基于人脸识别技术在管控病毒传播中作用的研究

赵烨程，唐晓兰

（桂林电子科技大学计算机与信息安全学院，广西桂林，541004）

0 引言

互联网在今天的社会中发挥着举足轻重的作用。如今社会，随着许多人工智能技术、网络技术、云计算等互联网技术不断发展，像人脸识别等技术的应用越来越广泛，在控制病毒传播途径等场合发挥了巨大作用，不断地提高着社会的安全性和便利性，不仅提高了防控中病毒检测效率，也为病毒的控制提供了可靠的技术方法，能够及时发现和控制公共场所的安全隐患因素，避免对社会经济、居民生活造成破坏，。但目前的人脸识别等技术还存在许多缺陷，需要完善和革新，充满着巨大的潜力和进步空间。

1 人脸识别技术研究意义

人脸识别技术是一种生物特征识别技术，最早产生于上世纪60年代，基于生理学、图像处理、人机交互及认知学等方面的一种识别技术。相比于其他人类特征像指纹识别、声纹识别、虹膜识别等技术，人脸识别虽然存在人脸识别单一性低，且区分度难度高、易受环境影响等不足。但是人脸识别技术拥有速度快、大范围群体识别及非接触、远距离可识别等优势，都是其他生物识别识别技术所不具备的，而在传播性强、感染风险大的病毒传播过程中，这些显然是必须要考虑的重要影响因素。

通过将人脸识别等人工智能技术引入信息管理系统，综合集成视频监控、图像处理、深度学习和大数据等技术，结合非接触测温、定位等技术，助力病情防控，在一定程度上推动病毒病情防控信息化、智能化发展进程。可作为加强公共场所的人员的体温实时监测、地址信息定位的监控管理，规范公共场所针对病毒传播的预防行为。

2 人脸识别技术

2.1 人脸检测技术

人脸检测是自动人脸识别系统中的一个关键环节。早期的人脸识别研究主要针对具有较强约束条件的人脸图象（如无背景的图象），往往假设人脸位置静止或者容易获取。人脸检测分为前深度学习时期，AdaBoost框架时期以及深度学习时期。

图1 人脸识别实时监测系统

前深度学习时期，人们将传统的计算机视觉算法运用于人脸检测，使用了模板匹配技术，依赖于人工提取特征，然后用这些人工特征训练一个检测器；后来技术发展，在2001年Viola和Jones设计了一种人脸检测算法，它使用简单的Haar-like特征和级联的AdaBoost分类器构造检测器，检测速度较之前的方法有2个数量级的提高，并且保持了很好的精度，称这种方法为VJ框架。VJ框架是人脸检测历史上第一个最具有里程碑意义的一个成果，奠定了基于AdaBoost目标检测框架的基础，使用级联AdaBoost分类器进行目标检测的思想是：用多个AdaBoost分类器合作实现对候选框的分类，这些分类器组成一个流水线，对滑动窗口中的候选框图像进行判定，确定检测目标是人脸还是非人脸。Adaboost框架技术的精髓在于用简单的强分类器在初期快速排除掉大量的非人脸窗口，同时保证高的召回率，使得最终能通过所有级强分类器的样本数数量较少。

在深度学习时期，开始将卷积神经网络应用于人脸检测领域。研究方向有两种：一是将适用于多任务的目标检测网络应用于人脸检测中；另一种是研究特定的的人脸检测网络。

人脸检测技术具有特殊唯一性和稳定性，在现今社会对于构建居民身份识别系统，病毒传播防控系统，以及计算机视觉交互模型的构建具有广泛的应用。人脸检测技术不仅作为人脸识别的首要步骤，也在许多其他领域发挥巨大影响，如人脸关键点提取、人脸追踪、基于内容的检索、数字视频处理、视频检测、安防监控、人证比对、社交等领域都有重要的应用价值。数码相机、手机等移动端上的设备已经大量使用人脸检测技术实现成像时对人脸的对焦、图集整理分类等功能，各种虚拟美颜相机也需要人脸检测技术定位人脸。评价一个人脸检测算法好坏的指标是检测率和误报率，我们定义检测率为：

算法要求在检测率和误报率之间尽量平衡，理想的情况是达到高检测率，低误报率。

2.2 人脸识别技术

目前主要流行的人脸识别技术包括几何特征识别，模型识别，特征脸识别和基于深度学习/神经网络的的人脸识别技术等。人脸特征识别主要通过对人脸面部结构特征如眼睛、鼻子等五官几何特点及其相对位置分布等，生成图像，并计算各个面部特征之间的欧式距离、分布、大小等关系该方法比较简单，反应速度快，并且具有鲁棒性强等优点，但是在实际环境下使用容易受检测的环境的变化、人脸部表情变化等影响，精度通常不高，细节处理上不够完善。模型识别技术主要包括隐马尔可夫模型、主动表象模型、主动形状模型等，识别率较高，并且对表情等变化影响较小。特征脸识别来源于主成分描述人脸照片技术（PCA技术），从数学上来讲，特征脸就是人脸的图像集协方差矩阵的特征向量。该技术能有效的显示人脸信息，效率较高。

