陳景洲，林繼煌，張 寧,,*，謝蘭遲，黎智輝，李志剛

（1. 江西省興國縣公安局，江西 興國 342400；2. 公安部物證鑒定中心，北京100038）

在當前偵查破案工作中，監(jiān)控視頻已經(jīng)成為繼現(xiàn)場勘查信息、手機信息之后的第三大信息來源，也是繼刑事科學技術、行動技術、網(wǎng)絡偵查技術之后的第四大偵查技術領域[1]。視頻中人臉圖像作為最直觀的線索，在各類案件中發(fā)揮著非常重要的作用。犯罪嫌疑人的人臉圖像，相比其它生物特征如指紋、DNA、足跡、虹膜等更為直觀，更容易讓普通人辨別，被廣泛應用于嫌疑人識別、排查、身份辨認等過程，逐漸成為案件偵查訴訟中最常見的線索和證據(jù)，為追逃、破案、尋人等應用提供了強大技術支撐[2-4]。

隨著人臉識別技術的不斷進步，公安實際工作中已經(jīng)開始廣泛應用人像自動識別比對系統(tǒng)，將視頻截圖或特定人員人像照片在海量數(shù)據(jù)庫中快速查找、檢索、比對以確認其身份。例如，緝拿在逃罪犯時，可通過人臉識別比對系統(tǒng)，加快確認嫌疑人身份，避免“人海戰(zhàn)術”的低效率；對群眾或其它部門提供的照片進行比對、檢索、篩選，幫助尋人尋親；對于一些無名尸體的照片入庫進行比對，確認其身份等。但是，在實戰(zhàn)應用過程中，由于監(jiān)控設備經(jīng)常安裝于高點，所拍攝到的人像往往是俯視姿態(tài)而非正面姿態(tài)，同時還存在人像本身的偏轉，在直接利用人像比對系統(tǒng)進行檢索比對時，識別效果往往較差，比對準確率不高，依然需要進行大量人工干預和排查，大大降低了偵查效率。人像姿態(tài)轉正技術是最近幾年新發(fā)展起來的一種技術，可以通過單張非正面人臉圖像恢復出該人像三維模型下正臉的模擬圖像，從而提高導入人像比對系統(tǒng)的比對準確率，將原先不可檢索運用的人像落地運用。實際案件中常常遇到需要對偏轉角度大于15°的大姿態(tài)人像進行比對，本文報道一則應用大姿態(tài)人像轉正技術偵破的成功案例。

1 案件簡介

2017年1月以來，某縣城區(qū)貿(mào)易廣場、鳳凰大道某小區(qū)等區(qū)域陸續(xù)發(fā)生多起盜竊五羊本田等高檔摩托車案件，涉案金額27萬余元，且案發(fā)地在人流密集區(qū)域，社會影響較大。犯罪分子白天連續(xù)作案，氣焰囂張，嚴重影響人民群眾安全感和滿意度。

2 材料和方法

2.1 檢材

案件發(fā)生后，辦案民警第一時間趕赴現(xiàn)場采集涉案視頻。經(jīng)認真查看分析視頻，捕捉到嫌疑男子的人像信息。該嫌疑男子人臉圖像較清晰，但視頻拍攝角度較高、人像姿態(tài)存在傾斜，如圖1所示。

圖1 嫌疑男子人像（左：視頻截圖；右：放大后人像截圖）Fig.1 The image of the suspect (Left: the screens hot video frame of the suspect; Right: the enlarged face image of the suspect)

將該嫌疑男子圖像截取后直接導入某省視頻圖像綜合應用平臺人像比對系統(tǒng)進行檢索，檢索出的結果相似度均不高，且相似度從高到低排名前二十位的目標經(jīng)核查均排除嫌疑。

2.2 方法

2.2.1 摳圖

將人像（包含脖子）從圖中提取出來，其余部分背景置為黑色，如圖2所示。摳圖步驟的作用在于去除非人像部分（背景）對三維人像重建的影響。

圖2 摳圖操作（左：原始圖像；右：摳圖后結果）Fig.2 Face extraction (Left: original face image; Right: the resulted image after face extracting)

2.2.2 關鍵點調(diào)整

調(diào)整右側畫面中三維人像模型（該模型由采集得到的一定規(guī)模三維人像數(shù)據(jù)統(tǒng)計建模而成）的姿態(tài)與左側視頻人像截圖姿態(tài)一致，右側畫面中只保留人像模型中所顯示的關鍵點，把左側人像中的關鍵點移動到人像對應的位置，保存鋪點，如圖3所示。這一步驟的目的是手動標記關鍵點位置，定位姿態(tài)并優(yōu)化主成分分析（principal components analysis，PCA）系數(shù)，最后基于3D人像模型進行擬合并轉正。

2.2.3 邊緣調(diào)整

在關鍵點標記圖像中，調(diào)整邊緣上下閾值參數(shù)，獲取人像邊緣，得到的邊緣結果盡可能地保留住人像的輪廓，如圖4所示。這一步驟的目的在于控制臉型和優(yōu)化PCA系數(shù)，對重建結果進行約束，防止人像重建失敗。

