本帖最后由 SmartToF 于 2020-10-20 16:44 编辑
当下正值新冠肺炎（COVID-19）肆虐全球之际，戴口罩成为了全民阻断病毒传播的最佳方式。然而在人脸部分遮挡或恶劣光照条件下，用户人脸识别或人脸认证的合法访问常常提示**检测失败，甚至根本检测不到人脸。这是由于目前基于RGB等2D空间的主流**检测方案未考虑光照、遮挡等干扰因素对于检测的影响，而且存在计算量大的缺点。而数迹智能团队研发的3D SmartToF**检测方案则可以有效解决此问题。本文将会围绕这些问题，介绍数迹智能的最新成果——基于ToF的3D**检测算法。 1. 什么是**检测？ 根据IEEE首个生物特征**检测国际标准[26]定义，生物特征识别系统捕获访问对象并自动检测呈现攻击（Presentation Attack, PA）的过程统称为攻击检测（Presentation Attack Detection, PAD），又称为**检测。 人脸**检测作为人脸识别技术的先决条件，对保障人脸识别系统的安全性具有重大意义。本文讨论的呈现攻击仅限与关于人脸的非**呈现攻击，如照片、回放视频以及人脸面具等。 2． **检测研究现状 根据**检测国际标准[26]，基于对象的人脸**检测方法可分为被动检测与主动检测。主动检测通常需要用户根据指令完成规定动作，根据连续帧动作完成情况判断是否为**，操作繁琐且耗时较长，用户体验感较差；而被动检测通过对单帧人脸图像判断是否为**，以其自然性、实时性，更适用于不同应用场景。 图2-1 **检测算法分类 2.1 2D**检测 2D**检测未利用任何的空间结构信息，现存的2D**检测算法包括基于传统的特征提取与基于深度学习方法。传统的特征提取方法包括特征描述子如局部二值模式（LBP）[1]、梯度方向直方图（HOG）[3]、灰度共生矩阵（GLCM）[4]等，以及利用图像失真[8]分析**与非**之间的差异性；传统算法根据**与欺骗攻击的差异来设计特征，最后通过分类器决策；基于深度学习方法则是使用卷积神经网络将低阶特征(像素、纹理、方向等)逐层编码，获取图像的高阶表示。 在算法复杂度层面，传统的算法复杂度低但准确率相对较低。针对手动设计的差异如纹理、颜色等，在样本自身或者外部因素发生变化时，算法性能受到极大的影响，算法自身的泛化性和鲁棒性较差。如Schwartz等[4]利用灰度共生矩阵（GLCM）表征人脸图像灰度空间内方向、变换快慢和幅度的综合信息。基于深度学习算法的复杂度和准确率相对较高，Yang等[10]利用卷积神经网络（CNN）进行端到端的有监督学习，将**检测当做一个二分类任务，自动提取图像特征，并直接用参数表达。与传统方法不同的是，深度学习算法的特征理解具有不可解释性，但是其自适应特征提取过程在一定程度上增强**检测算法的泛化性能。同时深度神经网络也存在的过拟合、梯度消失、梯度爆炸等一系列问题。 2.2 伪3D**检测 伪3D**检测指基于RGB图像使用深度估计算法间接得到空间结构信息的**检测算法。Wang等[15]从RGB图像中恢复稀疏的3D面部结构以进行**检测，这也是首次将估计的3D结构信息用于**检测。Atoum等[16]则利用RGB图像估计深度信息，设计双流CNN网络结合颜色纹理与深度结构特征实现**检测算法，其估计3D深度信息的过程是：将训练图像从RGB空间转化到HSV、YCbCr空间，利用3D脸部匹配算法与3DMM模型计算深度图像标签。伪3D**检测利用RGB图像估计深度信息，虽然不需要额外的深度相机设备进行采集3D数据，但是除了存在计算量大的缺点之外，最关键的是估计数据与实测数据存在较大偏差，直接影响了**检测的准确性。 2.3 3D**检测 3D**检测则直接利用深度相机获取空间结构信息实现**检测算法。Wang等[21]利用Kinect深度相机采集的深度信息，通过提取深度图的LBP特征以及CNN学习到RGB图像的纹理特征，再送入SVM分类完成**检测。Zhang等[19][20]公开了大尺度、多模态数据集CASIA-SURF，该数据集利用Intel RealSense SR300结构光相机采集深度图和红外图，提出融合RGB、深度图与红外图的多流ResNet基准算法。该算法与前两类**检测算法相比，其专注于人脸面部区域，消除背景对检测的干扰。