TWI701602B

TWI701602B - 臉部辨識裝置

Info

Publication number: TWI701602B
Application number: TW108124559A
Authority: TW
Inventors: 陳俊銘; 林子祥; 周賢穎
Original assignee: 大陸商業成科技（成都）有限公司; 大陸商業成光電（深圳）有限公司; 英特盛科技股份有限公司
Priority date: 2019-07-08
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2020-08-11
Also published as: TW202103043A; CN110309805A

Abstract

本發明係揭露一種臉部辨識裝置，包含一擷取鏡頭、一儲存器與一影像處理器。儲存器存有第一使用者之第一臉部之至少二第一臉部影像，且第一臉部影像係對應相對第一臉部之不同第一位置。影像處理器電性連接擷取鏡頭與儲存器，在擷取鏡頭位於相對第二使用者之第二臉部之不同第二位置，且第二位置與第一位置具有相同座標時，影像處理器利用擷取鏡頭擷取第二臉部之至少二第二臉部影像，並比對第二臉部影像與第一臉部影像，在第二臉部影像與第一臉部影像相同時，影像處理器判斷第一使用者與第二使用者為相同者，進而藉此降低辨識設備的成本。

Description

臉部辨識裝置

本發明係關於一種辨識裝置，且特別關於一種臉部辨識裝置。

近年來，透過生理特徵以識別個人身份的技術有長足的發展，其中臉部辨識一直是主流之一。對使用者而言，這是最直接簡便的一種身份辨識方法，但傳統的二維臉部辨識非常容易由於環境光線或表情的變化，而影響到辨識準確率，而且有心人士甚至可以憑照片騙過辨識系統，可見這類臉部辨識技術的可靠度和安全性都不敷使用所需。因此，目前已有多種意圖克服上述缺點的三維臉部辨識技術，比如說透過光學偵測器，觀察雷射光束掃描臉上各部位所得的形狀及深淺，並增加臉部辨識模組，但此方法需要昂貴的設備，同時影響機構設計空間，進而導致產品設計受到限制。

因此，本發明係在針對上述的困擾，提出一種臉部辨識裝置，以解決習知所產生的問題。

本發明的主要目的，在於提供一種臉部辨識裝置，其係不需要昂貴的設備，也不會影響機構設計空間的前提下，使用二維影像辨識技術辨識不同角度之臉部影像，進而降低設計成本，同時增加安全性。

為達上述目的，本發明提供一種臉部辨識裝置，包含一擷取鏡頭、一儲存器與一影像處理器。儲存器存有一第一使用者之第一臉部之至少二第一臉部影像，且第一臉部影像係對應相對第一臉部之不同第一位置。影像處理器電性連接擷取鏡頭與儲存器，在擷取鏡頭位於相對一第二使用者之第二臉部之不同第二位置，且第二位置與第一位置具有相同座標時，影像處理器利用擷取鏡頭擷取第二臉部之至少二第二臉部影像，並比對第二臉部影像與第一臉部影像，在第二臉部影像分別與第一臉部影像相同時，影像處理器判斷第一使用者與第二使用者為相同者。

在本發明之一實施例中，第一臉部影像由影像處理器在擷取鏡頭位於第一位置時，利用擷取鏡頭所擷取，第一臉部影像之每一者對應之第一位置之座標為(x, y, z, θ1, θ2)，其係對應一三維空間座標系統，三維空間座標系統包含互相垂直之一X軸、一Y軸與一Z軸，在X軸與Y軸構成之XY平面平行第一臉部，且三維空間座標之原點位於第一臉部之第一鼻頭時，x為X軸上之座標值，y為Y軸上之座標值，z為Z軸上之座標值，擷取鏡頭與第一鼻頭的第一連接線垂直投影在XY平面係形成一第一投影線，θ1為第一投影線與X軸之夾角，θ2為第一連接線與第一投影線之夾角，第一投影線之長度為d，擷取鏡頭相距XY平面之最短距離為h，a為擷取鏡頭相距第一使用者之最小距離，b為擷取鏡頭相距第一使用者之最大距離，0 ^。≦θ1≦360 ^。，0 ^。≦θ2≦180 ^。，第一連接線之長度為D=

