[科普中國]-面部認(rèn)證

簡介產(chǎn)生與發(fā)展

生物特征識別技術(shù)作為新興的身份識別方法，逐漸取代了傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方式，被廣泛應(yīng)用于各種安全認(rèn)證領(lǐng)域。目前，常用的生物體特征包括: 面部特征、指紋特征、掌紋特征、虹膜特征和視網(wǎng)膜特征等。與其他識別技術(shù)相比，基于面部特征的人臉識別具有非接觸性、穩(wěn)定性好、難仿冒等優(yōu)點，成為人們最易接受的身份認(rèn)證方式。1

面部認(rèn)證技術(shù)有著非常廣泛的應(yīng)用，在銀行安全、國家安全、人臉認(rèn)證、電子商務(wù)、司法、金融等領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用價值。人臉特征用于身份識別相對于其他人體特征有著簡單、準(zhǔn)確、不易偽造、用戶友好等優(yōu)勢。上世紀(jì)60年代初，第一個半自動人臉識別系統(tǒng)誕生，1973年Kanade研究出了基于幾何特征的自動人臉識別，之后面部認(rèn)證技術(shù)在近幾十年得到了極大的關(guān)注和研究，涌現(xiàn)出了各種人臉檢測和識別的算法，積累了大量的研究成果，取得了長足的發(fā)展，逐漸成為了模式識別領(lǐng)域中最為重要和流行的研究課題之一。2

面臨問題嵌入式面部認(rèn)證系統(tǒng)的研究還有很長的路要走，總結(jié)起來主要有以下困難需要克服。

(1) 復(fù)雜環(huán)境下的人臉檢測。

目前大多數(shù)人臉識別系統(tǒng)的應(yīng)用是在場景不變、環(huán)境簡單的條件下運行的，對正面人臉的檢測的難度不大，成功率較高。但在嵌入式設(shè)備上運行的人臉識別系統(tǒng)，所處的環(huán)境是復(fù)雜而多變的，這就要求對更為困難條件下的人臉檢測做進(jìn)一步的研究，如旋轉(zhuǎn)人臉、非正面人臉、遠(yuǎn)距離人臉的檢測等。

(2) 光照變化問題。

光照變化問題一直是人臉識別技術(shù)上的一個難題，目前，最好的人臉識別系統(tǒng)，在光照環(huán)境較大的條件下，尤其是室外光照環(huán)境下，識別率仍然不高。如何解決光照帶來的干擾，仍是一個重要的研究內(nèi)容。

(3) 圖像質(zhì)量問題。

運行在嵌入式設(shè)備上的人臉識別系統(tǒng)使用到的圖像一般是在移動復(fù)雜的環(huán)境下采集的，這對采集到的圖像的質(zhì)量影響非常大，目前，嵌入式系統(tǒng)上的圖像采集設(shè)備對強光和弱光條件比較敏感，所以如何采集到高質(zhì)量的圖像樣本是未來嵌入式人臉識別面臨的挑戰(zhàn)之一。

(4) 年齡變化問題。

目前，大多數(shù)人臉識別系統(tǒng)都沒有考慮年齡變化問題，但這是一個遲早要面對的問題。FERET人臉庫dupII子集和訓(xùn)練樣本僅有1歲年齡的差異，目前大多數(shù)識別算法尚不能取得很高的識別率，則更不用說年齡跨度較大的情況。要想解決年齡變化問題，還需要結(jié)合年齡特征，重新建模，所以年齡變化問題的解決并非易事，還需要長期的研究。

(5) 化妝、整容、飾物遮擋等帶來問題。

化妝、整容、飾物遮擋等給人的面部特征帶來的變化時非常大的，尤其是整容和飾物遮擋，嚴(yán)重改變了臉部某些區(qū)域的特征，有時連肉眼都難以識別。如何從變化的特征中找到不變量進(jìn)行人臉的識別，是解決這類問題的關(guān)鍵。目前還沒有解決這些問題的行之有效的方法。

(6) 3D人臉識別技術(shù)的進(jìn)一步研究

3D人臉識別技術(shù)目前已經(jīng)取得了不錯的效果，已在有些門禁系統(tǒng)中運用。3D人臉識別技術(shù)還不夠成熟，魯棒性和穩(wěn)定性不高，但有著很好的應(yīng)用前景，如何把拍攝到的2D圖像建模合成3D圖像進(jìn)行人臉識別，將成為未來研究的熱點。2

