مقدمه ای بر بازشناسی چهره 

مهمترین و پایه ای ترین شاخص شناسایی افراد برای انسان ها چهره افراد است و انسان با دیدن چهره می تواند افراد مختلف را شناسایی کند. این ایده از حدود 50 سال پیش پایه طراحی سیستمی گردید که این سیستم بتواند به صورت خودکار هویت افراد مختلف را شناسایی کند. از اولین تلاش ها برای طراحی سیستم های خودکار برای بازشناسی چهره انسان تا کنون، تحقیقات بسیار وسیعی انجام گرفته است . بسیاری راه حل های جدید ارائه شده است که این راه حل ها با حل چالش های موجود ، خود باعث به وجود آمدن چالش های جدیدی در این حیطه شده است .

می توان امروزه چند مسئله را برای اثبات فعال بودن جستجو در این حیطه ذکر کرد : یکی از این مسائل محدوده وسیع کاربردهای قانونی و تجاری بازشناسی تصویر است .  دلیل دیگر آن در دسترس بودن عملی این تکنولوژی بعد از 50 سال تحقیق در مورد آن است . پیشرفت سریع پردازش های چند رسانه ای و قراردادهای اینترنتی هم کمک زیادی را به پیشرفت کاربردها و ابزارهای بازشناسی چهره در سالیان اخیر کرده است . از دلایل دیگر هم می توان به وجود آمدن کنفرانس های معتبر بازشناسی چهره مانند AFGR و AVBPA و گسترش روزافزون ارزیابی های سیستماتیک از بازشناسی چهره  نام برد   برای مثال می توان از یک سیستم پایگاه داده نام برد که جستجو در مورد چهره می تواند برای آن بسیار سودمند باشد و یاا سیستم های امنیتی که قادر باشند که هویت یک انسان را شناسایی کنند .

مطمئنا انسان ها تصاویر چهره را به صورت سه بعدی می بینند و از روی تصویر مشاهده شده سه بعدی توسط چشم ، بازشناسی را انجام می دهند . اما علاوه بر تکنیک های سه بعدی که برای حل بازشناسی خودکار توسط چهره طراحی شده ، تکنیک های معتبری هم بازشناسی را روی تصاویر دو بعدی انجام می دهند . دلیل این موضوع هم این است که بازشناسی چهره از یک فیلد تحقیقاتی وارد یک فیلد عملیاتی شده است . در دنیای واقعی و کاربردهای روزمره مطمئنا دوربین های سه بعدی در دسترس عمومی نیست و تکنیک هایی هم که با استفاده از چندین دوربین دو بعدی، یک تصویر سه بعدی ایجاد کند ، بسیار حرفه ای و هزینه بر است. به این ترتیب هدف بازشناسی دو بعدی ، بازشناسی تصاویر دو بعدی گرفته شده توسط دوربین های عادی است . تقلیل یک تصویر سه بعدی به دو بعدی می تواند باعث بروز مشکلات جدیدی به طور مثال در روشنایی تصویر و یا تغییرات دید شود که در قسمت های بعدی این مشکلات و تاثیرات آنها در بازشناسی مورد بررسی قرار خواهد گرفت .

کاربردهای تجاری ، قانونی و امنیتی در زندگی امروزه احتیاج دارند از تکنولوژی بازشناسی چهره استفاده کنند . این کاربردها شامل : کنترل دسترسی ها ، طراحی واسط کامپیوتری انسانی ( HCI ) ، شناسایی تصاویر افراد ( مانند گواهینامه رانندگیی و یا روادید )، مدل سازی چهره ها ، مدیریت پایگاه های داده ای تصاویر مبتنی بر محتوا و ... می باشد .  در جدول 1-11 کاربردهایی از بازشناسی چهره لیست شده اند . با گسترش بازشناسی چهره، تعداد سیستم های بازشناسی چهره تجاری هم مانند Cognitec ، Eyematic ، Viisage و Identix رو به افزایش است. 

image1

جدول1-1- کاربردهایی از بازشناسی چهره در حیطه های مختلف

 

تکنولوژی بازشناسی چهره

مسئله بازشناسی چهره را می توان  به صورت زیر فرموله شود : عکس و یا ویدئوی گرفته شده از یک محیط موجود است، با استفاده از پایگاه داده ای که چهره اشخاص شناخته شده در آن ذخیره شده است ، هویت یک یا چند شخص موجود در صحنه یا باید تایید و یا شناسایی شود. در ضمن ممکن است از اطلاعات موازی موجود مانند: سن، جنسیت و ... برای کاهش ابعاد جستجو و بالا بردن صحت بازشناسی استفاده شود . راه حل این مسئله ابتدا  ردیابی (کشف) چهره ها  است . در واقع چهره های موجود در تصویر باید شناسایی شوند . قدم بعدی قطعه بندی  چهره هاست  که به این معنی است که ویژگی های چهره های متفاوت باید از تصویر استخراج شوند و پس از استخراج ویژگی های چهره های متفاوت، هویت چهره باید تائید و یا شناسایی شود.

