面部識(shí)別系統(tǒng)工作原理

面部識(shí)別系統(tǒng)工作原理

引言

即使擁有一張佛羅里達(dá)州坦帕灣超級(jí)杯賽XXXV的門票，您也不一定能夠坐在那里觀看今年世界最重要的橄欖球比賽。參與過2000年1月事件的那些球迷曾在有史以來規(guī)模最大的嫌犯辨認(rèn)隊(duì)列中接受辨認(rèn)，雖然他們當(dāng)時(shí)可能并未意識(shí)到這一點(diǎn)。坦帕警察局正在測(cè)試一種名為FaceIt的新技術(shù)，它能夠從擁擠的人群中拍攝面部照片并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的罪犯照片進(jìn)行比對(duì)。

這套價(jià)值3萬美元的系統(tǒng)借給坦帕警察局使用已經(jīng)有一年了。到目前為止，還沒有使用這種技術(shù)拘捕過任何人。但是，位于坦帕中心城區(qū)不同位置的36臺(tái)攝像機(jī)能夠讓警察更加密切地觀察城市各處的活動(dòng)。對(duì)城市居民和旅游者日益嚴(yán)密的監(jiān)視已經(jīng)引起了隱私保護(hù)組織的抗議。

人有一種識(shí)別并記住數(shù)千張面孔的奇特本領(lǐng)。在本文中，你將了解到計(jì)算機(jī)如何將你的面孔變成計(jì)算機(jī)代碼以便與其他數(shù)千（或數(shù)百萬）張面孔進(jìn)行比較。我們還將介紹如何在選舉和犯罪調(diào)查中使用面部識(shí)別軟件，以及如何使用它保護(hù)個(gè)人計(jì)算機(jī)的安全。

臉是標(biāo)識(shí)您身份的重要元素，別人也會(huì)通過你的臉來辨認(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，面孔毫無疑問是一個(gè)人最獨(dú)一無二的物理特征。不只是人有識(shí)別和區(qū)分?jǐn)?shù)百萬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)的眾多開發(fā)者之一。該公司開發(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。

面部識(shí)別軟件的工作原理

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)一無二的特征，可以使用它們將我們與他人區(qū)分開。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)比圖像的基本過程：

1. 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。
2. 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。
3. 標(biāo)準(zhǔn)化——頭部圖像經(jīng)過縮放和旋轉(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)化過程。光線不會(huì)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化過程產(chǎn)生影響。
4. 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。
5. 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。

面部識(shí)別系統(tǒng)的應(yīng)用

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

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)，官員們可以通過搜索選民數(shù)據(jù)庫(kù)中的面部圖像來找出重復(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，無需再使用身份證、銀行卡或個(gè)人識(shí)別號(hào)（PIN）來確認(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)。

盡管可以使用面部識(shí)別技術(shù)保護(hù)您的私人信息，但是只需要在您沒有察覺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。

[責(zé)任編輯：小敏]