人工智能知识全面讲解： 人脸识别技术

早在40年前，图像识别领域就有很多关于人脸识别的研究。但是在当时，
传统算法在普通图像识别中已经很难取得良好的识别效果，更何况还要从人脸
中提取更加细微的特征。在很长一段时间里，人脸识别主要存在过拟合与欠拟
合两个问题。
一方面是因为不同的人脸之间的差别只有五官上细微的差异，这要比区分
飞机、桌子的照片更难。因为后者的特征差异明显，比较容易判断，而模型容
易将长得很像的两个人误判为同一个人；另一方面是同一个人在不同时间拍摄
的两张照片可能由于光照、角度、年纪、表情、化妆等不同的原因，导致同一
个人的脸在计算机看来有很大的差异。因为过拟合与欠拟合这两个问题的限
制，人脸识别技术一直发展得非常缓慢。
直到深度神经网络出现以后，人脸识别技术才有了真正的可用性。自从
2014年来自香港中文大学的团队开发的模型，使得计算机在人脸识别任务上的
表现第一次超越人类，人脸识别开始从电影银幕进入人们的日常生活。现在我
们开通金融账户，不必再跑到营业点，直接就能通过手机刷脸验证；在火车
站、出入境等地方使用人脸识别技术搜索犯罪嫌疑人，成了案件侦破的利器。
11.3.1 人脸检测
人脸识别是一个从一幅数字图像或一帧动态视频中，“找到人脸”和“认
出人脸”的过程。这两个环节也称为“人脸检测”与“人脸识别”。之所以设
置人脸检测，不仅是为了检测出照片上人脸的位置，更重要的是去掉照片中与
人脸无关的噪声信息，加快识别速度。否则将整张照片的所有像素点都输入模
型中会影响模型的判断，也会增加计算复杂度。
目前主流的人脸检测是用方向梯度直方图，这个方法主要是将图像灰度化
后，分析某片像素区域，根据明暗度生成一个箭头，箭头的指向代表了像素逐
渐变暗的方向。如果我们重复操作每一个区域，最终图像会被很多箭头取代。
这些箭头称为梯度（gradients），它们能显示出图像从明亮到黑暗流动的过
程，这样做可以将人脸的结构用梯度大致表示出来，如图11-18所示。最后再
与已知的人脸梯度库对比，即可找出新图像的人脸位置。

对于人脸检测的这个环节不一定要使用深度学习技术，因为这个环节的要
求相对低一些，只需要识别照片中有没有人脸以及人脸在照片中的大致位置即
可。
11.3.2 人脸识别
找到人脸以后，接?来我们要区分不同的人脸。人脸识别是一个图像分类
任务，整个识别过程通常包含以?几个步骤：人脸检测、特征提取、人脸对比
分析与分类。人脸检测是对包含用户脸部的图像进行提取，找到人脸的五官、
角度等信息，完成让计算机“看得见”的任务。特征提取则是让计算机“看得
懂”，对于计算机来说朝向不同的人脸是不同的东西，为此我们得适当地调整
扭曲图像中的人脸，使得眼睛和嘴总是与被检测者重叠。
有一种方法叫面部特征点估计法，可以帮助我们解决上面的问题。该算法
的基本思路是找到人脸普遍存在的68个点，这些点被称为特征点，如图11-19
所示。

