《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于上下文特征與單類支持向量機的人臉活體檢測
2020年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
閆 龍，胡曉鵬
西南交通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川 成都611756
摘要： 非法入侵者通過偽裝人臉欺騙識別系統(tǒng)， 給人臉識別應(yīng)用帶來嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)有人臉活體檢測方法多為在同一數(shù)據(jù)集內(nèi)進行訓(xùn)練和測試，當(dāng)應(yīng)用在跨數(shù)據(jù)集場景中時效果并不理想。針對這一問題，提出了利用HOG等算法對上下文環(huán)境中的線索信息進行提取，提取出來的特征送入單類支持向量機進行訓(xùn)練、分類。將分類結(jié)果與上下文環(huán)境中異常線索的探測結(jié)果相結(jié)合。算法在公開的數(shù)據(jù)集NUAA和CASIA-FASD上進行了驗證，實驗結(jié)果表明在跨數(shù)據(jù)集檢測時該算法的泛化能力及檢測準(zhǔn)確率較已存在算法有所提高。
中圖分類號： TN919.8
文獻標(biāo)識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.191346
中文引用格式： 閆龍，胡曉鵬. 基于上下文特征與單類支持向量機的人臉活體檢測[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2020，46(6)：32-35.
英文引用格式： Yan Long，Hu Xiaopeng. Face anti-spoofing based on context and OCSVM[J]. Application of Electronic Technique，2020，46(6)：32-35.
Face anti-spoofing based on context and OCSVM
Yan Long，Hu Xiaopeng
School of Information Science & Technology，Southwest Jiaotong University，Chengdu 611756，China
Abstract： Spoofing face can be used to deceive face authentication system for illegal purposes, and thus it poses a serious threat to the face recognition system. Most of the existing methods are training and testing in the same dataset, and the effect is not ideal when they are used in cross dataset scenario. In order to solve this problem, this paper proposes to use histogram of oriented gradients(HOG) to extract the cue information in the context and then send the extracted features to the one-class support vector machine(OCSVM) for training and classification. The classification results are combined with the abnormal cues detected in the context. And the algorithm is verified on the public database NUAA and CASIA-FASD. The experimental results show that the generalization ability and detection accuracy of the proposed algorithm has improved over the existing method when used in cross dataset scenario.
Key words : face anti-spoofing；context；OCSVM；cross dataset

0 引言

    隨著生物特征識別技術(shù)的日臻完善，人臉識別(Facial Recognition)、指紋識別(Fingerprint Recognition)等生物特征識別將在身份驗證中扮演著重要角色，作為主流技術(shù)的人臉識別，有著認(rèn)證自然、可視化等優(yōu)點。人臉識別已經(jīng)在最近幾年取得了飛速的發(fā)展，并且已經(jīng)逐漸應(yīng)用到各行各業(yè)中。但也伴隨產(chǎn)生了一些問題：一些不法分子利用一些技術(shù)仿冒人臉去欺騙識別系統(tǒng)，給合法用戶帶來了經(jīng)濟財產(chǎn)損失，造成社會紛擾。為了更安全地進行身份認(rèn)證和檢測身份來源的真實性，活體檢測技術(shù)必不可少。對認(rèn)證系統(tǒng)進行欺騙的對象一般都是剛性的、僵硬的物體(例如：打印的照片、手機或平板電腦屏幕顯示的照片等)，因此通過人臉活體檢測技術(shù)(Face Anti-Spoofing)來預(yù)防欺騙是常常采取的措施。人臉識別系統(tǒng)主要容易受到以下手段的欺騙：(1)用照片或高清打印圖像假冒真人；(2)用在公開場合錄制的視頻或網(wǎng)上公開的視頻片段來冒充真人;(3)用蠟或塑料等材質(zhì)構(gòu)造的3D模型來假冒真人。其中，照片欺騙是最常見的欺騙方法。

    從2004年開始，國內(nèi)外的學(xué)者對人臉活體檢測技術(shù)進行了大量的研究。這些研究主要分為4類方法。(1)添加輔助設(shè)備的方法：使用紅外攝像頭、熱成像攝像頭等輔助設(shè)備檢測活體特征[1]。(2)基于運動信息的方法：PAN G等人[2]使用條件隨機場人眼模型對眨眼動作建模，獲取了較高的眨眼檢測率，并通過檢測是否有眨眼動作來進行活體檢測。(3)基于手工提取特征的方法：LI J[3]等人利用二維傅里葉頻譜分析方法進行活體檢測，但其對扭曲照片的檢測準(zhǔn)確率不太理想；M?魧?魧TT?魧 J[4]、TIAGO D F P[5]等人分別提出了使用局部二值模式(Local Binary Patterns，LBP)特征以及結(jié)合了時間和空間信息的LBP-TOP(Local Binary Pattern histograms from Three Orthogonal Planes)特征進行活體檢測；2015年KIM W等人[6]首次提出基于LSP(Local Speed Patterns)特征的檢測方法，并取得了較好的檢測結(jié)果。(4)基于深度學(xué)習(xí)的方法：Yang Jianwei[7]等人首次使用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Networks，CNN)的方法；李冰等人[8]提出將人臉的灰度圖和局部定向模式分別作為兩個不同結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)的輸入，然后采用主成分分析對每個網(wǎng)絡(luò)的全連接層的輸出分別降維后級聯(lián)，最后將級聯(lián)的特征向量送入極限學(xué)習(xí)機(Extreme Learning Machine，ELM)進行活體檢測；文獻[9]通過將真實人臉和照片進行數(shù)據(jù)去中心化、ZCA白化去噪聲、隨機旋轉(zhuǎn)等處理，并使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對照片的面部特征進行提取，提取出來的特征送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、分類，從而得到檢測結(jié)果。

    雖然上述研究方法已取得了一些成果，但仍然存在一些問題。例如，在某些現(xiàn)實應(yīng)用場景中不具備采集動態(tài)影像進行活體檢測的條件，而添加輔助設(shè)備也增加了應(yīng)用的成本。另外，手工提取特征的方法具有主觀性、不全面等缺陷，導(dǎo)致預(yù)測結(jié)果不理想，而基于深度學(xué)習(xí)的方法所獲得的訓(xùn)練模型在跨數(shù)據(jù)集(即模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)集與測試數(shù)據(jù)集不同)檢測時表現(xiàn)不佳。

    本文提出基于上下文特征與單類支持向量機(One Class Support Vector Machine，OCSVM)的人臉活體檢測方法。首先通過方向梯度直方圖(Histogram of Oriented Gradients，HOG)對欺騙行為中普遍存在的上下文特征(例如，非法入侵者為了通過手機呈現(xiàn)待識別對象的人臉照片而引入的規(guī)則矩形邊框)進行提取，然后使用OCSVM對特征向量進行訓(xùn)練分類，接下來利用TensorFlow目標(biāo)檢測API(應(yīng)用程序接口)對圖片中的特定欺騙特征(例如，握住手機等欺騙媒介的人手)進行檢測，最后根據(jù)OCSVM的分類結(jié)果以及TensorFlow的目標(biāo)檢測結(jié)果進行真假判定。




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作者信息:

閆  龍，胡曉鵬

(西南交通大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，四川 成都611756) 

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