应用本系统管理控制软件进行查询、导出和删除等日志记录信息管理操作;
  • 人机界面显示功能:刷脸提示用户姓名、学号、以及认证结果,并有语音提示;
  • 多台终端数据库同步(高级联网系统):多台终端联网工作时,采用同一个数据库,实现独立控制,集中管理模式;
  • 学生到达或离开学校时通过人脸识别门禁,系统可将识别的信息发送给家长,通过手机网络,家长可随时了解学生的行踪;
  • 系统可扩展:除人脸识别外,可扩展连接智能卡识读设备,实现人脸与智能卡的多重验证;
  • 自学习功能:系统可设置动态地更新数据库中用户的头像,从而保证在用户的人脸及环境的变化下仍然能够快速正确地识别;
  • 完全脱机运行:识别模板的录入和功能设置等,用户人脸数据也是从网络服 务器下载到设备,都可以直接通过识别终端操作完成;
  • 以太网组网:终端通过以太网与云平台进行组网,可远程管理设备。

5.4 人脸识别流程示意图

图 5.4

5.5 网络拓扑图

 图 5.5

5.6 人脸识别终端设备

Ø 闸机控制器产品介绍

                                                                                           图5.6.1

产品名称:人脸识别双屏闸机控制器 型号:AI-DG007

重量:6.5kg

电气特性

额定电压:DC12V/Max 3A 工作温度:-20℃-+70℃ 相对湿度:≤70% 不凝露

Ø 门禁一体机产品介绍

                                                                                       图5.6.2

产品名称:人脸识别门禁一体机

型号:AI-SND007

重量:3.8kg

电气特性

额定电压:DC12V/Max 3A 工作温度:-20℃-+70℃ 相对湿度:≤70% 不凝露

Ø 人证核验一体机产品介绍

                                                                                            图5.6.3

产品名称:人脸识别门禁一体机

型号:AI-SIV010

重量:3.5kg

电气特性

额定电压:DC12V/Max 3A 工作温度:-20℃-+70℃ 相对湿度:≤70% 不凝

5.5.1人脸识别参数

 

识别性能:拒识率 FRR≤1%,误识别率 FAR ≤0.01% 识别速度:1:1 时≤300ms;1:N 时≤500ms(5000人) 适应环境光线:0 -50000Lux

识别距离:0.5 -1.5m

人脸姿态:倾斜±20。 ;旋转±30。 ;俯仰±20。

5.5.2 接口参数

I/O 接口:控制继电器,补光灯

USB接口x2

网络通讯:TCP/IP,RJ45(10/100Base-TX)

开锁输出:继电器开关量输出 选配:232/485串口输出,韦根输出 三选一

5.5.3 系统平台及存储能力

系统平台:阿里云云服务器

内存:4G以上,存储:>>1T

设备存储用户容量:2w 人

5.7 系统管理平台

 

5.7.1系统设备管理界面图

5.7.2设备管理

5.8 系统特点简介

        人脸识别校园管理系统,采用行业领先的人脸识别技术,精确分析人脸特征,作为身份识别的依据,为学校的门禁管理、宿舍管理、班排系统、饭堂消费管理系统、实时监控系统、小学幼儿园学生接送和校车行车轨迹管理提供安全、便捷的系统解决方案。

  • 人脸注册:先在后台手机端注册人脸;
  • 人脸下发:系统会自动下发用户人脸资料到对应设备;
  • 人脸识别:将当前人脸与设备本地数据库中已注册的人脸模板进行检索比对;
  • 门禁考勤管理:考勤进出校自动抓拍识别,提高学生进出效率,并把刷脸记录实时推送给家长,让家长放心,也提高学校的进出安全管理;
  • 实时监控:通过实时监控加上行为分析算法,让系统代替部分人工监控摄像头画面是否有非法行为产生,并同一时间通过微信通知相关人员,后台对产生非法行为的前后5s进行录像或者拍照进行存档;
  • 信息发布:学校、班级宣传/信息发布,能够快速全校发布学校、班级日常信息,并传达到家长手机上。系统功能全面涵盖了学生的安全、学生的校园生活、学生的学习、学校教务管理,提供多元化信息发布;
  • 师生互动:学校信息、通知、学生作业等实时推送给家长,家长发送叮嘱、请假信息即时推送给老师,提升了家校沟通效率,拉近家校联系,共建有利于孩子健康成长的和谐环境;
  • 接送管理:校车实时行驶轨迹和代接送信息,确保接送安全;
  • 安装便捷:安装维护方便快捷、数据库容量大,突破账号数限制;
  • 云端数据统一管理:人脸识别校园管理系统以人脸为基础,打通学校门禁系统、考勤系统、班牌系统、教务系统、教学计划、师生互动沟通系统、宿舍管理系统等等子系统,实现一个平台管理。

