生物特征识别技术与装置
2010-07-08 10:41:35
来源：《磁性元件与电源》2010年7月刊
生物特征识别技术应运而生
21世纪是信息技术、网络技术世纪，在这网络高速发达、人员交往和流动频繁的现代社会，每年由于证件或密码遗失而造成的损失非常惊人。因此，人们对身份识别技术提出了更高的要求。所谓身份识别是指用户向系统出示自己的身份证明过程，其传统方法有密码、钥匙、身份证等，但这些方法安全性低，一旦被盗取就可能造成重大损失。因此，现代社会需要一种可以对人一对一绑定，不易复制和遗忘的新的身份识别技术，于是，生物特征识别技术应运而生。那末何谓生物特征识别呐？
对生物特征识别比较合适的定义是：生物特征识别就是依托于人类生理或行为特征使用自动化技术来进行身份识别或验证的方法。生理识别以对人的身体的一部分直接测量所得到的量度和数据为基础。虹膜、指纹、视网膜、掌纹以及人脸识别是生理识别领域中的几个领先的分支。而如今正开发的生物特征识别项目有：指纹识别产品、掌形识别仪、虹膜分析仪、人脸检测与识别装置以及3D脸形识别仪等等。
为此本文主要仅对人脸检测与人脸识别特征技术与应用作研讨。
由于人脸检测与人脸识别系统有紧密的联系，因此作为前提有必要对人脸检测技术与芯片应用作介绍。
1 人脸检测与数字信号处理器(DSP)应用
人脸检测是在图像中过滤出人脸的一种技术。人脸检测不同于人脸识别，人脸检测的实现目标是：图像中是否有存在人脸，如果有，有几个，分别在哪个位置；而人脸识别的实现目标是：图像中出现的人脸是谁的。所以通过人脸检测，可以实现人脸识别系统，可以应用在门禁、考勤、安检（机场、会议、大型文体活动）、公共安全、城市监控等场合。
人脸检测是以数字信号处理器(DSP)为核心的视音频数据处理
人脸检测的技术支持是数码监控技术，其DVR、DVS、板卡等是应用于数码监控产品。最常见的是网络硬盘录像机。其体系结构见图1所示。
从图1可知，该网络硬盘录像机体系结构包含以下几个处理单元：视音频采样、视音频压缩处理模块、视音频预览模块、视音频回放模块、记录模块、网络模块、报警输入输出模块、人机界面模块等，其中包含了压缩模块、预览模块、记录模块（硬盘控制器）及主控模块各模块之间的数据通过PCI内部总线进行传输。
网络硬盘录像机采样的视音频数据由压缩模块进行处理，处理后的视音频数据供预览、录像或通过网络传输，视音频处理的核心部件为数字信号处理器(DSP)，系统资源的管理与调度由主控模块完成，其核心部件为主控CPU，即MPU所以数码监控的基本需求决定了产品的功能、性能并决定了产品所采用的技术。
主控CPU的选择--TMS320C645 DSP
视频基础设施系统用于在广播、电缆、卫星和DSL市场上实现视频数据流的压缩、传输转换和增强。视频的最终用户并不直接与视频基础设备相连。高性能TMS320DM64x和TMS320C64xDSP是应用的理想选择，这是因它们能够执行各种处理器密集型任务，还提供了横跨DM64x和C64x DSP外设与存储器混合，以满足各种网络协议、音频／视频编解码别软件要求。DSP可提供包括MPEG-2、MPEG4、H.263、H.264和WM9在内的成本效益型优化视频压缩／解压缩算法。如高性能多处理TMS320C6455 DSP为典型一例。
TMS320C6455DSP提供更优的性能、简化代码长度插件及更大的片上内存。另外，此新型号DSP还通过串行高速输入输出及新的大带宽外设。实现了高性能及多处理功能。这些特性给C6455 DSP带来了更多的功能及更强的系统性能，以适用于诸如基础设施视频、电信及图像的应用。随着视频产业不断发展的新服务，C6455 DSP的编程灵活性使开发者可以紧跟各类标准变换的步伐，并更快的实现其系统设计中的多语音及视频编解码功能。而其主要特点为：高性能DSP运行速度为750MHz、850MHz及1GHz；串行高速输入输出，全双工高速总线最高可达10Gbits/s；其他宽频带外设，G比特以太网MAC，500MHz的DDR2及PCI-66；二级缓存L2为2Mbytes。所以它是基础设施视频、电信与成像的理想选择。
