基于特征融合的雙模態(tài)生物識(shí)別方法

周衛(wèi)斌，王 陽(yáng)，吉書(shū)林

(天津科技大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222)

近年來(lái)，信息技術(shù)飛速發(fā)展、智能設(shè)備不斷普及，指紋識(shí)別[1]、人臉識(shí)別[2]、虹膜識(shí)別[3]、語(yǔ)音識(shí)別[4]等身份識(shí)別技術(shù)早已應(yīng)用于日常生活中的各個(gè)方面．然而，單模態(tài)生物特征識(shí)別技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中不僅受外部環(huán)境的影響，還受自身局限性的影響，極大地限制了其應(yīng)用場(chǎng)景，降低了身份識(shí)別的準(zhǔn)確率．例如，指紋破損或者沾水會(huì)降低指紋識(shí)別的準(zhǔn)確率；佩戴口罩會(huì)降低人臉識(shí)別的準(zhǔn)確率；佩戴眼鏡會(huì)降低虹膜識(shí)別的準(zhǔn)確率．因此，雙模態(tài)融合識(shí)別對(duì)于彌補(bǔ)單一生物特征識(shí)別的缺陷、提高身份識(shí)別的準(zhǔn)確率、增強(qiáng)信息的安全性具有重要意義．相比于三模態(tài)、四模態(tài)等多模態(tài)的生物識(shí)別方法[5]，指靜脈和人臉的雙模態(tài)識(shí)別不僅減少了計(jì)算量、降低了算法復(fù)雜度，還使體內(nèi)生物特征(指靜脈)與體外生物特征(人臉)的優(yōu)勢(shì)得以互補(bǔ)，打破了單一生物特征識(shí)別的應(yīng)用局限，提高了身份信息的安全性和身份識(shí)別的準(zhǔn)確率．

雙模態(tài)生物特征識(shí)別技術(shù)是融合兩種單一生物特征作為新的特征進(jìn)行識(shí)別的方法[6]．指靜脈和人臉屬于兩種不同的生物特征，根據(jù)融合發(fā)生的位置不同，可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、匹配層融合和決策層融合，如圖1所示．

圖1 雙模態(tài)生物特征融合框圖 Fig. 1 Block diagram of bimodal biological feature fusion

數(shù)據(jù)層融合屬于最低層次的融合[7]；匹配層融合又稱分?jǐn)?shù)層融合，不同樣本經(jīng)匹配層得到與模板庫(kù)的匹配分?jǐn)?shù)，經(jīng)過(guò)歸一化處理后進(jìn)行匹配分?jǐn)?shù)融合[8]；決策層融合類似投票表決機(jī)制，對(duì)不同樣本的決策結(jié)果(接受/拒絕)進(jìn)行融合[9]；特征層融合發(fā)生在特征提取模塊，不同樣本經(jīng)過(guò)特征提取獲得各自的特征向量，然后將特征向量通過(guò)特征串聯(lián)、級(jí)聯(lián)等方式拼接成一個(gè)新的特征向量，將新的特征向量作為生物識(shí)別系統(tǒng)的輸入進(jìn)行匹配和決策[10]．特征層具有豐富的有效特征信息，是眾多學(xué)者研究的熱點(diǎn)．例如，Yang等[11]利用統(tǒng)一的Gabor濾波器框架提取指紋和指靜脈特征，提出一種新的監(jiān)督局部保持典型相關(guān)分析方法(SLPCCAM)，用于生成特征層融合的指紋指靜脈特征向量(FPVFVs)；只使用一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)該方法的性能進(jìn)行評(píng)估，在實(shí)際應(yīng)用中具有很大的局限性. Veluchamy等[12]提出將指關(guān)節(jié)和手指靜脈進(jìn)行特征層融合，并采用支持向量機(jī)(SVM)分類器進(jìn)行多模態(tài)生物識(shí)別，但是該方法在特征融合后產(chǎn)出的新特征向量的維數(shù)過(guò)高．Pan等[13]提出一種基于核Fisher判別分析(KFDA)方法，并結(jié)合平均規(guī)則、加權(quán)求和規(guī)則和乘法規(guī)則實(shí)現(xiàn)人臉和人耳的特征層融合，但是該方法同樣也出現(xiàn)了“維度災(zāi)難”現(xiàn)象．

