淺析人臉識別系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

張玉萍

黑龍江信息技術(shù)職業(yè)學(xué)院

淺析人臉識別系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計與實現(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別技術(shù)的發(fā)展平臺。那些傳統(tǒng)認證方式使用已不再便捷，而且偽造起來也比較容易，會嚴重侵害到持有人的權(quán)益。公共安全系統(tǒng)，例如政府機關(guān)、網(wǎng)絡(luò)銀行、鐵路、銀行、醫(yī)院、機場、電子商務(wù)等更是對身份認證的手段提出了更為嚴格的要求。而人臉識別系統(tǒng)的研究將給傳統(tǒng)識別技術(shù)帶來巨大變革。

人臉識別；圖像處理；身份識別；人臉庫

1.研究背景及意義

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

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

(1)不需進行接觸的識別方式

這種形式可以大大提高測試樣本的識別速度，不同于其他的識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受限制等問題。

(2)隱蔽性良好

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

(3)具有使用方便、快捷的能力

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

2.人臉識別系統(tǒng)的設(shè)計需求分析

人臉識別技術(shù)是生物特征識別學(xué)科，它將不同于傳統(tǒng)的實物識別技術(shù)，人臉識別技術(shù)以其獨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，同時降低了設(shè)備的投入資金，適用領(lǐng)域和場所較為廣泛。

我們可以按照學(xué)校教職員工上下班簽到的要求，設(shè)計一款通過人臉自動識別技術(shù)的系統(tǒng)。該系統(tǒng)進入識別使用前，應(yīng)先存儲教職員工的人臉數(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)包含實現(xiàn)內(nèi)存中已有教職員工身份的識別，以及非法登陸人員的語音提示功能。該人臉識別系統(tǒng)重點是達到人臉的正確識別目的，分兩個階段來實現(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；第二階段是人臉訓(xùn)練樣本和測試樣本的識別部分，這將是系統(tǒng)的主要研究部分和重點測試部分。

系統(tǒng)功能性要求：

由于教職員工上下班都需要進行簽到，并且人員多，識別時間緊張，所以本系統(tǒng)應(yīng)該達到人臉識別所用時間短、識別率高的目標。該系統(tǒng)在功能的設(shè)計上應(yīng)盡量考慮平臺的簡潔、清晰和重點突出的要求，以下是對本系統(tǒng)功能設(shè)計的闡述：

(1)人臉圖像信息采集功能，主要對學(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，對收集到的人臉圖像進行詳細調(diào)整，按照要求統(tǒng)一標準規(guī)格，為后續(xù)進行人臉圖像訓(xùn)練和測試做好前期工作。

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

(4)人臉圖像測試樣本的識別，對測試樣本圖像信息進行檢測和判斷，獲得正確的結(jié)果，完成身份識別功能。

3.人臉識別系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計

3.1 系統(tǒng)的總體構(gòu)架

根據(jù)人臉系統(tǒng)功能要求，將人臉識別系統(tǒng)所實現(xiàn)的目標總結(jié)如下：

(1)人臉圖像的采集，在使用攝像機拍攝人臉圖像時本系統(tǒng)對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，以此來作為人臉識別的對比參照數(shù)據(jù)。

(4)人臉的識別，識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行操作，訓(xùn)練樣本得到的特征信息與測試樣本信息進比對，如果得到的比對值在滿足在一定的范圍內(nèi)，那么說明測試樣本在人臉庫中存在，并且可以判定此人的身份。

(5)輸出結(jié)果（驗證成功或驗證失敗）

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，同時訓(xùn)練樣本特征值參數(shù)測定和選取也非常重要。本論文對人臉識別的登錄框架系統(tǒng)進行了詳細的設(shè)計，主要的運行步驟是：首先從拍攝設(shè)備中提取要測試的人臉圖像，然后將該人臉圖像進行預(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，找出與測試樣本數(shù)據(jù)匹配的人臉庫圖像。最終通過用戶界面將匹配結(jié)果呈現(xiàn)出來。以下是對登錄系統(tǒng)使用界面的介紹：

(1)開始進入登陸界面；

(2)按動“錄入”按鈕：顯示抓取圖像；

(3)按動“識別”按鈕：開始識別。此時界面可以顯示與測試樣本相似性最好的模板庫中的圖片；

(4)按動“退出”按鈕：清空登陸界面，開始下一次識別。

總結(jié)

人臉識別系統(tǒng)主要是對傳統(tǒng)識別系統(tǒng)中出現(xiàn)的諸多不利因素而研發(fā)的。它克服了傳統(tǒng)識別多采用“用戶ID+密碼”、通過IC卡進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。人臉識別系統(tǒng)實質(zhì)上是真正意義上的對本人的身份識別，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.一種適于虹膜識別的特征提取算法[J].吉林大學(xué)學(xué)報,2009,10(5)：53-56.

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