張玉萍

黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院

淺析人臉識(shí)別系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張玉萍

黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院

傳統(tǒng)的身份識(shí)別技術(shù)（例如身份證、簽章、指紋、密鑰、磁卡等）已逐漸退出了高科技識(shí)別技術(shù)的發(fā)展平臺(tái)。那些傳統(tǒng)認(rèn)證方式使用已不再便捷，而且偽造起來也比較容易，會(huì)嚴(yán)重侵害到持有人的權(quán)益。公共安全系統(tǒng)，例如政府機(jī)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)銀行、鐵路、銀行、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)、電子商務(wù)等更是對(duì)身份認(rèn)證的手段提出了更為嚴(yán)格的要求。而人臉識(shí)別系統(tǒng)的研究將給傳統(tǒng)識(shí)別技術(shù)帶來巨大變革。

人臉識(shí)別；圖像處理；身份識(shí)別；人臉庫(kù)

1.研究背景及意義

隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的不斷進(jìn)步，我們對(duì)日常生活和工作環(huán)境有了越來越高的要求。我們對(duì)家居和辦公的智能化要求在逐漸上升，其中人臉識(shí)別技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用于這些場(chǎng)所。近年來，人臉識(shí)別系統(tǒng)以其使用的強(qiáng)大和智能化深受人們的青睞。人臉識(shí)別系統(tǒng)的核心是將計(jì)算機(jī)科學(xué)和統(tǒng)計(jì)科學(xué)融為一體的高精尖技術(shù)，采用人臉識(shí)別模式[1]對(duì)圖像進(jìn)行特征提取、建立合理的人臉特征向量空間的技術(shù)。當(dāng)人臉樣本在人臉識(shí)別設(shè)備前檢測(cè)時(shí)，就會(huì)進(jìn)行測(cè)試人臉圖像與樣本圖像的比對(duì)，并將對(duì)比結(jié)果以語(yǔ)音或是以畫面的形式進(jìn)行反饋。

目前人們所引用的人臉識(shí)別技術(shù)屬于生物特征識(shí)別領(lǐng)域中的一門學(xué)科，它優(yōu)于其他生物特征識(shí)別（例如掌型、聲音、虹膜[2]、指紋[3]等）的地方有以下幾點(diǎn)：

(1)不需進(jìn)行接觸的識(shí)別方式

這種形式可以大大提高測(cè)試樣本的識(shí)別速度，不同于其他的識(shí)別方式要提供配合才能工作，而且可以考慮到使用者的行為活動(dòng)受限制等問題。

(2)隱蔽性良好

人臉識(shí)別可在不被測(cè)試者發(fā)現(xiàn)的情況下完成身份識(shí)別的功能，這要比虹膜識(shí)別、掌紋識(shí)別技術(shù)更加優(yōu)越之處。

(3)具有使用方便、快捷的能力

人臉識(shí)別可以對(duì)正面人臉圖像進(jìn)行識(shí)別問題，還可以對(duì)各種人臉表情、姿態(tài)進(jìn)行算法分析后進(jìn)行識(shí)別，能夠達(dá)到不同條件下的人臉圖像完成識(shí)別的要求，并且不需要再重新建立新的人臉庫(kù)。

2.人臉識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求分析

人臉識(shí)別技術(shù)是生物特征識(shí)別學(xué)科，它將不同于傳統(tǒng)的實(shí)物識(shí)別技術(shù)，人臉識(shí)別技術(shù)以其獨(dú)特的生理特性降低了被偽造和篡改的可能性，又由于其持久性將大大提高其使用周期，同時(shí)降低了設(shè)備的投入資金，適用領(lǐng)域和場(chǎng)所較為廣泛。

我們可以按照學(xué)校教職員工上下班簽到的要求，設(shè)計(jì)一款通過人臉自動(dòng)識(shí)別技術(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)進(jìn)入識(shí)別使用前，應(yīng)先存儲(chǔ)教職員工的人臉數(shù)據(jù)信息，內(nèi)容可以包括人臉圖像、姓名等一些關(guān)鍵性信息。該系統(tǒng)包含實(shí)現(xiàn)內(nèi)存中已有教職員工身份的識(shí)別，以及非法登陸人員的語(yǔ)音提示功能。該人臉識(shí)別系統(tǒng)重點(diǎn)是達(dá)到人臉的正確識(shí)別目的，分兩個(gè)階段來實(shí)現(xiàn)。第一階段是圖像的采集和錄入以搭建人臉圖像信息數(shù)據(jù)平臺(tái)；第二階段是人臉訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本的識(shí)別部分，這將是系統(tǒng)的主要研究部分和重點(diǎn)測(cè)試部分。

系統(tǒng)功能性要求：

由于教職員工上下班都需要進(jìn)行簽到，并且人員多，識(shí)別時(shí)間緊張，所以本系統(tǒng)應(yīng)該達(dá)到人臉識(shí)別所用時(shí)間短、識(shí)別率高的目標(biāo)。該系統(tǒng)在功能的設(shè)計(jì)上應(yīng)盡量考慮平臺(tái)的簡(jiǎn)潔、清晰和重點(diǎn)突出的要求，以下是對(duì)本系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的闡述：

