人臉識(shí)別系統(tǒng)的原理與發(fā)展

1、人臉識(shí)別系統(tǒng)的原理與發(fā)展一、引言 人臉識(shí)別系統(tǒng)以人臉識(shí)別技術(shù)為核心，是一項(xiàng)新興的生物識(shí)別技術(shù)，是當(dāng)今國(guó)際科技領(lǐng)域攻關(guān)的高精尖技術(shù)。它廣泛采用區(qū)域特征分析算法，融合了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理于一體，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從視頻中提取人像特征點(diǎn)，利用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型，具有廣闊的發(fā)展前景。2012年4月，鐵路部門宣布車站安檢區(qū)域?qū)惭b用于身份識(shí)別的高科技安檢系統(tǒng)人臉識(shí)別系統(tǒng)；可以對(duì)人臉明暗偵測(cè)，自動(dòng)調(diào)整動(dòng)態(tài)曝光補(bǔ)償， 人臉追蹤偵測(cè)，自動(dòng)調(diào)整影像放大； 二、概述 人臉識(shí)別系統(tǒng)概述 廣義的人臉識(shí)別實(shí)際包括構(gòu)建人臉識(shí)別系統(tǒng)的一系列相關(guān)技術(shù)，包括人臉圖像采集、人臉定位、人臉識(shí)別

2、預(yù)處理、身份確認(rèn)以及身份查找等;而狹義的人臉識(shí)別特指通過人臉進(jìn)行身份確認(rèn)或者身份查找的技術(shù)或系統(tǒng)。 生物特征識(shí)別技術(shù)所研究的生物特征包括臉、指紋、手掌紋、虹膜、視網(wǎng)膜、聲音(語音)、體形、個(gè)人習(xí)慣(例如敲擊鍵盤的力度和頻率、簽字)等，相應(yīng)的識(shí)別技術(shù)就有人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、掌紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、語音識(shí)別(用語音識(shí)別可以進(jìn)行身份識(shí)別，也可以進(jìn)行語音內(nèi)容的識(shí)別，只有前者屬于生物特征識(shí)別技術(shù))、體形識(shí)別、鍵盤敲擊識(shí)別、簽字識(shí)別等。人臉識(shí)別系統(tǒng)功能模塊人臉捕獲與跟蹤功能：人臉捕獲是指在一幅圖像或視頻流的一幀中檢測(cè)出人像并將人像從背景中分離出來，并自動(dòng)地將其保存。人像跟蹤是指利用人像捕獲技術(shù)，當(dāng)

3、指定的人像在攝像頭拍攝的范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)自動(dòng)地對(duì)其進(jìn)行跟蹤。人臉識(shí)別比對(duì)：人臉識(shí)別分核實(shí)式和搜索式二種比對(duì)模式。核實(shí)式是對(duì)指將捕獲得到的人像或是指定的人像與數(shù)據(jù)庫中已登記的某一對(duì)像作比對(duì)核實(shí)確定其是否為同一人。搜索式的比對(duì)是指，從數(shù)據(jù)庫中已登記的所有人像中搜索查找是否有指定的人像存在。人臉的建模與檢索：可以將登記入庫的人像數(shù)據(jù)進(jìn)行建模提取人臉的特征，并將其生成人臉模板(人臉特征文件)保存到數(shù)據(jù)庫中。在進(jìn)行人臉?biāo)阉鲿r(shí)(搜索式)，將指定的人像進(jìn)行建模，再將其與數(shù)據(jù)庫中的所有人的模板相比對(duì)識(shí)別，最終將根據(jù)所比對(duì)的相似值列出最相似的人員列表。真人鑒別功能：系統(tǒng)可以識(shí)別得出攝像頭前的人是一個(gè)真正的人還是一幅

