智能人臉模擬畫像技術的進展

卜凡亮， 袁夢琪， 尚垚睿

(中國人民公安大學信息技術與網(wǎng)絡安全學院， 北京 100038)

智能人臉模擬畫像技術的進展

卜凡亮， 袁夢琪， 尚垚睿

(中國人民公安大學信息技術與網(wǎng)絡安全學院， 北京 100038)

人臉模擬畫像作為一項古老的專門技術，經(jīng)歷了從手工素描到計算機智能的轉變，現(xiàn)已成為世界上應用最廣泛、影響最大的刑偵破案手段之一?？陀^詳實地介紹人臉模擬畫像基礎知識、國內(nèi)外歷史與發(fā)展過程及最新進展，為智能人臉模擬畫像的研究及應用提供了可靠的參考方向。隨著計算機、圖形圖像技術的不斷發(fā)展和提高，智能人臉模擬畫像也將不斷完善并越來越適應公安機關的辦案要求，在刑事案件的偵查破案領域發(fā)揮積極作用。

智能畫像； 刑事案件； 人臉部件

0 引言

隨著社會媒體的進步和各種信息渠道的普及，犯罪與偵查的對抗愈演愈烈，犯罪分子的反偵查意識逐漸增強，反偵查行為日漸突出，如消除現(xiàn)場的足跡或指紋、碎尸滅跡、偽造身份信息，甚至破壞監(jiān)控設備、尋找監(jiān)控盲區(qū)等[1]，使得辦案民警很難從現(xiàn)場提取有效的痕跡物證，辦案難度不斷加大。但是，犯罪分子的面部特征往往會給受害者和現(xiàn)場目擊證人留下較為深刻的印象，而識別不同的相貌又是人類固有的本能，正是這種普遍的識別能力為刑偵破案提供了契機，人臉模擬畫像技術因此應運而生。該技術能夠在很大程度上解決上述問題，特別是對于受害者與犯罪嫌疑人近距離接觸的案件，如詐騙、搶劫、強奸等。技術人員通過聽取目擊者的描述，能夠在短時間內(nèi)刻畫出犯罪分子的模擬畫像，有效地縮小了偵查范圍，為偵查破案指明了方向，提供了證據(jù)和線索，具有很強的實用性。同時人臉模擬畫像也是通緝、通報和向新聞媒體、社會大眾發(fā)布圖像信息的一種極好形式。

1 人臉模擬畫像技術

人臉模擬畫像又被稱為刑事畫像、人像組合，是刑事相貌學的重要研究內(nèi)容之一。它是指根據(jù)現(xiàn)場目擊者對嫌犯的語言描述，利用一定的技術手段，如手工繪畫、計算機軟件等對口述的特征進行組合，或利用現(xiàn)有相似的人臉為模板進行畫像，得到初步的嫌疑人組合畫像。再由目擊者進行核對和辨認，對組合畫像進行局部修改和細節(jié)調(diào)整，經(jīng)過多次修改校正后，最終刻畫出與嫌疑人相貌特征相似畫像的一種技術方法。

人臉模擬畫像主要有傳統(tǒng)手工畫像和計算機人臉模擬畫像兩種方法。手工素描畫像對畫像者的繪畫功底和技巧有很高的要求，只有少數(shù)專業(yè)人員才能掌握，因而使用的局限性比較大。此外手工素描畫像速度慢，不易存儲，因此很難滿足公安工作的需要。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，計算機人臉模擬畫像逐步代替手工畫像，在刑偵破案中發(fā)揮著越來越重要的作用。計算機中存儲有臉型、發(fā)型、眉毛、眼睛、鼻子、嘴以及疤痕、酒窩、胎記等大量不同類型的人臉部件庫，每種類型又可進一步細分。人臉模擬畫像系統(tǒng)可以通過調(diào)用人臉部件庫中的部件對人臉進行隨意的組合和調(diào)整，形成千姿百態(tài)的人臉圖像，并可利用其強大的圖像處理功能得到所需的圖像效果，不受畫像者技術的限制，具有成像快、操作簡便、易于傳輸、存儲和管理等特點，因此在公安領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的應用前景。計算機人臉模擬畫像不僅能為公安機關搜捕犯罪嫌疑人提供強有力的技術支持，還能用于對已故或走失多年親人的相貌再現(xiàn)，對模糊視頻中模糊人像的圖像重建[2]，對受損毀尸體的面貌復原[3]，以及對不同年齡的人像演變等，以此來解決實際公安工作中的重、難點問題，提高了工作效率。