作为经典的3D**检测算法，直接使用深度相机获取空间结构信息，极其容易识别屏幕或者打印攻击。同时结合其他模态（如红外图、RGB图等），为**检测任务提供更多准确的区分性特征，还可以降低了算法的运算复杂度。但该基准算法只针对了6种纸张打印欺骗攻击方式展开，未考虑恶劣条件下的**检测，而且仍存在计算复杂度较大的问题。此外相较于结构光、双目视觉等消费级深度相机，ToF相机具有更强的抗干扰性能，能够准确表征人脸的立体空间结构特性，符合**检测的应用场景条件。 3. 基于ToF的3D**检测 3.1 ToF深度相机 ToF全称为Time-of-Flight，直译为飞行时间。飞行时间法通过连续向目标发送光脉冲，用传感器接收从物体返回的光，通过探测光脉冲的飞行（往返）时间来得到目标物距离。测距原理如图3-1所示。 图3-1 ToF测距原理[27] 由于ToF相机不需要像双目相机一样进行匹配，也不需要像结构光相机一样进行编码，ToF相机的计算相对简单，帧率可达上百fps。在测距范围和精度方面，ToF表现非常均衡，解决了结构光相机远距离受限和双目相机近距离精度不足的问题。同时，ToF作为一种采用主动测距方式的3D相机，在黑暗环境中也能正常工作。高频调制的光源使其在强光环境下的抗光干扰表现优异，ToF相机具有明显的优势。 上海数迹智能科技有限公司开发的SmartToF®相机具有精度高、小型化的特点，测距范围可达0.3～8m，同时覆盖了近景和远景，且精度高可实现毫米级测距精度，实时输出深度数据和强度数据，如图3-2所示。本文利用SmartToF®深度相机，消除外部强干扰因素（如人脸遮挡、恶劣光照等）与人脸多姿态变化（如侧脸、表情等）影响，实现高鲁棒、高精度的3D人脸**检测方案。更多ToF相机相关信息，欢迎访问https://www.smarttof.com 进一步了解。 图3-2 数迹智能ToF相机产品 3.2 3D**检测算法 3.2.1 算法框架 本算法的主要创新点为： - 空间层次上的预注意机制。特征学习专注于人脸区域，消除背景对检测的干扰，提取更高区分度的识别特征。
- 鲁棒人脸特征提取。PCA网络（PCANet）[23]作为层次化鲁棒特征提取的经典网络，将CNN的卷积层引入经典的“特征图—模式图—柱状图”特征提取框架，通过层次化卷积与编码，逐阶段形成图像的高阶特征表达。
- 多模态数据融合。本方法融合RGB图、深度图、强度图三种模态数据，不同模态数据在PCANet中学习到的特征互补，可有效地区分**与非**。
我们提出3D**检测算法框架主要基于特征级的多模态融合策略，首先FaceBoxes[24]人脸检测器完成人脸检测。非极大抑制(NMS)算法用于选取候选的人脸区域，根据图像中的像素面积大小得到最终的待检人脸区域。再以多模态PCANet为网络主干，对比分析一层PCANet（PCANet-1）与两层PCANet（PCANet-2）在多模态**检测任务中融合的效果。具体地，通过PCA滤波器核卷积与编码，学习多模态数据（RGB、IR、Depth）的高阶特征，融合的直方图统计特征送入到SVM等统计学习分类器完成最终检测。算法框架如图3-3所示。  （a） (b)图3-3 算法方案：(a) 为多模态PCANet主线框架，(b)为直方图统计融合框架 3.2.2 结果与分析 基于CASIA-SURF和数迹ToF**检测数据集，输入人脸区域像素统一设定为：28×28，所有实验都在Dual-Core Intel Core i5 CPU上完成，除特殊说明外，融合特征均采用支持向量机（SVM）进行分类，惩罚因子C设为20。PCANet-1与PCANet-2参数设置为：所有阶段的PCA滤波器核大小K1×K2=3×3，步长为1。第一阶段PCA滤波器核数目L1=3，第二阶段PCA滤波器核数目L2=3。直方图分块大小为4×4，步长为2。由于测试数据集的正负样本数量大致均匀，本文**检测性能衡量指标包括：分类正确率（CA）、非**攻击呈现分类错误率（LAPCER）[26]、真实呈现分类错误率（BPCER）[26]、平均分类错误率（ACER）以及真正率与假正率组合（TPR@fpr = 10-2，指当假正率为10-2时TPR的值）[19]。 首先探究具有一层PCA滤波器核卷积的PCANet-1、具有两层PCA滤波器核卷积的PCANet-2在CASIA-SURF和数迹ToF**检测数据集上的性能，结果如表3-1所示。 