人臉識別技術(shù)匯總解釋

“他來聽我的演唱會，門票換了手銬一對”。最近歌神張學(xué)友變阿SIR，演唱會上頻頻抓到罪犯，將人臉識別技術(shù)又一次推到了大眾的視線中。要說人臉識別技術(shù)的爆發(fā)，當(dāng)屬去年9月份蘋果iPhone x的發(fā)布，不再需要指紋，只需要掃描面部就可以輕松解鎖手機(jī)。任何技術(shù)一旦進(jìn)入智能手機(jī)這個消費市場，尤其是被蘋果這個標(biāo)志性的品牌采用，就意味著它將成為一種趨勢，一個智能設(shè)備的標(biāo)配。

在智能手機(jī)快速崛起的這幾年，其密碼鎖經(jīng)歷了從數(shù)字密碼、手勢解鎖到指紋識別的升級，發(fā)展到如今的虹膜識別和人臉識別?？梢灶A(yù)料的是，由于全面屏幕的普及和更為安全、便捷的 FaceID 技術(shù)的出現(xiàn)，在不久的將來，指紋識別也將被智能手機(jī)廠商們所拋棄，完成它的歷史使命。

那么人臉識別到底是一項怎樣的技術(shù)，這期《趣科技》，與非網(wǎng)小編就將帶大家走進(jìn)人臉識別，聊聊這項黑科技。

人臉識別是啥玩意兒？

人臉識別技術(shù)，是基于人的臉部特征信息進(jìn)行身份識別的一種生物識別技術(shù)。用攝像機(jī)或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流，并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉，進(jìn)而對檢測到的人臉進(jìn)行臉部的一系列相關(guān)技術(shù)，通常也叫做人像識別、面部識別。傳統(tǒng)的人臉識別技術(shù)主要是基于可見光圖像的人臉識別，這也是人們熟悉的識別方式。簡單的來說就是一個讓計算機(jī)認(rèn)出你的過程。

人臉識別技術(shù)主要是通過人臉圖像特征的提取與對比來進(jìn)行的。人臉識別系統(tǒng)將提取的人臉圖像的特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的特征模板進(jìn)行搜索匹配，通過設(shè)定一個閾值，當(dāng)相似度超過這一閾值，則把匹配得到的結(jié)果輸出。將待識別的人臉特征與已得到的人臉特征模板進(jìn)行比較，根據(jù)相似程度對人臉的身份信息進(jìn)行判斷。這一過程又分為兩類：一類是確認(rèn)，是一對一進(jìn)行圖像比較的過程，另一類是辨認(rèn)，是一對多進(jìn)行圖像匹配對比的過程。

廣義的人臉識別實際包括構(gòu)建人臉識別系統(tǒng)的一系列相關(guān)技術(shù)，包括人臉圖像采集、人臉定位、人臉識別預(yù)處理、身份確認(rèn)以及身份查找等；而狹義的人臉識別特指通過人臉進(jìn)行身份確認(rèn)或者身份查找的技術(shù)或系統(tǒng)。

人臉識別技術(shù)發(fā)展

早在20世紀(jì)50年代，認(rèn)知科學(xué)家就已著手對人臉識別展開研究。20世紀(jì)60年代，人臉識別工程化應(yīng)用研究正式開啟。當(dāng)時的方法主要利用了人臉的幾何結(jié)構(gòu)，通過分析人臉器官特征點及其之間的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行辨識。這種方法簡單直觀，但是一旦人臉姿態(tài)、表情發(fā)生變化，則精度嚴(yán)重下降。

1991年，著名的“特征臉”方法第一次將主成分分析和統(tǒng)計特征技術(shù)引入人臉識別，在實用效果上取得了長足的進(jìn)步。這一思路也在后續(xù)研究中得到進(jìn)一步發(fā)揚(yáng)光大，例如，Belhumer成功將Fisher判別準(zhǔn)則應(yīng)用于人臉分類，提出了基于線性判別分析的Fisherface方法。

由劍橋人臉數(shù)據(jù)集的特征分解獲得的前四個特征向量

21世紀(jì)的前十年，隨著機(jī)器學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，學(xué)者們相繼探索出了基于遺傳算法、支持向量機(jī)（Support Vector Machine， SVM）、boosTIng、流形學(xué)習(xí)以及核方法等進(jìn)行人臉識別。 2009年至2012年，稀疏表達(dá)（Sparse RepresentaTIon）因為其優(yōu)美的理論和對遮擋因素的魯棒性成為當(dāng)時的研究熱點。

