Компьютерное зрение: как работают системы распознавания лиц

Видеть - значит понимать увиденное. Мы слепы, если в нашем мозгу не работают зрительные зоны неокортекса - своеобразного биокомпьютера, ответственного за распознавание образов. Сейчас подобные анализаторы, способные узнавать лица и понимать их выражение, появляются у искусственных систем.

Итак, вещи обретают зрение, а у зрения есть собственный разум. Сначала мне кажется, что он туповат: только что включенная система распознавания лиц LUNA не торопится войти в штатный режим и запомнить меня. Но вот наконец она рапортует, что запомнила, и просит ввести имя. Пол и возраст LUNA может определить сама. С полом легко: у меня борода, а вот возраст система завысила на пять лет - видимо, из-за той же бороды.

Теперь камера узнает меня, даже если я снимаю очки или поворачиваю голову. Приходится попробовать средство посерьезней - мы направляемся к шкафу с париками и накладными усами. Я выбираю густые кудри, скрывающие к тому же пол-лица, - LUNA все равно узнает меня.

Наигравшись с париками, мы открываем ICQ и начинаем развлекаться с масками для видеозвонков: на мое цифровое лицо в реальном времени накладываются маски - можно неузнанным общаться в видеочате.

Следующий номер нашей программы - Face.DJ. Это приложение строит 3D-модель лица по селфи, а потом "надевает" это лицо на виртуальную голову, чтобы вы могли примерять прически и аксессуары. Другое назначение приложения - анимировать пользователя, создать его мультяшную копию для игр и прочих онлайн-занятий.

- Мы готовим такое же приложение для сервиса знакомств: люди при первом контакте часто не хотят раскрываться, - рассказывает Юля, пиарщик компании VisionLabs, разработавшей LUNA. - Некоторые надевают маски, чтобы добавить в романтическое общение элемент игры.

У кросс-платформенной системы LUNA тоже много масок. Есть приложение в мессенджере Telegram, которое распознает пол и возраст по лицу, есть LUNA в облаке и LUNA для браузера. Но главное - эту программу можно внедрять в самые разные технологические продукты, чтобы использовать для распознавания лиц.

- Например, одному из наших клиентов нужно выбирать фотографии - так называемый bestshot из видеопотока. Так вот, наша программа справляется с этим сама. Другому клиенту нужно, чтобы система распознавала лицо не только при входе в интернет-банк, но и на протяжении всего сеанса, потому что вы можете отойти, а вашим доступом воспользуется злоумышленник. С этой задачей мы тоже справились.

Главные клиенты VisionLabs - банки. Например, в "Почта Банке" системой LUNA оборудованы 50 тысяч рабочих мест - это самое большое внедрение биометрии в мире. Важно распознавать и лица клиентов, чтобы сравнивать фотографии в паспортах с фото в базе данных. Ведь самое распространенное мошенничество в этой сфере - вклейка своего фото в чужой паспорт для получения кредита.

Как видят машины

К нам подходит Александр Ханин, директор VisionLabs.

Расскажите о компьютерном зрении?

Александр Ханин: Компьютерное зрение - это область прикладной математики, которая по сложности эквивалентна задаче создания искусственного интеллекта в целом. Визуальный канал основной для получения информации об окружающем мире. И доверяем мы увиденному своими глазами больше, чем другим источникам.

Наша задача - научить программу по фотографии или видео делать выводы и понимать картинку так же, как человек. Или даже лучше. Вот когда машина сравняется с человеком в этом умении, можно будет считать, что задача решена. Пока же она решена лишь для некоторых узких прикладных областей. Например, для распознавания дефектов оборудования или распознавания лиц.

Задача распознавания лиц решена?

Александр Ханин: Да, уже сейчас достоверно показано, что машина различает лица лучше нас. И точнее, и быстрее. Человек не очень хорошо определяет возраст, национальность. Тот, кто живет в Европе, хуже различает лица людей с азиатской внешностью, и наоборот. Еще мы забывчивы. В довершение всего машина делает это в десятки миллионов раз быстрее.

