人臉識別人工智能系統(tǒng)的原理與發(fā)展

1、人臉識別人工智能系統(tǒng)原理與開展一、引言人臉識別系統(tǒng)以人臉識別技術為核心，是一項新興生物識別技術，是當今國際科技領域攻關高精尖技術。它廣泛采用區(qū)域特征分析算法，融 合了計算 機圖像處理技術與生物統(tǒng)計學原理于一體，利用計算機圖像處理技術從視頻中提取人像特征點，利用生物統(tǒng)計學原理進行分析建立數(shù)學模型，具有廣闊開展前景。2021年4月，鐵路部門宣布車站安檢區(qū)域將安裝 用于身份識別高科技安 檢系統(tǒng)人臉識別系統(tǒng)；可以對人臉明喑偵測，自動調整動態(tài)曝光補償，人臉追蹤偵測，動調整影像放大；二、概述人臉識別系統(tǒng)概述廣義人臉識別實際包括構建人臉識別系統(tǒng)一系列相關技術，包括人臉圖像采集、人臉定位、人臉識別預處理、身份

2、確認以及身份查找等；而狹義人臉識別特指通過人臉進行身份確認或者身份查找技術或系統(tǒng)。生物特征識別技術所研究生物特征包括臉、指紋、手掌紋、虹膜、視網(wǎng)膜、聲音語音、體形、個人習慣例如敲擊鍵盤力度和頻率、簽字等，相應 識別技術就有人臉識別、指紋識別、掌紋識別、虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、語音識別用語音識別可以進行身份識別，也可以進行語音內容識別，只有前者屬于生物特征識別技術、體形識別、鍵盤敲擊識別、簽字識別等。人臉識別系統(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一幀中檢測 出人 像并將人像從背景中別離出來，并自動地將其保存。人像跟蹤是指利 用人像捕 獲技術，當指定人像在攝像頭拍攝范圍內移動

3、時自動地對其進行 跟蹤。人臉識別比對：人臉識別分核實式和搜索式二種比對模式。核實式是 對指 將捕獲得到人像或是指定人像與數(shù)據(jù)庫中已登記某一對像作比對核 實確定其是 否為同一人。搜索式比對是指，從數(shù)據(jù)庫中已登記所有人像中 搜索查找是否有 指定人像存在。人臉建模與檢索：可以將登記入庫人像數(shù)據(jù)進行建模提取人臉特征，并將其生成人臉模板人臉特征文件保存到數(shù)據(jù)庫中。在進行人臉搜索時搜索式，將指定人像進行建模，再將其與數(shù)據(jù)庫中所有人模板相比對識 別，最終將根據(jù)所比對相似值列出最相似人員列表。真人鑒別功能：系統(tǒng)可以識別得出攝像頭前人是一個真正人還是一幅照片。以此杜絕使用者用照片作假。此項技術需要使用者作臉部表

4、情配合動作圖像質量檢測：圖像質量好壞直接影響到識別效果，圖像質量檢測功能能對即將進行比對照片進行圖像質量評估，并給出相應建議值來輔助識別人臉識別系統(tǒng)識別優(yōu)勢慧眼人臉識別考勤機 人臉識別優(yōu)勢在于其白然性和不被被測個體察覺特點。所謂自然性，是指該識別方式同人類其至其他生物進行個體識 別時所 利用生物特征相同。例如人臉識別，人類也是通過觀察比較人臉區(qū)分和確認身份，另外具有自然性識別還有語音識別、體形識別等，而指紋 識別、虹膜識別 等都不具有自然性，因為人類或者其他生物并不通過此類生物特征區(qū)別個體。不被發(fā)覺特點對于一種識別方法也很重要，這會使 該識別方法不令人反感，并 且因為不容易引起人注意而不容易被

