合肥工業(yè)大學(xué)（安徽宣城） 盧文峰

人臉識(shí)別研究技術(shù)發(fā)展綜述

合肥工業(yè)大學(xué)（安徽宣城） 盧文峰

綜述數(shù)字圖像處理的起源，人臉識(shí)別的概念和應(yīng)用，介紹了將數(shù)字圖像處理方法應(yīng)用到人臉識(shí)別過(guò)程中，最后對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)現(xiàn)今應(yīng)用發(fā)展給予了一些闡述。

人臉識(shí)別；數(shù)字圖像處理；人臉識(shí)別的方法；應(yīng)用

一、數(shù)字圖像處理發(fā)展起源

20世紀(jì)20年代，由英國(guó)的倫敦到美國(guó)的紐約通過(guò)海底電纜采用數(shù)字壓縮技術(shù)傳輸了第一幅數(shù)字圖片，這樣數(shù)字圖像處理技術(shù)便由此起源。而1964年美國(guó)“噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室”處理了由太空“徘徊者七號(hào)”發(fā)回的月球圖片，這也是一個(gè)里程碑式的開(kāi)端，標(biāo)志著自第三代計(jì)算機(jī)問(wèn)世后，數(shù)字圖像處理技術(shù)開(kāi)始得到普遍應(yīng)用。

二、人臉識(shí)別簡(jiǎn)述

人臉識(shí)別技術(shù)，作為一種典型的模式識(shí)別問(wèn)題，簡(jiǎn)而言之，這是首先利用計(jì)算機(jī)分析人臉圖像，進(jìn)而從中提取有效的識(shí)別信息，最后用來(lái)辨認(rèn)身份的一門(mén)技術(shù)。

人臉識(shí)別問(wèn)題涉及廣泛，涉及多方多面的知識(shí)，如圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、優(yōu)化理論等，與此同時(shí)，又與其他學(xué)科的研究領(lǐng)域產(chǎn)生密不可分的聯(lián)系，如認(rèn)知學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生理心理學(xué)。

人臉識(shí)別研究可以追溯到20世紀(jì)初.經(jīng)過(guò)研究人員的不懈努力，基于圖像的二維人臉識(shí)別技術(shù)日趨成熟，在一定約束條件下已取得較好的識(shí)別結(jié)果。然而，研究實(shí)驗(yàn)表明，光照、姿態(tài)、化妝、表情、年齡等變化顯著地降低了二維人臉識(shí)別算法的性能。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界開(kāi)始探索如何利用人臉的三維信息提高系統(tǒng)的識(shí)別性能，如美國(guó)FBI，NIST等多個(gè)部門(mén)聯(lián)合資助發(fā)起的“人臉識(shí)別大挑戰(zhàn)計(jì)劃”。

三維人臉識(shí)別是指將采集獲得的待識(shí)別對(duì)象的臉部三維形狀數(shù)據(jù)作為識(shí)別依據(jù)，與庫(kù)中已知身份的臉部三維形狀數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，然后得出待識(shí)別對(duì)象身份的過(guò)程。三維人臉識(shí)別是相對(duì)基于圖像(及視頻)的人臉識(shí)別而言的，而后者所使用的數(shù)據(jù)是二維的圖像，其本質(zhì)是三維物體在二維平面上的投影，是三維信息在二維空間中的簡(jiǎn)約。

三、人臉識(shí)別的方法

人臉識(shí)別的過(guò)程就是通過(guò)訓(xùn)練過(guò)程和識(shí)別過(guò)程相結(jié)合。

展開(kāi)來(lái)說(shuō)，就是人臉識(shí)別由圖像獲取、人臉檢測(cè)部位、圖形預(yù)處理、特征提取和選擇、訓(xùn)練和識(shí)別六大功能模塊組成。

1.通過(guò)攝像機(jī)或者其他設(shè)備來(lái)獲取人臉圖像；

2.通過(guò)一系列分析所判斷這些輸入的圖像是否存在人臉，而這一步卻是極其重要的，它直接影響后面操作的成??；

3.通過(guò)預(yù)處理，去除一些干擾，如一些對(duì)圖像有影響的光照或是噪聲等等，最終使圖像保持同一條件下的后續(xù)操作；

4.而對(duì)于特征提取和選擇也是重要的一步，而提取的特征的穩(wěn)定性和有效性是后面的識(shí)別系統(tǒng)能否識(shí)別正確的關(guān)鍵一步；

5.將所得到的人臉圖像進(jìn)行分類(lèi)，換句話(huà)說(shuō)，即是相同特征或是特征差的并不是太多的圖像可以放在一起（歸為一類(lèi)），而相反，特征相差巨大則分開(kāi)（歸為另一類(lèi)），是類(lèi)間距離越小越好，而類(lèi)類(lèi)距離則越大越好，這樣才能更好地識(shí)別出來(lái)，使錯(cuò)誤識(shí)別率減至最低；

6.根據(jù)上述操作，把輸入的圖像與訓(xùn)練庫(kù)中的圖像進(jìn)行匹配，得出最終結(jié)果。

這便是人臉識(shí)別的基本過(guò)程。

人臉識(shí)別中特征向量幾乎都是高維數(shù)，但從而導(dǎo)致的問(wèn)題便是分布在高維空間中很不緊湊，對(duì)分類(lèi)的影響比較大，產(chǎn)生操作上的難度，這些難度包含了計(jì)算上難度和復(fù)雜度，分析的難度和復(fù)雜度等。而為了解決這個(gè)問(wèn)題，Kirby和Turk等人首次在人臉識(shí)別中使用了主分量分析的子空間方法及思想，最終使人臉圖像分布較為緊湊，也獲得了較大的成功，在這之后，子空間分析方法就成為了當(dāng)今人臉識(shí)別的主流方法之一。

