人脸识别产品性能的鉴别

    摘 要

    分析了人脸识别产品的核心性能-识别稳定性，指出光照变化对识别稳定性的影响是学术界面临的主要困难。简述了技术动态，从使用者户角度给出了鉴别、考核该性能的方法。

    关键词：人脸识别 近红外 考勤 门禁 生物识别

    1、背景

    识别稳定性是指在不同时间和环境下，均能正确提取人脸本质特征，排除毛发、眼镜、表情、姿态、肤色和光照变化等影响的能力。它是人脸识别产品的核心性能，关系到该技术能否走出实验室应用到门禁、考勤及其他身份验证环节。

    人脸识别技术必须排除类间差异，而包容类内差异。所谓类间差异是指不同的人之间的人脸特征的本质变化，排除类间差异就是区分开不同的人，包括双胞胎。类内差异指同一个人在不同状态下的变化，比如有无胡须、戴眼镜否、表情平和或者大笑发怒、光照环境扰动等，包容类内差异是指识别过程仅依靠人脸本质特征不受这些差异的影响。

    这些类内差异的包容上，最难克服的问题是：不同光照下取得的人脸图像差异很大，大到了同一个人不同光照下的图像差异远大于不同人之间的差异。见Yal Adnin, Yael Moses and Shimon Ullman, “Face recognition: The problem of compensationg for changes in illumnination direction”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1997,19卷7期，p712-732。
 
    导致光照变化难以克服的原因是：人脸图像的灰度值与面部反射率和光线对面部入射角的余弦乘积成正比。照明光的角度、光谱、单位立体角单位面积内的强度都会引起灰度值的剧烈变化。

    学术界试图通过变换、归一化、补偿等方法克服这种差异,96年以来发表了大量文章，但效果都不好，或者仅仅限于试验室研究。

    2、主动照明方法克服环境光照影响

    针对光照变化对人脸识别产品识别稳定性的影响问题，众多技术方案中，脱颖而出的是采用主动光源照明的方法。对该类产品走向实用起到了极其重要的里程碑式作用，目前已经被业界普遍采用。

    主动光照明方法的核心思想是提供主动光源照明人脸，并设置滤光片使探测器获得人脸的图像不随外界环境光变化。对人脸特征提取时以不变的主动光照，应付万变的环境光照。该方法最早由上海银晨智能识别有限公司采用，外加节能灯节能灯，到07年底该公司的门禁产品改用近红外光源照明。

    但是，主动照明方法目前还没有彻底克服环境光对人脸识别稳定性的影响。原因主要是：由于照明光源空间分布区域有限（位于产品机箱内），对人脸照度随着距离的2次方变化，而获得的图像灰度近似于距离的4次方，因而识别距离对识别效果影响间接造成了强烈的光照变化，再次影响到识别稳定性。简单的说，主动照明方法带来的不利因素是：只能在固定的识别距离上进行识别，该距离可以远一些，也可以近一些，但是距离范围要严格约定。例如在50cm距离上进行注册，只能在48-51cm距离范围内才能识别通过，对用户配合程度要求很高，人脸识别的自然性基本丧失。

    为了在主动照明方案下，适度的开放识别距离的自由度，企业在制作产品的时候不再严格的将外界光照隔离，利用柔和均匀的环境光进行一定程度的光照补偿。而补偿的代价是降低了识别稳定性。也可以这样说，采用主动照明方案的产品，其识别距离的范围越大越缺乏稳定性。
基本不受外界环境照度影响，同时能使识别过程（特别是识别距离）比较轻松，解决自由度和识别稳定性的矛盾是极其重要的。

    另外，由于业界普遍采用近红外光主动照明，与太阳光光谱重叠，这些光功率直接进入识别系统影响所提取的人脸灰度，因而目前人脸识别产品通常对室外环境适应能力较差。

    3、如何鉴别人脸识别产品的识别稳定性

    综上所述，从使用的角度来说，人脸识别产品的识别稳定性就是早上出门的您，下午或者晚上回来还能认识。
    而且，现场考核识别很轻松，识别距离允许范围很大的产品，通常来说不是好产品，换个时间如果不重新注册他就不认识您了。
    那么如何鉴别和考核这类产品的识别稳定性呢？
    主要思路是制造一种剧烈的光照变化环境，考核产品能否始终一致的准确认识您，并且识别过程不是过分拘谨。
    考核室内应用产品的识别稳定性，建议步骤如下：
    （1）尽量多的打开照明光源，使得照明环境明亮；
    （2）在产品说明书指定的距离范围内站定注册人脸图像，记住注册时相对样机的位置；
    （3）从注册位置远离样机，进行识别，直到无法识别时记下最远识别距离；
    （4）从注册位置靠近样机，进行识别，直到无法识别时记下最近识别距离；
    （5）关闭光源，进入暗室或者局部黑箱环境、或者等待夜间，在环境黑暗情况下识别，按照（3）、（4）方法确定最远识别距离和最近识别距离。

    注：光照明亮时与光照较暗时识别距离范围不变或者变化不大，是性能优良的产品。
    如果光照明亮时，识别距离可以变化很大，光照较暗时基本不能识别，该产品不具有识别稳定性。
    考核室外应用产品的识别稳定性，与室内应用产品的过程类似，注意光照明亮的环境可以采取以下方式实现：

    ①选阳光充足的午间，让太阳正对人脸形成逆光照射；
    ②在室内暗室中打开尽量多的白炽灯照明（节能灯类光源最好关闭）。 而光照较暗的环境可以采用以下方式实现：
    ①进入室内，拉上遮挡能力较强的窗帘（可以打开节能灯或者日光灯）；
    ②进入暗室或者局部黑箱环境、或者等待夜间。