本發(fā)明涉及身份認證技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

身份認證技術(shù)是在計算機系統(tǒng)中確認操作者身份的過程而產(chǎn)生的有效解決方法。計算機網(wǎng)絡(luò)世界中一切信息包括用戶的身份信息都是用一組特定的數(shù)據(jù)來表示的，計算機只能識別用戶的數(shù)字身份，所有對用戶的授權(quán)也是針對用戶數(shù)字身份的授權(quán)。如何保證以數(shù)字身份進行操作的操作者就是這個數(shù)字身份合法擁有者，也就是說保證操作者的物理身份與數(shù)字身份相對應(yīng)，身份認證技術(shù)就是為了解決這個問題，作為防護網(wǎng)絡(luò)資產(chǎn)的第一道關(guān)口，身份認證有著舉足輕重的作用。在真實世界，對用戶的身份認證基本方法可以分為這三種：(1)基于信息秘密的身份認證；(2)基于信任物體的身份認證；(3)基于生物特征的身份認證。

隨著人臉識別技術(shù)在身份認證領(lǐng)域的應(yīng)用，假冒攻擊(或復(fù)制攻擊)對人臉認證系統(tǒng)構(gòu)成了很大的威脅。人臉活體檢測技術(shù)是一種防止攻擊者利用照片或者視頻假冒他人與計算機進行交互的一種安全防范技術(shù)。在許多依賴于人臉進行自動認證的應(yīng)用中，穩(wěn)定可靠的人臉識別活體檢測技術(shù)可以避免系統(tǒng)被攻擊者欺騙。目前的人臉活體檢測技術(shù)主要利用人機交互的方法，在檢測過程中要求用戶執(zhí)行相應(yīng)的動作，如張閉眼、張閉嘴、搖頭點頭等?；蛘咛砑虞o助硬件設(shè)備，通過檢測人臉器官的距離進行判定。cn201310384572.x中介紹的讓用戶在指定的時間內(nèi)完成隨機選定的若干動作若干次，根據(jù)完成情況判定是否為活體。這種方法只對頭部進行簡單的動作檢測，并沒有提及肢體的動作配合以及實時圖像對比功能。cn201510300584.9中利用超聲波測量攝像頭與障礙物之間的距離，同時利用邏輯回歸模型獲取分類概率值f；通過計算得到衡量兩幅圖像相似度的新指標(biāo)structuralsimilarityindexmeasurementsystem，簡稱ssim值，其值越大越好，最大為1。由ssim值和f值線性組合，得到最終結(jié)果，通過設(shè)定閾值判定是否為欺騙攻擊。但這種方法要求添加輔助設(shè)備，大大限制了應(yīng)用場景，且沒有提及具體的人證校驗方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)缺陷，而提供一種基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，可以對進入檢測區(qū)域的人臉進行活體檢測和人臉驗證，提高了身份認證系統(tǒng)的精度，進而增強了身份認證系統(tǒng)的安全性和可靠性。

本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的，一種基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，包括：

人臉驗證模塊，用于將獲得的被驗證者的人臉與身份證上人臉進行對比，判斷是否匹配；

唇語識別驗證模塊，用于在所述人臉驗證模塊驗證通過后，提示被驗證者讀出隨機提供的數(shù)字組合，判斷攝像區(qū)域中被驗證者的嘴唇外唇輪廓動作是否與讀出所述數(shù)字組合的嘴唇外唇輪廓動作匹配，若匹配則認定為活體并身份認證通過。

所述人臉驗證模塊包括：

人臉檢測單元，用于在攝像模塊采集的實時圖像中檢測人臉；

提示單元，用于在人臉檢測單元檢測到人臉后，提示被驗證者將身份證放在指定的身份證驗證區(qū)域以獲取身份證的圖像；

人臉驗證單元，用于被驗證者將身份證放在指定的身份證驗證區(qū)域后，通過人臉對齊、人臉特征提取和人臉相似度對比的處理順序來對比被驗證者身份證上人臉與人臉檢測單元檢測到的人臉的圖像，判斷是否匹配。