4、照片。以此杜絕使用者用照片作假。此項(xiàng)技術(shù)需要使用者作臉部表情的配合動(dòng)作。圖像質(zhì)量檢測(cè)：圖像質(zhì)量的好壞直接影響到識(shí)別的效果，圖像質(zhì)量的檢測(cè)功能能對(duì)即將進(jìn)行比對(duì)的照片進(jìn)行圖像質(zhì)量評(píng)估，并給出相應(yīng)的建議值來輔助識(shí)別。 人臉識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別優(yōu)勢(shì)慧眼人臉識(shí)別考勤機(jī) 人臉識(shí)別的優(yōu)勢(shì)在于其自然性和不被被測(cè)個(gè)體察覺的特點(diǎn)。所謂自然性，是指該識(shí)別方式同人類(甚至其他生物)進(jìn)行個(gè)體識(shí)別時(shí)所利用的生物特征相同。例如人臉識(shí)別，人類也是通過觀察比較人臉區(qū)分和確認(rèn)身份的，另外具有自然性的識(shí)別還有語音識(shí)別、體形識(shí)別等，而指紋識(shí)別、虹膜識(shí)別等都不具有自然性，因?yàn)槿祟惢蛘咂渌锊⒉煌ㄟ^此類生物特征區(qū)別個(gè)體。 不被察覺的特點(diǎn)對(duì)于一

5、種識(shí)別方法也很重要，這會(huì)使該識(shí)別方法不令人反感，并且因?yàn)椴蝗菀滓鹑说淖⒁舛蝗菀妆黄垓_。人臉識(shí)別具有這方面的特點(diǎn)，它完全利用可見光獲取人臉圖像信息，而不同于指紋識(shí)別或者虹膜識(shí)別，需要利用電子壓力傳感器采集指紋，或者利用紅外線采集虹膜圖像，這些特殊的采集方式很容易被人察覺，從而更有可能被偽裝欺騙。人臉識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別特點(diǎn)人臉識(shí)別 雖然人臉識(shí)別有很多其他識(shí)別無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，但是它本身也存在許多困難。人臉識(shí)別被認(rèn)為是生物特征識(shí)別領(lǐng)域甚至人工智能領(lǐng)域最困難的研究課題之一。人臉識(shí)別的困難主要是人臉作為生物特征的特點(diǎn)所帶來的。人臉在視覺上的特點(diǎn)是。 第一、不同個(gè)體之間的區(qū)別不大，所有的人臉的結(jié)構(gòu)都相似，甚至

6、人臉器官的結(jié)構(gòu)外形都很相似。這樣的特點(diǎn)對(duì)于利用人臉進(jìn)行定位是有利的，但是對(duì)于利用人臉區(qū)分人類個(gè)體是不利的。 第二、人臉的外形很不穩(wěn)定，人可以通過臉部的變化產(chǎn)生很多表情，而在不同觀察角度，人臉的視覺圖像也相差很大，另外，人臉識(shí)別還受光照條件(例如白天和夜晚，室內(nèi)和室外等)、人臉的很多遮蓋物(例如口罩、墨鏡、頭發(fā)、胡須等)、年齡等多方面因素的影響。 在人臉識(shí)別中，第一類的變化是應(yīng)該放大而作為區(qū)分個(gè)體的標(biāo)準(zhǔn)的，而第二類的變化應(yīng)該消除，因?yàn)樗鼈兛梢源硗粋€(gè)個(gè)體。通常稱第一類變化為類間變化(inter-class difference)，而稱第二類變化為類內(nèi)變化(intra-class differe

7、nce)。對(duì)于人臉，類內(nèi)變化往往大于類間變化，從而使在受類內(nèi)變化干擾的情況下利用類間變化區(qū)分個(gè)體變得異常困難。人臉識(shí)別系統(tǒng)身份識(shí)別慧眼人臉識(shí)別考勤機(jī)視頻監(jiān)控正在快速普及，眾多的視頻監(jiān)控應(yīng)用迫切需要一種遠(yuǎn)距離、用戶非配合狀態(tài)下的快速身份識(shí)別技術(shù)，以求遠(yuǎn)距離快速確認(rèn)人員身份，實(shí)現(xiàn)智能預(yù)警。人臉識(shí)別技術(shù)無疑是最佳的選擇，采用快速人臉檢測(cè)技術(shù)可以從監(jiān)控視頻圖象中實(shí)時(shí)查找人臉，并與人臉數(shù)據(jù)庫進(jìn)行實(shí)時(shí)比對(duì)，從而實(shí)現(xiàn)快速身份識(shí)別。但近距離人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)用戶的種種限制使得其在視頻監(jiān)控中難以使用。面向視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)距離人臉識(shí)別技術(shù)在強(qiáng)勁的需求帶動(dòng)下應(yīng)運(yùn)而生。 由于視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)距離目標(biāo)較遠(yuǎn)且用戶處于非配合的運(yùn)動(dòng)狀

