人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用和市場分析

作者：李子青，中科院自動(dòng)化所生物識(shí)別與安全技術(shù)研究中心

    在不同的生物特征識(shí)別方法中，人臉識(shí)別有其自身特殊的優(yōu)勢，因而在生物識(shí)別中有著重要的地位。（1）非侵?jǐn)_性。人臉識(shí)別無需干擾人們的正常行為就能較好地達(dá)到識(shí)別效果，無需擔(dān)心被識(shí)別者是否愿意將手放在指紋采集設(shè)備上，他們的眼睛是否能夠?qū)?zhǔn)虹膜掃描裝置……只要在攝像機(jī)前自然地停留片刻，用戶的身份就會(huì)被正確識(shí)別。（2）采集設(shè)備簡單，使用快捷。一般來說，常見的攝像頭就可以用來進(jìn)行人臉圖像的采集，不需特別復(fù)雜的專用設(shè)備。采集一般可在數(shù)秒內(nèi)完成。（3）通過人臉識(shí)別身份，與人類的習(xí)慣一致。也就是說，人和機(jī)器都可以使用人臉圖片進(jìn)行識(shí)別，這使得人和機(jī)器可以配合工作。而指紋，虹膜等方法沒有這個(gè)特點(diǎn)。一個(gè)沒有經(jīng)過特殊訓(xùn)練的人，無法利用指紋和虹膜圖像對其他人進(jìn)行身份識(shí)別。人臉識(shí)別擁有這些良好的特性，使其具有非常廣泛的應(yīng)用前景，正在引起學(xué)術(shù)界和商業(yè)界越來越多的關(guān)注。隨著近十年來人臉識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展，它且正在越來越多被應(yīng)用在通關(guān)，企業(yè)安全和管理，刑偵等各個(gè)領(lǐng)域。

一、市場現(xiàn)狀 

    近年來，由于反恐、國土安全、和社會(huì)安全的需要，世界上各個(gè)國家都對安防領(lǐng)域加大了投入。而身份識(shí)別正是安防的一個(gè)核心問題。在這種大環(huán)境下，生物特征識(shí)別迎來了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。據(jù)專門提供生物識(shí)別產(chǎn)業(yè)相關(guān)咨詢服務(wù)的美國公司 International Biometric Group近期出版的一本關(guān)于生物識(shí)別市場及產(chǎn)業(yè)趨勢的調(diào)查分析報(bào)告書 "Biometrics Market and Industry Report 2007-2012"顯示[2]，2007年全球生物識(shí)別市場收入超過 30億美元，并且今后 5年內(nèi)將以超過每年 8億美元的幅度遞增。至 2007年將達(dá)到 74億美元。而截止 2007年，人臉識(shí)別的市場份額由原來的微不足道，迅速上升到 12.9%，市場份額僅小于指紋識(shí)別，并且比重還在不斷增加，打破了國際生物識(shí)別市場上“指紋”一統(tǒng)天下的局面。 

    在國內(nèi)市場上，據(jù)美國《生物識(shí)別文摘》[3]報(bào)道，2005年生物識(shí)別產(chǎn)品的銷售收入約 0.6億美元，到了 2006年增長到約 1.1億美元，其中超過 97%為指紋識(shí)別產(chǎn)品。目前，在中國人臉識(shí)別產(chǎn)品的市場份額還較小，大多數(shù)公司采用的是國外提供的核心技術(shù)，進(jìn)行后加工，產(chǎn)品多集中在門禁和考勤機(jī)上。由于這些公司沒有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，自主研發(fā)能力較差，在人臉識(shí)別的應(yīng)用開發(fā)中，對人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)際應(yīng)用難以形成深度優(yōu)勢。同時(shí)，由各種渠道獲得的核心技術(shù)水平參差不等，其產(chǎn)品可靠性得不到保障。在涉及國家安全利益等場所的應(yīng)用中，其系統(tǒng)與產(chǎn)品安全保障也有待考證。 

