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一文读懂:深扒人脸识别60年技术发展史

http://www.secu.hc360.com2018年06月21日09:15 来源:与非网T|T

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一文读懂:深扒人脸识别60年技术发展史

    “他来听我的演唱会,门票换了手铐一对”。最近歌神张学友变阿SIR,演唱会上频频抓到罪犯,将人脸识别技术又一次推到了大众的视线中。要说人脸识别技术的爆发,当属去年9月份苹果iPhonex的发布,不再需要指纹,只需要扫描面部就可以轻松解锁手机。

    人脸识别是啥玩意儿?

    人脸识别技术,是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。用摄像机或摄像头采集含有人脸的图像或视频流,并自动在图像中检测和跟踪人脸,进而对检测到的人脸进行脸部的一系列相关技术,通常也叫做人像识别、面部识别。

    人脸识别技术主要是通过人脸图像特征的提取与对比来进行的。人脸识别系统将提取的人脸图像的特征数据与数据库中存储的特征模板进行搜索匹配,通过设定一个阈值,当相似度超过这一阈值,则把匹配得到的结果输出。

    广义的人脸识别实际包括构建人脸识别系统的一系列相关技术,包括人脸图像采集、人脸定位、人脸识别预处理、身份确认以及身份查找等;而狭义的人脸识别特指通过人脸进行身份确认或者身份查找的技术或系统。

    人脸识别技术发展

    早在20世纪50年代,认知科学家就已着手对人脸识别展开研究。20世纪60年代,人脸识别工程化应用研究正式开启。当时的方法主要利用了人脸的几何结构,通过分析人脸器官特征点及其之间的拓扑关系进行辨识。这种方法简单直观,但是一旦人脸姿态、表情发生变化,则精度严重下降。

    由剑桥人脸数据集的特征分解获得的前四个特征向量

    21世纪的前十年,随着机器学习理论的发展,学者们相继探索出了基于遗传算法、支持向量机(SupportVectorMachine,SVM)、boosting、流形学习以及核方法等进行人脸识别。2009年至2012年,稀疏表达(SparseRepresentation)因为其优美的理论和对遮挡因素的鲁棒性成为当时的研究热点。

    与此同时,业界也基本达成共识:基于人工精心设计的局部描述子进行特征提取和子空间方法进行特征选择能够取得最好的识别效果。Gabor及LBP特征描述子是迄今为止在人脸识别领域最为成功的两种人工设计局部描述子。这期间,对各种人脸识别影响因子的针对性处理也是那一阶段的研究热点,比如人脸光照归一化、人脸姿态校正、人脸超分辨以及遮挡处理等。

    自此之后,研究者们不断改进网络结构,同时扩大训练样本规模,将LFW上的识别精度推到99.5%以上。如表1所示,我们给出了人脸识别发展过程中一些经典的方法及其在LFW上的精度,一个基本的趋势是:训练数据规模越来越大,识别精度越来越高。

    人脸识别十大关键技术

    1、人脸检测(FaceDetection)

    “人脸检测(FaceDetection)”的作用就是要检测出图像中人脸所在位置。

    人脸检测算法的原理简单来说是一个“扫描”加“判定”的过程。即首先在整个图像范围内扫描,再逐个判定候选区域是否是人脸的过程。因此人脸检测算法的计算速度会跟图像尺寸大小以及图像内容相关。在实际算法时,我们可以通过设置“输入图像尺寸”、或“最小脸尺寸限制”、“人脸数量上限”的方式来加速算法。

    2、人脸配准(FaceAlignment)

    “人脸配准(FaceAlignment)”所实现的目的是定位出人脸上五官关键点坐标。

    当前效果的较好的一些人脸配准技术基本通过深度学习框架实现。这些方法都是基于人脸检测的坐标框,按某种事先设定规则将人脸区域抠取出来,缩放到固定尺寸,然后进行关键点位置的计算。另外,相对于人脸检测,或者是后面将提到的人脸特征提取的过程,人脸配准算法的计算耗时都要少很多。