5、欺騙。人 臉識別具有這方面特點，它完全 利用可見光獲取人臉圖像信息，而不同于 指紋識別或者虹膜識別，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，這些特殊采集方式很 容易被人發(fā)覺，從而更有可能被 偽裝欺騙。人臉識別系統(tǒng)識別特點人臉識別雖然人臉識別有很多其他識別無法比較優(yōu)點，但是它本身也存在許多困難。人臉識別被認為是生物特征識別領域我至人工智能領域最困難研究課題之一。人臉識別困難主要是人臉作為生物特征特點所帶來。人臉在視覺上特點是。第一、不同個體之間區(qū)別不大，所有人臉結構都相似，英至人臉器官結構外形都很相似。這樣特點對于利用人臉進行定位 是有利，但是對于利用人臉區(qū)分人類個 體是

6、不利。第二、人臉外形很不 穩(wěn)定，人可以通過臉部變化產(chǎn)生很多表情，而在 不同觀察角度，人臉視覺 圖像也相差很大，另外，人臉識別還受光照條件例如 白天和夜晚，室內 和室外等、人臉很多遮蓋物例如口罩、墨鏡、頭發(fā)、胡須 等、年齡等 多方面因素影響。在人臉識別中，第一類變化是應該放大而作為區(qū) 分個體標準，而第二類變化應該消除，因為它們可以代表同一個個體。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變化 (intra- class difference) 口對于人臉，類內變化往往大于類間變 化，從而使 在受類內變化干擾情況下利用類間變化區(qū)分個體變得異

7、常困難。人臉識別系統(tǒng)身份識別慧眼人臉識別考勤機視頻監(jiān)控正在快速普及，眾多視頻監(jiān)控應用迫切需要一種遠距離、用戶非配合狀態(tài)下快速身份識別技術，以求遠距離快速確認人員身份，實現(xiàn)智能預警。人臉識別技術無疑是最正確選擇，采用快速人臉檢測技術可以從監(jiān)控視頻圖象中實時查找人臉，并與人臉數(shù)據(jù)庫進行實時比對，從而實現(xiàn)快速身份識別。但近距離人臉識別技術對用戶種種限制使得其在視頻監(jiān)控中難以使用。面向視頻監(jiān)控遠距離人臉識別技術在強勁需求帶動下應運而生。由于視頻監(jiān)控攝像機距離目標較遠且用戶處于非配合運動狀態(tài)，使得采集質量好人臉圖像比較困難，極易產(chǎn)生運動模糊，所采集圖像質量遠低于近距離配合 狀態(tài)下獲取人臉圖像；同時由于用

8、戶處 于非配合運動狀態(tài)，活動更自由，側臉 和背對攝像機概率大大增加，這就 給人臉檢測、人臉跟蹤、人臉比照識別帶來 相當大困難；此外。監(jiān)控場景 中通常會有多人同時出現(xiàn)，身體容易相互遮擋，給身份關聯(lián)帶來一定困難， 且系統(tǒng)還需要對每一個人保持跟蹤識別，這一系列因 素導致面向視頻監(jiān)控 遠距離人臉識別難度非常大。經(jīng)過長期持續(xù)研究探索，在 視頻監(jiān)控人臉識別技術上取得重大階段性進展，使得把人臉識別技術應用在視 頻監(jiān)控上 成為可能。相對于近紅外人臉識別技術，可見光人臉識別會受到光線變 化影響和照片視頻攻擊，但另一方因其可以很方便與現(xiàn)有各種普通監(jiān)控攝像頭聯(lián)系，不需要專用紅外攝像頭，所以在與傳統(tǒng)監(jiān)控相結合，乃至升

9、級都比較方便。但其自身局限性也決定了其識別準確率遠不及近紅外技術，所以建議開發(fā)者使用在輔助人工之場合，例如人臉監(jiān)控，VIP通道等。人臉識別系統(tǒng)根本方法人臉識別方法很多，主要人臉識別方法有：兒何特征人臉識別方法：兒何特征可以是眼、鼻、嘴等形狀和它們之間兒何關系（如相互之間距離）0這些算法識別速度快，需要內存小，但識別率較低。基于特征臉（PCA）人臉識別方法：特征臉方法是基于 KL變換人臉識別方 法，KL變換是圖像壓縮一種最優(yōu)正交變換。高維圖像空間經(jīng)過 KL變換后得到一 組新正交基，保存其中重要正交基，由這些基可以張成低維線 性空間。如果假設 人臉在這些低維線性空間投影具有可分性，就可以將這些投影

