謝江龍，羅 山

(攀枝花學(xué)院智能制造學(xué)院，四川 攀枝花 617000)

0 引言

地鐵作為現(xiàn)在快捷出行的方式之一，人臉識(shí)別在地鐵上的運(yùn)用[1]為這項(xiàng)技術(shù)在交通其它領(lǐng)域的運(yùn)用提供了支持。公共交通作為現(xiàn)在交通事業(yè)中的重要組成部分，在解決道路擁擠問題與提高通行效率方面起到關(guān)鍵性作用，但乘車支付的形式及支付速度成為一個(gè)備受關(guān)注的問題。支付的快慢與便捷不僅影響上車時(shí)間還決定著乘客的乘車體驗(yàn)，更決定著人們出行效率，對(duì)道路通行能力也會(huì)帶來一定的影響。

目前乘坐公交的支付方式大多是現(xiàn)金、刷卡、掃碼支付，而在乘坐過程中往往會(huì)出現(xiàn)一些不確定因素，如忘帶公交卡、手機(jī)欠費(fèi)、手機(jī)關(guān)機(jī)、掃碼時(shí)的識(shí)別錯(cuò)誤等，這些都會(huì)給我們的出行帶來不便以至于無法支付，導(dǎo)致不能乘車的尷尬局面。因此迫切需要開發(fā)不需要攜帶終端或硬件的支付方式，目前的無感支付[2]方式主要包括指紋支付、虹膜支付、靜脈支付、聲紋支付和刷臉支付[3]等，但在公共交通領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用還很少。為滿足人們渴望更加方便快捷的支付方式，將人臉識(shí)別技術(shù)和支付寶結(jié)合，設(shè)計(jì)基于人臉識(shí)別的公交無感支付系統(tǒng)，提高人們乘車的支付效率，讓出行更加方便。

1 人臉識(shí)別的方法

1.1 基于子空間的識(shí)別方法

基于子空間的人臉識(shí)別方法[4]是在降低技術(shù)復(fù)雜度的情況下，根據(jù)人臉圖像的性能目標(biāo)，去尋找一個(gè)非線性或者線性的空間轉(zhuǎn)換，把人臉圖像的原始數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮至一個(gè)子空間，這個(gè)空間是低緯度的，在低緯度的子空間數(shù)據(jù)依據(jù)不同的人臉圖像對(duì)性能目標(biāo)的要求，盡可能的保留原空間的信息量。

1.2 基于幾何結(jié)構(gòu)的識(shí)別方法

基于幾何結(jié)構(gòu)的人臉識(shí)別方法的基本思想是使用幾何特征矢量去表達(dá)人臉面部的幾何關(guān)系，關(guān)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的關(guān)系，是一個(gè)將人臉識(shí)別過程轉(zhuǎn)化為關(guān)于人臉特征矢量之間的匹配關(guān)系，且使用了歐式距離去進(jìn)行相似度度量的方法。

1.3 基于深度學(xué)習(xí)的識(shí)別方法

因?yàn)槿四樚卣鲿?huì)隨著內(nèi)部環(huán)境和外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生較大的變化，基于我們?nèi)四X的能力，不會(huì)因?yàn)檫@種變化而無法識(shí)別人的面部特征，仿照人腦的思維方式以及結(jié)構(gòu)，即形成人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去實(shí)現(xiàn)這個(gè)可以不斷學(xué)習(xí)和記憶的人臉識(shí)別，并且還具有穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、容錯(cuò)性等優(yōu)勢(shì)。

1.4 基于局部特征的識(shí)別方法

基于人臉局部特征的人臉識(shí)別方法[5]就是找到不會(huì)隨著干擾因素改變而受到影響的特殊的人臉特征，再對(duì)這些特征進(jìn)行定位，最后通過定位的特殊人臉特征來進(jìn)行人臉識(shí)別。根據(jù)研究表明人臉上具有部分面部特征是不會(huì)隨著外部環(huán)境的變化而產(chǎn)生變化的，基于局部特征的人臉識(shí)別方法就是要找出這些面部特征，進(jìn)行人臉圖片信息識(shí)別，其局部特征不變的算法也為人臉識(shí)別帶來很大幫助。

