第270期

看臉時代 你準備好了嗎?

以3D臉部辨識於手機的運用來探討其原理與影響。

看臉時代 你準備好了嗎?

簡嘉瑩

蘋果公司的最新手機以臉部辨識(Face ID),取代了傳統指紋辨識(touch ID)。然而臉部辨識真的比指紋辨識來的更安全嗎?其中的原理及應用又為何呢?將在本文中討論。

淺談最新的臉部原理及特點

以蘋果公司的Face ID為例,其運作是靠著以下的方式。
首先,以3D臉部辨識技術,由點陣投影器 (Dot Projector)投影三萬個紅外線光點到臉上,並利用光點反射回紅外線相機(Infrared Camera)的距離,來紀錄和回傳使用者的臉部特徵;再來,藉由泛光感應元件(Flood Illuminator)來避免在過亮或是過暗的環境下使用所造成的誤判。最後,將感應到的3D人臉資料與存在晶片中的資料進行比對確認後,即可順利登入。

3D臉部辨識操作示意圖。(圖片來源​​蘋果發布會影片截圖

3D臉部辨識技術有兩大特點,首先就是不管使用者戴眼鏡、蓄鬍、改變髮型,都能夠成功辨識;甚至是在黑暗中,也能利用泛光感應元件與紅外線進行掃描和辨識;第二點,3D臉部辨識技術所採用的是立體影像感測技術,方法是在註冊時投射紅外線光點至臉部形成3D模型,此技術也跟以往所使用的2D影像感測技術不同,並無法用平面照片來進行辨識,因此安全性也更高。

3D臉部辨識技術之種類與比較

3D臉部辨識技術,就是指不同於一般數位相機所取得的人臉平面2D彩色影像,而是另外多了臉部的「深度資訊」,也就是可以感測出人臉的立體結構,包含鼻子的高度與皮膚表面的凹凸程度等,用來當作辨識時的依據。目前較成熟的3D辨識技術有兩種,分別是飛時測距與結構光。

所謂飛時測距(Time of Flight)方法,指的是從二極體發射出來的紅外光會照射至人臉,並依臉部的五官的高低、深度,造成反射至紅外光影像感測器不同的時間(t),因為光速(v)是固定的,所以可利用紅外光反射至感測器的時間差來推斷臉部五官的高低或深度(d)。

飛時測距原理示意圖。(圖片來源/簡嘉瑩製) 資料來源:LOGA Blogfanpop.comEETTaiwan

至於結構光(Structured Light)則是用二極體或數位光源處理器會發射出數條光線形成「光柵」,在照射至平面物體時是數條平行光線,然而因為人臉有高低深度,因此照射至人臉時,會據臉部五官的高低與深度反射不同且扭曲的光線,當這些扭曲的光線反射到紅外光影像感測器後,便可反推出臉部結構。

結構光原理示意圖。(圖片來源/簡嘉瑩製) 資料來源:LOGA BlogKU LEUVEN

同樣是人臉辨識,3D臉部辨識所使用的技術相較於2D臉部辨識更為精密,且因為多了臉部的「深度」資訊,並不會輕易受使用者改變外型改變而影響辨識。

國立交通大學電腦視覺研發中心副主任陳永昇教授表示:「3D臉部辨識所使用的立體影像感測技術,是用臉的外部結構來做辨識,就算配戴眼鏡,鏡框破壞了部分紅外光點的掃瞄,也只會影響三萬個紅外光點中的其中一小部分,並不會破壞整體的臉部結構,也不會影響辨識。」3D立體影像感測技術利用紅外光掃描並形成3D立體人臉模型,使有心人士不能輕易用照片來破解,也讓資訊安全多了一分保障。

3D臉部辨識與其他辨識系統的比較

介紹完臉部辨識所使用的3D立體影像感測技術後,就要來探討臉部辨識與指紋辨識的差異。是什麼讓手機大廠願意捨棄已經使用10年之久的手機指紋辨識系統(根據networksasia​,最早使用指紋辨識的手機是2007年的Toshiba G500);並以臉部辨識系統取代之?我們先簡單比較一下2D、3D臉部辨識與指紋辨識的特點。