2 人臉模擬畫像技術發(fā)展現(xiàn)狀

人臉模擬畫像技術在我國有著悠久的歷史，自古以來就是十分重要的刑偵破案手段。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，人臉模擬畫像的操作方式經(jīng)歷了從早期的手工素描畫像，到后來的半自動化手工拼圖組合方式，再到現(xiàn)在的計算機智能人臉模擬畫像的改變，現(xiàn)在已成為世界上應用最廣泛、影響最大的刑偵破案手段之一。其發(fā)展可追溯到兩千多年前，當時的古代執(zhí)法者就利用人臉模擬畫像并配以文字說明來張榜通緝犯罪嫌疑人。但它真正發(fā)展是從20世紀40年代開始。

2.1 國外人臉模擬畫像技術發(fā)展現(xiàn)狀

英國人Jacques Penry最早發(fā)明了人像組合技術[4]。1938年，Jacques Penry在為《人像特征》一書收集臉譜插圖時，無意中發(fā)現(xiàn)大小不同、角度不同的人臉五官和發(fā)型可以相互交換，重新組合成新的相貌。此后他又收集了大量的人像照片，于1969年制成了第一臺人像組合儀，并在伯明翰市警察局進行測試，取得了很好的效果。

此后，人像組合逐漸發(fā)揮出它在刑事偵查中的作用，由此引起了各國警方的高度關注。人臉模擬畫像技術由此進入半自動化手工拼圖組合階段。在半自動化手工拼圖組合階段中，各國使用的普遍是人像組合箱(包)。

20世紀40年代中期，國際上通用的人像組合法是將一定數(shù)量、不同種類的相貌特征進行排列組合，從而制成形態(tài)各異的人臉畫像。當時采用的是一個看起來頗似旅行箱大小的“人像組合箱”作為圖像庫，里面裝滿了各式各樣的五官塑料卡片，在應用時采用幻燈片的形式進行拼接、制作。

60年代初期，日本警方將當?shù)匕l(fā)明的一種外科整容手術儀器—401型圖像組合儀用于人像組合[4]。此后聯(lián)邦德國警方將其做了改進并用于偵查破案工作。

70年代末，世界各國陸續(xù)推出了人像組合儀、人像合成器等系統(tǒng)[5]。這其中包括聯(lián)邦德國警方使用的“美能達”人像組合系統(tǒng)；美國警方使用的“FIS”(Facial Identification System)面部識別系統(tǒng)；英國警方使用的“Face-fit”系統(tǒng)，以及日本富士公司和神奈川縣警察局共同研制開發(fā)的簡易人像合成器等[6]。

90年代后，隨著計算機的普及與發(fā)展，以及硬件制造技術和軟件編程技術的提高，人們開始考慮用計算機代替手工進行人臉模擬畫像，把“人像組合箱”移植入計算機內(nèi)，以期望能夠在短時間內(nèi)得到更為真實和準確的人臉模擬畫像。人臉模擬畫像技術由此進入計算機智能階段。各國相繼開發(fā)出具有本國特色的人臉圖像庫和人臉模擬畫像系統(tǒng)，并推出相應的工作方法如：

美國研制的可用于繪制兒童未來相貌特征的計算機增齡成像系統(tǒng)。

美國研制的計算機素描系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有語音會話程序，可以和使用者面對面對話，以不具引導性和攻擊性的詢問幫助目擊者回憶嫌犯的相貌特征。

