無論是復(fù)雜的背景、多樣的姿態(tài)、不同的尺度變化以及不同的衣著，步態(tài)識別系統(tǒng)都能夠非常快速準確地分割出人像。

這是一場驚心動魄的人機對戰(zhàn)。

在央視大型科技挑戰(zhàn)節(jié)目《機智過人》中，由中科院自動化所研發(fā)出的步態(tài)識別系統(tǒng)，先后對10個身高、體型相似的蒙面人“嫌疑犯”與21只體型、毛色相似的金毛犬進行識別，在與“最強人類”袁夢(國際記憶大師，曾成功從168條音軌中辨識出TFBOYS三位的音軌)的挑戰(zhàn)中，均取得了成功。

憑借“遠距離步態(tài)識別系統(tǒng)研究與應(yīng)用”項目，中國科學(xué)院自動化研究所及其所孵化的人工智能企業(yè)銀河水滴科技(北京)有限公司，獲得2018年度北京市科學(xué)技術(shù)獎二等獎。

又快又準，不看臉也能快速辨認

步態(tài)識別是一種非接觸的生物特征識別技術(shù)。顧名思義，就是通過人們走路的姿態(tài)進行身份識別。“設(shè)想這樣一個情景：某人頭戴帽子口罩，臉部被遮擋，并離攝像頭很遠，這時已經(jīng)無法根據(jù)臉部信息識別其身份，然而仍然可以分析他的步態(tài)信息，通過步態(tài)識別系統(tǒng)識別他的身份。”項目負責(zé)人、中科院自動化所研究員王亮舉例說，與其他生物識別技術(shù)相比，步態(tài)識別具有遠距離、非接觸、不易偽裝等優(yōu)點。

首先是步態(tài)識別適用距離更遠。通常情況下，為達到良好識別效果，虹膜識別需要目標在60厘米以內(nèi);人臉識別需要目標在3米以內(nèi);而步態(tài)識別的目標可以遠達50米。其次是步態(tài)識別為非受控識別，無需識別對象主動配合與參與。指紋識別、虹膜識別、人臉識別等都需要識別對象主動配合。步態(tài)是遠距離、非受控場景下唯一可清晰成像的生物特征，即便一個人在幾十米外背對普通攝像頭隨意走動，步態(tài)識別算法也可對其進行身份判斷。再者，步態(tài)難以偽裝。不同的體型、肌肉骨骼特點、運動神經(jīng)靈敏度、走路姿態(tài)等特征共同決定了步態(tài)具有較好的區(qū)分能力，通過精巧設(shè)計的算法和海量數(shù)據(jù)的訓(xùn)練，機器可以更好地識別這些細節(jié)特征。

黑科技滿滿的《碟中諜5》中，最吸睛的當(dāng)屬安保系統(tǒng)的最后一道防線——步態(tài)識別，通過分析人的身體體型和行走姿態(tài)來識別身份，這道防線讓阿湯哥也難以瞞天過海。“每個人的肌肉力量、肌腱和骨骼長度和密度，以及每個人的神經(jīng)靈敏程度、協(xié)調(diào)能力、體重、重心等生理條件都是不同的，所以，每個人走路的姿勢都是不同的。人們可以借助道具將自己的外形甚至是性別進行翻天覆地的改變，卻沒辦法改變自己的走路姿態(tài)。”王亮表示。

而相較于依靠人力從海量監(jiān)控視頻中快速查找目標人物的做法，步態(tài)識別不僅能實現(xiàn)對人海戰(zhàn)術(shù)的替代，極大提升檢索和識別的效率和準確度，而且當(dāng)出現(xiàn)遠距離、非配合、全視角(如只有側(cè)面和背面身形)、弱光線、人臉隱蔽/遮擋、目標人物多次換裝等一種或多種情況時，用步態(tài)識別技術(shù)也能成功搜檢目標人物。

