iPhoneX的Face ID夜間為什麼還能識別人臉？

iPhoneX終於在蘋果2017年秋季新品發布會亮相，包括全面屏、無線充電和人臉識別的新特性早已曝光，8388的起售價也成了史上最貴iPhone。發布會上蘋果營銷高級副總裁菲爾·席勒(Phil Schiller)說Face ID技術是「解鎖手機和保護用戶信息的未來」。但許多人可能還是會疑惑，iPhoneX在夜間或者光線不足的情況下還能進行人臉識別嗎?

??iPhoneX Face ID

??不久前，支付寶視頻展示刷臉就可以在KFC的自助點餐機上成功點餐，並且該自助點餐機的人臉識別系統在不同髮型，不同裝束下都成功識別，可見人臉識別的應用已經取得了一定的進展。不過，今年發布的三款新iPhone只有一款採用人臉識別，其他兩款仍然採用Touch ID作為解鎖方式，可見人臉識別應用於手機仍然存在難度。那麼iPhoneX是如何實現人臉識別的?Phil Schiller介紹說Face ID採用了TrueDepth相機技術及其配置的相應子系統，其中包括紅外感測器、照明器、點陣投影儀、距離感測器和環境光線感測器等各種感測器設備。當用戶看著手機時，它會向面部投射30,000個不可見的IR點，相機會捕捉並拍攝圖像，然後將其與存儲的面部圖像進行對比。這一切都是實時發生的。該功能整合了神經網路技術以及其他感測器技術，能夠有效區分不同面部，並且辨別手機前的人像是否只是一張照片，其也可以檢測到用戶是否戴著口罩。

??上述的解釋雖然通俗易懂，我們可以從更深的層次去理解iPhoneX的Face ID。想要實現理想的人臉識別，需要通過3D成像獲得對人臉識別非常重要的景深信息。目前，3D成像方面最主流的有結構光(Structured Light)和TOF(Time Of Flight)兩種技術。對比兩種技術可以發現，結構光的優勢在於3D感測器解析度比TOF高很多。並且由於結構光是只照射其中局部區域，而TOF是激光全面照射，所以結構光的功耗也比較低。但結構光同樣也有缺點，比如邊界線不太清晰，拍人的時候有時會胖一點有時會瘦一點。TOF作為單點測距效果不錯，已經應用到手機的前置測距。但TOF如果要追趕解析度和幀數，功耗會達到手機無法承受的程度。TOF另一個缺點是噪點比較大，用光測量距離如果距離太長會產生噪點，同時邊沿精度會降低。鑒於結構光和TOF在解析度、幀率等方面的差別，手機里結構光的基線又必須限制在25毫米以內，近距的精度跟TOF差不多甚至好一點，遠距精度比TOF差，因此針對不同的應用手機廠商會選擇不同的解決方案。

??蘋果具體是怎麼做的?據一名資深工程師分析，蘋果在2013年收購了PrimeSense，該公司的結構光3D感測器就應用於微軟Kinect體感設備，因此蘋果用結構光實現人臉識別就水到渠成。結構光的整個結構由發射機構和接收機構兩部分組成。發射部分有940nm VCSEL激光器，現在很多手機上用的激光對焦器跟這是一個原理，激光器前面有一片DOE(衍射光學器件)，主要目的是形成在目標上的不同的散斑編碼，這次蘋果用的就是在人臉上形成一副帶有編碼信息的圖片。接收端的晶元選用ST的1.4M的紅外圖像感測器，這是由於拍攝人臉上的帶有激光編碼信息的圖像傳輸給ISP處理，根據這幅圖像和DOE上的編碼進行解碼來產生3D的距離信息並生成一副帶有深度信息的人臉圖像並與本機存儲的人臉深度信息進行對比，準確率達到一定百分比即可解鎖。因為圖像感測器一直有光輸入的，940nm的激光一直發射，實際上可見光都是被屏蔽的，只接收發射的940nm光線，可見光沒用，所以並不存在晚上會不好用或者失效的問題。這就從技術上解讀了iPhoneX的Face ID以及TrueDepth相機。

??圖：結構光3D感測器

??另外，僅結構光也包括單目+投影激光，雙目+投影激光的方法。這一領域有一定領先優勢的英特爾採用雙目+投影激光的方式，但體積較大不適合手機，單目體積較小，但是演算法比較複雜。結構光的計算部分也有兩種解決方案：一種是直接用手機的AP進行純軟體計算，比較消耗AP的計算資源。還有一種是DSP晶元加軟體演算法，成本跟用ASIC差不多，但是解析度較低。從發布會介紹我們可以知道，蘋果人臉識別的實現依賴於具有運行諸如機器學習和人工智慧等應用的強大功能，雙核神經引擎每秒可進行6000億次操作的A11移動處理晶元。因此如果用戶更換頭髮或戴上帽子，或者戴上眼鏡，Face ID依舊可以有效工作。如果用戶的臉隨著時間的推移而變化，比如說長了鬍子等Face ID一樣可以適應。

??既然人臉識別在夜間或者可見光不佳的情況下並不會受到影響，強大的處理性能保證了其識別的效果，同時3D攝像頭所能實現的功能也不像虹膜識別一樣僅能做為身份認證，那麼3D感測器還有哪些功能值得期待?比如美顏功能，由於3D攝像頭可以採集到景深信息，因此針對人像的美化立體感將會更佳，光影效果、鼻子旁邊側面的陰影都可以做比較精細化的處理，處理完之後人像看起來更有立體感，美化效果也更好。再如，通過3D攝像頭結合人體立體信息，在一定距離範圍下可以對手指的每一個關鍵做了非常精準的控制，這也可能為手機交互帶來新變革。除此之外， AR遊戲、3D測距、3D室內導航等功能也值得期待。

??蘋果的每一個革新都可能影響一個產業，TrendForce旗下拓墣產業研究院表示，隨著蘋果iPhoneX中放入3D感測功能，吸引不少廠商投入3D感測產品布局，預期移動設備3D感測模組市場產值將於2017年出現跳躍性成長，市場規模預計將從2017年的15億美元成長到2020年的140億美元，年複合成長率為209%。

??圖：2016-2020年移動設備3D感測模組產值

??雖然蘋果的產品總是以體驗優先，iPhone革新的多點觸控、指紋識別等功能也都對行業產生了重要影響，但這次人臉識別能否受到用戶青睞、吸引其他廠商爭相學習仍不清晰。作為消費者的你，還期待3D攝像頭給我們帶來什麼驚喜?

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