[科普中國(guó)]-面部識(shí)別系統(tǒng)

面部識(shí)別軟件

臉是標(biāo)識(shí)您身份的重要元素，別人也會(huì)通過(guò)你的臉來(lái)辨認(rèn)您。請(qǐng)想象一下，如果所有的面孔都是相同的，識(shí)別出一個(gè)人該是多么的困難。除了長(zhǎng)得幾乎完全一樣的雙胞胎之外，面孔毫無(wú)疑問(wèn)是一個(gè)人最獨(dú)一無(wú)二的物理特征。不只是人有識(shí)別和區(qū)分?jǐn)?shù)百萬(wàn)張不同面孔的先天能力，計(jì)算機(jī)現(xiàn)在也正在迎頭趕上人的這種能力。

總部位于新澤西的Visionics公司是面部識(shí)別技術(shù)的眾多開(kāi)發(fā)者之一。該公司開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為FaceIt的特殊軟件，它的奇特之處在于，它能夠從擁擠人群中捕捉某人的面孔，將該面孔從背景中提取出來(lái)并與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行對(duì)比。為了能夠順利工作，該軟件必須知道一張基本面孔看起來(lái)是怎樣的。面部識(shí)別軟件必須能夠首先識(shí)別出面孔（這取決于它自身的技術(shù)水平），然后再測(cè)量每張面孔的各種特征。如果照鏡子，您會(huì)發(fā)現(xiàn)臉具有一些可辨別的標(biāo)志。臉上的凸出部分和凹陷部分構(gòu)成了不同的面部特征。Visionics將這些標(biāo)志定義為節(jié)點(diǎn)。人臉大約有80個(gè)節(jié)點(diǎn)。

以下是該軟件測(cè)量的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)：

兩眼之間的距離、鼻子的寬度、眼窩的深度、顴骨、下頜輪廓、下顎。

測(cè)量這些節(jié)點(diǎn)的目的在于產(chǎn)生一個(gè)數(shù)字代碼（一串?dāng)?shù)字），它在數(shù)據(jù)庫(kù)中代表該面孔。該代碼稱作面紋。對(duì)于FaceIt軟件，只需要14-22個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)即可完成識(shí)別過(guò)程。在下一節(jié)中，我們將介紹該系統(tǒng)如何檢測(cè)、捕獲和存儲(chǔ)面孔。

工作原理面部識(shí)別軟件可歸入名為生物識(shí)別的一大類技術(shù)。生物識(shí)別技術(shù)使用生物信息來(lái)驗(yàn)證身份。生物識(shí)別背后的理論是：我們的身體包含一些獨(dú)一無(wú)二的特征，可以使用它們將我們與他人區(qū)分開(kāi)。除了面部識(shí)別之外，生物識(shí)別身份驗(yàn)證方法還包括：指紋掃描、視網(wǎng)膜掃描、語(yǔ)音識(shí)別。

面部識(shí)別方法有多種，但是通常涉及捕獲、分析和對(duì)比等一系列步驟，將你的面孔與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行對(duì)比。以下是FaceIt 系統(tǒng)用于捕獲和對(duì)比圖像的基本過(guò)程：

為了確定某人的身份，面部識(shí)別軟件將新近捕獲的圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行對(duì)比。

檢測(cè)——當(dāng)系統(tǒng)連接到視頻監(jiān)視系統(tǒng)后，識(shí)別軟件會(huì)在攝影機(jī)的視野中搜尋面部信息。如果在視野中存在一張面孔，它會(huì)在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到它。它使用多尺度算法以低分辨率搜索面部圖像。（算法是提供一組指令以完成特定任務(wù)的一個(gè)程序）。系統(tǒng)只有在檢測(cè)到類似頭部的形狀后，才切換到高分辨率搜索。

對(duì)齊——一旦檢測(cè)到面部圖像，系統(tǒng)會(huì)確定頭部的位置、大小和姿態(tài)。只有在面部與攝像機(jī)至少成35度角的情況下，系統(tǒng)才會(huì)記錄它。

標(biāo)準(zhǔn)化——頭部圖像經(jīng)過(guò)縮放和旋轉(zhuǎn)，以便能記錄和映射到相應(yīng)的大小和姿態(tài)。無(wú)論頭部的位置如何以及相距攝像機(jī)的距離有多遠(yuǎn)，都可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。光線不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程產(chǎn)生影響。

表示——系統(tǒng)將面部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)唯一的代碼。通過(guò)編碼，可以更加容易地將新近捕獲的面部數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的面部數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

匹配——將新捕獲的面部數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并（在理想情況下）鏈接到至少一個(gè)已存儲(chǔ)的面部圖像。