2 基于支付寶平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 前端拍攝設(shè)備

前端拍攝設(shè)備采用支付寶蜻蜓f4，機(jī)身超薄且底座很小，內(nèi)部ERP系統(tǒng)，對(duì)接好USB接口，即可完成掃臉、掃商品等工作，通過CRM運(yùn)營一個(gè)設(shè)備就可以完成；軟硬件結(jié)合能夠更好地實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別支付，具有很廣的應(yīng)用前景。

2.1.1 前端拍攝采取的技術(shù)

1) WiFi無線電波雙向傳輸技術(shù)：在攝像頭采集到人臉圖像之后，通過WiFi無線電波雙向傳輸技術(shù)，將圖片發(fā)送到支付寶的人臉數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行人臉對(duì)比，完成后再將人臉識(shí)別之后的信息通過WiFi無線電波雙向傳輸傳回蜻蜓f4。并且具有多種優(yōu)點(diǎn)：無需布線，就可以進(jìn)行信息傳輸；傳輸速率高，最快可以達(dá)到54 Mbps；穩(wěn)定性強(qiáng)。

2) 人臉檢測(cè)和預(yù)處理技術(shù)：人臉檢測(cè)即從采集的圖像中判斷圖像中是否存在人臉，若存在則給出人臉?biāo)趨^(qū)域；預(yù)處理則是人臉識(shí)別的初級(jí)階段，主要包括平滑去噪、面部區(qū)域的切割以及姿態(tài)矯正等[6]。

2.1.2 前端拍攝設(shè)備的配置

支付寶蜻蜓f4全新刷臉支付設(shè)備的配置分為：3D結(jié)構(gòu)光攝像頭[7]、主機(jī)、藍(lán)牙鍵盤以及支柱。

3D結(jié)構(gòu)光攝像頭：該攝像頭使用結(jié)構(gòu)光成像，主要由紅外光攝像頭、紅外光發(fā)射器、圖像處理芯片和可見光攝像頭四部分組成。攝像頭發(fā)出光源投射到目標(biāo)表面，然后芯片對(duì)攝像頭采集到的含編碼信息的結(jié)構(gòu)光圖像進(jìn)行處理，再進(jìn)行人臉圖像3D建模，不同攝像頭分別測(cè)人臉不同維度的信息，最后解碼獲得目標(biāo)的三維信息。該攝像頭具有很多優(yōu)勢(shì)：在明暗環(huán)境下都可以使用、具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠較好的適應(yīng)公交的復(fù)雜環(huán)境，對(duì)于動(dòng)態(tài)表情的捕捉都有較好的效果，對(duì)于妝容的改變也能較好適應(yīng)，對(duì)于照片和視頻這些非人臉物體可以完全杜絕。

主機(jī)：即前端設(shè)備的主要部分，也是最為顯眼的部分，使用高通四核處理器的單片機(jī)，主機(jī)上具有連接WiFi或插入手機(jī)卡的位置，可以直接使用數(shù)據(jù)流量也可以連接WiFi，進(jìn)行人臉圖像信息傳輸以及圖像的預(yù)處理。

藍(lán)牙鍵盤：藍(lán)牙鍵盤直接連接在前端設(shè)備上，乘客輸入所需要支付的金額就可以進(jìn)行人臉識(shí)別支付。

主機(jī)支柱：蜻蜓f4的支柱為支撐整個(gè)前端設(shè)備，使前端設(shè)備可以安穩(wěn)地立在公交的支付位置。

2.1.3 前端拍攝設(shè)備工作流程

1) 拍攝人臉圖像：當(dāng)乘客在公交車前門上車，將頭部對(duì)準(zhǔn)人臉前端設(shè)備時(shí)，設(shè)備使用3D結(jié)構(gòu)光攝像頭拍攝人臉圖像。

