人臉識別

人臉識別，是基於人的臉部特徵信息進行身份識別的一種生物識別技術。用攝像機或攝像頭採集含有人臉的圖像或視頻流，並自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進而對檢測到的人臉進行臉部識別的一系列相關技術，通常也叫做人像識別、面部識別。

基本介紹

• 中文名：人臉識別
• 別名：人像識別、面部識別
• 工具：攝像機或攝像頭
• 傳統技術：可見光圖像的人臉識別
• 處理方法：人臉識別算法
• 用途：身份識別

發展歷史

人臉識別系統的研究始於20世紀60年代，80年代後隨著計算機技術和光學成像技術的發展得到提高，而真正進入初級的套用階段則在90年後期，並且以美國、德國和日本的技術實現為主；人臉識別系統成功的關鍵在於是否擁有尖端的核心算法，並使識別結果具有實用化的識別率和識別速度；“人臉識別系統”集成了人工智慧、機器識別、機器學習、模型理論、專家系統、視頻圖像處理等多種專業技術，同時需結合中間值處理的理論與實現，是生物特徵識別的最新套用，其核心技術的實現，展現了弱人工智慧向強人工智慧的轉化。

技術特點

人臉識別

傳統的人臉識別技術主要是基於可見光圖像的人臉識別，這也是人們熟悉的識別方式，已有30多年的研發歷史。但這種方式有著難以克服的缺陷，尤其在環境光照發生變化時，識別效果會急劇下降，無法滿足實際系統的需要。解決光照問題的方案有三維圖像人臉識別，和熱成像人臉識別。但這兩種技術還遠不成熟，識別效果不盡人意。

迅速發展起來的一種解決方案是基於主動近紅外圖像的多光源人臉識別技術。它可以克服光線變化的影響，已經取得了卓越的識別性能，在精度、穩定性和速度方面的整體系統性能超過三維圖像人臉識別。這項技術在近兩三年發展迅速，使人臉識別技術逐漸走向實用化。

人臉與人體的其它生物特徵（指紋、虹膜等）一樣與生俱來，它的唯一性和不易被複製的良好特性為身份鑑別提供了必要的前提，與其它類型的生物識別比較人臉識別具有如下特點：

非強制性：用戶不需要專門配合人臉採集設備，幾乎可以在無意識的狀態下就可獲取人臉圖像，這樣的取樣方式沒有“強制性”；

非接觸性：用戶不需要和設備直接接觸就能獲取人臉圖像；
並發性：在實際套用場景下可以進行多個人臉的分揀、判斷及識別；
除此之外，還符合視覺特性：“以貌識人”的特性，以及操作簡單、結果直觀、隱蔽性好等特點。

技術流程

人臉識別系統主要包括四個組成部分，分別為：人臉圖像採集及檢測、人臉圖像預處理、人臉圖像特徵提取以及匹配與識別。

人臉圖像採集及檢測

人臉圖像採集：不同的人臉圖像都能通過攝像鏡頭採集下來，比如靜態圖像、動態圖像、不同的位置、不同表情等方面都可以得到很好的採集。當用戶在採集設備的拍攝範圍內時，採集設備會自動搜尋並拍攝用戶的人臉圖像。

人臉檢測：人臉檢測在實際中主要用於人臉識別的預處理，即在圖像中準確標定出人臉的位置和大小。人臉圖像中包含的模式特徵十分豐富，如直方圖特徵、顏色特徵、模板特徵、結構特徵及Haar特徵等。人臉檢測就是把這其中有用的信息挑出來，並利用這些特徵實現人臉檢測。

主流的人臉檢測方法基於以上特徵採用Adaboost學習算法，Adaboost算法是一種用來分類的方法，它把一些比較弱的分類方法合在一起，組合出新的很強的分類方法。

人臉檢測過程中使用Adaboost算法挑選出一些最能代表人臉的矩形特徵(弱分類器)，按照加權投票的方式將弱分類器構造為一個強分類器，再將訓練得到的若干強分類器串聯組成一個級聯結構的層疊分類器，有效地提高分類器的檢測速度。