近年來(lái)，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)的發(fā)展在生物識(shí)別系統(tǒng)中產(chǎn)生了非常大的影響，并取得了優(yōu)異的成 果[14]．傳統(tǒng)算法提取圖像特征需要大量手工標(biāo)注，而卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像逐像素卷積的方式，能夠快速、高效地提取到圖像多尺度特征．

1 本文方法的實(shí)現(xiàn)

在眾多的生物特征中，人臉圖像是最自然、最明顯的個(gè)人識(shí)別特征；指靜脈是體內(nèi)生物特征，不易被損壞、偽造和復(fù)制，并且每個(gè)人、每個(gè)手指之間指靜脈特征都具有差異，具有極高的安全特性[15]．鑒于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識(shí)別和圖像特征提取任務(wù)中的出色表現(xiàn)，本文融合指靜脈和人臉特征，提出一種高效的雙模態(tài)生物識(shí)別方法．首先獲取指靜脈圖像和人臉圖像的感興趣區(qū)域(ROI)，并針對(duì)指靜脈圖像數(shù)據(jù)規(guī)模較小的問(wèn)題，采用數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法用于擴(kuò)充數(shù)據(jù)．然后將指靜脈和人臉ROI圖像輸入到雙通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中提取圖像特征．在全連接層之前，根據(jù)各特征的置信度分配權(quán)重，并進(jìn)行特征融合，形成新的特征用于身份識(shí)別．該方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖2所示.

圖2 雙通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖 Fig. 2 Structure diagram of two-channel convolutional neural network

1.1 特征提取網(wǎng)絡(luò)

在圖像分類識(shí)別領(lǐng)域，特征提取網(wǎng)絡(luò)的好壞直接決定著識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確率．AlexNet網(wǎng)絡(luò)是一種簡(jiǎn)單的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，共有8層，其中前5層用于特征提取[16]．相對(duì)較淺的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)決定了AlexNet網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確率較低．VGG網(wǎng)絡(luò)通過(guò)堆疊多個(gè)尺寸為3×3的卷積核來(lái)代替大尺度卷積核，并且與大尺度卷積核擁有相同的感受野．VGG-19網(wǎng)絡(luò)有19層，前16層用于特征提取[17]．相比于前兩種傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，MobileNet網(wǎng)絡(luò)內(nèi)存需求小、運(yùn)算量小，可以部署到移動(dòng)設(shè)備以及嵌入式設(shè)備上．MobileNetV2網(wǎng)絡(luò)引入深度可分離卷積，由逐通道卷積和逐點(diǎn)卷積組成，減少了模型參數(shù)和運(yùn)算成本[18]．此外，MobileNetV2網(wǎng)絡(luò)使用反向殘差結(jié)構(gòu)，在增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的同時(shí)，也使特征表達(dá)能力得到增強(qiáng)．

1.2 特征融合方法

本文提出的雙模態(tài)特征融合方法在特征層采用雙通道卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)特征融合，其實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖3所示．

圖3 雙模態(tài)特征融合框架 Fig. 3 Framework of bimodal feature fusion

整體框架分3個(gè)模塊：特征提取模塊、特征融合模塊和分類識(shí)別模塊．在特征提取模塊之前，對(duì)指靜脈圖像和人臉圖像進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理過(guò)程包括對(duì)指靜脈圖像感興趣區(qū)域進(jìn)行截取、數(shù)據(jù)增強(qiáng)和數(shù)據(jù)擴(kuò)容．每個(gè)生物特征都被輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，經(jīng)過(guò)多層卷積層和池化層，提取圖像的特征信息，得到指靜脈特征(Fv_feature)和人臉特征(Face_feature). 特征融合模塊是該框架的核心模塊．將經(jīng)過(guò)特征提取模塊后的指靜脈特征和人臉特征進(jìn)行卷積操作降維，再經(jīng)過(guò)Softmax層，分別得到自注意力權(quán)重，并與特征提取所得到的特征相乘；將兩特征融合到一起，得到指靜脈與人臉的融合特征(Fv＋Face_feature)；經(jīng)過(guò)特征提取后得到更深層的融合特征(Fusion_feature)．為防止在特征融合時(shí)出現(xiàn)部分特征信息丟失的情況，將特征提取后的指靜脈特征、人臉特征、融合特征三者再次融合到一起．兩次融合保證了特征信息最大化．最后經(jīng)過(guò)全連接層進(jìn)行分類識(shí)別．

