無處可遁！美國軍方首次實現黑夜人臉識別技術，可24小時無間斷監控

在近期的IEEE計算機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他們研發的一種人臉識別技術：利用卷積神經網路和一系列演算法，能夠在黑夜中進行人臉識別。目前，該技術的識別準確率超過了80%。這項技術未來可以讓美軍士兵在黑暗中也能獲得更好的人臉識別能力。

撰文 | 李曉慧

人臉識別我們已經不陌生，從手機上的面部解鎖，到機場使用的掃臉登機系統，人臉識別技術已經開始慢慢進入到人們的日常生活中，同時，人臉識別技術也被用於警察執法與安防，2018年春節，鄭州鐵路警方使用的警務眼鏡據稱已經配備面部識別功能，並幫助警方抓獲七名嫌犯。

人臉識別從技術上來說，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，再將待識別人臉所提取的特徵與資料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，人臉識別變得困難。

利用普通攝像頭，無法獲取人臉信息，在夜間只能利用紅外成像技術，獲取紅外圖像。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圖像存在很多差異，如何實現紅外人臉圖像與資料庫中保存的可見光圖像比對與驗證？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識別，對在逃嫌疑人進行實時監測。

從紅外圖像到可見光圖像

在電影《鐵血戰士》里，施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信號源，避免熱成像儀的偵察。紅外熱成像，根據熱力學零度以上一切物體都在發射紅外線的原理，通過感應紅外線然後呈現出肉眼可見的圖像，紅外熱成像儀，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熱成像技術。目前，紅外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，紅外相機已經成為可穿戴式設備。

利用這些紅外成像設備，在夜間進行自動化人臉識別，實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，紅外人臉圖像反映的是人臉的溫度分布，紅外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。

左：紅外成像人臉 右：可見光成像人臉

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演算法，將紅外人臉圖像合成為可見光圖像。在給定的紅外面部圖像中，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，通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識別流程

通過這幅「素描」是不是真的可以與資料庫中的圖像進行比對和驗證呢？研究人員選取了一個資料庫，其中包含來自60個人的可見光面部圖像和紅外面部圖像，其中30人的圖像用於訓練神經網路，其它30人的圖像用於驗證，結果表明，採用了這種方法後，人臉識別的正確率均高於80%。

而由於這種方法可以將紅外人臉圖像轉換成可見光圖像，再進行識別，因此並不需要對原來已經存在的人臉識別系統進行定製化改造，也不需要軟硬體的更新換代。

在美國陸軍研究實驗室發布的信息中，研究人員Benjamin S. Riggan稱：「目前大部分的生物識別人臉資料庫僅包含可見光面部圖像，我們所研發的技術可以在紅外面部圖像與現有生物識別人臉資料庫之間進行匹配。」

在今年3月份舉行的IEEE計算機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，並利用紅外熱成像相機和運行演算法的筆記本電腦進行了實時演示，向人們展示了由一個人的紅外面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，國際權威人臉識別資料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，將擴大人臉識別的適用範圍，並且提高人臉識別系統的性能。目前限制人臉識別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識別的影響，在可見光人臉識別方法中研究和採用了各種補償措施。人臉紅外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圖像的獲取以及圖像的質量影響很小。與可見光人臉識別相比，人臉的姿態和人是否化妝對紅外人臉圖像的影響也相對較小。

現有的具備夜視功能的人臉識別系統，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？

美國媒體據此報道，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識別，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。而要對人臉進行識別，一個小小的眼鏡都可能影響到識別的效果，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識別。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。

原始論文：

Thermal to Visible Synthesis of Face Images using Multiple Regions

《環球科學》5月刊即將上市

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