與此同時，業(yè)界也基本達(dá)成共識：基于人工精心設(shè)計的局部描述子進(jìn)行特征提取和子空間方法進(jìn)行特征選擇能夠取得最好的識別效果。Gabor及LBP特征描述子是迄今為止在人臉識別領(lǐng)域最為成功的兩種人工設(shè)計局部描述子。這期間，對各種人臉識別影響因子的針對性處理也是那一階段的研究熱點，比如人臉光照歸一化、人臉姿態(tài)校正、人臉超分辨以及遮擋處理等。也是在這一階段，研究者的關(guān)注點開始從受限場景下的人臉識別轉(zhuǎn)移到非受限環(huán)境下的人臉識別。LFW人臉識別公開競賽在此背景下開始流行，當(dāng)時最好的識別系統(tǒng)盡管在受限的FRGC測試集上能取得99％以上的識別精度，但是在LFW上的最高精度僅僅在80％左右，距離實用看起來距離頗遠(yuǎn)。

2013年，MSRA的研究者首度嘗試了10萬規(guī)模的大訓(xùn)練數(shù)據(jù)，并基于高維LBP特征和Joint Bayesian方法在LFW上獲得了95．17％的精度。這一結(jié)果表明：大訓(xùn)練數(shù)據(jù)集對于有效提升非受限環(huán)境下的人臉識別很重要。然而，以上所有這些經(jīng)典方法，都難以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練場景。

2014年前后，隨著大數(shù)據(jù)和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)重受矚目，并在圖像分類、手寫體識別、語音識別等應(yīng)用中獲得了遠(yuǎn)超經(jīng)典方法的結(jié)果。香港中文大學(xué)的Sun Yi等人提出將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到人臉識別上，采用20萬訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在LFW上第一次得到超過人類水平的識別精度，這是人臉識別發(fā)展歷史上的一座里程碑。

表1 人臉識別經(jīng)典方法及其在LFW上精度對比

自此之后，研究者們不斷改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時擴(kuò)大訓(xùn)練樣本規(guī)模，將LFW上的識別精度推到99．5％以上。如表1所示，我們給出了人臉識別發(fā)展過程中一些經(jīng)典的方法及其在LFW上的精度，一個基本的趨勢是：訓(xùn)練數(shù)據(jù)規(guī)模越來越大，識別精度越來越高。

人臉識別十大關(guān)鍵技術(shù)

1、人臉檢測（Face DetecTIon）

“人臉檢測（Face DetecTIon）”的作用就是要檢測出圖像中人臉?biāo)谖恢谩?/p>

人臉檢測算法的輸入是一張圖像，輸出是人臉框坐標(biāo)序列，具體結(jié)果是0個人臉框或1個人臉框或多個人臉框。輸出的人臉坐標(biāo)框可以為正方形、矩形等。

人臉檢測算法的原理簡單來說是一個“掃描”加“判定”的過程。即首先在整個圖像范圍內(nèi)掃描，再逐個判定候選區(qū)域是否是人臉的過程。因此人臉檢測算法的計算速度會跟圖像尺寸大小以及圖像內(nèi)容相關(guān)。在實際算法時，我們可以通過設(shè)置“輸入圖像尺寸”、或“最小臉尺寸限制”、“人臉數(shù)量上限”的方式來加速算法。

舉例說明：綠色矩形框標(biāo)注的即為人臉檢測算法檢測到的人臉位置

2、人臉配準(zhǔn)（Face Alignment）

“人臉配準(zhǔn)（Face Alignment）”所實現(xiàn)的目的是定位出人臉上五官關(guān)鍵點坐標(biāo)。

人臉配準(zhǔn)算法的輸入是“一張人臉圖像”和“人臉坐標(biāo)框”，輸出是五官關(guān)鍵點的坐標(biāo)序列。五官關(guān)鍵點的數(shù)量是預(yù)先設(shè)定好的一個固定數(shù)值，常見的有5點、68點、90點等等。

當(dāng)前效果的較好的一些人臉配準(zhǔn)技術(shù)基本通過深度學(xué)習(xí)框架實現(xiàn)。這些方法都是基于人臉檢測的坐標(biāo)框，按某種事先設(shè)定規(guī)則將人臉區(qū)域摳取出來，縮放到固定尺寸，然后進(jìn)行關(guān)鍵點位置的計算。另外，相對于人臉檢測，或者是后面將提到的人臉特征提取的過程，人臉配準(zhǔn)算法的計算耗時都要少很多。

舉例說明：輸入圖像以及輸出結(jié)果如下，綠色圓點標(biāo)注出了五官位置。

3、人臉屬性識別（Face Attribute）

“人臉屬性識別（Face Attribute）”是識別出人臉的性別、年齡、姿態(tài)、表情等屬性值的一項技術(shù)。這在有些相機(jī)APP中有所應(yīng)用，可以自動識別攝像頭視野中人物的性別、年齡等特征并標(biāo)注出來。

