生物識別學科和技術(shù)領域經(jīng)過50多年的發(fā)展,積累了豐富的理論和方法,在嚴格受控的條件下可以正確識別高度配合的用戶。但是,在數(shù)字化生物特征信息獲取過程受到內(nèi)在生理變化(如眨眼、斜視、姿態(tài)、表情、運動等)和外界環(huán)境變化(如光照、遮擋、距離等)時,生物識別的性能急劇下降,不能滿足現(xiàn)實世界復雜環(huán)境下身份識別的需求,嚴重制約了生物識別的學科進步、技術(shù)推廣和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。人工智能時代的新傳感、新算法、新架構(gòu)給生物識別帶來了新的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機遇,總體趨勢是從單模態(tài)到多模態(tài)信息融合、從受控場景到復雜場景、從身份識別到活體檢測。本文以中國科學院自動化研究所近三年孵化的虹膜、人臉、步態(tài)識別產(chǎn)業(yè)化公司為例,介紹人工智能時代生物識別創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的新趨勢。

虹膜人臉融合識別技術(shù)

轉(zhuǎn)化與應用

多模態(tài)生物識別系統(tǒng)使用多種生物特征進行身份識別,如虹膜和人臉融合識別、指紋和掌紋融合識別等。雖然使用多種生物特征增加了系統(tǒng)的復雜度和成本,但是,其相對單模態(tài)的身份識別系統(tǒng)具有許多優(yōu)勢:1.更高的識別精度。通過精心設計融合算法,可以綜合考慮各個模態(tài)對身份識別的貢獻,從而顯著提高單模態(tài)的識別精度。2.更廣的適用范圍。由于疾病或外界因素的影響,少部分用戶不具有某種模態(tài)如先天性無虹膜或外傷導致指紋磨損等。多模態(tài)生物識別系統(tǒng)可以在單模態(tài)缺少的情況下正常工作,因而適用于更廣的人群。3.更強的防偽能力。同時使用多種生物特征,可以彌補單個生物特征容易被偽造的弱點,并且同時偽造多個生物特征的難度更高。

相較于其他多模態(tài)融合識別,虹膜和人臉融合識別具有許多獨特的優(yōu)勢:1.分布集中。虹膜和人臉都分布于面部,可以同時進行圖像采集。這樣既減少了成像設備的復雜程度,也降低了用戶配合的難度。有些多模態(tài)識別系統(tǒng),例如人臉和指紋融合識別,需要兩套單獨的成像裝置,而且要求用戶進行多次配合。2.遠距離成像。研究者采用普通的攝像頭即可方便地對人臉進行成像。虹膜作為一種外部可見的內(nèi)部器官,對其成像時不需要用戶接觸成像設備。近年來開發(fā)的遠距離虹膜成像裝置,可以實現(xiàn)幾米遠的虹膜成像。3.信息互補。人臉的結(jié)構(gòu)和形狀富含身份信息,而虹膜的紋理細節(jié)變化豐富。因此,將虹膜和人臉進行融合識別,可以綜合考慮不同尺度的信息,從而提升識別精度。

中國科學院自動化研究所在實現(xiàn)虹膜和人臉融合識別技術(shù)落地的長期技術(shù)攻關中,取得了三點關鍵技術(shù)突破。

第一,遠距離場景下的虹膜高清成像。由于虹膜直徑僅11mm,普通成像設備很難在1.2米處采集到清晰的虹膜紋理圖像,需要特殊的成像系統(tǒng)設計。為解決這個問題,研究團隊使用了千萬像素以上的圖像傳感器來保證足夠高的虹膜分辨率,并且計算了近紅外光源角度和強度,有效保證了在不傷害人眼的情況下照亮1米以外的虹膜紋理。此外,為進一步提高成像質(zhì)量、加快成像速度,該團隊創(chuàng)造性地引入了光場成像等計算成像技術(shù),并將部分以前運行在后端CPU上的智能算法前移到成像設備內(nèi),使成像與計算協(xié)同作業(yè)。