DSP在人脸检测器中的应用
人脸检测器是一种利用数字信号处理器(DSP)来实现视频图像中人脸检测的专用设备。可以快速、精确、稳定、灵活的检测出人脸。该装置输入为PAL制式或NTSC制式的视频信号，输出为MPEG-4的视频流。它可应用于人脸自动比对系统、人脸监控系统中的前端采集处理。非常适用于对设备成本、尺寸、功耗和稳定性要求较高的应用场合，用来替代通用计算机。图2为DSP在人脸检测器中的应用方案。
该人脸检测器的功能与规格参数如下：实时监视图像分辨率，PAL为704*576(D1)，而NTSC为704*480(D1)；回放分辨率QCIF、CIF、2CIF、DCIF、D1；BNC视频输入，1—8路（NTSC，PAL制式自动识别）；BNC视频输出，1路（NTSC，PAL可选）；视频帧率，PAL为16—25帧/秒可调，而NTSC为16—30帧／秒可调；通讯接口为2个RJ4510M/100M自适应以太网口和2个RS232/RS485口；报警输入为1--8个开关量输入；报警输出为1--8个开关量（或干节点）输出。
特别要指出的是人像检测和特征参数为：检测帧率15fps，最小检测人像大小为20*20，最大检测人像大小为576*576，而输出数据是人脸图片、人脸在图片中的位置。而该人脸检测器的应用模式是将人脸检测器后置于现有视频监控系统的CCD输出端，实现人脸视频监控。
除此之外人脸特征提取器也是基于利用数字信号处理器(DSP)来实现视频图像中人脸检测的专用设备，其区别就在于是可以灵活、精确。稳定、快速地检测人脸、并对检测到的人脸进行特征提取，得到人脸特征。
2 人脸识别特征与应用
人脸识别技术与指掌纹、DNA、足迹、虹膜、笔迹等相关技术同属人体生物特征识别技术。这些不同的生物特征识别技术针对不同的应用范畴也有各自的优点和缺点。那么人脸识别呢?
人脸识别技术发展到今天，在技术性能上已经有相当大的提高，完全可以达到应用的水平。
而人脸照片韵采集完全可以在被监控人未知的情况下进行。而且人脸采集设备可以使用的摄像头种类基本没有太大限制，不同于指掌纹的专用采集设备。所以对于硬件来说，人脸识别的应用成本比指掌纹的应用要低。除此之外，人脸识别的应用范围更厂，应用场所的限制也更小，由于人脸采集设备的体积小、隐蔽等特性，人脸监测摄像头头可以安装在关口，通道等隐蔽位置，而且不需要通过人为干预。所以说，人脸识别技术在安全行业中将具有更广泛应用，它也将为公安工作发挥更加重大的作用。
2.1 系统简介
人脸自动识别系统的核心组成部分是人脸识别技术，所以人脸识别技术的性能在很大程度上决定了人脸自动识别系统的性能。
由于安全工作的业务需求不同，获取的人脸照片的来源不同，因此可用资源也不同。那么，针对这些不同的情况，人脸自动识别系统推出了几种不同的应用模式。即，如在追逃工作中，可以采用大库比对的应用模式；如在反扒工作中，可以采用移逗逃的方式，直接用手机拍照，发送人脸库进行比对，方便快捷；如在车站，通关口岸等应用中，可以采用嫌疑人员名单人脸监控应用模式；如某些安全单位，由于具有极高的安全性要求，非限定人员禁止入内，此种情况下，可以采用人脸门禁控制模式，如果采用通过与ID卡结合的方式，它将极大的提高安全性能。
2.2 人脸自动识别系统网络拓扑
人脸识别技术采用开放灵活的分柞式架构。它以一个主控服务器为轴心，各个比对服务器、人脸工作站以及其它网络设备都以相对松散的模式分布，以充分利用现有的运算、存储资源，实现公安绝大多数的业务流程和实现需要。图3为人脸自动识别系统网络拓扑示意图。
