摘 要： 為了提高移動(dòng)智能終端中應(yīng)用程序登錄過(guò)程的快捷性和安全性，設(shè)計(jì)了一種基于人臉識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用程序自動(dòng)登錄方法。通過(guò)事先注冊(cè)人臉特征信息，并與應(yīng)用程序及其登錄信息關(guān)聯(lián)，這些關(guān)聯(lián)信息經(jīng)加密后以本地文件存放；當(dāng)啟動(dòng)應(yīng)用程序時(shí)，只要通過(guò)了人臉特征信息認(rèn)證，就能自動(dòng)提取并填寫(xiě)登錄信息。應(yīng)用表明，該方法增強(qiáng)了應(yīng)用程序登錄過(guò)程的便捷性和安全性。
關(guān)鍵詞： 人臉識(shí)別；人臉特征信息；應(yīng)用程序登錄
智能手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)智能設(shè)備日益普及，系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力也越來(lái)越強(qiáng)，以前很多在PC上的應(yīng)用，如登錄郵件系統(tǒng)、網(wǎng)上銀行等，都移植到這些移動(dòng)智能設(shè)備上，極大地滿足了人們隨時(shí)隨地使用這些服務(wù)的需求。但是，每次登錄這些應(yīng)用程序都需要輸入賬號(hào)/用戶名、密碼(甚至第二個(gè)密碼)等，這就需要用戶準(zhǔn)確地記憶數(shù)量眾多的各種應(yīng)用程序的登錄信息。如果設(shè)置的用戶名和密碼又都是比較復(fù)雜的字符串序列，雖然安全性高，但用戶要完全準(zhǔn)確地記憶這些信息是比較困難的。此外，智能手機(jī)這類設(shè)備的虛擬鍵盤(pán)相對(duì)比較小，輸入這些信息速度較慢，容易被人偷窺造成泄密。如果選擇應(yīng)用程序自動(dòng)登錄，在這類設(shè)備遺失后，更容易造成安全隱患，尤其是手機(jī)銀行、網(wǎng)上支付等這類賬戶。
如何幫助用戶便捷地登錄各類應(yīng)用程序，同時(shí)保證登錄信息的安全性，是一個(gè)有待解決的問(wèn)題。目前關(guān)于應(yīng)用程序自動(dòng)登錄的方法[1-5]中，采用集中帳號(hào)管理或其他方式實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序自動(dòng)登錄，部分解決了該問(wèn)題，但本身的便捷性及安全性不夠理想。
人臉識(shí)別技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)基于人的臉部特征進(jìn)行人臉圖像分析，并從中提取出所蘊(yùn)涵的有效身份特征信息用以識(shí)別人的身份的技術(shù)。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，已經(jīng)有了多種比較成熟的人臉識(shí)別算法，使該技術(shù)開(kāi)始從理論探討進(jìn)入適用階段。如今，各種移動(dòng)智能終端都具有分辨率較高的視頻裝置，能夠很容易采集到這些設(shè)備使用者的高質(zhì)量的面部圖像信息；同時(shí)，設(shè)備的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力都有了非常大的提高，可以滿足圖像識(shí)別過(guò)程對(duì)系統(tǒng)資源的需要。因此，將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到這類設(shè)備是一種必然。
本文采用基于本地視頻的人臉識(shí)別認(rèn)證方式提取并自動(dòng)填寫(xiě)用戶登錄信息來(lái)解決上述問(wèn)題，使應(yīng)用程序的登錄過(guò)程更便捷、更安全。
1 應(yīng)用程序登錄助手設(shè)計(jì)
1.1 基本功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
基于人臉識(shí)別的應(yīng)用程序登錄助手的基本功能是：通過(guò)設(shè)備的攝像裝置獲取使用者的面部圖像信息，經(jīng)過(guò)圖像檢測(cè)處理，與事先注冊(cè)的人臉特征信息進(jìn)行比較；在通過(guò)人臉特征信息認(rèn)證后，根據(jù)用戶信息和待登錄應(yīng)用程序的信息提取出唯一的登錄信息，并依次填充到該應(yīng)用程序登錄界面的相應(yīng)位置，登錄應(yīng)用程序。
根據(jù)上述基本功能，將應(yīng)用程序登錄助手分為以下功能模塊：圖像采集與處理、人臉信息注冊(cè)與檢索、應(yīng)用程序與登錄信息關(guān)聯(lián)注冊(cè)及檢索和登錄信息提取與填充。這些模塊的子模塊劃分以及模塊/子模塊間的關(guān)系如圖1所示。