美國研制的“Face Prints”系統(tǒng)。該系統(tǒng)從臉型庫的34億種類型中隨機選取20幅圖，展現(xiàn)給坐在操作屏幕前的目擊者。要求目擊者將屏幕顯示出的臉型圖和自己腦中嫌犯的臉型作對比，并將自己確信無疑的面部特征固定下來反饋給系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)用戶反饋信息重新生成另外20幅人臉圖像。

聯(lián)邦德國自行研制出的計算機輔助人像聯(lián)合系統(tǒng)(FACETTE)。電子輸入和電子控制器用來完成該系統(tǒng)所有的程序步驟，鍵盤和鼠標完成其他功能。該系統(tǒng)操作簡單，操作者根據(jù)目擊者的描述組合完人臉相片后，由一個圖形自動選擇器對其進行進一步的修改和調(diào)整，直到符合目擊者的要求為止。該系統(tǒng)還可控制人臉表情。

英國阿伯丁大學心理學系和劍橋大學CAD中心聯(lián)合推出的計算機人臉合成系統(tǒng)——E-FIT(Electric Facial Identification System)電子人臉識別系統(tǒng)[7]。該系統(tǒng)的特征庫是按照人的性別和種族區(qū)分開的，比其他系統(tǒng)分類更細致。此外，該系統(tǒng)的開發(fā)者Aspley公司主張直接給目擊者呈現(xiàn)根據(jù)他的描述所繪制的人臉圖像，而不是讓目擊者從眾多圖片中挑選類似犯罪嫌疑人的照片，避免了先入為主思想的影響，避免產(chǎn)生似是而非的幻覺。

美國IQ-Biometrix公司研發(fā)的FACES軟件[8]。該系統(tǒng)被包括CIA(美國中央情報局)、FBI(美國聯(lián)邦調(diào)查局)以及美國軍方在內(nèi)的世界各國警察局所使用。FACES 4.0軟件具有以下特點：包含有4400個面部特征的數(shù)據(jù)庫，新增拉丁人、美國黑人和亞洲人的人像部件；可添加面部標記物，如穿刺、黑痣、疤痕和紋身等；和人臉識別技術相結合，將各部件很好地融合在一起，得到接近照片質量的人臉圖片；同時還具有人像增齡和老化處理等功能。

此外還有英國的Photo Fit計算機照片擬合系統(tǒng)、美國的Identi-Kit系統(tǒng)[9]和俄羅斯的黑白色調(diào)人像組合系統(tǒng)[6]等。

2.2 國內(nèi)人臉模擬畫像技術發(fā)展現(xiàn)狀

我國的人臉模擬畫像技術起步較晚，但也取得了一系列科研成果。1985年，我國公安部參考日本的人像合成器研制出適合于我國人口的PZY-110型透明人像組合箱。采用手工拼圖的方式，將剪切下來的人臉五官照片分類保存在相冊中，目擊者從中選取自己認為符合嫌疑人相貌特征的五官照片，將其進行拼接，從而得到近似于嫌疑人的照片。由于該方法只是簡單地將人臉五官拼湊在一起，無法對其進行更進一步的細節(jié)調(diào)整和修改，得到的拼圖照片不自然，和實際人物相貌相差甚遠，因此未能在全國普及。

公安部和清華大學共同研制開發(fā)的我國第一套基于照片的人像組合系統(tǒng)——GA計算機人像組合系統(tǒng)[10]。

清華大學研制的“TH計算機人像組合系統(tǒng)”[11]。該系統(tǒng)創(chuàng)造性地設計了包括自主研發(fā)的圖像卡、人像組合軟件安裝包以及人臉部件軟件包在內(nèi)的復雜智能選項。由于各部件都是來自于照片，因此組合出的人臉圖像真實性較好。