Зато человек анализирует не отдельные параметры, а лицо и даже ситуацию в целом. Мы понимаем контекст, в котором лицо собеседника принимает то или иное выражение. Как машина со всем этим справляется?

Александр Ханин: Сочетая лучшие методики компьютерного зрения и машинного обучения. Взять, например, метод глубокого обучения - его особенность в том, что человек не задает параметры лица для распознавания.

Нейросеть программирует сама себя?

Александр Ханин: Нейросети появились еще в 1970-х, а революция в этой области началась примерно в 2013-2014-м. Потому что только к этому времени удалось накопить достаточно большие объемы данных, чтобы учить нейросети, а вычислительные мощности стали относительно дешевыми. Продолжать разрабатывать детерминированные методы распознавания - указывать, какие части лица как сравнивать, - стало бессмысленно.

Прорыв произошел, когда отказались от заданных параметров, например от ключевых точек на лице. Вместо этого машине поставили задачу: "Смотри, вот десять тысяч пар фотографий, каждая пара - один человек. Проанализируй их, чтобы суметь определить на фото, которые ты пока не видишь, где один человек, а где разные". Машина сама находит параметры, которые важны для решения этой задачи.

Вы именно так обучали свою систему?

Александр Ханин: Ну да, это типичная задача идентификации - сравнить фотографию, сделанную сейчас, с фото в паспорте и подтвердить, что это один и тот же человек. Мы давали машине на вход большие данные - миллионы пар фотографий, а на выходе требовали правильного ответа для любых фотопортретов. И система училась - сама настраивала параметры так, чтобы минимизировать ошибки. То есть для глубокого обучения сначала надо найти обучающую выборку - много примеров правильных решений. Потом программа работает уже сама.

Где же вы взяли эти миллионы пар фотографий?

Александр Ханин: Есть доступные обучающие выборки для исследователей - сначала мы использовали их, а дальше уже работали с партнерами и клиентами, которые разрешили продолжить обучение на их данных.

Как преуспеть на рынке

Задача распознавания людей по лицу решена. А как обстоит дело с определением эмоций?

Александр Ханин: Как, например, в африканских странах люди миновали стадию телеграфа и сразу перешли на мобильную сеть, так и мы, не решая задачу распознавания эмоций, сразу перешли на более высокий уровень - к выводам о важных для наших клиентов характеристиках человека. Бизнес показывает: от того, что машина распознает, улыбается человек или нахмурен, пользы никакой. Нужны более серьезные умения.

Распознавать ложь, например?

Александр Ханин: Да. Или определять, соответствует кандидат вашим требованиям или нет. Удовлетворен клиент обслуживанием или нет - улыбка ведь может выражать не только радость, но и насмешку и скрытое недовольство. Поэтому само по себе распознавание эмоций - это подзадача. Мы изучаем лицо в динамике, последовательность реакций на вопросы, обслуживание, обстановку.

Есть ли в мире инновационные продукты, на которые вы ориентируетесь?

Александр Ханин: Мы сами на переднем фланге. Медицинский факт, что наш продукт - первая в мире комплексная система распознавания лиц для банков и ретейла, которая работает и в мобильном телефоне, и на сайте, и в отделениях, и в банкоматах, и в терминалах самообслуживания - везде. Мы не только первые, но пока, насколько я знаю, единственные.

В каких-то терминалах самообслуживания уже установлена система распознавания лиц?

Александр Ханин: Да, например, в банке "Открытие" - в терминалах электронной очереди. И это не пилотные проекты, а такие, которые работают и удовлетворяют заказчиков в реальных условиях.

Чувствуете, как конкуренты дышат в спину?

Александр Ханин: Пилотных проектов в близких к нам областях много. Компаний, которые занимаются распознаванием лиц, только в России десятки, в Китае - около сотни, в мире - больше тысячи. Поэтому я и говорю, что сама по себе задача распознавания лиц решена, - во всяком случае для большинства сегментов и практических задач.

Для успеха на рынке важны не технологии. Большинству клиентов плевать, какая у нас технология и как именно мы решаем задачу, допустим, по ускорению обслуживания в банке или магазине, - с помощью распознавания лиц, прогноза погоды или черной магии. Им важно, чтобы был результат.