以此例人脸识别门禁系统（如海鑫高科技公司产）作说明。
该人脸识别门禁系统是一款将人脸识别与物理门禁控制器结合的生物特征识别高科技产品，是目前最符合人类认知习惯的非接触式门禁控制系统。其设计目的在于大大提高门禁控制的安全性和有效性的同时简化门禁控制的工作程序，减轻操作人员工作强度。该系统是集科技化与人性化于一体的新一代门禁控制系统，可广泛应用于所有出入控制场所，实现出入控制智能化。该系统准确性高，不受姿态、表情、肤色、适度化妆、眼镜(深色除外)等影响。
而系统流程为：在使用前，将能够进入该门禁系统的所有人的人脸照片（可一人多张姿态照片，提高识别精度）存到系统数据库中。当某人需要进出门禁时，系统自动控制前端的摄像机进行拍照以抓取人脸照片，然后将目标人的人脸照片与数据库中的照片进行识别比对。如果匹配成功，系统对门禁系统的硬件部分发出可以开门的指令并记录其身份、照片、时间，地点等信息，否则，将会拒绝开启门禁系统，并把闯入者的人脸照片及时间和地点记录下来，以备事后查询。图4为人脸识别门禁系统示意图。
而系统主要功能为：
人脸捕捉：当目标进入门禁系统监控区域时系统自动抓取其清晰的人脸照片。
活体检测：本系统具有活体检测功能，杜绝使用相片蒙混过关。
人脸识别：将抓取到的人脸照片与系统库中的人脸照片进行比对，如果匹配成功，系统对门禁系统的硬件部分发出可以开门的指令，否则，将会拒绝开启门禁系统。
照片存储：系统存储所有出入门禁控制监控区域的人脸照片、时间、地点等信息，以便事后查询。
厢片检索：根据检索条件显示符合条件的所有出入门禁监控区域人员的人脸照片。
灵活出入设置：可灵活设置出入权限及人脸照片有效期等。
与智能卡结合：本系统可以与智能卡结合，实现1：1的人脸识别门禁控制，使得系统性能更高，安全性更强，避免因脸部受伤等特殊情况而使系统性能降低。
与DVR联动：本系统可以与现有的DVR系统连接，当人脸识别系统检测到监控区域有人脸活动时向DVR系统发送记录命令，减少DVR系统的无效记录。
与现有门控系统无缝集成：本系统基于标准数据传输协议-Weigand协议与现有门禁控制器进行通讯无缝集成。
数据安全性保护：系统定期自动备份监控数据，减少异常发生产生的影响，系统管理者可设置备份系策略。
3 人脸监控系统的应用
3.1 任务的提出
机场候机楼内的安全检查柜台和入境检查柜台都是长期有人值守的地方，而且是旅客必经之地。另外在这类地区旅客的流动速度会放慢，因为每个旅客都要单独在此接受检查。当有特殊人群的查找任务出现时，上述地点将会成为安保部门最为关注的地点。但是，由于人工查找和比对有很大的局限性，例如：人的记忆力有限，通常不能清楚地记住短时间接触的对象的面部特征：不能同时辨认多个对象：不能长时间保持注意力和辨认力等等。因此利用用计算机影像系统辅助人的面像识别成为机场安报部门的有力工具。通常，机场安保部门已经在安检柜台和入境检查处都安装了录像监控设备，可以利用这些地点的特殊性来布置和实施信息网络，搜集旅客的面部信息进行辨认识别。来判断经过者是否是嫌疑名单中的成员，如果是，系统会实时发出警报，警方实施抓捕。据此将对脸监控系统在机场的应用作分析。
3.2 人脸实时监控系统设计方案
图5为人脸实时监控系统设计方案图。
从图5可知该人脸实时监控系统组成为：
检测前端：输入为视频信号，输出为检测到的人脸图像。对于已经有视抛监控系统的场合，系统可以接一个人脸定位器。将每一个摄像头的视频信号分一路给入脸定位器，人脸检测结果通过网口传出。对于没行安装视频监控系统的场合，需要安装摄像头等人脸采集前端设备。
比对中心：用于人脸比对，它同时也是一个数据库服务器，人脸的模板图像存储在比对中心。 比对中心的比对是人脸特征与特征之间的比对。如由海鑫公司提供的入脸