 

ویژگی های سیستم های بازشناسی چهره

سیستم های بازشناسی چهره یکی از سیستم های زیست سنجی کاربر پسند هستند. از دلایل این موضوع می تواند این باشد که کاربر به طور کلی می تواند از وجود این سیستم بی اطلاع باشد ( بحث پنهان سازی اطلاعات که می گوید کاربر هر چه از جزئیات ناآگاه تر باشد ، راحت تر است )  و هیچ احتیاجی به تعامل کاربر با سیستم نیست. به طور مثال برای آنالیز شبکیه چشم ، کاربر حتما باید رو به روی دستگاه پویش کننده چشم قرار بگیرد تا این پویشگر شبکیه چشم را مورد آنالیز قرار دهد.  اما این مسئله در مورد چهره صادق نیست و در هر لحظه ای حتی بدون این که کاربر متوجه شود دوربین ها از او می توانند عکس تهیه کنند. حتی اگر کاربر ار تصویر برداری هم آگاه باشد ، مطمئنا را حت تر است که یک دوربین از او تصویر تهیه کند تا این که سر خود را درون یک دستگاه قرار دهد ! همچنین قابلیت جمع آوری نمونه برای این سیستم بسیار ساده تر از جمع آوری نمونه برای سایر سیستم هاست و کاربر با احساس امنیت بالایی در جمع آوری نمونه ها همکاری می کند.

از دیگر مزایای این زیست سنجی می توان به در دسترس بودن آن اشاره کرد. این موضوع به این معنی است که احتمال دارد که یک ویژگی زیست سنجی خاص ، در یک انسان وجود نداشته باشد . به طور مثال در مورد زیست سنجی عنبیه و یا قرنیه  چشم یک نفر می تواند نا بینا باشد و یا در مورد زیست سنجی دست یا اثر انگشت فردی معلول باشد و فاقد دست باشد. اما مطمئنا هیچ انسان بدون سری انسان نیست ! و این ویژگی زیست سنجی حتما در هر انسانی وجود دارد . حتی این سیستم زیست سنجی کنترل بیشتری را روی مسئله پنهان سازی ( چه عمدی و چه غیر عمدی )  زیست سنجی خاص دارد . به طور مثال باز هم در زیست سنجی خاصی حتی آن هایی کاربر از وجود آنها بی اطلاع است مانند شناسایی از طریق بو، کاربر می تواند به صورت عمدی یا سهوی با زدن عطر به خود بوی خود را پنهان نماید و یا در مورد عنبیه چشم که از چندین متر دورتر قابل پویش است  کاربر با زدن عینک آفتابی این موضوع را پنهان نماید اما باز هم این مسئله نمود کمتری در بازشناسی چهره دارد و عملیات بازشناسی را مختل نمی کند. ( حتی اگر شخصی به صورت کامل صورت خود را با نقاب بپوشاند که این مسئله در حالات عادی مورد قبول نیست، باز هم بازشناسی به طور کامل مختل نمی شود !  اما در یک حالت کلی ترهمان طور که در نمونه های آموزشی پایگاه های داده  دیده می شود، یک شخص می تواند در حالات مختلف به طور مثال با عینک آفتابی، با ریش، با سببیل و ... باشد که مشخصا سیستم را مختل نمی کند. )

اگر دوام این زیست سنجی در گذر زمان مورد بررسی قرار گیرد، می توان نمره متوسط به این سیستم داد. این سیستم نه به مانند اثر انگشت تا آخر عمر کاملا ثابت می ماند و نه مانند زیست سنجی نحوه راه رفتن ، مداوم می تواند عوض شود . این زیست سنجی با مرور زمان تغییراتی در آن ایجاد می شود .  اما این تغییرات آن چنان حاد نیست که مشکل بازشناسی را با خطر جدی رو به رو کند . به این علت که قالب ، سایز ، نواحی اجزاء صورت با گذشت زمان ( البته از یک سن به بعد ) تغییر بسیار اندکی دارد ولی به هر حال می توان تغییرات زیادی را با گذر زمان در پوست مشاهده کرد . به هر حال این مشکل هم می تواند با نمونه گیری های جدید در فواصل معین حل شود.

