新3D人臉識別更加安全便捷 活體查驗由主動配合到無感檢測

近日，德國化工巨頭巴斯夫（BASF）表示旗下全資子公司Trinamix研發(fā)的新型人臉識別技術(shù)即將問世，通過引入創(chuàng)新性的3D傳感器及“活體皮膚”檢測系統(tǒng)來防止欺騙性攻擊，提高安全性。

Trinamix開發(fā)的新型3D傳感模塊主要包括：一顆100萬像素近紅外（NIR）攝像頭傳感器，一顆泛光照明器以及點陣投影器。該模塊會發(fā)出一個光點網(wǎng)格，然后對其進行掃描，以分析物體反射光的方式以及不同材料反射光的差異。

利用“光束輪廓分析”的技術(shù)可以區(qū)分不同的材料，以確定它是皮膚還是硅膠，木材還是塑料等。其每個光束均由算法單獨分析，有助于更精準(zhǔn)地區(qū)分不同的材料和表面。因此，Trinamix的新型識別技術(shù)可以大幅提升現(xiàn)有的人臉識別應(yīng)用的安全性。

最初的人臉識別技術(shù)

2017年，在蘋果iPhone X身上，公眾看到了人臉解鎖功能：Face ID?，F(xiàn)在，大部分的智能手機都已擁有人臉解鎖功能，并且人臉技術(shù)已經(jīng)由智能終端解鎖場景，逐漸延伸至移動支付、身份檢驗等多個場景。

但是，人臉技術(shù)在提供便利的同時，也讓一些用戶對于安全問題產(chǎn)生了擔(dān)憂。在2019年底，邊緣AI解決方案提供商耐能（Kneron）宣稱為了驗證目前人臉識別技術(shù)的安全性，進行了相應(yīng)測試。

工程人員手持的是通過3D打印技術(shù)制作的人臉面具，耐能宣稱通過使用3D面具，攻破了支付寶和微信支付系統(tǒng)，甚至還攻破了國內(nèi)某火車站的閘機。

據(jù)悉，現(xiàn)在中國的人臉支付用戶已經(jīng)達(dá)到了一億以上。因此，人臉識別技術(shù)在提供便利的同時，其安全性已經(jīng)成為了用戶關(guān)注的重中之重。

IPhoneX的FaceID使用深度相機來完成人臉的識別。其采用了一種名為面部深度感知的方案，核心就是為臉部進行3D建模，其依賴的主要硬件則是隱藏在iPhone X“劉海”下的一套識別系統(tǒng)，包括紅外傳感器、照明器、點陣投影儀、距離傳感器和環(huán)境光線傳感器等各種傳感器設(shè)備，蘋果將整個系統(tǒng)稱之為原深感攝像頭系統(tǒng)。

iPhone X在對用戶臉部數(shù)據(jù)進行采集的時候，“劉海”里的點陣投影儀會投射多個點斑在人臉上，其中紅外鏡頭和泛光感應(yīng)元件，則可以通過深度攝像頭實現(xiàn)人眼瞳孔的特征定位，AI芯片A11的深度學(xué)習(xí)則用于估算人眼視線方向。

系統(tǒng)會將接收的數(shù)據(jù)進行3D建模，可以將每個人臉數(shù)據(jù)繪制為更為精確的深度圖，從而可以將人臉數(shù)據(jù)和與眾不同的生理特征作為手機解鎖的依據(jù)。

解鎖或支付時點陣投影器工作時向人臉投射由 3 萬多個肉眼不可見的光點組成的點陣。因為人臉部凹凸不平，點陣的形狀會發(fā)生變化。

通過紅外鏡頭讀取點陣圖案，再與前置攝像頭拍攝到的人臉通過算法相結(jié)合，就能獲得帶有深度信息的人臉，從而與已采集的信息進行比對。

但由于深度相機方案只能通過光線畸變程度來決定信息匹配程度，即使對人臉結(jié)構(gòu)識別精度達(dá)到0.1 毫米級別，仍然可以被攻破。此前，柏林的SR實驗室使用石膏模具，破解了微軟的Hello面部識別系統(tǒng)。

同時這種方式在多個使用相同類型紅外深度感應(yīng)攝像機的品牌筆記本的測試中都成功了。SR 實驗室的創(chuàng)始人表示，他們使用的模具不僅模仿了用戶的臉部形狀，還模仿了皮膚的光反射性能。

新技術(shù)幫助人臉識別提升安全性

Trinamix公司的研究人員發(fā)現(xiàn)，將紅外光束照射到物體上時，物體會因為其不同的構(gòu)造，反射回不同光線。并且通過分析該反射光線，并將其與更常見的2D紅外圖像和3D深度圖結(jié)合起來，軟件可以更準(zhǔn)確地識別出物體是什么。

