基于ORL數(shù)據(jù)庫(kù)的快速人臉認(rèn)證技術(shù)的研究

高海闊，馬盛楠

1.光電工程系濱州學(xué)院，山東濱州 256600 2.外語(yǔ)系濱州學(xué)院，山東濱州 256600

近年來(lái)，由于反恐、國(guó)土安全和社會(huì)安全的需要，世界上各個(gè)國(guó)家都對(duì)安防領(lǐng)域加大了投入，而身份識(shí)別正是安防的一個(gè)核心問(wèn)題。人臉識(shí)別技術(shù)為人類身份識(shí)別提供了一個(gè)簡(jiǎn)單、易行、可靠性高的方法，受到越來(lái)越多的重視。

人臉識(shí)別技術(shù)基本上可以歸結(jié)為以下三類:基于幾何特征的方法、基于模板的方法[1-5]（基于相關(guān)的方法、特征臉方法、線性判別分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、動(dòng)態(tài)連接匹配方法等）和基于模型的方法[6-8]（基于隱馬爾柯夫模型，主動(dòng)形狀模型和主動(dòng)外觀模型的方法）。由于基于模板的方法較好的利用了人臉的結(jié)構(gòu)和灰度分布信息，而且還具有自動(dòng)精確定位面部特征點(diǎn)的功能，因而具有良好的識(shí)別效果，適應(yīng)性強(qiáng)識(shí)別率較高，該技術(shù)在FERET 測(cè)試中若干指標(biāo)名列前茅，但其缺點(diǎn)也是相對(duì)明顯：時(shí)間復(fù)雜度高，速度較慢，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。

由于基于模板算法中的諸多優(yōu)點(diǎn)，它在人臉識(shí)別中得到了廣泛的應(yīng)用。如Debotosh Bhattacharjee 和Dipak K.Basu[9]基于加入外界圖像的ORL 數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)變形的多層感知器算法進(jìn)行了研究，獲得97.9%的準(zhǔn)確率。Fan Ou 和Zhaocui Han[10]通過(guò)CCA(Canonical Correlation Analysis，典型相關(guān)分析)+LDA 的方法把FRR100 和FAR1000 指標(biāo)降低了30%以上。

對(duì)于認(rèn)證問(wèn)題，可以看做識(shí)別問(wèn)題的簡(jiǎn)化，問(wèn)題可以歸為兩類:是本人或者不是本人。解決認(rèn)證問(wèn)題目的是找一個(gè)分界，盡可能好的區(qū)分這兩類。在這種情況下，可以使用運(yùn)算速度相對(duì)較快的線性判別方法。用一個(gè)兩維的數(shù)組分類來(lái)說(shuō)明問(wèn)題。

1 人臉認(rèn)證的線性區(qū)分的可能性分析

圖1 (a)當(dāng)樣本種類夠多時(shí)，很難用一條線(或平面)來(lái)區(qū)分；(b)而當(dāng)樣本數(shù)量足夠小時(shí)，線形區(qū)分可行

從圖1 中可以看出，當(dāng)樣品類的數(shù)量相對(duì)于維度足夠大時(shí)，很難用一條線（或者一個(gè)平面）把一個(gè)指定的類同其他類區(qū)分開來(lái)；而當(dāng)樣本類的數(shù)量變小時(shí)，線性區(qū)分變的可行。[11]

考慮到研究的問(wèn)題是認(rèn)證問(wèn)題(只有兩個(gè)樣本類)，且一個(gè)照片中的信息量是巨大的（維度足夠大），線性區(qū)分是可行的。

2 感知器算法

我們假設(shè)訓(xùn)練樣本集

來(lái)自兩個(gè)樣本(ω1,ω2)，其中l(wèi) 是樣本的數(shù)量

如果這兩個(gè)類中的樣本是線性可分的，存在一個(gè)平面

如果樣本可以被正確分類，必然滿足

其中

對(duì)于經(jīng)典的感知器算法，代價(jià)函數(shù)被定義為如下形式:

其中，Γ 是所有被錯(cuò)分類的樣品集

感知器算法是基于梯度下降和單樣品修正的方法[12-13]，偽代碼如下：

2)t=0 ;

3)重復(fù)

3 基于ORL 人臉數(shù)據(jù)庫(kù)的仿真

基于以上理論，本文在Inter Core 2 Duo CPU(2.93GHz)、2G 內(nèi)存容量的硬件環(huán)境下，利用Matlab 對(duì)無(wú)陌生人臉的ORL人臉數(shù)據(jù)庫(kù)、含有訓(xùn)練樣本外人臉的情況的數(shù)據(jù)庫(kù)和基于ORL數(shù)據(jù)庫(kù)和來(lái)自攝像頭的新樣本類組成的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行了仿真測(cè)試。

3.1 無(wú)陌生人臉的仿真測(cè)試

1）ORL 人臉數(shù)據(jù)庫(kù)

由劍橋大學(xué)的Olivetti 實(shí)驗(yàn)室建立的ORL 人臉數(shù)據(jù)庫(kù)由400 張照片組成(分辨率：92x112，40 個(gè)人，每人10 張照片)，近幾年來(lái)已成為最流行的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)之一，數(shù)據(jù)庫(kù)的部分照片如圖2 所示：