一般的人臉屬性識別算法的輸入是“一張人臉圖”和“人臉五官關(guān)鍵點坐標(biāo)”，輸出是人臉相應(yīng)的屬性值。人臉屬性識別算法一般會根據(jù)人臉五官關(guān)鍵點坐標(biāo)將人臉對齊，具體過程為旋轉(zhuǎn)、縮放、摳取等操作后，將人臉調(diào)整到預(yù)定的大小和形態(tài)，以便之后進(jìn)行屬性分析。

人臉的屬性識別包括性別識別、年齡估計、表情識別、姿態(tài)識別、發(fā)型識別等等方面。一般來說每種屬性的識別算法過程是獨立的，但是有一些新型的基于深度學(xué)習(xí)實現(xiàn)的算法可以實現(xiàn)同時輸出年齡、性別、姿態(tài)、表情等屬性識別結(jié)果。

舉例說明：人臉屬性識別輸出結(jié)果如下

4、人臉提特征（Face Feature Extraction）

“人臉提特征（Face Feature Extraction）”是將一張人臉圖像轉(zhuǎn)化為可以表征人臉特點的特征，具體表現(xiàn)形式為一串固定長度的數(shù)值。

人臉提特征過程的輸入是 “一張人臉圖”和“人臉五官關(guān)鍵點坐標(biāo)”，輸出是人臉相應(yīng)的一個數(shù)值串（特征）。人臉提特征算法實現(xiàn)的過程為：首先將五官關(guān)鍵點坐標(biāo)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放等等操作來實現(xiàn)人臉對齊，然后在提取特征并計算出數(shù)值串。

舉例說明：人臉特征提取過程

5、人臉比對（Face Compare）

“人臉比對（Face Compare）”算法實現(xiàn)的目的是衡量兩個人臉之間相似度。

人臉比對算法的輸入是兩個人臉特征人臉特征由前面的人臉提特征算法獲得，輸出是兩個特征之間的相似度。

舉例說明：人臉對比過程，輸出結(jié)果為相似度96％

6、人臉驗證（Face Verification）

“人臉驗證（Face Verification）”是判定兩個人臉圖是否為同一人的算法。

它的輸入是兩個人臉特征，通過人臉比對獲得兩個人臉特征的相似度，通過與預(yù)設(shè)的閾值比較來驗證這兩個人臉特征是否屬于同一人。

舉例說明：人臉驗證過程如下，相似度96％大于閾值75％，判定屬于同一個人

7、人臉識別（Face Recognition）

“人臉識別（Face Recognition）”是識別出輸入人臉圖對應(yīng)身份的算法。

它的輸入為一個人臉特征，通過和注冊在庫中N個身份對應(yīng)的特征進(jìn)行逐個比對，找出“一個”與輸入特征相似度最高的特征。將這個最高相似度值和預(yù)設(shè)的閾值相比較，如果大于閾值，則返回該特征對應(yīng)的身份，否則返回“不在庫中”。

舉例說明：人臉識別過程如下，判斷結(jié)果為輸入圖像為注冊庫中的jason

8、人臉檢索（Face Retrieval）

“人臉檢索”是查找和輸入人臉相似的人臉序列的算法。

人臉檢索通過將輸入的人臉和一個集合中的說有人臉進(jìn)行比對，根據(jù)比對后的相似度對集合中的人臉進(jìn)行排序。根據(jù)相似度從高到低排序的人臉序列即使人臉檢索的結(jié)果。