所述唇語識別驗證模塊在進行唇語識別時，是通過唇動檢測、口型特征提取以及唇語識別的順序步驟進行識別驗證。

所述身份證驗證區(qū)域為多個，所述指定的身份證驗證區(qū)域由所述提示單元隨機在所述身份證驗證區(qū)域中指定并在人機交互界面上通過彈出方框并輸出文字來提示。

所述人臉驗證模塊在首次驗證成功后，至少進行第二次驗證，在第二次驗證成功后再進入唇語識別驗證模塊的驗證。

所述唇語識別驗證模塊驗證至少檢測三次，并在多次檢測成功后提示身份認證成功。

所述數(shù)字組合為1-9中隨機產(chǎn)生的數(shù)字組合。

所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，還包括結(jié)果指示模塊，所述結(jié)果指示模塊包括：

第一指示燈，用于在攝像區(qū)域檢測到被驗證者的人臉時進行指示；

第二指示燈，用于在人臉驗證匹配成功后進行指示；

第三指示燈，用于唇語識別驗證成功后進行提示。

所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，還包括攝像模塊，用于獲取被驗證者的實時圖像及身份證圖像，所述攝像模塊為網(wǎng)絡(luò)攝像機。

所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，包括工控機、液晶顯示器；所述網(wǎng)絡(luò)攝像模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接所述工控機的網(wǎng)口，所述液晶顯示屏通過hdmi線與所述工控機連接。

本發(fā)明系統(tǒng)克服了不軌分子利用照片和視頻進行欺騙的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)人證合一的身份鑒別功，能達到高精確度人臉識別與活體檢測的功能，具有檢測效果好、準(zhǔn)確性高、檢測速度快等特點，可用于自助身份認證。

附圖說明

圖1所示為本發(fā)明的基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖；

圖2所示為基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)人機交互界面的示意圖；

圖3所示為基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)的檢測流程圖；

圖4所示為基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，一種基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，包括：

人臉驗證模塊，用于將獲得的被驗證者的人臉與身份證上人臉進行對比，判斷是否匹配；

唇語識別驗證模塊，用于在所述人臉驗證模塊驗證通過后，提示被驗證者讀出隨機提供的數(shù)字組合，判斷攝像區(qū)域中被驗證者的嘴唇外唇輪廓動作是否與讀出所述數(shù)字組合的嘴唇外唇輪廓動作匹配，若匹配則認定為活體并身份認證通過。

在具體實現(xiàn)時，采集被驗證者的圖像以及身份證圖像，對被驗證者圖像中的人臉與身份證上的人臉進行處理后，通過提取特征來比對，判斷是否匹配。如果匹配成功，則進入唇語識別驗證的步驟，由所述唇語識別驗證模塊，提示被驗證者讀出隨機提供的數(shù)字組合，然后根據(jù)唇語識別技術(shù)識別唇語是否與要求讀出的數(shù)字組合信息相匹配，進行唇語識別驗證，根據(jù)驗證結(jié)果對是否為活體進行認定并給出驗證結(jié)果，并在驗證成功后，身份認證通過。

在進行人臉驗證識別檢測時，系統(tǒng)會隨機顯示身份證放入?yún)^(qū)域，在唇語識別階段，系統(tǒng)會讓被驗證者讀出隨機數(shù)字組合，因此可防止照片和視頻的攻擊，從而實現(xiàn)人臉活體檢測。

本發(fā)明通過將人臉驗證與唇語識別驗證相結(jié)合，解決了利用照片和視頻進行驗證而容易欺騙的問題，能夠?qū)崿F(xiàn)人證合一的身份鑒別功，能達到高精確度人臉識別與活體檢測的功能。

其中，所述身份證驗證區(qū)域為多個，可以在人機交互界面上顯示，具體是所述指定的身份證驗證區(qū)域由所述提示單元隨機在所述身份證驗證區(qū)域中指定并在人機交互界面上通過彈出方框并輸出提示說明文字來提示。本發(fā)明中，所述身份證驗證區(qū)域1優(yōu)選為6個，分布在被驗證者的人機交互界面上的圖像顯示區(qū)域2的上下位置，各三個，如圖2所示。

