張愛民

(中共渦陽縣委黨校，安徽 亳州 233600)

0 引言

人臉識別是基于人的臉部特征進(jìn)行身份識別的方法，人臉識別技術(shù)在日常交通運(yùn)輸、門禁管理、信息安全等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣。人臉識別算法是目前人臉識別技術(shù)熱門的研究領(lǐng)域之一[1-2]。傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法也用于人臉識別技術(shù)，但存在人臉識別率偏低的問題。隨著人工智能的不斷發(fā)展，深度學(xué)習(xí)作為一個新的研究方向被引入機(jī)器學(xué)習(xí)，使其更接近人工智能目標(biāo)。隨著深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)人臉識別方法逐漸被基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法所替代。總體而言，雖然基于深度學(xué)習(xí)算法的人臉識別方案得到了科學(xué)界的研究，但現(xiàn)階段人臉識別技術(shù)依舊需要改進(jìn)和提升效果[3-5]。

FaceNet是谷歌公司推出的采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人臉識別算法。目前，二維FaceNet算法的研究比較廣泛，采用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)將人臉圖像信息映射到歐式空間?？臻g距離直接與圖片的相似度相關(guān)：當(dāng)識別的兩張人臉在距離十分接近，即說明兩張圖像上的人相似程度很高，進(jìn)而算法判斷為同一個人。

在實(shí)際的人臉識別過程中，機(jī)器首先要采集到待判定的圖像或者視頻信息，此時的圖像或視頻信息往往包含一定量的無用背景信息。為提升準(zhǔn)確率，先利用MTCNN網(wǎng)絡(luò)完成人臉的快速檢測，并對檢測出來的人臉信息進(jìn)行裁剪，以達(dá)到快速去除無用信息提升人臉識別準(zhǔn)確率的作用。然后，將前述處理后的圖像放入訓(xùn)練好的模型以實(shí)現(xiàn)人臉識別功能。人臉識別算法采用FaceNet算法，最終輸出人臉識別結(jié)果[6-8]。本文以圖像人臉識別為分析對象，提出了一種改進(jìn)人臉識別的并行FaceNet框架，以提升模型識別的準(zhǔn)確率。

1 MTCNN人臉標(biāo)定法

人臉標(biāo)定是人臉識別的重要處理步驟之一，其核心思想是通過檢測照片中的信息，進(jìn)而對圖像中的人臉進(jìn)行定位，獲得框坐標(biāo)信息。人臉框坐標(biāo)信息可以幫助人臉識別算法進(jìn)一步獲取重要的數(shù)學(xué)信息?？紤]到每個人獨(dú)特的人臉身份特征，可以通過細(xì)節(jié)對比的方法，識別出圖像中人臉的身份結(jié)果[9]。實(shí)踐中，人臉識別應(yīng)用越來越廣泛，人臉檢測技術(shù)與識別技術(shù)已經(jīng)從單一場景發(fā)展到多場景，從室內(nèi)的攝像設(shè)備發(fā)展到室外的儀器，可見，人臉識別的環(huán)境條件及設(shè)備越來越復(fù)雜。與此相對，人臉檢測與識別技術(shù)仍有一些問題亟待解決，如人臉的表情信息變化幅度過大，人臉基數(shù)過多，強(qiáng)光陰暗等條件的影響，口罩等遮面工具的阻礙，濃妝等的影響甚至連人眼都很難分辨。

實(shí)踐上在人臉檢測和人臉識別中應(yīng)用比較廣泛的算法是多任務(wù)級聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Multi-task Cascaded Convolutional Neural Networks, MTCNN)，它是一種基于深度學(xué)習(xí)的人臉檢測和人臉對齊方法，可同時完成人臉檢測和人臉對齊的任務(wù)。和傳統(tǒng)的算法相比較而言，MTCNN具有性能更好，檢測速度更快的特點(diǎn)。MTCNN采用多任務(wù)處理，使用3個串行CNN級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)(P-Net、R-Net、O-Net)提取人臉的相關(guān)信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)人臉檢測由繁化簡的過程?？紤]到實(shí)際應(yīng)用場景中，機(jī)器獲取到的圖像大小并不完全一致，并且人臉大小也不盡相同。為此，需要將圖像進(jìn)行預(yù)處理，即將輸入圖像大小統(tǒng)一尺寸。將處理后的圖像通過P-Net網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理。P-Net網(wǎng)絡(luò)的作用是通過分析圖像生成多種人臉候選框。此后，采用非極大值抑制(Non-Maximum Suppression, NMS)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并刪除重復(fù)的候選框。接下來將經(jīng)過P-Net網(wǎng)絡(luò)截取出來的圖像片段進(jìn)行尺寸處理并經(jīng)由R-Net結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，并再經(jīng)由NMS算法計(jì)算，進(jìn)而獲得相對準(zhǔn)確得人臉框。最后將圖像經(jīng)過O-Net網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，直到最終輸出正確的人臉候選框和人臉特征關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)，至此人臉快速檢測算法MTCNN結(jié)束。圖1所示為MTCNN的算法訓(xùn)練流程圖。