8、態(tài)，使得采集質(zhì)量好的人臉圖像比較困難，極易產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)模糊，所采集圖像的質(zhì)量遠(yuǎn)低于近距離配合狀態(tài)下獲取的人臉圖像;同時(shí)由于用戶處于非配合的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，活動(dòng)更自由，側(cè)臉和背對(duì)攝像機(jī)的概率大大增加，這就給人臉檢測(cè)、人臉跟蹤、人臉對(duì)比識(shí)別帶來相當(dāng)大的困難;此外。監(jiān)控場(chǎng)景中通常會(huì)有多人同時(shí)出現(xiàn)，身體容易相互遮擋，給身份關(guān)聯(lián)帶來一定的困難，且系統(tǒng)還需要對(duì)每一個(gè)人保持跟蹤識(shí)別，這一系列因素導(dǎo)致面向視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)距離人臉識(shí)別難度非常大。 經(jīng)過長(zhǎng)期持續(xù)的研究探索，在視頻監(jiān)控人臉識(shí)別技術(shù)上取得重大階段性進(jìn)展，使得把人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在視頻監(jiān)控上成為可能。 相對(duì)于近紅外人臉識(shí)別技術(shù)，可見光人臉識(shí)別會(huì)受到光線變化的影響和照片

9、視頻的攻擊，但另一方因其可以很方便的與現(xiàn)有各種普通監(jiān)控?cái)z像頭聯(lián)系，不需要專用的紅外攝像頭，所以在與傳統(tǒng)監(jiān)控相結(jié)合，乃至升級(jí)都比較方便。 但其自身局限性也決定了其識(shí)別準(zhǔn)確率遠(yuǎn)不及近紅外技術(shù)，所以建議開發(fā)者使用在輔助人工之場(chǎng)合，例如人臉監(jiān)控，VIP通道等。人臉識(shí)別系統(tǒng)基本方法人臉識(shí)別的方法很多，主要的人臉識(shí)別方法有：(1) 幾何特征的人臉識(shí)別方法：幾何特征可以是眼、鼻、嘴等的形狀和它們之間的幾何關(guān)系(如相互之間的距離)。這些算法識(shí)別速度快，需要的內(nèi)存小，但識(shí)別率較低。(2) 基于特征臉(PCA)的人臉識(shí)別方法：特征臉方法是基于KL變換的人臉識(shí)別方法，KL變換是圖像壓縮的一種最優(yōu)正交變換。高維的圖像

10、空間經(jīng)過KL變換后得到一組新的正交基，保留其中重要的正交基，由這些基可以張成低維線性空間。如果假設(shè)人臉在這些低維線性空間的投影具有可分性，就可以將這些投影用作識(shí)別的特征矢量，這就是特征臉方法的基本思想。這些方法需要較多的訓(xùn)練樣本，而且完全是基于圖像灰度的統(tǒng)計(jì)特性的。目前有一些改進(jìn)型的特征臉方法。(3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識(shí)別方法：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入可以是降低分辨率的人臉圖像、局部區(qū)域的自相關(guān)函數(shù)、局部紋理的二階矩等。這類方法同樣需要較多的樣本進(jìn)行訓(xùn)練，而在許多應(yīng)用中，樣本數(shù)量是很有限的。(4) 彈性圖匹配的人臉識(shí)別方法：彈性圖匹配法在二維的空間中定義了一種對(duì)于通常的人臉變形具有一定的不變性的距離，并采

11、用屬性拓?fù)鋱D來代表人臉，拓?fù)鋱D的任一頂點(diǎn)均包含一特征向量，用來記錄人臉在該頂點(diǎn)位置附近的信息。該方法結(jié)合了灰度特性和幾何因素，在比對(duì)時(shí)可以允許圖像存在彈性形變，在克服表情變化對(duì)識(shí)別的影響方面收到了較好的效果，同時(shí)對(duì)于單個(gè)人也不再需要多個(gè)樣本進(jìn)行訓(xùn)練。(5) 線段Hausdorff 距離(LHD) 的人臉識(shí)別方法：心理學(xué)的研究表明，人類在識(shí)別輪廓圖(比如漫畫)的速度和準(zhǔn)確度上絲毫不比識(shí)別灰度圖差。LHD是基于從人臉灰度圖像中提取出來的線段圖的，它定義的是兩個(gè)線段集之間的距離，與眾不同的是，LHD并不建立不同線段集之間線段的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此它更能適應(yīng)線段圖之間的微小變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LHD在不