FaceIt 面部識(shí)別系統(tǒng)的核心是局部特征分析（LFA）算法。這是系統(tǒng)在對(duì)面孔進(jìn)行編碼時(shí)使用的數(shù)學(xué)技術(shù)。系統(tǒng)對(duì)面孔進(jìn)行測(cè)量，并生成一個(gè)面紋，即面部的唯一數(shù)字代碼。在存儲(chǔ)了面紋之后，系統(tǒng)會(huì)將它與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的成千或成百萬(wàn)的面紋數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。每個(gè)面紋都存儲(chǔ)為一個(gè)84字節(jié)的文件。

面部識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)使用面部識(shí)別軟件，警察可以縮放攝像機(jī)畫(huà)面并拍攝某個(gè)面孔。

系統(tǒng)可以用每分鐘6000萬(wàn)張面孔的速度對(duì)內(nèi)存中的面紋數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，對(duì)于硬盤中的面紋數(shù)據(jù)，每分鐘可以匹配1500萬(wàn)張面孔。在進(jìn)行對(duì)比時(shí)，系統(tǒng)會(huì)用介于1到10之間的一個(gè)值來(lái)表示對(duì)比結(jié)果。如果該值大于預(yù)先定義的閾值，則宣布找到一個(gè)匹配結(jié)果。然后，操作人員可以查看被宣布為匹配項(xiàng)的兩張照片，確定計(jì)算機(jī)的工作是否準(zhǔn)確。

與其他生物識(shí)別技術(shù)一樣，面部識(shí)別被認(rèn)為是一種會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)得到廣泛使用的技術(shù)。在下一節(jié)中，我們將介紹它現(xiàn)在的使用情況。FaceIt這樣的面部識(shí)別軟件的主要用戶一直是一些執(zhí)法機(jī)構(gòu)，它們使用這些系統(tǒng)在擁擠的人群中捕獲隨機(jī)出現(xiàn)的面孔。然后，將這些面孔與數(shù)據(jù)庫(kù)中犯罪分子的照片進(jìn)行對(duì)比。除了進(jìn)行執(zhí)法和安全監(jiān)視之外，面部識(shí)別軟件還有其他幾個(gè)用途，包括：消除投票欺詐、取款身份驗(yàn)證、計(jì)算機(jī)安全。

應(yīng)用墨西哥政府對(duì)面部識(shí)別系統(tǒng)的使用可稱為是最具創(chuàng)新的用法之一，他們使用此技術(shù)找出舞弊的選民（通過(guò)重復(fù)登記）。為了控制選舉結(jié)果，有人會(huì)以不同姓名多次登記注冊(cè)，以便能夠多次投票。使用傳統(tǒng)方法并不容易找出這些人。

許多人不去銀行柜臺(tái)取錢，而是使用取款機(jī)。面部識(shí)別可消除可能發(fā)生的犯罪活動(dòng)。

借助面部識(shí)別技術(shù)，官員們可以通過(guò)搜索選民數(shù)據(jù)庫(kù)中的面部圖像來(lái)找出重復(fù)登記的選民。他們將新圖像與檔案中的記錄進(jìn)行對(duì)比，找出試圖使用多個(gè)姓名進(jìn)行登記的人。在墨西哥2000年的總統(tǒng)選舉中曾使用了此技術(shù)，而且預(yù)計(jì)將很快應(yīng)用到地方選舉中。

其他潛在應(yīng)用還包括ATM機(jī)和取款時(shí)的安全性。軟件可以快速驗(yàn)證客戶的面孔。在得到用戶同意后，ATM機(jī)或取款柜臺(tái)會(huì)拍攝客戶的數(shù)字照片。然后，F(xiàn)aceIt軟件使用該照片生成一個(gè)面紋，避免客戶身份失竊和欺詐交易。使用面部識(shí)別軟件后，無(wú)需再使用身份證、銀行卡或個(gè)人識(shí)別號(hào)（PIN）來(lái)確認(rèn)客戶的身份。

這種生物識(shí)別技術(shù)還可以用于保護(hù)計(jì)算機(jī)文件的安全。通過(guò)在計(jì)算機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭和面部識(shí)別軟件，可以將您的臉變成進(jìn)入計(jì)算機(jī)所需的密碼。IBM已經(jīng)在其A、T和X系列的Thinkpad筆記本電腦上的屏幕保護(hù)程序里融入了這種技術(shù)。