(1)圖像采集與處理模塊：完成從設(shè)備的視頻攝像裝置采集人臉圖像以及采用人臉識(shí)別算法從中提取人臉特征信息。
(2)人臉信息注冊(cè)與檢索模塊：在注冊(cè)過(guò)程中，將人臉特征信息寫(xiě)入人臉特征信息注冊(cè)文件，并生成用戶ID；在提取登錄信息過(guò)程中，根據(jù)人臉特征信息檢索人臉特征信息注冊(cè)文件，完成人臉信息認(rèn)證。
(3)應(yīng)用程序與登錄信息關(guān)聯(lián)注冊(cè)及檢索模塊：在注冊(cè)過(guò)程中，將用戶的應(yīng)用程序與登錄信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)以及用戶ID寫(xiě)入應(yīng)用程序與登錄信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)文件；在提取登錄信息過(guò)程中，根據(jù)用戶認(rèn)證信息檢索出與用戶ID和應(yīng)用程序相關(guān)聯(lián)的登錄信息。
(4)登錄信息提取與填充模塊：將檢索到的登錄信息提取出來(lái)并自動(dòng)填寫(xiě)到應(yīng)用程序登錄界面的相應(yīng)位置。
1.2 運(yùn)行過(guò)程分析
功能運(yùn)行分為注冊(cè)過(guò)程和提取登錄信息兩個(gè)過(guò)程。
1.2.1 注冊(cè)過(guò)程
啟動(dòng)注冊(cè)過(guò)程后，自動(dòng)啟動(dòng)視頻裝置：(1)從視頻裝置獲取的人臉圖像，經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別算法處理后生成人臉特征數(shù)據(jù)；(2)用上述人臉特征數(shù)據(jù)與人臉信息注冊(cè)文件中已注冊(cè)的人臉特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，檢查是否為已經(jīng)注冊(cè)的用戶。如果沒(méi)有檢測(cè)到人臉信息注冊(cè)文件或該文件中沒(méi)有匹配的人臉特征數(shù)據(jù)，表示該用戶沒(méi)有注冊(cè)，這時(shí)自動(dòng)按規(guī)則生成一個(gè)用戶標(biāo)識(shí)與人臉特征數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并寫(xiě)入人臉信息注冊(cè)文件，如果該文件不存在，需要首先創(chuàng)建；(3)完成用戶注冊(cè)后，才能夠進(jìn)行應(yīng)用程序與登錄信息的關(guān)聯(lián)注冊(cè)。從設(shè)備的操作系統(tǒng)中獲取應(yīng)用程序安裝信息，人工選擇應(yīng)用程序，然后根據(jù)其安裝信息生成應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)該應(yīng)用程序；之后，將用戶標(biāo)識(shí)、應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)、登錄應(yīng)用程序需要的帳號(hào)/用戶名、密碼1和密碼2以非明文形式寫(xiě)入應(yīng)用程序與登錄信息關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)文件（簡(jiǎn)稱登錄信息關(guān)聯(lián)文件），如果該文件不存在，要首先創(chuàng)建該文件。在一個(gè)設(shè)備中可以有多個(gè)用戶注冊(cè)，一個(gè)用戶可以注冊(cè)多個(gè)應(yīng)用程序與登錄信息的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)。注冊(cè)功能流程如圖2所示。
由于應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)是根據(jù)應(yīng)用程序的安裝信息生成的，具有唯一性，因而如果重新安裝了某個(gè)應(yīng)用程序，這時(shí)可能需要在登錄助手中刪除原來(lái)的注冊(cè)信息并重新注冊(cè)，以保證應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)的唯一性。因此，登錄助手提供對(duì)用戶本人的應(yīng)用程序與登錄信息的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理的功能。
此外，應(yīng)用程序的登錄信息設(shè)置了3個(gè)字段：用戶名、密碼1和密碼2，但并不是所有的應(yīng)用程序都需要，如：有的應(yīng)用程序登錄只需要輸入一個(gè)密碼，而不需要用戶名,而有的則需要用戶名、密碼，甚至第2個(gè)密碼。因而，在登錄信息關(guān)聯(lián)文件中寫(xiě)入登錄信息時(shí)，必須保證每個(gè)字段都存在，沒(méi)有內(nèi)容的寫(xiě)入特殊字符。