人臉圖像預處理

人臉圖像預處理：對於人臉的圖像預處理是基於人臉檢測結果，對圖像進行處理並最終服務於特徵提取的過程。系統獲取的原始圖像由於受到各種條件的限制和隨機干擾，往往不能直接使用，必須在圖像處理的早期階段對它進行灰度校正、噪聲過濾等圖像預處理。對於人臉圖像而言，其預處理過程主要包括人臉圖像的光線補償、灰度變換、直方圖均衡化、歸一化、幾何校正、濾波以及銳化等。

人臉圖像特徵提取

人臉圖像特徵提取：人臉識別系統可使用的特徵通常分為視覺特徵、像素統計特徵、人臉圖像變換係數特徵、人臉圖像代數特徵等。人臉特徵提取就是針對人臉的某些特徵進行的。人臉特徵提取，也稱人臉表征，它是對人臉進行特徵建模的過程。人臉特徵提取的方法歸納起來分為兩大類：一種是基於知識的表征方法；另外一種是基於代數特徵或統計學習的表征方法。

基於知識的表征方法主要是根據人臉器官的形狀描述以及他們之間的距離特性來獲得有助於人臉分類的特徵數據，其特徵分量通常包括特徵點間的歐氏距離、曲率和角度等。人臉由眼睛、鼻子、嘴、下巴等局部構成，對這些局部和它們之間結構關係的幾何描述，可作為識別人臉的重要特徵，這些特徵被稱為幾何特徵。基於知識的人臉表征主要包括基於幾何特徵的方法和模板匹配法。

人臉圖像匹配與識別

人臉圖像匹配與識別：提取的人臉圖像的特徵數據與資料庫中存儲的特徵模板進行搜尋匹配，通過設定一個閾值，當相似度超過這一閾值，則把匹配得到的結果輸出。人臉識別就是將待識別的人臉特徵與已得到的人臉特徵模板進行比較，根據相似程度對人臉的身份信息進行判斷。這一過程又分為兩類：一類是確認，是一對一進行圖像比較的過程，另一類是辨認，是一對多進行圖像匹配對比的過程。

識別算法

一般來說，人臉識別系統包括圖像攝取、人臉定位、圖像預處理、以及人臉識別（身份確認或者身份查找）。系統輸入一般是一張或者一系列含有未確定身份的人臉圖像，以及人臉資料庫中的若干已知身份的人臉圖象或者相應的編碼，而其輸出則是一系列相似度得分，表明待識別的人臉的身份。

人臉識別

人臉識別算法分類

基於人臉特徵點的識別算法（Feature-based recognition algorithms）。

基於整幅人臉圖像的識別算法（Appearance-based recognition algorithms）。

基於模板的識別算法（Template-based recognition algorithms）。

利用神經網路進行識別的算法（Recognition algorithms using neural network）。

基於光照估計模型理論

神經網路識別

提出了基於Gamma灰度矯正的光照預處理方法,並且在光照估計模型的基礎上，進行相應的光照補償和光照平衡策略。

最佳化的形變統計校正理論

基於統計形變的校正理論，最佳化人臉姿態；強化疊代理論

強化疊代理論是對DLFA人臉檢測算法的有效擴展；

獨創的實時特徵識別理論

該理論側重於人臉實時數據的中間值處理，從而可以在識別速率和識別效能之間，達到最佳的匹配效果

識別數據

人臉識別需要積累採集到的大量人臉圖像相關的數據，用來驗證算法，不斷提高識別準確性，這些數據諸如A Neural Network Face Recognition Assignment(神經網路人臉識別數據)、orl人臉資料庫、麻省理工學院生物和計算學習中心人臉識別資料庫、埃塞克斯大學計算機與電子工程學院人臉識別數據等。