面部識(shí)別軟件可用來(lái)鎖定您的計(jì)算機(jī)。

盡管可以使用面部識(shí)別技術(shù)保護(hù)您的私人信息，但是只需要在您沒(méi)有察覺(jué)的情況下拍攝一張照片就可以輕易入侵系統(tǒng)并獲取您的隱私。與其他許多正在不斷發(fā)展的技術(shù)一樣，面部識(shí)別技術(shù)雖然具有難以置信的潛能，但是仍存在一些缺陷。

2013年3月5日，美國(guó)紐約州州長(zhǎng)安德魯·科莫宣布，紐約州采用面部識(shí)別技術(shù)對(duì)1.3萬(wàn)起身份證欺詐案進(jìn)行調(diào)查，逮捕了2500名嫌犯，此外還有5000人面臨刑事調(diào)查。美國(guó)駕照和身份證由機(jī)動(dòng)車輛管理局統(tǒng)一發(fā)放，汽車駕照等同于身份證。據(jù)紐約州政府介紹，從2010年開(kāi)始，紐約州機(jī)動(dòng)車輛管理局采用面部識(shí)別技術(shù)將所有申請(qǐng)者照片與數(shù)據(jù)庫(kù)中2000多萬(wàn)幅照片進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)了1.3萬(wàn)個(gè)可疑的駕照或身份證，有的人甚至以不同名字同時(shí)擁有多個(gè)身份證。

2013年7月。芬蘭一家企業(yè)推出全球首個(gè)“刷臉”支付系統(tǒng)。結(jié)賬時(shí)，消費(fèi)者只需在收銀臺(tái)面對(duì)POS機(jī)屏幕上的攝像頭，系統(tǒng)自動(dòng)拍照，掃描消費(fèi)者面部，等身份信息顯示出后，在觸摸顯示屏上點(diǎn)擊確認(rèn)完成交易。無(wú)需信用卡、錢包或手機(jī)。整個(gè)交易過(guò)程不超5秒鐘。不過(guò)，也有人認(rèn)為，“這點(diǎn)時(shí)間，通常也就夠你拿出錢包”。芬蘭初創(chuàng)公司Uniqul已為這套基于面部識(shí)別技術(shù)的“刷臉”支付系統(tǒng)申請(qǐng)專利。

2015年10月15日，招商銀行在深圳推出了ATM“刷臉取款”業(yè)務(wù)，客戶無(wú)需插入實(shí)體銀行卡即可完成取款，每日限額取現(xiàn)3000元。客戶如需取款，首先在ATM屏幕首頁(yè)點(diǎn)擊選擇“刷臉取款”功能，系統(tǒng)將自動(dòng)抓拍現(xiàn)場(chǎng)照片，在后臺(tái)與銀行的可信照片源進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證通過(guò)后，客戶輸入手機(jī)號(hào)碼進(jìn)一步確認(rèn)身份，接著輸入取款金額、密碼，最后拿取現(xiàn)金，整個(gè)過(guò)程無(wú)需插入實(shí)體銀行卡片。

用途

與其他生物識(shí)別技術(shù)一樣，面部識(shí)別被認(rèn)為是一種會(huì)在不遠(yuǎn)的將來(lái)得到廣泛使用的技術(shù)。除了進(jìn)行執(zhí)法和安全監(jiān)視之外，面部識(shí)別軟件還有其他幾個(gè)用途，包括：

消除投票欺詐：墨西哥政府對(duì)面部識(shí)別系統(tǒng)的使用可稱為是最具創(chuàng)新的用法之一，他們使用此技術(shù)找出舞弊的選民（通過(guò)重復(fù)登記）。為了控制選舉結(jié)果，有人會(huì)以不同姓名多次登記注冊(cè)，以便能夠多次投票。使用傳統(tǒng)方法并不容易找出這些人。借助面部識(shí)別技術(shù)，官員們可以通過(guò)搜索選民數(shù)據(jù)庫(kù)中的面部圖像來(lái)找出重復(fù)登記的選民。他們將新圖像與檔案中的記錄進(jìn)行對(duì)比，找出試圖使用多個(gè)姓名進(jìn)行登記的人。在墨西哥2000年的總統(tǒng)選舉中曾使用了此技術(shù)，而且預(yù)計(jì)將很快應(yīng)用到地方選舉中。

取款身份驗(yàn)證：在得到用戶同意后，ATM機(jī)或取款柜臺(tái)會(huì)拍攝客戶的數(shù)字照片。然后，面部識(shí)別軟件使用該照片生成一個(gè)面紋，避免客戶身份失竊和欺詐交易。使用面部識(shí)別軟件后，無(wú)需再使用身份證、銀行卡或個(gè)人識(shí)別號(hào)（PIN）來(lái)確認(rèn)客戶的身份。