2) 人臉圖像預(yù)處理：這一步的目的是消除人臉圖像中與人臉無關(guān)的信息，增強(qiáng)與人臉相關(guān)的真實(shí)有用的信息，為后面的特征提取準(zhǔn)備，經(jīng)過平滑、去噪和增強(qiáng)達(dá)到對(duì)圖像預(yù)處理的要求。

3) 傳輸人臉圖像：使用車載WiFi或者自身攜帶的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行圖像信息傳輸，車載WiFi傳播圖像信息使用無線短波進(jìn)行傳輸，自身的數(shù)據(jù)流量則需要借用基站進(jìn)行圖像信息傳輸。

4) 接收返回?cái)?shù)據(jù)：支付系統(tǒng)將支付請(qǐng)求進(jìn)行處理之后，使用同樣的傳輸技術(shù)將相關(guān)信息傳輸?shù)角岸嗽O(shè)備，前端設(shè)備對(duì)信息進(jìn)行接收后，將信息顯示到主機(jī)的屏幕上面。

5) 確認(rèn)支付信息：乘客對(duì)前端設(shè)備上返回的相關(guān)支付信息進(jìn)行確認(rèn)。

2.1.4 支付寶平臺(tái)數(shù)據(jù)交互

在進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，商戶客戶端需構(gòu)造訂單數(shù)據(jù)，同時(shí)將這個(gè)訂單數(shù)據(jù)發(fā)送到錢包支付的開發(fā)包客戶端，開發(fā)包客服端對(duì)該訂單的數(shù)據(jù)請(qǐng)求進(jìn)行構(gòu)造業(yè)務(wù)，同時(shí)將這個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送到錢包支付的服務(wù)端，錢包支付服務(wù)端在接收到商戶服務(wù)端發(fā)送完成支付數(shù)據(jù)之后，返回開發(fā)包客戶端完成支付這個(gè)結(jié)果，該客戶端同步將支付結(jié)果返回商戶客戶端。當(dāng)商戶在客戶端對(duì)支付結(jié)果進(jìn)行處理之后，錢包支付服務(wù)端將收到這個(gè)處理結(jié)果，再將這個(gè)結(jié)果異步發(fā)送到商戶客戶端，該客戶端對(duì)該支付通知進(jìn)行響應(yīng)，并把這個(gè)響應(yīng)發(fā)送到錢包支付的服務(wù)端，錢包支付服務(wù)端進(jìn)行該數(shù)據(jù)的接收。其具體數(shù)據(jù)交互如圖1所示。

圖1 支付寶平臺(tái)的數(shù)據(jù)交互

3 人臉識(shí)別支付程序設(shè)計(jì)

前端設(shè)備進(jìn)行人臉圖像拍攝以及人臉圖像預(yù)處理，將處理后的人臉圖像傳輸?shù)饺四樧R(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行人臉身份識(shí)別，再將識(shí)別信息傳到前端設(shè)備和支付系統(tǒng)，進(jìn)行支付扣款和后續(xù)把支付信息發(fā)送到乘客的相應(yīng)賬戶，進(jìn)而達(dá)到公交無感支付。具體流程如圖2所示。

圖2 公交無感支付系統(tǒng)流程

3.1 錄入人臉信息

乘客通過手機(jī)APP—支付寶開通人臉識(shí)別功能，通過支付寶APP客戶端的設(shè)置開通生物識(shí)別內(nèi)的面容支付同時(shí)手機(jī)相機(jī)拍攝一張照片，錄入到支付寶的人臉識(shí)別人臉庫內(nèi)，即可以開通人臉識(shí)別支付功能。

3.2 前端人臉數(shù)據(jù)采集

采用了3D光結(jié)構(gòu)攝像頭對(duì)人臉圖像實(shí)現(xiàn)3D重建。用不可見紅外光采集深度Z軸的信息，確定物體景深相關(guān)信息，再用可見光攝像頭采集X軸和Y軸的信息進(jìn)行采集，最后將可見光攝像頭與紅外光攝像頭采集的信息集合起來，運(yùn)用算法將這些信息與鏡頭成像端采集的關(guān)于色彩的信息結(jié)合起來，最終完成了人臉圖像的3D重建。

