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众里挑一 只需一面 |
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——记清华大学电子工程系教授苏光大 |
■本报记者 潘锋
2010年12月的一天，在清华园图像识别与高速图像处理研究室里，苏光大像往常一样坐在计算机前，阳光和着噼里啪啦的敲击声、抑扬顿挫的点击声在他的肩上跳着欢快的舞，从他的键入速度不难看出，他的研究工作进展顺利。
突然，一阵突兀的电话铃声响起，打破了实验室的一切。
“苏教授，您好，我是准格尔刑警队的警员，我们手中的犯罪嫌疑人人脸图像模糊，无法辩认嫌疑人，目前侦查已经陷入僵局。我们知道您有技术可以帮到我们，我们十分需要您的帮助。”
不久，警方得到了一张经过特殊技术处理的人像。根据这张人像，犯罪嫌疑人无所遁形，轰动一时的内蒙古准格尔旗大案很快告破。
是什么技术如此神奇，可以令仅有4x6点的超低分辨率人脸图像逼真重建？
这就是凝结了清华大学电子工程系教授苏光大三十几年心血的“人脸识别系统”。
给点阳光就灿烂
在一些讲述未来的影片中，我们常常可以看到这样的情景：清晨，当你走到私家车前面，不需要钥匙，车门会自动打开；到达公司大门前，不需要门禁卡，智能终端会准确地报出你的名字并为你开门；接着，你坐在个人电脑前，电脑会自动登陆到你的账户上，不需要输入密码便开始了一天的工作；回到家门口，不需要钥匙，智能家居系统会自动为你开门……
现在，苏光大的“人脸识别系统”可以把这些幻想变成现实。
人脸识别系统属于生物特征识别技术的一种，其目的是利用人脸信息对人的身份进行识别。从原理上讲，所谓的人脸识别，就是从视频或者图片中的人脸提取相关特征，与已有数据库中的人脸特征相比较，然后计算出待测人脸的特征与数据库中哪一类人脸最相近，进而得出被测人的身份。与脱氧核糖核酸（DNA）、指纹和虹膜识别等类似生物特征识别技术相比，人脸识别技术有着易于采集、成本低廉、与人类自身识别习惯相符合等独特优点，因此该技术可以被非常广泛的应用于日常生活。
苏光大的人脸识别系统是由早期的“人像组合系统”逐渐延伸发展而来的。
时光回溯，苏光大与图像处理技术渊源颇深。1981年，他所在的教研室研制成功中国较早的图像处理系统“TS-79小型通用数字图像处理系统”；1985年合作研制成功“TS-84微机图像图形处理系统”荣获1988年教育部科技进步奖二等奖，成为中国最早的微机图像处理系统；1986年，合作研制成功“伽玛照相机图像处理系统”；1988年，又主持研制成功扇扫B超医疗诊断仪。
一切的积累，仿佛只为了迎接1989年的到来，这一年，苏光大的课题组承担了公安部“GA计算机人像组合系统”研究项目。尽管只有1.2万元的科研经费，但苏光大笑称自己“给点阳光就灿烂”，仅用了三年，就成功开发了一套内容庞大、表达非常准确的计算机“人像组合系统”。系统于1992年通过教育部科技成果鉴定，1993年8月公安部在哈尔滨市公安局举办全国首届推广班，11家公安厅、局装备应用。1994年，武汉市公安局即利用该技术破获了持枪抢劫特大案件，成为我国利用人像组合破获的首起成功案例，并由中央电视台《东方时空》栏目及时进行了追踪报道。
这之后，该系统在全国范围内得到了大规模的应用，成了许多地方公安人员的必备武器，在全国立下了赫赫战功。
不知足者常胜
“人像组合系统”见诸媒体后，苏光大收到了很多来自全国各地的求助信息，在不断应用的过程中，苏光大发现了“人像组合系统”的不足。
“人像组合系统”的原理是在计算机中建立一个有各种眼睛、鼻子、嘴巴、眉毛、脸型等的数据库，在需要时，可以按照不同情况的需要把各种人脸的“部件”重新组合在一起，形成一个新的人像。可是，凭组合成的人像去找一个人，犹如大海捞针。
“能不能依靠计算机组合的人像在人员数据库中搜索犯罪嫌疑人？”
带着这样的疑问，不安于“人像组合系统”现状的苏光大转身投入了人脸识别技术的探索中了。并得到公安部的大力支持，于1996年成功在公安部立项，研发人像组合与人像识别综合系统。在经历了种种失败后，苏光大独辟蹊径，将多种高等数学应用到人像识别之中，用部件PCA的方法进行人像识别查询，获得了很大突破，使待查的人像能在最短的时问里，从信息库里查到与其特征相同的目标。
这是中国最早的人脸识别系统，是一个集人像组合、模糊图像复原、识别技术于一起的综合系统。系统建立了9.2万人的数据库，用四台微机并行处理，比对一次仅耗时58秒。2000年12月，该系统通过了公安部组织的专家鉴定。