1.2.2 提取登錄信息過(guò)程
當(dāng)用戶啟動(dòng)應(yīng)用程序登錄界面并選中用戶名或密碼字段對(duì)應(yīng)的文本框時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)以后臺(tái)進(jìn)程運(yùn)行登錄助手，并啟動(dòng)設(shè)備的視頻裝置：(1)從視頻裝置獲取人臉圖像，經(jīng)過(guò)圖像識(shí)別算法處理后生成人臉特征數(shù)據(jù)；(2)用上述人臉特征數(shù)據(jù)與人臉信息注冊(cè)文件中已注冊(cè)的人臉特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，檢查是否為已經(jīng)注冊(cè)的用戶。如果用戶已注冊(cè)，從中取出用戶標(biāo)識(shí)（表示通過(guò)人臉信息認(rèn)證），之后獲取成為應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)；(3)根據(jù)用戶標(biāo)識(shí)和應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)檢索登錄信息關(guān)聯(lián)文件，如果檢索到多條關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，表明該用戶在這個(gè)應(yīng)用程序中有多條登錄帳戶信息，如：郵件程序中一個(gè)用戶可以用不同的帳號(hào)登錄，這時(shí)需要提示用戶手工選擇其中一條作為登錄信息；若只有一條關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，則不進(jìn)行提示，直接讀出登錄信息；(4)根據(jù)獲取的登錄界面文本框的位置，自動(dòng)將用戶名、密碼1、密碼2依次填入其中，如果這3個(gè)字段中的某個(gè)字段值為特殊字符，表示登錄界面中沒(méi)有該字段。例如，如果帳戶/用戶名字段的值為特殊字符，表示應(yīng)用程序的登錄界面中不需要輸入用戶名，直接輸入密碼即可，如某些手機(jī)銀行軟件。字段“密碼2”根據(jù)需要選用，如某些手機(jī)股票軟件需要輸入兩個(gè)密碼，如果該字段為特殊字符，則表示不需要第2個(gè)密碼。此外，如果用戶是非注冊(cè)用戶,或者是注冊(cè)用戶但沒(méi)有該應(yīng)用程序的關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)，這時(shí)都需要登錄助手啟動(dòng)其他的輸入法，使用戶能輸入信息。因此，登錄助手中還需要設(shè)置一個(gè)操作系統(tǒng)中已存在的文字輸入法，作為解決上述問(wèn)題的方案。提取登錄信息功能流程如圖3所示。
2 功能實(shí)現(xiàn)
目前，移動(dòng)智能終端設(shè)備中運(yùn)行的操作系統(tǒng)有多種，本文的實(shí)現(xiàn)是基于Android平臺(tái)、Java語(yǔ)言及OpenCV(Open Source Computer Vision)函數(shù)庫(kù)。OpenCV是一種開(kāi)源的計(jì)算機(jī)視覺(jué)函數(shù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)了圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)方面的很多通用算法，如：常用的人臉識(shí)別方法[6]主成分分析PCA、線性判別分析LDA等。在Android平臺(tái)下，利用JNI等技術(shù)可以調(diào)用OpenCV函數(shù)完成人臉識(shí)別的相關(guān)處理[7]。
2.1 圖像采集與處理
利用攝像設(shè)備獲取圖像并進(jìn)行人臉檢測(cè)。這個(gè)過(guò)程需要使用OpenCV函數(shù)庫(kù)中的相關(guān)功能來(lái)完成圖像檢測(cè)處理。
(1)圖像獲?。簭臄z像裝置獲取圖像，既可以使用Android系統(tǒng)內(nèi)置的攝像頭應(yīng)用程序，也可以自己定義。這里使用前者來(lái)實(shí)現(xiàn)：首先創(chuàng)建一個(gè)請(qǐng)求圖像或視頻的intent，然后用startActivityForResult()方法啟動(dòng)攝像頭intent，這樣就可以在應(yīng)用程序中接收從攝像頭intent返回的數(shù)據(jù)。主要的函數(shù)調(diào)用：
