新3D人臉識(shí)別更加安全便捷 活體查驗(yàn)由主動(dòng)配合到無(wú)感檢測(cè)

近日，德國(guó)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(shí)別技術(shù)即將問(wèn)世，通過(guò)引入創(chuàng)新性的3D傳感器及“活體皮膚”檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)防止欺騙性攻擊，提高安全性。

Trinamix開(kāi)發(fā)的新型3D傳感模塊主要包括：一顆100萬(wàn)像素近紅外（NIR）攝像頭傳感器，一顆泛光照明器以及點(diǎn)陣投影器。該模塊會(huì)發(fā)出一個(gè)光點(diǎn)網(wǎng)格，然后對(duì)其進(jìn)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(gè)光束均由算法單獨(dú)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(shí)別技術(shù)可以大幅提升現(xiàn)有的人臉識(shí)別應(yīng)用的安全性。

最初的人臉識(shí)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(jī)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(chǎng)景，逐漸延伸至移動(dòng)支付、身份檢驗(yàn)等多個(gè)場(chǎng)景。

但是，人臉技術(shù)在提供便利的同時(shí)，也讓一些用戶對(duì)于安全問(wèn)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(yàn)證目前人臉識(shí)別技術(shù)的安全性，進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。

工程人員手持的是通過(guò)3D打印技術(shù)制作的人臉面具，耐能宣稱通過(guò)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(guó)內(nèi)某火車站的閘機(jī)。

據(jù)悉，現(xiàn)在中國(guó)的人臉支付用戶已經(jīng)達(dá)到了一億以上。因此，人臉識(shí)別技術(shù)在提供便利的同時(shí)，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(jī)來(lái)完成人臉的識(shí)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(jìn)行3D建模，其依賴的主要硬件則是隱藏在iPhone X“劉?！毕碌囊惶鬃R(shí)別系統(tǒng)，包括紅外傳感器、照明器、點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)稱之為原深感攝像頭系統(tǒng)。

iPhone X在對(duì)用戶臉部數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的時(shí)候，“劉?！崩锏狞c(diǎn)陣投影儀會(huì)投射多個(gè)點(diǎn)斑在人臉上，其中紅外鏡頭和泛光感應(yīng)元件，則可以通過(guò)深度攝像頭實(shí)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(huì)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行3D建模，可以將每個(gè)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(jī)解鎖的依據(jù)。

解鎖或支付時(shí)點(diǎn)陣投影器工作時(shí)向人臉投射由 3 萬(wàn)多個(gè)肉眼不可見(jiàn)的光點(diǎn)組成的點(diǎn)陣。因?yàn)槿四槻堪纪共黄?，點(diǎn)陣的形狀會(huì)發(fā)生變化。

通過(guò)紅外鏡頭讀取點(diǎn)陣圖案，再與前置攝像頭拍攝到的人臉通過(guò)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(jìn)行比對(duì)。

但由于深度相機(jī)方案只能通過(guò)光線畸變程度來(lái)決定信息匹配程度，即使對(duì)人臉結(jié)構(gòu)識(shí)別精度達(dá)到0.1 毫米級(jí)別，仍然可以被攻破。此前，柏林的SR實(shí)驗(yàn)室使用石膏模具，破解了微軟的Hello面部識(shí)別系統(tǒng)。

同時(shí)這種方式在多個(gè)使用相同類型紅外深度感應(yīng)攝像機(jī)的品牌筆記本的測(cè)試中都成功了。SR 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)，物體會(huì)因?yàn)槠洳煌臉?gòu)造，反射回不同光線。并且通過(guò)分析該反射光線，并將其與更常見(jiàn)的2D紅外圖像和3D深度圖結(jié)合起來(lái)，軟件可以更準(zhǔn)確地識(shí)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(gè)綠色長(zhǎng)方體看起來(lái)很相似，但是，實(shí)際上一個(gè)是塑料材質(zhì)，另一個(gè)由木頭制成。