از دیگر مزایای این سیستم پتانسیل آن برای مبارزه با تقلب است. در حالت عادی و زندگی روزمره یک انسان به سادگی با تغییر آرایش چهره خود می تواند چهره خود را به صورتی تغییر دهد که برای یک انسان دیگر قابل شناسایی نباشد. اما این مسئله برای فریب ماشین بسیار سخت تر است. البته این به این معنی نیست که ماشین قطعا بتواند هر فردی را که حتی چهره خود را تغییر داده شناسایی کند ، اما درصد خطای آن بسیار پایین تر از درصد خطایی شناسایی تقلب توسط یک انسان است.

اما ار نقاط ضعف این سیستم، می توان از یکتا نبودن آن نام برد . البته مسئله عدم یکتایی زیست سنجی چهره به مسئله عدم توانایی در بازشناسی کامل و دقیق الگوی چهره افراد بر می گردد که بر خلاف الگوی اثر انگشت که کاملا قابل بازشناسی است، نمی توان آن را یکتا در نظر گرفت و این مسئله حاکی این موضوع نیست که دو نفر مختلف 100% شبیه به هم موجود باشند و به هر حال تفاوتی هر چند اندک ( مانند دوقلو ها و یا پدر و پسر ) بین آنها برقرار است . این موضوع در شکل 1-1  نشان داده شده است . همین مسئله عدم توانایی شناسایی دقیق و کامل الگوهای چهره باعث می شود که کارآیی این زیست سنجی از زیست سنجی های دیگر پایین تر باشد . اما در مجموع به علت محدودیت های شرح داده شده و داشتن بالا ترین سازگاری در بین تمامی زیست سنجی ها ، بازشناسی چهره یکی از کاربردی ترین ، محبوب ترین و آینده دارترین سیستم های زیست سنجی موجود است.

شکل 1-1 - تفاوت اندک در چهره بین یک جفت دوقلو و پدر و پسر

 

چالش های پیش روی بازشناسی چهره

در مجموع مسائل و چالش های بسیار زیادی در بازشناسی چهره وجود دارد . چالش های بازشناسی چهره باید به خوبی در شرایط سخت حل شوند . برای مثال ممکن است احتیاج به بازشناسی یک تصویر چهره که با کیفیت پایین توسط یک دوربین ارزان قیمت گرفته شده و از طریق اینترنت منتقل شده است، وجود داشته باشد و یا تصویری که در محیط های کنترل نشده به طور مثال با نور نامناسب گرفته شده است . یک سیستم بازشناسی چهره مناسب باید در مجموع قدرت پاسخ گویی به این مسائل را داشته باشد.

 

اما از مشکلات موجود در بازشناسی چهره ، دو مورد از آنها خودنمایی می کنند:

 

  • مسئله روشنایی: مسئله روشنایی در شکل 2-1  نشان داده شده است. حتی چهره های یکسان هم به علت تغییرات در نور ممکن است متفاوت به نظر برسند. حتی ممکن است شرایط نوری متفاوت ، بیشتر از تفاوت بین دو شخص در بازشناسی تاثیرگدار باشد . شکل 3-1  نشان دهنده این موضوع است . قسمت a شکل نشان دهندهه بردارهای بین تصاویر متفاوت است و قسمت b نشان دهنده بردارهای متفاوت بین یک تصویر با شرایط نوری یکسان .. همان طور که مشخص است تصویری یکسان با نورهای متفاوت می تواند تغییراتی به مراتب بیشتر از تصاویر متفاوتت داشته باشد . برای حل مسئله روشنایی ، راه حل های زیر پیشنهاد می شود :
    • دیدگاه های اکتشافی
    • دیدگاه های مقایسه تصاویر
    • دیدگاه های مبتنی بر کلاس
    • دیدگاه های مبتنی بر مدل

 

شکل2-1 - نمونه ای از مسئله روشنائی

شکل 3-1 - تغییرات بردارها به علت a) تغییر در تصاویر b) تغییرات در روشنایی های متفاوت یک تصویر

    • مسئله زوایای متفاوت  تصویر : این مسئله در شکل 4-1  نشان داده شده است که در آن چهره های یکسان ، در زوایای متفاوت ظاهر شده است . هنگامی که تصاویر موجود برای بازشناسی دارای زوایای متفاوت باشند، بازشناسی با مشکلاتی جدی رو به روست. حتی ممکن است تلفیقی از مشکلات ذکر شده هم وجود داشته باشد . برای حل این مسئله راه های زیر پیشنهاد می گردد :

