2018年5月7日 星期一

Spoofing Near-Infrared Face Recognition






來源:环球科学

在近期的IEEE電腦視覺應用冬季會議上, 美國陸軍研究實驗室的研究人員,利用卷積神經網路和一系列算法,能夠在黑夜中進行人臉辨識。目前,該技術的辨識準確率超過了80%。

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人臉辨識我們已經不陌生,從手機上的臉部解鎖,到機場使用的掃臉登機系統,人臉辨識技術已經開始慢慢進入到人們的日常生活中,同時,人臉辨識技術也被用於警察執法與安防,2018年春節,中國鄭州鐵路警方使用的警務眼鏡,據稱已經配備臉部辨識功能,並幫助警方抓獲七名嫌犯。

人臉辨識從技術上來說,大致要經過幾個流程,首先要獲取圖像,然後對圖像中的特徵進行提取,再將待辨識人臉所提取的特徵,與數據庫中的所有圖像進行匹配,以回答「這是誰」的問題。

這個過程在白天光照充足的情況下,運行良好,然而,在夜晚,沒有光照或者光照不足的情況下,人臉辨識變得困難。

利用普通攝影機,無法獲取人臉資訊,在夜間只能利用紅外線成像技術,獲取紅外線圖像。但是由於成像方式不同,使得同一個人的可見光圖像,和紅外線圖像存在很多差異,如何實現紅外線人臉圖像,與數據庫中保存的可見光圖像比對與驗證

Face recognition using both visible light image and near-infrared ...

這是美國陸軍研究實驗室希望解決的問題,解決了這個問題就可以實現7×24小時,不受光線影響的進行人臉辨識,對在逃嫌疑人進行即時監測。

從紅外線圖像到可見光圖像
在電影《終極戰士》裡,阿諾史瓦辛格跳進水裡,將自己的溫度和周圍保持一致,試圖遮蔽自己的紅外線信號源,避免熱成像儀的偵察。


紅外線熱成像,根據熱力學零度以上,一切物體都在發射紅外線的原理,透過感應紅外線,然後呈現出肉眼可見的圖像,紅外線熱成像儀,能夠探測人身體本身散發的熱輻射,根據不同部位溫度的差異形成圖像。

在漆黑一片的環境中,紅外線熱成像儀能夠「看到」任何有溫度的物體,美國軍方的夜視儀,幾乎都應用了紅外線熱成像技術。目前,紅外線熱成像設備,已經被廣泛的部署在美國軍方的航空器、地面車輛、瞭望塔,以及檢查站中。就在最近,紅外線相機已經成為可穿戴式設備。

利用這些紅外線成像設備,在夜間進行自動化人臉辨識,即時發現監控名單中的可疑人員,進行抓捕,是美國軍方的切實需要。

然而,紅外線人臉圖像反映的是人臉的溫度分布,紅外線人臉圖像中,人臉器官的邊緣輪廓和細節特徵都比較模糊,與可見光成像差別很大,兩者之間的比對難度較大。

美國陸軍研究實驗室Benjamin S. Riggan,提出了一種新的圖像合成方法,利用卷積神經網路,以及一系列算法,將紅外線人臉圖像合成為可見光圖像。

在給定的紅外線臉部圖像中,首先利用卷積神經網路,從整體和局部提取特徵,接下來,從提取出的特徵中,預估對應的可見光圖像。最終,透過局部和全局的優化,產生一個合成的可見光圖像。合成後的圖像,並不是一張完美的可見光圖像,它看起來更像是一幅「素描」。


運用卷積神經網路的圖像辨識流程
透過這幅「素描」,是不是真的可以與數據庫中的圖像,進行比對和驗證呢研究人員選取了一個數據庫,其中包含來自60個人的可見光面部圖像,和紅外線臉部圖像,其中30人的圖像用於訓練神經網,其它30人的圖像用於驗證,結果表明,採用了這種方法後,人臉辨識的正確率均高於80%。

而由於這種方法可以將紅外線人臉圖像,轉換成可見光圖像,再進行辨識,因此並不需要對原來,已經存在的人臉辨識系統,進行客製化改造,也不需要軟硬體的更新換代。

在美國陸軍研究實驗室發佈的資訊中,研究人員Benjamin S. Riggan稱:「目前大部分的生物辨識人臉數據庫,僅包含可見光臉部圖像,我們所研發的技術,可以在紅外線臉部圖像,與現有生物辨識人臉數據庫之間進行匹配。」

在今年3月份舉行的IEEE電腦視覺應用冬季會議上, 美國陸軍研究實驗室的研究人員,介紹了此項技術的詳細內容,並利用紅外線熱成像攝影機,和運行算法的筆電,進行了即時演示,向人們展示了由一個人的紅外線臉部圖像,產生一個合成的可視化圖像的過程。該項研究獲得了此次會議的最佳論文獎。


7×24 全年無休
不過這項技術如果要進入使用階段,還需要繼續提高準確度,目前在普通情況下,國際權威人臉辨識數據庫,測試的準確率已經突破了99%,相比而言,這項技術所達到的80%的準確率還很難進入實用階段。

而一旦該項技術進入實用,將擴大人臉辨識的適用範圍,並且提高人臉辨識系統的性能。目前限制人臉辨識性能的因素之一,就是光照的變化,為了減少或消除光照對人臉辨識的影響,在可見光人臉辨識方法中,研究和採用了各種補償措施。

人臉紅外線圖像,基本上不受周圍環境光照的影響,不需要採取補償措施,很多研究表明,環境光照的變化,對紅外線圖像的獲取,以及圖像的品質影響很小。與可見光人臉辨識相比,人臉的姿態和人是否化妝,對紅外線人臉圖像的影響,也相對較小。

現有的具備夜視功能的人臉辨識系統,未來或許都可以利用該項技術,7×24小時,全年不休。


穿牆而過
美國媒體據此報導,這種技術未來將實現從室外,穿過牆的阻隔,對室內的人們進行拍照和辨識,由此帶來隱私等方面的擔憂。

這種擔心其實大可不必,雖然紅外線熱成像有部分穿透能力,可以穿透煙霧、霧霾,也可以穿過一些透光的材質,比如透明的塑料袋、透明玻璃等。

而要對人臉進行辨識,一個小小的眼鏡,都可能影響到辨識的效果,有研究表示,紅外線對玻璃的透射性較差,對戴眼鏡的人臉並不容易辨識。而一件厚衣服就可以阻隔紅外熱成像,更不用說完全不透光的牆壁了。

                                                                                                                                                                                                                 


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