中國刑事警察學院的刑事相貌學專家與東大阿爾派軟件開發(fā)公司聯(lián)手，共同研制開發(fā)的“警星CCK系列人像模擬組合系統(tǒng)”[12]。其中《“警星CCK-Ⅱ”人像模擬組合系統(tǒng)》被公安部列為2000年重點推廣的科研成果項目之一。該系統(tǒng)的軟件設計與實現(xiàn)采用的是面向對象的程序設計方法[13]。2001年，該項目升級為《“警星CCK-Ⅲ”人像模擬組合系統(tǒng)》[14]。該系統(tǒng)擁有人臉正面和側面的面貌特征數(shù)據(jù)庫，并對五官按類型劃分，經(jīng)任意組合后可得到全部畫像90億個。此外，該系統(tǒng)最具特色的功能是顱骨復原術與人像增齡技術，具有很強的智能性。

除此之外，還有由重慶刑科所和重慶創(chuàng)新CAD輔助設計公司聯(lián)合開發(fā)的“西南人計算機人像組合系統(tǒng)”。該系統(tǒng)構建了我國第一個具有區(qū)域性特點的彩色人臉五官部件資料庫。

上述這些人像組合系統(tǒng)的問世深受公安部門的歡迎。作為一項新形式的刑偵技術，它們在提升公安部門辦案效率的同時，也大大降低了疑案懸案產(chǎn)生的可能性，在偵查破案和調(diào)查取證中發(fā)揮了舉足輕重的作用，為實施科技強警戰(zhàn)略提供了強有力的技術支撐和智力保障，體現(xiàn)了我國公安戰(zhàn)線向科技要戰(zhàn)斗力的發(fā)展戰(zhàn)略。

3 人臉模擬畫像技術在公安工作中的應用與存在的問題

信息的交流與傳遞在日常生活中是必不可少的，且一般以語言傳遞最為普遍。我們都知道，當一個人將他看到的或聽到的說給另一個人聽，另一個人再說給下一個人聽時，這樣如此地傳遞下去，信息的準確性就會層層削減，原本的信息內(nèi)容就會完全變樣。以往公安刑事偵查工作對于目擊者或者受害人描述的犯罪嫌疑人相貌特征，是以語言或者文字描述的形式進行傳遞的。但是由于語言的不確定性和模糊性，信息的完整性和準確性在傳遞過程中必將受到一定程度的損害。

人臉模擬畫像技術是偵查破案中采集與應用信息的一個重要手段。它的信息直接來源于案件的受害者、目擊證人在其大腦中對犯罪嫌疑人的形象記憶，并最終以人臉模擬畫像這種圖像化的形式將其相貌特征固定下來。將抽象的語言文字內(nèi)容形象化、具體化、圖像化，更加便于人們理解和接受。

從某種程度上來講，刑事偵查是還原犯罪過程的一門學科。各種刑事犯罪都是在暗中進行的，對于公安部門來說，犯罪的實施過程是潛隱的、未知的。案件發(fā)生后，偵查人員、技術人員通過細致的現(xiàn)場勘查和調(diào)查訪問，獲取第一手資料，進行研究和分析，然后為犯罪分子“畫像”。這種畫像的實質就是還原案發(fā)過程：作案人數(shù)、時間、地點、罪犯的性別、年齡、體貌特征、職業(yè)等等，而人臉模擬畫像研究的就是如何對罪犯的面部進行還原。

在證據(jù)方面，用人臉模擬畫像技術得到的人臉圖像可以作為刑事司法鑒定和實施抓捕的一項重要證據(jù)，能直接為偵查破案服務。

在實際應用方面，由于人臉模擬畫像技術直接提供的是犯罪嫌疑人的面部特征，因此可以有效地縮小偵查范圍，成為認定和排除犯罪嫌疑人的基礎，為偵查破案指明方向。如果配上文字描述和進一步的說明，它便可以成為通緝、通報和向新聞媒體、社會大眾發(fā)布搜捕信息的一種極好形式。