    然而，從去年開始，人臉識(shí)別市場，特別是在中國的市場，正經(jīng)歷著迅速的發(fā)展，而且發(fā)展的腳步也將越來越快。主要有三大原因：

    1. 是科技界和社會(huì)各個(gè)方面都認(rèn)識(shí)到人臉識(shí)別技術(shù)的重要性，國家政策對人臉識(shí)別技術(shù)研究給予了很大支持，使得我國人臉識(shí)別技術(shù)取得了很大進(jìn)展。國際上，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局（ NIST）舉辦的 Face Recognition Vendor Test 2006 (FRVT2006，[1])通過大規(guī)模的人臉數(shù)據(jù)測試表明，當(dāng)今世界上人臉識(shí)別方法的識(shí)別精度比 2002年的 FRVT2002至少提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)（ 10倍）。其中一些方法的識(shí)別精度已經(jīng)超過人類的平均水平。而對于高清晰，高質(zhì)量人臉圖像識(shí)別，機(jī)器的識(shí)別精度幾乎達(dá)到 100%。
    2. 各種應(yīng)用需求不斷涌現(xiàn)。人臉識(shí)別市場的快速發(fā)展一方面歸功于生物識(shí)別需求的多元化，另一方面則是由于人臉識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步。從需求上來說，除了傳統(tǒng)的考勤、門禁等應(yīng)用外，視頻監(jiān)控環(huán)境下的身份識(shí)別正成為一種迫切的需求，即在一個(gè)較復(fù)雜的場景中，在較遠(yuǎn)的距離上識(shí)別出特定人的身份，這顯然是指紋識(shí)別的方法所不能滿足的。而人臉識(shí)別卻是一個(gè)極佳的選擇。
    3. 第三個(gè)是人口基數(shù)因素。人臉識(shí)別系統(tǒng)的市場大小，很大程度上是和人口的數(shù)量大小相關(guān)的。而我國有 13億人口，這從本質(zhì)上決定了我國是世界上規(guī)模最大的生物識(shí)別市場。

二、技術(shù)發(fā)展 

    863計(jì)劃、國家科技支撐計(jì)劃、自然科學(xué)基金都撥出?？钯Y助人臉識(shí)別的相關(guān)研究。國家“十一五”科技發(fā)展規(guī)劃中也將人臉識(shí)別技術(shù)的研究與發(fā)展列入其中[4]，明確指出：“要在生物特征識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域縮小與世界先進(jìn)水平的差距，開展生物特征識(shí)別應(yīng)用技術(shù)研究，開發(fā)具有高安全性、低誤報(bào)率的出入口控制新產(chǎn)品。”在這種環(huán)境下，國內(nèi)一些科研院所和院校在人臉識(shí)別技術(shù)方面取得了很大進(jìn)展。如中科院自動(dòng)化所，清華大學(xué)，中科院計(jì)算所自主開發(fā)的人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)的水平。 

    傳統(tǒng)的人臉識(shí)別技術(shù)主要基于可見光圖像的人臉識(shí)別，這也是是人們最熟悉的識(shí)別方式，有 30多年的研發(fā)歷史。但這種方式有著難以克服的缺陷，尤其在環(huán)境光照發(fā)生變化時(shí)，識(shí)別效果會(huì)急劇下降，無法滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要。比如，拍照時(shí)遇到側(cè)光時(shí)出現(xiàn)的“陰陽臉”現(xiàn)象，就可能無法正確識(shí)別。解決光照問題的方案有三維圖像人臉識(shí)別，和熱成像人臉識(shí)別。但目前這兩種技術(shù)還遠(yuǎn)不成熟，識(shí)別效果不盡人意，并且，這兩種方法有他們先天的劣勢： 

    （1）采集設(shè)備極其復(fù)雜和昂貴；
    （2）無法和現(xiàn)有可見光人臉圖像數(shù)據(jù)兼容，這些都大大限制了它們的應(yīng)用，因此目前看不出三維圖像方法會(huì)成為人臉識(shí)別主流技術(shù)。 

    最近迅速發(fā)展起來一種解決方案是基于主動(dòng)近紅外圖像的人臉識(shí)別技術(shù)。它可以克服光線變化的影響，已經(jīng)取得了卓越的識(shí)別性能，在精度、穩(wěn)定性和速度方面的整體系統(tǒng)性能超過三維圖像人臉識(shí)別。這項(xiàng)技術(shù)由我國中科院自動(dòng)化所主導(dǎo)，近兩三年發(fā)展迅速，并且在紅外圖像對可見光圖像混合識(shí)別的研究也取得了突破進(jìn)展，使其可以和現(xiàn)有可見光人臉數(shù)據(jù)兼容，也真正使人臉識(shí)別技術(shù)更加實(shí)用化。 