舉例說明：人臉檢索過程如下，右側(cè)綠框內(nèi)排序序列為檢索結(jié)果

9、人臉聚類（Face Cluster）

“人臉聚類（Face Cluster）”是將一個集合內(nèi)的人臉根據(jù)身份進(jìn)行分組的算法。

人臉聚類也通過將集合內(nèi)所有的人臉兩兩之間做人臉比對，再根據(jù)這些相似度值進(jìn)行分析，將屬于同一個身份的人劃分到一個組里。

在沒有進(jìn)行人工身份標(biāo)注前，只知道分到一個組的人臉是屬于同一個身份，但不知道確切身份。

舉例說明：人臉聚類過程如下，右側(cè)綠框內(nèi)按身份的分組結(jié)果為聚類結(jié)果

10、人臉活體（FaceLiveness）

“人臉活體（FaceLiveness）”是判斷人臉圖像是來自真人還是來自攻擊假體（照片、視頻等）的方法。

在我們生活環(huán)境中，人臉認(rèn)證系統(tǒng)中主要容易受到這種手段欺騙：

（1）用偷拍的照片假冒真實人；

（2）在公開場合錄的視頻或網(wǎng)上公開的視頻片段；

（3）用計算機(jī)輔助軟件設(shè)計的三維模型欺騙；

（4）用蠟或塑料等材質(zhì)構(gòu)造的三維雕像欺騙。

現(xiàn)在所以人臉活體檢測技術(shù)的研究顯得異常重要。對于照片欺騙，主要是根據(jù)分辨率、三位三維信息、眼動等來進(jìn)行區(qū)分；對于視頻欺騙，根據(jù)三維信息、光線等來區(qū)分。

人臉識別技術(shù)的主要用途

1、人臉識別技術(shù)應(yīng)用于鐵路安防系統(tǒng)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，人員組織的不斷復(fù)雜化，鐵路安全形勢不斷面臨新的挑戰(zhàn)。火車票實名制有效阻止了不法分子進(jìn)入車站，但是，目前鐵路客運安全檢查，基本還是靠安檢員來檢查票、證、人是否一致，而證件照片往往是多年前的照片，安檢員很難辨認(rèn)，辨別度很低。而人臉識別技術(shù)，準(zhǔn)確度高、便捷性好，運用于鐵路安防系統(tǒng)，將極大的提高安防系統(tǒng)，強(qiáng)化通關(guān)，讓不法分子無空子可鉆。另外，人臉識別技術(shù)還能助力強(qiáng)化追溯，支持在超大的人像庫中定位查找對象，這將有力協(xié)助公安部門偵破案件，或抓捕在逃案犯。

2、人臉識別技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域

近年來，從中考、高考等升學(xué)考試，到執(zhí)業(yè)資格、晉級升職等等考試，均不同程度地出現(xiàn)了替考現(xiàn)象，而利用人臉識別技術(shù)實現(xiàn)證件內(nèi)照片特征和實時人臉照片特征比對識別，辨別考生身份，可防止考場替考現(xiàn)象的發(fā)生。人臉識別技術(shù)還可應(yīng)用于校園，能有效地對進(jìn)入校園的可疑人員做到預(yù)警。

3、人臉識別技術(shù)推進(jìn)于智能城市建設(shè)

隨著人類社會的不斷發(fā)展，未來城市將承載越來越多的人口，為實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展，建設(shè)智慧城市已成為當(dāng)今世界城市發(fā)展不可逆轉(zhuǎn)的歷史潮流。而在智慧城市的建設(shè)過程中，需注重對信息的結(jié)構(gòu)化存儲、分析挖掘，人臉的結(jié)構(gòu)化云識別儲存是構(gòu)建整個智慧城市基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一，是智慧城市云儲存體系中的不可或缺的一部分。通過智慧城市的高速數(shù)據(jù)傳輸鏈及結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)篩選，可將人臉大數(shù)據(jù)與智慧城市中其它的大數(shù)據(jù)之間碰撞出火花，更加凸顯出人臉識別“用”的價值。

如今，人臉識別技術(shù)不再僅僅局限在考勤、門禁行業(yè)的簡單應(yīng)用，而是憑借其人臉的唯一匹配性以及安全優(yōu)勢，受到高安全性環(huán)境應(yīng)用領(lǐng)域的青睞。而廈門云脈技術(shù)近年來致力于人臉識別核心技術(shù)的研發(fā)與產(chǎn)品化，并推動其與各行業(yè)相結(jié)合，依托自研的人臉識別算法以及成熟的OCR識別技術(shù)，為切實解決不同行業(yè)難題，推出了不同的人臉識別解決方案。云脈人臉識別技術(shù)識別速度快，精度高，不受一些化妝、眼鏡等因素影響。

人臉識別的技術(shù)難點

人臉識別雖說發(fā)展到現(xiàn)在3、40年的時間了，但它一直存在的幾個難點，到現(xiàn)在也沒能徹底解決。

1、光照問題

光照問題是機(jī)器視覺重的老問題，在人臉識別中的表現(xiàn)尤為明顯。由于人臉的3D結(jié)構(gòu)，光照投射出的陰影，會加強(qiáng)或減弱原有的人臉特征。