    3、人脸属性识别(FaceAttribute)

    “人脸属性识别(FaceAttribute)”是识别出人脸的性别、年龄、姿态、表情等属性值的一项技术。这在有些相机APP中有所应用,可以自动识别摄像头视野中人物的性别、年龄等特征并标注出来。

    人脸的属性识别包括性别识别、年龄估计、表情识别、姿态识别、发型识别等等方面。一般来说每种属性的识别算法过程是独立的,但是有一些新型的基于深度学习实现的算法可以实现同时输出年龄、性别、姿态、表情等属性识别结果。

    4、人脸提特征(FaceFeatureExtraction)

    “人脸提特征(FaceFeatureExtraction)”是将一张人脸图像转化为可以表征人脸特点的特征,具体表现形式为一串固定长度的数值。

    人脸提特征过程的输入是“一张人脸图”和“人脸五官关键点坐标”,输出是人脸相应的一个数值串(特征)。人脸提特征算法实现的过程为:首先将五官关键点坐标进行旋转、缩放等等操作来实现人脸对齐,然后在提取特征并计算出数值串。

    5、人脸比对(FaceCompare)

    “人脸比对(FaceCompare)”算法实现的目的是衡量两个人脸之间相似度。

    人脸比对算法的输入是两个人脸特征人脸特征由前面的人脸提特征算法获得,输出是两个特征之间的相似度。

    6、人脸验证(FaceVerification)

    “人脸验证(FaceVerification)”是判定两个人脸图是否为同一人的算法。

    它的输入是两个人脸特征,通过人脸比对获得两个人脸特征的相似度,通过与预设的阈值比较来验证这两个人脸特征是否属于同一人。

    7、人脸识别(FaceRecognition)

    “人脸识别(FaceRecognition)”是识别出输入人脸图对应身份的算法。

    它的输入为一个人脸特征,通过和注册在库中N个身份对应的特征进行逐个比对,找出“一个”与输入特征相似度最高的特征。将这个最高相似度值和预设的阈值相比较,如果大于阈值,则返回该特征对应的身份,否则返回“不在库中”。

    8、人脸检索(FaceRetrieval)

    “人脸检索”是查找和输入人脸相似的人脸序列的算法。

    人脸检索通过将输入的人脸和一个集合中的说有人脸进行比对,根据比对后的相似度对集合中的人脸进行排序。根据相似度从高到低排序的人脸序列即使人脸检索的结果。

    9、人脸聚类(FaceCluster)

    “人脸聚类(FaceCluster)”是将一个集合内的人脸根据身份进行分组的算法。

    在没有进行人工身份标注前,只知道分到一个组的人脸是属于同一个身份,但不知道确切身份。

    10、人脸活体(FaceLiveness)

    “人脸活体(FaceLiveness)”是判断人脸图像是来自真人还是来自攻击假体(照片、视频等)的方法。

    在我们生活环境中,人脸认证系统中主要容易受到这种手段欺骗:

    (1)用偷拍的照片假冒真实人;

    (2)在公开场合录的视频或网上公开的视频片段;

    (3)用计算机辅助软件设计的三维模型欺骗;

    (4)用蜡或塑料等材质构造的三维雕像欺骗。

    现在所以人脸活体检测技术的研究显得异常重要。对于照片欺骗,主要是根据分辨率、三位三维信息、眼动等来进行区分;对于视频欺骗,根据三维信息、光线等来区分。

    人脸识别技术的主要用途

    1、人脸识别技术应用于铁路安防系统

    随着技术的进步,人员组织的不断复杂化,铁路安全形势不断面临新的挑战。火车票实名制有效阻止了不法分子进入车站,但是,目前铁路客运安全检查,基本还是靠安检员来检查票、证、人是否一致,而证件照片往往是多年前的照片,安检员很难辨认,辨别度很低。