    其中，中科院自動(dòng)化所的中科奧森（AuthenMetric）近紅外人臉識(shí)別系統(tǒng)獨(dú)樹一幟，徹底解決了困擾人臉識(shí)別領(lǐng)域的環(huán)境光照影響問題。如前所述，傳統(tǒng)的基于可見光的人臉識(shí)別方法在遇到光照情況變化時(shí)，識(shí)別效果會(huì)急劇下降，導(dǎo)致無法實(shí)用，因此消除環(huán)境光照是實(shí)用化人臉識(shí)別系統(tǒng)首先必須要解決的問題。中科院自動(dòng)化通過深入研究，另辟蹊徑，成功創(chuàng)造出獨(dú)創(chuàng)的基于近紅外圖像的人臉識(shí)別核心技術(shù)和系統(tǒng)。在不同光線條件下，能夠拍攝不受環(huán)境光照變化影響的近紅外人臉圖像，加上領(lǐng)先的算法，能夠取得很高的識(shí)別率。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境下，中科奧森近紅外人臉識(shí)別系統(tǒng)在準(zhǔn)確率和速度上在國際上絕對領(lǐng)先，現(xiàn)在沒有可以與之抗衡的替代。 

    此近紅外人臉識(shí)別技術(shù)通過了中國信息安全產(chǎn)品測評(píng)認(rèn)證中心身份認(rèn)證產(chǎn)品與技術(shù)測評(píng)中心的權(quán)威測評(píng)，性能如下： 

    （1） 工作環(huán)境光照度范圍 0－50000 Lux：即，不但可以在正常光線下使用，還可以在全黑暗和室外陽光下正常使用；
    （2） 識(shí)別正確率：99.2% (500人數(shù)據(jù)庫)；
    （3） 注冊時(shí)間：自動(dòng)模式小于 10秒；人工模式小于 20 秒；
    （4） 識(shí)別時(shí)間：小于 1秒 

    該成果已經(jīng)申請 4項(xiàng)專利，包括國際專利?；谶@些技術(shù)可開發(fā)出一系列穩(wěn)定可靠的應(yīng)用。中科奧森中遠(yuǎn)距離人臉監(jiān)控系統(tǒng)將人臉跟蹤和識(shí)別融合到視頻監(jiān)控中，能夠在實(shí)際監(jiān)控應(yīng)用進(jìn)行中遠(yuǎn)距離的人臉跟蹤和識(shí)別。該系統(tǒng)能夠在人臉左右旋轉(zhuǎn)90度以上、或人臉被部分遮擋時(shí)，快速穩(wěn)定流暢地進(jìn)行人臉跟蹤，能識(shí)別距離攝像頭大于五米的人臉（如下圖），能同時(shí)識(shí)別場景范圍內(nèi)的多張人臉。其主要技術(shù)指標(biāo)如下： 

    （1） 可大于 5米（從人臉到攝像頭）；
    （2） 中遠(yuǎn)距離人臉檢測率：＞99% （距離 6米）；
    （3） 注冊時(shí)間：自動(dòng)模式：10 秒；人工模式：20 秒；
    （4） 匹配模式：1:1 或 1:N；
    （5） 中遠(yuǎn)距離人臉識(shí)別率：> 95% （距離 6米、小樣本、正面臉相(<20度、室內(nèi)光照條件下）；
    （6） 人臉跟蹤：能夠在仰頭、俯頭、側(cè)身、背身、跳躍狀態(tài)下保持跟蹤；
    （7） 實(shí)時(shí)多人跟蹤與識(shí)別該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性和流暢性，達(dá)到國際先進(jìn)的水平。該成果已申請國家發(fā)明專利“實(shí)時(shí)的從視頻中跟蹤多個(gè)人臉的方法”。

