人脸工程学的意义与应用

总体来说，有三个大方面的应用驱动着计算机人脸研究的进展：其一是安全，包括视频监控、生物识别和认证等，相应的典型研究方向为人脸检测、人脸跟踪、人脸识别等；其二是艺术，可以应用在影视艺术、游戏等行业，应用需求为：如何使用计算机技术生成具有丰富表情的人脸，其对应的典型研究方向为真实感/非真实感，2D/3D计算机人脸动画；其三为人机交互，主要研究方向为多通道人机接口（注视跟踪与识别）、用户认知建模、注意机制等，应用需求为：使计算机能够理解人的面部动作、行为、情感等，并据此做出反馈。

下面分别从人脸识别、表情识别和人脸合成三方面来具体介绍人脸工程学研究的意义与应用。

1.人脸识别

研究人脸识别在理论和技术上都具有重要的意义：一是可以推进对人类视觉系统本身的认识；二是可以满足人工智能应用的需要。采用人脸识别技术，建立自动人脸识别系统，用计算机实现对人脸图像的自动识别有着广阔的应用领域和诱人的应用前景。具体来说，人脸识别技术的典型应用有：

（1）身份鉴定（一对多的搜索） 在鉴定模式下，确定一个人的身份。人脸识别技术可以快速地计算出实时采集到的面纹数据与人脸图像数据库中已知人员的面纹数据之间的相似度，给出一个按相似度递减排列的可能的人员列表，或简单地返回鉴定结果（相似度最高的）和相对应的可信度。

（2）身份确认（一对一的比对） 在确认模式下，面纹数据可以存储在智能卡中或数码记录中，人脸识别技术只需要简单地将实时的面纹数据与存储的相比对，如果可信度超过一个指定的阈值，则比对成功，身份得到确认。

（3）监控 应用面像捕捉，人脸识别技术可以在监控范围中跟踪一个人和确定他的位置。

（4）监视 可以在监控范围内发现人脸，而不论其远近和位置，能连续地跟踪他们，并将他们从背景中分离出来，将他们的面像与监控列表进行比对。整个过程完全是无须干预的、连续的和实时的。

（5）面像数据压缩 能将面纹数据压缩到84字节，以便用于智能卡、条形码或其他存储空间有限的设备中。

2.表情识别

人类的语言分为自然语言和形体语言两类。面部表情是形体语言的一部分，既是人们交往的一种手段，也是情绪表达的一种方式。在人类交往过程中，言语与表情经常是相互配合的。同时，表情比言语更能显示情绪的真实性。有时，人们能够运用言语来掩饰和否定其情绪体验，但是表情则往往掩饰不住内心的体验。情绪作为一种内心体验，一旦产生，通常会伴随相应的非言语行为，如面部表情和身体姿势等。一些心理学家研究发现，在人类进行会话交流传递信息时，言语内容占7%，说话时的语调占38%，而说话人的表情占55%，所以说表情在人类交往活动中起到了重要的作用。

面部表情的分析与识别是实现智能化的人机接口必不可少的一个重要方面，是关于人工心理理论和情感计算研究的一个重要组成部分。计算机或机器人如果能够像人类那样具有理解和表达情感的能力，并能够自主适应环境，这将从根本上改变人机关系，使之能够更好地为人类服务。这就是研究人脸表情识别的理论意义。另外，人脸表情识别的研究还具有重要的学术价值。人脸是一类具有复杂细节变化的非刚性自然物体，研究人脸表情将为解决其他类似复杂模式的识别及其相关问题（例如人脸识别），提供重要的启示。同时，人脸表情识别的研究将对推动认知科学、生理学、心理学等相关学科的研究有着非常积极的影响。

