编辑导语：人脸验证产品我们应该都很熟悉了，不少人都在用人脸进行解锁或者支付。然而，我们对人脸验证的了解仅限于在使用层面上，但是对于其开发却少有人了解。今天，在本篇文章中，作者通过自己亲身接触的人脸验证产品的开发流程，为我们关于人脸验证产品怎么做进行了总结。
在业务中，有幸深度接触了人脸验证这款产品，为及时沉淀总结，所以有了这篇文章。需先说明，本文人脸验证指的是验证当前操作者是不是用户本人。
一、梳理端和场景
1. 开始前，产品首先需要先梳理好端和场景
举例：
为什么要先梳理端和业务场景呢？
2. 业务场景不同，业务策略不同
举例：金融场景，安全系数要求更高，在保证一定用户体验的时候，宁可误杀，不可错放。
登录场景，则相对要求低一些；另外，不同场景，辅以不同错误次数限制、弥补措施等，业务流程逻辑不同。
3. 硬件配置不同，采集到的数据不同
软件产品，关注手机摄像头配置。
比如说安卓千元机，一般都是普通RGB摄像头，只能获取到用户脸部的2D信息，比如色彩梯度等，而苹果手机X及以上配置了3D深度摄像头。
所以苹果的面容ID是基于3D结构光的人脸识别方案，通过红外光将大约3万个点阵投射到物体上，用数量庞大的点阵得到物体的深度信息，精度高，可以较好地防范各类攻击（目前同样采取3D结构光的安卓手机，点阵数量远小于苹果，相对而言，获取的数据也就更少）。
另外，苹果的成像是利用红外不可见光，所以可以不受环境光的影响，支持用户在黑暗环境下正常使用。因此如果识别到用户手机型号为苹果X及以上，App可考虑申请调用系统自带的面容ID。
iPhone11起，还为FaceID增加一个多角度传感器，可以捕捉更宽的视野，让用户可以不用脸部太靠近摄像头就可以完成解锁（https://support.apple.com/zh-hk/HT208108 Face ID官方介绍，感兴趣的可以看一下）。
硬件产品，则要考虑摄像头选型，一般都是选深度相机。
主流的深度相机方案是3D 结构光（3D Structure Light）和时间飞行法(TOF, Time of Flight)。怎么选？要结合实际采集数据的场景来定。
其中，3D结构光就像上述所说，精度高，但有效距离有限。距离越远，物体上投射到的光点越大，精度也就越差；所以3D结构光更适合应用在近距离的人脸识别，手势识别。像支付宝的线下刷脸支付终端就用的是3D结构光摄像头。
而远距离的时候，就适合TOF，比如AR.VR场景更适合用TOF。TOF,ime of Flight，简单来说就是通过光的飞行时间来计算距离。通过红外发射器发射调制过的光脉冲，遇到物体反射后，用接收器接收反射回来的光脉冲，并根据光脉冲的往返时间计算与物体之间的距离。
二、人脸核身操作流程
一般来说分为三步：
1. 采集数据
这一步的目的是为模型采集到质量合格的人脸图片/视频流，并按照采集要求传输给后端。
1）明确要求
首先需要明确要求，包括人脸图像要求和前端采集要求。
人脸图像要求：图像要求，需要产品综合业务需求和模型技术需求，进行确认，人脸比对要求一般包括以下：
- 有大小合适的整个人脸
- 光线充足，不反光
- 人脸无遮挡
- 人脸角度正
- 人脸不模糊
活体检测要求：要根据业务上希望达到的效果和技术采用的方案综合确认。技术原理不同意，则差异很大。
前端采集要求：同样，需要整合活体检测和人脸比对的前端采集要求，形成一套完整的前端采集方案。
举例：
2）人脸检测
“人脸检测是指对于任意一幅给定的图像，采用一定的策略对其进行搜索以确定其中是否含有人脸，如果是则返回脸的位置、大小和姿态。”人脸识别第一步，是检测到图像中人脸的存在。
就像人的认知一样，先认识到有人的存在，在判断这个人是谁。
注意点：
- 如果采用的技术方案是分类，可同时找出图像中的所有人脸，策略上要确认检测到多张人脸时，以哪张人脸为准，如以最大人脸为目标人脸。
- 如果用的是遍历，技术上简单来说指的是在图像中遍历人脸，若将图像全部遍历完，耗时较长，可定策略找到一张符合大小的人脸就结束，如果检测的人脸小于要求，则继续遍历。
3）IQA(图像质量评价)
在图像识别中，所采集到的图像质量直接影响识别结果的准确性和可靠性。好比我远远看到有个人和我打招呼，但是隔得太远，我看不清具体的五官，所以无法判断他是谁。
因此，人脸识别，需要过滤掉不符合人脸识别质量要求的人脸图像，所以需要在采集时做IQA。
在采集时，实时校验人脸的光照条件，姿态角度、遮挡、清晰度，符合质量条件的才会通过进入下一步。采集过程中，图像不符合要求时，根据检测结果提示用户正确的操作。
2.欺诈人脸检测
欺诈人脸检测，指的检测图像是否是欺诈人脸，纸张打印人脸图，人脸照片，电子设备屏幕中的人脸数字图像或者是人脸面具等。
这里说一点，业务侧一般用活体检测这个词，但学术其实说的是Face spoof detection欺诈人脸检测。字面上理解活体检测，指的是检测这个人是不是活体。