子空間分析方法其實(shí)就是將不緊湊的高維度的特征向量按照所要尋找目標(biāo)特征將其變?yōu)榈途S度的子空間下，這里便使用了一些線(xiàn)性變換或者是非線(xiàn)性變換方法，最終的目的也就是讓其分布更為緊湊，從而使計(jì)算上難度和復(fù)雜度，分析的難度和復(fù)雜度等大大降低。

目前應(yīng)用在人臉識(shí)別中線(xiàn)性子空間方法有線(xiàn)性判別分析、主分量分析、矢量量化、獨(dú)立元分析和非負(fù)矩陣因子等方法。這些線(xiàn)性子空間方法方法都是較為成功的?；诤思夹g(shù)的非線(xiàn)性子空間分析方法有核主分量分析和核Fisher判決分析等。

四、人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用

目前人臉識(shí)別技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，如：樓宇人臉門(mén)禁、人臉考勤系統(tǒng)；亙聯(lián)網(wǎng)移動(dòng)支付終端、交友、相親終端APP系統(tǒng)等。

打開(kāi)攝像頭，刷一下臉，便可以完成支付；從大量的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中，公安部門(mén)通過(guò)人臉識(shí)別系統(tǒng)更輕松地找出嫌疑人等等。在9月2日的一則公告中，川大智勝，被譽(yù)為國(guó)內(nèi)人臉識(shí)別領(lǐng)域龍頭股，稱(chēng)公司正在開(kāi)發(fā)的三維人臉識(shí)別技術(shù)研發(fā)需要巨量采集三維人臉并建立三維人臉庫(kù)。這些從側(cè)面反映出這些人臉識(shí)別技術(shù)如科幻電影一樣，將變成現(xiàn)實(shí)。

以公安系統(tǒng)中監(jiān)控查拍路人闖紅燈系統(tǒng)為例，如果有行人在闖紅燈的過(guò)程，此刻被抓拍，即可根據(jù)人臉識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行記錄備案，鎖定行人目標(biāo)；

當(dāng)然在當(dāng)下極為火熱的人臉考勤系統(tǒng)中，進(jìn)行“刷臉”考勤，而目前考勤正確率已經(jīng)達(dá)到很高的級(jí)別，最典型的就是“刷臉”考勤機(jī)，這其實(shí)就是一種新型的存儲(chǔ)類(lèi)考勤機(jī)，在這之前首先只需以員工人臉圖像作為采集對(duì)象建立起訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)，當(dāng)員工在上下班考勤時(shí)，只需要站在考勤機(jī)的識(shí)別區(qū)域內(nèi)，考勤機(jī)上就會(huì)根據(jù)輸入的圖像與自身的訓(xùn)練數(shù)據(jù)庫(kù)作為比對(duì)，同時(shí)也將記錄此時(shí)的人臉數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)。

人臉識(shí)別在安防系統(tǒng)中也扮演著不可忽視的作用與價(jià)值。人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)在住所、辦公大樓等重要場(chǎng)所也發(fā)揮著作用，它利用著人臉識(shí)別技術(shù)相當(dāng)于一把“鑰匙”作為通行證，這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵是通過(guò)掃描設(shè)備將所掃描的人臉圖像作為輸入人臉圖像與預(yù)先錄入的人臉庫(kù)比對(duì)，如果比對(duì)一致將使門(mén)禁系統(tǒng)打開(kāi)，否則關(guān)閉，這其實(shí)就是“刷臉”來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉建筑物內(nèi)的人臉識(shí)別門(mén)禁系統(tǒng)。以人臉識(shí)別為主，虹膜識(shí)別或是指紋、掌紋識(shí)別為輔助，即可更加安全方便地保證重要場(chǎng)所的安全，現(xiàn)如今，銀行等重要場(chǎng)所也已經(jīng)使用了這種技術(shù)，這也是對(duì)于人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展的一種信賴(lài)與肯定。

五、總結(jié)

在未來(lái)，應(yīng)用圖像處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)三維人臉識(shí)別將會(huì)更加?jì)故?，三維人臉識(shí)別技術(shù)將更加準(zhǔn)確，更加高效地進(jìn)行，并且將該技術(shù)使用在各行各業(yè)，使用其在醫(yī)療方面來(lái)更早地發(fā)現(xiàn)疾病，也將更快地治愈；使用其在公安方面，將更快地讓罪犯繩之以法；使用其在安防系統(tǒng)中，將使人們更加遠(yuǎn)離危險(xiǎn)等。隨著算法日益簡(jiǎn)潔成熟，計(jì)算速度更加高速，人臉識(shí)別將會(huì)使人們?cè)谌魏蔚胤礁械桨踩捅憬?。人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，也將加快我國(guó)信息化的進(jìn)程。

[1]高靖.人臉識(shí)別技術(shù)在公安應(yīng)用中的淺析[J].中國(guó)安防,2016-09-01.

[2]王躍明,潘綱,吳朝暉.三維人臉識(shí)別研究綜述[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2008-07-15.