?、買(mǎi)ntent(String action)：創(chuàng)建指定類型的攝像頭，這里指定的是MediaStore.ACTION_ IMAGE_CAPTURE，即向內(nèi)置攝像頭程序請(qǐng)求圖像。
②startActivityForResult(Intent intent，int requestCode)：執(zhí)行定義的攝像頭并獲取圖像。在注冊(cè)時(shí)，需要將獲取的圖像顯示在注冊(cè)界面中；而在提取應(yīng)用程序登錄信息過(guò)程時(shí)，則不需要，直接將獲取的圖像存放到緩存中。
(2)圖像處理：獲取圖像后，首先需要將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行直方圖均衡化，最后利用分類器檢測(cè)圖像區(qū)域是否存在人臉特征，并作歸一化處理。主要涉及OpenCV的以下函數(shù)調(diào)用：
?、賤oid cvCvtColor(const CvArr* src，CvArr* dst, int code)：將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，其中參數(shù)code設(shè)置為CV_BGR2GRAY表示轉(zhuǎn)換為灰度圖。
②void cvEqualizeHist(const CvArr* src，CvArr* dst)：對(duì)輸入灰度圖進(jìn)行直方圖均衡化處理，能對(duì)圖像的細(xì)節(jié)部分起到明顯的突出增強(qiáng)效果。
③cvHaarDetectObjects(…)：使用人臉/人眼的Haar特征級(jí)聯(lián)分類器進(jìn)行相關(guān)目標(biāo)區(qū)域的檢測(cè)，找到包含人臉的矩形區(qū)域，并且將該區(qū)域作為一序列的矩形框返回。使用均衡化后的灰度圖可以加快檢測(cè)速度。
2.2 人臉信息注冊(cè)與檢索
根據(jù)圖像采集與處理模塊中檢測(cè)到的人臉圖像，調(diào)用cvCalcEigenObjects（）函數(shù)進(jìn)行PCA操作，計(jì)算輸入目標(biāo)的正交特征基向量和目標(biāo)平均值，計(jì)算出的特征臉 (Eigenface)都存放在向量組成的數(shù)組中；再利用cvEigenDecomposite（）函數(shù)將每一個(gè)訓(xùn)練圖片投影在PCA 子空間上，最后得到處理后的人臉在低維子空間（即訓(xùn)練人臉特征信息的子空間）中的投影向量。
在注冊(cè)過(guò)程中，首先檢查是否已存在該特征臉，若沒(méi)有，則調(diào)用注冊(cè)函數(shù)將信息寫(xiě)入人臉信息注冊(cè)文件，并生成用戶標(biāo)識(shí)。對(duì)于提取登錄信息過(guò)程，則調(diào)用人臉識(shí)別函數(shù)，檢查是否是合法用戶，若是則從人臉信息注冊(cè)文件讀出用戶標(biāo)識(shí)，傳遞給下一功能模塊。
(1)人臉特征信息注冊(cè)：將計(jì)算機(jī)處理后的矩陣數(shù)據(jù)（即特征臉數(shù)據(jù)）寫(xiě)入以本地文件形式存放的數(shù)據(jù)庫(kù)中。特征臉數(shù)據(jù)存放在OpenCV提供的結(jié)構(gòu)體CvFileStorage中。注冊(cè)時(shí)，先使用cvOpenFileStorage()函數(shù)以參數(shù)CV_
STORAGE_READ打開(kāi)人臉信息注冊(cè)文件，再通過(guò)cvWrite()函數(shù)將內(nèi)存中存放特征臉數(shù)據(jù)和相關(guān)信息的對(duì)象寫(xiě)入人臉信息文件，返回標(biāo)識(shí)信息，實(shí)現(xiàn)人臉特征信息注冊(cè)。
(2)人臉特征識(shí)別：使用自定義函數(shù)int MoseNearestFace（float * pReconFace，float * pConfidence）計(jì)算待識(shí)別的人臉向量和數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有人臉向量的相似度，返回相似度最高的已注冊(cè)人臉信息，則實(shí)現(xiàn)了人臉識(shí)別的過(guò)程。其中參數(shù)pReconFace是當(dāng)前輸入的人臉向量，參數(shù)pConfidence是相似度的數(shù)值表述。
人臉識(shí)別方法的最大缺點(diǎn)是計(jì)算量大，識(shí)別速度慢。這里選用的特征臉(Eigenface)方法采用了PCA降維方法，有效減少了計(jì)算量，提高了識(shí)別速度。
2.3 應(yīng)用程序與登錄信息關(guān)聯(lián)注冊(cè)及檢索