本文分別選擇AlexNet網(wǎng)絡(luò)、VGG-19網(wǎng)絡(luò)和MobileNetV2網(wǎng)絡(luò)的特征層，用于提取指靜脈和人臉圖像特征，作為特征融合模塊的輸入．為避免在融合模塊出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象和減少融合后的運(yùn)算量，本文采用自適應(yīng)均值池化的方法和Dropout技術(shù)．

2 數(shù)據(jù)處理及實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境：Python3.8、CUDA11.0、cuDNN 8.0、Pytorch1.7.1、Ubuntu18.04；硬件平臺(tái)：NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti GPU．

2.1 公開(kāi)數(shù)據(jù)集

為了驗(yàn)證本文所提出的雙模態(tài)特征融合方法的有效性，同時(shí)表明它與單模態(tài)生物特征識(shí)別的優(yōu)勢(shì)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程選用指靜脈公開(kāi)數(shù)據(jù)集SDUMLA-FV[19]和Finger Vein USM(FV-USM)[20]、人臉公開(kāi)數(shù)據(jù)集CASIA-WebFace[21]，對(duì)本文提出的雙模態(tài)特征融合方法的有效性進(jìn)行測(cè)試，并與單模態(tài)生物特征識(shí)別方法進(jìn)行對(duì)比．

SDUMLA-FV數(shù)據(jù)集是由山東大學(xué)機(jī)器學(xué)習(xí)與數(shù)據(jù)挖掘?qū)嶒?yàn)室創(chuàng)建，包含106人的左、右手的食指、中指和無(wú)名指中每根手指的6張指靜脈圖像，共636類手指圖像，總計(jì)3816張．FV-USM數(shù)據(jù)集是馬來(lái)西亞理工大學(xué)創(chuàng)建，包含123人的左、右手的食指和中指中每根手指的6張圖像，共492類手指圖像，總計(jì)2952張．FV-USM數(shù)據(jù)集提供了已經(jīng)截取好的ROI圖像，為后續(xù)指靜脈圖像的預(yù)處理提供了方便．CASIA-WebFace數(shù)據(jù)集是應(yīng)用于人臉識(shí)別領(lǐng)域最廣泛的公開(kāi)數(shù)據(jù)集之一，該數(shù)據(jù)集收集了網(wǎng)絡(luò)上的人臉圖像，共10575類，494414張圖像．在實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)指靜脈圖像的類別數(shù)，隨機(jī)從人臉數(shù)據(jù)集中選擇相同的類別數(shù)．

2.2 圖像預(yù)處理

由于SDUMLA-FV數(shù)據(jù)集沒(méi)有提供指靜脈的ROI圖像，所以需要對(duì)該數(shù)據(jù)集中圖像進(jìn)行ROI的截取，以去除過(guò)多的背景無(wú)用信息．采用Prewitt邊緣檢測(cè)算子對(duì)指靜脈原圖垂直方向上的上下邊緣進(jìn)行邊緣檢測(cè)，對(duì)于存在偽邊緣的現(xiàn)象，通過(guò)設(shè)置連通域閾值去除偽邊緣．使用最小二乘法線性回歸擬合手指的中軸線，根據(jù)擬合直線與水平線的夾角將圖像旋轉(zhuǎn)矯正；擬合手指上下邊緣的內(nèi)切線；根據(jù)圖像水平方向上的亮度變化趨勢(shì)，選擇指關(guān)節(jié)處(即亮度峰值處)；最后截取手指靜脈ROI圖像．

為了獲得清晰的指靜脈紋路，還需要對(duì)截取的ROI圖像進(jìn)行對(duì)比度受限自適應(yīng)直方圖均衡化(contrast limited adaptive histogram equalization，CLAHE)，并在CLAHE圖像增強(qiáng)之后添加Gabor濾波器，用于去除圖像增強(qiáng)后的噪聲．SDUMLA-FV數(shù)據(jù)集圖像的預(yù)處理過(guò)程如圖4所示，ROI原圖經(jīng)過(guò)CLAHE圖像增強(qiáng)、Gabor濾波去噪后，相比于原圖可以得到清晰的靜脈紋路．SDUMLA-FV和FV-USM數(shù)據(jù)集只提供了每根手指6張靜脈圖像，為防止卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，對(duì)每一類指靜脈進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)增，其中包括對(duì)圖像隨機(jī)平移、旋轉(zhuǎn)、裁剪、亮度調(diào)節(jié)、對(duì)比度調(diào)節(jié)，將原本每類6張圖像擴(kuò)充至每類36張圖像．FV-USM數(shù)據(jù)集提供了ROI圖像，因此只需要對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行圖像增強(qiáng)和 擴(kuò)充．

