基于OpenCV的活體檢測(cè)

侍新蘭 杜友福 王同喜

摘要：由于人臉極易用照片、視頻等方式進(jìn)行復(fù)制，對(duì)人臉識(shí)別與認(rèn)證系統(tǒng)安全造成威脅，使用dlib人臉識(shí)別與關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)，實(shí)時(shí)追蹤視頻中人臉關(guān)鍵點(diǎn)，進(jìn)行人臉活體檢測(cè)（Face Anti-spoofing），以此來(lái)抵御照片、換臉、面具、遮擋以及屏幕翻拍等常見(jiàn)的攻擊手段，保障用戶的利益。

關(guān)鍵詞：人臉關(guān)鍵點(diǎn);dlib;活體檢測(cè);深度學(xué)習(xí)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）15-0211-03

1引言

隨著人臉識(shí)別系統(tǒng)在日常生活中更加普遍的應(yīng)用，從智能手機(jī)上的人臉識(shí)別解鎖、到人臉識(shí)別打卡、門(mén)禁系統(tǒng)等等?；铙w檢測(cè)是在一些身份驗(yàn)證場(chǎng)景確定對(duì)象真實(shí)生理特征的方法，在人臉識(shí)別應(yīng)用中，活體檢測(cè)能通過(guò)眨眼、張口、搖頭、點(diǎn)頭等組合動(dòng)作，使用人臉關(guān)鍵點(diǎn)定位和人臉追蹤等技術(shù)，驗(yàn)證用戶是否為真實(shí)活體本人操作。本次實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)眨眼和張口檢測(cè)。

2相關(guān)技術(shù)

2.1Dlib

一個(gè)很經(jīng)典的用于圖像處理的開(kāi)源庫(kù)，shape_predictor_68_face_landmarks.dat是一個(gè)用于人臉68個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)的dat模型庫(kù)，使用這個(gè)模型庫(kù)可以很方便地進(jìn)行人臉檢測(cè)，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的應(yīng)用。臉部特征圖如圖1。

2.2眨眼檢測(cè)原理

在進(jìn)行眨眼檢測(cè)之前，首先需要確定眼睛的位置，在確定眼睛位置之后，選擇6個(gè)點(diǎn)來(lái)表示眼睛。如圖2所示，基于人臉特征圖從眼睛的左角開(kāi)始，順時(shí)針繞著眼睛進(jìn)行編號(hào)。

根據(jù)圖2標(biāo)定的6個(gè)點(diǎn)來(lái)表示眼睛睜開(kāi)和閉上的狀態(tài)。當(dāng)睜眼時(shí)，上圖中垂直方向的黃色箭頭會(huì)變得伸長(zhǎng);閉眼時(shí)，這個(gè)箭頭相應(yīng)縮短。由于觀看的距離、角度的不同，單從這一點(diǎn)來(lái)判斷人眼的狀態(tài)容易出現(xiàn)誤差，所以借助Soukupov6和cech在其2016年的論文“Real-Time Eye Blink D～ecfion using FacialLandmarks”中推導(dǎo)出反映這種關(guān)系的方程，稱為眼睛縱橫比EAR（Eve Aspect Ratio）。如下所示：

其中p1，……，p6是2D眼睛地標(biāo)位置。

由圖2所示的EAR曲線圖可知，當(dāng)人眼睜開(kāi)時(shí)，EAR在某個(gè)值上下波動(dòng);當(dāng)人眼閉合時(shí)，EAR迅速下降，理論上會(huì)接近于零。鑒于當(dāng)時(shí)的技術(shù)限制，人臉檢測(cè)模型不是很精確，所以認(rèn)為當(dāng)EAR低于某個(gè)閾值時(shí)，眼睛處于閉合狀態(tài)。由于眨眼速度比較快，完成眨眼動(dòng)作一般需要1-3幀，所以為檢測(cè)眨眼次數(shù)，需要設(shè)置同一次眨眼的連續(xù)幀數(shù)。關(guān)于閾值的設(shè)置要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定。

2.3張口檢測(cè)原理

張口檢測(cè)原理類(lèi)似于眨眼檢測(cè)。如圖3所示，同樣選擇6個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)編號(hào)。

3人臉活體檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

3.1提取臉部特征部位

基于dlib的shape_predictor 68 face landmarks模型檢測(cè)出人臉的68個(gè)特征點(diǎn)，獲取面部標(biāo)志的索引，由特定面部的索引來(lái)提取特定的臉部結(jié)構(gòu)。