5.9 应用设计

5.9.1 学校门禁应用

        在学校各个大门的人行通道安装人脸识别门禁终端,连接电控锁控制人行通道门的开、关。所有校内师生及工作人员都必须进行人脸的登记,进入学校 时必须进行人脸识别,人脸识别成功后才能开门进入校内。

        对于实行封闭式管理的学校,在学校各个大门内侧安装人脸识别门禁终端,平时只有教师或工作人员才有此门禁终端的开门权限,当有学生需外出时凭老师 批准的外出申请条开通出门权限。周末或节假日允许学生自由出入的学校,可以 对出门识别终端进行节假日或星期天开放所有出门权限的设置。

        对于实行开放式管理的学校,在学校各个大门口安装人脸识别摄像头抓拍设备,可以实现批量实时抓拍学生进出情况,异常情况,包括上课时间有学生进出、外来陌生人进出会通过系统发送异常情况通知给到相应管理者。

5.9.2 学校宿舍管理应用

        在每个宿舍楼安装人脸识别终端,也可根据实际的应用需求在楼层、宿舍安装。学生进入宿舍楼必须进行人脸识别验证,人脸识别成功后才可以开门,宿舍互访的学生,可凭证件或者在系统申请临时访问权限,在宿舍楼管理处进行临时性的人脸授权,临时性的人脸在验证成功一次后失效,以使学生只能在自己宿舍所在楼自由出入,保证 学生宿舍的安全。

        宿舍楼的人脸识别管理系统有简单的考勤功能,能记录和统计人脸识别数据,根据人脸识别记录可以查询到某个学生的进入时间等信息,方便学校的住宿 管理。还可以设置人脸识别宿舍管理系统的开门时间段,非就寝时间不允许进出 宿舍楼。

        对于宿舍管理者而言,可以解决在新学期开学安排学生住宿问题和设备报障,能够快速筛选出空余床位和按年级、班级进行一个床位合理安排,或者解决宿舍设备故障情况等等相关宿舍管理工作,而这些是可以实现汇总统计出相关数据报表提交给学校。

5.9.3 校车上下车学生签到应用

        对于初中高中生来说,学生放学坐校车来接送回家,放学后负责接送学生的教师在车上配备人脸识别一体机,让上下车的学生进行刷脸签到,人脸识别成功后系统会自动发送当前签到信息给对应家长,系统会定时推送车上人脸统计报表 给到班主任和司机,可以知道是否学生都上车或下车完毕。

5.9.4公共区域空间部署网络摄像头+行为分析系统

        行为分析系统主要包含人脸布控和行为分析,能够快速识别出现学校外来者或者相关黑名单,并且给相关人员进行预警,在行为分析方面是用来解决校园出现聚众闹事、打架斗殴、持械、翻墙等非法行为分析,并且及时通知相关人员,系统对事件发生前5s和后5s进行录像或者抓拍图片进行留存查询,能够解决学校管理者是在事件发生之后才去处理,能提前预知非法行为产生能够及时制止或者进行相关处理。

5.9.5班牌系统应用

        智慧班牌是智慧校园各项功能的集中体现,是集校园风采、资讯公告、班级信息、课程安排、人脸考勤、家长留言和亲情视讯等功能于一体的智能交互终端,是校园文化建设、数字化建设的系统之一,实现了学校日常工作与环境美化的完美融合,为全方位培育和打造校园文化环境提供了一个优质的载体。

5.9.6饭堂消费系统应用

        学校饭堂目前大多数是采用饭卡消费,对于我们的系统是兼容人脸识别支付,主要是解决饭卡容易丢失和需要人工充值的方式。对于学生来说,采用人脸支付可以实现学生带脸消费,不用随时带卡在身上,或者忘记去给饭卡充值,卡没钱直接在网络充值,然后就可以刷脸消费。

     

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