，a≦D≦b。

在本發明之一實施例中，第一臉部影像之x相異，第一臉部影像之y相異，第一臉部影像之z相異，第一臉部影像之θ1之相差值大於5度，第一臉部影像之θ2之相差值大於5度。

在本發明之一實施例中，第一臉部影像之θ1相同時，第一臉部影像之h相異。

在本發明之一實施例中，第二臉部影像之每一者對應之第二位置之座標為(x’, y’, z’, θ1’, θ2’)，其係對應三維空間座標系統，在XY平面平行第二臉部，且原點位於第二臉部之第二鼻頭時，x’為X軸上之座標值，y’為Y軸上之座標值，z’為Z軸上之座標值，擷取鏡頭與第二鼻頭的第二連接線垂直投影在XY平面係形成一第二投影線，θ1’為第二投影線與X軸之夾角，θ2’為第二連接線與第二投影線之夾角，第二投影線之長度為d’，擷取鏡頭相距XY平面之最短距離為h’，a’為擷取鏡頭相距第二使用者之最小距離，b’為擷取鏡頭相距第二使用者之最大距離，0 ^。≦θ1’≦360 ^。，0 ^。≦θ2’≦180 ^。，第二連接線之長度為D’=

，a’≦D’≦b’。

在本發明之一實施例中，第二臉部影像之x’相異，第二臉部影像之y’相異，第二臉部影像之z’相異，第二臉部影像之θ1’之相差值大於5度，第二臉部影像之θ2’之相差值大於5度。

在本發明之一實施例中，第二臉部影像之θ1’相同時，第二臉部影像之h’相異。

在本發明之一實施例中，臉部辨識裝置更包含一觸控螢幕，其係電性連接影像處理器，觸控螢幕呈鎖定狀態，在影像處理器判斷第一使用者與第二使用者為相同者時，影像處理器解除鎖定狀態。

在本發明之一實施例中，臉部辨識裝置更包含一位置感測器，其係電性連接影像處理器，並在位置感測器偵測出擷取鏡頭位於第二位置時，位置感測器驅動影像處理器利用擷取鏡頭擷取第二臉部影像。

在本發明之一實施例中，影像處理器由每一第一臉部影像擷取複數個第一幾何特徵，並由每一第二臉部影像擷取複數個第二幾何特徵，再使用多類支援向量機(Multi-Class Support Vector Machine)分別比對所有第一幾何特徵與所有第二幾何特徵，以利用多類支援向量機判斷第一臉部影像與其對應的第二臉部影像之相似度，在相似度高於一預定閥值時，影像處理器判斷至少二第二臉部影像分別與至少二第一臉部影像相同。

茲為使　貴審查委員對本發明的結構特徵及所達成的功效更有進一步的瞭解與認識，謹佐以較佳的實施例圖及配合詳細的說明，說明如後：

本發明之實施例將藉由下文配合相關圖式進一步加以解說。盡可能的，於圖式與說明書中，相同標號係代表相同或相似構件。於圖式中，基於簡化與方便標示，形狀與厚度可能經過誇大表示。可以理解的是，未特別顯示於圖式中或描述於說明書中之元件，為所屬技術領域中具有通常技術者所知之形態。本領域之通常技術者可依據本發明之內容而進行多種之改變與修改。

當一個元件被稱為『在…上』時，它可泛指該元件直接在其他元件上，也可以是有其他元件存在於兩者之中。相反地，當一個元件被稱為『直接在』另一元件，它是不能有其他元件存在於兩者之中間。如本文所用，詞彙『及/或』包含了列出的關聯項目中的一個或多個的任何組合。