在实际中，人脸表情识别有着广泛的应用前景，计算机的人脸表情识别能力对计算机视觉系统、建模和数据库的发展都有重要作用。当前，在人机交互中，结合进视觉、听觉以及更多的通道，如触觉、情感状态、表情等是必然趋势。未来计算机的发展将是以人为中心的，不仅计算机能通过多个通道、多种信息表现形式进行人机对话，而且能综合采用多个通道，使人能通过语言、文字、图像、手势、表情等与计算机以自然、并行、协作的方式进行人机对话，还能通过整合来自多个通道的输入来捕捉用户的交互意图，提高人机交互的自然性和高效性。此外，人脸表情识别也是视频人脸图像检索和低带宽人脸数据传输中的关键技术。当在图像流中检索人的动作以及情感状态的内容时，基于视觉的人脸表情识别是有用的。人脸数据的低带宽传输，可以通过利用对人脸动作的中间层和高层的视觉表示而更高效（例如，传送一个微笑和一些可以决定嘴巴动作的参数），这样在接收端就可以利用这些数据恢复出人脸动作。在人类行为科学的研究方面，人们一直希望能揭开人脸表情的神秘面纱。由于人工进行表情动作编码太费时费力，人们希望能借助计算机来进行自动的人脸表情识别，并利用其结果来发现新的表情，以此作为人类行为研究的一个辅助手段。在语言学中，可辅助唇读；在行为学中，能帮助人们研究和建立交流中的可信度；另外，在其他方面，如面部神经瘫痪诊断、人脸图像合成与动画、智能机器人、智能监控等，表情识别都有着重要的应用价值。(www.xing528.com)

3.人脸合成

人脸是人类相互交流的渠道，在虚拟的计算机世界中，虚拟的人脸就是人脸表情和语言的载体。近几年来，人脸合成技术作为计算机图形学的一个独特分支越来越受到人们的重视。受电影和录像中高频率地出现虚拟人物、廉价的桌面处理能力和人机交互中需要一种全新的沉浸感的影响，人脸建模技术的研究成为近年来的一个新热点。

人脸建模系统具有广泛的应用。有些用于娱乐方面的，如电影的制作；有些使我们的生活变得更便利；有些则是用于特殊的目的，如电视电话技术。人脸合成的应用领域包括：

（1）人机交互界面 现有的人机界面存在的普遍问题是单一、呆板和专业性强，用户往往要花费很长的时间才能学会使用一个新系统。若能给用户提供熟悉的界面，比如会说话、会思考的人脸的形式出现，而不是面对单调的键盘，那么将会提高设备的可用性。

（2）虚拟现实游戏 一般的游戏中的角色往往离现实很远，使用了快速人脸建模和动画技术的游戏，可以让人们在虚拟场景中用自己的虚拟形象进行体验和交互。

（3）远程视频通信 直接传输视频图像在现有的网络带宽下不仅不现实，而且不必要。很多视频压缩算法借助人脸造型和动画的技术，能够快速地压缩人脸的视频信息，使其适合在网络上传输。

（4）医疗研究 医疗中脸部建模的主要应用是外科手术和心理领域。建立好的人脸模型可预演校正外科手术和牙科诊治的过程。不断发展的人脸建模系统为心理学家进行人脸表情的研究提供了依据。心理学家可以用人脸运动的计算机模型来实现他们的研究，这比以前他们必须使用刺激肌肉来做研究更方便。

（5）辅助教学 使用脸部建模的另一个应用是作为教学的工具。教人正常发音是一项艰辛而又单调的工作，而当学生在说话和听力方面有障碍时，更是如此。相反，学生可以在任意地方，跟着计算机模拟的老师学习，而不必一对一地教学，那将减少很多工作量。另外，将一个学习的过程做成游戏的形式，学生的学习积极性将大大提高，学习过程充满了乐趣，利用计算机，老师可以省去大量重复性的工作，并且一次教学能容纳更多的学生。更重要的是，学生可以随时随地的学习。

（6）公安鉴别 身份鉴别方法的不断提高有助于案件的侦破。通过操作三维人脸模型适配到目击者的描述。这样做的主要优点是三维图形给出犯罪分子更精确的描述，特别是当目击者没有看到嫌疑犯的正面时，该系统的价值更能得到体现。

（7）考古人物复原 在考古研究中，经常会出土大量未知身份的颅骨，通过计算机辅助颅骨面貌复原技术有助于人物身份、种族的判定。如2001年，根据出土的老山汉墓墓主人的尸骨，利用颅骨面貌复原技术重建出了老山汉墓主人的生前面貌形象。在2016年举行的第39届数字考古国际会议上，北京师范大学信息科学与技术学院的周明全教授团队利用3D颅面复原技术，向世人展示了1200多年前唐高祖李渊第五代孙女李倕复原后的容颜。

（8）电影特效和动画产品 从早期的《玩具总动员》《真实的谎言》《变脸》到最近的《阿凡达》和《变形金刚》等电影，都体现了人脸造型和动画技术的发展。电影制作者利用最先进的技术，把人的特点赋予到其他的动物和物体上，给这些角色带来鲜活的拟人个性。