三、應(yīng)用和展望

    2005年 6月，公安部出入境管理局實(shí)施“深圳－香港生物護(hù)照旅客快速通關(guān)系統(tǒng)”采用中科奧森人臉識(shí)別系統(tǒng)。深圳羅湖口岸是我國出入境旅客最多的一個(gè)口岸，出入境人員基數(shù)達(dá)到百萬以上，同時(shí)日均出入境有 60萬人次，在那里利用人臉識(shí)別系統(tǒng)，每名旅客過關(guān)時(shí)間只需約 6秒，識(shí)別率達(dá)到 99％。大大提高了來往旅客的通關(guān)速度，并減輕了深圳邊檢總站的工作量[5]。下圖是已在深圳-香港，珠海-澳門海關(guān)應(yīng)用的生物識(shí)別快速通關(guān)系統(tǒng)的實(shí)景圖片

    2006年7月，中科院自動(dòng)化所的人臉識(shí)別系統(tǒng)在中國人民銀行濟(jì)南分行金庫開始使用，使其成為國內(nèi)首個(gè)用人臉來“把守”大門的金庫[6]。該人臉識(shí)別金庫管理系統(tǒng)全天24小時(shí)對制度的執(zhí)行進(jìn)行無縫的監(jiān)督和管理。系統(tǒng)根據(jù)銀行安全規(guī)則設(shè)置系統(tǒng)控制程序，金庫大門的打開必須是多名庫管員同時(shí)在場。按照這個(gè)程序，庫管員依次驗(yàn)證，系統(tǒng)攝像頭攝取其人臉圖像，抽取人臉特征，并與數(shù)據(jù)庫中合法人員臉部圖像進(jìn)行對比，驗(yàn)明正身。在確認(rèn)無誤后。系統(tǒng)將門禁開啟，自動(dòng)開門；否則拒絕開門，并報(bào)警。該系統(tǒng)利用人的相貌特征代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鑰匙或密碼，不但有效的杜絕了人為漏洞，而且可以防止利用盜用鑰匙或密碼打開金庫，讓金庫盜竊者無計(jì)可施。人民銀行濟(jì)南分行使用這個(gè)人臉識(shí)別金庫管理系統(tǒng)，不但有效的降低金融管理風(fēng)險(xiǎn)，而且杜絕了人為漏洞，讓嚴(yán)格的金庫管理制度真正執(zhí)行到位，有效地防止了監(jiān)守自盜和其他不規(guī)范操作的發(fā)生。該系統(tǒng)多臺(tái)多批次在不同環(huán)境狀態(tài)下的使用，運(yùn)行一年來，工作穩(wěn)定可靠，經(jīng)受了實(shí)際應(yīng)用的檢驗(yàn)。目前正在全國范圍推廣使用。

    中科奧森人臉監(jiān)控識(shí)別系統(tǒng)融合中科奧森中遠(yuǎn)距離人臉監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的人臉監(jiān)控、跟蹤和識(shí)別，這一功能對反恐、抓逃等有重要意義。

    這些成功的案例讓人欣喜，人臉識(shí)別的應(yīng)用前景更鼓舞人心。隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和社會(huì)認(rèn)同度的提高，人臉識(shí)別將能在更多領(lǐng)域施展自己的拳腳： 

