بخشی از مقاله
چکیده
تشخیص هویت انسان بر اساس چهره یکی از مسایل مهمی است که از سالیان گذشته ذهن بشر را به خود مشغول کرده است. انسانها بطور معمول و بیش از هر روش دیگری از تشخیص چهره برای شناخت و شناسایی همدیگر استفاده میکنند. بسیاری از کارهای قبلی در زمینه تشخیص چهره انسان و شناسایی هویت او، این کار را در حالت محدود و با مشارکت فرد انجام دادهاند و به پیشرفتهای قابل توجهی در این زمینه دست یافتهاند . اما شناسایی چهره در حالت نامحدود و بدون مشارکت فرد بسیار مشکل بوده و هنوز هم بعنوان یک چالش اساسی در زمینه پردازش تصویر و بینایی ماشین باقی مانده است. پیشرفت در این زمینه باعث کاهش تخلفات، افزایش امنیت، تسریع در امور روزمره و... میشود. لذا با توجه به اهمیت دقت در فرآیند شناسایی هویت از طریق چهره، در این مقاله از هر نوع اطلاعات درباره چهره - عکس، ویدئو، مدل سهبعدی و طرح چهره - برای شناسایی چهره استفاده کردهایم و از ویژگیهای ظاهری مانند جنسیت، نژاد و سن بهره بردهایم که به دقت % 85/57 در زمینه شناسایی چهره در حالت نامحدود دست یافتهایم و حجم محاسبات را به صورت قابل توجهی کاهش دادهایم.
کلمات کلیدی: بیومتریک، تشخیص چهره، استخراج ویژگی از چهره، شناسایی چهره نامحدود
-1 مقدمه
چهره نقش اساسی را در شناسایی افراد و نمایش احساسات آنها در سطح جامعه دارد. توانایی انسان در تشخیص چهرهها قابل توجه است. انسان میتواند هزاران چهره یاد داده شده در طول عمرش را تشخیص دهد و در یک نگاه چهره-های آشنا را حتی پس از سالها جدایی شناسایی کند. این مهارت در مقابل تغییرات در شرایط دیداری مانند حالت چهره، سن و همچنین تغییرات در عینک، ریش و یا مدل موها ایستادگی میکند.امروزه با پیشرفت روز افزون فناوری اطلاعات و گسترش آن در بین مردم، نیاز به روشی برای تشخیص هویت افراد توسط یک ماشین به جای انسان و با استفاده از ویژگیهای بیومتریک به امری حیاتی تبدیل شده است. اساس این روشها یکتا بودن بعضی از ویژگیهای انسان مثل چهره، اثر انگشت، عنبیه و بسیاری از صفات دیگر است. اما فراگیر بودن استفاده از چهره برای تشخیص هویت به این علت است که نسبت به روشهای دیگر، دادههای مورد نیاز به مراتب راحتتر بدست میآید و عموم روشهای تشخیص چهره از دقت نسبتاً مناسبی برخوردار هستند.
شناسایی با کمک تصاویر چهره به دلیل نیاز به همکاری کمی که از طرف دیگران داشته و ماهیت غیر دخالت کننده-ای دارد مورد توجه قرار گرفته است. از طرفی انعطاف پذیری چهره و ساختار پیچیده سه بعدی آن باعث میشود تا تصویر چهره توسط عوامل مختلفی از قبیل شدت روشنایی، زاویه سر، حالت چهره - خنده، ترس و تعجب - ، پوشیدگی و حتی حالت و مدل مو تغییر پیدا کند و در نتیجه طراحی یک سیستم شناسایی چهره را با مشکل مواجه کند.شناسایی چهره در دو حالت محدود شده و نامحدود انجام میگیرد. در حالت محدود که با مشارکت فرد انجام می-گیرد زاویه دوربین، نور، پس زمینه و... در بهترین شرایط هستند. شناسایی چهره در این حالت به موفقیتی در حدود 99 درصد دست یافته است.[1]
شناسایی چهره از روی عکس پرسنلی، نمونهای از شناسایی چهره در حالت محدود میباشد. در حالت نامحدود که هنوز هم به عنوان یک چالش اساسی در زمینه شناسایی چهره باقی مانده است فرد در فرآیند شناسایی چهره دخالت ندارد. از مشکلات این روش میتوان به شرایط ثبت تصویر مانند وضعیت چهره نسبت به دوربین، نورپردازی، پس زمینه تصویر، حالتهای چهره، تعداد پیکسلها در ناحیه چهره و پوششهایی نظیر کلاه یا عینک و موی صورت و... اشاره کرد.بسیاری از الگوریتمهای شناسایی چهره، یک نوع ورودی را دریافت میکنند و در خروجی فقط یک مورد را برمی-گردانند. بدیهی است که این روش در بسیاری از موارد ممکن است دقت پایینی داشته باشد.
