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专业双目人脸识别解决方案定制商佩特介绍人脸识别的主要方法

2020-01-22 22:45:14 广州佩特电子科技有限公司 阅读

人脸识别技术的研究是一个跨越多个学科领域知识的高端技术研究工作,其包括多个学科的专业知识,如图像处理、生理学、心理学、模式识别等知识。在人脸识别技术研究的领域中,目前主要有几种研究的方向,如:一种是根据人脸特征统计学的识别方法,其主要有特征脸的方法以及隐马尔科夫模型(HMM,Hidden Markov Model)方法等;另一种人脸识别方法是关于连接机制的,主要有人工神经网络(ANN,Artificial Neural Network)方法和支持向量机(SVM,Support Vector Machine)方法等;还有一个就是综合多种识别方式的方法。

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基于特征脸的方法


特征脸的方法是一种比较经典而又应用比较广的人脸识别方法,其主要原理是把图像做降维算法,使得数据的处理更容易,同时,速度又比较快。特征脸的人脸识别方法,实际上是将图像做 Karhunen-Loeve 变换,把一个高维的向量转化为低维的向量,从而消除每个分量存在的关联性,使得变换得到的图像与之对应特征值递减。在图像经过 K-L 变换后,其具有很好的位移不变性和稳定性。所以,特征脸的人脸识别方法具有方便实现,并且可以做到速度更快,以及对正面人脸图像的识别率相当高等优点。但是,该方法也具有不足的地方, 就是比较容易受人脸表情、姿态和光照改变等因素的影响,从而导致识别率低的情况。


基于几何特征的方法


基于几何特征的识别方法是根据人脸面部器官的特征及其几何形状进行的一种人脸识别方法,是人们最早研究及使用的识别方法,它主要是采用不同人脸的不同特征等信息进行匹配识别,这种算法具有较快的识别速度,同时,其占用的内存也比较小,但是,其识别率也并不算高。该方法主要做法是首先对人脸的嘴巴、鼻子、眼睛等人脸主要特征器官的位置和大小进行检测,然后利用这些器官的几何分布关系和比例来匹配,从而达到人脸识别。


基于几何特征识别的流程大体如下:首先对人脸面部的各个特征点及其位置进行检测, 如鼻子、嘴巴和眼睛等位置,然后计算这些特征之间的距离,得到可以表达每个特征脸的矢量特征信息,例如眼睛的位置,眉毛的长度等,其次还计算每个特征与之相对应关系,与人脸数据库中已知人脸对应特征信息来做比较,最后得出最佳的匹配人脸。基于几何特征的方法符合人们对人脸特征的认识,另外,每幅人脸只存储一个特征,所以占用的空间比较小; 同时,这种方法对光照引起的变化并不会降低其识别率,而且特征模板的匹配和识别率比较高。但是,基于几何特征的方法也存在着鲁棒性不好,一旦表情和姿态稍微变化,识别效果将大打折扣。


基于深度学习的方法


深度学习的出现使人脸识别技术取得了突破性进展。人脸识别的最新研究成果表明,深度学习得到的人脸特征表达具有手工特征表达所不具备的重要特性,例如它是中度稀疏的、对人脸身份和人脸属性有很强的选择性、对局部遮挡具有良好的鲁棒性。这些特性是通过大数据训练自然得到的,并未对模型加入显式约束或后期处理,这也是深度学习能成功应用在人脸识别中的主要原因。


深度学习在人脸识别上有 7 个方面的典型应用:基于卷积神经网络(CNN)的人脸识别方法,深度非线性人脸形状提取方法,基于深度学习的人脸姿态鲁棒性建模,有约束环境中的全自动人脸识别,基于深度学习的视频监控下的人脸识别,基于深度学习的低分辨率人脸识别及其他基于深度学习的人脸相关信息的识别。


其中,卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)是第一个真正成功训练多层网络结构的学习算法,基于卷积神经网络的人脸识别方法是一种深度的监督学习下的机器学习模型,能挖掘数据局部特征,提取全局训练特征和分类,其权值共享结构网络使之更类似于生物神经网络,在模式识别各个领域都得到成功应用。CNN 通过结合人脸图像空间的局部感知区域、共享权重、在空间或时间上的降采样来充分利用数据本身包含的局部性等特征,优化模型结构,保证一定的位移不变性。


利用 CNN 模型,香港中文大学的 Deep ID 项目以及 Facebook 的 Deep Face 项目在 LFW 数据库上的人脸识别正确率分别达 97.45%和 97.35%只比人类视觉识别 97.5%的正确率略低。在取得突破性成果之后,香港中文大学的 DeepID2 项目将识别率提高到了 99.15%。Deep ID2 通过学习非线性特征变换使类内变化达到最小,而同时使不同身份的人脸图像间的距离保持 恒定,超过了目前所有领先的深度学习和非深度学习算法在 LFW 数据库上的识别率以及人类在该数据库的识别率。深度学习已经成为计算机视觉中的研究热点,关于深度学习的新算 法和新方向不断涌现,并且深度学习算法的性能逐渐在一些国际重大评测比赛中超过了浅层 学习算法。


基于支持向量机的方法


将支持向量机(SVM)的方法应用到人脸识别中起源于统计学理论,它研究的方向是如何构造有效的学习机器,并用来解决模式的分类问题。其特点是将图像变换空间,在其他空间做分类。


支持向量机结构相对简单,而且可以达到全局最优等特点,所以,支持向量机在目前人脸识别领域取得了广泛的应用。但是,该方法也和神经网络的方法具有一样的不足,就是需要很大的存储空间,并且训练速度还比较慢。


其他综合方法


以上几种比较常用的人脸识别方法,我们不难看出,每一种识别方法都不能做到完美的识别率与更快的识别速度,都有着各自的优点和缺点,因此,现在许多研究人员则更喜欢使用多种识别方法综合起来应用,取各种识别方法的优势,综合运用,以达到更高的识别率和识别效果。


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