卷积神经网络人脸识别

『壹』 基于深度卷积神经网络进行人脸识别的原理是什么

对工程研究，原理（How）往往来自于别的领域，CNN的图像识别是启发自视觉神经（一种被研究的最透彻的神经结构）研究的发现，人民发现人的视觉就是这么工作的，然后试着用它在机器上实现，当有足够快的电脑和多的数据时，人们兴奋的发现可以做高质量的图像识别。
原理的解释通常要晚一些。但是抽象的解释并不难：把信息一层层的抽象，最底下是像素，中间是各种特征，越往上越抽象（边，圆，胡子，高鼻梁...)。
研究科学不光是看论文：你拿一副照片贴着眼睛看，慢慢拿远大概可以帮助理解。

『贰』 人脸识别是如何判断性别和年龄的

人脸识别算法如何判断性别和年龄？

人脸识别的原理在于识别和记忆人脸特征值，而非肉眼可见的特征。卷积神经网络（CNN）对海量人脸图片学习，提取难以理解的面部特征，从而超越人类识别能力。

判断性别和年龄原理相似，基于卷积神经网络对海量人脸图片学习，抽象出面部特征作为判断依据。性别分类是大规模二次模式分类问题，主要方法有特征脸算法、基于Fisher准则方法和Adaboost+SVM算法。年龄估计则更复杂，涉及皮肤纹理、颜色、光亮程度和皱纹纹理等特征，与遗传、生活习惯等多方面相关。

年龄评估分为预估和详细评估。预估阶段提取人脸肌肤纹理特征，大致评估年龄范围。详细评估阶段，通过支持向量机建立不同年龄段模型分类器，匹配适合的模型，如融合局部二值模式（LBP）和HOG特征的人脸年龄估计算法。

『叁』 作用在风控系统的人脸识别技术有哪些

人脸识别技术在风控系统中发挥着重要作用，可用于身份验证、风险评估等多个方面。

首先，基于特征点的人脸识别技术是常用的一种。它通过精确提取面部的关键特征点，如眼睛、鼻子、嘴巴等的位置和形状信息。利用这些特征点之间的几何关系来构建面部特征模型。在风控场景中，当进行身份验证时，系统会快速捕捉当前面部图像，提取特征点并与预先注册的模板进行比对。如果特征点的匹配度达到一定阈值，则验证通过，否则视为存在风险。

其次，基于深度学习的卷积神经网络（CNN）人脸识别技术也广泛应用。CNN能够自动学习面部的深层特征表示。它通过大量的面部图像数据进行训练，不断优化模型参数。在风控系统中，CNN可以更准确地识别不同人的面部特征，即使在不同光照、角度等条件下也能有较好的识别效果。能够有效识别出潜在的冒用身份等风险行为，为风控提供了强大的技术支持。

再者，活体检测技术也是人脸识别在风控系统中的重要应用。它可以防止照片、视频等非真实活体的攻击。通过分析面部的动态特征，如眨眼、张嘴、点头等微动作，判断是否为真实的人在操作。如果检测到是静态图像或视频播放等非活体行为，风控系统会及时发出警报，保障系统的安全性。

『肆』 一文看懂卷积神经网络-CNN（基本原理+独特价值+实际应用）

在 CNN 出现之前，图像对于人工智能来说是一个难题，有2个原因：

图像需要处理的数据量太大，导致成本很高，效率很低

图像在数字化的过程中很难保留原有的特征，导致图像处理的准确率不高

下面就详细说明一下这2个问题：

图像是由像素构成的，每个像素又是由颜色构成的。

现在随随便便一张图片都是 1000×1000 像素以上的， 每个像素都有RGB 3个参数来表示颜色信息。

假如我们处理一张 1000×1000 像素的图片，我们就需要处理3百万个参数！

1000×1000×3=3,000,000

这么大量的数据处理起来是非常消耗资源的，而且这只是一张不算太大的图片！

卷积神经网络 – CNN 解决的第一个问题就是「将复杂问题简化」，把大量参数降维成少量参数，再做处理。

更重要的是：我们在大部分场景下，降维并不会影响结果。比如1000像素的图片缩小成200像素，并不影响肉眼认出来图片中是一只猫还是一只狗，机器也是如此。

图片数字化的传统方式我们简化一下，就类似下图的过程：

假如有圆形是1，没有圆形是0，那么圆形的位置不同就会产生完全不同的数据表达。但是从视觉的角度来看， 图像的内容（本质）并没有发生变化，只是位置发生了变化 。

所以当我们移动图像中的物体，用传统的方式的得出来的参数会差异很大！这是不符合图像处理的要求的。

而 CNN 解决了这个问题，他用类似视觉的方式保留了图像的特征，当图像做翻转，旋转或者变换位置时，它也能有效的识别出来是类似的图像。

那么卷积神经网络是如何实现的呢？在我们了解 CNN 原理之前，先来看看人类的视觉原理是什么？

深度学习的许多研究成果，离不开对大脑认知原理的研究，尤其是视觉原理的研究。

1981 年的诺贝尔医学奖，颁发给了 David Hubel（出生于加拿大的美国神经生物学家） 和TorstenWiesel，以及 Roger Sperry。前两位的主要贡献，是“ 发现了视觉系统的信息处理 ”，可视皮层是分级的。