21世纪是信息技术、网络技术世纪，在这网络高速发达、人员交往和流动频繁的现代社会，每年由于证件或密码遗失而造成的损失非常惊人。因此，人们对身份识别技术提出了更高的要求。所谓身份识别是指用户向系统出示自己的身份证明过程，其传统方法有密码、钥匙、身份证等，但这些方法安全性低，一旦被盗取就可能造成重大损失。因此，现代社会需要一种可以对人一对一绑定，不易复制和遗忘的新的身份识别技术，于是，生物特征识别技术应运而生。那末何谓生物特征识别呐？
对生物特征识别比较合适的定义是：生物特征识别就是依托于人类生理或行为特征使用自动化技术来进行身份识别或验证的方法。生理识别以对人的身体的一部分直接测量所得到的量度和数据为基础。虹膜、指纹、视网膜、掌纹以及人脸识别是生理识别领域中的几个领先的分支。而如今正开发的生物特征识别项目有：指纹识别产品、掌形识别仪、虹膜分析仪、人脸检测与识别装置以及3D脸形识别仪等等。
为此本文主要仅对人脸检测与人脸识别特征技术与应用作研讨。
由于人脸检测与人脸识别系统有紧密的联系，因此作为前提有必要对人脸检测技术与芯片应用作介绍。
1 人脸检测与数字信号处理器(DSP)应用
人脸检测是在图像中过滤出人脸的一种技术。人脸检测不同于人脸识别，人脸检测的实现目标是：图像中是否有存在人脸，如果有，有几个，分别在哪个位置；而人脸识别的实现目标是：图像中出现的人脸是谁的。所以通过人脸检测，可以实现人脸识别系统，可以应用在门禁、考勤、安检（机场、会议、大型文体活动）、公共安全、城市监控等场合。
人脸检测是以数字信号处理器(DSP)为核心的视音频数据处理
人脸检测的技术支持是数码监控技术，其DVR、DVS、板卡等是应用于数码监控产品。最常见的是网络硬盘录像机。其体系结构见图1所示。
从图1可知，该网络硬盘录像机体系结构包含以下几个处理单元：视音频采样、视音频压缩处理模块、视音频预览模块、视音频回放模块、记录模块、网络模块、报警输入输出模块、人机界面模块等，其中包含了压缩模块、预览模块、记录模块（硬盘控制器）及主控模块各模块之间的数据通过PCI内部总线进行传输。
网络硬盘录像机采样的视音频数据由压缩模块进行处理，处理后的视音频数据供预览、录像或通过网络传输，视音频处理的核心部件为数字信号处理器(DSP)，系统资源的管理与调度由主控模块完成，其核心部件为主控CPU，即MPU所以数码监控的基本需求决定了产品的功能、性能并决定了产品所采用的技术。
主控CPU的选择--TMS320C645 DSP
视频基础设施系统用于在广播、电缆、卫星和DSL市场上实现视频数据流的压缩、传输转换和增强。视频的最终用户并不直接与视频基础设备相连。高性能TMS320DM64x和TMS320C64xDSP是应用的理想选择，这是因它们能够执行各种处理器密集型任务，还提供了横跨DM64x和C64x DSP外设与存储器混合，以满足各种网络协议、音频／视频编解码别软件要求。DSP可提供包括MPEG-2、MPEG4、H.263、H.264和WM9在内的成本效益型优化视频压缩／解压缩算法。如高性能多处理TMS320C6455 DSP为典型一例。
TMS320C6455DSP提供更优的性能、简化代码长度插件及更大的片上内存。另外，此新型号DSP还通过串行高速输入输出及新的大带宽外设。实现了高性能及多处理功能。这些特性给C6455 DSP带来了更多的功能及更强的系统性能，以适用于诸如基础设施视频、电信及图像的应用。随着视频产业不断发展的新服务，C6455 DSP的编程灵活性使开发者可以紧跟各类标准变换的步伐，并更快的实现其系统设计中的多语音及视频编解码功能。而其主要特点为：高性能DSP运行速度为750MHz、850MHz及1GHz；串行高速输入输出，全双工高速总线最高可达10Gbits/s；其他宽频带外设，G比特以太网MAC，500MHz的DDR2及PCI-66；二级缓存L2为2Mbytes。所以它是基础设施视频、电信与成像的理想选择。
