基于pca的人脸识别算法在考试身份验证中的应用研究

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1、基于PCA的人脸识别算法在考试身份验证中的应用研究　　摘要：研究了主成分分析（PCA）人脸识别算法的原理及实现，并将该算法应用于考试身份验证中，结果发现，该算法简单、快速、易行。　　关键词：PCA；人脸识别；算法　　中图分类号：TP317.4文献标识码：A文章编号：1672-7800（2013）001-0054-03　　0引言　　考试仍然是当今教育体制中不可缺少的一个环节。为了更真实地反映考生的学习情况、检验教学成效，杜绝考生找“枪手”7进行替考等舞弊行为成为不容忽视的问题。身份鉴别技术是解决这一问题的关键。与传统的名字、密码等身份鉴别技术相比：生物

2、特征识别手段的多样性，如指纹、掌纹、视网膜识别等，使之成为新兴的身份鉴别技术。由于生物特征的唯一性使得用生物特征作为身份鉴别依据的安全性、可靠性更高。在所有的生物识别技术中，指纹识别是最传统、发展最成熟的技术，但它需要被识别人主动配合，且获取识别信息需要时间，这给被识别人带来很大的不便。而人脸识别恰恰弥补了这些不足，其隐蔽性好、非接触采集和采集设备成本低等特点使之成为生物识别技术中的研究热点。人脸识别就其技术本质而言，是通过视频采集设备获取用户的面部图像，再利用核心的算法对其脸部的五官位置、脸型和角度进行计算分析，进而和自身数据库里已有的范本进行比对

3、，最后判断出用户的真实身份。因此，采用人脸识别在考试中进行身份验证是切实可行的。利用人脸识别进行考生身份验证以代替传统的证件方式是有益的尝试。本文进行的是狭义的人脸识别研究，即将待识别的人脸与数据库中的人脸之间进行匹配的人脸鉴别。　　1考试身份验证系统设计　　考试身份验证系统流程框架如图1所示。在考生进入在线考试系统之前，由该系统先进行身份验证。首先由考生启动人脸识别客户端程序，驱动电脑摄像头（内置或外置）获得实时视频图像；根据捕获的视频图像定位人脸图像；经预处理来提高图像的品质，并将人脸图像设置成预先定义的尺寸；提取特征脸并在已有人脸图像数据库中进

4、行查找、比对、识别；若能找出与客户端一致的特征脸则身份确认成功，并启动在线考试系统等待考生进入考试，否则身份确认失败，发出警报声引起监考人员警惕，考生暂不能进入考试，等待再次身份的确认（重复身份确认允许3次）。　　图1考试身份验证系统流程　　2基于PCA的人脸识别算法　　在考试身份验证系统中，其核心实现部分就是人脸识别。人脸识别的方法很多，常用的有：几何特征识别、基于神经网络的识别、弹性图匹配的识别等。本文使用的基于PCA的人脸识别方法是基于图像灰度的统计特性，其基本原理为：利用离散KL变换提取人脸的主要成分构成特征脸库，在识别过程中将测试样本投影到

5、该特征脸库中构成一组投影系数，通过与特征脸的距离比较，距离最小的特征脸对应的即是识别结果。在人脸识别中，若训练集是40幅不同的M×7N大小的人脸图像。把图像中每一个像素看成是一维信息，则一副图像就是M×N维向量。由于人脸结构具有极大的相似性，且同一个人脸相似性更大，因此不采用像素来表达人脸，而是通过人脸来表达人脸。这就可以用PCA方法对40幅训练集图像进行处理，寻找这些图像中的相似维度。提取最重要的主成分后，让被识别图像与原图经过变化后的主元维度进行相似度比较，以衡量两幅图片的相似性。PCA人脸识别算法将训练过程重构获得的用于识别的样本称为“特征脸”

6、，是一种通过降低维数提取特征的统计性模板比配方法对人脸进行识别的过程。PCA方法的算法如下：　　第1步：将人脸图像处理为二维m×n灰度图像，并用N=m×n维列向量X表示。选取人脸图像训练样本集{Xi

7、i=1，…，M}，其中Xi为第i个训练样本的图像向量，M为训练样本集总数。　　第2步：计算训练样本的平均图像向量：μ=112M∑M12i=1Xi。　　第3步：构造协方差矩阵：Ct=∑M12i=1（Xi-μ）×（Xi-μ）T。　　第4步：求解协方差矩阵Ct的特征值和特征向量。直接计算的计算量比较大，采用奇异值分解（SVD）定理求解。　　（1）令A=[X1-

8、μ，X2-μ，…，XM-μ]，则有Ct=AAT，通过求解ATA的特征值和特征向量获得AAT的特征值和特征向量。计算矩阵L的特征向量vl=（l=1，2，…，M）。　　（2）计算出协方差矩阵Ct的特征向量μl=（l=1，2，…，M），使其满足：U=[μ1，μ2，…，μM]=[X1-μ，X2-μ，…，XM-μ]×　　[v1，v2，…，vM]=AV第5步：取前d个最大特征值的特征向量计算特征脸。d由阈值θλ确定，满足：J=mind

9、∑d12i=1λi∑M12j=1λj>θλ73仿真实验结果及分析　　一般图像的获取都是通过摄像头摄取，为了实验相对简单，不考虑通

10、过摄像头摄取头像，而是直接给定要识别的图像。本文实验数据选自英国剑桥大学ORL人脸库。共选取40个人，每人1