有了这68个特征点，计算机就能够知道一张照片中眼睛、鼻子和嘴巴的位
置在哪里。因为每张照片的拍摄角度多少有些不同，因此我们需要再做一些人
脸位置的对齐、角度的调整工作，经过这道工序以后这才意味着完成了让计算
机“看得见”的任务。找准了脸的位置后，就进入了人脸识别技术的核心环
节，让计算机能够“看得懂”，看懂特征，区分不同的人脸。这个环节的核心
在于通过眼睛、眉毛、鼻子、嘴巴、脸颊轮廓特征关键点和面部表情网，找
出彼此之间的关联，最终判定这些图像是否为同一个人 。
因此接?来我们需要使用深度卷积神经网络模型来提取细微的脸部特征，
主要步骤是用卷积神经网络计算图像的特征，利用特征计算相似函数，最后为
人脸生成128个测量值。
为了让模型不会产生过拟合或者欠拟合的现象，同时能够获得比较好的识
别效果，我们采用一种定?三元函数的方法。这种方法需要我们在每次训练时
输入三张不同的脸部图像，即同一个人不同角度的两张照片以及另外一个人的
一张照片，三张照片分别代表目标、正例和反例。如果目标与正例是同一个
人，那么它们的测量值不会相差太多；如果目标与反例不是同一个人，那么它
们的测量值会相差比较多。神经网络不断调整参数，以确保第一张和第二张生
成的测量值接近，让第二张和第三张生成的测量值略有不同。经过百万次的训
练，模型可以用一种较为准确的方式为不同的人脸照片编码。
最后，若要判断一个人的图像在不在数据库里，只需要用这个人的人脸图
像与数据库里的图像比对即可。比对时，我们计算两张图片之间的编码距离，
然后与设定的阈值相比较。如果计算的结果高于阈值我们就认为相似度较高，
即两张照片为同一个人。通过这样的方式完成同一个人的匹配，也代表计算机
能够识别出这个人的身份。
实际上关于人脸识别技术，目前已经有许多成熟的算法都能够达到我们的
要求。尽管每个算法的步骤和计算方式不太一样，但核心都是人脸检测与人脸
识别，首先要让计算机能够找到脸，确定脸的位置，接?来才能够分析脸，识
别出不同的脸。
除了识别身份以外，人脸识别技术还有很多不同的应用。比如活体检测，
在很多风控场景?需要确认摄像头前是一个真实的用户还是一张虚假的照片；
比如人数计算，在出入境等关口可以通过摄像头实时计算过关人数。对于不同
的场景，产品经理关注的指标不同，因此指标的含?也是我们重点关注的事
情。
11.3.3 人脸识别的效果评价方法
在人脸识别领域，常用的评价指标为FAR与FRR。在前文中我们曾提到，在
进行人脸识别，判断测试照片与人脸数据库中某张照片是不是同一个人时，一
般会计算两张照片编码后的相似度或距离。在比较的过程中，我们会设定一个
相似度阈值。如果两张照片的相似度高于阈值则认为这两张照片是同一个人，
如果低于阈值就认为这两张照片不是同一个人。但是无论如何调整阈值的大
小，总是会有一定的错误率，这个错误率称为误识率，用FAR表示。关于FAR，
简单理解就是我们比较不同人的照片时，把两张不同的照片当成同一个人的照
片的概率。所以我们希望模型的 FAR越小越好。
参考以上对 FAR的解释，我们知道，当对同一个人的两张照片进行比较时
可能会出现相似度小于阈值的情况，这个错误率我们称之为错误拒绝率，用
FRR表示。简单理解FRR就是我们比较同一个人两张不同的照片时，错误识别为
两个人的概率。所以我们希望模型的FRR越小越好。
需要将FAR与FRR两个指标结合起来看才能够看出一个模型的效果。试想一
种极端的情况，如果我们把模型的相似度阈值设为1，即使是两张相同的照
片，模型也会判定为两个不同的人，因此模型的误识率为0%。如果单看这一个
指标会误以为模型的效果很好。但如果我们再看误拒率，会发现高达100%，那
么这样的模型对我们来说没有任何意?。
人脸识别技术如今已经融入我们生活的方方面面，我们可以真实地感知到
生活的变化。在购物支付时，不再需要一遍一遍输入密码，只需要刷脸就能迅
速完成支付；在进行出入境安检时，也不再需要人工审核我们的身份，通过人
脸识别已经能够高效、准确地判断；甚至我们上班打卡、计算机开机都能够用
人脸识别，每一个场景的原有流程都大大简化了。除了以上场景外，还有很多
应用场景待产品经理去一一探索，相信借助人脸识别这一有力的?器，未来能
够涌现出越来越多更智能、方便的产品。因此产品经理只有掌握了图像识别、
人脸识别的原理，才能够发现真正有价值的场景，设计出可行的方案。