3D臉部辨識、2D臉部辨識與指紋辨識比較表。(圖表來源/簡嘉瑩製) 資料來源:科技新報物聯網

由此圖表可以發現,3D臉部辨識在各項目的比較皆勝過2D臉部辨識,然而在FAR(系統接受錯誤對象機率)的表現上則輸給了指紋辨識,因為3D臉部辨識一旦碰到了相似外貌的使用者,例如同卵雙胞胎,便無法準確辨識;相較之下,至今還未能發現擁有相同指紋的兩個人,因此指紋辨識FAR的表現較3D臉部辨識好。但整體FAR的表現而言,兩者的系統均很難被他人所破解。

但是在FRR(系統拒絕正確對象機率)上,指紋辨識因屬「接觸式辨識」因此容易因為手指髒污而影響辨識;相較之下,屬於「非接觸式辨識」的3D臉部辨識則幾乎不會有正確使用者但無法辨識的問題。

而由2D臉部辨識與指紋辨識的比較後可以發現,指紋辨識不管是FAR與FRR表現均較2D臉部辨識為佳,這也是為什麼指紋辨識的使用較為普遍;而3D臉部辨識除了擁有更精準的辨識技術外,也擁有指紋辨識所沒有的「非接觸式」的優點。

這也可以解釋為什麼手機大廠願意大膽嘗試使用3D臉部辨識來取代已經盛行已久且普遍的指紋辨識。

淺談臉部辨識技術的發展歷程及應用

根據FACEFIRST,臉部辨識技術的研究最早於1960年代展開,1980年代後隨著相關計算機與光學成像技術的逐漸成熟而蓬勃發展,直至1990年代後期,才正式應用於產品。到了2000年之後,臉部辨識技術成功與應用商品結合,其應用也跨越多個領域。

臉部辨識技術所應用的領域十分多元。(簡嘉瑩製圖) 資料來源:INSIDE

臉部辨識系統的成功,除了代表最新的生物識別技術的應用外,同時也因為結合了機器識別、機器學習、專家系統與圖像識別等多項專業技術,象徵從弱人工智慧走向強人工智慧。

方便之餘 隱私之險

從臉部辨識所運用的領域可以發現,臉部辨識技術已經在不知不覺中,充斥著我們的生活。然而,其所造成的個人隱私外洩疑慮與爭議也不曾停止過。

根據〈科技新報〉報導,臉書就曾因「自動臉部辨識功能」於2016年被美國伊利諾州用戶提起集體訴訟,指控其侵害到個人隱私。

而關於近期的3D臉部辨識技術運用於手機,陳永昇表示:「目前也只能相信手機大廠所說,會把樣本儲存在獨立處理器,避免個資外洩;但是未來有沒有外洩的可能很難說,畢竟在享受臉部辨識技術帶來的便利性的同時,相對的也要承受一定的隱私風險。」再來,除了個人臉部資料可能被不肖廠商拿去做非法使用,若將來立體人像面具的製作技術愈精緻且擬真,是否會被拿來做重要系統的登入與破解,也是對手機臉部辨識系統的一大考驗。

臉部辨識在其他領域的運用方面,例如機場的自動通關系統的臉部辨識,儘管帶來方便,但旅客的身分、性別、年齡、住所等等也隨之被記錄,沒有隱私可言。

隨著3D臉部辨識的熱潮在今年正式於手機中引爆,可以想像未來不僅各大手機廠牌將陸續跟進,臉部辨識所運用的領域也將越來越多元。屆時,我們也希望臉部辨識科技在越來越進步的同時,其對隱私的把關也能與時俱進。

隱私、安全、方便與爭議性所交織出來的看臉時代,你,準備好了嗎?

記者 簡嘉瑩
我熱愛旅遊,也喜愛發掘生活中精彩的瞬間,希望寫出來的不只是報導,而是打動人心故事。
編輯 嚴銘浩
傳科系大三學生,偶像是周星馳。
記者 簡嘉瑩
編輯 嚴銘浩