人體面貌識別技術的原理、應用及進展

2013-11-29

人體生物特征識別技術是依靠人體的生物特征來進行人的身份驗證的一種高科技識別技術。而人體面貌識別技術具有比其他生物特征識別技術更直觀、簡便、準確、可靠及可擴展性良好等眾多優(yōu)勢。因而應用廣泛。本文介紹人體面貌識別技術的原理、特點、應用及進展。

一、前言

隨著光電技術、微計算機技術、圖像處理技術與模式識別等技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了一種嶄新的人體生物特征識別技術，這就是依靠人體生物特征來進行人的身份驗證的一種高科技識別技術。

人體生物特征目前主要用到人體的指紋、掌紋、眼虹膜、聲音、筆跡、面貌及DNA等。由于這些特征具有人體所固有的不可復制的唯一性和穩(wěn)定性，因此不可能復制、失竊或被遺忘。所以，利用人體的這些獨特的生理特征能準確地鑒別每個人的身份。

近幾年來，已開發(fā)應用了聲音識別、簽字識別、指紋識別、掌形識別、眼虹膜識別等人體生物特征識別技術，與上述識別技術相比較，而最近開發(fā)的人體面貌識別技術則具有簡便、準確、經(jīng)濟及可擴展性良好等眾多優(yōu)勢，因此可廣泛應用于出入口控制、安全驗證、安防監(jiān)控與搜尋罪犯等有關方面。下面就簡要介紹一下人體面貌識別技術的原理、應用及進展。 二、人體面貌識別技術的原理

1、人體面貌識別技術的內容

人體面貌識別技術包含三個部分：

（1）人體面貌檢測

面貌檢測是指在動態(tài)的場景與復雜的背景中判斷是否存在面像，并分離出這種面像。一般有下列幾種方法：

①參考模板法

首先設計一個或數(shù)個標準人臉的模板，然后計算測試采集的樣品與標準模板之間的匹配程度，并通過閾值來判斷是否存在人臉；

②人臉規(guī)則法

由于人臉具有一定的結構分布特征，所謂人臉規(guī)則的方法即提取這些特征生成相應的規(guī)則以判斷測試樣品是否包含人臉；

③樣品學習法

這種方法即采用模式識別中人工神經(jīng)網(wǎng)絡的方法，即通過對面像樣品集和非面像樣品集的學習產生分類器；

④膚色模型法

這種方法是依據(jù)面貌膚色在色彩空間中分布相對集中的規(guī)律來進行檢測。

⑤特征子臉法

這種方法是將所有面像集合視為一個面像子空間，并基于檢測樣品與其在子孔間的投影之間的距離判斷是否存在面像。

值得提出的是，上述5種方法在實際檢測系統(tǒng)中也可綜合采用。

（2）人體面貌跟蹤

面貌跟蹤是指對被檢測到的面貌進行動態(tài)目標跟蹤。具體采用基于模型的方法或基于運動與模型相結合的方法。

此外，利用膚色模型跟蹤也不失為一種簡單而有效的手段。

（3）人體面貌比對

面貌比對是對被檢測到的面貌像進行身份確認或在面像庫中進行目標搜索。這實際上就是說，將采樣到的面像與庫存的面像依次進行比對，并找出最佳的匹配對象。所以，面像的描述決定了面像識別的具體方法與性能。目前主要采用特征向量與面紋模板兩種描述方法：

①特征向量法

該方法是先確定眼虹膜、鼻翼、嘴角等面像五官輪廓的大小、位置、距離等屬性，然后再計算出它們的幾何特征量，而這些特征量形成一描述該面像的特征向量。 ②面紋模板法

該方法是在庫中存貯若干標準面像模板或面像器官模板，在進行比對時，將采樣面像所有象素與庫中所有模板采用歸一化相關量度量進行匹配。

此外，還有采用模式識別的自相關網(wǎng)絡或特征與模板相結合的方法。

人體面貌識別技術的核心實際為“局部人體特征分析”和“圖形/神經(jīng)識別算法?！边@種算法是利用人體面部各器官及特征部位的方法。如對應幾何關系多數(shù)據(jù)形成識別參數(shù)與數(shù)據(jù)庫中所有的原始參數(shù)進行比較、判斷與確認。一般要求判斷時間低于1秒。

2、人體面貌的識別過程

一般分三步：

（1）首先建立人體面貌的面像檔案。即用攝像機采集單位人員的人體面貌的面像文件或取他們的照片形成面像文件，并將這些面像文件生成面紋（Faceprint）編碼貯存起來。

（2）獲取當前的人體面像

即用攝像機捕捉的當前出入人員的面像，或取照片輸入，并將當前的面像文件生成面紋編碼。

（3）用當前的面紋編碼與檔案庫存的比對

即將當前的面像的面紋編碼與檔案庫存中的面紋編碼進行檢索比對。上述的“面紋編碼”方式是根據(jù)人體面貌臉部的本質特征和開頭來工作的。這種面紋編碼可以抵抗光線、皮膚色調、面部毛發(fā)、發(fā)型、眼鏡、表情和姿態(tài)的變化，具有強大的可靠性，從而使它可以從百萬人中精確地辯認出某個人。

人體面貌的識別過程，利用普通的圖像處理設備就能自動、連續(xù)、實時地完成。

三、人體面貌識別技術的特點

人體面貌識別技術與其他人體生物特征識別技術相比較，有其獨特的優(yōu)點。

（1）人體面貌識別技術有快速、簡便、非侵擾和不需要人的被動配合的特點。

因為除這種識別技術以外，其余的人體生物特征識別技術對人們來說都是一種干擾，都需要人的被動配合。如指紋和掌紋識別都需要人們將手放在玻璃表面，而虹膜識別需要用激光照射人的眼睛，而聲音識別需要人對著麥克風講話，字跡識別則需要人簽字等等。而人體面貌識別無需干擾人們的行為，你只需要很快從一架攝像機前走過，你的面貌就已經(jīng)被快速地采集和檢驗，所以非常簡便。 （2）人體面貌識別技術有良好的防偽、防欺詐、準確、直觀、方便的特點。