圖2 ORL 人臉數(shù)據(jù)庫(kù)（部分）

2）特征提取

目前提取人臉照片的特征有很多方法，如Fisher face 方法等。這些算法都需要大量的運(yùn)算，這對(duì)實(shí)時(shí)性的要求造成了障礙，也難以移植到其他硬件平臺(tái)。為了解決這一問(wèn)題，本文嘗試一種最簡(jiǎn)單的方法去提取特征：僅僅把圖像矩陣按列相連作為特征向量。對(duì)于大多數(shù)的分類器來(lái)說(shuō)，這將會(huì)產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)難”，但對(duì)于感知器算法不存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樵诟兄魉惴ㄖ兄挥邢蛄康募臃ê统朔ㄟ\(yùn)算。

3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從每個(gè)人的10 張照片中選出9 張作為訓(xùn)練樣本，而把剩余的1 張作為測(cè)試樣本，可以得到表1 中的結(jié)果?？紤]到目標(biāo)是認(rèn)證（是本人或不是本人），而不是識(shí)別（他/她是誰(shuí)），對(duì)于無(wú)法認(rèn)證的情況可以忽略。因?yàn)檫@個(gè)時(shí)候通常要求被測(cè)試者轉(zhuǎn)動(dòng)頭部產(chǎn)生另外的樣品，直至認(rèn)證成功。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖3 是一種錯(cuò)誤認(rèn)證的情況。

圖3 錯(cuò)誤匹配的情況

無(wú)法認(rèn)證的情況又可以分為兩類:找不到匹配的人或者匹配了多個(gè)人。

2 含有訓(xùn)練樣本外人臉的情況

許多情況下，可能有陌生臉孔會(huì)試圖進(jìn)入安全系統(tǒng)，這個(gè)人臉不屬于訓(xùn)練集中的任何一個(gè)人?？紤]到這種情況，設(shè)計(jì)如下仿真實(shí)驗(yàn)：

1）從樣本中挑出一個(gè)人的所有照片作為測(cè)試樣本；

2）為了更好的同表格1 中的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同樣只訓(xùn)練每個(gè)人的9 張照片。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 含有訓(xùn)練樣本外人臉情況下的人臉認(rèn)證結(jié)果

3 基于ORL 數(shù)據(jù)庫(kù)和來(lái)自攝像頭的新樣本類進(jìn)行的仿真

為了進(jìn)一步測(cè)試該算法在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用，利用攝像頭采集一組新的數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示該算法的分類表現(xiàn)良好。

表3 加入攝像頭采集新類后的認(rèn)證結(jié)果

4 運(yùn)算速度的比較

在運(yùn)算過(guò)程中，同時(shí)用分類方法中經(jīng)典的最近鄰法[14]和人臉識(shí)別中經(jīng)典的Fisherface 方法采用上述同樣的訓(xùn)練樣本進(jìn)行認(rèn)證計(jì)算，與本文所用簡(jiǎn)化特征提取的感知器算法比較，得到如表4 所示的計(jì)算結(jié)果。

表4 運(yùn)算速度的比較

從結(jié)果可以看出簡(jiǎn)化特征提取的感知器算法明顯優(yōu)于最近鄰法和Fisherface 方法。這是由于最近鄰算法中含有距離運(yùn)算過(guò)程，F(xiàn)isherface 也要完成投影和距離運(yùn)算過(guò)程，而感知器算法僅有運(yùn)算較快的向量的加法和乘法。

5 結(jié)論和展望

本文用簡(jiǎn)化特征提取過(guò)程感知器算法在ORL 數(shù)據(jù)庫(kù)中去進(jìn)行人臉認(rèn)證。結(jié)果顯示：當(dāng)沒有陌生面孔的情況下，識(shí)別的準(zhǔn)確率達(dá)到99.7%；當(dāng)引進(jìn)陌生面孔時(shí)，準(zhǔn)確率將至98.1%。隨后通過(guò)攝像頭采集新的數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證該算法在現(xiàn)實(shí)中的表現(xiàn)能力，結(jié)果10 張人臉照片中的7 張被正確認(rèn)證，另外3 張照片無(wú)法認(rèn)證（沒有錯(cuò)誤認(rèn)證的情況發(fā)生）。在運(yùn)算速度方面，成功認(rèn)證一個(gè)樣品的平均時(shí)間為50ms，優(yōu)于最近鄰算法和Fisherface 方法。

從上述結(jié)果來(lái)看，在中等數(shù)量樣本的人臉認(rèn)證的過(guò)程中，采用簡(jiǎn)化提取過(guò)程的感知器算法是完全可行的，而這個(gè)簡(jiǎn)化過(guò)程無(wú)疑會(huì)對(duì)計(jì)算速度和硬件的移植過(guò)程大有幫助，在接下來(lái)的工作中，需要對(duì)大樣本數(shù)量的情況進(jìn)一步驗(yàn)證，測(cè)試該方法的實(shí)際應(yīng)用能力。

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