具體實現(xiàn)上，所述數(shù)字組合為1-9中隨機產(chǎn)生的數(shù)字組合，如1234，3456或是4367等，當(dāng)然了，唇語識別驗證也可以是文字組合等可以由被驗證者讀出的語言信息。

進一步的，本發(fā)明中，所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，還包括結(jié)果指示模塊，實現(xiàn)對人臉檢測結(jié)果、人臉驗證結(jié)果以及唇語識別結(jié)果的提示，具體的，如圖2所示，可位于人機交互界面的相應(yīng)的位置，具體的所述結(jié)果指示模塊包括：

第一指示燈3，用于在攝像區(qū)域檢測到被驗證者的人臉時進行指示；

第二指示燈4，用于在人臉驗證匹配成功后進行指示；

第三指示燈5，用于唇語識別驗證成功后進行提示。

所述結(jié)果指示模塊具體在指示時，可以是通過指示燈變綠來指示相應(yīng)階段的驗證成功，否則為變紅狀態(tài)。

具體實現(xiàn)上的，本發(fā)明中，所述的人臉驗證模塊包括：

人臉檢測單元，用于在攝像模塊采集的實時圖像中檢測人臉；

提示單元，用于在人臉檢測單元檢測到人臉后，提示被驗證者將身份證放在指定的身份證驗證區(qū)域以獲取身份證的圖像；

人臉驗證單元，用于被驗證者將身份證放在指定的身份證驗證區(qū)域后，通過人臉對齊、人臉特征提取和人臉相似度對比的處理順序來對比被驗證者身份證上人臉與人臉檢測單元檢測到的人臉的圖像，判斷是否匹配。

需要說明的是，本發(fā)明中，所述人臉驗證模塊及唇語識別驗證模塊可利用相應(yīng)的人臉識別驗證以及唇語識別驗證軟件程序進行實現(xiàn)。

其中，所述人臉驗證模塊在進行人臉驗證時，包括人臉對齊、人臉特征提取和人臉相似度對比三個步驟，所述唇語識別驗證模塊驗證時，包括唇動檢測、特征提取以及唇語識別。下面進行具體的說明如下：

具體的，本發(fā)明可利用網(wǎng)絡(luò)攝像機配套的sdk實現(xiàn)視頻幀的采集，通過qt開發(fā)的人機界面實現(xiàn)圖像實時顯示以及人機互動。人臉檢測單元以網(wǎng)絡(luò)攝像機采集到的圖像為輸入得到人臉位置信息。在檢測到人臉圖像之后，第一指示燈變綠，并通過提示單元提示用戶將身份證放在指定的身份證驗證區(qū)域，同時在指定的身份證驗證區(qū)域檢測身份證中的人臉。

其中，人臉檢測可利用opencv的haarcascade_frontalface_atl2.xml模型檢測，如在人臉檢測單元檢測到人臉，則提示單元提示被驗證者將身份證放在指定的身份證驗證區(qū)域以獲取身份證的圖像，以進行一步的人臉對應(yīng)驗證。

當(dāng)用戶配合肢體動作將身份證放入指定的身份證驗證區(qū)域后，同樣用opencv的haarcascade_frontalface_atl2.xml模型檢測身份證中的人臉，檢測到身份證中的人臉以后，對人臉檢測單元檢測到的人臉和檢測到的身份證人臉進行特征提取并實時對比，以判斷身份是否一致。過程主要分為將攝像機顯示區(qū)域和身份證顯示區(qū)域檢測到的人臉進行人臉對齊、特征提取和相似度對比：

1.人臉對齊

檢索輸入圖像，對輸入圖像進行平移、縮放等操作，與人臉模板進行匹配。通過對齊算法得到匹配結(jié)果。

設(shè)人臉模板的灰度矩陣為：

t＝{tij}(i＝0,1,…,m-1；j＝0,1,…,n-1)(1)

輸入圖像矩陣為：

r＝{rij}(i＝0,1,…,m-1；j＝0,1,…,n-1)(2)