配合程度

現有的人臉識別系統在用戶配合、採集條件比較理想的情況下可以取得令人滿意的結果。但是，在用戶不配合、採集條件不理想的情況下，現有系統的識別率將陡然下降。比如，人臉比對時，與系統中存儲的人臉有出入，例如剃了鬍子、換了髮型、多了眼鏡、變了表情都有可能引起比對失敗。

優勢困難

優勢

人臉識別的優勢在於其自然性和不被被測個體察覺的特點。

所謂自然性，是指該識別方式同人類（甚至其他生物）進行個體識別時所利用的生物特徵相同。例如人臉識別，人類也是通過觀察比較人臉區分和確認身份的，另外具有自然性的識別還有語音識別、體形識別等，而指紋識別、虹膜識別等都不具有自然性，因為人類或者其他生物並不通過此類生物特徵區別個體。

虹膜識別

不被察覺的特點對於一種識別方法也很重要，這會使該識別方法不令人反感，並且因為不容易引起人的注意而不容易被欺騙。人臉識別具有這方面的特點，它完全利用可見光獲取人臉圖像信息，而不同於指紋識別或者虹膜識別，需要利用電子壓力感測器採集指紋，或者利用紅外線採集虹膜圖像，這些特殊的採集方式很容易被人察覺，從而更有可能被偽裝欺騙。

困難

人臉識別被認為是生物特徵識別領域甚至人工智慧領域最困難的研究課題之一。人臉識別的困難主要是人臉作為生物特徵的特點所帶來的。

相似性

不同個體之間的區別不大，所有的人臉的結構都相似，甚至人臉器官的結構外形都很相似。這樣的特點對於利用人臉進行定位是有利的，但是對於利用人臉區分人類個體是不利的。

人臉類似性

易變性

人臉的外形很不穩定，人可以通過臉部的變化產生很多表情，而在不同觀察角度，人臉的視覺圖像也相差很大，另外，人臉識別還受光照條件（例如白天和夜晚，室內和室外等）、人臉的很多遮蓋物（例如口罩、墨鏡、頭髮、鬍鬚等）、年齡等多方面因素的影響。

在人臉識別中，第一類的變化是應該放大而作為區分個體的標準的，而第二類的變化應該消除，因為它們可以代表同一個個體。通常稱第一類變化為類間變化（inter-class difference），而稱第二類變化為類內變化（intra-class difference）。對於人臉，類內變化往往大於類間變化，從而使在受類內變化干擾的情況下利用類間變化區分個體變得異常困難。

主要用途

人臉識別主要用於身份識別。由於視頻監控正在快速普及，眾多的視頻監控套用迫切需要一種遠距離、用戶非配合狀態下的快速身份識別技術，以求遠距離快速確認人員身份，實現智慧型預警。人臉識別技術無疑是最佳的選擇，採用快速人臉檢測技術可以從監控視頻圖象中實時查找人臉，並與人臉資料庫進行實時比對，從而實現快速身份識別。

人臉識別主要用於身份識別

套用前景

生物識別技術已廣泛用於政府、軍隊、銀行、社會福利保障、電子商務、安全防務等領域。例如，一位儲戶走進了銀行，他既沒帶銀行卡，也沒有回憶密碼就徑直提款，當他在提款機上提款時，一台攝像機對該用戶的眼睛掃描，然後迅速而準確地完成了用戶身份鑑定，辦理完業務。這是美國德克薩斯州聯合銀行的一個營業部中發生的一個真實的鏡頭。而該營業部所使用的正是現代生物識別技術中的“虹膜識別系統”。此外，美國“9.11”事件後，反恐怖活動已成為各國政府的共識，加強機場的安全防務十分重要。美國維薩格公司的臉像識別技術在美國的兩家機場大顯神通，它能在擁擠的人群中挑出某一張面孔，判斷他是不是通緝犯。

