第六章 人脸识别技术
第一节 人脸识别概述
人脸识别特指利用分析比较人脸视觉特征信息进行身份鉴别的计算机技术。
从理论上来讲，人体的独特生理特征一般可以准确的识别每个人的身份，因为相貌、DNA、手掌纹路、眼虹膜这些人体特征具有唯一性和相对稳定性。人脸识别作为一种新兴的生物特征识别技术，与虹膜识别、指纹扫描、掌形扫描等其他生物特征识别技术相比，在应用方面具有独到的优势，主要表现在两个方面：自然性和不易察觉性。人脸识别是利用生物特征通过相貌识别身份的，相貌作为人的自然属性，具有很强的自身稳定性，因此人脸识别具有自然性。不易察觉性是指人脸识别完全利用可见光获取人脸图像信息，与需要利用电子压力传感器采集指纹的指纹识别，或者利用红外线采集虹膜图像的虹膜识别不同，具有直接、友好、方便的特点，易于为用户接受，而且不易被被测个体察觉。此外，人脸识别技术投入使用后，人脸识别系统拥有良好的人机互动界面方便使用，人脸特征提取多样化，因此性价比较高，具有极其广阔的市场应用前景。
目前，人脸自动识别应用于方方面面，公安部门的应用尤为显著，例如，追逃，反扒，黑名单人脸监控，人脸门禁控制。2008年北京奥运会开幕式正式使用了中国自主知识产权的人脸识别比对系统，这套系统作为当时国内最先进的人脸识别系统，受到了业内人士的瞩目。中国高铁为了强化治安力量，在人流量多的情况下做到警力无增长改善，运用了人脸识别系统，该系统能自动与警方掌握的重点人员数据库进行人脸特征的比对识别，当相似度超过设定阈值时，系统自动报警。 2012年2月27日，江苏省公安厅与南理工联手开展科技合作，根据协议，双方将共建“社会公共安全重点实验室”，开展相关领域的科技项目攻关、技术信息交流以及科技人才培养。江苏省公安厅重点实验室在江苏省公安信息网开辟专栏命名为“江苏公安人脸识别建设应用专栏”，并组织专人进行日常维护，给各单位分配了用户名和账号，旨在利用人脸自动识别技术帮助基层民警破案。
第二节 人识别的过程和方法
一、人脸识别技术基本原理
人脸识别技术主要由三个部分组成，人脸检测，人脸跟踪与人脸比对。
人脸检测，用通俗的话来说即计算机自动检测是否有人脸，这设计到一定人脸特征的算法，这是整体识别和特征识别共同作用的结果。见图6-1。
图6-1 人脸检测
人脸检测有特征子脸、参考模板、人脸规则、肤色模型、样本学习等方法。特征子脸是将所有人脸集合视为一个人脸子空间，基于检测样本与其在子空间的投影之间的距离判断是否存在人脸。参考模板方法指首先设计一个或数个标准人脸模板，然后计算测试样本与标准模板之间的匹配程度，通过阀值来判断是否存在人脸。人脸规则指提取人脸结构分布特征，生成相应的规则以判断测试样本是否包含人脸。肤色模型依据人脸肤色在色彩空间中分布相对集中的规律来进行检测。样本学习则采用模式识别中人工神经网络方法，通过对人脸样本集和非人脸样本集的学习产生分类器。
人脸跟踪是指对被检测到的面貌进行动态目标跟踪，一般采用模型或者利用运动与模型相结合。
人脸比对，是对被检测到的面貌像进行身份确认或在人脸库中进行目标搜索。找出最佳的匹配对象。人脸比对实质上是人脸与人脸库中的人脸比对之后，找出相似度最高的对象。
二、人脸自动识别过程
人脸自动识别过程分为三个阶段，分别是建立人脸档案，获取当前人脸，进行人脸识别。
第一个阶段即建立人脸档案。可以从人脸识别系统的摄像头采集人脸照片或自己采集数码照片，入库后生成面纹编码。“面纹”编码方式是根据脸部的本质特征和开头来工作的，它利用一定算法，将光照、遮挡、年龄、表情和姿态等变化考虑进去，每种人脸识别系统“面纹”编码方式不同，识别率也不同。
第二个阶段获取当前人脸。可以从摄像头捕捉人脸或取照片输入，生成其面纹。
第三个阶段人脸比对识别。比对识别有两类。
一类是一对一比对，验证捕捉的人脸是否是某人。
另一类是一对多比对，验证捕捉的人脸是不是库中的他（她），即人脸自动识别系统将输入照片生成的面纹编码与系统人脸库中的面纹编码进行检索比对。
三、人脸识别难点
人脸识别被认为是生物特征识别领域甚至人工智能领域最困难的研究课题之一。
（一）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、检测是有利的，但是对于利用人脸区分人类个体是不利的。