10、用作識別特征矢量， 這就是特征臉方法根本思想。這些方法需要較 多訓練樣本，而且完全是基于圖像灰度統(tǒng)計特性。目前有一些改良型特征 臉方法。神經(jīng)網(wǎng)絡人臉識別方法：神經(jīng)網(wǎng)絡輸入可以是降低分辨率人臉圖像、局部區(qū)域自相關函數(shù)、局部紋理二階矩等。這類方法同樣需要較多樣本進 行訓練，而 在許多應用中，樣本數(shù)量是很有限。彈性圖匹配人臉識別方法：彈性圖匹配法在二維空間中定義了一種對于通常人臉變形具有一定不變性距離，并采用屬性拓撲圖來代表人臉，拓撲圖任一頂點均包含一特征向量，用來記錄人臉在該頂點位置附近信息。該方法結合了灰度特性和兒何因素，在比對時可以允許圖像存在彈性形變，在克服表情變化對識別 影響方面收到了較好

11、效果，同時對于單個人也不再需要多個樣本進行訓練。線段Hausdorff距離LHU人臉識別方法：心理學研究說明，人類 在 識別輪廓圖比方漫畫速度和準確度上絲毫不比識別灰度圖差。LHD是基于從人臉灰度圖像中提取出來線段圖，它定義是兩個線段集之間距離，與眾不同是，LHD并不建立不同線段集之間線段一一對應關系，因此它更能適應線段圖之間微小變化。實驗結果說明，LHD在不同光照條件下和不同姿態(tài)情況下都有 非常出色表現(xiàn)，但是它在大表情情況下識別效果不好。支持向量機SVM人臉識別方法：近年來，支持向量機是統(tǒng)計模式識別領域一個新熱點，它試圖使得學習機在經(jīng)驗風險和泛化能力上到達一種妥協(xié)，從而提高學習機性能。支持向

12、量機主要解決是一個2分類問題，它根本思想是試圖把一個低維線性不可分問題轉化成一個高維線性可分問題。通常實驗結果說明SVMW較好識別率，但是它需要大量訓練樣本每 類300個，這在實際 應用中往往是不現(xiàn)實。而且支持向量機訓練時間長，方法實現(xiàn)復雜，該函數(shù)取法沒有統(tǒng)一理論。人臉識別系統(tǒng)技術細節(jié)一般來說，人臉識別系統(tǒng)包括圖像攝取、人臉定位、圖像預處理、以 及人 臉識別身份確認或者身份查找-系統(tǒng)輸入一般是一張或者一系列含有未確定 身份人臉圖像，以及人臉數(shù)據(jù)庫中假設干身份人臉圖象或者相應編碼，而其輸出那么是一系列相似度得分，說明待識別人臉身份。目前人臉識別算法可以分類為：基于人臉特征點識別算法(Featur

13、e-based recognition algorithms) 口基于整幅人臉圖像識別算法 (Appearance-based recognition algorithms) o基于模板識另!J算法 (Template-based recognitionalgorithms) o 利用神經(jīng)網(wǎng)絡進行識別算 ii (Recognition algorithms using neural network) <>人臉識別系統(tǒng)用途人臉識別系統(tǒng)其實是臺待殊攝像機，判斷速度相當快，只需要秒左右，由于利用是人體骨骼識別技術，所以即使易容改裝，也難以蒙過它 眼睛。而且“人臉識別系統(tǒng)”具有存儲功能，只