利用該技術(shù)，可以區(qū)分打印在紙上的人臉照片，戴著面具的人臉，正常的人臉。

具體而言，兩個綠色長方體看起來很相似，但是，實際上一個是塑料材質(zhì)，另一個由木頭制成。

通過Trinamix的3D傳感模塊掃描，筆記本電腦上顯示了紅外光點背向散射的像素化讀出，兩塊長方體的顏色差異便是通過算法標(biāo)記了物體的不同材質(zhì)。Trinamix可以調(diào)整算法以匹配不同的材料，并識別木材、金屬、活體皮膚、車廂內(nèi)飾以及安全帶等物體。

對比之下，Trinamix的技術(shù)超越FaceID的地方在于，它不僅僅進行傳統(tǒng)的3D映射，其光束輪廓分析可以根據(jù)材料的反射光來區(qū)分材料，檢測出正在驗證的是“活體”皮膚還是逼真的硅膠面罩，同時Trinamix的技術(shù)不僅可以識別皮膚，還可以識別近100種不同的材料。

而且，在傳感器前搖晃手指，用部分活體皮膚也無法欺騙它，傳感器的分辨率足以檢測物體的大小和位置。采用Trinamix的解決方案，其傳感器只會在檢測到活體皮膚后驗證用戶。

活體查驗由主動配合到無感檢測

人臉識別技術(shù)是生物識別領(lǐng)域內(nèi)一項重要技術(shù)，并獲得了廣泛應(yīng)用。但是目前也已出現(xiàn)了偽裝人臉的欺騙性攻擊，對人臉識別與認(rèn)證系統(tǒng)造成了潛在威脅。

因而，現(xiàn)在的人臉識別需要活體檢測作為輔助。當(dāng)前的活體人臉檢測技術(shù)主要有三類，分別基于人臉微動作、3D人臉重建、紅外光人臉檢測來實現(xiàn)。

基于人臉細(xì)微動作的活體檢測：由于照片、模型中的人臉不具備進行細(xì)微動作的可能，那么在查驗過程獲取人臉的連續(xù)一系列細(xì)微動作便可以獲得一些線索來判斷是否是真實的人臉：如眼睛眨動、嘴唇的離合等。

通過將面部細(xì)微動作與周邊場景的細(xì)微變化設(shè)為相應(yīng)的特征值，并設(shè)置波動范圍，與存儲的人臉特征值進行比對，可以判斷是否為活體。

基于3D人臉重建的活體檢測：人臉被標(biāo)準(zhǔn)化到一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的方向和位置，人臉的形狀由數(shù)百個頂點表示，將人臉的 n 個頂點的 X、Y、Z 坐標(biāo)串接起來，組成形狀向量來描述人臉的 3D 形狀。

為得到更加精細(xì)的3D 形狀的解，可以按照給定 2D 圖像上的特征點的坐標(biāo)來對 3D 形狀頂點進行進一步調(diào)整，得到人臉精細(xì)的 3D 形狀信息。

基于紅外人臉檢測的活體檢測：由于人體血液流動的過程中產(chǎn)生了溫度，會被皮膚發(fā)散，從而使皮下血液系統(tǒng)呈現(xiàn)出一種面部信號。

這種信號可以被紅外照相機獲取，使用熱靈敏度小于或等于0.7℃的紅外照相機拍攝的人臉照片，每張臉一般含有數(shù)百個或者更多的封閉的同溫線。

通過對于人臉皮膚下面的血管分布信息采集，提取同溫線特征，用幾何分析的方法來分析同溫線形狀，從而分析的結(jié)果產(chǎn)生的特征值就可用來進行人臉活體檢測。

目前，主要的活體檢測方式是基于人臉細(xì)微動作配合查驗是否為活體識別，通常包含幾個鑒別步驟，比如眨眼判別：要求用戶眨眼一到兩次，人臉識別系統(tǒng)會根據(jù)自動判別得到的眼睛的張合狀態(tài)的變化情況來區(qū)分照片和人臉；

或者嘴部張合判別，與眨眼判別類似，要求用戶張開、閉合嘴巴一到兩次，人臉識別系統(tǒng)據(jù)此區(qū)分照片與真實人臉，從實際情況看來，進行上述步驟需額外耗時，而且無法保證一次成功，有可能需要二次進行。

對于此種情況，由Trinamix帶來的新型3D識別技術(shù)，可以大幅度提高現(xiàn)有的人臉識別技術(shù)的安全等級。同時，其方案可以省去現(xiàn)有活體檢測中主動配合的過程，使活體檢測由需要主動配合過渡至無感檢測，在未來進一步提升全場景下人臉識別的便利性、可用性。