圖4 SDUMLA-FV數(shù)據(jù)集圖像的預(yù)處理 Fig. 4 Image preprocessing of SDUMLA-FV datasets

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)中將每一類別中的數(shù)據(jù)(36張)按照7∶3的比例劃分訓(xùn)練集和測(cè)試集．為了提高網(wǎng)絡(luò)的泛化能力，在融合模塊中，每張指靜脈圖像與每張人臉圖像一一對(duì)應(yīng)．單模態(tài)實(shí)驗(yàn)和雙模態(tài)特征融合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布結(jié)構(gòu)見(jiàn)表1．

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分布 Tab. 1 Experimental data distribution

實(shí)驗(yàn)中，所有的模型輸入尺寸均為224像素×224像素，激活函數(shù)為ReLU，優(yōu)化器選用Adam，學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.0001．分別對(duì)不同數(shù)據(jù)集、不同特征提取網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，識(shí)別準(zhǔn)確率的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同數(shù)據(jù)集、不同特征提取網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別準(zhǔn)確率 Tab. 2 Recognition accuracy of different datasets and different feature extraction networks

由表2可知：在單模態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)中，只有VGG-19模型對(duì)SDUMLA-FV數(shù)據(jù)集的識(shí)別準(zhǔn)確率較高，為94.36%，其他單模態(tài)識(shí)別實(shí)驗(yàn)的識(shí)別準(zhǔn)確率均處于較低水平．在雙模態(tài)特征融合實(shí)驗(yàn)中，VGG-19融合模型對(duì)SDUMLA-FV＋CASIA-WebFace數(shù)據(jù)集的識(shí)別準(zhǔn)確率為99.95%，對(duì)FV-USM＋CASIAWebFace數(shù)據(jù)集的識(shí)別準(zhǔn)確率為99.94%．其他雙模態(tài)特征融合實(shí)驗(yàn)的識(shí)別準(zhǔn)確率均高于98.80%，相比單模態(tài)下的識(shí)別準(zhǔn)確率均得到了很大提升．對(duì)比Alay等[22]使用VGG-16基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的虹膜、人臉和指靜脈三模態(tài)特征融合方法，本文所提出的方法在只使用兩種生物特征融合的情況下，識(shí)別準(zhǔn)確率相比于三種生物特征融合均有所提升．為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提出的雙模態(tài)特征融合方法的有效性，將融合模態(tài)與MobileNetV2輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合并考察其識(shí)別準(zhǔn)確率．由表2可知：輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)模型(MobileNetV2)相比于AlexNet、VGG-19網(wǎng)絡(luò)模型，參數(shù)量大幅減少，并且單模態(tài)識(shí)別準(zhǔn)確率也大幅降低，但雙模態(tài)特征融合識(shí)別實(shí)驗(yàn)可以達(dá)到與AlexNet、VGG-19網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)?shù)淖R(shí)別準(zhǔn)確率．

每個(gè)模型識(shí)別一張圖像(融合模型為識(shí)別指靜脈和人臉兩張圖像)的時(shí)間性能對(duì)比見(jiàn)表3．從表3中可以看出，融合模型的耗時(shí)與單模態(tài)識(shí)別的耗時(shí)差異不明顯．

表3 時(shí)間性能 Tab. 3 Time performance

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出了一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的指靜脈和人臉特征融合識(shí)別方法，解決了實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中單一生物特征識(shí)別準(zhǔn)確率低、安全性差的問(wèn)題．對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文提出的方法可以有效提高生物特征識(shí)別的準(zhǔn)確率．此外，本文所提出的AlexNet融合模型和VGG-19融合模型，參數(shù)量均少于AlexNet、VGG-19網(wǎng)絡(luò)，但是輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)MobileNetV2上參數(shù)量并沒(méi)有減少．對(duì)于這一問(wèn)題，下一步還需要繼續(xù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化．同時(shí)，本研究還需要進(jìn)一步在實(shí)際復(fù)雜場(chǎng)景的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)．