3.3 人臉識(shí)別對(duì)比系統(tǒng)

1) 讀入人臉庫：蜻蜓f4將已拍攝并3D建模重現(xiàn)的人臉圖像通過WiFi傳輸?shù)街Ц秾毊?dāng)?shù)氐娜四樧R(shí)別人臉庫，隨即人臉庫將接收的人臉圖像讀入人臉庫。

2) 提取特征：將前端設(shè)備傳輸來的圖像，進(jìn)行圖像特征提取，提取人臉的顏色特征、紋理特征、形狀特征等。

3) 模板匹配：同支付寶人臉庫中已錄入的人臉模板進(jìn)行比對(duì)，選擇相似度最高的人臉模板。

4) 人臉識(shí)別：選擇的人臉模板與人臉信息進(jìn)行匹配，匹配成功即則實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別。

3.4 支付扣款

前端設(shè)備(蜻蜓f4)收到人臉識(shí)別系統(tǒng)通過WiFi無線電波傳輸返回的信息后，系統(tǒng)對(duì)收到的用戶信息比對(duì)成功后，將通知支付寶的支付系統(tǒng)對(duì)用戶扣款，扣款成功后，支付寶的支付系統(tǒng)返回乘客相關(guān)信息、扣款金額、時(shí)間等信息給蜻蜓f4前端設(shè)備。如果比對(duì)不成功，則返回前端設(shè)備錯(cuò)誤的信息，同時(shí)前端設(shè)備通知乘客扣款不成功，請(qǐng)改變支付方式。支付系統(tǒng)的具體支付步驟如下：

step1：前端設(shè)備收到人臉識(shí)別系統(tǒng)傳輸回來的消息。

step2：對(duì)比成功通知支付系統(tǒng)進(jìn)行扣款。

step3：支付系統(tǒng)將扣款成功的相關(guān)信息分別返回到支付寶APP客戶端和前端設(shè)備蜻蜓f4。

step4：若人臉識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別信息失敗，將信息返回前端設(shè)備，并提醒乘客變換支付方式。

4 系統(tǒng)測(cè)試及分析

表1 不同時(shí)間段平均支付時(shí)間

對(duì)某市的公交支付系統(tǒng)、公交車結(jié)構(gòu)和公交支付設(shè)備等相關(guān)現(xiàn)狀的測(cè)試和分析后，對(duì)公交支付系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了無感支付。公交車的復(fù)雜環(huán)境和支付時(shí)間段對(duì)人臉識(shí)別支付的速度和體驗(yàn)影響較小，并且在一天的三個(gè)高峰時(shí)間段內(nèi)在公交車內(nèi)進(jìn)行了基于人臉識(shí)別的公交無感支付的實(shí)驗(yàn)，都達(dá)到了較好的支付體驗(yàn)和無感支付效果。公交現(xiàn)有的WiFi也可以滿足前端支付設(shè)備對(duì)于信息傳輸?shù)囊?，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人臉圖像信息傳輸?shù)囊螅芪恢?、天氣、公交車?nèi)乘客的數(shù)量或者其他情況造成WiFi信號(hào)的強(qiáng)弱影響，對(duì)于人臉識(shí)別支付的速度將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響，但影響較小在可控范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

研究了基于人臉識(shí)別的公交無感支付系統(tǒng)，將人臉識(shí)別與公交支付有效的結(jié)合，對(duì)支付系統(tǒng)和形式進(jìn)行了深入分析，進(jìn)行了大量的分析和對(duì)比，結(jié)果表明公交車現(xiàn)有的刷卡設(shè)備的電壓與前端支付設(shè)備契合，可以較好的結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)支付方式的轉(zhuǎn)變，達(dá)到基于人臉識(shí)別的公交無感支付效果。現(xiàn)有的公交車配有移動(dòng)WiFi可以滿足前端設(shè)備傳輸人臉圖像信息的需求。人臉識(shí)別支付時(shí)間十秒左右，可以滿足乘客乘坐公交時(shí)對(duì)支付時(shí)間的要求。