与此同时，人脸识别技术也开始受到国家更为深度的重视，防范、打击刑事犯罪的关键技术——人脸识别查询技术甚至被列入国家“十五”科技攻关计划项目。从2001年起始，到2005年1月28日通过科技成果鉴定，苏光大和他的课题组创造出“6台计算机并行处理、比对速度高达每秒256万人”的成果。2006年1月，当该系统出现在国家科技创新重大成就展上时，人们见识到它的奇迹，有关领导和专家也不吝好评。不久，新华社、中新社根据《清华人脸综合识别系统全面进入应用推广》的新闻稿发了通稿，上百家媒体相继进行了集中报道，不仅在国内外产生了较大影响，更推动了国内的人脸识别市场。由此，清华大学人脸识别系统成为国内应用的主流系统之一，在公安、安全部门广泛应用。2008年1月，他们在国内首次建成了千万级数据库的人脸识别应用系统，取得了突出的应用成果。
至此，苏光大和他的人脸识别系统已经可以坐享美誉，可他偏偏就是个“不知足”的人。苏光大说：“今后IT有两个很重要的发展方向，一是智能处理，二是超高速的处理速度”苏光大认为，发展高速图像处理，是对高速目标检测、定位、跟踪以及遥感图像处理、人脸识别、指纹识别等技术的重要支持。
“在这个领域，普遍使用的是邻域图像处理”，据苏光大介绍，邻域图像处理具有邻域性强、计算量大的特点。美中不足的是，邻域图像的处理速度，尤其是大邻域图像处理的速度是当前制约图像处理应用的一个瓶颈，这不仅严重影响图像处理技术的推广应用，也影响图像处理算法的深入发展。
为了谋求更高的处理速度，苏光大综合考虑了算法、存储、处理三方面的有机联系，特别是对相互之间的数据匹配问题进行了关注，提出了邻域计算的理论，突破了大邻域图像处理的速度瓶颈，在当前可资利用的条件下，以较小的代价实现了每秒1350亿次操作的超高速处理。该项研究不仅为图像并行处理奠定了基础，实现了邻域核可变的数据结构，使最大邻域核达到了25×24；同时，项目组通过数据结构在算法、存储、处理中保持一致，建立了先进的并行体系结构，可同时处理600点图像数据，实现了高速图像处理。
2008年1月18日，在教育部举办的由苏光大领衔的“NIPC－3邻域图像并行计算机”项目鉴定会上，以中国工程院院士毛二可为主任的鉴定委员会的一致认为，该系统在大邻域图像核和邻域图像处理的速度上优于目前可查到的国际最好水平。这是一项原始性创新，实现了高速图像处理，为图像并行处理奠定了基础，在图像科学上具有重要意义。
科技进步的动力源自于科学家的永不满足，在实践中，苏光大发现在视频监控场景中，监测到的人脸图像往往很小，致使公安部门的一些办案工作陷入困境。为了使超低分辨率人脸图像得到高清晰度重建，苏光大再次扛起了科研的大旗，主持了重点攻关项目“数字影像资料处理及检验技术”。2010年7月28日，该项目通过了公安部的验收，所实现的超低分辨率人脸图像的高速重建处于国际领先水平。同年在本文开篇提到的内蒙古准格尔旗大案中，该技术华丽丽的通过了实践的检验。在2011年许多案件的侦破中，也发挥了重要作用，充分证明了该技术的先进性和实用性。这是一项处于国际最好水平的重大科技成果，它有效地解决了超低分辨率人脸图像重建与识别的世界级难题，在刑侦办案工作中具有广阔应用前景。
防患于未然
“我的人脸识别系统，一直在公安部门办案中发挥作用，我想，要是可以防患于未然，把犯罪扼杀在摇篮里不是更好吗？”
2007年8月和2008年5月，苏光大研发的系统在两次奥运会测试赛中脱颖而出，成为北京奥运会开闭幕式入场的“把关者”。实现了苏光大“防患于未然”的设想。
这可不是一件容易的事情。
作为“把关者”，要求电脑要像人脑一样，看一眼就知道“他是不是他”。但是人脸本身虽不易改变，神态却千变万化，加上年龄增长和不同光照下的明暗变化，识别人脸对于只认数字和计算的电脑来说，困难重重。
多年的研究经验让苏光大很快找到了解决问题的关键——有人的面部骨骼决定的比例关系不会因为胖瘦、表情、年龄的变化而轻易改变。于是，苏光大根据这些关键点进行统计学计算，按照奥运会应用的要求，在已有MMP-PCA人脸识别算法的基础上，研制成功了GGMMP-PCA人脸识别新算法，建立起数据模型，把人的面部解析成由数字组成的“矩阵”，变成电脑能读懂的“语言”。这样一来，人脸经计算机转换为数字，一点点计算出来，最终提取出一组能够表达整张人脸的特征数据，实现了人脸识别快速身份验证系统的成功实施。
苏光大的这一创举不但保障了北京奥运会的安全，而且使之成为奥运史上首次采用具有“生物特征”的身份识别方式的盛会，并因此获得第29届奥运会组委会安保部和票务中心的联合表彰。北京奥运会之后，苏光大的人脸识别技术有了越来越广阔的应用领域。在许多银行等重要场所也已启用这一系统。
俗话说，“没有规矩不成方圆”。当一项新的科技成果被广泛使用后，制定行业标准显得尤为重要起来。2010年12月2日，以苏光大为第一起草人的行业标准《安防生物特征识别应用术语》由公安部批准发布，成为国内首个颁布实施的涵盖人脸、指纹、声纹、虹膜等多生物特征识别技术的综合性术语标准。
采访中，苏光大说：“现在的技术已经能够实现上亿人脸数据库的人脸识别系统，目前正在搭建系统结构。未来，希望它可以为我国‘2020年进入创新型国家行列’的建设目标保驾护航。”
苏光大一直在努力，目标也在一个一个实现。我们期待更美好的未来。
《中国科学报》 (2012-01-01 B33 专题)