第二,高效的虹膜圖像序列識別算法。由于用戶配合度低,虹膜圖像序列中包含大量模糊、有遮擋、斜眼的低質(zhì)量虹膜圖像。研究團隊通過快速的圖像質(zhì)量判斷算法先按質(zhì)量高、中、低把圖像分成三類。然后,丟棄低質(zhì)量圖像,以減少計算資源浪費,把注意力集中在提升中等質(zhì)量圖像的識別精度上。傳統(tǒng)方法只能正確識別高質(zhì)量虹膜圖像,最新基于深度學習的虹膜識別算法既可以識別高質(zhì)量虹膜圖像,也可以在中等質(zhì)量圖像上取得很高的識別精度。最后,針對嵌入式芯片內(nèi)的計算資源進行算法優(yōu)化,使算法一秒鐘可以處理上百張千萬像素的虹膜圖像。

第三,精準的虹膜人臉融合識別算法。傳統(tǒng)融合識別方法僅采用傳統(tǒng)局部特征和分數(shù)層融合策略,沒有對虹膜和人臉的差異和互補性做深入研究,不能充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,融合后難以形成合力提升系統(tǒng)性能。研究團隊以數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式學習單模態(tài)的區(qū)分性特征,并通過子空間學習挖掘模態(tài)間的相關性,在特征空間實現(xiàn)多模態(tài)信息的有機融合,顯著提升了單模態(tài)的識別精度。

基于自主研發(fā)的遠距離虹膜人臉融合識別技術(shù),中國科學院自動化研究所于2017年孵化了高科技企業(yè)虹星科技。虹星科技的遠距離虹膜人臉融合識別產(chǎn)品已經(jīng)在港口、監(jiān)獄和武警營地使用,取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。

圖1 武警營地利用虹膜識別進行司機身份認證

步態(tài)識別技術(shù)轉(zhuǎn)化與應用

在央視播出的大型科技挑戰(zhàn)節(jié)目《機智過人》中,中國科學院自動化研究所的步態(tài)識別研究團隊在與“最強人類”袁夢的挑戰(zhàn)中勝出,接受了姚期智院士、撒貝寧等組成的嘉賓團現(xiàn)場鑒定,引起社會廣泛關注。在該期節(jié)目中,步態(tài)識別系統(tǒng)先后對10個身高、體型相似的蒙面人"嫌疑犯"與21只體型、毛色相似的金毛犬進行識別,均取得了成功。

中國科學院自動化研究所科研團隊利用智能分析算法賦予了計算機這種通過步態(tài)識別身份的能力。與其他生物識別技術(shù)相比,步態(tài)識別具有遠距離、非接觸、不易偽裝等優(yōu)點:1.步態(tài)識別適用距離更廣。步態(tài)識別的目標可以遠達50米。指紋識別、虹膜識別、人臉識別等都需要識別對象主動配合。步態(tài)是遠距離、非受控場景下唯一可清晰成像的生物特征,即便一個人在幾十米外背對普通監(jiān)控攝像頭隨意走動,步態(tài)識別算法也可對其進行身份判斷。3.步態(tài)難以偽裝。不同的體型、頭型、肌肉骨骼特點、運動神經(jīng)靈敏度、走路姿態(tài)等特征共同決定了步態(tài)具有較好的區(qū)分能力,通過精巧設計的算法和海量數(shù)據(jù)的訓練,機器可以更好地識別這些細節(jié)特征。

圖2 實時步態(tài)識別系統(tǒng)

中國科學院自動化研究所孵化的國際上第一家步態(tài)識別公司銀河水滴擁有的步態(tài)識別技術(shù)、超大的步態(tài)數(shù)據(jù)庫均穩(wěn)居行業(yè)前列,跨視角步態(tài)識別精度在多個數(shù)據(jù)庫上大幅刷新現(xiàn)有水平,在人形檢測、人形分割、序列識別、跟蹤四個步態(tài)識別關鍵領域均處于行業(yè)前列,并申請相關專利50多項,授權(quán)30多項(包括多項美國專利)。目前,銀河水滴步態(tài)識別技術(shù)可對2K高清攝像機下50米外的目標人員進行360度全視角識別,抗光照變化,且無需識別目標配合。嵌入式步態(tài)識別在家電領域應用,步態(tài)識別已在公安系統(tǒng)累計試用超過1000小時,參與了20多個案件的偵破,累計檢索了2000G公安視頻。