12、同光照條件下和不同姿態(tài)情況下都有非常出色的表現(xiàn)，但是它在大表情的情況下識(shí)別效果不好。(6) 支持向量機(jī)(SVM) 的人臉識(shí)別方法：近年來，支持向量機(jī)是統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)，它試圖使得學(xué)習(xí)機(jī)在經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)和泛化能力上達(dá)到一種妥協(xié)，從而提高學(xué)習(xí)機(jī)的性能。支持向量機(jī)主要解決的是一個(gè)2分類問題，它的基本思想是試圖把一個(gè)低維的線性不可分的問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)高維的線性可分的問題。通常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SVM有較好的識(shí)別率，但是它需要大量的訓(xùn)練樣本(每類300個(gè))，這在實(shí)際應(yīng)用中往往是不現(xiàn)實(shí)的。而且支持向量機(jī)訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)，方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，該函數(shù)的取法沒有統(tǒng)一的理論。人臉識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)細(xì)節(jié)一般來說，人臉識(shí)別系統(tǒng)包括圖

13、像攝取、人臉定位、圖像預(yù)處理、以及人臉識(shí)別(身份確認(rèn)或者身份查找)。系統(tǒng)輸入一般是一張或者一系列含有未確定身份的人臉圖像，以及人臉數(shù)據(jù)庫中的若干已知身份的人臉圖象或者相應(yīng)的編碼，而其輸出則是一系列相似度得分，表明待識(shí)別的人臉的身份。 目前人臉識(shí)別的算法可以分類為： 基于人臉特征點(diǎn)的識(shí)別算法(Feature-based recognition algorithms)。 基于整幅人臉圖像的識(shí)別算法(Appearance-based recognition algorithms)。 基于模板的識(shí)別算法(Template-based recognition algorithms)。 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識(shí)

14、別的算法(Recognition algorithms using neural network)。人臉識(shí)別系統(tǒng)用途人臉識(shí)別系統(tǒng)其實(shí)是臺(tái)特殊的攝像機(jī)，判斷速度相當(dāng)快，只需要0.01秒左右，由于利用的是人體骨骼的識(shí)別技術(shù)，所以即使易容改裝，也難以蒙過它的眼睛。而且“人臉識(shí)別系統(tǒng)”具有存儲(chǔ)功能，只要把一些具有潛在危險(xiǎn)性的“重點(diǎn)人物”的“臉部特寫”輸入存儲(chǔ)系統(tǒng)，重點(diǎn)人物如擅自闖關(guān)，就會(huì)在0.01秒之內(nèi)被揪出來，同時(shí)向其他安保中心“報(bào)警”。另外，某些重要區(qū)域如控制中心只允許特定身份的工作人員進(jìn)出，這時(shí)候面部檔案信息未被系統(tǒng)存儲(chǔ)的所有人全都會(huì)被拒之門外。與此前的指紋識(shí)別系統(tǒng)相比，人臉識(shí)別系統(tǒng)有很多的改進(jìn)

15、。指紋技術(shù)的使用壽命不如人臉識(shí)別系統(tǒng)，使用成本也高于人臉識(shí)別系統(tǒng)。由于沾水、沾汗、沾灰，還有傳感器只能在室內(nèi)使用等原因，指紋識(shí)別系統(tǒng)在露天戶外使用的可能性很小。而用于人臉識(shí)別的攝像機(jī)一天24小時(shí)都可工作，第一它不侵犯人權(quán)，第二它是很安全的，無論室內(nèi)還是戶外均可使用。人臉識(shí)別系統(tǒng)意味著每個(gè)人的臉上都貼著名字，外人看不見，但監(jiān)控系統(tǒng)能看得見。包括外國(guó)人，從踏入中國(guó)的一瞬間，他的圖像和個(gè)人資料就會(huì)進(jìn)入電腦的控制中心，不管在什么地方出現(xiàn)，都可認(rèn)出此人。而且被觀察的人不知道有設(shè)備在監(jiān)視他，起到了科技奧運(yùn)、文明奧運(yùn)的功能。人臉識(shí)別系統(tǒng)具有廣泛的應(yīng)用：人臉識(shí)別出入管理系統(tǒng)、人臉識(shí)別門禁考勤系統(tǒng)、 人臉識(shí)別監(jiān)