DSP在人脸检测器中的应用
人脸检测器是一种利用数字信号处理器(DSP)来实现视频图像中人脸检测的专用设备。可以快速、精确、稳定、灵活的检测出人脸。该装置输入为PAL制式或NTSC制式的视频信号，输出为MPEG-4的视频流。它可应用于人脸自动比对系统、人脸监控系统中的前端采集处理。非常适用于对设备成本、尺寸、功耗和稳定性要求较高的应用场合，用来替代通用计算机。图2为DSP在人脸检测器中的应用方案。
该人脸检测器的功能与规格参数如下：实时监视图像分辨率，PAL为704*576(D1)，而NTSC为704*480(D1)；回放分辨率QCIF、CIF、2CIF、DCIF、D1；BNC视频输入，1—8路（NTSC，PAL制式自动识别）；BNC视频输出，1路（NTSC，PAL可选）；视频帧率，PAL为16—25帧/秒可调，而NTSC为16—30帧／秒可调；通讯接口为2个RJ4510M/100M自适应以太网口和2个RS232/RS485口；报警输入为1--8个开关量输入；报警输出为1--8个开关量（或干节点）输出。
特别要指出的是人像检测和特征参数为：检测帧率15fps，最小检测人像大小为20*20，最大检测人像大小为576*576，而输出数据是人脸图片、人脸在图片中的位置。而该人脸检测器的应用模式是将人脸检测器后置于现有视频监控系统的CCD输出端，实现人脸视频监控。
除此之外人脸特征提取器也是基于利用数字信号处理器(DSP)来实现视频图像中人脸检测的专用设备，其区别就在于是可以灵活、精确。稳定、快速地检测人脸、并对检测到的人脸进行特征提取，得到人脸特征。
2 人脸识别特征与应用
人脸识别技术与指掌纹、DNA、足迹、虹膜、笔迹等相关技术同属人体生物特征识别技术。这些不同的生物特征识别技术针对不同的应用范畴也有各自的优点和缺点。那么人脸识别呢?
人脸识别技术发展到今天，在技术性能上已经有相当大的提高，完全可以达到应用的水平。
而人脸照片韵采集完全可以在被监控人未知的情况下进行。而且人脸采集设备可以使用的摄像头种类基本没有太大限制，不同于指掌纹的专用采集设备。所以对于硬件来说，人脸识别的应用成本比指掌纹的应用要低。除此之外，人脸识别的应用范围更厂，应用场所的限制也更小，由于人脸采集设备的体积小、隐蔽等特性，人脸监测摄像头头可以安装在关口，通道等隐蔽位置，而且不需要通过人为干预。所以说，人脸识别技术在安全行业中将具有更广泛应用，它也将为公安工作发挥更加重大的作用。
2.1 系统简介
人脸自动识别系统的核心组成部分是人脸识别技术，所以人脸识别技术的性能在很大程度上决定了人脸自动识别系统的性能。
由于安全工作的业务需求不同，获取的人脸照片的来源不同，因此可用资源也不同。那么，针对这些不同的情况，人脸自动识别系统推出了几种不同的应用模式。即，如在追逃工作中，可以采用大库比对的应用模式；如在反扒工作中，可以采用移逗逃的方式，直接用手机拍照，发送人脸库进行比对，方便快捷；如在车站，通关口岸等应用中，可以采用嫌疑人员名单人脸监控应用模式；如某些安全单位，由于具有极高的安全性要求，非限定人员禁止入内，此种情况下，可以采用人脸门禁控制模式，如果采用通过与ID卡结合的方式，它将极大的提高安全性能。
2.2 人脸自动识别系统网络拓扑
人脸识别技术采用开放灵活的分柞式架构。它以一个主控服务器为轴心，各个比对服务器、人脸工作站以及其它网络设备都以相对松散的模式分布，以充分利用现有的运算、存储资源，实现公安绝大多数的业务流程和实现需要。图3为人脸自动识别系统网络拓扑示意图。
以此例人脸识别门禁系统（如海鑫高科技公司产）作说明。