人类的视觉原理如下：从原始信号摄入开始（瞳孔摄入像素 Pixels），接着做初步处理（大脑皮层某些细胞发现边缘和方向），然后抽象（大脑判定，眼前的物体的形状，是圆形的），然后进一步抽象（大脑进一步判定该物体是只气球）。下面是人脑进行人脸识别的一个示例：

对于不同的物体，人类视觉也是通过这样逐层分级，来进行认知的：

我们可以看到，在最底层特征基本上是类似的，就是各种边缘，越往上，越能提取出此类物体的一些特征（轮子、眼睛、躯干等），到最上层，不同的高级特征最终组合成相应的图像，从而能够让人类准确的区分不同的物体。

那么我们可以很自然的想到：可以不可以模仿人类大脑的这个特点，构造多层的神经网络，较低层的识别初级的图像特征，若干底层特征组成更上一层特征，最终通过多个层级的组合，最终在顶层做出分类呢？

答案是肯定的，这也是许多深度学习算法（包括CNN）的灵感来源。

典型的 CNN 由3个部分构成：

卷积层

池化层

全连接层

如果简单来描述的话：

卷积层负责提取图像中的局部特征；池化层用来大幅降低参数量级(降维)；全连接层类似传统神经网络的部分，用来输出想要的结果。

下面的原理解释为了通俗易懂，忽略了很多技术细节，如果大家对详细的原理感兴趣，可以看这个视频《 卷积神经网络基础 》。

卷积层的运算过程如下图，用一个卷积核扫完整张图片：

这个过程我们可以理解为我们使用一个过滤器（卷积核）来过滤图像的各个小区域，从而得到这些小区域的特征值。

在具体应用中，往往有多个卷积核，可以认为，每个卷积核代表了一种图像模式，如果某个图像块与此卷积核卷积出的值大，则认为此图像块十分接近于此卷积核。如果我们设计了6个卷积核，可以理解：我们认为这个图像上有6种底层纹理模式，也就是我们用6中基础模式就能描绘出一副图像。以下就是25种不同的卷积核的示例：

总结：卷积层的通过卷积核的过滤提取出图片中局部的特征，跟上面提到的人类视觉的特征提取类似。

池化层简单说就是下采样，他可以大大降低数据的维度。其过程如下：

上图中，我们可以看到，原始图片是20×20的，我们对其进行下采样，采样窗口为10×10，最终将其下采样成为一个2×2大小的特征图。

之所以这么做的原因，是因为即使做完了卷积，图像仍然很大（因为卷积核比较小），所以为了降低数据维度，就进行下采样。

总结：池化层相比卷积层可以更有效的降低数据维度，这么做不但可以大大减少运算量，还可以有效的避免过拟合。

这个部分就是最后一步了，经过卷积层和池化层处理过的数据输入到全连接层，得到最终想要的结果。

经过卷积层和池化层降维过的数据，全连接层才能”跑得动”，不然数据量太大，计算成本高，效率低下。

典型的 CNN 并非只是上面提到的3层结构，而是多层结构，例如 LeNet-5 的结构就如下图所示：

卷积层 – 池化层- 卷积层 – 池化层 – 卷积层 – 全连接层

在了解了 CNN 的基本原理后，我们重点说一下 CNN 的实际应用有哪些。

卷积神经网络 – CNN 很擅长处理图像。而视频是图像的叠加，所以同样擅长处理视频内容。下面给大家列一些比较成熟的应用�：

图像分类、检索

图像分类是比较基础的应用，他可以节省大量的人工成本，将图像进行有效的分类。对于一些特定领域的图片，分类的准确率可以达到 95%+，已经算是一个可用性很高的应用了。

典型场景：图像搜索…

目标定位检测

可以在图像中定位目标，并确定目标的位置及大小。

典型场景：自动驾驶、安防、医疗…

目标分割

简单理解就是一个像素级的分类。

他可以对前景和背景进行像素级的区分、再高级一点还可以识别出目标并且对目标进行分类。

典型场景：美图秀秀、视频后期加工、图像生成…

人脸识别

人脸识别已经是一个非常普及的应用了，在很多领域都有广泛的应用。

典型场景：安防、金融、生活…

骨骼识别

骨骼识别是可以识别身体的关键骨骼，以及追踪骨骼的动作。

典型场景：安防、电影、图像视频生成、游戏…

今天我们介绍了 CNN 的价值、基本原理和应用场景，简单总结如下：

CNN 的价值：

能够将大数据量的图片有效的降维成小数据量(并不影响结果)

能够保留图片的特征，类似人类的视觉原理

CNN 的基本原理：

卷积层 – 主要作用是保留图片的特征

池化层 – 主要作用是把数据降维，可以有效的避免过拟合

全连接层 – 根据不同任务输出我们想要的结果

CNN 的实际应用：

图片分类、检索

目标定位检测

目标分割

人脸识别

骨骼识别

本文首发在 easyAI - 人工智能知识库

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