面部識別系統(tǒng)系統(tǒng)框架基于LTE技術(shù)的面部識別系統(tǒng)包括高分辨率攝像模塊、圖像處理模塊、LTE無線模塊、顯示模塊、USB接口模塊、電源管理模塊等，如圖所示。

基于LTE技術(shù)的面部識別系統(tǒng)可以通過高分辨率攝像設(shè)備進(jìn)行人像采集，獲取面部圖像信息，同時，也可以通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)獲取遠(yuǎn)程終端的圖像信息，這些圖像信息交給圖像處理模塊進(jìn)行人臉檢測及識別，圖像處理結(jié)果可以通過本地顯示模塊輸出，也可以由LTE無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程終端。3

各模塊功能1) 高分辨率攝像模塊，主要用來獲取高清晰的面部圖像信息，并快速傳輸給圖像處理單元，此模塊中采用的攝像頭即為普通的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，不需要驅(qū)動，這樣比較簡單，方便操作實現(xiàn)。

2) 圖像處理模塊，主要用來實現(xiàn)對高清晰面部圖像進(jìn)行人臉檢測、人臉識別及人臉特征提取。人臉檢測是在高清晰面部圖像的基礎(chǔ)上，克服光照、姿態(tài)、背景以及遮擋物等外在因素的影響，還需要對這些外在因素造成的后果進(jìn)行補救或矯正，保證人臉檢測和定位的準(zhǔn)確性。人臉識別則是在上述照片和圖像序列中識別某個人臉圖像，其中采用小波變換的人臉特征提取技術(shù)，以保持人臉表示的多樣性和唯一性，同時將人臉特征數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，實現(xiàn)最小的數(shù)據(jù)量攜帶信息量的最大化。

3) LTE無線網(wǎng)絡(luò)模塊，主要完成LTE無線網(wǎng)絡(luò)接入，建立LTE無線數(shù)據(jù)鏈路，提供高速、便捷的無線寬帶接入方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速上傳、下載等。通過LTE無線網(wǎng)絡(luò)，能夠快速將獲得的面部圖像信息傳送給智能網(wǎng)格，并進(jìn)行快速處理。同時，也可以適時將智能網(wǎng)絡(luò)中存儲的信息，快速調(diào)入，滿足及時發(fā)現(xiàn)、及時處理功能需求。

4) 顯示模塊，采用先進(jìn)的電容觸控技術(shù)和人體工程技術(shù)，給用戶提供一個友好的人機交互界面，實現(xiàn)面部識別結(jié)果的顯示，還可以通過顯示模塊實現(xiàn)用戶對系統(tǒng)資源的管理以及系統(tǒng)參數(shù)的配置或更改。

5) 電源管理模塊，完成對電池的充放電管理、過流保護、系統(tǒng)整機的供電和電源的功率動態(tài)分配。諾基亞正在研究LTE無線充電技術(shù)，通過LTE無線電波在周圍環(huán)境產(chǎn)生的電磁輻射可以被轉(zhuǎn)換成充足的電流，諾基亞研究中心研究員Markku Rouvala表示有可能在未來3至4年或可應(yīng)用，屆時，基于LTE技術(shù)的面部識別系統(tǒng)的電源管理模塊可拓展LTE無線充電功能。

6) USB接口模塊，為電池充電以及外置電源提供一個接口，同時也實現(xiàn)該終端與PC之間的數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)?。基于LTE技術(shù)的便攜式面部識別系統(tǒng)啟動后，軟件自動配置各個接口單元的工作參數(shù)，準(zhǔn)備接收無線的接入數(shù)據(jù)，自動尋找、登陸LTE網(wǎng)絡(luò)。3

LBP人臉識別算法LBP的全稱為Local Binary Pattern，中文翻譯為局部二值模式，LBP算子定義的是紋理局部近鄰的特性，最早的LBP算子由Ojala[39]于1996年提出，原始的LBP算子用來分析圖像的紋理特征。并且Ojala介紹了如何使用LBP算子對紋理進(jìn)行強力有效的分類。