當前社會上頻繁出現的入室偷盜、搶劫、傷人等案件的不斷發生，鑒於此種原因，防盜門開始走進千家萬戶，給家庭帶來安寧；然而，隨著社會的發展，技術的進步，生活節奏的加速，消費水平的提高，人們對於家居的期望也越來越高，對便捷的要求也越來越迫切，基於傳統的純粹機械設計的防盜門，除了堅固耐用外，很難快速滿足這些新興的需求：便捷，開門記錄等功能。人臉識別技術已經得到廣泛的認同，但其套用門檻仍然很高：技術門檻高（開發周期長），經濟門檻高（價格高）。

人臉識別產品已廣泛套用於金融、司法、軍隊、公安、邊檢、政府、航天、電力、工廠、教育、醫療及眾多企事業單位等領域。隨著技術的進一步成熟和社會認同度的提高，人臉識別技術將套用在更多的領域。

1、企業、住宅安全和管理。如人臉識別門禁考勤系統，人臉識別防盜門等。

2、電子護照及身份證。中國的電子護照計畫公安部一所正在加緊規劃和實施。

3、公安、司法和刑偵。如利用人臉識別系統和網路，在全國範圍內搜捕逃犯。

4、自助服務。

5、信息安全。如計算機登錄、電子政務和電子商務。在電子商務中交易全部在網上完成，電子政務中的很多審批流程也都搬到了網上。而當前，交易或者審批的授權都是靠密碼來實現，如果密碼被盜，就無法保證安全。但是使用生物特徵，就可以做到當事人在網上的數字身份和真實身份統一，從而大大增加電子商務和電子政務系統的可靠性。

主要產品

數位相機

人臉自動對焦和笑臉快門技術：首先是面部捕捉。它根據人的頭部的部位進行判定，首先確定頭部，然後判斷眼睛和嘴巴等頭部特徵，通過特徵庫的比對，確認是人面部，完成面部捕捉。然後以人臉為焦點進行自動對焦，可以大大的提升拍出照片的清晰度。 　笑臉快門技術就是在人臉識別的基礎上，完成了面部捕捉，然後開始判斷嘴的上彎程度和眼的下彎程度，來判斷是不是笑了。以上所有的捕捉和比較都是在對比特徵庫的情況下完成的，所以特徵庫是基礎，裡面有各種典型的面部和笑臉特徵數據。

門禁系統

受安全保護的地區可以通過人臉識別辨識試圖進入者的身份。人臉識別系統可用於企業、住宅安全和管理。如人臉識別門禁考勤系統，人臉識別防盜門等。

人臉識別門禁

人臉識別門禁是基於先進的人臉識別技術，結合成熟的ID卡和指紋識別技術而推出的安全實用的門禁產品。產品採用分體式設計，人臉、指紋和ID卡信息的採集和生物信息識別及門禁控制內外分離，實用性高、安全可靠。系統採用網路信息加密傳輸，支持遠程進行控制和管理，可廣泛套用於銀行、軍隊、公檢法、智慧型樓宇等重點區域的門禁安全控制。

身份辨識

如電子護照及身份證。這或許是未來規模套用。在國際民航組織已確定，從 2010年 4月 1日起，其 118個成員國家和地區，必須使用機讀護照，人臉識別技術是首推識別模式，該規定已經成為國際標準。美國已經要求和它有出入免簽證協定的國家在2006年10月 26日之前必須使用結合了人臉指紋等生物特徵的電子護照系統，到 2006年底已經有 50多個國家實現了這樣的系統。美國運輸安全署（ Transportation Security Administration）計畫在全美推廣一項基於生物特徵的國內通用旅行證件。歐洲很多國家也在計畫或者正在實施類似的計畫，用包含生物特徵的證件對旅客進行識別和管理。中國的電子護照計畫公安部一所正在加緊規劃和實施。

可在機場、體育場、超級市場等公共場所對人群進行監視，例如在機場安裝監視系統以防止恐怖分子登機。如銀行的自動提款機，用戶卡片和密碼被盜，就會被他人冒取現金。同時套用人臉識別就會避免這種情況的發生。通過查詢目標人像數據尋找資料庫中是否存在重點人口基本信息。例如在機場或車站安裝系統以抓捕在逃案犯。