圖3 關鍵點調(diào)整（左：關鍵點標記圖像；右：三維人像模型）Fig.3 Key-point alignment (Left: the resulted image of key-point alignment; Right: 3D face-image model)

圖4 邊緣調(diào)整（左：關鍵點標記圖像；右：邊緣調(diào)整后結果）Fig.4 Edge adjustment (Left: the resulted image after key-point alignment; Right: the resulted image after edge adjustment)

2.2.4 姿態(tài)轉正

基于3D人像模型以及標準人像關鍵點位置信息，可以計算和擬合出人像關鍵點對應的正面姿態(tài)時的位置，從而模擬出該人像三維旋轉至正面時的圖像。進行了摳圖、關鍵點調(diào)整和邊緣調(diào)整這三步預處理后，進行姿態(tài)轉正處理也即正面人像重建，重建結果如圖5所示。從圖中可以看到，單張二維半側面人臉圖像被旋轉成為一張完全正面的人臉圖像。

圖5 轉正結果（左：摳圖后圖像；右：姿態(tài)轉正后結果）Fig.5 The result after pose adjustment (Left: the result after face extracting; Right: the resulted face after pose turning to the obverse)

3 結果

采用大姿態(tài)人像轉正技術處理后，導入某省視頻圖像綜合應用平臺再次進行檢索比對，比中一名相似度較高的前科人員曾某（排名第2，相似度88.37%）。后經(jīng)信息研判，確定嫌疑人為曾某。辦案民警立即對嫌疑人的行蹤及其關系人開展深度研判和外圍調(diào)查，同時實施抓捕。辦案民警在某縣縣城先后抓獲曾某及其同伙謝某、王某等人，破獲這起跨三省的系列盜竊高檔摩托車案件。大姿態(tài)人像轉正技術為鎖定該系列案嫌疑人發(fā)揮了關鍵技術支撐作用。

4 討論

在過去幾年里，人像識別的研究和應用都取得了巨大進步，特別是在公安領域的應用越來越深入。面向真實場景非配合、非受控環(huán)境下的人像識別成為了研究的熱點和難點。特別是受監(jiān)控設備安裝位置、人像偏轉等因素影響，獲得的人臉圖像經(jīng)常存在姿態(tài)變化的干擾，非正面姿態(tài)會造成面部信息的部分缺失，對系統(tǒng)的識別檢索造成了不利影響，極大制約了人臉圖像線索的應用，也一直是人像識別的一個技術難題。

基于三維人像重建的人像姿態(tài)轉正技術可以解決多場景視頻下人像姿態(tài)偏轉、信息缺失等問題，實現(xiàn)多角度人像姿態(tài)轉正、人像校正和人像修復合成功能。在三維模型的幫助下，可以使待識別圖像和庫中圖像處于同一姿態(tài)。采用多姿態(tài)人像檢測與比對相關技術，通過人像關鍵點定位和三維人像擬合，對人像進行三維重建，估算偏轉角度，最終恢復出該人像三維模型下正臉的模擬圖像，從而有效提升了人像識別性能?；谧藨B(tài)轉正技術，還可以進一步實現(xiàn)變形人像的校正、污損人像修復重建功能。雖然有研究者嘗試通過3D人像校正等關鍵技術提高人像識別的準確率，但是目前這些研究大多仍然基于實驗數(shù)據(jù)庫進行測試，并未與實戰(zhàn)使用的人像識別系統(tǒng)關聯(lián)對接，適用場景較為單一和固定，方法的綜合性、集成性、實用性還不夠強，尚未在公安實戰(zhàn)中應用[5]。而本文所使用的是基于三維形變模型（3D morphable model，3DMM）的三維人像重建方法，三維形變模型是從單張圖像中恢復三維人像的有效工具[6-7]。本文通過實戰(zhàn)案例證明了該方法的實用性和可行性。

除了本案例，我們還選取了3例實際視頻監(jiān)控場景下的非正面圖像開展實驗研究，對已知身份人員的非正面圖像進行姿態(tài)轉正處理，比較處理前后比對結果的提升情況，結果如表1所示。從表中我們可以看到，經(jīng)過大姿態(tài)人像轉正處理后再輸入人像比對系統(tǒng)，并在同一人像庫中進行檢索，其相似度和排名相比直接導入系統(tǒng)檢索均得到了不同程度提升。當然，對于分辨率較低或五官模糊的圖像，其三維重建后的正面圖像也難以實現(xiàn)較好的比對結果。

表1 非正面圖像轉正處理效果比較Table 1 The comparison of face retrieval results before and after large pose 3D face reconstruction

本文所介紹的方法，可以更好地發(fā)揮人像檢索比對系統(tǒng)的效能，省去了以往大量人工干預和排查的過程，大大提升視頻人像線索利用率，提高了工作效率，節(jié)約了辦案資源，真正提升了視頻偵查工作水平。同時，這一方法緊密結合實戰(zhàn)使用的人像比對系統(tǒng)，轉變了以往將原始視頻截圖直接入庫比對的“粗放型”工作模式，進一步提高了人像檢索的效率和準確率，這種新的工作模式更符合實戰(zhàn)一線需求。