紋理一般是圖像分析中的概念，用來表示圖像中物體由于物理表面屬性的不同而產(chǎn)生的表面特征的各種信息，如灰度、顏色等。我們所能見到的圖像，幾乎都具有紋理特征信息。和圖像的其他特征相比，紋理特征有以下優(yōu)點：1、紋理特征反應(yīng)的是灰度模式的空間分布，即描述了圖像的宏觀信息又能描述局部信息，因為紋理不但包含了圖像的表面特征，而且包含了與周圍環(huán)境的關(guān)系；2、使用LBP算子提取紋理特征時，方法簡單，計算復(fù)雜度低，適合用于運算能力有限和資源受限的嵌入式設(shè)備上進(jìn)行特征提取。3、分辨能力強，它描述了圖像的局部特征，所以對圖像的單調(diào)的灰度變化具有不變性，對光照變化有一定的魯棒性。

經(jīng)過長期的發(fā)展，LBP算子不斷演化和改進(jìn)。由于其較強的分類能力，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來越寬，如圖像分析、背景建模、紋理分割、紋理分類、人臉檢測、人臉識別和表情識別等領(lǐng)域。使用LBP算子進(jìn)行人臉識別的主要思想是，把人臉圖像分成若干個區(qū)域，分別計算其紋理特征，最后把這些特征組合成一個全局特征進(jìn)行人臉的分類識別。

基于面部認(rèn)證的涉密文檔閱讀器設(shè)計背景隨著信息化社會的不斷發(fā)展，文檔的電子化成為大勢所趨。電子文檔在給我們提供便利的同時，也由于其易復(fù)制、難管控等特點帶來了諸多安全隱患。尤其是重要單位的涉密電子文檔一旦泄漏，會給國家安全帶來巨大損失。如何安全高效地管控涉密電子文檔，成為亟需解決的問題。一方面，在各類組織機構(gòu)出臺相應(yīng)政策、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)的同時，出現(xiàn)了很多產(chǎn)品來保障電子文檔的安全。但大多數(shù)產(chǎn)品只在用戶訪問涉密文檔前對用戶進(jìn)行認(rèn)證，而在訪問過程中不再進(jìn)行認(rèn)證，產(chǎn)生身份認(rèn)證的盲區(qū)，導(dǎo)致泄密主體難追蹤等問題的出現(xiàn)。另一方面，在用戶終端不采取任何安全措施的情況下，涉密文檔很容易在不同用戶終端之間進(jìn)行交叉?zhèn)鞑?，?dǎo)涉密文檔失控和知密范圍擴大等問題。

設(shè)計方案涉密文檔閱讀器的總體設(shè)計方案如圖所示。

涉密文檔閱讀器是閱讀涉密文檔的硬件平臺，實現(xiàn)涉密文檔的授權(quán)閱讀以及用戶身份的實時認(rèn)證。涉密文檔通過專用接口向閱讀器進(jìn)行單向傳輸。

涉密文檔閱讀器通過面部認(rèn)證技術(shù)實現(xiàn)可靠的訪問控制。面部認(rèn)證技術(shù)通過攝像頭實時捕捉人臉，并將捕捉到的人臉信息與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行對比實現(xiàn)身份的認(rèn)證。面部認(rèn)證包括人臉的檢測和識別兩部分。人臉檢測用于判斷并定位圖像幀中的人臉，面部識別用于判斷檢測到的人臉是否在人臉庫中。面部認(rèn)證的整體流程如圖所示。

出現(xiàn)非授權(quán)用戶使用、偷窺等行為或用戶視線離開屏幕時，閱讀器自動進(jìn)入保護模式。并結(jié)合眼球追蹤技術(shù)，對閱讀者的眼球進(jìn)行實時檢測與標(biāo)定，判斷視線是否在屏幕上并做出相應(yīng)的操作。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的單向傳輸，還為閱讀器設(shè)計了專用接口電路，其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。專用接口是閱讀器對外提供的唯一接口，該電路對外提供USB Device 和USB Host 接口，通過USB Device 接口與閱讀器相連，用戶只能通過該電路上的USB Host 向閱讀器導(dǎo)入涉密文檔。

專用接口電路中的主控芯片通過對SCSI 協(xié)議層的READ_10 和WRITE _10 命令處理函數(shù)進(jìn)行過濾操作，實現(xiàn)只讀模式，這樣就可以實現(xiàn)存儲載體中的數(shù)據(jù)寫入閱讀器，而閱讀器中的數(shù)據(jù)無法寫入存儲載體的功能。4