Распознать всех!

Какие задачи еще не решены, но будут - в обозримой перспективе? Над чем работают специалисты?

Александр Ханин: Одна из важнейших нерешенных задач - распознавание лиц в полностью неконтролируемой обстановке, например в толпе. Многие говорят, что умеют это делать, но по факту ничего такого пока не внедрили. Видимо, напрасно говорят.

Разве узнавать случайных людей по лицам не запрещено законом? Это ведь использование персональных данных.

Александр Ханин: Бизнесу запрещено, конечно. Это нарушение прав человека и вмешательство в частную жизнь. Вообще, технологии сейчас позволяют сделать гораздо больше, чем разрешает законодательство. Но мы работаем только в белой зоне - в полном соответствии с законом. Для нас важно не нарушать права людей. Мы не имеем права использовать без согласия человека его данные из соцсетей и поэтому не станем делать, например, для магазина систему, которая ищет информацию о клиенте по его фотографии. Но мы можем разработать программу, которая будет приблизительно оценивать пол и возраст покупателей по фото.

Наша компания работает только с бизнесом, а вот у служб национальной безопасности есть системы, которые ищут людей по фотографии.

То есть ФСБ можно, а обычным людям нельзя?

Александр Ханин: Да. Если спецслужба хочет найти террориста в толпе, ей нужно сканировать и распознать всех. А если человек зашел в магазин и программа по фотографии нашла его аккаунт в соцсети, узнала телефон и начала рассылать спам, это очень серьезное нарушение. На Западе за это предусмотрена уголовная ответственность.

В аэропортах уже есть системы распознавания лиц?

Александр Ханин: Да, в основном на паспортном контроле - они проверяют, ваш ли это паспорт, не поддельный ли и не числитесь ли вы в списке заблокированных или в федеральном розыске. За рубежом степень автоматизации значительно выше. В аэропортах Сингапура, Лондона, Парижа паспортный контроль можно проходить автоматически, без участия сотрудников. Вы сканируете свой паспорт, вас фотографируют, происходит сверка - и все, можно идти дальше.

Угадай, что на картинке

Как будет развиваться компьютерное зрение?

Александр Ханин: Есть большая группа задач, именуемых visual question answering: вы показываете компьютеру картинку, и он должен понять, что там изображено. Это очень сложно: если просто учить распознавать объекты по отдельности, ничего не получится - надо понимать контекст и взаимосвязь объектов.

Другая похожая задача - распознавание действий человека, они ведь тоже определяются во многом по контексту. Например, если человек поднял руку, что это значит? Он указывает дорогу или собирается кого-то ударить? Вот сидим, думаем.

То есть вы хотите научить машины распознавать образы, смысл которых зависит от контекста?

Александр Ханин: Научить интерпретировать контекст и таким образом распознавать картинки, действия, сцены.

Когда роботы прозреют

Что будет дальше, лет через десять?

Александр Ханин: Хотелось бы, чтоб разработку компьютерного зрения довели до конца. Тогда у роботов появятся настоящие глаза, а значит, возможность понимать происходящее и адекватно реагировать. Иначе они не станут частью общества, а так и будут игрушками с пультами управления.

Как системы, распознающие лица, изменят нашу жизнь в ближайшие годы?

Александр Ханин: Вы совершенно точно заметите работу таких систем при авторизации - например, когда будете разблокировать телефон. Многие уже привыкли к Touch ID, но скоро самым распространенным способом станет вхождение в систему по лицу. Приходя домой, вы не будете искать ключи, на работе вам не понадобится пропуск. Ускорится обслуживание и самообслуживание в банках, магазинах, во всей сфере услуг: расчеты будут происходить без карточек.

На улицах станет безопаснее, потому что появится видеонаблюдение с функциями отслеживания. Города и страны получат дополнительную защиту, а возмездие за преступление станет неизбежным. Система будет фиксировать все: кто и где это сделал, куда потом пошел. На смену понятию "безопасный город" придет "умный город": одна и та же инфраструктура будет обеспечивать безопасность и, например, управление потоками людей и машин, а также много чего другого.

Одна и та же система установленных повсюду камер и компьютерного зрения?

