Neuronale Netze und andere Verfahren zur Gesichtserkennung in der Heimautomatisierung

109 Pages·2017·9.47 MB·German

by  Constantin Kirsch

Masterarbeit zur Erlangung des akademischen Grades
Master of Science
Studiengang Informatik
– Sommersemester 2017–
Neuronale Netze und andere Verfahren
zur Gesichtserkennung in der
Heimautomatisierung
von
Constantin Kirsch
Erstprüfer: Prof.Dr.KarlJonas
Zweitprüfer: Prof.Dr.MarlisvonderHude
Eingereichtam: 29.August2017
Erklärung
HiermiterkläreichanEidesStatt,dassichdievorliegendeArbeitselbstangefertigthabe;
die aus fremden Quellen direkt oder indirekt übernommenen Gedanken sind als solche
kenntlichgemacht.DieArbeitwurdebisherkeinerPrüfungsbehördevorgelegtundauch
nochnichtveröffentlicht.
Bonn,den29.August2017
Datum Unterschrift
Danksagung
AndieserStellemöchteichmichbeiallenPersonenbedanken,diemichbeiderAnfer-
tigungdieserAbschlussarbeitunterstütztundmotivierthaben.
DieserDankgiltinersterLiniemeinemErstprüferProf.Dr.KarlJonas,derdieseArbeit
betreut und ermöglicht hat. Des Weiteren möchte ich den Mitarbeitern und Kommili-
tonen im Labor C060 der Hochschule Bonn-Rhein-Sieg danken, welche mir stets mit
sinnvollen Tipps weiter geholfen haben und zudem als Versuchspersonen bereit stan-
den.
Ganz besonders möchte ich auch Aline Augsburg danken, die viel Zeit in die Korrek-
tur dieser Arbeit gesteckt und mich unermüdlich motiviert sowie moralisch durch alle
Tiefphasenhindurchunterstützthat.
Nicht zuletzt danke ich meinen Eltern, dafür das sie mich während meines gesamten
Studiumsunterstützthaben.
Inhaltsverzeichnis IV
Inhaltsverzeichnis
Tabellenverzeichnis VI
Abbildungsverzeichnis VII
Abkürzungsverzeichnis IX
1. Einleitung 1
1.1. Problemstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2. AufbauderArbeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
2. Stand der Forschung 3
2.1. MachineLearning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.1. Lernmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.1.2. Validierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3. EnsembleLearning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2. DatensätzezurGesichtserkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1. Vorverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2.2. Augmentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.3. Gesichtsdetektion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1. Viola-Jones-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.3.2. HistogramofOrientedGradients . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.4. VerfahrenzurGesichtserkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.4.1. MerkmalbasierteVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.2. HolistischeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.5. NeuronaleNetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1. ConvolutionalNeuralNetworks . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.5.2. AktuelleEntwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.6. Frameworks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.1. OpenCV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.2. Dlib . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.3. Scikit-Learn. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
2.6.4. FaceRec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.5. OpenFace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.6.6. Sonstige . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3. Vergleich der Gesichtserkennungsverfahren 43
3.1. Implementierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.1. Vorverarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.1.2. Augmentierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.3. Eigenfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
V
3.1.4. Fisherfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.1.5. LocalBinaryPattern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
3.1.6. Dlib-Deskriptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.7. Openface-Deskriptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.1.8. VGG19-Deskriptor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3.1.9. k-Nearest-Neighbors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.1.10. NeuronalesNetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.11. SupportVectorMachines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
3.1.12. EinfachesConvolutionalNeuralNetwork . . . . . . . . . . . . 55
