陈保国

（南京铁道职业技术学院，江苏南京，210031）

1 物联网及人脸识别视频网络技术的发展

1.1 物联网视频网络技术的发展状况

最近几年，随着物联网技术、图像处理技术以及数据传输技术的快速发展，视频网络技术应运而生并取得了长足的发展。当前，视频网络系统作为一种模拟数字控制系统，其具有非常成熟和稳定的性能，已广泛应用于实际工程中。虽然数字系统发展迅速，但尚未完全形成相应的体系，因此，混合数字和模拟应用程序逐渐迁移到数字系统将成为未来发展的主要趋势之一。当前，国内外市场上主流的产品主要有两种，即模拟视频数字网络系统、数字视频网络系统。前者技术先进，性能稳定，被广泛应用于实际工程应用中，特别是大中型视频网络项目。后者作为一种新兴技术，是一种通过以计算机技术和视频压缩为核心的新型视频网络系统，其有效的避免了模拟系统所存在的一些弊端，但未来仍需要进行不断的改进和发展。外部集成、视频数字化、视频网络连接、系统集成是未来视频网络系统发展的重要研究方向。数字化是网络的前提，而网络是系统集成的基础。因此，视频网络领域的两个最大发展特征是：数字化和网络化。

1.2 人脸识别视频网络的发展状况

人脸识别技术作为模式识别领域中的一项前沿课题，截止目前，已有三十多年的研究历史。人脸识别目前是模式识别和人工智能的研究热点，目前主要采用AdaBoost分类器进行人脸区域的检测，人脸识别研究的内容大致分为以下内容：

（1）人脸检测：其指的是在不同场景下的人脸检测及其位置。人脸检测是通过在整个输入的图像中找到一个合适的人脸区域为目的，并将该图像分为人脸区域和非人脸区域两部分。在实际的某些理想情况下，由于可以人为手动控制拍摄环境，因此，可以轻松确定人脸的位置；但是在大多数情况下，由于场景更加复杂，因此，人脸的位置是未知的。因而在实际的人脸识别视频网络过程中，首先必须确定识别场景中是否有人脸的存在，如果存在人脸，再进一步确定图像中人脸的具体区域。

（2）人脸识别：将系统检测到的人脸特征信息与系统数据库中存在的已知人脸信息进行充分识别与匹配，以此获取相关信息，该过程的本质是选择正确的人脸模型和匹配策略。在实际生活的应用当中，由于成人的面部模型处于不断变化当中，且容易受到时间、光线、相机角度等方面的差异，因而很难用一张图纸表达同一个人的面部图像，这使得提取特征变得困难，由于大量的原始灰度图像数据，神经元的数量通常很大并且训练时间很长。除此之外，完全依赖于神经网络的识别方法具有当前计算机系统固有的局限性，尽管神经网络具有很强的感应能力，但是随着样本数量的增加，其性能可能会大大降低。简而言之，由于年龄，表情，倾斜度和其他表征对象的因素的多样性，很难进行人脸识别，因此，识别该对象的效果仍远未达到现实。目前，普遍采用AdaBoost算法来对出现在视频中的人脸区域进行检测，以此达到实时获取人脸图像的目的，AdaBoost算法的原理是通过训练得到多个不同的弱分类器并将这些弱分类器通过叠加、级联得到强分类器，AdaBoost算法流程如图1所示。

图1 AdaBoost算法流程图

（3）表情分析：即对面部表情信息（幸福，悲伤，恐惧，惊奇等）进行分析和分类。当前，由于问题的复杂性，正在对面部表情的分析进行研究，它仍处于起步阶段。心理学表明，至少有六种与不同面部表情相关的情绪：幸福，悲伤，惊奇，恐惧，愤怒和恶心。即与没有表情的面部特征相比，这六个表情的面部特征具有相对独特的运动规则。

（4）生理分类：分析已知面孔的生理特征，并获得相关信息，例如种族、年龄、性别和职业。显然，此过程需要大量知识，通常非常困难和复杂。

2 物联网卷积神经网络人脸识别方法分析

卷积神经网络是专门设计用于识别二维形状的多层感知器。通常，可以使用梯度下降和反向传播算法来训练网络。从结构上讲，卷积神经网络包含三个概念：局部感受野、权重共享和下采样，使其在平移，缩放，倾斜或其他形式的变形中相当稳定。当前，卷积神经网络被广泛用于模式识别，图像处理和其他领域。卷积神经网络（CNN）用于提取目标人脸图像的特征。训练网络后，将先前测试的模型用作面部分类器，微调可以缩短网络模型的训练时间。

卷积神经网络的基本体系结构是输入层，卷积层（conv），归约层（字符串），完全连接层和输出层（分类器）。通常有多个卷积层+速记层，此程序实现 的CNN模 型 是LeNet5，并且有两个“卷积+下采样层”LeNetConvPoolLayer。完全连接的层等效于MLP（多层感知器）中的HiddenLayer。输出层是一个分类器，通常使用softmax回归（有些人称为直接逻辑回归，它实际上是多类逻辑回归）。LogisticRegression也直接提供了该软件。人脸图像在视频监控中实时发送到计算机，并且面部区域部分由AdaBoost算法确定。在预处理之后，将脸部图像注入到新训练的预训练模型中进行识别。该过程如图2所示。

图2 测试流程

3 物联网人脸识别视频网络多目标算法优化

多目标优化问题的实质是协调并在各个子目标之间达成折衷，以便使不同的子目标功能尽可能地最佳。工程优化的大多数实际问题都是多用途优化问题，目标通常相互冲突。长期以来，多目标优化一直受到人们的广泛关注，现在已经开发出更多的方法来解决多目标优化问题。

如果多标准优化没有最差的解决方案，那么通常会有无限多的解决方案，这并不是最差的解决方案。解决面部强调时，人们不能直接应用许多次等解决方案。作为最后的决定，我们只能选择质量不是最低，最能满足我们要求的解决方案。找到最终解决方案的方法主要有三种。因此，只有通过找到大量有缺陷的解决方案以形成有缺陷的解决方案的子集，然后根据我们的意图找到最终的解决方案。基于此，多目标算法是通过将多准则问题转变为一个关键问题，这种方法也可以视为辅助手段。这种方法的棘手部分是如何获取实际体重信息，至于面部特征，我们将建议一种基于权重的多功能优化算法，该算法可以更好地反映脸部的特征。

我们将人脸的每个特征都视为多个目标，并且在提取面部特征时，面部特征会受到外界的强烈影响，例如位置，光照条件和强度的变化，并且所有部位和每个部位都会受到影响。因此，我们可以使用加权方法从每个受影响的分数中提取不同的权重。

图3 物联网人脸识别视频网络多目标算法的优化前后的比较

通过开展试验测试，结果表明，在有多目标优化的算法的作用下，比在没有多目标优化的算法作用下人脸识别效果有所提高，大约提高了5—10个百分点。

4 结论

鉴于多准则优化算法在科学研究的各个领域中的广泛使用，本文提出了一种多准则优化算法来对复杂的多准则人脸图像上的各种面部特征进行特征提取的多准则优化，以达到提高人脸识别率的目标、提高整个人脸识别视频网络系统的性能。