以下請參閱第1圖、第2圖、第3圖、第4(a)圖至第4(e)圖、第5圖、第6圖、第7(a)圖至第7(e)圖，以介紹本發明之臉部辨識裝置10，其係包含一擷取鏡頭12、一儲存器14、一影像處理器16、一觸控螢幕18、一位置感測器20與一作動器21。影像處理器16電性連接擷取鏡頭12、儲存器14、觸控螢幕18與位置感測器20，位置感測器20電性連接作動器21，作動器21可為作動器為發光二極體、震動器或蜂鳴器，但不以此為限。儲存器14存有一第一使用者之第一臉部22之至少二第一臉部影像24，且所有第一臉部影像24係對應相對第一臉部22之不同第一位置。在本實施例中，係以五張第一臉部影像24為例，但本發明並不以此為限。第4(a)圖至第4(e)圖分別為第2圖之第1位置、第2位置、第3位置、第4位置與第5位置之第一臉部影像24之示意圖。第4(a)圖為第2圖之第一臉部影像24之正面示意圖。第4(b)圖為第2圖之沿D-C剖面線之第一臉部22之結構剖視圖。第4(c)圖為第2圖之沿A-B剖面線之第一臉部22之結構剖視圖。第4(d)圖為第2圖之沿C-D剖面線之第一臉部22之結構剖視圖。第4(e)圖為第2圖之沿B-A剖面線之第一臉部22之結構剖視圖。具體而言，第一臉部影像24由影像處理器16在擷取鏡頭12位於第一位置時，利用擷取鏡頭12所擷取，第一臉部影像24之每一者對應之第一位置之座標為(x, y, z, θ1, θ2)，其係對應一三維空間座標系統，三維空間座標系統包含互相垂直之一X軸、一Y軸與一Z軸，在X軸與Y軸構成之XY平面平行第一臉部22，且三維空間座標之原點位於第一臉部22上時，例如位於第一臉部22之第一鼻頭時，x為X軸上之座標值，y為Y軸上之座標值，z為Z軸上之座標值，擷取鏡頭12與第一鼻頭的第一連接線26垂直投影在XY平面係形成一第一投影線28，θ1為第一投影線28與X軸之夾角，θ2為第一連接線26與第一投影線28之夾角，第一投影線28之長度為d，擷取鏡頭12相距XY平面之最短距離為h，a為擷取鏡頭12相距第一使用者之最小距離，b為擷取鏡頭12相距第一使用者之最大距離，0 ^。≦θ1≦360 ^。，0 ^。≦θ2≦180 ^。，第一連接線26之長度為D=

，a≦D≦b。此外，所有第一臉部影像24之x相異，所有第一臉部影像24之y相異，所有第一臉部影像24之z相異。另外，任意二第一臉部影像24之θ1之相差值大於5度，任意二第一臉部影像24之θ2之相差值大於5度，此二條件可擇一或同時滿足，並在所有第一臉部影像24之θ1相同時，所有第一臉部影像24之h相異。

在位置感測器20偵測出擷取鏡頭12位於相對一第二使用者之第二臉部30之不同第二位置，且第二位置與第一位置具有相同座標時，位置感測器20驅動影像處理器16利用擷取鏡頭12擷取第二臉部30之至少二第二臉部影像32，並比對所有第二臉部影像32與所有第一臉部影像24，在第二臉部影像32分別與第一臉部影像24相同時，影像處理器16判斷第一使用者與第二使用者為相同者。上述第一位置係相對第一臉部22之不同角度，第二位置亦相對第二臉部30之不同角度，以利後續可在預定範圍及角度內，均可快速偵測比較第一臉部22和第二臉部30。在位置感測器20偵測出擷取鏡頭12相距第一使用者的距離小於a或大於b時，驅動作動器21反應，以提醒控制人臉的遠近。本發明不需要昂貴的設備，也不會影響機構設計空間的前提下，使用二維影像辨識技術辨識不同角度之臉部影像，進而降低設計成本，同時增加安全性。在本實施例中，係以五張第二臉部影像32為例，但本發明並不以此為限。第7(a)圖至第7(e)圖分別為第5圖之第1位置、第2位置、第3位置、第4位置與第5位置之第二臉部影像32之示意圖。第7(a)圖為第5圖之第二臉部影像32之正面示意圖。第7(b)圖為第5圖之沿D-C剖面線之第二臉部30之結構剖視圖。第7(c)圖為第5圖之沿A-B剖面線之第二臉部30之結構剖視圖。第7(d)圖為第5圖之沿C-D剖面線之第二臉部30之結構剖視圖。第7(e)圖為第5圖之沿B-A剖面線之第二臉部30之結構剖視圖。具體而言，第二臉部影像32之每一者對應之第二位置之座標為(x’, y’, z’, θ1’, θ2’)，其係對應三維空間座標系統，在XY平面平行第二臉部30，且原點位於第二臉部30之第二鼻頭時，x’為X軸上之座標值，y’為Y軸上之座標值，z’為Z軸上之座標值，擷取鏡頭12與第二鼻頭的第二連接線34垂直投影在XY平面係形成一第二投影線36，θ1’為第二投影線36與X軸之夾角，θ2’為第二連接線34與第二投影線36之夾角，第二投影線36之長度為d’，擷取鏡頭12相距XY平面之最短距離為h’，a’為擷取鏡頭12相距第二使用者之最小距離，b’為擷取鏡頭12相距第二使用者之最大距離，0 ^。≦θ1’≦360 ^。，0 ^。≦θ2’≦180 ^。，第二連接線34之長度為D’=

