工程師：Face ID 對比虹膜識別更容易使用

　　毫無疑問，提及目前世界上最先進的高端手機之爭，無疑就是就是蘋果與三星了，這兩家公司的產(chǎn)品都有著自己的鮮明特點，也因此受到了自己粉絲們的支持與喜愛。而在最近蘋果發(fā)布的產(chǎn)品中，最受外界關注的，無疑就是十周年的旗艦機 iPhone X，除了破天荒的使用了異形全面屏外，蘋果還十分有魄力的將 iPhone 最近幾年使用成熟的 Touch ID 替換成 Face ID，這樣的做法自然引起了不少人的爭議。

　　我們知道 Face ID 的面部識別并不是十分新穎的科技，三星在之前的產(chǎn)品也有配備過，只是效果一直不怎么理想，安全性能也未得到外界的贊同。為此三星選擇了一臺設備多種生物識別技術的方案，除了有面部識別之外，還配備了指紋與虹膜識別供用戶選擇。

　　在蘋果的 Face ID 推出之后，三星與蘋果的粉絲就一直在爭論，到底是蘋果全新研發(fā)的面部識別更安全，還是三星的虹膜識別方案更佳?最近國外一位喜歡研究各種電子設備的電氣工程師就對此發(fā)表了自己的看法，看下他分析的結(jié)果是怎么樣的。

　　使用臉部作為密碼只是讓人有點小興奮

　　在 9 月 2017 日的蘋果發(fā)布會上，iPhone X 被曝光?？梢钥闯?，蘋果在其“十周年紀念”旗艦上全力以赴，而其中一個新功能就是 Face ID。

　　用你的臉解鎖手機并不是什么新鮮事。Android 已經(jīng)使用有一段時間了，之后三星在 Galaxy Note 7 上使用了一個特殊的虹膜掃描儀。但蘋果的做法與以往不同，這是慣常的做法。蘋果沒有使用一種單一模式來創(chuàng)建解鎖令牌，而是使用了你的臉型。而且它還有一些非常專業(yè)的硬件可以協(xié)助它做到這一點。

　　我還沒有使用過 iPhone X，但這是一個我有豐富經(jīng)驗的領域。對空間圖形的調(diào)制獲取，然后將獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成某種軟件可以作為唯一標識符的東西已經(jīng)存在一段時間了，現(xiàn)在你的房子里的產(chǎn)品不少都是用這個技術來制造、包裝或質(zhì)量檢查的。我參與了一些系統(tǒng)的設計和部署，這些系統(tǒng)使用深度圖像采集來對產(chǎn)品(蘋果、桃子、李子等)進行分類，區(qū)分形狀和大小，并據(jù)此來理解人臉識別技術是如何工作的。

　　讓我們來比較一下。

　　安卓的面部識別

　　2012 年，“面部識別”首次亮相 Galaxy Nexus。

　　自 4.0 版以來，用臉解鎖手機一直是 Android 系統(tǒng)的一部分。這是我們比較的三件事中最不復雜和最不安全的。

　　使用前置攝像頭，你的 Android 手機可以抓取一張你的臉，然后谷歌的人臉識別軟件就會對它進行處理，以建立一組基于圖像的數(shù)據(jù)。當你拿著手機貼近你的臉去解鎖時，識別系統(tǒng)會收集、處理和比較存儲的數(shù)據(jù)。如果軟件能匹配這兩種軟件，就會將一個令牌傳遞給系統(tǒng)，這樣你的手機就會解鎖。

　　在那時候，安卓各大手機廠商開始跟風推出“面部識別”，而三星在最新款手機上的表現(xiàn)則要好得多。

　　這些數(shù)據(jù)不會被發(fā)送到任何地方，而是通過手機本身收集和處理。它被安全地存儲并加密，沒有其他進程能夠讀取原始數(shù)據(jù)。安卓手機的解鎖功能也不需要任何特殊的燈光、傳感器或攝像頭——它使用的是你用來自拍的前置攝像頭。

　　三星改進了 Galaxy S8 和 Note 8 手機的體驗，在屏幕被觸碰后就開始掃描，而且由于攝像頭和 CPU 的性能更好，處理速度更快、更準確。Galaxy S8 的臉部解鎖速度很快，而且一旦用戶在使用手機進行面部解鎖的時候握穩(wěn)手機，它的效果通常都會很好。

　　面部解鎖最大的問題是它不安全。沒有一家安卓廠商會宣傳這項功能是非常安全的，即便是谷歌或三星。這是一個方便的功能，用來展示(并優(yōu)化)谷歌的面部識別算法，一張臉部的打印照片都可能會擊敗安卓陣營的面部識別。

　　值得慶幸的是，三星還提供了另一種識別人臉的方式。

　　三星的虹膜掃描

　　三星首次將虹膜掃描技術引入是在 Galaxy Note 7。它是讓電腦掃描用戶的眼球來驗證身份，這是我們在電影經(jīng)常中看到的東西，它被用于在真實的政府設施中保障安全出入。三星在其虹膜掃描系統(tǒng)中也采用了同樣的理念，只是縮小了范圍，這樣它就能更快地工作，并能利用智能手機有限的資源。這對你的手機來說已經(jīng)足夠安全了，即使不是 100% 的萬無一失。