通過(guò)Trinamix的3D傳感模塊掃描，筆記本電腦上顯示了紅外光點(diǎn)背向散射的像素化讀出，兩塊長(zhǎng)方體的顏色差異便是通過(guò)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(shí)別木材、金屬、活體皮膚、車廂內(nèi)飾以及安全帶等物體。

對(duì)比之下，Trinamix的技術(shù)超越FaceID的地方在于，它不僅僅進(jìn)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(lái)區(qū)分材料，檢測(cè)出正在驗(yàn)證的是“活體”皮膚還是逼真的硅膠面罩，同時(shí)Trinamix的技術(shù)不僅可以識(shí)別皮膚，還可以識(shí)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(wú)法欺騙它，傳感器的分辨率足以檢測(cè)物體的大小和位置。采用Trinamix的解決方案，其傳感器只會(huì)在檢測(cè)到活體皮膚后驗(yàn)證用戶。

活體查驗(yàn)由主動(dòng)配合到無(wú)感檢測(cè)

人臉識(shí)別技術(shù)是生物識(shí)別領(lǐng)域內(nèi)一項(xiàng)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(duì)人臉識(shí)別與認(rèn)證系統(tǒng)造成了潛在威脅。

因而，現(xiàn)在的人臉識(shí)別需要活體檢測(cè)作為輔助。當(dāng)前的活體人臉檢測(cè)技術(shù)主要有三類，分別基于人臉微動(dòng)作、3D人臉重建、紅外光人臉檢測(cè)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

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

通過(guò)將面部細(xì)微動(dòng)作與周邊場(chǎng)景的細(xì)微變化設(shè)為相應(yīng)的特征值，并設(shè)置波動(dòng)范圍，與存儲(chǔ)的人臉特征值進(jìn)行比對(duì)，可以判斷是否為活體。

基于3D人臉重建的活體檢測(cè)：人臉被標(biāo)準(zhǔn)化到一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)的方向和位置，人臉的形狀由數(shù)百個(gè)頂點(diǎn)表示，將人臉的 n 個(gè)頂點(diǎn)的 X、Y、Z 坐標(biāo)串接起來(lái)，組成形狀向量來(lái)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(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)對(duì) 3D 形狀頂點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)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(cè)的活體檢測(cè)：由于人體血液流動(dòng)的過(guò)程中產(chǎn)生了溫度，會(huì)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(hào)。

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

通過(guò)對(duì)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(lái)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(lái)進(jìn)行人臉活體檢測(cè)。

目前，主要的活體檢測(cè)方式是基于人臉細(xì)微動(dòng)作配合查驗(yàn)是否為活體識(shí)別，通常包含幾個(gè)鑒別步驟，比如眨眼判別：要求用戶眨眼一到兩次，人臉識(shí)別系統(tǒng)會(huì)根據(jù)自動(dòng)判別得到的眼睛的張合狀態(tài)的變化情況來(lái)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(kāi)、閉合嘴巴一到兩次，人臉識(shí)別系統(tǒng)據(jù)此區(qū)分照片與真實(shí)人臉，從實(shí)際情況看來(lái)，進(jìn)行上述步驟需額外耗時(shí)，而且無(wú)法保證一次成功，有可能需要二次進(jìn)行。

對(duì)于此種情況，由Trinamix帶來(lái)的新型3D識(shí)別技術(shù)，可以大幅度提高現(xiàn)有的人臉識(shí)別技術(shù)的安全等級(jí)。同時(shí)，其方案可以省去現(xiàn)有活體檢測(cè)中主動(dòng)配合的過(guò)程，使活體檢測(cè)由需要主動(dòng)配合過(guò)渡至無(wú)感檢測(cè)，在未來(lái)進(jìn)一步提升全場(chǎng)景下人臉識(shí)別的便利性、可用性。