人脸识别实现方法的研究

2019-01-13贺成彦姚志刚

魅力中国 2019年35期

贺成彦姚志刚

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司，内蒙古呼和浩特 010050）

一、概述

人脸识别既是一项起源较早的技术，又是一门焕发着强大吸引力、充满着学术研究趣味的新兴技术领域。随着人工智能、大数据、云计算技术的创新发展，技术更迭速度的加快，人脸识别作为人工智能的一项重要应用，也随之迅速发展壮大，基于人脸识别技术的一系列产品也逐渐问世。

人脸与人体的其它生物特征（指纹、虹膜等）一样与生俱来，它的唯一性和不易被复制的良好特性为身份鉴别提供了必要的前提。将人脸识别技术，应用在既有信息系统的研发中，实现非强制性（用户不需要专门配合人脸采集设备，几乎可以在无意识的状态下就可获取人脸图像）、非接触性（用户不需要和设备直接接触就能获取人脸图像）和用户舒适的身份验证功能，将有利于提高各行业信息系统的智能化、人性化和现代化。

二、基本原理和理论

人脸识别技术是利用图像处理和模式识别技术鉴别或验证身份的一种热门的计算机安全技术。现已在国家安全、军事安全和公共安全等方面实现了初步的应用。本课题主要研究如下内容：

（一）人脸识别的概念

人脸识别，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识别的一系列相关技术，通常也叫做人像识别、面部识别。

（二）人脸几何特征

人脸几何特征包括脸型特征和五官在脸上分布的几何特征。提取特征时往往要用到人脸结构的一些先验知识。识别所采用的几何特征是以人脸器官的形状和几何关系为基础的特征矢量，本质上是特征矢量之间的匹配，其分量通常包括人睑指定两点间的欧式距离、曲率、角度等。基于几何特征的识别方法比较简单、容易理解，但没有形成统一的特征提取标准。从图像中抽取稳定的特征较困难，特别是特征受到遮挡时，对较大的表情变化或姿态变化的鲁棒性较差。

（三）关键技术实现原理

1.人脸图像采集及检测：研究基于人脸图像的采集方法和手段，比如静态图像、动态图像、不同的位置、不同表情等方面都可以得到很好的采集。

2.人脸图像预处理：人脸图像预处理是对人脸图像做出进一步的处理以利于人脸图像的特征提取。人脸图像的预处理具体而言是指对系统采集到的人脸图像进行光线、旋转、切割、过滤、降噪、放大缩小等一系列的复杂处理过程来使得该人脸图像无论是从光线、角度、距离、大小等任何方面来看均能够符合人脸图像的特征提取的标准要求。

3.人脸图像特征提取：根据人脸器官的形状描述以及他们之间的距离特性来获得有助于人脸分类的特征数据。

4.结构光双目深度摄像头的应用：结构光双目深度摄像头是普遍被应用在人工智能和机器人领域，结合AI专用计算设备实现面部识别的智能化。

5.人脸认别。结合数字图像处理、计算机图形学、模式识别、可视化技术、人体生理学、认知科学和心理学等硏究领域,对采集到的人脸图像进行分析,确定人脸的位置、大小和姿势等信息并提取有效的识别信息进行人脸特征比对,从而实现身份辨认。

6.人脸比对。在得出特征脸数据库结果后,再利用模板匹配方法进行识别比对。人脸比对的结果关系到人脸识别的准确程度，人脸比对的速度与计算机的性能和容量有关,同时也直接影响到系统响应时间的长短,应用人脸识别系统应具有较高的人脸比对速度。人脸比对分为一对一比对和一对多比对,本课题主要应用于对一比对。

三、软件研发的关键技术

（一）采用面向对象的实现方法

面向对象的方法是由面向对象程序设计方法OOP（Object Oriented Programming）发展而来。它以类、对象、继承、消息传递等概念描述客观事物及其联系，与传统的面向数据的思路完全不同，为管理信息开发提供了全新的思维。

面向对象的设计是一种提供符号设计系统的面向对象的实现过程，它用非常接近实际领域术语的方法把系统构造成对象。面向对象程序设计可以看作一种在程序中包含各种独立而又互相调用的对象的思想，这与传统的思想刚好相反。

（二）图像处理技术

图像处理技术是用计算机对图像信息进行处理的技术。主要包括图像数字化、图像增强和复原、图像数据编码、图像分割和图像识别等。其中，图像识别也称模式识别，就是对图像进行特征抽取，然后根据图形的几何及纹理特征对图像进行分类，并对整个图像作结构上的分析。

（三）人脸识别经典算法：特征脸法（Eigenface）

使用特征脸进行人脸识别的方法首先由 Sirovich 和 Kirby提出（《Lowdimensional procedure for the characterization of human faces》）。首先把一批人脸图像转换成一个特征向量集，称为“Eigenfaces”，即“特征脸”，它们是最初训练图像集的基本组件。识别的过程是把一副新的图像投影到特征脸子空间，并通过它的投影点在子空间的位置以及投影线的长度来进行判定和识别。