基于深度学习的人脸识别是获取人脸图像特征，并将包含人脸信息的特征进行线性组合等，提取人脸图像的特征，学习人脸样本数据的内在规律和表示层次。可以采用如三层前馈BP神经网络。BP神经网络是1986年由Rumelhart和McClelland为首的科学家提出的概念，是一种按照误差逆向传播算法训练的多层前馈神经网络，是应用最广泛的神经网络模型之一。BP网络本质上是一种能够学习大量的输入与输出之间的映射关系的输入到输出的映射，从结构上讲，BP网络具有输入层、隐藏层和输出层；从本质上讲，BP算法就是以网络误差平方为目标函数、采用梯度下降法来计算目标函数的最小值。

BP神经网路输入层有n个神经元节点，输出层具有m个神经元，隐含层具有k个神经元，采用BP学习算法训练神经网络。BP算法主要包括两个阶段：向前传播阶段和向后传播阶段。在向前传播阶段，信息从输入层经过逐级的变换，传送到输出层。这个过程也是在网络完成训练后正常运行时执行。将Xp作为输入向量，Yp为期望输出向量则BP神经网络向前传播阶段的运算，得到实际输出表达式为：

向后传播阶段主要包括两大步骤：①计算实际输出Op与对应理想输出Yp之差；②按极小化误差方法调整带权矩阵。之所以将此阶段称为向后传播阶段，是对应于输入信号的正常传播而言的，因为该阶段都需要收到精度要求进行误差处理，所以也可以称之为误差传播阶段。

假设输入层、中间层和输出层的单元数分别是N、L和M。

中间层各单元的输出为：

X=(x0,x1,…,xN-1)是网络的输入矢量，H=(h0,h1,…,hL-1)是中间层输出矢量，Y=(y0,y1,…,yM-1)是网络的实际输出矢量，输出单元i到隐单元j的权值是Vij，,Φj表示隐单元的阈值。网络的训练过程可以描述为：

(1)确定训练集。由训练策略选择样本图像作为训练集。

(2)规定各权值Vij，Wjk和阈值Φj，θk参数，并初始化学习率α及精度控制参数ε。

(3)从训练集中取输入向量X到神经网络，并确定其目标输出向量D。

(4)利用上式计算出一个中间层输出H，再用本式计算出网络的实际输出Y。

(5)将输出矢量中yk与目标矢量中dk进行比较，计算输出误差项，对中间层的隐单元计算出L个误差项。

(6)最后计算出各权值和阈值的调整量。

所以，卷积神经网络算法是通过训练人脸特征库的方式进行学习生成，对不同环境下不同表现情况的人脸图像识别有更高的精确性。

2.3 人脸识别软件实现方式

(1)采集人脸数据集，然后对数据集进行标注，对数据进行预处理变成训练格式。

(2)部署训练模型，根据训练算法所需依赖部署电脑环境。

表1 实验参数

(3)训练过程，下载预训练模型，将人脸数据集分批次作为输入开始训练，最终输出为训练好的模型。

(4)部署训练好的模型，捕获画面即可对画面中的人脸进行实时检测。

3 人脸识别在病毒传播防控中的应用

通过人脸识别技术，可以实现无接触、高效率的对流动人员进行信息的收集、身份识别、定位地址信息等操作，大大减少了传染的可能性，切断了病毒传播途径，大大提高了工作效率。通过提前收录人脸信息，采用深度学习对人脸特征模型的训练学习，即可获取人脸识别特征模型，再次验证时即可实现人脸识别和个人信息快速匹配。AI人工智能帮助人们更好的解放双手，为人们的生活和工作提供了重要的帮助。本文还提出了在人脸识别的系统基础上，可以加入定位系统、测温系统等，依托物联网技术和云计算大数据，更加优化管控系统的效率。病毒传播防控中人脸识别系统流程可以概括为图2。

图2 人脸识别实时监测系统

4 结语

本文研究了一种人脸识别技术在病毒传播管控系统中的应用，并分析设计了人脸识别实时监测及病毒管控系统的流程，大大提高了信息管理的效率，减弱了传播风险。作为一门新兴技术，目前的人脸识别技术还存在着诸多不足之处，像存在环境光的影响、人脸表情变化、妆容变化、佩戴口罩等都会影响到系统识别精度；另外安全问题也引人深思：现今人脸支付方式迅猛发展，录入的人脸模型信息数据库存在有一定的安全风险，一旦被不法分子盗取信息后果不堪设想，所以模型数据库安全、网络安全，也是系统开发中必须重视的问题。人脸识别为代表的人工智能技术的研究，在病毒传播管控作出重大贡献，依托我国领先的计算机网络技术和5G等技术，加强人工智能技术与5G通信技术的结合，优势互补，以此来加快大数据、人工智能和物联网技术发展进程，对我国社会进步，促进城市建设和管理朝着高效、秩序、和谐稳定的方向不断发展，增强我国的经济实力有着重大价值和研究意义。