，a’≦D’≦b’。此外，所有第二臉部影像32之x’相異，所有第二臉部影像32之y’相異，所有第二臉部影像32之z’相異。另外，任意二第二臉部影像32之θ1’之相差值大於5度，任意二第二臉部影像32之θ2’之相差值大於5度，此二條件可擇一或同時滿足，並在所有第二臉部影像32之θ1’相同時，第二臉部影像32之h’相異。同樣地，在位置感測器20偵測出擷取鏡頭12相距第二使用者的距離小於a’或大於b’時，驅動作動器21反應，以提醒控制人臉的遠近。

以下介紹本發明之臉部辨識裝置之運作過程。首先，在擷取鏡頭12位於相對第一使用者之第一臉部22之不同第一位置時，觸控螢幕18發出影像擷取指令給影像處理器16，以控制影像處理器16利用擷取鏡頭12擷取第一臉部22之第一臉部影像24，並將此預先儲存在儲存器14中。接著，在位置感測器20偵測出擷取鏡頭12位於相對第二使用者之第二臉部30之不同第二位置，且第二位置與第一位置具有相同座標時，位置感測器20驅動影像處理器16利用擷取鏡頭12擷取第二臉部30之第二臉部影像32，並比對所有第二臉部影像32與所有第一臉部影像24，在第二臉部影像32分別與第一臉部影像24相同時，影像處理器16判斷第一使用者與第二使用者為相同者。若第二臉部影像32分別與第一臉部影像24不完全相同時，影像處理器16判斷第一使用者與第二使用者為不同者。在比對所有第二臉部影像32與所有第一臉部影像24時，係逐一比對所有第二臉部影像32與所有第一臉部影像24。假設第一臉部影像24有五張，第二臉部影像32有二張，則需判斷第二臉部影像32是否與五張第一臉部影像24之其中二者相同，若是，影像處理器16判斷第一使用者與第二使用者為相同者；若否，影像處理器16判斷第一使用者與第二使用者為不同者。

在本發明之某些實施例中，觸控螢幕18呈鎖定狀態，在影像處理器16判斷第一使用者與第二使用者為相同者時，影像處理器16解除觸控螢幕18之鎖定狀態。

本發明之臉部辨識裝置10有許多應用，例如如第8圖所示，移動中識別方式，即臉部辨識裝置10從桌上拿到使用者之臉部38的前方，因為臉部辨識裝置10在此過程中相對臉部38有不同的角度可以擷取臉部38的影像，可以藉此辨識此使用者。如第9圖所示，臉部辨識裝置10可以擺在臉部38的前方晃動，因為臉部辨識裝置10在此過程中相對臉部38同樣有不同的角度可以擷取臉部38的影像，可以藉此辨識此使用者。如第10圖所示，使用者在車上時，因為臉部辨識裝置10放在車架上不方便取出，所以在臉部辨識裝置10前方晃動臉部38一樣可以辨識使用者。如第11圖所示，臉部辨識裝置10可以應用在公共空間之安全識別場合，特別是移動中的被辨識目標，例如海關臉部辨識查驗場合，臉部辨識裝置10可以擺在一支架40上，當使用者經過此支架40時，只要晃動臉部38，臉部辨識裝置10即可辨識使用者。