Александр Ханин: Да, алгоритму без разницы, кого распознавать: вип-клиента или воришку. Лица у всех устроены одинаково: глаза, рот и нос. Но дело не только в лицах. Эта же система может заняться, скажем, регулированием освещения. Если в помещении нет людей, зачем жечь электричество? Машина вызовет коммунальные службы, если зафиксирует неполадки, и так далее.

Жить в мире, где все на виду, страшновато. Технически все проще становится построить антиутопию, где за всеми ведется тотальная слежка…

Александр Ханин: Я думаю, в итоге мир станет лучше и намного безопаснее. Но обманывать будет труднее. Например, мы с партнерами недавно разработали продукт, который не только дает доступ в рабочее помещение, но и учитывает проведенное там время: пришли во столько-то, ушли во столько. Прогуляли, опоздали, не вернулись с обеда - все будет зафиксировано.

И никак нельзя будет от этого спрятаться? Наверняка появятся маски с чужим лицом.

Александр Ханин: Безусловно, есть масса способов обмануть систему, и в этой области "гонка вооружений" только начинается. Был такой видеоролик, где учили делать макияж, препятствующий распознаванию. Но то было года три назад - нынешние алгоритмы так просто не проведешь.

А если вместо лица показывать фотографию?

Александр Ханин: Чтобы вычислить мошенников, в системах распознавания лиц программируют специальный "детектор живости" (lifeness detector), который определяет, человек перед ним или фотография. Показателей живости несколько. Самый простой, который считается мировым стандартом, - это моргание. Еще система может попросить человека улыбнуться, повернуть голову, приблизиться к камере, чтобы убедиться, что он реальный. Но если камера оснащена сенсором глубины, это не требуется: машина сразу понимает, что в кадре объемный объект, а не фото.

Кто еще в лидерах

Распознавание лиц - это не только наука и технология, но и большой бизнес, который в развитых странах растет огромными темпами. Исследовательская компания Allied Market Research прогнозирует, что к 2022 году его оборот составит почти десять миллиардов долларов. Среди ведущих игроков есть и российские. Из десятков стартапов и исследовательских проектов мы выделили три самых успешных.

NTechLab. Выпускник МГУ Артем Кухаренко начинал с приложения, определявшего породу собак по фотографии. Но уже в 2015 году созданный им с партнерами по проекту NTechLab алгоритм FaceN одержал победу в двух из четырех номинаций главного мирового конкурса по распознаванию лиц MegaFace, обойдя команду Google. Однако настоящая слава пришла к компании после разработки популярнейшего приложения FindFace, предназначенного для поиска по фото людей в соцсети "ВКонтакте". Сегодня число заявок на интеграцию технологии FindFace приближается к тысяче.

Vocord. Компанию "Вокорд" можно смело считать чемпионом мира по распознаванию лиц: на сайте конкурса MegaFace она занимает первое место, лидируя с солидным отрывом. Команда "Вокорд" - ветераны на рынке систем компьютерного зрения: программу дистанционного биометрического распознавания лиц Vocord FaceControl они выпустили еще в 2008 году, сегодня их продуктами пользуются больше двух тысяч коммерческих и государственных организаций. Специализация компании - идентификация лиц, то есть поиск человека в толпе.

VisionLabs. Их продукты входят в тройку лучших мировых коммерческих систем распознавания лиц. Подробнее об этой компании читайте в основном тексте.

 

Основные виды биометрии

Международная классификация способов идентификации человека

Лицо. Программа по фото или видеоизображению лица анализирует размер и форму глаз, носа, скул, их взаиморасположение и на основе этих данных создает уникальную комбинацию, которую затем сравнивает с имеющимися на предмет совпадения.

Отпечатки пальцев. Дактилоскопический метод основан на неповторимости папиллярного рисунка кожи, широко применяется в криминалистике.

Речь. Способ распознавания, основанный на преобразовании звучащей речи в цифровую информацию.

Глаза. Распознавание происходит в результате сравнения цифрового изображения радужной оболочки глаза с имеющимися в базе.

Вены. Способ идентификации на основе венозного рисунка руки или пальцев.