3D脸部识别?真正竞争的是3D空间数据

如果说用昂贵的3D摄像头解锁手机是“杀鸡用牛刀”,3D空间数据就是那头人人都想要的“牛”,而怎么获得它,才是接下来的关键

Caijing Magazine - - Science & Health - 文 /本刊记者刘浩南 编辑 / 王小

要论2017年手机行业的关键词热度,能跟“全面屏”一较高下的只有“脸部识别”。

当库克在新落成的乔布斯剧院内发布2017年苹果新品iPhone X时,这款全面屏手机引发了全场分贝最大的欢呼声,也激发起各界对其抽丝剥茧式的技术解析。

作为这款机型的最大特色——苹果自研的手机生物辨识技术Face ID,引起3D识别技术相关产业的连锁震动。苹果分析师、凯基证券分析员郭明錤称,自iPhone X发布后,接到的安卓手机厂商关于3D识别技术的咨询至少翻了三倍。

“苹果产品有一些标杆作用,iPhone X一出来,产品相关技术的各个环节都被认知得更广更深。”3D摄像硬件商奥比中光科技公司董事会秘书陈彬对《财经》记者说。

所谓标杆露出水面、被视为焦点之前,必经过技术的默默积累,3D识别产业的雏形竞争早在行业内打响,脸部识别继指纹识别、虹膜识别后,逐渐走入手机生物识别方案市场的舞台中心。

老原理+新应用

仅四年,Touch ID指纹识别解锁技术居然要过时了,iPhone X用户可借由3D脸部识别技术,完成手机解锁、iTunes账号登录和App Store购物支付授权等,实现全程非接触式识别操作。

Face ID脸部识别解锁技术的核心在3D图像数据。

iPhone X屏幕上方有一块汇聚多样元件的“刘海”,这块“刘海”中,包括红外镜头、泛光感应元件、距离感应器、环境光传感器、点阵投射器等,皆服务于3D脸部识别。

“从公布的元件看,可以确认苹果采用了3D结构光技术方案。这套方案的原理本身并不新鲜,但苹果运用原理的技术很新鲜。”旷视科技首席科学家孙剑对《财经》记者分析。

其实,3D结构光技术是套“老”技术,即基于三角测量原理,分三步完成三维空间数据采集及使用的技术,先用投射器将红外光投射到物体表面,然后用相机捕捉到基本的结构信息,最后经解析计算,实现物体的三维重建。这套技术原理此前被广泛用于工业3D视觉、 生物工程领域。

苹果的新意是将其集成到手机上形成一套“新”应用方案。如先向用户脸部投射3万个肉眼不可见的投射点,红外摄像头接收反馈信息后,形成一个用户脸部的精细专属3D建模。在解锁环节,系统再次“投射—接收”屏幕前物体的3D图像,并将每一次收集到的3D信息与此前储存的用户3D脸部建模比对,根据重合度来自动解锁。

简而言之,“就是先帮你的脸画一张3D画,再主动比对物体与这幅画区别,重合度足够高就自动解锁了”。一位手机设计行业的从业者向《财经》记者分析,目前获取3D图像数据方面应用较为成熟的有结构光和TOF两种方案,苹果可能结合应用了这两种方案。

这套识别方案的安全性和场景适应性值得一提。如想用一张2D照片蒙混解锁,根本行不通,因为记录在手机里的是3D图像,2D图片无法通过识别。基本不改变脸部3D结构变化的诸如留胡子、戴帽子以及环境的光暗,对识别也无影响,即使解锁时用户没有正脸对着摄像头,也可完成识别。

“脸部识别”能成为手机行业关键词,当然不仅因为一款iPhone X。

同样在9月发布的数款安卓新机中,小米Note 3、vivoX20、金立M7都不约而同地搭载了基于2D摄像头的脸部识别技术,加上稍早前发布的vivoX7,消费者要体验手机人脸识别有多个选择。