在基礎建設方面，利用人臉模擬畫像技術不斷為計算機人臉檔案庫添加新的圖片，使圖像信息標準化、通用化，不斷擴大并完善公安內(nèi)部的人像信息綜合系統(tǒng)，為日后搜集、存儲、管理和檢索犯罪嫌疑人提供便利，同時不斷促使人臉模擬畫像技術向高科技領域邁進。

但從大環(huán)境看來，人臉模擬畫像技術的發(fā)展仍處于初期階段，且并未在實際的公安工作中得到廣泛的應用和應有的重視。

比如認識上有誤區(qū)，系統(tǒng)建設力度不夠，應用意識不強，技術人員欠缺等[15]。因此在今后的公安工作中，要注重對人臉模擬畫像技術的運用，提高發(fā)現(xiàn)和查獲犯罪嫌疑人的成功率；此外，要加大對智能人臉模擬畫像系統(tǒng)的引入，簡化系統(tǒng)操作程序，提高自動化程度，優(yōu)化系統(tǒng)性能，同時要注重培養(yǎng)兼具計算機能力與美術基礎知識的高素質技術人才。

4 人臉模擬畫像技術展望

在計算機模擬畫像系統(tǒng)中，真實感人臉的合成與表情動畫的生成一直是最具挑戰(zhàn)性的難題。雖然國內(nèi)外很多學者一直從事這一方面的研究，也取得了一些突破性的進展，但至今仍未開發(fā)出一套系統(tǒng)的理論和成熟的技術，研究仍屬探索階段，且在實際公安工作中的應用并不廣泛。雖然在真實感人臉合成關鍵技術以及系統(tǒng)開發(fā)方面進行了一些研究并取得一定成就，但還有很多不足和有待提高改進之處：

(1)人臉表情的真實度有待進一步提高。首先可以通過增加控制點來對三維人臉模型進一步優(yōu)化，其次可以對人臉局部器官做更為精細的建模，增加更多的特征和個性化的表情細節(jié)，如頭發(fā)、牙齒、舌頭等。

(2)目前靜態(tài)的人臉表情合成還可以向動態(tài)發(fā)展，進一步研究人臉表情動畫技術，如語音驅動的人臉表情動畫、視頻驅動的人臉表情動畫等。

(3)系統(tǒng)人臉部件庫的庫容量較小，有待進一步擴充，最好能涵蓋不同人種、不同膚色、不同年齡的人像，以滿足公安一線的實際需求。

(4)系統(tǒng)功能有待進一步完善，例如沒有實現(xiàn)對人臉部件的縮放以及位置調(diào)整，在人像組合后無法通過撤銷功能還原上次的編輯效果，合成的三維人臉無法自由旋轉，不能從任意角度觀察等，有待進一步優(yōu)化。后續(xù)還可以添加人臉老化功能，實現(xiàn)對人類未來面貌的預測，滿足公安機關抓捕多年逃犯的需求。

5 結語

人臉模擬畫像作為偵查破案中采集信息的一個重要手段，對于還原犯罪嫌疑人面貌、縮小偵查范圍具有十分重要的意義。模擬畫像技術是一種歷史悠久的刑偵破案手段，其發(fā)展可追溯到兩千多年前，古代執(zhí)法者利用模擬畫像、并配以文字說明來張榜通緝犯罪嫌疑人開始，伴隨著科學技術的發(fā)展，其操作方式經(jīng)歷了從早期的手工素描畫像，到后來的半自動化手工拼圖組合方式，再到現(xiàn)在隨著計算機圖形圖像學、相貌學、數(shù)字圖像處理和人工智能等技術運用，實現(xiàn)真正意義的智能人臉模擬畫像，提高公安機關辦案效率和打擊犯罪的能力，現(xiàn)已成為世界上應用最廣泛、影響最大的刑偵破案手段之一。

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[15] 蔡鴻鳴．論模擬畫像技術的現(xiàn)狀及應用[J]．刑事技術，2006(6)：36-38.

(責任編輯 陳小明)

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFC0801005)。

卜凡亮(1965—)，男，江蘇徐州人，教授，博士后。研究方向為信息技術。

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