計(jì)算機(jī)安全：通過(guò)在計(jì)算機(jī)上安裝網(wǎng)絡(luò)攝像頭和面部識(shí)別軟件，可以將您的臉變成進(jìn)入計(jì)算機(jī)所需的密碼。IBM已經(jīng)在其A、T和X系列的Thinkpad筆記本電腦上的屏幕保護(hù)程序里融入了這種技術(shù)。

發(fā)展2012年9月，一項(xiàng)研發(fā)計(jì)劃名為“下一代識(shí)別系統(tǒng)”（NextGenerationIdentification，簡(jiǎn)稱NGI）已在美國(guó)多個(gè)州獲得批準(zhǔn)，預(yù)計(jì)到2014年在全美普及。FBI希望此計(jì)劃可以為執(zhí)法人員提供照片來(lái)識(shí)別罪犯。2010年項(xiàng)目測(cè)試表明，最好的計(jì)算機(jī)算法可以幫助執(zhí)法人員從儲(chǔ)存160萬(wàn)人臉圖像的數(shù)據(jù)庫(kù)中找到犯罪嫌疑人，識(shí)別率最高可以達(dá)到92%。甚至是在某人沒(méi)有直視鏡頭的情況下，系統(tǒng)也能從數(shù)據(jù)庫(kù)中正確找到匹配的人臉。

此計(jì)劃旨在基于研究、評(píng)估、綜合自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)環(huán)境下實(shí)施高新技術(shù)來(lái)提升并推進(jìn)生物識(shí)別技術(shù)和罪犯歷史信息服務(wù)，最終打擊恐怖主義和違法犯罪活動(dòng)。

操作過(guò)程面部識(shí)別方法有多種，但是通常涉及捕獲、分析和對(duì)比等一系列步驟，將某人的面孔與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的圖像進(jìn)行對(duì)比。主要有以下步驟：

檢測(cè)——當(dāng)系統(tǒng)連接到視頻監(jiān)視系統(tǒng)后，識(shí)別軟件會(huì)在攝影機(jī)的視野中搜尋面部信息。如果在視野中存在一張面孔，它會(huì)在幾分之一秒的時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到它。它使用多尺度算法以低分辨率搜索面部圖像。（算法是提供一組指令以完成特定任務(wù)的一個(gè)程序）。系統(tǒng)只有在檢測(cè)到類似頭部的形狀后，才切換到高分辨率搜索。

對(duì)齊——一旦檢測(cè)到面部圖像，系統(tǒng)會(huì)確定頭部的位置、大小和姿態(tài)。只有在面部與攝像機(jī)至少成35度角的情況下，系統(tǒng)才會(huì)記錄它。

標(biāo)準(zhǔn)化——頭部圖像經(jīng)過(guò)縮放和旋轉(zhuǎn)，以便能記錄和映射到相應(yīng)的大小和姿態(tài)。無(wú)論頭部的位置如何以及相距攝像機(jī)的距離有多遠(yuǎn)，都可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。光線不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程產(chǎn)生影響。

表示——系統(tǒng)將面部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一個(gè)唯一的代碼。通過(guò)編碼，可以更加容易地將新近捕獲的面部數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的面部數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

匹配——將新捕獲的面部數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并（在理想情況下）鏈接到至少一個(gè)已存儲(chǔ)的面部圖像。

面部識(shí)別系統(tǒng)的2核心是局部特征分析（LFA）算法。這是系統(tǒng)在對(duì)面孔進(jìn)行編碼時(shí)使用的數(shù)學(xué)技術(shù)。系統(tǒng)對(duì)面孔進(jìn)行測(cè)量，并生成一個(gè)面紋，即面部的唯一數(shù)字代碼。在存儲(chǔ)了面紋之后，系統(tǒng)會(huì)將它與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的成千或成百萬(wàn)的面紋數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。每個(gè)面紋都存儲(chǔ)為一個(gè)84字節(jié)的文件。系統(tǒng)可以用每分鐘6000萬(wàn)張面孔的速度對(duì)內(nèi)存中的面紋數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，對(duì)于硬盤中的面紋數(shù)據(jù)，每分鐘可以匹配1500萬(wàn)張面孔。在進(jìn)行對(duì)比時(shí)，系統(tǒng)會(huì)用介于1到10之間的一個(gè)值來(lái)表示對(duì)比結(jié)果。如果該值大于預(yù)先定義的閾值，則宣布找到一個(gè)匹配結(jié)果。然后，操作人員可以查看被宣布為匹配項(xiàng)的兩張照片，確定計(jì)算機(jī)的工作是否準(zhǔn)確。