(1)人臉圖像信息采集功能，主要對(duì)學(xué)校全體教職員工人臉圖片的拍攝以及姓名、所在科室等信息的錄入。

(2)人臉圖像預(yù)處理功能，對(duì)收集到的人臉圖像進(jìn)行詳細(xì)調(diào)整，按照要求統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，為后續(xù)進(jìn)行人臉圖像訓(xùn)練和測(cè)試做好前期工作。

(3)人臉圖像樣本的訓(xùn)練，人臉圖像預(yù)處理達(dá)到統(tǒng)一要求后，要對(duì)人臉圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，所提取的數(shù)據(jù)可以作為進(jìn)行下一階段人臉識(shí)別的依據(jù)。

(4)人臉圖像測(cè)試樣本的識(shí)別，對(duì)測(cè)試樣本圖像信息進(jìn)行檢測(cè)和判斷，獲得正確的結(jié)果，完成身份識(shí)別功能。

3.人臉識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

根據(jù)人臉系統(tǒng)功能要求，將人臉識(shí)別系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)總結(jié)如下：

(1)人臉圖像的采集，在使用攝像機(jī)拍攝人臉圖像時(shí)本系統(tǒng)對(duì)采集的圖像要求是正面人臉圖像，人臉的圖像應(yīng)該完整，并且盡量保持相同的人臉圖像背景。

(2)人臉圖像的預(yù)處理，除了對(duì)收集到的圖片要設(shè)定統(tǒng)一的大小規(guī)格，還要具有統(tǒng)一灰度的要求。

(3)人臉圖像的特征提取，通過大量的人臉圖片信息的反復(fù)驗(yàn)證，得到一組穩(wěn)定可靠的人臉特征信息，以此來作為人臉識(shí)別的對(duì)比參照數(shù)據(jù)。

(4)人臉的識(shí)別，識(shí)別階段的前期處理過程與訓(xùn)練階段是完全相同的，都要經(jīng)過圖像采集、預(yù)處理、特征提取的過程來進(jìn)行操作，訓(xùn)練樣本得到的特征信息與測(cè)試樣本信息進(jìn)比對(duì)，如果得到的比對(duì)值在滿足在一定的范圍內(nèi)，那么說明測(cè)試樣本在人臉庫(kù)中存在，并且可以判定此人的身份。

(5)輸出結(jié)果（驗(yàn)證成功或驗(yàn)證失?。?/p>

本系統(tǒng)適用于學(xué)校內(nèi)的教職人員上下班簽到情況，并不涉及到人員采集信息不配合的情況，因此可直接采集到人臉的正面、面部沒有遮擋物的圖像，這樣就可以減少圖像處理環(huán)節(jié)和后續(xù)人臉識(shí)別算法等特殊的要求，也減少了樣本訓(xùn)練過程中繁雜的工作環(huán)節(jié)。

3.2 系統(tǒng)的應(yīng)用構(gòu)架

人臉識(shí)別系統(tǒng)的好壞，很大程度上取決于人臉訓(xùn)練樣本特征提取的精良程度，同時(shí)訓(xùn)練樣本特征值參數(shù)測(cè)定和選取也非常重要。本論文對(duì)人臉識(shí)別的登錄框架系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，主要的運(yùn)行步驟是：首先從拍攝設(shè)備中提取要測(cè)試的人臉圖像，然后將該人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理，最后用本系統(tǒng)所選用的主成分分析算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類器的共同作用，找出與測(cè)試樣本數(shù)據(jù)匹配的人臉庫(kù)圖像。最終通過用戶界面將匹配結(jié)果呈現(xiàn)出來。以下是對(duì)登錄系統(tǒng)使用界面的介紹：

(1)開始進(jìn)入登陸界面；

(2)按動(dòng)“錄入”按鈕：顯示抓取圖像；

(3)按動(dòng)“識(shí)別”按鈕：開始識(shí)別。此時(shí)界面可以顯示與測(cè)試樣本相似性最好的模板庫(kù)中的圖片；

(4)按動(dòng)“退出”按鈕：清空登陸界面，開始下一次識(shí)別。

總結(jié)

人臉識(shí)別系統(tǒng)主要是對(duì)傳統(tǒng)識(shí)別系統(tǒng)中出現(xiàn)的諸多不利因素而研發(fā)的。它克服了傳統(tǒng)識(shí)別多采用“用戶ID+密碼”、通過IC卡進(jìn)行的打卡制度中出現(xiàn)的忘記密碼、密碼失竊、代替打卡等弊端。人臉識(shí)別系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是真正意義上的對(duì)本人的身份識(shí)別，這是一種無法通過其它外界事物所取代的科學(xué)技術(shù)。

[1]韓力群.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計(jì)及應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[2]何飛,劉元寧,朱曉東.一種適于虹膜識(shí)別的特征提取算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2009,10(5)：53-56.

[3]明泉水,孫季豐.一種新的掌紋定位方法[A].2009年中國(guó)高校通信類院系學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C],2009.