14、要把一些具有潛在危險性“重點人物”“臉部特寫”輸入存儲系統(tǒng)，重點人物如擅自闖關，就會在 秒之內被揪出來， 同時向其他安保中心“報警"。另外，某些重要區(qū)域如控制中心只允許特定身份工作人員進出，這時候面部檔案信息未被系統(tǒng)存儲所有人全都會被拒之門外。與此前指紋識別系統(tǒng)相比，人臉識別系統(tǒng)有很多改良。指紋技術使用壽命不如人臉識別系統(tǒng)，使用本錢也高于人臉識別系統(tǒng)。由于沾水、沾汗、 沾灰，還有傳感器只能在室內使用等原因，指紋識別系統(tǒng)在露天戶外使用可能性很小。而用于人臉識別攝像機一天 24小時都可工作，第一它不侵犯 人權，第二它 是很平安，無論室內還是戶外均可使用。人臉識別系統(tǒng)意味著每個人臉上都貼著

15、名字，外人看不見，但監(jiān)控系統(tǒng)能看得見。包括外國人，從踏入中國一瞬間，他圖像和個人資料就會進入電腦控制中心，不管在什么地方出現(xiàn)，都可認出此人。而且被觀察人不知道有設備在監(jiān)視他，起到了科技奧運、文明奧運功 能。人臉識別系統(tǒng)具有廣泛應用：人臉識別出入管理系統(tǒng)、人臉識別門禁 考勤 系統(tǒng)、人臉識別監(jiān)控管理、人臉識別電腦平安防范、人臉識別照片 搜索、人臉 識別來訪登記、人臉識別 ATM機智能視頻報警系統(tǒng)、人臉識別 監(jiān)獄智能報警系 統(tǒng)、人臉識別RFID智能通關系統(tǒng)、人臉識別公安罪犯追 逃智能報警系統(tǒng)等等。人臉識別系統(tǒng)應用案例1?企業(yè)、住宅平安和管理。如人臉識別門禁考勤系統(tǒng)，人臉識別防盜門 等。2?電子護照及

16、身份證。這或許是未來規(guī)模最大應用。在國際民航組織(ICAO)已確定，從2021年4月1日起，其個成員國家和地區(qū)，必須使用機讀護照，人臉識別技術是首推識別模式，該規(guī)定已經(jīng)成為國際標準。美國已經(jīng)要求和它有出入免簽證協(xié)議國家在 2006年10月26日之前必須使 用結合了人臉指紋等生物特征電子護照系統(tǒng)，到 2006年底已經(jīng)有50多個 國家實現(xiàn)了這樣系統(tǒng)。今年年初，美國運輸平安署(Transportation Security Administration)方案在全美推廣一項基于生物特征國內通用旅行證件。歐洲很多國家也在方案 或者正在實施類似方案，用包含生物特征 證件對旅客進行識別和管理。中國電子護照方

17、案公安部一所正在加緊規(guī)劃 和實施。3?公安、司法和刑偵。如利用人臉識別系統(tǒng)和網(wǎng)絡，在全國范圍內搜捕逃犯。4?自助效勞。如銀行自動提款機，如果用戶卡片和密碼被盜，就會被他 人冒取現(xiàn)金。如果同時應用人臉識別就會防止這種情況發(fā)生。三、總結人臉識別技術是一門融合生物學、心理學和認知學等多學科、多技術模式 識別、圖像處理、計算機視覺等新生物識別技術，可用于身份確認 一對一比 對、身份鑒別一對多匹配、訪問控制門監(jiān)系統(tǒng)、平安監(jiān)控 銀行、海 關監(jiān)控、人機交互虛擬現(xiàn)實、游戲等，因其技術待征而具有 廣泛市場應用 前景。人臉識別相比于其他識別技術，人臉識別優(yōu)勢比較明顯，主要集中在三個方面:一是自然性，所謂自然性是指該識別方式同人類包括其它生物進行個體識別時所利用生物特征相同，是通過觀察比較人臉區(qū)分和確認身份；具有自然性識別還有語音識別和體形識別，而指紋識別和虹膜識別等因人類或其他生物不能通過此類生物特征區(qū)別個體所以不具備自然性。二是非強制性，被識別