輸入圖像與人臉模板的歐幾里得距離為：

圖像矩陣的寬度為m和高度為n，i,j為像素坐標(biāo)。當(dāng)距離d小于預(yù)設(shè)閾值且d值越小，則表示輸入圖像與模板之間的匹配度越高。

對待檢測的圖像矩陣做對稱約束處理。分別求得輸入圖像矩陣r以縱向中心軸為界限的左半部分圖像rl和右半部分圖像rr，求兩部分圖像的灰度值之差θ＝rl-rr。當(dāng)θ的值取得最小值時，則可以認為輸入的圖像左右最為對稱，即為人臉圖像的最佳位置?？梢詫⑶蟮玫臍W氏距離d和對稱約束值θ相加，δ＝d+θ。當(dāng)δ取得最小值時，則認為輸入圖像具備歐氏距離與對稱約束之和最小，這時的圖片與模板的對齊效果最好。δ即為最后結(jié)果。本系統(tǒng)采用的人臉模板規(guī)格為36×36像素，如果檢測出的人臉圖像與人臉模板大小不一致，則對檢測出的圖像進行縮放操作，使其與人臉模板大小一致，并在此基礎(chǔ)上將圖像區(qū)域邊緣擴大8像素，為后續(xù)模板匹配預(yù)留空間。

2.特征提取

對輸入的人臉圖像進行人臉對齊后，通過alexnet網(wǎng)絡(luò)模型對人臉特征提取，得到人臉的特征向量以及特征變換矩陣。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(cnn)作為一種深度學(xué)習(xí)架構(gòu)，在精確提取圖像特征的同時降低模型復(fù)雜度。針對cnn在圖像識別方面的優(yōu)勢，提出一種基于cnn的人臉圖像特征提取方法。在cnn中，圖像的一小部分(局部感受區(qū)域)作為層級結(jié)構(gòu)的最低層的輸入，信息再依次傳輸?shù)讲煌膶樱繉油ㄟ^一個數(shù)字濾波器去獲得觀測數(shù)據(jù)的最顯著的特征。這個方法能夠獲取對平移、縮放和旋轉(zhuǎn)不變的觀測數(shù)據(jù)的顯著特征，因為圖像的局部感受區(qū)域允許神經(jīng)元或者處理單元可以訪問到最基礎(chǔ)的特征。該系統(tǒng)使用具有8層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的alexnet模型對融合的人臉圖像進行特征提取，再使用支持向量機(svm)進行分類預(yù)測。alexnet共有8層，其中5個為卷積層，2個為全連接層，1個是輸出分類層。其中：(1)第一和第二個卷積層后分別緊跟一個歸一化層(norm層)；(2)子采樣操作緊跟在第一第二個norm層，以及第5個卷積層后；(3)alexnet的倒數(shù)第二層能夠很好地描述圖像的全局特征，所以使用其倒數(shù)第二層的輸出作為圖像的特征，能夠很好地描述圖像，很適合用于圖像分類。

3.相似度對比

把提取身份證圖像與實時人臉圖像的人臉特征進行比對，得到識別結(jié)果。如果對比成功，系統(tǒng)會再次隨機選取另外一個區(qū)域要求用戶將身份證放入指定區(qū)域進行驗證，當(dāng)兩次驗證的結(jié)果都正確后，第二指示燈變綠，人臉驗證通過。

本發(fā)明中，所述唇語識別驗證模塊在進行唇語識別時，按順序包括唇動檢測、特征提取以及唇語識別的步驟。唇動檢測用于對輸入圖像的嘴唇進行定位，并檢測是否存在張閉嘴動作；特征提取，用于提取唇語的有效口型特征；唇讀識別，是通過提取的有效口型特征來識別唇語內(nèi)容。

具體的，本發(fā)明中，所述唇語識別驗證模塊采取支持向量機算法(supportvectormachine,svm)來進行檢測嘴唇的外唇輪廓來進行口型的提取，在很好地消除無關(guān)臉部信息的同時，保證了其準(zhǔn)確性和速度。采用基于k-means算法的動態(tài)聚類算法對嘴唇進行識別，并對嘴唇緊閉、微張以及張開的情況進行了驗證，在唇語識別驗證通過后，第三指示燈變綠，指示唇語識別驗證通過。