因為同其他人體生物特征識別技術相比較，只有面像識別是最直觀、最可靠、最準確的，因而它是優(yōu)良的防偽、防欺詐的。

（3）人體面貌識別技術具有性價比高、經(jīng)濟、可擴展性良好的特點。

因為人體面貌識別技術比其他的人體生物特征識別技術的性能要優(yōu)越，它不要人的行為的配合能方便有效地核查人的身份，而且只需通用的PC硬件及相關軟件，因而經(jīng)濟、性價比高；由于其直觀、準確，且應用更為廣泛，因此具有良好的可擴展性能。

四、人體面貌識別技術的應用

由于人體面貌識別技術的獨特優(yōu)點，因而有著十分廣泛的應用前景。其應用領域遍及軍隊、政法、銀行、物業(yè)、海關、互聯(lián)網(wǎng)應用等。下面就其主要應用作一簡介。

1、在銀行金融系統(tǒng)中的應用

由于銀行金融系統(tǒng)對安全防范控制系統(tǒng)有著極高的要求，如對金庫的安全設施、保險柜、自動柜員機以及電子商務信息系統(tǒng)等都需要人體面貌識別技術這種更直觀、準確、可靠的識別系統(tǒng)。

近年來，金融詐騙、搶劫發(fā)生率有所增高，對傳統(tǒng)的安全措施提出了新的挑戰(zhàn)。而人體面貌識別技術根本不需要帶任何的電子、機械“鑰匙”，因而可杜絕丟失鑰匙、密碼的現(xiàn)象。如果配合IC卡、指紋識別等技術，就可以更加使安全系數(shù)成倍增長。而且，由于對每次操作事件都保存一條有時間、日期和人體面像的記錄，所以它具有良好的可跟蹤性。

當前，銀行系統(tǒng)正在開展保險柜出租、托管的業(yè)務，若銀行使用這種識別系統(tǒng)，能提高安全系數(shù)和客戶對銀行的可信度。此外，若在ATM自動取款機上應用這種識別技術，可以解除用戶忘記密碼的苦惱，而且還可以防止冒領、盜取的事件發(fā)生。 2、在政法系統(tǒng)中的應用

當前，我國的公、檢、法正加強對經(jīng)濟、刑事等犯罪行為的打擊力度，正在聯(lián)合開展“追、逃”斗爭。目前多是將逃犯的照片、身份證、特征資料上網(wǎng)發(fā)布。但這種方法的判斷要通過多種技術鑒定，它對證件資料假冒犯人的查詢有較大的難度，對犯罪分子的狡辨、偽裝往往要消耗大量的時間和物力來進行確認。如果利用人體面貌識別技術，則可大大提高工作效率，并能對犯罪分子產生極大的威攝力量。如在重要的車站、碼頭、機場、海關等出入口附近架設攝像機，則系統(tǒng)可在無人職守的情況下自動捕捉進、出上述場所的人員的頭像，再通過網(wǎng)絡將頭像面貌特征數(shù)據(jù)傳送到計算機中心數(shù)據(jù)庫去，與逃犯的頭像進行比較，迅速準確地作出身份判斷，一旦發(fā)現(xiàn)是吻合的頭像，即自動記錄并報警。如英國倫敦警察局，由于最近使用了人體面貌識別系統(tǒng)，在三個月內破案率就提高了34％。

3、在其他方面的應用

除在上面兩大領域的應用外，人體面貌識別技術可廣泛應用于軍隊、公安、黨政機關、物業(yè)管理及其他一切需要的部門的安全驗證、監(jiān)控、門禁及一切出入口控制等多個方面。

五、人體面貌識別技術的進展 人體面貌識別技術的最新進展就是可以通過攝像機來搜索捕捉識別活動的人像，而不僅僅是識別靜止的照片。如最近由美國新澤西州Visionics公司開發(fā)的面像局部特征分析法識別系統(tǒng)，僅用一部攝像機和一臺微計算機即可在人群中識別出某個人來。

此外，德國ZN公司的Phantomas可以處理由受害者描繪的一系列疑犯圖像的識別。英國也有這類產品應用。

Technology Recognition Systems技術識別系統(tǒng)公司和Forensic Security法庭服務公司都更傾向于集中在看不見的面容上，即使用紅外線傳感技術超越表面細節(jié)，而檢查更恒定的內在的解剖學上的東西。它有不受燈光影響的優(yōu)勢，在黑暗中也可象在白天一樣工作。

用于捕捉人體面貌圖像的除了標準視頻外，近來的發(fā)展趨勢是熱成像技術。這種技術是通過分析由面部的毛細血管的血液產生的熱線來形成面部圖像。熱成像技術并不需要較好的光源條件，即使在黑暗的情況下也可使用。并可更好地排除胡須、頭發(fā)以及化妝引起的面部變化的干擾。

我國目前人體面貌識別技術的研究和應用還剛剛開始，而歐美等發(fā)達國家這一技術已被應用在許多場所。尤其是“911”恐怖事件之后，美國警方率先在冰島國際機場、美國波士頓機場、奧克蘭機場、亞特蘭大機場、休斯頓機場等都開始應用這一先進技術，它們借助電視監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控掃描人群，自動搜尋警方所需要的恐怖分子。現(xiàn)在我國不少大專院校與科研單位已著手這方面的實質性的研究，相信不久即有新型產品問世。（信息來源：樂通光電新技術研究所）