活体检测——简介

随着人脸识别、人脸解锁等技术在金融、门禁、移动设备等日常生活中的广泛应用，人脸防伪/活体检测（Face Anti-Spoofing）技术在近年来得到了越来越多的关注。在大多数人的印象中，人脸识别技术就是让机器把人认出来。没错，用机器来认人，这正是人脸识别系统的最核心功能。然而，很多人不知道的是，一个可以正常工作的人脸识别系统，除了实现“认人”以外，还包括许多其他重要的技术，其中就包括今天要给大家介绍的，应用于人脸识别身份认证系统中至关重要的一项技术————活体检测。

设想一下，假设你的Face Verification算法做的再漂亮，而Face Anti-Spoofing做的很烂，如果这个时候恰恰有某位同学拿着马云脸的视频去刷了支付宝，那…………

人脸验证（Face Verification）：意思就是说，给定两张图，算法要判断出这两张图是不是同一个人，这是近年来一个非常热门的研究方向，也产生了一大批模型和 Loss Function。

人脸防伪（Face Anti-Spoofing）：意思就是说，你刷脸的时候，算法要判别这张脸是不是真人活体脸，而对于合成的、或者他人照片来攻击算法的，应该予以拒绝。

PA（Presentation Attacks）是常用的攻击方式，主要包含print attack（即打印出人脸照片）、replay attack（播放视频）、mask attack（带人脸假体面具等）。

照片攻击与动作活体：
最简单的攻击方式相信大家都能想到，用照片。现在大家都喜欢玩社交媒体，经常往朋友圈和微博上传照片，搞到一张别人的照片简直轻而易举。所以，照片自然是活体检测首要的防范对象。对付照片的方式，大家也很容易想到。照片总是死的，不能做出眨眼张嘴转头这些动作。那好，在活体检测这一关，我就给你下达几个动作的指令，让你做动作给我看，这就是交互式动作活体检测。

升级版照片攻击：
有了动作活体这个东西，用静止照片来攻击就不行了。于是攻击者一拍脑袋，就想出了经过“改进”的攻击方式。他先是把另外一个人的照片打印出来，跟真人一般大小，还挺清晰的，反正花不了几个钱。你不是要让我眨眼张嘴吗？照片本身不会眨眼张嘴，可是我本人会啊。于是他就把照片在眼睛和嘴巴那块抠个洞，然后把照片贴在脸上，他自己的眼睛和嘴巴就露出来了。你让他眨眼，他就眨眼，让他张嘴，他就张嘴。对此，我们只能说，too naive too simple，因为抠眼和抠嘴后的造作痕迹实在太明显了，对我们的抠眼抠嘴检测算法形成不了太大的威胁。最后说下转头，攻击者往往把照片贴在自己脸上，或者在那揉来揉去，想模拟出真实的转头效果。可是，他们不知道，这种伪造的转头动作，人脸上各部位的运动情况实在与真人相去甚远，很容易被我们的转头检测算法识别出来。

视频回放攻击：
到这里，攻击者还是不肯作罢，又心生一计：不就是几个动作吗？我把那人的动作录成视频，再拿来播放不就得了。其实啊，到这里我们可以明显看到，攻击难度已经上升一个级别了。为什么呢？你要搞到另外一个人的视频，还得包含很规矩的这几个动作，本身就不那么容易。可是我们不能存有侥幸心理啊。没关系，办法总是有的。你把视频搞来了，总得找个有屏幕的东西播放啊。这样一来，就漏马脚了。你只要仔细看看用屏幕播放视频，然后再经过摄像头成像的画面，再看看真人在摄像头面前成像的画面，就会发现，二者其实很不一样啊。用普通PC屏幕播放的效果就不说了，一堆纹路，我们称之为摩尔纹。用pad或者手机的高清屏播放的效果好一些，可是也有很多不一样，比如反光、倒影，最关键是画面质量总是模糊一些，失真度明显高一些。所以呢，我们根据这些线索搞了对应的算法，把视频攻击也能防得很好。

立体面具攻击：
照片和视频回放攻击都是把人脸图像投射到一个平面上，还一种攻击方式就是做一个和真人比较相似的立体面具。到这里，攻击难度又上升了一个级别。面具有很多种，最普通的是塑料或者硬纸做成的面具，这种面具虽然成本低廉，但材质相似度极低，用普通纹理特征就可以识别出来。另外，还有用硅胶、乳胶以及3D打印的的立体面具，这类面具的表观和皮肤更加接近，但它们的材料表面反射率和真实人脸还是不同的，因此在成像上仍然有差别，这种差别是可以用最先进的机器学习算法学习到，很难达到以假乱真的程度。

静默活体：
动作活体检测的方式具有很高的安全性，但另一方面，对用户来说，由于要配合着做几个动作，因此体验不是非常好。为此，我们又发明了一种新的活体检测方式，不需要用户做任何动作，只需要自然正对摄像头三四秒钟，就可以完成检测了。也许你会问，如果不做动作，岂不是拿张普通照片就可以攻破了？非也。虽然没有刻意做动作，但真实的人脸并不是绝对静止的，总有一些微表情存在，比如眼皮和眼球的律动、眨眼、嘴唇及其周边面颊的伸缩等，利用这些特征，我们完全可以防住照片攻击。至于视频回放攻击和立体面具攻击，防范的原理和之前介绍的一样。

红外活体：
其实啊，上面这些还不是最厉害的。在有些应用场景，比如ATM机上，我们可以安装红外摄像头，利用红外图片，我们可以实现更好的防攻效果。我们知道，不管是可见光还是红外光，其本本质都是电磁波。我们最终看到的图像长什么样，与材质表面的反射特性有关。真实的人脸和纸片、屏幕、立体面具等攻击媒介的反射特性都是不同的，所以成像也不同，而这种差异在红外波反射方面会更加明显，比如说，一块屏幕在红外成像的画面里，就只有白花花的一片，连人脸都没了，攻击完全不可能得逞。

到这里，人脸识别系统常见的攻击手段以及活体检测方式就介绍得差不多了，相信你已经对人脸识别系统的攻防有了一个比较全面的了解。事实上，研究人员对各种人脸识别的攻击方式都有预防，攻击者绝不可能轻易攻破我们的系统。

参考：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26112838
https://zhuanlan.zhihu.com/p/38183691

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注：博众家之所长，集群英之荟萃。