     

      • دیدگاه های مبتنی بر تصاویر چندگانه
      • دیدگاه های ترکیبی

شکل 1-4 -  نمونه ای از مسئله زوایای مختلف تصویر

 

یکی از روش های موجود هم برای بالابردن کارآیی بازشناسی چهره ، استفاده از اطلاعات اضافی و یا استفاده ترکیبی بازشناسی چهره با  زیست سنجی های مختلف است. استفاده از اطلاعات کمکی: مانند سن شخص، رنگ پوست شخص، ویژگی ظاهری خاصی از چهره و ...  ،  می تواند در کاهش فضای جستجو بسیار کارآمد باشد و باعث بالا رفتن صحت بازشناسی شود . اما به عنوان راهی دیگر می توان از زیست سنجی های دیگر به همراه زیست سنجی چهره استفاده کرد و تلفیقی مناسب از آنها را برای بالا بردن صحت بازشناسی به کار برد. البته چالش جدید این راه حل این است که بازشناسی چهره را باید با چه زیست سنجی های دیگری تلفیق کرد تا به مناسب ترین نتایج بازشناسی به دست آید !


الگوریتم های بازشناسی چهره

الگوریتم های بازشناسی چهره مختلفی به همراه اصلاحات مختلف روی آنها در چند دهه اخیر گسترش یافته اند. به طور کلی الگوریتم های بازشناسی چهره به دو دسته مبتنی بر ظاهر  و مبتنی بر مدل تقسیم می شوند .خود دسته مبتنی بر ظاهر هم به دو دسته خطی و غیر خطی  تقسیم می شود و دسته مبتنی بر مدل به دو دسته دوبعدی و سه بعدی  تقسیم می شود که الگوریتم های بازشناسی چهره در یکی از این زیر دسته ها قرار می گیرند . این موضوع در شکل شماره 5-1  نشان داده شده است .

شکل 1- 5-  مدل های بازشناسی چهره

 

در مقالات بعدی به بررسی الگوریتم های بازشناسی چهره می پردازیم.

تهیه کننده : ایده و پردازش میـدیــا

منابع

 

1- Proceedings of the International Conferences on Automatic Face and Gesture Recognition 

2- Proceedings of the International Conferences on Audio and Video based Person Authentication 

3- W. Zhao, R. Chellappa, A. Rosenfeld, and P.J. Phillips, “Face recognition: A literature survey,” CVL Technical Report, University of Maryland, 2000 

4-Zhao, Wen Yi, Chellappa, Rama, Image-based Face Recognition: Issues and Methods, Sarnoff Corporation and University of Maryland, 2004 

5-L. Hong, A. K. Jain, "Integrating faces and fingerprints for personal identification," IEEE Trans. Pattern Analysis Machine Intell., Vol. 20, pp. 1295-1307, December 1998

6- Phillips, P.J.; Moon, H.; Rizvi, S.A. & Rauss P.J. (2000). The FERET Evaluation Methodology for Face-Recognition Algorithms, IEEE Transactions on Pattern Recognition and Machine Intelligence, Vol. 22, No. 10, October 2000, pp. 1090-1104 

7- P. J. Phillips, P. J. Rauss, and S. Z. Der, " FERET (Face Recognition Technology) Recognition Algorithm Development and Test Results " . October 1996. Army Research Lab technical report 995 

8- D.M. Blackburn, M. Bone, P.J. Phillips, Face Recognition Vendor Test 2000, Evaluation Report, 16 February 2001 

9- Anil K. Jain , Stan Z. Li, Handbook of Face Recognition, Springer-Verlag New York, Inc., Secaucus, NJ, 2005 

...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

انتقادات و پیشنهادات

ميديا در خدمت شماست.

خوشحاليم و به خود مي باليم از اينكه ما را مخاطب قرار داده ايد. 

و تشكر و قدر داني مي نماييم از عزيزاني كه كاستي ها و اشكالات ما را گوشزد كرده و ما را مخاطب لطف خود قرار مي دهند.

همواره در  انتظار انتقادات و پيشنهادات شما عزيزان هستيم.

اطلاعات تماس

آدرس : کرج، رجایی شهر، خیابان سیزدهم غربی، نبش خیابان دکتر حسابی، پلاک 39،طبقه اول
تلفن :   34203466 - 026   ,  34412887 - 026