[科普中国]-人脸识别算法

人脸识别算法是指在检测到人脸并定位面部关键特征点之后，主要的人脸区域就可以被裁剪出来，经过预处理之后，馈入后端的识别算法。识别算法要完成人脸特征的提取，并与库存的已知人脸进行比对，完成最终的分类。

背景传统个人身份验证手段如口令、证件、IC 卡等方式，由于与身份人的可分离性，致 使伪造、盗用、破译等现象时有发生，已经不能满足现代社会经济活动和社会安全防范的需要。生物特征识别包括指纹、掌纹、语音、人脸、虹膜、步态、掌静脉等。生物特征识别技术先投入广泛应用的是指纹、掌纹扫描识别技术，但是却常常因为受到皮肤纹理及干燥程度等条件制约出现误判，引发不必要的麻烦，已远远不能满足人们的需求。随着科学技术的不断发展，以及社会对于身份识别越来越高的要求，生物特征识别技术逐渐呈多样化发展，例如虹膜识别、声音识别、笔迹识别、签名识别、人脸识别等各项生物特征识别技术。

作为模式识别和图像处理领域成功的应用之一，人脸识别在过去 20 年里一直都是研究热点。相比之下，人脸识别的普遍性、可采集性与被采集者的可接受性较高，这就具有 了方便友好、易于接受、不易伪造等一系列优点。机器自动人脸识别研究开始于 1966 年 PRI 的 Bledsoe 的工作。1990 年日本研制的人像识别机，可在 1s 内中从 3 500 人中识别到 你要找的人。1993 年，美国国防部高级研究项目署（Advanced Research Projects Agency）和 美国陆军研究实验室（Army Research Laboratory）成立了 Feret（Face RecognitionTechnology） 项目组，建立了 Feret 人脸数据库，用于评价人脸识别算法的性能。2007 年，上海市质量 技术监督局公布了城市轨道交通和旅馆商务办公楼两项安全防范系统地方标准，为 2010 年 上海世博会应用人脸识别技术提供技术规范。2008 年人脸识别应用于奥运会的安防。人脸 识别技术已经开始走入普通生活。国内外人脸识别技术还在进一步发展和完善之中，市场机会处于起步阶段，可广泛应用于安全、考勤、网络安全、银行、海关边检、物业管理、 智能身份证、门禁、计算机登录系统、国家安全、公共安全、军事安全等领域。

简介人脸识别（Facial Recognition），就是通过视频采集设备获取用户的面部图像，再利用核心的算法对其脸部的五官位置、脸型和角度进行计算分析，进而和自身数据库里已有的范本进行比对，后判断出用户的真实身份。人脸识别技术基于局部特征区域的单训练样本人脸识别方法。第一步，需要对局部区域进行定义；第二步，人脸局部区域特征的提取，依据经过样本训练后得到的变换矩阵将人脸图像向量映射为人脸特征向量；第三步，局部特征选择（可选）；后一步是进行分类。分类器多采用组合分类器的形式，每个局部特征 对应一个分类器，后可用投票或线性加权等方式得到终识别结果。 人脸识别综合运用了数字图像/视频处理、模式识别、计算机视觉等多种技术，核心技 术是人脸识别算法。人脸识别的算法有 4 种：基于人脸特征点的识别算法、基于整幅 人脸图像的识别算法、基于模板的识别算法、利用神经网络进行识别的算法。

作为人脸识别的第一步，人脸检测所进行的工作是将人脸从图像背景中检测出来，由于受图像背景、亮度变化以及人的头部姿势等因素影响使人脸检测成为一项复杂研究内容。检测定位：检测是判别一幅图像中是否存在人脸，定位则是给出人脸在图像中的位置。定位后得到的脸部图像信息是测量空间的模式，要进行识别工作，首先要将测量空间中的数据映射到特征空间中。采用主分量分析方法，原理是将一高维向量，通过一个特殊的特征向量矩阵，投影到一个低维的向量空间中，表征为一个低维向量，并且仅仅损失一些次要信息。通过对经过检测和定位过的人脸图像进行特征提取操作可以达到降低图像维数，从而可以减小识别计算量，提高识别精度的作用。人脸识别系统采用基于特征脸的主 成分分析法（PCA），根据一组人脸训练样本构造主元子空间，检测时，将测试图像投影到 主元空间上，得到一组投影系数，再和各已知的人脸图像模式比较，从而得到检测结果。1

原理人脸识别算法的原理：系统输入一般是一张或者一系列含有未确定身份的人脸图像，以及人脸数据库中的若干已知身份的人脸图象或者相应的编码，而其输出则是一系列相似度得分，表明待识别的人脸的身份。

分类按维数分类（一）二维

人脸识别法主要集中在二维图像方面，二维人脸识别主要利用分布在人脸上从低到高80个节点或标点，通过测量眼睛、颧骨、下巴等之间的间距来进行身份认证。人脸识别算法主要有：

1.基于模板匹配的方法：模板分为二维模板和三维模板，核心思想:利用人的脸部特征规律建立一个立体可调的模型框架，在定位出人的脸部位置后用模型框架定位和调整人的脸部特征部位，解决人脸识别过程中的观察角度、遮挡和表情变化等因素影响。

2.基于奇异值特征方法：人脸图像矩阵的奇异值特征反映了图像的本质属性，可以利用它来进行分类识别。

3.子空间分析法：因其具有描述性强、计算代价小、易实现及可分性好等特点，被广泛地应用于人脸特征提取，成为了当前人脸识别的主流方法之一。

4.局部保持投影(Locality Preserving Projections，LPP)是一种新的子空间分析方法，它是非线性方法Laplacian Eigen map的线性近似，既解决了PCA等传统线性方法难以保持原始数据非线性流形的缺点，又解决了非线性方法难以获得新样本点低维投影的缺点。