2、表情姿態(tài)問題

與光照問題類似，姿態(tài)問題也是目前人臉識別研究中需要解決的一個技術(shù)難點。姿態(tài)問題涉及頭部在三維垂直坐標(biāo)系中繞三個軸的旋轉(zhuǎn)造成的面部變化，其中垂直于圖像平面的兩個方向的深度旋轉(zhuǎn)會造成面部信息的部分缺失。針對姿態(tài)的研究相對比較的少，目前多數(shù)的人臉識別算法主要針列正面、準(zhǔn)正而人臉圖像，當(dāng)發(fā)生俯仰或者左右側(cè)而比較厲害的情況下，人臉識別算法的識別率也將會急劇下降。面部幅度較大的哭、笑、憤怒等表情變化同樣影像著面部識別的準(zhǔn)確率。

3、遮擋問題

對于非配合情況下的人臉圖像采集，遮擋問題是一個非常嚴(yán)重的問題。特別是在監(jiān)控環(huán)境下，往往彼監(jiān)控對象都會帶著眼鏡，帽子等飾物，使得被采集出來的人臉圖像有可能不完整，從而影響了后面的特征提取與識別，甚至?xí)?dǎo)致人臉檢測算法的失效。

4、年齡變化

隨著年齡的變化，面部外觀也在變化，特別是對于青少年，這種變化更加的明顯。對于不同的年齡段，人臉識別算法的識別率也不同。一個人從少年變成青年，變成老年，他的容貌可能會發(fā)生比較大的變化，從而導(dǎo)致識別率的下降。對于不同的年齡段，人臉識別算法的識別率也不同。

5、人臉相似性

不同個體之間的區(qū)別不大，所有的人臉的結(jié)構(gòu)都相似，甚至人臉器官的結(jié)構(gòu)外形都很相似。這樣的特點對于利用人臉進(jìn)行定位是有利的，但是對于利用人臉區(qū)分人類個體是不利的。

6、圖像質(zhì)量

人臉圖像的來源可能多種多樣，由于采集設(shè)備的不同，得到的人臉圖像質(zhì)量也不一樣，特別是對于那些低分辨率、噪聲大、質(zhì)量差的人臉圖像（如手機(jī)攝像頭拍攝的人臉圖片、遠(yuǎn)程監(jiān)控拍攝的圖片等）如何進(jìn)行有效地人臉識別是個需要關(guān)注的問題。同樣的，對于高分辨圖像對人臉識別算法的影響也需要進(jìn)一步的研究。

7、樣本缺乏

基于統(tǒng)計學(xué)習(xí)的人臉識別算法是目前人臉識別領(lǐng)域中的主流算法，但是統(tǒng)計學(xué)習(xí)方法需要大量的訓(xùn)練。由于人臉圖像在高維空間中的分布是一個不規(guī)則的流形分布，能得到的樣本只是對人臉圖像空間中的一個極小部分的采樣，如何解決小樣本下的統(tǒng)計學(xué)習(xí)問題有待進(jìn)一步的研究。

8、海量數(shù)據(jù)

傳統(tǒng)人臉識別方法如PCA、LDA等在小規(guī)模數(shù)據(jù)中可以很容易進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)。但是對于海量數(shù)據(jù)，這些方法其訓(xùn)練過程難以進(jìn)行，甚至有可能崩潰。

9、大規(guī)模人臉識別

隨著人臉數(shù)據(jù)庫規(guī)模的增長，人臉?biāo)惴ǖ男阅軐⒊尸F(xiàn)下降。

國內(nèi)研究人臉識別的公司有哪些

2015年以來，已有騰訊、阿里、民生銀行等多個行業(yè)巨頭紛紛加碼人臉識別產(chǎn)業(yè)。國內(nèi)外巨頭紛紛加碼人臉識別技術(shù)，將直接助推產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)性增長。想知道具體企業(yè)以及方向，可以閱讀下方表格：

人臉識別的未來

隨著大數(shù)據(jù)、共享時代的來臨，數(shù)據(jù)安全問題也越發(fā)被重視起來，以人臉識別為代表的新一代技術(shù)革命已經(jīng)展開。這些對技術(shù)的要求越來越高，既要求數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，又要保證數(shù)據(jù)的安全性，人臉識別在這方面大有可為，作為行業(yè)的主力軍，企業(yè)的技術(shù)實力與創(chuàng)新能力決定著整個產(chǎn)業(yè)的走向，任何一點點技術(shù)的創(chuàng)新都可能帶來行業(yè)的變革。

依托于物聯(lián)網(wǎng)與人工智能的快速推進(jìn)，人臉識別應(yīng)用場景會越來越廣泛。隨著國家科研機(jī)構(gòu)的研發(fā)投入、企業(yè)對技術(shù)的鉆研、市場的推廣等，這些都將是人臉識別美好前景的征兆。據(jù)業(yè)內(nèi)分析人士認(rèn)為，未來人臉識別或成為有效身份識別主流，屆時，人臉識別就不是什么新鮮詞了。