“可以确定的是,2018年会陆续有更多的支持2D人脸识别的手机上市,3D 脸部识别的门槛也在逐渐下降中。”旷视科技副总裁谢忆楠说。

据研究机构Zion Research发布的数据,3D摄像头市场规模将从2015年的12.5亿美元增长到2021年的78.9亿美元,年均增长率达35%。

在iPhone X带动下,部分国产手机厂商已不满足于2D脸部识别技术。“春江水暖鸭先知”,最先感受到手机脸部 识别技术需求增加信号的,自然是相关的硬件商们。

目前有3D摄像元件研发生产的企业接到多家国内手机厂商类似的合作意向——将3D摄像头集成到手机上,并完成3D脸部识别技术适配。“预计2018年后半年大家就能看到国产手机用上3D摄像头,3D脸部识别的风也有望由此刮起。”陈彬说。

手机上普及3D摄像头是否必要

在每一轮惨烈的手机市场销售比拼中,厂商都需要一个新的刺激点来说服消费者换机,3D人脸识别有潜质成为下一个说服点。然而,要让手机规模化地都配上3D摄像头,应用价值才是这一技术市场存续的关键。

首先牵涉的是2D脸部识别是否满足应用要求。目前国内手机2D人脸识别方案中,摄像头方面仍主要依靠传统的RGB摄像头,方式是收集摄像头前物体的2D信息,与录入的2D图片进行比对。2D脸部识别方案的普及得益于软件优化调试,这也是其移植到手机上的底气。

脸部识别技术此前更多被应用于智能安防、线下商店体验、3D体感游戏等场景中,而在移植到手机上之后,使用频次和操作复杂度增加,安全性和环境适应性的要求凸显。

《财经》记者在采访多家2D脸部识别方案商时发现,“活体检测”是被提及最多的软件优化特点,即通过软件识别出屏幕前的人脸是不是“活”的,用于避免用照片解锁的可能性,以此突出识别的安全性。

“(2D脸部识别)主要提升在于降低误识率,避免错误解锁,且带有活体检测功能,能够防范相片、视频等非人像的攻击。”商汤科技CEO徐立对《财经》记者说,如将人脸特征信息保存于可信执行环境中,在此区域中进行特征比对,以保护人脸特征不易被盗取,确保人脸

解锁过程的稳定性与安全性。

其实,如果只针对解锁这一操作, 3D脸部识别的优势并不明显。随着图形处理器和传感器技术的完善,加上算法层的优化,人脸各种角度、暗光、强光、逆光等对解锁操作影响甚微,只有戴帽子这类大面积的脸部改变能轻微减慢2D脸部识别的解锁速度。

谢忆楠也认为2D脸部识别方兴未艾,拥有“活体检测”和更强的环境适应性之后,已经能满足手机用户对解锁这一操作的需求。“两个都是很新的东西,谁跑得快、跑得远还得观望,现阶段看(2D脸部识别)短期内并不会被3D脸部识别取代。”

“无论2D还是3D,脸部识别方案在手机上的加速普及,元件小型化是关键,其次就是相应元件的功耗降低和识别精度增加。”孙剑认为,两套方案涉及的各种要素都正在博弈中。

成本,是两套方案竞取市场芳心的又一关键要素。尽管还没有进入大范围应用阶段,手机3D脸部识别方案的具体成本难以预计,但谢忆楠透露,目前2D摄像头和3D摄像头成本差异颇大。

市场调研机构IHS Markit的报告预计,iPhone 8 plus摄像模块元件成本为32.5美元,由于Face ID的加入,iPhone X的摄像模块元件成本会比iPhone 8 plus再高一截。

不过,陈彬对此并不担心,他分析,“目前手机厂商们对3D摄像头的需求清晰,新一轮技术完善,加上市场认可度提高后,相应的规模效应会产生,产能和成本问题不是当下最重要的问题。”

