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丁晓青教授带领团队研发的“TH-ID人脸和笔迹生物特征身份识别认证系统”获国家科技进步二等奖

“慧眼”明察秋毫 智能识人辨字

●学生记者 吴婷婷 刘煜原

  在“旅客自助查验通道”,短短5秒钟的时间,计算机系统已经提取人脸信息完成了对旅客的身份认证;访问计算机时,只要安装TH-FaceID人脸识别系统的笔记本电脑给您照张相,不用账号和密码,便可直接登陆;在铁路公安系统、机场、安全系统、技防系统,只要利用人脸信息,就可自动识别个人身份;公安笔迹鉴别中,只要采样到 5个单字,便可准确进行身份鉴别……这些简便而神奇的系统背后,是我校电子工程系研发的 “TH-ID人脸和笔迹生物特征身份识别认证系统”强有力的支持。

丁晓青教授(中)和团队成员讨论研究课题 摄影:刘煜原

  历经逾 8年的探索与追寻,由电子工程系丁晓青教授带领的研究团队终于在信息技术领域取得了重大突破,人脸和笔迹生物特征身份识别认证技术和系统整体上达到了国际领先水平。

  丁晓青带领的研究团队主攻人脸与笔迹识别系统,提出了抗人脸姿态、光照、表情变化的高性能、高鲁棒性全自动人脸识别认证方法,创新提出和实现国内外首次实用化的笔迹鉴别和检索方法,研发成功多种市场实用的高性能图像/视频人脸和笔迹身份识别认证系统。本系统对于国家安全具有重要战略意义,具有广泛的应用前景,同时又是智能信息处理和计算机视觉研究中的前沿课题,对促进我国先进信息技术和产业的发展具有极其重要的意义。

  2009年1月,“TH-ID人脸和笔迹生物特征身份识别认证系统”获2008年度国家科学技术进步奖二等奖。
  
  慧眼识人 人脸背后藏天地

  文字和人是图像中重要的两类目标。文字,千年文化的载体;人,现实世界中的灵长。人脸是人全身最重要的一部分,我们靠它来互相识别。抱着这样的想法,丁晓青带领她的团队,在长期文字识别研究取得多方面重要成果的基础上,于2000年3月又开始了对TH-FaceID人脸识别认证系统的探索与开发。

  早在1999年,该团队 主 攻 的 “THOCH—1997综合集成汉字识别系统”就获得了国家科技进步二等奖。之后,他们又给自己提出了新的目标:攻克人脸识别研究中的难题,并且希望以此实现生物特征身份认证和视频理解监控系统。

  要让只认“0”和“1”的计算机通过动态的人脸高精准地辨识人的身份,这可不是一件容易的事。同一个人的人脸图像并非一成不变,随着姿态、光照、表情、年龄等变化,“照片”里的人会有很大的变动;不同的人脸也往往不乏相似之处,两只眼睛一个鼻子,“他”和“她”都可能相像……这个关键问题成了攻坚的难点。

  丁晓青提出,人类对客观世界的认知,是整体而非对孤立局部的认知。因此,研究者必须充分利用识别对象整个图像所提供的丰富信息,从中提取出相当数量的善于区分大量不同类别的统计鉴别特征,进行良好的分类,保证高性能的人脸图像识别。因为文字识别也是一种特殊的图像识别,基于团队20多年来在汉字图像识别研究中所积累的理论知识和系统研发实践经验,利用能够适应模式各种变化识别的高维统计判决方法,成为他们的“基于图像的统计模式识别方法”解决人脸识别的统一思路。

  在复杂背景的图像中进行人脸识别,首先需要从自然背景图像中将人脸检测出来,也就是将人脸和其它物体区分开来。解决人脸和非人脸模式的分类问题,是人脸检测的第一步。团队提出了以最小化错误风险为优化目标的风险敏感的CS-AaBoost算法,使用了人脸姿态估计器,在多姿态人脸的检测精度和检测速度上取得了很好的效果。

  眼睛是心灵的窗口,同时,眼睛也是图像的突破口。精确的眼睛定位,是准确人脸识别比对的基础。而由于外界干扰和眨眼等眼睛本身复杂的变化,使得精确定位也成为一道难题。为此,团队创造性地提出基于人眼图像的统计学习方法的解决框架,先进行单眼定位,然后再进行双眼配对验证,造就了一双“慧眼”。

  在进行人的识别时,如何准确区分“张三”与“李四”?这就要让他俩的特征表现出较大的差别。因此,能够区分不同个人的“特征提取”成为人脸识别认证算法中最关键的环节之一。原始特征抽取和鉴别特征分析,是两个基本阶段。在大量的人脸图像样本库中,在个性中寻共性,在共性中找个性,再利用正反样本进行认证,便可“火眼金睛”地把人脸准确地识别出来。

  2004年,这个算法在国际学术界权威的人脸认证竞赛 FAT2004中所有评测指标均以比第二名低近50%错误率的结果获国际模式识别协会 IAPR唯一颁发的“人脸验证算法全面性能最优奖”。“当时,许多外国学者惊叹于我们取得的成果竟走在了国际前列。”丁晓青微笑着说。进而,在国际公认最权威的供应商FRVT2006评测中,“Tsinghua (TS2-NORM)performed better than humans(清华大学的算法TS2-NORM 优于人眼性能)”,这是对清华研发的唯一全部优于人眼性能的参评算法TH-ID优秀识别性能的评价。