    2、人脸识别技术应用于教育领域

    近年来,从中考、高考等升学考试,到执业资格、晋级升职等等考试,均不同程度地出现了替考现象,而利用人脸识别技术实现证件内照片特征和实时人脸照片特征比对识别,辨别考生身份,可防止考场替考现象的发生。

    3、人脸识别技术推进于智能城市建设

    随着人类社会的不断发展,未来城市将承载越来越多的人口,为实现城市可持续发展,建设智慧城市已成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流。而在智慧城市的建设过程中,需注重对信息的结构化存储、分析挖掘,人脸的结构化云识别储存是构建整个智慧城市基础数据之一,是智慧城市云储存体系中的不可或缺的一部分。

    人脸识别的技术难点

    人脸识别虽说发展到现在3、40年的时间了,但它一直存在的几个难点,到现在也没能彻底解决。

    1、光照问题

    光照问题是机器视觉重的老问题,在人脸识别中的表现尤为明显。由于人脸的3D结构,光照投射出的阴影,会加强或减弱原有的人脸特征。

    2、表情姿态问题

    与光照问题类似,姿态问题也是目前人脸识别研究中需要解决的一个技术难点。姿态问题涉及头部在三维垂直坐标系中绕三个轴的旋转造成的面部变化,其中垂直于图像平面的两个方向的深度旋转会造成面部信息的部分缺失。

    3、遮挡问题

    对于非配合情况下的人脸图像采集,遮挡问题是一个非常严重的问题。特别是在监控环境下,往往彼监控对象都会带着眼镜,帽子等饰物,使得被采集出来的人脸图像有可能不完整,从而影响了后面的特征提取与识别,甚至会导致人脸检测算法的失效。

    4、年龄变化

    随着年龄的变化,面部外观也在变化,特别是对于青少年,这种变化更加的明显。对于不同的年龄段,人脸识别算法的识别率也不同。一个人从少年变成青年,变成老年,他的容貌可能会发生比较大的变化,从而导致识别率的下降。对于不同的年龄段,人脸识别算法的识别率也不同。

    5、人脸相似性

    不同个体之间的区别不大,所有的人脸的结构都相似,甚至人脸器官的结构外形都很相似。这样的特点对于利用人脸进行定位是有利的,但是对于利用人脸区分人类个体是不利的。

    6、图像质量

    人脸图像的来源可能多种多样,由于采集设备的不同,得到的人脸图像质量也不一样,特别是对于那些低分辨率、噪声大、质量差的人脸图像(如手机摄像头拍摄的人脸图片、远程监控拍摄的图片等)如何进行有效地人脸识别是个需要关注的问题。同样的,对于高分辨图像对人脸识别算法的影响也需要进一步的研究。

    7、样本缺乏

    基于统计学习的人脸识别算法是目前人脸识别领域中的主流算法,但是统计学习方法需要大量的训练。由于人脸图像在高维空间中的分布是一个不规则的流形分布,能得到的样本只是对人脸图像空间中的一个极小部分的采样,如何解决小样本下的统计学习问题有待进一步的研究。

    8、海量数据

    传统人脸识别方法如PCA、LDA等在小规模数据中可以很容易进行训练学习。但是对于海量数据,这些方法其训练过程难以进行,甚至有可能崩溃。

    9、大规模人脸识别

    随着人脸数据库规模的增长,人脸算法的性能将呈现下降。

    国内研究人脸识别的公司有哪些

    2015年以来,已有腾讯、阿里、民生银行等多个行业巨头纷纷加码人脸识别产业。国内外巨头纷纷加码人脸识别技术,将直接助推产业的爆发性增长。

    人脸识别的未来

    随着大数据、共享时代的来临,数据安全问题也越发被重视起来,以人脸识别为代表的新一代技术革命已经展开。

责任编辑:张泽群

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