請繼續參閱第1圖，第一臉部影像與第二臉部影像比對時，可採用下列演算法進行比對，但本發明不限於此演算法。首先，影像處理器16由每一第一臉部影像擷取複數個第一幾何特徵，並由每一第二臉部影像擷取複數個第二幾何特徵。接著，影像處理器16使用多類支援向量機(Multi-Class Support Vector Machine)分別比對所有第一幾何特徵與所有第二幾何特徵。第一幾何特徵為第一臉部影像之中某些特定點之間的距離值及面積大小的至少其中一者。第二幾何特徵為第二臉部影像之中某些特定點之間的距離值及面積大小的至少其中一者。待分別自第一臉部影像與第二臉部影像分別擷取出第一幾何特徵與第二幾何特徵後，影像處理器16便可使用多類支援向量機判斷第一臉部影像與其對應的第二臉部影像的相似度，在第一臉部影像與第二臉部影像之此相似度高於一預定閥值時，影像處理器16便可判斷判斷所有第二臉部影像分別與所有第一臉部影像相同，故判斷第一使用者與第二使用者為同一人，反之則否。另由於多類支援向量機先天上具有一定的變化容忍度，故本發明較不受該使用者表情變化之影響。

綜上所述，本發明不需要昂貴的設備，也不會影響機構設計空間的前提下，使用二維影像辨識技術辨識不同角度之臉部影像，進而降低設計成本，同時增加安全性。

以上所述者，僅為本發明一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，故舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

10:臉部辨識裝置 12:擷取鏡頭 14:儲存器 16:影像處理器 18:觸控螢幕 20:位置感測器 21:作動器 22:第一臉部 24:第一臉部影像 26:第一連接線 28:第一投影線 30:第二臉部 32:第二臉部影像 34:第二連接線 36:第二投影線 38:臉部 40:支架

第1圖為本發明之臉部辨識裝置之一實施例之電路方塊圖。第2圖為本發明之位於XY平面上之第一臉部之示意圖。第3圖為本發明之位於Z軸上之第一臉部之示意圖。第4(a)圖至第4(e)圖分別為第2圖之第1位置、第2位置、第3位置、第4位置與第5位置之第一臉部影像之示意圖。第5圖為本發明之位於XY平面上之第二臉部之示意圖。第6圖為本發明之位於Z軸上之第二臉部之示意圖。第7(a)圖至第7(e)圖分別為第5圖之第1位置、第2位置、第3位置、第4位置與第5位置之第二臉部影像之示意圖。第8圖為本發明之臉部辨識裝置從桌上拿起來辨識臉部之示意圖。第9圖為本發明之臉部辨識裝置在臉部前方晃動之示意圖。第10圖為本發明之臉部辨識裝置偵測車上之晃動臉部之示意圖。第11圖為本發明之臉部辨識裝置於公眾場合中偵測晃動臉部之示意圖。