比如说带着面具的人，模型应该是判断成活体还是非活体，对于这个问题，用活体或者非活体来定义是有些模糊，用欺诈人脸和非欺诈人脸会更准确。
简单介绍几种常见方法：
- 基于图片纹理差异：无需用户进行繁琐的脸部动作，只要求用户实时拍摄，传入模型一张照片即可，是基于图像纹理差异（摩尔纹、成像畸形等）来做判断，可有效防止屏幕二次翻拍等作弊攻击；
- 基于运动信息：需要用户随机进行眨眼，摇头，抬头等动作。基于用户运动信息，可有效防止纸张，照片等作弊攻击。 因为动作策略是随机的，需要欺诈人脸在极短时间内进行正确的反应，所以对3D建模类攻击也有一定的防范作用。除了眨眼，摇头类，也有读数字的，通过声纹+唇语的方式来判断。缺点是检测耗时长，对用户不够友好；
- 基于面部闪烁 ：由于真实人脸与欺骗人脸的材质不同，导致了成像系统反射率有差异。通过屏幕来发射不同颜色和强度的光线，一般是红蓝绿，可有效防止纸张，照片，屏幕等作弊攻击；
- 基于红外：也是因为材质不同，成像系统反射率有差异，但可见光下，区别不是很显著，而红外波段会明显不同。红外活体检测就利用了这一点，可有效防止纸张，照片，屏幕等作弊攻击。 但依赖特殊硬件来发射近红外光。需要特殊硬件；
- 基于3D结构光：前面提过，不赘述。需要特殊硬件；
- 基于TOF:前面提过，不赘述。需要特殊硬件。
3. 人脸1:1比对
比对的时候，同时会对图像做一些预处理。（需要对图像二次加工的产品，则一般有单独的预处理模型。具体，也视公司资源而言…）
用户在拍摄时，难免会受到外在因素的干扰，比如光线、表情、阴影遮挡等，导致图像质量不够好。虽然在采集的时候，我们已经过滤了部分低质量的图像，但为了用户体验，不可能用很严苛的标准。
所以比对的时候，会对采集到的人脸图像做一些处理，比如说抠出图像里的人脸，避免图片里非人像的部分造成影响，调整光线、旋转、降噪尺寸归一化，然后提取出人脸特征，找出关键点，将输入人脸和样本人脸对齐，最后计算出相似度。
4. 业务策略
前面所述大部分都是技术上的流程，这里总结一下，业务上产品能做些什么呢？
注意：以下非必要，需要产品结合业务需求和技术能力权衡确定。
1）限流策略
操作频繁限制。
2）采集超时策略
在xx时间内若采集不到符合要求的图像，则结束采集。
3）用户操作指引
开始采集前，按照人脸图像要求，给用户一定的交互提示，可对后面的图像采集质量有一定正向作用。
如请勿遮挡面部，请保持正视屏幕，保持不动，请保持光线充足。疫情期间，视模型要求和业务要求，可增加“请摘下口罩”指引。
4）屏幕亮度调节
进入采集流程，通过调节屏幕亮度，白底UI等，降低光线对图片成像的影响。注意，这里仅针对RGB成像方案，使用非RGB摄像头就不需要考虑环境光的影响。
5）确认图像采集标准
前文已说，不赘述。
6）检测到多个人脸
人脸比对时，检测到多个人脸，一般以最大人脸为目标人脸；活体检测时，则根据场景考虑是否，有任一非活体人脸则判断不通过。
7）阈值策略
不同场景，阈值标准不一样。
上图是腾讯人脸比对API接口的返回参数之一，借这个介绍一下。
这里返回值里面提供了千分之一、万分之一、十万分之一不同的误识率，不同的误识率下对应不同的阈值。
如果业务上能接受千分之一的误识率下，那么分数大于 40 分，就可以认为是同一个人；但十万分之一误识率要求下，90分以下的就认为他们可能不是同一个人。所以产品要根据业务属性决定以哪个阈值为合格标准。
8）验证失败，弥补策略
算法是概览，也会出错。为了良好的用户体验，可以在人脸验证失败，给用户提供其他验证方式。
9）建立用户个人人脸库，增加比对样本
当人脸识别失败，用户转而用其他方式进行验证，验证通过后，我们可以记录下之前的人脸数据，丰富这位用户的个人人脸库。因为用户的面部是会发生变化，如果一直用一张样本照片，随着时间推移，差异会越来越大，识别会越来不准。
10）注视感知
苹果FaceID的注视感知功能。它能识别用户的眼睛有没有睁开，是否看向手机。只有用户眼睛睁开，且看向摄像头时，才能解锁设备。
这样，其他人就难以在用户不知情的情况下（如在睡着时）解锁设备。这里其实考虑的是生物特征的开放性。相比传统密码，生物特征每天都暴露在公众场合，而且一旦被窃取，就是终生被窃取，不像传统密码一样。
三星部分机型，虽然没有精细到注视感知，不过支持有无睁眼的判断。但注视感知功能，会对部分眼睛有疾病的用户造成困扰，如斜视的用户，所以苹果也提供了关闭这个功能的选项。
简单延伸一下生物特征安全性的问题，怎么样才能防范窃取？
- 首先：要减少不必要的生物特征采集，存储。政府层面应当规范生物特征的采集、存储、传输。
- 其次：要让欺诈无利可图。不断发展相关技术，让欺诈成本远高于收益，比如活体检测，可以检测出纸张，照片，视频等欺诈攻击。而3D面具成本高，且不具备批量复制性质，材质和人脸的区别也可被检测出来。
感谢阅读，持续学习中，如有错误的地方，请不吝赐教。
作者：石青；微信公众号：shiqingzixishi
本文由 @石青 原创。未经许可，禁止转载
微信扫一扫 
支付宝扫一扫 