圖1 MTCNN算法訓(xùn)練流程圖

為了訓(xùn)練好上述的網(wǎng)絡(luò)模型，需要保證以下三個任務(wù)的損失函數(shù)值達(dá)到最小。

(1)人臉二元分類任務(wù)：考慮到人臉檢測問題的特殊性，可以將人臉檢測問題理解為“需要判斷檢測框內(nèi)是否存在真實(shí)的人臉的信息”，即轉(zhuǎn)變?yōu)槎诸悊栴}，以交叉熵作為人臉識別損失函數(shù)。其計(jì)算公式如下：

Loss1=-(yilogpi+(1-yi)(1-logpi))

(1)

式中：yi為真實(shí)標(biāo)簽，存在人臉為1，不存在人臉為0；pi為經(jīng)過模型輸出預(yù)測為存在人臉的概率(可行性)。

(2)BB回歸任務(wù)：針對任意一個候選窗口，均需要計(jì)算其到標(biāo)注框之間的偏離量，其目的是為了更好地實(shí)現(xiàn)位置回歸操作，損失函數(shù)如下：

(2)

(3)標(biāo)記定位任務(wù)：此項(xiàng)任務(wù)需要對人臉的標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行位置標(biāo)記，包括左眼、右眼、左嘴角、右嘴角、鼻子等部位。同平方差損失函數(shù)類似，臉部位置標(biāo)記損失函數(shù)如下：

(3)

根據(jù)上述任務(wù)損失函數(shù)設(shè)置完成后，考慮到MTCNN模型的三個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)需要完成不同的功能，僅需要設(shè)置不同的權(quán)重分別乘以三個損失函數(shù)并進(jìn)行加和運(yùn)算，即可完成MTCNN人臉識別模型的訓(xùn)練。

2 并行FaceNet人臉識別框架

FaceNet的設(shè)計(jì)理念是驗(yàn)證所給的圖像中的人臉是否為已經(jīng)存儲至數(shù)據(jù)庫的人臉，并且通過人臉識別算法分析并判斷該人臉的姓名信息等[10]。其核心是將人臉圖像映射到一個多維空間，并比較計(jì)算所得歐式距離的數(shù)值來評判識別人臉的相似與否，最后以矩陣形式顯示出來，給出直觀的識別結(jié)果。由于長相差距較小人臉的圖像映射距離短，而不同人臉信息的映射距離長，于是采用算法計(jì)算人臉圖像的空間映射即可實(shí)現(xiàn)人臉識別功能。圖2所示為FaceNet人臉識別驗(yàn)證流程圖。

圖2 FaceNet人臉識別驗(yàn)證流程圖

基于傳統(tǒng)串行的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于復(fù)雜的人臉信息獲取信息不足問題，在前述工作基礎(chǔ)上提出了并行卷積網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)，其示意圖如圖3所示。

圖3 并行卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可知，并行網(wǎng)絡(luò)模型架構(gòu)由m(m≥2)個分支的串行神經(jīng)網(wǎng)路模型構(gòu)成，并經(jīng)由全連接層進(jìn)行輸出參數(shù)合并。通過修改各個分支網(wǎng)絡(luò)模型的中的卷積核大小，令不同分支的網(wǎng)絡(luò)分別保存不同的特征提取網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)，進(jìn)而可以更為精準(zhǔn)地獲得輸入圖像更多特征信息?？梢?，和單分支的網(wǎng)絡(luò)模型相比較而言，并行卷積網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有更好的人臉信息表征能力。為了進(jìn)一步提升FaceNet人臉識別準(zhǔn)確率，基于前述工作，本文在并行卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出了一種并行FaceNet的人臉識別框架模型結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

圖4 并行FaceNet模型結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)圖4，并行FaceNet的人臉識別框架模型先采用MTCNN算法所得到的人臉裁剪后的圖片樣本，而后將樣本輸入并行FaceNet網(wǎng)絡(luò)模型中，圖像經(jīng)過并行FaceNet網(wǎng)絡(luò)輸出為特征信息，接下來對特征信息進(jìn)行深度連接(加和求均值)操作。和標(biāo)準(zhǔn)的FaceNet網(wǎng)絡(luò)相比較，并行FaceNet網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)到更多的人臉圖像特征，進(jìn)而可以更好的進(jìn)行人臉識別。經(jīng)深度連接操作后，再經(jīng)L2特征歸一化生成特征向量，隨后選擇三元組損失函數(shù)對模型計(jì)算調(diào)整。三元損失函數(shù)的計(jì)算公式如下：

