CN112132117A - 一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统 - Google Patents
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Abstract
一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,包括胁迫检测模块、指静脉识别模块、人脸识别模块与融合模块,所述的胁迫检测模块首先对读入的人脸图像进行人脸检测、再对检测到的人脸进行表情识别,当识别到恐惧表情时,向系统后台发出预警提示,辅助进行胁迫检测;所述的人脸识别模块对读入的人脸图像进行特征提取与识别,得出人脸认证结果;所述的静脉识别模块对读入的手指静脉图像进行纹理特征提取与识别,得出手指静脉认证结果;所述的融合模块综合上述指静脉模块与人脸模块的结果给出最终的身份认证结果。本发明涉及的身份认证系统将手指静脉特征与人脸特征进行有效的结合,并辅以基于表情识别的胁迫检测,具有高安全性与可靠性的优点,满足高安全等级的应用领域。
Description
技术领域
本发明属于模式识别技术领域,具体涉及表情识别技术、指静脉识别技术与人脸识别技术。
背景技术
手指静脉识别是利用人体皮下静脉血管的分布情况进行身份鉴别的,不同个体的手指静脉特征在特征点、纹理和几何形态等生理特征上均不相同,并且手指静脉特征不随身体健康程度的变化及年龄的增长而变化,是一种理想的身份认证技术,在许多场合中得到了广泛的应用。虽然指静脉识别具有上述优点,但在它的实际应用中发现,当环境温度过低时,静脉图像特征难以成像,此外,由于静脉特征具有活体采集难以伪造的优势,使得特征持有人存在被胁迫的风险。
针对上述手指静脉识别存在的问题,本发明充分考虑手指静脉与人脸两种图像的特点,提出一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,利用表情识别来辅助检测是否存在胁迫现象,并利用手指静脉与人脸两种生物特征进行身份认证,以期获得一种具有安全性高、准确性好的身份认证系统。
发明内容
本发明针对单一手指静脉特征认证存在的安全性与环境因素限制的问题,提出了一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,利用多生物特征进行身份认证,并利用表情识别来辅助检测是否存在胁迫现象,以获得一种安全性强、可靠性高的身份认证系统。
本发明的目的是这样实现的:
一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,包括胁迫检测模块、指静脉识别模块、人脸识别模块与融合模块,所述的胁迫检测模块首先对读入的人脸图像进行人脸检测、再对检测到的人脸进行表情识别以辅助胁迫检测,即识别到恐惧表情时,向系统后台发出预警提示并结束本次认证;所述的人脸识别模块对读入的人脸图像进行特征提取与识别,得出人脸认证结果;所述的静脉识别模块对读入的手指静脉图像进行纹理特征提取与识别,得出手指静脉认证结果;所述的融合模块综合上述指静脉模块与人脸模块的结果给出最终的身份认证结果。本发明涉及的身份认证系统将手指静脉特征与人脸特征进行有效的结合,并辅以基于表情识别的胁迫检测,具有高安全性与可靠性的优点,满足高安全等级的应用领域。
所述的胁迫检测模块采用基于纹理特征的表情识别,具体算法步骤如下:
1)对待识别的表情图像进行尺寸归一化以及灰度归一化处理;
4)对所提取的训练样本纹理特征的所有子图像求取均值,计算训练样本子图像的行协方差矩阵以及列协方差矩阵。根据协方差矩阵求出的前w个最大特征值所对应的特征向量,构造投影矩阵X以及Z,将训练样本纹理特征子图像与测试样本特征纹理子图像,分别向两个投影矩阵投影,得到特征矩阵和;
5)采用最小邻近距离分类器对特征矩阵进行匹配分类。
利用上述方式获得表情分类结果,若分类结果为惊恐类别,则判定为可能存在胁迫现象,并给出存在胁迫的警示信息。