  如何阻止利用人脸照片来与活体人脸“鱼龙混杂”?这些都逃不过丁晓青团队研发的 “慧眼”。他们创新提出了一种人脸活体检测算法,通过眨眼等细微的生理运动便可明辨秋毫。之后,团队又提出了基于可形变三维人脸模型的二维人脸图像的识别方法,对人脸姿态和视角变化时人脸的识别均获得很大的成功。
  
  明察秋毫 笔迹之中有玄机

  在进行人脸识别系统研究的同时,丁晓青的团队没有中断文字方面的研究,并且还开辟了一条新道路———TH-WriterID笔迹识别认证系统的研究。

  中国的汉字千变万化,书法更是一门艺术。在日常的书写当中,每个人的笔迹复杂而不稳定,而不同人的笔迹又可“以假乱真”。在笔迹鉴别中,我们可以获得的字符数目往往很少。很多笔迹鉴别专家采用的是笔画的结构分析方法,目前文献中报道的也多为基于结构和基于纹理的方法,但是,准确度均受到较大的限制。

  遵循基于图像的统计模式识别方法的总体指导思路,在笔迹图像中因含有书写者特定的笔迹信息和书写的文字信息,不同书写者的笔迹信息在单个字符中得以较充分和较稳定地体现,为此,团队采用了这样的方法:将不同书写者书写的相同字符笔迹作为处理对象,以较大程度抵消字符文字的结构信息,突出字符书写者笔迹差异信息。

  在团队成员的分工合作下,顺利完成了预处理、特征抽取和分类判决三个模块,一起构成了笔迹识别认证算法。

  实践是检验算法的唯一标准,这个算法已经得以实际应用,综合手写文档识别的自动笔迹检索查询系统在重要的国家安全项目中成功应用。

  “科研的题目来源于对科学技术不断的探索,来源于国家的需要,科研要服务于社会,要具有实用价值。”丁晓青介绍说,很多科研想法,都来自于社会的实际需要,同时,社会需求也会有力推动科研的发展。
  
  万无一失 特征认证应用广

  我们都知道,出入境口岸日流量数十万人,要逐个进行检验,不仅需要大量警力,旅客也甚感不便。从2005年6月开始,利用TH-FaceID人脸认证系统的“出入境自助查验通关系统”首次大规模成功应用于世界最大的陆路口岸———深圳罗湖口岸,之后逐步推广到深圳的其他口岸、珠海出入境边防口岸和北京首都机场口岸等全国其他口岸。截至目前,已开通的“出入境自助查验通关系统”近400条通道,自助验放旅客 2.5亿人次以上,通过率达98%,通关时间小于 5秒/人,成为世界人脸识别大规模应用的典范。

  TH-FaceID人脸识别系统取得了大量国际和国内市场的推广应用。已经授权若干重要的国际知名公司,如美国HP、O2、日本 OMRION、韩国SS1,以及台湾仁宝公司等。团队还与北京海鑫金科公司进行了战略合作,将人脸识别技术产业化推广。

  目前,人脸识别系统已应用于首都国际机场第三航站楼的监控系统以及湖南长沙机场、福州机场、西藏机场等重要场所的监控系统,并且已有犯罪嫌疑人由此被截获。从 2006年 9月开始,人脸查询系统已推广应用到北京站、北京西站以及天津、石家庄等地的铁路公安局,截获近百余名嫌疑人。ATM机人脸检测识别监控系统已在佛山成功试点应用,将有效防范针对 ATM机的犯罪发生。香港利用人脸识别系统对数十所学校的数万名学生进行考勤、管理和提供保安服务。
  
  继承与创新 踏踏实实做人

  丁晓青的团队一直在从事创新的研究,在做前人没有做过的工作。但是,创新和继承又是密切结合的。“每个同学都是站在学长的肩膀上前进,在继承的基础上创新。20多年来,我们的团队就是迈着这样的步伐发展起来的。大家都为自己在这个实验室里作出的贡献感到自豪,也从这里学到很多其他同学的经验和成果。”

  为了保证近40人的团队能够高效运作,丁晓青一直努力营造一个开放而且充满活力的氛围。教师的重要作用在于指出正确的研究方向和解决问题的正确途径,避免走弯路,不走或少走错路,才能够保证在较短时间内获得较大的成果。“在讨论问题时,我跟同学们一起探索,大家可以持有不同观点,进行充分讨论。”就是这样的研究氛围,让不同的思维不断碰撞出火花。

  “做一个踏实的人,一步步做踏实的工作。”穿着墨绿色套裙、充满活力的丁晓青,在暖暖的斜阳下幸福地讲述着。“科学研究永无止境,想做和没做的事情还很多,我们将继续努力工作下去。”

(http://news.tsinghua.edu.cn)
[更新:2009-12-08]
[阅读:人次]
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