人脸识别心理实验

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   许多心理学和神经科学的研究成果对于设计人脸识别算法有着重要的借鉴和指导意义。在此简单介绍精神物理学和神经系统学的一些对设计人脸识别方法有指导意义的研究成果。

( 1 )人脸识别是否是一个特定的过程?

   人类的面像识别机制是否是完全不同于其他一般物体的识别?人类大脑皮层中是否存在专用的人脸识别功能区?这是很多研究人员长期争论不休的焦点问题之一。传统上,一般认为人脸识别不同于其他的物体识别,是一个特定的过程。该论点的证据有:( a )当人脸是垂直方向时,它比其他物体更容易被人们所记得;( b )人脸识别能力缺失症患者的存在。患有此症的人可以正常的识别其他物体,甚至可以正确的识别鼻子眼睛和嘴巴等面部器官,但是就是不能认出熟悉的人脸,因此有理由怀疑其人脸识别功能区遭到了破坏。持这种论点的学者因而建议机器人脸识别的研究人员要更多的利用人脸对象的特定领域知识以便达到更加可靠、鲁棒的识别。但也有一些学者认为人脸识别与其他物体的识别没有区别的,使用同样的识别机制,人类大脑皮层中也不存在专门的人脸识别功能区,因此建议机器人脸识别的研究人员应该更强调一般的识别框架的研究,而不应该过多依赖于人脸自身的特定知识。目前的多数机器人脸识别算法都较多的利用了人脸模式的特定领域先验知识,形成特定的识别机制。

( 2 )人脸的感知是全局还是局部特征分析的结果

   一般认为全局和局部特征对人脸的感知和识别都是非常重要的,全局特征一般用来进行粗略的匹配,而局部特征则可以提供更为精细的确认。但是,一个必须提及的现象是:如果存在某种奇特的局部特征,则全局的特征描述可能就用不到了,此局部特征会首先被用来确定身份。例如,人们在回忆人脸时,一般会快速的集中在那些比较奇特的特征,如大耳朵,鹰钩鼻等。支持“人脸识别比其他物体识别需要更多的全局特征”的一个强有力的证据是“人脸倒转实验”。研究表明,倒转的人脸比正常的人脸更难识别。一个非常好地例子就是所谓的“撒切尔夫人倒像实验”。如图 1 所示,其中, (a) 和 (b) 是撒切尔夫人的两幅倒置图像, (a) 是 (c) 的倒置图像, (b) 是 (d) 的倒置图像。尽管图像是倒立的,但我们仍然可以比较容易地看出这都是撒切尔夫人的面像,他们看起来非常相似——但实际上,他们的差别是很大的: (b) 图像中,其眼睛和嘴巴都被倒置了。

 

(a)
(b)
(c)
(d)

( 3 )不同面部特征对识别的重要性分析

   一般认为头发,面部轮廓,眼睛和嘴巴对人脸的感知和记忆是比较重要的。而鼻子在侧面人脸识别中的重要性比眼睛和嘴巴等特征高,因为在侧面人脸中鼻子区域包含了若干个关键的特征点。一些研究还表明,在识别已经见过但不熟悉的人脸时,外在和内在特征都是必要的,但内在特征占主导地位。另外,研究还发现,人脸的上半区域对识别的重要性明显比下半区域高。这些发现对机器人脸识别的启示是:在设计人脸识别分类器时,不同的面部区域对最终的识别结果有不同的贡献。

( 4 )人物面部漫画的启示

   一般来说,人物面部漫画都是刻意夸大面部中最为突出的个性化特征,这些特征能进一步加深我们对人物面部特征的认识,从而使得我们更容易记住这些人脸。这给机器人脸识别的启示是:我们在设计识别算法时应该强调提取那些”与众不同”的个性化特征。例如,基于线性判别分析的人脸识别方法就是试图尽可能提取不同人脸之间的差别特征用于最终的识别。

( 5 )特殊性对人脸识别的影响

   研究表明,那些独特的脸比一般的大众化脸更容易和更快地被记住和识别。当需要判断一个物体是否是人脸时,辨别一张独特的脸所需的时间比辨别一张大众化脸所需要的时间较少一些。

( 6 )光照对人脸识别的影响

   光照的变化会大大影响人脸的外观,从而影响识别的性能。 现代人脸识别技术的多项测试都表明光照变化仍是实用人脸识别系统的瓶颈之一。人们很早就注意到底片的人脸难以识别。而最近的研究则进一步表明:对于下方光源照明的人脸也存在识别困难。这很可能与人类很难见到这类人脸模式因而对他们的学习不足有关。

( 7 )人脸识别是视角不变的识别过程吗?

   视觉物体识别的许多工作都可以归到一个理论框架中,即物体的不同视角的表观都是以一种视角不变的描述符进行分析的。但是,最近出现了一些争论,即物体识别是否真的是视角不变的?一些实验结果表明,人脸的记忆是高度依赖视角的。从一个侧面视角到另外一个侧面视角的推广效果很差,但是从一个 3/4 视角到另外一个 3/4 视角侧的推广效果却很好。在实际设计自动人脸识别算法时,人脸姿势的变化是一个很大的影响因素。这是目前人脸识别研究面临的另一个极具挑战性的问题。

 

 

   上面提到的这些精神物理学和神经系统学问题或多或少都对自动人脸识别研究提供了一定的指导意义,甚至直接影响了很多机器人脸识别方法的原理和流程。但这方面的研究还有待进一步深入。

 

   下面,我们通过一个系列的简单人脸识别的心理实验,来思考一下,我们自己是如何进行人脸识别。

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