精確的圖像分割和數(shù)據(jù)算法支撐

然而，要精確地通過步態(tài)特征識別出人的身份信息，需要復(fù)雜的系統(tǒng)支撐。步態(tài)識別系統(tǒng)包含了檢測、跟蹤、分割、識別等部分，任何一個模塊都將對整體系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

“遠距離步態(tài)識別系統(tǒng)研究與應(yīng)用”項目在算法層面對步態(tài)識別系統(tǒng)的4個關(guān)鍵模塊分別進行研發(fā)，通過行人檢測算法，將行人從背景中找出來，檢測算法需要能夠處理遠距離、復(fù)雜背景以及部分遮擋等情況;與人臉識別只對一張圖片識別不同，步態(tài)識別需要收集同一個人行走的視頻序列，且實際場景中通常有多個人需要同時識別，因此需要使用在線多目標跟蹤技術(shù)將同一個人的序列收集起來;步態(tài)能夠去除著裝顏色的干擾，只關(guān)注人走路的方式，因此需要使用人形分割算法將人從背景中分離出來;最后，對一系列分割序列通過步態(tài)識別算法進行識別。

在中科院自動化所的模式識別國家重點實驗室，記者看到了項目的“高精度人形圖像分割方法”演示。無論是復(fù)雜的背景、多樣的姿態(tài)、不同的尺度變化以及不同的衣著，系統(tǒng)都能夠非常快速準確地分割出人像。

“我們采用的是人形區(qū)域內(nèi)像素點的多尺度上下文信息來表達人形目標，通過多通道深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)來描述人形局部區(qū)域的不同尺度上下文信息。”王亮講道，這種方法以模式識別和計算機視覺理論為指導(dǎo)，結(jié)合最新的深度學(xué)習(xí)算法，融合各個尺度的圖像信息，能夠?qū)⒛繕巳宋飶谋尘爸锌焖贉蚀_地分離出來。與傳統(tǒng)的圖模型方法需要對像素點之間建模，導(dǎo)致計算量大、難以收斂等問題相比，該方法具有很強的語義信息，并在由百度公司懸賞的人形圖像分割大賽中，以絕對優(yōu)勢獲得冠軍。

此外，他們借助傳統(tǒng)的步態(tài)識別的先驗知識，結(jié)合最新的深度學(xué)習(xí)方法，能夠在只給定某個視角的情況下，跨視角地識別出該人在其他視角的步態(tài)序列。“使用基于“正負對”的訓(xùn)練方式，可以充分地擴充樣本數(shù)量，即使對很少的訓(xùn)練數(shù)據(jù)也能達到很高的結(jié)果。這種方式在人臉識別、行人再識別領(lǐng)域也有廣泛應(yīng)用。”在此基礎(chǔ)上，項目組還提出了一種基于拓撲表達的跨視角步態(tài)識別方法來描述步態(tài)的整體時空結(jié)構(gòu)，在跨視角和遮擋的條件下，比傳統(tǒng)方法表現(xiàn)出了更強的魯棒性和更高的識別精度;對跨著裝以及跨背包的場景，也都能獲得更好的結(jié)果。

除了算法以外，充足的數(shù)據(jù)支持是步態(tài)識別系統(tǒng)“聰明與否”的后盾保障。目前基于深度學(xué)習(xí)的步態(tài)識別相關(guān)算法都需要大量的數(shù)據(jù)，因此算法和數(shù)據(jù)之間的不斷迭代是十分必要的。王亮告訴記者，中科院自動化所的CASIA步態(tài)數(shù)據(jù)庫有三個數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)集，即Dataset A(小規(guī)模庫), Dataset B(多視角庫)和Dataset C(紅外庫)。其中，Dataset B是一個大規(guī)模、多視角的步態(tài)庫，世界知名，而銀河水滴的步態(tài)數(shù)據(jù)庫則已經(jīng)超過Dataset B近100倍，命名為“CASIA—E”。