實(shí)現(xiàn)過(guò)程中對(duì)于輸入圖像，先做人臉檢測(cè)，再做關(guān)鍵點(diǎn)定位。首先檢測(cè)人臉?biāo)谖恢茫ㄈ四樋颍?，再檢測(cè)關(guān)鍵點(diǎn)相對(duì)于人臉框的位置，用回歸算法去預(yù)測(cè)每一個(gè)點(diǎn)在圖像當(dāng)中的位置，得到坐標(biāo)點(diǎn)。進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的框進(jìn)行遍歷，對(duì)人臉框進(jìn)行關(guān)鍵點(diǎn)定位，根據(jù)位置畫(huà)點(diǎn)，獲得凸包位置，并提取RIO區(qū)域，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

考慮到多目標(biāo)出現(xiàn)，關(guān)鍵點(diǎn)檢測(cè)都是基于人臉框進(jìn)行，對(duì)于出現(xiàn)的人臉，遍歷每一個(gè)人臉框，得到坐標(biāo)，檢查定位。

3.2人臉檢測(cè)

人臉特征點(diǎn)檢測(cè)用到了兩個(gè)關(guān)鍵函數(shù)：dlib.get_fton-tal_face_detectorO和dlib.shape_predictor（predictor_path）。前者是內(nèi)置的人臉檢測(cè)算法，使用HOGpyramid，檢測(cè)人臉區(qū)域的界限（bounds）。后者是用來(lái)檢測(cè)一個(gè)區(qū)域內(nèi)的特征點(diǎn)，并輸出這些特征點(diǎn)的坐標(biāo)。使用開(kāi)源模型shape_predictor 68 face land-marks.dat，可以得到68個(gè)特征點(diǎn)位置的坐標(biāo)，效果如圖5所示。

3.3人臉活體檢測(cè)實(shí)現(xiàn)

3.3.1眨眼檢測(cè)

首先初始化DLIB的人臉檢測(cè)器（HOG），然后創(chuàng)建面部標(biāo)志物預(yù)測(cè)，分別獲得臉部位置檢測(cè)器和臉部特征位置檢測(cè)器以及左右眼面部標(biāo)志的索引。調(diào)用攝像頭，從視頻流循環(huán)幀，讀取圖片，對(duì)圖片做維度擴(kuò)大，并進(jìn)灰度化，使用detector（gray，0）進(jìn)行臉部位置檢測(cè)，循環(huán)臉部位置信息，使用predictor（gray，rectl獲得臉部特征位置的信息，將臉部特征信息轉(zhuǎn)換為數(shù)組ar-ray的格式，提取左眼和右眼坐標(biāo)，構(gòu)造函數(shù)計(jì)算左右眼的EAR值，使用平均值作為最終的EAR。用cv2.convexHull獲得凸包位置，使用drawContours畫(huà)出輪廓位置，用矩形框標(biāo)注人臉。分別計(jì)算左眼和右眼的評(píng)分求平均作為最終的評(píng)分，如果小于閾值，則加1，如果連續(xù)3次都小于閾值，則表示進(jìn)行了一次眨眼活動(dòng)，同時(shí)使用cv2.putText將眨眼次數(shù)進(jìn)行顯示。最后基于68個(gè)特征點(diǎn)標(biāo)識(shí)，進(jìn)行畫(huà)圖操作。

3.3.2張口檢測(cè)

基于DLIB獲取唇部標(biāo)志的索引，對(duì)輸入的視頻流提取幀圖像檢測(cè)人臉，先對(duì)唇部粗定位進(jìn)行膚色分割，然后精確定位，獲取唇部特征值MAR，若MAR小于閾值，則加1，如果連續(xù)3次都小于閾值，則表示張口一次，同一次張口大約在3幀。

3.3.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)設(shè)置眼部閾值為0.2，唇部為0.5。但每個(gè)人的眼睛、嘴巴大小比例不同，應(yīng)該采取平均值計(jì)算方法——閾值的獲取方式是：先采集30次數(shù)據(jù)，取其平均值作為默認(rèn)的值。為了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，采集數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該平視攝像頭。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6。

4總結(jié)

人臉識(shí)別系統(tǒng)逐漸向著自動(dòng)化、無(wú)人監(jiān)督化的趨勢(shì)發(fā)展，然而目前人臉識(shí)別技術(shù)能識(shí)別人臉圖像的身份但無(wú)法準(zhǔn)確辨別所輸人人臉的真?zhèn)?。那么如何自?dòng)地、高效地辨別圖像真?zhèn)蔚挚蛊垓_攻擊以確保系統(tǒng)安全已成為人臉識(shí)別技術(shù)中一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題。本文基于dlib人臉檢測(cè)和關(guān)鍵點(diǎn)獲取的基礎(chǔ)上對(duì)視頻流中采集到的人臉進(jìn)行追蹤與判斷，實(shí)驗(yàn)中采集到的人臉較多為平視攝像頭，對(duì)于側(cè)臉，遮擋等處理效果需要進(jìn)一步設(shè)計(jì)與改進(jìn)。