面部识别如何工作?

一个女人的脸用网格勾勒出来。该网格用于识别她的脸部。
Stanislaw Mikulski / Shutterstock

大多数人都习惯于在Instagram过滤器和Face ID中使用面部识别功能。 但这种相对较新的技术可能会让人觉得有些毛骨悚然 你的脸就像一个指纹,面部识别背后的技术很复杂。

与任何新技术一样,面部识别也存在缺陷。 随着军队,警察, 广告商深陷创作者发现利用面部识别软件的狡猾的新方法,这些缺点正变得越来越明显。

现在,人们比以往任何时候都更了解面部识别的工作原理。 了解面部识别的局限性以及面部识别将来如何发展也很重要。

面部识别非常简单

在进入面部识别的许多不同介质之前,了解面部识别过程的工作原理非常重要。 以下是面部识别软件的三个应用程序,以及他们如何识别或识别面部的简单说明:

  • 基本面部识别 :对于Animoji和Instagram过滤器,您的手机摄像头“寻找”面部的特征,特别是一对眼睛,鼻子和嘴巴。 然后,它使用算法锁定一个面,并确定它正在看哪个方向,如果它的嘴是打开的等等。值得一提的是,这不是面部识别,它只是寻找面部的软件。
  • 面部识别和类似程序 :在您的手机上设置面部识别(或类似程序)后,它会拍摄您的面部照片并测量您的面部特征之间的距离。 然后,每次你去解锁你的手机时,它“通过相机”“测量”并确认你的身份。
  • 识别陌生人 :当组织想要为安全,广告或警务目的识别人脸时,它会使用算法将该人脸与广泛的人脸数据库进行比较。 此过程几乎与Apple的Face ID相同,但规模更大。 从理论上讲,任何数据库都可以使用(身份证,Facebook个人资料),但是清晰,预先识别的照片数据库是理想的。

好吧,让我们深入了解细节。 因为用于Instagram过滤器的“基本面部识别”是一个简单而无害的过程,我们将完全专注于面部识别,以及可用于识别面部的许多不同技术。

大多数面部识别依赖于2D图像

正如您所料,大多数面部识别软件完全依赖于2D图像。 但这还没有完成,因为2D面部成像非常准确,这是为了方便起见。 绝大多数相机拍摄的照片没有任何深度,可以用于面部识别数据库(例如Facebook个人资料图片)的公共照片都是二维的。

使用面部识别技术从数据库中识别主题的人。
Zapp2Photo /存在Shutterstock

为什么2D面部成像超精确? 好吧,因为你脸上的平面图像缺乏识别功能,比如深度。 使用平面图像,计算机可以测量您的瞳孔距离,嘴巴宽度以及其他变量。 但它无法分辨你的鼻子长度或前额的突出程度。

另外,2D面部成像依赖于可见光谱。 这意味着2D面部成像在黑暗中不起作用,并且在时髦或阴暗的照明条件下它可能是不可靠的。

显然,解决其中一些缺点的方法是使用3D面部成像。 但那怎么可能呢? 您需要特殊设备才能在3D中看到脸部吗?

红外摄像机为您的身份添加深度

虽然一些面部识别应用仅依赖于2D图像,但面部识别依赖于3D成像并不罕见。 事实上,您在面部识别方面的经验可能涉及到一些3D。

这是通过一种叫做激光雷达的技术实现的,它类似于声纳。 从本质上讲,面部扫描设备, 如你的iPhone ,在你的脸上爆炸无害的红外矩阵。 然后,这个矩阵(激光墙)从你的脸上反射出来,并被手机上的红外摄像头(或ToF摄像头 )拾取。

使用Face ID的女性,或类似的基于IR的面部识别技术。
Prostock工作室/存在Shutterstock

3D魔术在哪里发生? 您的手机的红外热像仪可测量每一部分红外灯从您的脸部反弹并返回手机所需的时间。 当然,从鼻子反射的光线会比从耳朵反射的光线短,而红外热像仪使用这些信息创建一个独特的脸部深度图。 当与基本2D成像一起使用时,3D成像可以显着提高面部识别软件的准确性。