5.主成分分析(PCA)

PCA模式识别领域一种重要的方法，已被广泛地应用于人脸识别算法中，基于PCA人脸识别系统在应用中面临着一个重要障碍：增量学习问题。增量PCA算法由新增样本重构最为重要 PCS，但该方法随着样本的增加， 需要不断舍弃一些不重要PC，以维持子空间维数不变， 因而该方法精度稍差。

6.其他方法：弹性匹配方法、特征脸法(基于KL变换)、人工神经网络法、支持向量机法、基于积分图像特征法(adaboost学习)、基于概率模型法。

（二）三维

二维人脸识别方法的最大不足是在面临姿态、光照条件不同、表情变化以及脸部化妆等方面较为脆弱，识别的准确度受到很大限制，而这些都是人脸在自然状态下会随时表现出来的。三维人脸识别可以极大的提高识别精度，真正的三维人脸识别是利用深度图像进行研究，自90年代初期开始，已经有了一定的进展。三维人脸识别方法有：

1.基于图像特征的方法：采取了从3D结构中分离出姿态的算法。首先匹配人脸整体的尺寸轮廓和三维空间方向；然后，在保持姿态固定的情况下，去作脸部不同特征点(这些特征点是人工的鉴别出来)的局部匹配。

2.基于模型可变参数的方法：使用将通用人脸模型的3D变形和基于距离映射的矩阵迭代最小相结合，去恢复头部姿态和3D人脸。随着模型形变的关联关系的改变不断更新姿态参数，重复此过程直到最小化尺度达到要求。基于模型可变参数的方法与基于图像特征的方法的最大区别在于：后者在人脸姿态每变化一次后，需要重新搜索特征点的坐标，而前者只需调整3D变形模型的参数。

按机理分类1.基于人脸特征点的识别算法（feature-based recognition algorithms）。

2.基于整幅人脸图像的识别算法（appearance-based recognition algorithms）。

3.基于模板的识别算法（template-based recognition algorithms）。

4.利用神经网络进行识别的算法（recognition algorithms using neural network）。

5.利用支持向量机进行识别的算法（recognition algorithms using SVM）。

难点人脸识别算法研究已久，在背景简单的情形下，大部分算法都能很好的处理。但是，人脸识别的应用范围颇广，仅是简单图像测试，是远远不能满足现实需求的。所以人脸识别算法还是存在很多的难点。

光照

光照问题是机器视觉中的老问题，在人脸识别中的表现尤为明显，算法未能达到使用的程度。

姿态

与光照问题类似，姿态问题也是人脸识别研究中需要解决的一个技术难点。针对姿态的研究相对比较少，多数的人脸识别算法主要是针对正面，或接近正面的人脸图像，当发生俯仰或者左右侧而比较厉害的情况下，人脸识别算法的识别率也将会急剧下降。

遮挡

对于非配合情况下的人脸图像采集，遮挡问题是一个非常严重的问题，特别是在监控环境下，往往被监控对象都会带着眼镜﹑帽子等饰物，使得被采集出来的人脸图像有可能不完整，从而影响了后面的特征提取与识别，甚至会导致人脸识别算法的失效。

年龄变化

随着年龄的变化，面部外观也在变化，特别是对于青少年，这种变化更加的明显。对于不同的年龄段，人脸识别算法的识别率也不同。

图像质量

人脸图像的来源可能多种多样，由于采集设备的不同，得到的人脸图像质量也不同，特别是对于那些低分辨率﹑噪声大﹑质量差的人脸图像如何进行有效的人脸识别是个需要关注的问题。同样的，对于高分辨图像，对人脸识别算法的影响也需要进一步研究。

样本缺乏

基于统计学习的人脸识别算法是人脸识别领域中的主流算法，但是统计学习方法需要大量的培训。由于人脸图像在高维空间中的分布是一个不规则的流行分布，能得到的样本只是对人脸图像空间中的一个极小部分的采样，如何解决小样本下的统计学习问题有待进一步的研究。

大量数据

传统人脸识别算法如PCA、LDA等在小规模数据中可以很容易进行训练学习。但是对于大量数据，这些方法其训练过程难以进行，甚至有可能崩溃。

大规模人脸识别

随着人脸数据库规模的增长，人脸算法的性能将呈现下降。2

应用领域监控布控

实时实现多路摄像机对数十万布控对象的现场识别和报警提示，广泛用于机场、火车站、银行等场所，实现对特定人群的布控。

公安照片搜索系统

公安系统面临的一个难题是无法充分利用手头上现成的（身份证、暂住证等）数以百万计的照片资源，在查案过程中拿到一张照片却无法有效的定位其身份，人工的逐张进行照片对比几乎是不可能完成的工作，只能花费大量的警力和时间进行排查。采用人脸识别算法实现快速人脸检索查找，充分体现科技强警的威力。

门禁出入

人脸识别算法的另一主流应用方向，其优势在于非接触操作而且直观方便便于事后查验。

身份识别

应用有考场考生身份识别系统，公安局罪犯积分系统等。

发展趋势二维与三维人脸识别相结合，多种模式的识别使用，可以有效地提高人脸识别精确度；二维识别算法逐步应用于三维人脸识别；人脸识别算法要能克服：姿势、表情的变化，佩戴眼睛、珠宝和其它一些因素及光线等因素影响；识别算法应该需要更少的计算量。3

本词条内容贡献者为:

吴晨涛 - 副研究员 - 上海交通大学