　　每只眼睛都有不同的虹膜圖案結(jié)構(gòu)，即使是同一個人的右眼和左眼都有很大的不同。

　　虹膜圖案實際上比指紋更獨特和清晰。因為每一只眼睛都是獨一無二的，所以三星可以用你的眼睛來識別你，并把它當作你的身份憑證。這些憑證可以用于任何指紋，甚至密碼都可以。用戶只需要拿著手機對準相關位置，這樣特殊的攝像頭就能看到你的眼睛，你的手機也能解鎖。

　　為了做到這一點，三星在手機上使用了專門的硬件。二極管發(fā)出近紅外光，照亮你的眼睛。這是一種人類無法看到的光的波長，但它是相當強烈和“明亮”的。使用近紅外光有兩個原因：你的瞳孔不會收縮，你的視覺也不會改變，而且它能比我們所看到的其他波長更好地照亮任何有顏色圖案的物體。

　　如果你仔細觀察你的虹膜，你會發(fā)現(xiàn)有幾百種不同的顏色，不同的圖案。在近紅外線下，有成千上萬種顏色，它們之間的對比非常好。這會更好地抓取你的虹膜圖像，因為即使你沒有看到任何這樣的圖像，你的手機也可以用它來建立一個數(shù)據(jù)集。

　　三星使用近紅外光和一個特殊攝像頭來收集和處理你眼睛的數(shù)據(jù)。

　　一旦虹膜被照亮，一架經(jīng)過特殊調(diào)諧的窄焦鏡頭就能捕捉到一張圖像。你的 Galaxy S8 上的普通前置攝像頭可以在紅外照明下注冊顏色信息，但是一般的相機，無法識別虹膜，這就是為什么需要第二個攝像頭的原因。

　　設備分析了這張圖片后，會在你的手機上建立了一組清晰的數(shù)據(jù)。所有的數(shù)據(jù)處理、分析和存儲都是在本地完成的，而且是經(jīng)過加密的，因此只有識別用戶本人的虹膜才有機會訪問它。這些數(shù)據(jù)被用來創(chuàng)建一個令牌，如果虹膜掃描的過程提供了正確的標記——安全檢查通過——就是檢測用戶注冊的的虹膜信息，接下來任何需要身份的軟件就都可以繼續(xù)進行操作。

　　當然，三星也會使用普通的前置攝像頭收集用戶的面部數(shù)據(jù)。最可能的是，面部數(shù)據(jù)被用來幫助構(gòu)建用戶的臉部位置，這樣虹膜掃描儀就有了清晰的視野。

　　你的眼睛需要在正確的位置設置和使用虹膜掃描儀。

　　這其中存在一些固有的缺陷。因為用戶使用虹膜掃描來解鎖手機往往希望非?？斓乃俣?，而不是等眼睛里收集的數(shù)據(jù)完全匹配無誤。三星必須在安全性和便利性之間找到正確的平衡點，因為沒有人愿意為每一次掃描等待5到10秒，因此虹膜識別可能會被彩色高分辨率激光打印照片和普通隱形眼鏡模擬而誤導。但是老實說，基本上沒有人會有一張你的眼睛的照片，清晰到足以解鎖你的 Galaxy S8 或 Note 8。如果他們能做到獲取照片，那這種情況下手機安全或許不會是你面對最大的問題。

　　只要你的眼睛處于“最佳位置”，三星的虹膜掃描就能很好地工作。

　　更大的問題是準確性。你的虹膜需要經(jīng)過分析才能通過軟件檢查，因為相機捕捉到的圖像是非常有限的，所以你的眼睛需要有一個“最佳平衡點”。你需要在那個點度過足夠長的時間來通過驗證。如果沒有收集到足夠的數(shù)據(jù)來阻止別人隨意破解進入你的手機，這個系統(tǒng)就沒有用處了，所以這就是它的工作原理。

　　這是一個很好的系統(tǒng)，就生物識別安全而言。而對很多使用者來說，這會有效的增加他們的設備安全。只有你的眼睛數(shù)據(jù)才能讓其工作，而且速度相當快。你只需要學會正確地使用它——是的，通常這項功能不起作用，是由于很多時候你的眼睛睜得太大不自然導致的。

　　蘋果的人臉識別系統(tǒng)

　　蘋果在手機上的生物識別安全問題研究上已經(jīng)進入了新的領域。從發(fā)布會上蘋果對其的說明就可以看到，要實現(xiàn) Face ID 需要專門的環(huán)境及臉部感應器以及各種投影掃描模塊、并配備特殊的深度感應鏡頭，以及一個非常昂貴的圖像處理計算芯片，以便收集足夠的臉部形狀數(shù)據(jù)，獲得每個用戶獨特的臉部識別。現(xiàn)在，蘋果的新一代 A11 芯片和搭配的神經(jīng)引擎來處理這些數(shù)據(jù)。