（二）易变性
表情的变化，如人脸的外形、部件结构很不稳定；姿态的变化，如不同观察角度，人脸的视觉图像相差很大；光照的变化，如例如白天和夜晚，室内和室外等；遮盖，例如口罩、墨镜、头发、胡须等 ，其它还有年龄、化妆打扮的影响。
（三）用户配合度
现有的人脸识别系统在用户配合、采集条件比较理想的情况下可以取得令人满意的结果。
人脸比对时，与系统中存储的人脸有出入，例如剃了胡子、换了发型、多了眼镜、变了表情都有可能引起比对失败。
（四）其它方面
如低分辨率问题等也有可能引起比对失败。
第三节 典型人脸识别系统介绍
随着社会需求，开发人脸识别系统相关公司如雨后春笋，层出不穷。人脸识别系统为安保、反恐防控提供身份验证保障。
一、银晨人脸识别系统
银晨人脸识别系统是为世博会开发的人像采集设备的名称为“E面通”，它有刷卡区和一个屏幕，与闸机相连。世博会期间，进出世博园区约50万持证人员进入园区的人员需要将面部展示在“E面通”的屏幕前，系统采集人像数据后与资料库内照片进行比对，验证通过后方才放行，是典型的一对一识别系统，见图6-2。
图6-2 银晨人脸识别系统
二、中科奥森人脸识别系统
中科奥森人脸识别系统见图6-3。中科奥森人脸识别系统成功用于奥运会开幕式，2008年8月8日，数万名观众由国家体育场鸟巢的100多个人脸识别系统快速身份验证关口有序入场，参加2008北京奥运会的开幕式。
图6-3 中科奥森人脸识别系统
三、江苏省公安厅人脸识别系统
江苏省公安厅人脸识别系统是江苏省公安厅与南理工合作的研发项目，是“社会公共安全重点实验室”的成果之一。南京理工大学的杨静宇教授和他的课题组在“模式识别领用的特征抽取理论与算法”方面取得了突破性进展，该成果获2009年度国家自然科学奖二等奖。目前，江苏省公安厅人脸识别系统已经投入使用，江苏省各公安机关有专门的账号，省厅科技处负责专门维护，基层各技术部门，各所队利用此套人脸识别系统成果破案，抓获犯罪嫌疑人的典型事例选择性地被写进应用专栏。
进入江苏省公安厅人脸识别系统的方法是，首先打开江苏省公安信息网，在左下角滚动的专栏里选择“江苏公安人脸识别建设应用专栏”，然后点击进入，出现江苏公安人脸识别建设应用专栏，一共有“首页”、“图片新闻”、“通知通告”、“工作动态”、“技术服务”、“各地工作”、“在线留言”这样几个板块。在江苏公安人脸识别建设应用专栏这几个大字的左上角有人脸识别系统超链接，点击后可以进入江苏省公安厅人脸识别系统。
江苏省公安厅人脸识别系统使用方法。进入江苏省公安厅人脸识别系统后，出现框架网页界面，左上角系统公告显示“欢迎使用人脸识别系统”，左下方显示系统日志显示公安系统内部登陆人脸识别系统的时间、用户名。主页面显示系统框架图，人脸识别系统导航由五个部分组成，分别是核心服务、信息管理、部门应用、报表管理、系统配置。本课题需要熟悉并使用的是核心服务，核心服务中有人脸比对、本地比对、人脸入库、入库查询、小图像重建、户籍查重六个功能（如图1所示）。本课题主要使用人脸比对功能，根据数码照片的识别情况，总结此套人脸识别系统的性能，用统计学的方法进行研究。
点击人脸比对按钮，进入人脸比对界面。在照片框里选择需要上传的照片，将照片贴入对话框，系统会自动检索人脸，选取人脸完成，系统会提示“人脸特征提取完毕，请选择条件或直接点击开始比对！”为了使比对更精准，可以缩小比对范围，在页面下方有比对条件可以输入，如基本信息中的年龄段，性别，籍贯，类型（常住、暂住、在逃、前科、入所、全选），民族，户籍地，相似度选择。而针对图片变形问题，在图片向量中还有胖瘦可以选择，针对采集的照片人脸戴眼镜问题，在图片向量中有摘除眼镜选项，针对图片拍摄角度，即人脸姿态的问题，还有偏转角度选择。另外还有部件（眼镜、脸、眼眉、鼻子、嘴巴、下颚）过滤功能。
点击普通比对后，系统快速筛选，按相似度由大到小排序一组照片，照片旁显示信息（相似度、姓名、性别、类型、编号、身份证、籍贯、户籍地）。在完成比对的界面上会出现提示，性别后有五角星为前科人员，符合条件的人数，在此基础上可以通过关键字快速锁定对象，在关键字输入框内键入信息关键词即可。除了以一组照片出现外，系统还设置了幻灯片放映按钮，可以允许按相似度从大到小放映照片以便更清楚地查找。