该人脸识别门禁系统是一款将人脸识别与物理门禁控制器结合的生物特征识别高科技产品，是目前最符合人类认知习惯的非接触式门禁控制系统。其设计目的在于大大提高门禁控制的安全性和有效性的同时简化门禁控制的工作程序，减轻操作人员工作强度。该系统是集科技化与人性化于一体的新一代门禁控制系统，可广泛应用于所有出入控制场所，实现出入控制智能化。该系统准确性高，不受姿态、表情、肤色、适度化妆、眼镜(深色除外)等影响。
而系统流程为：在使用前，将能够进入该门禁系统的所有人的人脸照片（可一人多张姿态照片，提高识别精度）存到系统数据库中。当某人需要进出门禁时，系统自动控制前端的摄像机进行拍照以抓取人脸照片，然后将目标人的人脸照片与数据库中的照片进行识别比对。如果匹配成功，系统对门禁系统的硬件部分发出可以开门的指令并记录其身份、照片、时间，地点等信息，否则，将会拒绝开启门禁系统，并把闯入者的人脸照片及时间和地点记录下来，以备事后查询。图4为人脸识别门禁系统示意图。
而系统主要功能为：
人脸捕捉：当目标进入门禁系统监控区域时系统自动抓取其清晰的人脸照片。
活体检测：本系统具有活体检测功能，杜绝使用相片蒙混过关。
人脸识别：将抓取到的人脸照片与系统库中的人脸照片进行比对，如果匹配成功，系统对门禁系统的硬件部分发出可以开门的指令，否则，将会拒绝开启门禁系统。
照片存储：系统存储所有出入门禁控制监控区域的人脸照片、时间、地点等信息，以便事后查询。
厢片检索：根据检索条件显示符合条件的所有出入门禁监控区域人员的人脸照片。
灵活出入设置：可灵活设置出入权限及人脸照片有效期等。
与智能卡结合：本系统可以与智能卡结合，实现1：1的人脸识别门禁控制，使得系统性能更高，安全性更强，避免因脸部受伤等特殊情况而使系统性能降低。
与DVR联动：本系统可以与现有的DVR系统连接，当人脸识别系统检测到监控区域有人脸活动时向DVR系统发送记录命令，减少DVR系统的无效记录。
与现有门控系统无缝集成：本系统基于标准数据传输协议-Weigand协议与现有门禁控制器进行通讯无缝集成。
数据安全性保护：系统定期自动备份监控数据，减少异常发生产生的影响，系统管理者可设置备份系策略。
3 人脸监控系统的应用
3.1 任务的提出
机场候机楼内的安全检查柜台和入境检查柜台都是长期有人值守的地方，而且是旅客必经之地。另外在这类地区旅客的流动速度会放慢，因为每个旅客都要单独在此接受检查。当有特殊人群的查找任务出现时，上述地点将会成为安保部门最为关注的地点。但是，由于人工查找和比对有很大的局限性，例如：人的记忆力有限，通常不能清楚地记住短时间接触的对象的面部特征：不能同时辨认多个对象：不能长时间保持注意力和辨认力等等。因此利用用计算机影像系统辅助人的面像识别成为机场安报部门的有力工具。通常，机场安保部门已经在安检柜台和入境检查处都安装了录像监控设备，可以利用这些地点的特殊性来布置和实施信息网络，搜集旅客的面部信息进行辨认识别。来判断经过者是否是嫌疑名单中的成员，如果是，系统会实时发出警报，警方实施抓捕。据此将对脸监控系统在机场的应用作分析。
3.2 人脸实时监控系统设计方案
图5为人脸实时监控系统设计方案图。
从图5可知该人脸实时监控系统组成为：
检测前端：输入为视频信号，输出为检测到的人脸图像。对于已经有视抛监控系统的场合，系统可以接一个人脸定位器。将每一个摄像头的视频信号分一路给入脸定位器，人脸检测结果通过网口传出。对于没行安装视频监控系统的场合，需要安装摄像头等人脸采集前端设备。
比对中心：用于人脸比对，它同时也是一个数据库服务器，人脸的模板图像存储在比对中心。 比对中心的比对是人脸特征与特征之间的比对。如由海鑫公司提供的入脸
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