　　面部識別系統(tǒng)會投射出強烈的紅外線來照亮你的臉。就像三星的虹膜掃描儀所使用的光一樣，它是一個人眼無法看到的波長，但它非常“亮”。這就像一盞大燈——在一個寬闊的區(qū)域，會有等量的光照射到你的臉上，并且會在你的頭部邊緣迅速消失。

　　蘋果正在嘗試一種與傳統(tǒng)人臉識別完全不同的東西，以及它是如何收集臉部信息的。

　　當用戶的臉被照亮的時候，一個由紅外 LED 激光器組成的矩陣會投射到你的臉上。這些 LED 燈使用的是紅外線的波長，與用于照明的光線形成對比。成千上萬的光點會覆蓋你的臉。當你移動的時候(我們永遠不能完全靜止)，光點就會反映出這些變化。

　　當你的臉被紅外線燈照亮，并投射出一個光矩陣，深度感應相機就會自動收集相關圖像數(shù)據(jù)。每一處的光點都被標記出來，當你移動的時候，這些變化也會被系統(tǒng)記錄下來。這就是所謂的深度圖像采集，利用調(diào)制的模式投影。這是一種收集數(shù)據(jù)的好方法，可以在任何類型的光照條件下，甚至在物體運動時顯示形狀變化、識別邊緣檢測和深度。通過收集大量的數(shù)據(jù)，就可以獲得用于 3D 面部重建的各種形狀。

　　然后，數(shù)據(jù)被傳遞到蘋果的 A11 仿生神經(jīng)引擎上。它是一個獨立的子系統(tǒng)，有自己的處理器，可以實時分析數(shù)據(jù)，甚至可在收集數(shù)據(jù)同時進行同步分析。這些數(shù)據(jù)被用來重塑用戶的臉，就像動態(tài)模擬表情 Animoji 演示的那樣，使用面部識別傳感器來檢測用戶面部表情變化，同時用麥克風記錄您的聲音，并最終生成可愛的 3D 動畫表情符號。當你的臉移動時，動畫表情也會跟著移動。這是一款近乎完美的模仿產(chǎn)品，蘋果也據(jù)此在 iOS 11 中推出了新的 iMessage 動畫表情符號，表現(xiàn)出色。

　　Face ID 使用的技術與 Android 手機上的 Tango 技術類似。

　　為了進行身份驗證，數(shù)據(jù)集還用于計算一個惟一標識符。就像三星的虹膜掃描儀一樣，F(xiàn)ace ID 安全地存儲了這些數(shù)據(jù)，并可以將其與特殊攝像頭所收集的相比較，如果數(shù)據(jù)集與攝像頭看到的內(nèi)容相匹配，那么設備就會通過安全檢查，而驗證“你真的是你”的標記會被發(fā)送給任何需要它的進程。

　　盡管蘋果也做出了一些讓步，以確保 Face ID 的快速和便捷，但從用戶的角度來看，它也有一些明顯的優(yōu)勢。Face ID 實際上更安全，它可以收集移動數(shù)據(jù)(意味更多的數(shù)據(jù)被分析)。因為是與整個臉部進行匹配，所以相機可以使用更廣闊的視野，沒有“最佳平衡點”的要求。投射在你臉上的矩陣只會集中采集人臉部區(qū)域的數(shù)據(jù)，TrueDepth 深度感應相機和后臺系統(tǒng)會驗證是否正確。

　　Face ID 比虹膜掃描更有價值的一點在于，你的面部表情數(shù)據(jù)可以用于其他用途。使用蘋果的 TrueDepth 深感攝像機系統(tǒng)。我們可以看到蘋果已經(jīng)開發(fā)出不少有趣的東西，包括自拍的新肖像模式、動畫表情符號和 Snapchat 面罩。蘋果已經(jīng)建立了仿生神經(jīng)引擎，它可以與第三方軟件共享簡單的形狀數(shù)據(jù)，同時又不暴露用于構(gòu)建安全標識令牌的數(shù)據(jù)。

　　哪一個功能更好?

　　在我們嘗試之前，我們不能輕易就下達結(jié)論。

　　更好的說法是主觀的，尤其是在現(xiàn)實世界中，我們還沒有使用過 Face ID 或 iPhone X。在身份驗證方面，用戶看重的是這個過程要準確和迅速。三星的虹膜掃描儀在用戶點亮手機的時候，對準相應的位置就可以解鎖設備。但從文字說明介紹中，F(xiàn)ace ID 似乎更容易使用，因為它不需要鎖定任何特定的位置才能工作。但對于大多人數(shù)來說，或許這兩種情況都不太好，人們更希望使用指紋傳感器，而 Galaxy S8 和 Note 8 都有指紋傳感器。

　　無論你喜歡哪個，毫無疑問，蘋果在這面部識別方面已經(jīng)超越了別的競爭對手。搭配的一系列硬件協(xié)同工作可以建立和收集面部形狀和特征的數(shù)據(jù)，再結(jié)合自己的處理系統(tǒng)來分析處理它，而且構(gòu)建的是 3D 成像的面部識別。我很高興看到這一水平的技術出現(xiàn)在移動設備上，并且迫不及待地想看看這款具有未來意味的產(chǎn)品 iPhone X 在實際情況當中表現(xiàn)得如何。