10:臉部辨識裝置

12:擷取鏡頭

14:儲存器

16:影像處理器

18:觸控螢幕

20:位置感測器

21:作動器

Claims

一種臉部辨識裝置，包含：一擷取鏡頭；一儲存器，存有一第一使用者之第一臉部之至少二第一臉部影像，且該至少二第一臉部影像係對應相對該第一臉部之不同第一位置；以及一影像處理器，電性連接該擷取鏡頭與該儲存器，在該擷取鏡頭位於相對一第二使用者之第二臉部之不同第二位置，且該第二位置與該第一位置具有相同座標時，該影像處理器利用該擷取鏡頭擷取該第二臉部之至少二第二臉部影像，並比對該至少二第二臉部影像與該至少二第一臉部影像，在該至少二第二臉部影像分別與該至少二第一臉部影像相同時，該影像處理器判斷該第一使用者與該第二使用者為相同者；其中該至少二第一臉部影像由該影像處理器在該擷取鏡頭位於該第一位置時，利用該擷取鏡頭所擷取，該至少二第一臉部影像之每一者對應之該第一位置之該座標為(x,y,z,θ 1,θ 2)，其係對應一三維空間座標系統，該三維空間座標系統包含互相垂直之一X軸、一Y軸與一Z軸，在該X軸與該Y軸構成之XY平面平行該第一臉部，且該三維空間座標之原點位於該第一臉部之第一鼻頭時，x為該X軸上之座標值，y為該Y軸上之座標值，z為該Z軸上之座標值，該擷取鏡頭與該第一鼻頭的第一連接線垂直投影在該XY平面係形成一第一投影線，θ 1為該第一投影線與該X軸之夾角，θ 2為該第一連接線與該第一投影線之夾角，該第一投影線之長度為d，該擷取鏡頭相距該XY平面之最短距離為h，a為該擷取鏡頭相距該第一使用者之最小距離，b為該擷取鏡頭相距該第一使用者之最大距離，0°≦θ 1≦360°，0°≦θ 2≦180°，該第一連接線之長度為
，a≦D≦b。
如請求項1所述之臉部辨識裝置，其中該至少二第一臉部影像之x相異，該至少二第一臉部影像之y相異，該至少二第一臉部影像之z相異，該至少二第一臉部影像之θ 1之相差值大於5度，該至少二第一臉部影像之θ 2之相差值大於5度。
如請求項1所述之臉部辨識裝置，其中該至少二第一臉部影像之θ 1相同時，該至少二第一臉部影像之h相異。
如請求項1所述之臉部辨識裝置，其中該至少二第二臉部影像之每一者對應之該第二位置之該座標為(x’,y’,z’,θ 1’,θ 2’)，其係對應該三維空間座標系統，在該XY平面平行該第二臉部，且該原點位於該第二臉部之第二鼻頭時，x’為該X軸上之座標值，y’為該Y軸上之座標值，z’為該Z軸上之座標值，該擷取鏡頭與該第二鼻頭的第二連接線垂直投影在該XY平面係形成一第二投影線，θ 1’為該第二投影線與該X軸之夾角，θ 2’為該第二連接線與該第二投影線之夾角，該第二投影線之長度為d’，該擷取鏡頭相距該XY平面之最短距離為h’，a’為該擷取鏡頭相距該第二使用者之最小距離，b’為該擷取鏡頭相距該第二使用者之最大距離，0°≦θ 1’≦360°，0°≦θ 2’≦180°，該第二連接線之長度為
，a’≦D’≦b’。
如請求項4所述之臉部辨識裝置，其中該至少二第二臉部影像之x’相異，該至少二第二臉部影像之y’相異，該至少二第二臉部影像之z’相異，該至少二第二臉部影像之θ 1’之相差值大於5度，該至少二第二臉部影像之θ 2’之相差值大於5度。
如請求項4所述之臉部辨識裝置，其中該至少二第二臉部影像之θ 1’相同時，該至少二第二臉部影像之h’相異。
如請求項1所述之臉部辨識裝置，更包含一觸控螢幕，其係電性連接該影像處理器，該觸控螢幕呈鎖定狀態，在該影像處理器判斷該第一使用者與該第二使用者為相同者時，該影像處理器解除該鎖定狀態。
如請求項1所述之臉部辨識裝置，更包含一位置感測器，其係電性連接該影像處理器，並在該位置感測器偵測出該擷取鏡頭位於該第二位置時，該位置感測器驅動該影像處理器利用該擷取鏡頭擷取該至少二第二臉部影像。
如請求項1所述之臉部辨識裝置，其中該影像處理器由每一該第一臉部影像擷取複數個第一幾何特徵，並由每一該第二臉部影像擷取複數個第二幾何特徵，再使用多類支援向量機(Multi-Class Support Vector Machine)分別比對該些第一幾何特徵與該些第二幾何特徵，以利用該多類支援向量機判斷該第一臉部影像與其對應的該第二臉部影像之相似度，在該相似度高於一預定閥值時，該影像處理器判斷該至少二第二臉部影像分別與該至少二第一臉部影像相同。