網路套用

利用人臉識別輔助信用卡網路支付，以防止非信用卡的擁有者使用信用卡等。如計算機登錄、電子政務和電子商務。在電子商務中交易全部在網上完成，電子政務中的很多審批流程也都搬到了網上。而當前，交易或者審批的授權都是靠密碼來實現。如果密碼被盜，就無法保證安全。如果使用生物特徵，就可以做到當事人在網上的數字身份和真實身份統一。從而大大增加電子商務和電子政務系統的可靠性。

娛樂套用

人臉識別技術廣泛地套用於日常生活中，如相機拍攝，圖片對比等，尤其近兩年來，相親節目如火如荼，其中浙江電視台的愛情連連看中的最佳夫妻像環節就利用了人臉對比技術來測試男女主人公面相的相似程度。

隨著移動網際網路的崛起，一些人臉識別技術的開發者將該項技術套用到娛樂領域中，如套用開心明星臉等，根據人臉的輪廓，膚色，紋理，質地，色彩，光照等特徵來計算照片中主人公與明星的相似度。

套用示例

2012年4月13日京滬高鐵安檢區域人臉識別系統工程開始招標，上海虹橋站、天津西站和濟南西站三個車站安檢區域將安裝用於身份識別的高科技安檢系統——人臉識別系統，以協助公安部門抓捕在逃案犯，人臉識別產品及系統解決方案的高科技創新型企業。由該領域內的專家組成了核心技術研發團隊，專注於以人臉識別技術為核心，覆蓋考勤、門禁安防等多領域的產品設計與研發項目。現今人臉識別產品已廣泛套用於金融、司法、軍隊、公安、邊檢、政府、航天、電力、工廠、教育、醫療及眾多企事業單位等領域。

2013年9月5日，刷臉支付系統在中國國際金融展上亮相。 刷臉支付系統基於天誠盛業自主研發的生物識別雲金融平台，將自主智慧財產權軍用級別的人臉識別算法與現有的支付系統進行融合，對接了我們生活中涉及到支付、轉賬、結算和交易的環節。在支付時人們不再需要銀行卡、存摺和密碼，甚至是手機，只需要對著攝像頭點個頭、露個笑臉，刷臉支付系統將會在幾秒內完成身份確認、賬戶讀取、轉賬支付、交易確認等一站式支付環節，為用戶創建更棒的支付體驗。

2014年8月起，日本將在部分機場的出入國審查(邊檢)處重啟人臉識別系統的實驗。2012年實施的首次實驗因錯誤頻發而一度中止，但法務省認為，為迎接2020年東京奧運會需提高邊檢速度，於是決定重啟實驗。實驗將在2014年8月起進行約5周，對象為在羽田機場和成田機場乘機的日本人。負責實驗的企業將於近期敲定。日本政府在各地機場設定了僅憑指紋識別便可通過的自動邊檢門，但因需要事先登記指紋，乘客利用率不高。人臉識別則無需事先登記。

2015年3月15日漢諾瓦IT博覽會(CeBIT)在德國開幕，阿里巴巴創始人馬雲作為唯一受邀的企業家代表，在開幕式上作了主旨演講。在發表演講後，馬雲還為德國總理默克爾與中國副總理馬凱演示了螞蟻金服的Smile to Pay掃臉技術，並當場刷自己的臉給嘉賓買禮物。馬雲選擇的禮物是淘寶網上一枚1948年的漢諾瓦紀念郵票。他用手機登入淘寶，首先選擇產品；第二步進入支付系統，確認支付後出現掃臉的頁面；然後掃臉(拍照後)後台認證；接著顯示支付成功。馬雲現場為德國總理默克爾贈送了一份特殊禮物：一張紀念版的德國日曆頁，且恰好就是這位女總理的出生年月。