    1．企業(yè)、住宅安全和管理。如人臉識(shí)別門禁考勤系統(tǒng)，人臉識(shí)別防盜門等。
    2．電子護(hù)照及身份證。這或許是未來規(guī)模最大的應(yīng)用。在國際民航組織（ ICAO）已確定，從 2010年 4月 1日起，其 118個(gè)成員國家和地區(qū)，必須使用機(jī)讀護(hù)照，人臉識(shí)別技術(shù)是首推識(shí)別模式，該規(guī)定已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)。美國已經(jīng)要求和它有出入免簽證協(xié)議的國家在2006年10月 26日之前必須使用結(jié)合了人臉指紋等生物特征的電子護(hù)照系統(tǒng)，到 2006年底已經(jīng)有 50多個(gè)國家實(shí)現(xiàn)了這樣的系統(tǒng)。今年年初，美國運(yùn)輸安全署（ Transportation Security Administration）計(jì)劃在全美推廣一項(xiàng)基于生物特征的國內(nèi)通用旅行證件。歐洲很多國家也在計(jì)劃或者正在實(shí)施類似的計(jì)劃，用包含生物特征的證件對旅客進(jìn)行識(shí)別和管理[7]。中國的電子護(hù)照計(jì)劃公安部一所正在加緊規(guī)劃和實(shí)施。
    3．公安、司法和刑偵。如利用人臉識(shí)別系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，在全國范圍內(nèi)搜捕逃犯。
    4．自助服務(wù)。如銀行的自動(dòng)提款機(jī)，如果用戶卡片和密碼被盜，就會(huì)被他人冒取現(xiàn)金。如果同時(shí)應(yīng)用人臉識(shí)別就會(huì)避免這種情況的發(fā)生。
    5．信息安全。如計(jì)算機(jī)登錄、電子政務(wù)和電子商務(wù)。在電子商務(wù)中交易全部在網(wǎng)上完成，電子政務(wù)中的很多審批流程也都搬到了網(wǎng)上。而當(dāng)前，交易或者審批的授權(quán)都是靠密碼來實(shí)現(xiàn)。如果密碼被盜，就無法保證安全。如果使用生物特征，就可以做到當(dāng)事人在網(wǎng)上的數(shù)字身份和真實(shí)身份統(tǒng)一。從而大大增加電子商務(wù)和電子政務(wù)系統(tǒng)的可靠性。

四、人臉識(shí)別產(chǎn)業(yè)的發(fā)展

    人臉識(shí)別產(chǎn)業(yè)的發(fā)展得幾個(gè)關(guān)鍵： 

    1. 由于生物識(shí)別行業(yè)的特殊性，市場和技術(shù)的大發(fā)展需要國家、政府部門、和企業(yè)的大力支持。這些年來我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展日新月異，政府各部門對利用新技術(shù)解決關(guān)鍵問題熱情支持。人臉識(shí)別技術(shù)廣泛應(yīng)用到電子護(hù)照、生物特征身份證、銀行系統(tǒng)、公安系統(tǒng)、電子商務(wù)、電子政務(wù)等系統(tǒng)中，不但可以提高社會(huì)運(yùn)行的效率，也可以大大增強(qiáng)公民日常生活的安全性。將是一件功在當(dāng)代利在千秋的好事。
    2. 加緊開展人臉識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)化工作。目前人臉識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)化工作在公安部一所、電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究所、和中科院自動(dòng)化所的倡導(dǎo)下，正在積極進(jìn)行。這個(gè)工作不僅為規(guī)范國內(nèi)技術(shù)產(chǎn)品提供標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，也為中國技術(shù)進(jìn)入國際提供平臺(tái)。中科院自動(dòng)化研究所代表中國國家體在參加了國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ ISO）生物識(shí)別分會(huì)在 2006年倫敦召開的年會(huì)，做了“生物識(shí)別在中國（Biometrics in China）的大會(huì)報(bào)告，并提出了中國第一個(gè)生物識(shí)別國際標(biāo)準(zhǔn)草案，該草案在 2007年柏林年會(huì)上得以討論。
當(dāng)前，人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用還沒有做到“普及”，但是不能否認(rèn)，它已經(jīng)在開始影響著我們的生活。我國人口規(guī)模巨大，經(jīng)濟(jì)增長迅速，對可靠的人臉識(shí)別技術(shù)的需求也越來越迫切。通過一批專家學(xué)者孜孜不倦地努力，我國的人臉識(shí)別技術(shù)已經(jīng)不落后于發(fā)達(dá)國家。一旦人臉識(shí)別得以推廣，發(fā)展前景將是前程美好。此外，要把中國創(chuàng)造和制造的產(chǎn)品打入國外市場，這需要產(chǎn)品需要和國際標(biāo)準(zhǔn)接軌，為產(chǎn)品進(jìn)軍世界鋪平道路。隨著技術(shù)瓶頸的進(jìn)一步突破，市場的進(jìn)一步規(guī)范，相信規(guī)模化應(yīng)用的日子不會(huì)太遠(yuǎn)。屆時(shí)，人臉識(shí)別技術(shù)本身的發(fā)展和應(yīng)用效果還將有更大的提升，為我們的生活帶來更多便利和安全。