在注冊(cè)過(guò)程中，從列表選擇需要注冊(cè)的應(yīng)用程序，生成應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)。之后將用戶標(biāo)識(shí)、應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)及登錄信息關(guān)聯(lián)，生成關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并調(diào)用加密函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)加密，再寫(xiě)入登錄信息關(guān)聯(lián)文件。在提取登錄信息過(guò)程中，根據(jù)用戶認(rèn)證成功返回的用戶標(biāo)識(shí)以及應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)檢索登錄信息關(guān)聯(lián)文件，若查找到結(jié)果，則需要調(diào)用解密函數(shù)，得到應(yīng)用程序的登錄信息，傳遞給下一操作。主要涉及以下函數(shù)調(diào)用：
(1)生成應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)函數(shù)：createAppID(String packageName，String label)。利用Android系統(tǒng)的PackageManager類，可以獲取系統(tǒng)中已安裝的應(yīng)用程序包的信息，根據(jù)包名和標(biāo)簽，調(diào)用該函數(shù)生成應(yīng)用程序標(biāo)識(shí)，可以唯一標(biāo)識(shí)該應(yīng)用程序。
(2)加/解密函數(shù)：考慮到登錄信息的安全性，對(duì)關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)內(nèi)容采用AES算法進(jìn)行加/解密，密鑰長(zhǎng)度為128 bit，完全可滿足該文件中信息加密的安全需要[9]。
①加密函數(shù)：encrypt(byte[] key, byte[] src)：用指定的密鑰加密源數(shù)據(jù)。
②解密函數(shù)：decrypt(byte[] key, byte[] encrypted)：用密鑰解密數(shù)據(jù)。
(3)讀/寫(xiě)登錄信息關(guān)聯(lián)文件
?、賹?xiě)入函數(shù)：bool writeRelatedeData(String fileName，String userid，AppInfo app)，其中類AappInfo定義了應(yīng)用程序的相關(guān)屬性，包括：應(yīng)用程序ID（appID），登錄該應(yīng)用程序的用戶名（appUser）、 密碼1（appPwd1）及密碼2（appPwd2）。
②查找函數(shù)：AppInfo findRelatedData(String fileName, String userid, String appID)。
2.4 登錄信息提取與填充
從SDK1.5版本以后，Android系統(tǒng)開(kāi)放了IMF（Input Method Framework）框架，使得開(kāi)發(fā)人員可自行開(kāi)發(fā)輸入法；同時(shí)由于EditText控件可以自動(dòng)獲得焦點(diǎn)，則只要Activity中包含EditText控件，通過(guò)長(zhǎng)按文本框，便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)指定的應(yīng)用程序。
本文將應(yīng)用程序登錄助手看作一個(gè)輸入法程序，通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)繼承Activity的子類LoginActivity便可實(shí)現(xiàn)觸發(fā)。為了保證將檢索的應(yīng)用程序登錄信息準(zhǔn)確填寫(xiě)入EditText控件中，通常要求用戶長(zhǎng)按登錄界面的第一個(gè)EditText控件，然后根據(jù)用戶名、 密碼1及密碼2字段的值，按規(guī)則自動(dòng)填入。這樣就實(shí)現(xiàn)了登錄信息的提取與自動(dòng)填充，并觸發(fā)應(yīng)用程序登錄操作。
本文將人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在應(yīng)用程序自動(dòng)登錄中，既方便快捷，又增加了登錄信息的安全性；同時(shí)給人一種科技感，增強(qiáng)了用戶的使用樂(lè)趣。人臉識(shí)別技術(shù)必將成為未來(lái)信息技術(shù)的重要組成部分。但仍需要進(jìn)一步改進(jìn)，解決系統(tǒng)不能識(shí)別登錄助手與其他輸入法而需要手工切換等問(wèn)題。
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