16、控管理、人臉識(shí)別電腦安全防范、人臉識(shí)別照片搜索、人臉識(shí)別來訪登記、人臉識(shí)別ATM機(jī)智能視頻報(bào)警系統(tǒng)、人臉識(shí)別監(jiān)獄智能報(bào)警系統(tǒng)、人臉識(shí)別RFID智能通關(guān)系統(tǒng)、人臉識(shí)別公安罪犯追逃智能報(bào)警系統(tǒng)等等。人臉識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用案例1. 企業(yè)、住宅安全和管理。如人臉識(shí)別門禁考勤系統(tǒng)，人臉識(shí)別防盜門等。2. 電子護(hù)照及身份證。這或許是未來規(guī)模最大的應(yīng)用。在國(guó)際民航組織( ICAO)已確定，從 2010年 4月 1日起，其 118個(gè)成員國(guó)家和地區(qū)，必須使用機(jī)讀護(hù)照，人臉識(shí)別技術(shù)是首推識(shí)別模式，該規(guī)定已經(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。美國(guó)已經(jīng)要求和它有出入免簽證協(xié)議的國(guó)家在2006年10月 26日之前必須使用結(jié)合了人臉指紋等生物特征

17、的電子護(hù)照系統(tǒng)，到 2006年底已經(jīng)有 50多個(gè)國(guó)家實(shí)現(xiàn)了這樣的系統(tǒng)。今年年初，美國(guó)運(yùn)輸安全署( Transportation Security Administration)計(jì)劃在全美推廣一項(xiàng)基于生物特征的國(guó)內(nèi)通用旅行證件。歐洲很多國(guó)家也在計(jì)劃或者正在實(shí)施類似的計(jì)劃，用包含生物特征的證件對(duì)旅客進(jìn)行識(shí)別和管理。中國(guó)的電子護(hù)照計(jì)劃公安部一所正在加緊規(guī)劃和實(shí)施。3. 公安、司法和刑偵。如利用人臉識(shí)別系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，在全國(guó)范圍內(nèi)搜捕逃犯。4. 自助服務(wù)。如銀行的自動(dòng)提款機(jī)，如果用戶卡片和密碼被盜，就會(huì)被他人冒取現(xiàn)金。如果同時(shí)應(yīng)用人臉識(shí)別就會(huì)避免這種情況的發(fā)生。三、總結(jié) 人臉識(shí)別技術(shù)是一門融合生物學(xué)、心理

18、學(xué)和認(rèn)知學(xué)等多學(xué)科、多技術(shù)(模式識(shí)別、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺等)的新的生物識(shí)別技術(shù)，可用于身份確認(rèn)(一對(duì)一比對(duì))、身份鑒別(一對(duì)多匹配)、訪問控制(門監(jiān)系統(tǒng))、安全監(jiān)控(銀行、海關(guān)監(jiān)控)、人機(jī)交互(虛擬現(xiàn)實(shí)、游戲)等，因其技術(shù)特征而具有廣泛的市場(chǎng)應(yīng)用前景。 人臉識(shí)別 相比于其他識(shí)別技術(shù)，人臉識(shí)別的優(yōu)勢(shì)比較明顯，主要集中在三個(gè)方面： 一是自然性，所謂的自然性是指該識(shí)別方式同人類(包括其它生物)進(jìn)行個(gè)體識(shí)別時(shí)所利用的生物特征相同，是通過觀察比較人臉區(qū)分和確認(rèn)身份;具有自然性的識(shí)別還有語音識(shí)別和體形識(shí)別，而指紋識(shí)別和虹膜識(shí)別等因人類或其他生物不能通過此類生物特征區(qū)別個(gè)體所以不具備自然性。 二是非強(qiáng)制性，