生物識別賦能金融創(chuàng)新

在人臉識別核心算法方面,中國科學院自動化研究所從人臉檢測、關鍵點定位、人臉對齊、超分辨、姿態(tài)校正、特征提取、特征比對、活體檢測全流程提出了一系列創(chuàng)新理論和方法,包括人臉圖像的魯棒稀疏表示方法、定序測量人臉識別方法、子空間人臉識別方法、基于互補同伴策略的多模態(tài)人臉對匹配方法等,在國際學術(shù)界產(chǎn)生了重要影響。數(shù)據(jù)和知識(人臉五官拓撲)融合的Light CNN 人臉特征模型成為國際公認的最佳人臉模型之一,600 多個團隊申請使用。

中科博宏(北京)科技有限公司將生物識別和人工智能技術(shù)應用于金融科技創(chuàng)新,通過服務于金融、社保、安防等細分領域,累積了大量行業(yè)數(shù)據(jù)及經(jīng)驗,能夠基于行業(yè)深刻認知下,將科技高效轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,推動社會產(chǎn)業(yè)加速進步,已經(jīng)為國有四大行中半數(shù)以及國內(nèi)30多家銀行及金融機構(gòu)提供身份認證以及計算機視覺服務,包括工商銀行、建設銀行、蘭州銀行、唐山銀行等單位。

以中國工商銀行為例,人臉識別平臺服務日活量高達123萬,如果按照業(yè)務經(jīng)辦時長每筆節(jié)省1分鐘計算,可為全行每日節(jié)省2萬多工時,按照業(yè)務等待時長每筆節(jié)省1.5分鐘計算,全行每日客戶節(jié)省排隊3萬多小時,大大提升銀行運營效益。目前,生物識別技術(shù)已經(jīng)在銀行認證合一柜面、自助終端刷臉取款、手機銀行遠程開戶、生物識別建檔、電話銀行智能語音、銀行VIP要客識別等六大系列上百個細分場景中全面應用。

針對普惠金融、普惠百姓、小微貸款方面,除了政府政策的大力支持,科技重新定義和改變普惠金融的發(fā)展路徑,借助科技的力量,身份認證體系能夠基于個人信用記錄和個人匹配風險承擔能力兩個關鍵要素進行認證評估。針對交易數(shù)據(jù)、認證數(shù)據(jù)、國家基礎數(shù)據(jù)、身份憑證數(shù)據(jù)、簽發(fā)數(shù)據(jù),建設可信身份認證體系;針對系統(tǒng)安全風險、數(shù)據(jù)安全風險,通過多模式生物識別技術(shù)產(chǎn)品,可實現(xiàn)可信身份鑒權(quán)、識別、安全、檢索,實現(xiàn)了銀行安全管理、成本降低、簡單易用。通過大數(shù)據(jù)及身份認證,不僅能準確識別和管理風險,大大提高服務體驗,降低服務成本,相對以往傳統(tǒng)銀行數(shù)周的審批和放款周期,可信身份認證產(chǎn)品體系,可以事先對借款人進行風險評估和授信,借款人只需要在線提交申請后,大約1秒鐘就可以完成貸款,不需要人工干預。傳統(tǒng)信貸操作成本大概需要2000元,而智能信貸模式卻能控制在2元左右,優(yōu)勢巨大。

未來,新型銀行將采取數(shù)據(jù)驅(qū)動+信用體系的業(yè)務模式,通過大數(shù)據(jù)、生物識別技術(shù)去識別和管理風險,打造可量化的信用指標,并提供價格低廉快捷的金融產(chǎn)品。無論是在信用體系還是商業(yè)領域,只要某個方面占有壟斷優(yōu)勢,就有可能贏家通吃。征信體系與商業(yè)應用的結(jié)合是最大的機會,可量化的信用平臺,提供了可靠的信用保障,類似這樣新型銀行將迎來蓬勃的發(fā)展。金融機構(gòu)可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合生物驗證手段,如虹膜、人臉、聲紋等加上個人征信信息,就能建成一套完整、安全、可追溯的記賬系統(tǒng),讓普惠金融各種項目更安全、成本更低廉。

總之,人臉、虹膜、步態(tài)等生物特征在人工智能時代采集更便捷、識別更精確、防偽更安全、應用更廣闊,已經(jīng)成為人們暢行物理和網(wǎng)絡空間、高效完成安檢、支付、考試、醫(yī)療等日常事務的身份標識。人工智能時代,生物識別創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)機會層出不窮,多模態(tài)生物識別融合將實現(xiàn)取長補短,實現(xiàn)大范圍推廣,基于生物特征識別的信息安全新技術(shù)、新應用、新產(chǎn)業(yè)將成為推動社會進步和人類文明的新動力。