3.1.13. AbgestimmtesConvolutionalNeuralNetwork . . . . . . . . . . 56
3.2. AusgewählteDatensätze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.2.1. H-BRSHaut-,Gesichts-undFälschungsdatenbank . . . . . . . 57
3.2.2. Labordatensatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.3. BeschreibungderTestreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
3.4. VorbereitungenundAnnahmenfürdieTestreihe . . . . . . . . . . . . . 60
3.5. DurchführungderTestreihe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
3.6. Auswertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.1. Kombinationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.6.2. All-In-One-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.6.3. AbschließenderVergleichderVerfahren . . . . . . . . . . . . . 74
3.7. Auswahl/Begründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4. Implementierung des Prototyps 76
4.1. AnforderungenandenPrototyp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.2. UmsetzungdesPrototyps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5. Zusammenfassung und Ausblick 84
Literaturverzeichnis 88
A. Anhang 97
A.1. PrototypStandardkonfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
A.2. REST-API . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
A.3. Prototyp-Oberfläche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Tabellenverzeichnis VI
Tabellenverzeichnis
1. ZuvergleichendeVerfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2. DurchRastersucheermittelteSVM-Parameter . . . . . . . . . . . . . . 54
3. AnforderungenandenPrototyp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Abbildungsverzeichnis VII
Abbildungsverzeichnis
1. BeispielausdemAT&T-Datensatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2. BeispielausderPIE-Datenbank . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
3. BeispielausderHaut-,Gesichts-undFälschungsdatenbank . . . . . . . 11
4. BeispielfürRegeleinerwissensbasiertenGesichtsdetektion . . . . . . . 15
5. MerkmaleausViola-Jones-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
6. VisualisierungderGradientenhistogramme . . . . . . . . . . . . . . . 20
7. AblaufderGesichtserkennung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
8. Darstellungdes„FaceSpace“-Unterraum . . . . . . . . . . . . . . . . 25
9. DarstellungeinesLocalBinaryPatterns . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
10. DarstellungeinerHyperebene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
11. DarstellungeinesNeurons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
12. Vergleichvonein-undmehrschichtigenNetzwerken . . . . . . . . . . 31
13. Aktivierungsfunktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
14. Gradientenabstieg . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
15. LokalesrezeptivesFeld . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
16. FeatureMaps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
17. Pooling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
18. BeispieldarstellungCNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
19. UnterschiedderBounding-Boxes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
20. DatenverarbeitungsschrittefürTests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
21. Beispielfüreine3-facheAugmentierung. . . . . . . . . . . . . . . . . 48
22. SchematischerÜberblickvonOpenface . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
23. TopologievonVGG19 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
24. TopologiedesneuronalenNetzeszurKlassifizierung . . . . . . . . . . 54
25. TopologiedeseinfachenCNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
26. TopologiedesabgestimmtenCNN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
27. GenauigkeitderKombinationsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
28. GenauigkeitderKombinationsverfahrenabhängigzurDatenmenge . . . 65
29. GenauigkeitderKlassifiziererabhängigzurDatenmenge . . . . . . . . 66
30. TrainingsdauerKlassifiziererabhängigvonFE . . . . . . . . . . . . . . 67
31. TrainingsdauerKlassifizierergetrenntnachDatensatz . . . . . . . . . . 68
32. DurchlaufzeitenderFEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
33. DurchlaufzeitenderKlassifizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
34. TukeyHSDfürFEs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
35. TukeyHSDfürKlassifizierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