解锁只是表象,苹果志在3D数据构筑

在解锁这件事上,双方可能还有僵持的时间差,但从应用空间的广阔度看,随着3D摄像头的技术门槛逐渐下降,其展现出的潜力非2D摄像头可比。

从目前国内手机厂商拿出的脸部识别方案看,都只是软件层面的识别方案,与Face ID这样使用专用硬件和处理器的方案相比,安全性、速度、精度等都有所欠缺,只适合用于解锁手机等比较简单的功能。

“给手机配3D摄像头,就用来解锁手机,这是‘杀鸡用牛刀’。苹果在Face ID身上投注了大量心血,预期的回报肯定不止如此,借此敲开3D数据大门才是苹果野心所在。”一位手机供应链人士对《财经》记者分析。

今年6月的苹果开发者大会上,苹果发布了名为ARKit的增强现实软件开发工具,旨在为开发者提供利用iOS设备开发增强现实应用的帮助。在9月13日的发布会上,全球营销高级副总裁Phil Schiller演示了四款基于ARKit打造的内容,比如其中一款针对美国职棒大联盟推出的“At Bat”应用,用户能看到在比赛现场叠加的选手数据和比赛情况的AR信息,以此提升现场观赛体验。

Phil Schiller认为,未来智能手机图像处理三个基础功能分别为拍照、录像和增强现实。而苹果要实现增强现实生态的构建,一套能完美运行3D识别的硬件、一个完整的3D识别方案以及海量的三维数据都是必需品。在这个意义上, Face ID就是苹果进入设想中那个3D世界的一把钥匙。

在全球范围内,能做到深度应用的3D识别硬件只有PrimeSense、英特尔RealSense以及微软Kinect(初代Kinect技术来自PrimeSense授权)等几家。虽然都有“兼职”3D图像识别的软件研发,但这些以硬件研发为主业的厂商,扮演的都是供应链中的一环。

苹果在2013年将PrimeSense收入囊中,手握这张王牌,有了开发一套完美适配硬件的3D识别软件方案的空间,并在此基础上组织Face ID的商业逻辑。

在三维数据积累方面,苹果也有 踪迹种种。凯基证券分析师郭明錤预计,在新一代iPad Pro升级版中,将会有Faceb ID的硬件 基 础TrueDepth相机系统。10月10日,苹果公司资讯网站MacRumors称,新一代iPad Pro系列产品或将支持Face ID。如果Face ID能搭载到更多的苹果设备上,针对人脸建模的庞大数据量自然也是苹果的囊中之物。

有了Face ID硬件基础,有了可以完美适配3D识别方案,再有大量的3D建模数据量,这个崭新的、利用程度极高的3D空间世界对苹果意味着什么?

目前大部分的计算机视觉深度学习都在使用2D图像,然而对于自动驾驶汽车、无人机、AR、MR等技术来说,高精度的3D空间数据就是基础和珍贵资源。这一点谷歌的3D感应研发计划Project Tango走得比苹果更早一些,也给苹果施加了不少压力。只是与Project Tango以空间感知的切入点不同,苹果对3D空间数据的切入点放在更“接地气”的脸部识别上。

从市场反应看,苹果通过Face ID开启了一个标准,也显露了3D数据商业化使用大潮的头两个波浪。而脸部识别解锁手机,不过是最先受惠的一个功能。如果说用昂贵的3D摄像头解锁手机是“杀鸡用牛刀”,3D空间数据就是那头人人都想要的“牛”,而怎么获得它,才是接下来的关键。

“(手机脸部识别)集成化程度更高,促进了元器件的小型化,让技术可以更好地应用到终端设备上。人脸识别我们认为一定会在手机上有很大的应用前景,随着供应链的成熟,3D人脸识别这种需要软硬件结合的方案,也会逐渐应用到更多的手机当中。”徐立认为。

三维空间中的数据构建是这条绳子的重要线头,苹果正在尝试抓住它。库克 将iPhone X称为苹果 的“one more thing”(新惊喜),而3D识别技术产业的“many things”正在频繁胎动。

当地时间2017年9月12日,美国加州库比蒂诺,苹果举行发布会,推出iPhone X。图/视觉中国

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