Loss=max(d(a,p)-d(a,n)+argmin,0)

(4)

式中：a為原人臉特征；p為與a同類別的人臉特征；n為與a不同類別的人臉特征；argmin為樣本容量為N的數(shù)據(jù)集的各種三元組。該損失函數(shù)能夠更好學(xué)習(xí)到人臉的Embedding，即使得相似人臉信息的特征距離盡量趨于無限小，不同人臉信息之間的特征距離趨于無限大。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

為了驗(yàn)證并行FaceNet的人臉識別框架模型的有效性，采用Python3.7進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。采用的數(shù)據(jù)集為LFW人臉數(shù)據(jù)集，LFW人臉數(shù)據(jù)集的人臉圖片如圖5所示，該數(shù)據(jù)集共有13000多張人臉圖像，總計(jì)5700多人。為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加可靠，共選取了20組人臉進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？紤]到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)差異性以及為了方便統(tǒng)計(jì)，對人臉數(shù)據(jù)進(jìn)行了擴(kuò)充處理，處理方式包括鏡像復(fù)制，旋轉(zhuǎn)復(fù)制以及加噪復(fù)制等方法。處理后的人臉圖像總共10000張，每一組人臉圖像為500張，尺寸大小統(tǒng)一轉(zhuǎn)變?yōu)?4×64×3(3表示3原色)。人臉數(shù)據(jù)訓(xùn)練集與測試集按照9∶1的比例進(jìn)行劃分，即9000張人臉圖像為訓(xùn)練集，其余的1000張為測試集。

圖5 LFW人臉數(shù)據(jù)集部分人臉圖片

3.2 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果

為了更好的進(jìn)行人臉識別準(zhǔn)確率實(shí)驗(yàn)，先利用MTCNN計(jì)算方法進(jìn)行快速人臉檢測，并對檢測出來的人臉圖像信息分切，裁剪過程如圖6所示。由圖6可見，經(jīng)過MTCNN計(jì)算裁剪的圖像樣本可以去除多余的背景信息。

圖6 MTCNN裁剪示例

將裁剪后的圖片制作成訓(xùn)練集去訓(xùn)練人臉識別模型。為方便比較，除了標(biāo)準(zhǔn)FaceNet人臉識別算法外，也采用了DeepFace人臉識別方法[11]進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，目前的人臉識別效果(DeepFace方法)已經(jīng)達(dá)到了較高的水平，識別準(zhǔn)確率為95.2%。標(biāo)準(zhǔn)FaceNet人臉識別算法的準(zhǔn)確率高于DeepFace算法。而并行FaceNet的人臉識別框架模型算法準(zhǔn)確率是最高的：相比于標(biāo)準(zhǔn)的FaceNet方法準(zhǔn)確率提高了1.1%；相比于DeepFace算法準(zhǔn)確率提高了1.9%。這說明并行FaceNet的人臉識別框架模型可以識別出更多的人臉特征信息，同時也進(jìn)一步證明了優(yōu)化后的并行FaceNet模型可以學(xué)習(xí)到人臉面部的更多表征信息，進(jìn)而更好提升人臉識別準(zhǔn)確率。同時，并行卷積FaceNet方法的普適性很好，同樣可以用于其他網(wǎng)絡(luò)模型中。

表1 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

人臉識別的目標(biāo)是依據(jù)不同人臉的面部信息特征不同這一差異進(jìn)行身份識別。通常情況下，人臉采集設(shè)備會通過攝像裝置收集含有人臉的視頻信息流。利用對應(yīng)的識別算法，計(jì)算機(jī)能夠自動捕獲人臉并對其進(jìn)行人臉檢測、面部識別等操作。本文對人臉監(jiān)測算法MTCNN和人臉識別算法FaceNet進(jìn)行深度分析，并在此基礎(chǔ)上提出了一種能夠有效提升人臉識別準(zhǔn)確率的方法。該方法并且在LFW人臉數(shù)據(jù)庫中識別準(zhǔn)確提升幅度達(dá)到了1%，與傳統(tǒng)算法相比優(yōu)化后的算法有助于幫助人臉檢測技術(shù)的發(fā)展與推廣。但本文所提出的方法仍存在一定的不足，需要進(jìn)一步進(jìn)行研究：需要額外占用一定的計(jì)算機(jī)內(nèi)存；算法運(yùn)行速度仍然較慢。因此還需探索新方法來解決上述問題。