由表3-1可知，PCANet-1在ToF与CASIA-SURF**检测数据集上的综合表现较好，其中PCANet-1在ToF数据集99.9%的正确率与0.3%的平均分类错误率。在CASIA-SURF数据集则实现98.9%的正确率与0.9%的平均分类错误率。因此本文的算法方案选取以PCANet-1为基础的多流融合算法。 在上述基础上，基于PCANet-1，在CASIA-SURF上完成了模态内组合实验，结果如表3-2所示，实验表明在不同模态组合中，深度模态为**检测提供了最大区分度的信息，而且三模态融合方案取得最佳效果。 接下来验证了PCANet-1在强干扰因素和人脸多姿态的挑战场景下的泛化和鲁棒性能，使用SmartToF®相机采集的含有遮挡、表情、姿势变化等干扰的**检测数据集。训练集仍然使用不包括挑战场景下的数迹ToF**检测数据，将新采集的数据集直接利用PCANet-1网络与SVM分类器结合进行测试，结果如表3-3所示，同时在图3-4中展示了部分测试的结果。 结果表明：挑战场景下的**检测仍然保持着99.1%的平均准确率以及1.0%的平均分类错误率。基于PCANet-1的3D**检测算法对于强干扰因素与多姿态变化具有较强的鲁棒性。 (a) 口罩遮挡 (b) 打印欺诈攻击 (c) 表情变化 (d) 侧脸 图3-4 挑战场景下的ToF**检测结果，在口罩遮挡、侧脸（≤90°）、表情变化等干扰因素下能正确地区分**与欺骗攻击 进一步我们对本文提出的算法多模态PCANet-1算法与基于CASIA-SURF的基准算法[19][20]进行了比较，算法对比结果如表3-4所示，其中本文提出的多模态PCANet-1融合的ROC曲线如图3-5所示。 算法对比表明，本文提出的多流PCANet**检测算法，结合SVM分类器下的分类正确率达到98.9%，平均攻击分类错误率为0.9%；结合k-NN分类器，算法的分类正确率达到99.2%，在平均分类错误率上仅为0.8%，显著低于其他算法，这意味着100次欺诈攻击仅有不足1次的检测失败，满足现实场景的应用。同时在ToF**数据集上也证明了提出算法的有效性。 图3-5基于三流PCANet-1在CASIA数据集的**检测ROC曲线 最后我们对比分析了本文提出的算法和基准算法的复杂度，以FLOPs（浮点运算次数, floating point of operations）为时间复杂度指标，针对PCANet-1与基准算法ResNet-18[20]网络主线的时间复杂度进行对比。结果如表3-5所示。 * M为输出特征图大小，K为卷积核大小，C为卷积核的通道数，I、O为全连接层的输入输出；m、n为PCANet输入分块大小，L1为滤波器核数目，K1、K2为滤波器核大小。 表3-5的结果表明：本文提出的算法主线基于简化的深度学习模型，其时间复杂度远小于深度学习基准算法主线，FLOPs仅为2.4×104。但需要注意的是，本文提出的基于三流PCANet-1的3D**检测算法包含以SVM、k-NN为代表的统计机器学习，复杂度较小。但统计机器学习作为内存密集型算法，在样本数据较大时，其运算效率会受到内存的限制。 4. 总结 本文在现存**检测方法容易受到光照、表情、遮挡变化等干扰因素影响的问题基础上，基于TOF相机数据，实现单帧多模态图像的人脸**检测算法。 本文提出的基于三流PCANet的3D鲁棒**检测算法，在公开数据集CASIA-SURF与数迹ToF数据集上的实验结果表明：本文提出的多模态融合算法对于**检测的性能有很大的提升。在CASIA-SURF数据集上结合SVM分类器下的分类正确率达到98.9%，平均攻击分类错误率为0.9%；结合k-NN分类器，算法的分类正确率达到99.2%，在平均分类错误率上仅为0.8%，显著低于其他算法；同时在采集的ToF数据集的正确率达到99.9%，测试分类错误率仅为0.3%，满足现实场景的实际应用。算法框架基于传统FPH框架和简化深度学习模型，在算法运算复杂度上显著低于现存的深度学习基准算法，对于光照、遮挡、姿态变化等具有一定鲁棒性，保障着人脸识别系统的安全性，提高了人脸识别的性能。 5. 参考文献 [1] Chingovska I , Anjos A , Marcel S . 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