產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合，不斷拓展新應(yīng)用場景

得益于中科院自動化所在計算機視覺領(lǐng)域20多年的技術(shù)積累，銀河水滴在中科院“技術(shù)+團隊”的離崗創(chuàng)業(yè)政策激勵下成立。銀河水滴聯(lián)合中科院自動化所目前已經(jīng)啟動人工智能人才聯(lián)合培養(yǎng)計劃，聯(lián)合打造中國頂級人工智能實習(xí)基地。該人才計劃將配備強大的導(dǎo)師隊伍，每位實習(xí)生配備至少一名中科院自動化所老師和銀河水滴高級工程師做指導(dǎo)，銀河水滴的技術(shù)應(yīng)用場景將全部開放，供實習(xí)生研究和實地演練。

“在產(chǎn)、學(xué)、研緊密結(jié)合下，參與該人才計劃的實習(xí)生，其人工智能算法和產(chǎn)品能力將得到巨大提升。”作為中國首個步態(tài)識別博士、模式識別國家重點實驗室副主任，以及銀河水滴聯(lián)合創(chuàng)始人，王亮對于步態(tài)識別的產(chǎn)業(yè)化充滿了信心。他表示，不要僅僅發(fā)表論文，通過銀河水滴，把科研成果變成產(chǎn)品形成產(chǎn)業(yè)，提供世界領(lǐng)先的視覺大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，是對年輕人很大的激勵。

基于項目的一系列人工智能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，銀河水滴目前已經(jīng)在公共安全以及智能家居領(lǐng)域取得了很好的進展。王亮介紹，項目所開發(fā)的步態(tài)檢索系統(tǒng)，在維護公共安全方面發(fā)揮了重要作用;銀河水滴在實現(xiàn)步態(tài)識別基本技術(shù)的基礎(chǔ)上，還將全類型人臉識別以及人群計算應(yīng)用于泛身份識別構(gòu)建之中，以達到更精確的識別結(jié)果。“目前人臉識別方案在主流數(shù)據(jù)庫上達到99%的識別率并可保持實時性;在遠距離人臉識別方面，可對普通2K攝像機中25米外的人群進行實時人臉識別。”

在商業(yè)化應(yīng)用方面，銀河水滴科技已經(jīng)基于產(chǎn)品雛形，面向安防、油田和家電等領(lǐng)域進行推廣，尋找更多適合步態(tài)識別應(yīng)用的客戶，推動了傳統(tǒng)行業(yè)的智能化升級：石油企業(yè)引入步態(tài)識別技術(shù)完善防控網(wǎng)絡(luò)，防范非法闖入者對油田安全的威脅和對油田經(jīng)濟利益的損害;在智能家居領(lǐng)域，步態(tài)識別可很好地區(qū)分用戶屬性，開發(fā)的嵌入式模組，具有很大的成本優(yōu)勢及體積優(yōu)勢，不僅能替代遙控器等傳統(tǒng)操作工具，還可以讓家電感知更加智能化、服務(wù)更加個性化。“譬如，根據(jù)家庭成員的步態(tài)特征，空調(diào)可以及時識別老人、小孩等特殊人群的活動范圍，能夠根據(jù)不同人群調(diào)整空調(diào)的出風(fēng)角度、出風(fēng)量及溫度，讓溫度控制更適合人群需求。”王亮說。

與此同時，步態(tài)識別也面臨著很多挑戰(zhàn)亟須解決：比如在人群密集場所，如何解決遮擋情況下的身份識別?智能深度傳感硬件Kinect等又會對步態(tài)識別產(chǎn)生什么影響?王亮表示，這一系列的問題仍然需要我們在未來去深入探索。接下來，銀河水滴科技還將選擇一兩個屬于藍海市場的細分領(lǐng)域深挖下去，與中科院自動化所緊密配合，做好科技成果的產(chǎn)業(yè)化。