Одна из самых обсуждаемых фишек iPhone X – новый метод разблокировки: FaceID. В этой статье разобран принцип работы данной технологии.
Создав безрамочный телефон без TouchID, Apple пришлось разработать новый метод для разблокировки устройства простым и быстрым способом. В то время как некоторые конкуренты продолжали использовать сканер отпечатка пальца, Apple решила обновить и революционизировать способ разблокировки телефона. Благодаря продвинутой (и удивительно маленькой) фронтальной глубинной камере, iPhone X имеет возможность создать 3D-карту лица пользователя.
Кроме того, изображение лица пользователя снимается с помощью инфракрасной камеры, которая более устойчива к изменениям света и цвета окружающей среды. Используя глубокое обучение, смартфон способен распознать лицо пользователя в мельчайших деталях, тем самым “узнавая” владельца каждый раз, когда тот подхватывает свой телефон. Удивительно, но Apple заявила, что этот метод даже безопаснее, чем TouchID: частота ошибок 1:1 000 000.
В этой статье разобран принцип алгоритма, подобного FaceID, с использованием Keras. Также представлены некоторые окончательные наработки, созданные с помощью Kinect.
Понимание FaceID
“...нейронные сети, на которых основана технология FaceID, не просто выполняют классификацию.”
Первым шагом является анализ принципа работы FaceID на iPhone X. Техническая документация может помочь нам в этом. С TouchID пользователь должен был сначала зарегистрировать свои отпечатки, несколько раз нажав на датчик. После 10-15 различных касаний смартфон завершает регистрацию. Аналогично с FaceID: пользователь должен зарегистрировать своё лицо. Процесс довольно прост: пользователь просто смотрит на телефон так, как делает это ежедневно, а затем медленно поворачивает голову по кругу, тем самым регистрируя лицо в разных позах. На этом регистрация заканчивается, и телефон готов к разблокировке. Эта невероятно быстрая процедура регистрации может рассказать многое об основных алгоритмах обучения. Например, нейронные сети, на которых основана технология FaceID, не просто выполняют классификацию.
Выполнение классификации для нейронной сети означает умение предсказывать, является ли лицо, которое она “видит” в данный момент, лицом пользователя. Таким образом, она должна использовать некоторые тренировочные данные для прогнозирования “истинного” или “ложного”, но в отличие от многих других случаев применения глубокого обучения, здесь этот подход не будет работать.
Во-первых, сеть должна тренироваться с нуля, используя новые данные, полученные с лица пользователя. Это потребовало бы много времени, энергии и множество данных разных лиц (не являющимися лицом пользователя), чтобы иметь отрицательные примеры. Кроме того, этот метод не позволит Apple тренировать более сложную сеть “оффлайн”, то есть в своих лабораториях, а затем отправлять ёе уже обученной и готовой к использованию в своих телефонах. Считается, что FaceID основан на сиамской свёрточной нейронной сети, которая обучается “оффлайн”, чтобы отображать лица в низкоразмерном скрытом пространстве, сформированном для максимизации различия между лицами разных людей, используя контрастную потерю. Вы получаете архитектуру, способную делать однократное обучение, как упоминалось в Keynote.
От лиц к числам
Сиамская нейронная сеть в основном состоит из двух идентичных нейронных сетей, которые также разделяют все веса. Эта архитектура может научиться различать расстояния между конкретными данными, такими как изображения. Идея состоит в том, что вы передаёте пары данных через сиамские сети (или просто передаёте данные в два разных шага через одну и ту же сеть), сеть отображает их в низкоразмерных характеристиках пространства, как n-мерный массив, а затем вы обучаете сеть, чтобы сделать такое сопоставление, что данные точек из разных классов были как можно дальше, в то время как данные точек из одного и того же класса находились как можно ближе.
В конечном итоге сеть научится извлекать наиболее значимые функции из данных и сжимать их в массив, создавая изображение. Чтобы понимать это, представьте, как бы вы описали породы собак с помощью небольшого вектора так, что похожие собаки имели бы почти схожие векторы. Вероятно, один номер вы использовали бы для кодирования цвета собаки, другой – для обозначения размера собаки, третий – для длины шерсти и т. д. Таким образом, собаки, похожие друг на друга, будут иметь схожие векторы. Сиамская нейронная сеть может делать это за вас, подобно тому, как это делает автоэнкодер.
Используя эту технологию, необходимо большое количество лиц, чтобы обучить такую архитектуру распознавать наиболее схожие. Имея правильный бюджет и вычислительную мощность (как это делает Apple), можно также использовать более сложные примеры, чтобы сделать сеть устойчивой к таким случаям, как близнецы, маски и т. д.
Теперь давайте посмотрим, как реализовать FaceID на Python с помощью Keras.
Реализация FaceID с помощью Keras
Что касается всех проектов машинного обучения, первое, что нам нужно – данные. Создание собственного набора данных потребует времени и сотрудничества многих людей, поэтому с этим могут возникнуть сложности. Существует веб-сайт с набором данных RGB-D лиц. Он состоит из серии RGB-D фотографий людей, стоящих в разных позах и делающих разные выражения лица, как это произошло бы в случае использования iPhone X.
Чтобы увидеть окончательную реализацию, вот ссылка на GitHub.
Создаётся свёрточная сеть на основе архитектуры SqueezeNet. В качестве входных данных сеть принимает как RGBD изображения пар лиц, так и 4-канальные изображения, и выводит различия между двумя вложениями. Сеть обучается со значительной потерей, которая минимизирует различие между изображениями одного и того же человека и максимизирует различие между изображениями разных лиц.
После обучения сеть способна конвертировать лица в 128-мерные массивы, так что фотографии одного и того же человека группируются вместе. Это означает, что для разблокировки устройства нейронная сеть просто вычисляет различие между снимком, который требуется во время разблокировки, с изображениями, сохранившимися на этапе регистрации. Если различие подходит под определённое значение, устройство разблокируется.
Используется алгоритм t-SNE. Каждый цвет соответствует какому-либо человеку: как вы можете заметить, сеть научилась группировать эти фотографии довольно плотно. Интересный график также возникает при использовании алгоритма PCA для уменьшения размерности данных.
Эксперимент
Теперь попытаемся увидеть, как работает эта модель, имитируя обычный цикл FaceID. Первым делом зарегистрируем лицо. Затем проведём разблокировку как от лица пользователя, так и от других людей, которые не должны разблокировать устройство. Как упоминалось ранее, различие между лицом, которые “видит” телефон, и лицом зарегистрированным имеет определённый порог.
Начнём с регистрации. Возьмём серию фотографий одного и того же человека из набора данных и смоделируем фазу регистрации. Теперь устройство вычисляет вложения для каждой из этих поз и сохраняет их локально.
Давайте посмотрим, что произойдет, если один и тот же пользователь попытается разблокировать устройство. Различные позы и выражения лица одного и того же пользователя достигают низкого различия, в среднем около 0,30.
С другой стороны, изображения от разных людей получают среднее различие около 1,1.
Таким образом, значение порога, установленное примерно в 0,4, должно быть достаточным для предотвращения разблокировки телефона незнакомцами.