36. GenauigkeitAIO-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
37. GenauigkeitAIO-VerfahrenabhängigzurDatenmenge . . . . . . . . . 72
Abbildungsverzeichnis VIII
38. TrainingsdauerAIO-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
39. KlassifizierungsdauerAIO-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
40. TukeyHSDfürAbschlussvergleich . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
41. Datenbankmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
42. ScreenshotderGalerie-Übersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
43. ScreenshotderLive-Ansicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
44. ScreenshotbisherigeKlassifizierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
45. ScreenshotderModellübersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Abkürzungsverzeichnis IX
Abkürzungsverzeichnis
AI ArtificialIntelligence
AIO AllInOne
API ApplicationProgrammingInterface
AR AugmentedReality
BRSU Bonn-Rhine-SiegUniversity
CNN ConvolutionalNeuralNetwork
CPU CentralProcessingUnit
FE FeatureExtractor
FERET FacialRecognitionTechnology
GPU GraphicsProcessingUnit
HOG HistogramofOrientedGradients
HSD HonestlySignificantDifference
ILSVRC ImageNetLargeScaleVisualRecognitionChallenge
JPG JointPhotographicExpertsGroup
kNN k-Nearest-Neighbors
LBP LocalBinaryPattern
LDA LinearDiscriminantAnalysis
LFW LabeledFacesintheWild
MLP MultiLayerPerceptron
n.a. nichtanwendbar
ORM ObjectRelationalMapper
PCA PrincipalComponentAnalysis
PIE Pose,Illumination,andExpression
ReLU RectifiedLinearUnit
REST REpresentationalStateTransfer
RGB Rot-Grün-Blau
SGD StochasticGradientDescent
SLP SingleLayerPerceptron
SVD SingularValueDecomposition
SVM SupportVectorMachine
URL UniformResourceLocator
Einleitung 1
1. Einleitung
Die Fähigkeit einzelne Gesichter erkennen und unterscheiden zu können, ist für die
meisten Menschen etwas vollkommen Alltägliches und Unbewusstes. Um Systeme zu
entwickeln, die ebenfalls zur Gesichtserkennung in der Lage sind, war jahrzehntelange
Forschung nötig, welche noch nicht abgeschlossen ist. Dabei wurden die biologischen
Abläufe im Gehirn untersucht und diese als Inspiration zur Entwicklung von Verfahren
zurGesichtserkennunggenutzt.HeutzutagenutzendigitalePlattformensowieBehörden
und Unternehmen automatische Gesichtserkennungssysteme für eine Vielzahl an Zwe-
cken. Dazu gehören die Identifizierung und Verifikation an Geldautomaten, Flughäfen,
Gebäuden, gegenüber Banken und viele weitere Anwendungszwecke [1]. Anbieter sol-
cher Dienste haben dabei die Möglichkeit, auf umfangreiche Gesichtsdatenbanken und
stetig wachsende Rechenleistung zuzugreifen. Beides war lange Zeit ein limitierender
Faktor für eine effiziente Gesichtserkennung. Auch heute sind dies die Hauptgründe,
welcheeineNutzungdieserTechnologieimprivatenUmfelderschweren.DieHeimau-
tomatisierung verbreitet sich aufgrund geringer Kosten und einfacher Nutzung immer
mehrundstelltdamiteinenperfektenRahmenzurEinbindungvonGesichtserkennungs-
systemendar.EssindzudemautomatischeZugangssystemedenkbar,welchedasGesicht
einer Person als biometrisches Merkmal nutzen, da es einige Vorteile gegenüber bishe-
rigen biometrischen Merkmalen wie Fingerabdrücke und Iris besitzt [1]. Bis die dabei
entstehenden Hindernisse überwunden sind, gibt es dennoch Anreize, eine automati-
sche Gesichtserkennung in der Heimautomatisierung zu ermöglichen. Bewohner könn-
ten über eintreffende Gäste informiert werden oder auch erfahren, ob sich unbekannte
Personen vor der Tür befinden. Ein solches System würde nicht nur Komfort bieten.
Menschen,dieältersindoderunterbestimmtenKrankheitenleiden,könnenSchwierig-
keitenhaben,Personenzuerkennenundzuunterscheiden.FürdieseMenschensteigert
eineautomatischeGesichtserkennung,seiesvorderHaustüroderimAlltag,dieLebens-
qualität,ermöglichtmehrSelbstständigkeitundbietetSicherheit.
1.1. Problemstellung
Diese Arbeit befasst sich mit der Frage, ob mit heutigen Möglichkeiten eine automa-
tische Gesichtserkennung, also ohne menschliche Interaktion, in der Heimautomatisie-
rungmöglichist.ÜblicherweisesinddafürgroßeMengenanDatenundRechenleistung
nötig.FortschritteimBereichderneuronalenNetze,sowieimmergünstigereundschnel-
ler werdende Rechnersysteme könnten eine Umsetzung dennoch ermöglichen. Zudem
besteht für private Wohnräume nicht der Anspruch, beliebig große Mengen an Perso-
nen zu erkennen. Viele Dienstleister stellen Schnittstellen im Internet bereit, um eine