所述的手指静脉识别模块对手指静脉图像提取四层的多尺度纹理特征的提取步骤如下:
1)首先对读入的手指静脉图像进行归一化处理;
2)采用Canny算子提取手指静脉图像的轮廓信息;
3)将静脉图像分成5×5的子块,分别对四层分辨率下的图像子块,计算出各单元内的梯度直方图。为更加方便计算图像的梯度以及方向信息,将手指静脉图像进行分块处理。然后在每个分块图像中等分为细胞单元,并按照下式来计算局部邻域单元中每个像素点的梯度:
通过选择合适的量化数目使梯度角度均匀量化,以幅值作为权值,根据梯度值所处的位置,统计出细胞单元内的梯度直方图。本发明的方向的量化角度范围可以选择限定为[0-180]。
所述的融合模块将上述经过辅助胁迫检测的指静脉识别结果与人脸识别结果进行融合得到最终的身份认证结果,具体过程如下:
第一步:通过辅助胁迫检测模块验证是否为存在胁迫现象,若没有转到第二步,否则整个认证过程结束,给出存在胁迫的警示信息提示;
第二步:进行人脸识别,得出人脸识别结果;
第三步:进行指静脉识别,得出指静脉识别结果;
第四步:将上述人脸识别结果与指静脉识别结果融合决策,即当两种识别结果均为成功时,系统最终给出认证成功的提示;否则给出认证失败的提示。
本发明的主要贡献和特点在于:
本发明的目的在于提供一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,利用手指静脉与人脸两种生物特征进行身份认证,弥补了静脉特征在低温环境下认证不稳定的缺点,并利用表情识别来辅助检测是否存在胁迫现象,以扩大生物特征应用领域,大大提升了认证系统的安全性能。
附图说明
图1本发明主要流程图。
图2四尺度静脉纹理特征提取示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述:
1 胁迫检测模块
由于静脉识别技术采用活体检测,很难被盗取,防伪极高。但授权人员被胁迫通过身份认证系统也会带来很大的安全隐患。面部表情是人类传递个人内心感受的一个重要途径,可以作为识别人内在情感的重要依据,因此,本发明提出采用表情识别技术进行辅助胁迫检测。主要针对人脸图像检测、表情特征提取及分类展开研究,并根据表情分类结果判断是否存在胁迫,进而决策是否给出预警。
局部二值模式(LBP)是灰度描述算子,将原始的RGB微表情图像转化成为LBP纹理图像在一定程度上可以消除光照对于面部微表情的影响,使微表情发生的区域更加明显,减少特征的维度,缩短整个网络运行的时间。
局部二进制模式的核心思想是在局部邻域中,通过对所存在的纹理结构关系进行分类,并统计出其在图像中出现的次数,来描述图像的纹理特征。设定灰度图像在含有P+1个像素点的局部邻域中,局部纹理为邻域中所有像素点的灰度级联合分布:
若将每一位差值按照一定的顺序赋予相应的权值,则局部邻域中的纹理T最终可由一个十进制数来表示:
基本的LBP算子的局部邻域为3×3正方形邻域模板,而它最大缺陷在于它只覆盖了一个固定半径范围内的小区域,这显然不能满足不同尺寸和频率纹理的需求。为满足图像在多分辨率下的纹理分析要求,LBP算子的模板进一步由原本固定的3×3方形模板扩展为圆形模板,局部邻域的半径R以及圆周上采样点个数P,能够根据图像自身的特点,更加灵活地设置。第p个采样点的坐标为,对应的灰度值通常采用线性插值或双线性插值的方式来计算。
LBP算子种类越多,描述纹理的细节越是详细,与此同时需要计算的信息量也越大,甚至会造成更多的数据冗余的情况。圆形邻域中的像素点个数的直接影响LBP算子的模式类别数目,即有P个像素点,LBP值就有种,如果P取16,则LBP值一共有65536种。在这种情况下,虽然LBP算子能够有效表征图像纹理特征信息,但是处理后的信息量可能要远大于原始图像的信息量,不利于图像的分析处理。
从LBP模式的统计结果发现,某些特定LBP模式能包含图像的大部分纹理,其中两次从1到0或从0到1的跳变的模式占所有模式的比重的90%以上。这些特殊模式单元通常表述的是图像的孤立点、端点、边缘等,Ojala等人将这些特殊模式定义为统一模式,将其他的模式全都归为混合模式类。统一LBP算子的计算公式为:
基本的LBP算子有种纹理模式,而由式(7)可知,统一LBP算子的纹理模式只有P(P-1)+3种。例如,当一个圆形邻域有8个像素时,基本的LBP算子模式是256种,而对应的统一LBP算子模式只有59种,这样极大地减少了纹理类别,在分析时更加直观和简单。
本发明综合考虑统一LBP算子性能,表情识别系统中设置半径R为1,P个采样采样点的局部邻域模板,对表情图像提取特征。具体算法步骤如下:
1)对待识别的表情图像进行尺寸归一化以及灰度归一化处理;
4)对所提取的训练样本纹理特征的所有子图像求取均值,计算训练样本子图像的行协方差矩阵以及列协方差矩阵。根据协方差矩阵求出的前w个最大特征值所对应的特征向量,构造投影矩阵X以及Z,将训练样本纹理特征子图像与测试样本特征纹理子图像,分别向两个投影矩阵投影,得到特征矩阵和;
5)采用最小邻近距离分类器对特征矩阵进行匹配分类。
利用上述方式获得表情分类结果,若表情分类结果为惊恐类别,则判定为可能存在胁迫现象,并给出存在胁迫的预警信息。
2 指静脉识别模块
手指静脉图像的静脉血管具有明显的纹理特性,并且不同尺度下的图像能获取到的信息不同,因此本发明兼顾实时性需求在四个尺度下获取静脉的纹理信息。本发明将尺寸最大的区域放在最底部,依次往上是空间尺寸越小的区域,也就是说越处于底层的图像分辨率越高,描述的图像细节更丰富,顶层的低分辨率图像区域能相对减少噪声影响,这种方式将静脉图像的局部和整体特征进行有效的结合,能够得到更为准确和全面的静脉图像特征信息。
四层尺度静脉的纹理特征提取步骤如下:
1)首先对读入的手指静脉图像进行归一化处理;
2)采用Canny算子提取静脉图像的轮廓信息;
3)将静脉图像分成5×5的子块,分别对四层分辨率下的图像子块,计算出各单元内的梯度直方图。为更加方便计算图像的梯度以及方向信息,将手指静脉图像进行分块处理。然后在每个分块图像中等分为细胞单元,并按照公式(8)来计算局部邻域单元中每个像素点的梯度:
通过选择合适的量化数目使梯度角度均匀量化,以幅值作为权值,根据梯度值所处的位置,统计出细胞单元内的梯度直方图。本发明的方向的量化角度范围可以选择限定为[0-180];
4)对每一层的静脉纹理特征直方图进行直方图归一化。由于在局部静脉图像中像素点的灰度值分布的不同,导致局部图像之间所计算出的梯度范围值有较大的差异,所以针对于分块中的梯度直方图要进行对比度归一化后,再与其他分块中的梯度直方图进行连接,得到最终图像的特征直方图向量。本发明采用归一化方法为:
5)按照分辨率和尺寸最大的图像放在最底部,依次往上的排列顺序级联各层的直方图向量,得到最终的四层尺度静脉纹理特征直方图,四尺度静脉纹理特征提取示意图如图2所示;
6)最后采用卡方距离进行统计分类,给出静脉识别结果。
3. 人脸识别模块
SSD(Single Shot MultiBox Detector) 方法基于前馈卷积神经网络,产生固定大小的边界框集合和框中对象类别的分数,再此基础上利用非最大化抑制方式产生最终的检测结果。SSD速度比Faster-Rcnn快,精度比Yolo高。为提高准确率,本发明将卷积特征层添加到截断的原始SSD网络尾部,并依次缩小这些层的尺寸,检测得到多个尺度的特征图,再利用特征图生成默认候选框,进而寻找与每一个真实目标框有最大的交并比的默认候选框,则被认定为匹配。本发明的人脸模块总体目标损失函数采用位置损失和置信损失的加权和,并采用端到端的训练方式,对小分辨率的人脸图像效果也非常好。此外,针对人脸识别存在的姿势、遮挡等问题,本发明对数据库中的人脸图像进行了水平翻转、裁剪和颜色抖动等操作对数据进行增强,以提高改进SSD网络的精度和泛化能力。
4 .融合认证模块
融合认证模块将上述经过辅助胁迫检测的指静脉识别结果与人脸识别结果进行融合得到最终的身份认证结果,具体过程如下:
1)通过胁迫检测模块验证是否存在胁迫现象,若不存在则转到2)步,否则整个认证过程结束,给出存在胁迫的警示信息提示;
2)进行人脸识别,得出人脸识别结果;
3)进行指静脉识别,得出指静脉识别结果;
4)将上述人脸识别结果与指静脉识别结果融合决策,即当两种识别结果均为成功时,系统最终给出认证成功的提示;否则给出认证失败的提示。
Claims (4)
1.一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,包括胁迫检测模块、指静脉识别模块、人脸识别模块与融合模块,所述的胁迫检测模块首先对读入的人脸图像进行人脸检测、再对检测到的人脸进行表情识别以辅助胁迫检测,即识别到恐惧表情时,向系统后台发出预警提示并结束本次认证;所述的人脸识别模块对读入的人脸图像进行特征提取与识别,得出人脸认证结果;所述的静脉识别模块对读入的手指静脉图像进行纹理特征提取与识别,得出手指静脉认证结果;所述的融合模块综合上述指静脉模块与人脸模块的结果给出最终的身份认证结果;
本发明涉及的身份认证系统将手指静脉特征与人脸特征进行有效的结合,并辅以基于表情识别的胁迫检测,具有高安全性与可靠性的优点,满足高安全等级的应用领域。
2.根据权利要求1所述的一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,其特征在于,所述的胁迫检测模块采用基于纹理特征的表情识别,具体算法步骤如下:
1)对待识别的表情图像进行尺寸归一化以及灰度归一化处理;
4)对所提取的训练样本纹理特征的所有子图像求取均值,计算训练样本子图像的行协方差矩阵以及列协方差矩阵;根据协方差矩阵求出的前w个最大特征值所对应的特征向量,构造投影矩阵X以及Z,将训练样本纹理特征子图像与测试样本特征纹理子图像,分别向两个投影矩阵投影,得到特征矩阵和;
5)采用最小邻近距离分类器对特征矩阵进行匹配分类;
利用上述方式获得表情分类结果,若分类结果为惊恐类别,则判定为可能存在胁迫现象,并给出存在胁迫的警示信息。
3.根据权利要求1所述的一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,其特征在于,所述的手指静脉识别模块对手指静脉图像提取四层的多尺度纹理特征的提取步骤如下:
1)首先对读入的手指静脉图像进行归一化处理;
2)采用Canny算子提取手指静脉图像的轮廓信息;
3)将静脉图像分成5×5的子块,分别对四层分辨率下的图像子块,计算出各单元内的梯度直方图;为更加方便计算图像的梯度以及方向信息,将手指静脉图像进行分块处理;然后在每个分块图像中等分为细胞单元,并按照下式来计算局部邻域单元中每个像素点的梯度:
通过选择合适的量化数目使梯度角度均匀量化,以幅值作为权值,根据梯度值所处的位置,统计出细胞单元内的梯度直方图;本发明的方向的量化角度范围可以选择限定为[0-180];
4)对每一层的静脉纹理特征直方图进行直方图归一化;由于在局部静脉图像中像素点的灰度值分布的不同,导致局部图像之间所计算出的梯度范围值有较大的差异,所以针对于分块中的梯度直方图要进行对比度归一化后,再与其他分块中的梯度直方图进行连接,得到最终图像的特征直方图向量;本发明采用归一化方法为:
5)按照分辨率和尺寸最大的图像放在最底部,依次往上的排列顺序级联各层的直方图向量,得到最终的四层尺度静脉纹理特征直方图;
6)最后采用卡方距离进行统计分类,给出静脉识别结果。
4.所述的一种辅助胁迫检测的融合身份认证系统,其特征在于,所述的融合模块将上述经过辅助胁迫检测的,指静脉识别结果与人脸识别结果进行融合得到最终的身份认证结果,具体过程如下:
第一步:通过辅助胁迫检测模块验证是否为存在胁迫现象,若没有转到第二步,否则整个认证过程结束,给出存在胁迫的警示信息提示;
第二步:进行人脸识别,得出人脸识别结果;
第三步:进行指静脉识别,得出指静脉识别结果;
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