激光雷达成像是一个奇怪的概念,可能难以包裹你的头。 如果它有帮助,试着想象你的手机(或任何面部识别设备)的红外线网是一个针板式玩具 就像一个钉板玩具,你的脸在红外线网格中留下一个凹痕,你的鼻子明显比你的眼睛更深。

热成像让人们在夜间进行面部识别工作

2D面部识别的缺点之一是它依赖于可见光谱。 通俗地说,基本的面部识别在黑暗中不起作用。 但是这可以通过使用热成像相机来解决(是的,就像汤姆克兰西一样)。

“等一下,”你可能会说,“热成像不依赖于红外线吗?”是的,确实如此。 但是红外热像仪不会发出红外光; 它们只是检测从物体发出的红外光。 温暖的物体会发出大量的红外光,而冷的物体会发出可忽略不计的红外光。 昂贵的红外热像仪甚至可以检测到表面上的细微温差,因此该技术非常适合面部识别。

三张照片。第一个是可见光谱,第二个是静态热图像,第三个是复合热图像。
可见光谱图像,热图像和复合热图像。 Polaris传感器技术公司

一些不同的方法来识别热成像的面部。 所有这些技术都非常复杂,但它们有一些基本相似之处,因此我们将尝试使用列表保持简单:

  • 需要多张照片 :热成像相机拍摄主体脸部的多张照片。 每张照片都聚焦于不同光谱的红外光(长波,短波和中波)。 通常,长波频谱提供最多的面部细节。
  • 血管图是有用的 :这些红外图像也可用于提取人脸上的血管形成。 它令人毛骨悚然,但血管图可以像独特的面部指纹一样使用。 它们还可用于查找面部器官之间的距离(如果典型的热成像产生伪劣图片)或识别瘀伤和疤痕。
  • 可以识别主题 :使用多个IR图像创建合成图像(或数据集)。 然后可以将该合成图像与面部数据库进行比较以识别对象。

当然,热量面部识别通常由军方使用,它不是你在Khols找到的东西,它不是你的下一部手机所附带的东西。 此外,热成像在白天(或在通常光线充足的环境中)不能很好地工作,因此它在军事之外没有很多潜在的应用。

面部识别的局限性

我们花了很多时间谈论面部识别的缺点。 正如我们从红外和热成像中看到的那样,可以克服其中一些限制。 但仍有一些问题尚未解决:

  • 阻碍 :正如您所期望的那样,太阳镜和其他配件可以绊倒面部识别软件。
  • 姿势 :面部识别最适合中性,面向前方的图像。 即使对于基于IR的识别软件,头部的倾斜或转动也会使面部识别变得困难。 此外,微笑,膨胀的脸颊或任何其他姿势可以改变计算机测量你的脸的方式。
  • :所有形式的面部识别都依赖于光线,无论是可见光谱还是红外光。 结果,奇怪的光照条件会降低面部识别的准确性。 这可能会改变,因为科学家们正在开发基于声纳的面部识别技术
  • 数据库 :如果没有一个好的数据库,面部识别就无法工作。 沿着这些方向,不可能识别出过去未被正确识别的面部。
  • 数据处理 :根据数据库的大小和格式,计算机可能需要一段时间才能正确识别面部。 在某些情况下,如警务,数据处理的限制限制了日常应用中面部识别的使用(这可能是一件好事)。

截至目前,围绕这些限制的最佳方法是将其他形式的识别与面部识别结合使用。 如果无法识别您的面部,您的手机将要求输入密码或指纹, 中国政府使用身份证和跟踪技术来弥补面部识别网络中存在的误差范围。

在未来,科学家们肯定会找到解决这些问题的方法。 他们可以在激光雷达旁边使用声纳技术在任何环境中创建3D人脸地图,他们可能会在极短的时间内找到处理面部数据(并识别陌生人)的方法。 无论哪种方式,这项技术都有很多滥用的可能性,因此值得跟上。

资料来源: 里耶卡大学 电子前沿基金会

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