為了進一步提高人臉驗證的可靠性，本發(fā)明中，在所述人臉驗證模塊在首次驗證成功后，還要進行第二次驗證，在第二次驗證成功后，再進入唇語識別驗證模塊的驗證。如果第二次驗證不成功，則驗證失敗，可重新進行人臉驗證，只有在要求的人臉驗證步驟成功后才可進入唇語識別驗證階段。當(dāng)然，也可以根據(jù)需要設(shè)置更多次的驗證，具體不限。

為了進一步提高唇語識別驗證的可靠性，本發(fā)明中，所述唇語識別驗證模塊驗證至少檢測三次，并在多次檢測成功后提示身份認證成功。具體是，第一次驗證成功后，系統(tǒng)在提供了第一次數(shù)字組合后，再隨機提供第二組數(shù)字組合，由被驗證者讀出該第二組數(shù)字組合，再進行驗證，如果第二次唇語識別驗證通過，則進行第三次驗證，由系統(tǒng)再隨機提供第三組數(shù)字組合，由被驗證者讀出該第三組數(shù)字組合，再進行驗證，三次驗證成功后，提示驗證通過。當(dāng)然，也可以根據(jù)需要設(shè)置更多次的驗證，具體不限。

具體實現(xiàn)上，本發(fā)明中，所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，還包括攝像模塊，用于獲取被驗證者的實時圖像及身份證圖像，所述攝像模塊為網(wǎng)絡(luò)攝像機。所述網(wǎng)絡(luò)攝像機在獲取被驗證者的實時圖像及身份證圖像后，由所述人臉驗證模塊按前面所述的方法進行人臉驗證，以及由所述唇語識別驗證模塊進行唇語識別驗證。

工作時，從網(wǎng)絡(luò)攝像機實時獲取圖像；在圖像指定區(qū)域內(nèi)檢測人臉；隨機顯示身份證放入身份證驗證區(qū)域，提示用戶在指定的身份證驗證區(qū)域放入身份證；對實時采集的人臉圖像與隨機顯示的身份證驗證區(qū)域內(nèi)的身份證圖像進行人臉檢測、人臉對齊、特征提取、相似度對比；對比分?jǐn)?shù)達到預(yù)設(shè)閾值后進入唇語識別階段，被驗證者按照系統(tǒng)發(fā)送的指令讀出隨機顯示的數(shù)字，若識別成功，則判定為活體。

進一步的，所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，還包括工控機、可在顯示界面上顯示實時采集的被驗證者的圖像以及身份證圖像的液晶顯示器；所述網(wǎng)絡(luò)攝像模塊通過網(wǎng)絡(luò)連接所述工控機的網(wǎng)口，所述液晶顯示屏通過hdmi線與所述工控機連接。所述網(wǎng)絡(luò)攝像模塊采集的實時的被驗證者的圖像以及身份證圖像，可以顯示在該液晶顯示器的顯示界面上，實現(xiàn)進行人臉驗證及唇語識別驗證。

所述基于活體檢測和人臉驗證的身份認證系統(tǒng)，還包括鍵盤與鼠標(biāo)，分別與所述工控機相連接。

需要說明的是，本發(fā)明中，由于系統(tǒng)提示的放入身份證的身份證驗證區(qū)域以及提示讀出的數(shù)字組合是隨機的，用戶不可能通過播放視頻的方式來通過活體檢測，所以本發(fā)明可以更好地防止活體檢測中的照片和視頻剪輯方式等欺詐行為，使得活體檢測的可靠性和安全性更高，與此同時，也實現(xiàn)了高精確度的人臉識別。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明添加了人臉對比和活體檢測技術(shù)，有針對性地解決了現(xiàn)有身份認證系統(tǒng)易受照片和視頻攻擊的問題，采用該身份認證技術(shù)，能夠準(zhǔn)確地判斷出驗證人的身份以及是否為活體，增強了身份認證系統(tǒng)的可靠性和安全性。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。