راهبرد ارائه شده در این مقاله بدین صورت است که ابتدا جنسیت، نژاد و سن نمونه ورودی بدست میآید در مرحله بعد به منظور افزایش دقت فرآیند شناسایی چهره، هر نوع اطلاعات از نمونه ورودی - عکس، ویدئو، مدل سه بعدی و طرح چهره - فقط با مواردی مقایسه می-شوند که جنسیت، نژاد و رده سنی یکسانی داشته باشند. سپس بجای ارائه یک مورد در خروجی، یک لیست رتبه بندی شده از مواردی که بیشترین شباهت را به نمونه ورودی دارند برگردانده میشود.بسیاری از کارهای انجام شده در زمینه تشخیص چهره و شناسایی هویت از طریق چهره، مربوط به حالت محدود میباشند و توجه کمتری به حالت نامحدود شده است که همین امر باعث گردیده حالت نامحدود که بسیار هم پرکاربرد میباشد بعنوان یک چالش اساسی باقی بماند.
در کارهای اندکی که در این خصوص بعمل آمده، صفات ظاهری افراد را در فرآیند شناسایی چهره دخالت ندادهاند یا بصورت جزئی فقط از ویژگیهای جنسیت و نژاد استفاده کردهاند. ما در این مقاله، شناسایی چهره را در دشوارترین حالت، یعنی حالت نامحدود انجام دادهایم و علاوه بر ویژگیهای جنسیت و نژاد، برای اولین بار ویژگی سن افراد را نیز در فرآیند شناسایی چهره دخالت دادهایم و به نتایج بهتری در این زمینه دست یافتهایم.این مقاله متشکل از پنج بخش می باشد که در بخش2 مفاهیم اولیه و پیشینه تحقیق مورد بررسی قرار میگیرند. روش تحقیق و سیستم پیشنهادی در بخش3 معرفی و با جزئیات کامل تشریح شده است. نتایج حاصل از افزایش دقت شناسایی چهره در حالت نامحدود، در بخش4 ارائه و ارزیابی شدهاند. نتیجهگیری و پیشنهادهای آینده در بخش5 بیان شده است.
-2 مفاهیم اولیه و پیشینه تحقیق
1-2 بیومتریک
واژه بیومتریک برگرفته از دو کلمهی »بیو« به معنی زندگی و »متریک« به معنی اندازهگیری است و به تکنولوژی اندازهگیری و آنالیز مشخصات بدن افراد جهت تشخیص هویت شخص اشاره دارد. در یک تعریف عامتر، بیومتریک را علم وفناوری اندازهگیری و تحلیل آماری دادههای بیولوژیکی معرفی کردهاند . سیستمهای بیومتریک دادههایی از کاربر را ذخیره و در صورت نیاز برای تعیین هویت و تصدیق اصالت فرد این دادهها را مقایسه میکنند. امروزه کاربرد روشهای بیومتریک در تشخیص هویت یا تایید هویت افراد در امور مربوط به امنیت اماکنی مانند دانشگاهها، فرودگاهها، وزارتخانهها و حتی شبکههای کامپیوتری بسیار متداول شده است. امروزه بیومتریک، به روش اصلی شناسایی و تایید هویت افراد تبدیل شده است.[2]فناوری بیومتریک جزء یکی از اصلیترین فناوریهایی است که با همه گیرشدن میتواند جهان را به سوی جهانی مطلوب و امن سوق دهد. این فناوری باعث افزایش ضریب امنیت، سرعت و سهولت، کاهش هزینهها، اطمینان خاطر در تجارت الکترونیک، افزایش اعتماد و هزاران اتفاق خوب دیگر میشود. اگر دنیای فناوری بتواند به وعدههای خود در زمینه بیومتریک عمل کند، دنیای آینده بسیار متفاوت خواهد بود.[3]
2-2 تشخیص چهره
در شناسایی هویت از طرق چهره، هندسه مربوط به صورت یا به عبارتی فاصله بین اجزا - بینی و دهان و... - و یا در مواردی وضعیت بافت پوست صورت بررسی میشود. نمونههایی از این روش با استفاده از دوربین ثابت یا ویدیو نیز جمع آوردی شده و از طریق الگوریتمهای تحلیل ویژگیهای محلی، شبکههای عصبی و تحلیل بافت سطحی پردازش میشوند. همانند شکل - 1 - در هر چهره مشخصات و فاصله چانه، دهان، بینی، چشم، پیشانی و... منحصر به فرد هستند. اما برای تشخیص هویت از روی چهره برخی عوامل مانند ریش، عینک و زاویه تابش نور، کار را دشوار میکنند. از همین رو سیستم باید این اطلاعات قابل تغییر را حذف کرده و روی ویژگیهای ثابت هر چهره متمرکز شود و نیز، باید هنگام پردازش به حالت چهره - شاد، غمگین و... - نیز توجه داشت .[4]گام نخست در هر سیستم شناسایی چهره، کشف صورت در یک تصویر است. تشخیص یا کشف چهره یک فناوری رایانهای است که هدف آن تعیین موقعیت و اندازه چهرههای انسانی در تصاویر میباشد. این فناوری صورت انسان را تشخیص میدهد و هر چیز دیگری مانند درختان، ساختمان و... را نادیده میگیرد. این تکنیک نقش مهمی در بسیاری از
