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毫无疑问,提及目前世界上最先进的高端手机之争,无疑就是就是苹果与三星了,这两家公司的产品都有着自己的鲜明特点,也因此受到了自己粉丝们的支持与喜爱。而在最近苹果发布的产品中,最受外界关注的,无疑就是十周年的旗舰机 iPhone X,除了破天荒的使用了异形全面屏外,苹果还十分有魄力的将 iPhone 最近几年使用成熟的 Touch ID 替换成 Face ID,这样的做法自然引起了不少人的争议。

我们知道 Face ID 的面部识别并不是十分新颖的科技,三星在之前的产品也有配备过,只是效果一直不怎么理想,安全性能也未得到外界的赞同。为此三星选择了一台设备多种生物识别技术的方案,除了有面部识别之外,还配备了指纹与虹膜识别供用户选择。

在苹果的 Face ID 推出之后,三星与苹果的粉丝就一直在争论,到底是苹果全新研发的面部识别更安全,还是三星的虹膜识别方案更佳?最近国外一位喜欢研究各种电子设备的电气工程师就对此发表了自己的看法,看下他分析的结果是怎么样的。

使用脸部作为密码只是让人有点小兴奋

在 9 月 2017 日的苹果发布会上,iPhone X 被曝光。可以看出,苹果在其“十周年纪念”旗舰上全力以赴,而其中一个新功能就是 Face ID。

用你的脸解锁手机并不是什么新鲜事。 已经使用有一段时间了,之后三星在 Galaxy Note 7 上使用了一个特殊的虹膜扫描仪。但苹果的做法与以往不同,这是惯常的做法。苹果没有使用一种单一模式来创建解锁令牌,而是使用了你的脸型。而且它还有一些非常专业的硬件可以协助它做到这一点。

我还没有使用过 iPhone X,但这是一个我有丰富经验的领域。对空间图形的调制获取,然后将获得的数据转换成某种软件可以作为唯一标识符的东西已经存在一段时间了,现在你的房子里的产品不少都是用这个技术来制造、包装或质量检查的。我参与了一些系统的设计和部署,这些系统使用深度图像采集来对产品(苹果、桃子、李子等)进行分类,区分形状和大小,并据此来理解人脸识别技术是如何工作的。

让我们来比较一下。

安卓的面部识别

2012 年,“面部识别”首次亮相 Galaxy Nexus。

自 4.0 版以来,用脸解锁手机一直是 Android 系统的一部分。这是我们比较的三件事中最不复杂和最不安全的。

使用前置摄像头,你的 Android 手机可以抓取一张你的脸,然后谷歌的人脸识别软件就会对它进行处理,以建立一组基于图像的数据。当你拿着手机贴近你的脸去解锁时,识别系统会收集、处理和比较存储的数据。如果软件能匹配这两种软件,就会将一个令牌传递给系统,这样你的手机就会解锁。

在那时候,安卓各大手机厂商开始跟风推出“面部识别”,而三星在最新款手机上的表现则要好得多。

这些数据不会被发送到任何地方,而是通过手机本身收集和处理。它被安全地存储并加密,没有其他进程能够读取原始数据。安卓手机的解锁功能也不需要任何特殊的灯光、传感器或摄像头——它使用的是你用来自拍的前置摄像头。

三星改进了 Galaxy S8 和 Note 8 手机的体验,在屏幕被触碰后就开始扫描,而且由于摄像头和 CPU 的性能更好,处理速度更快、更准确。Galaxy S8 的脸部解锁速度很快,而且一旦用户在使用手机进行面部解锁的时候握稳手机,它的效果通常都会很好。

面部解锁最大的问题是它不安全。没有一家安卓厂商会宣传这项功能是非常安全的,即便是谷歌或三星。这是一个方便的功能,用来展示(并优化)谷歌的面部识别算法,一张脸部的打印照片都可能会击败安卓阵营的面部识别。

值得庆幸的是,三星还提供了另一种识别人脸的方式。

三星的虹膜扫描

三星首次将虹膜扫描技术引入是在 Galaxy Note 7。它是让电脑扫描用户的眼球来验证身份,这是我们在电影经常中看到的东西,它被用于在真实的政府设施中保障安全出入。三星在其虹膜扫描系统中也采用了同样的理念,只是缩小了范围,这样它就能更快地工作,并能利用智能手机有限的资源。这对你的手机来说已经足够安全了,即使不是 100% 的万无一失。

每只眼睛都有不同的虹膜图案结构,即使是同一个人的右眼和左眼都有很大的不同。

虹膜图案实际上比指纹更独特和清晰。因为每一只眼睛都是独一无二的,所以三星可以用你的眼睛来识别你,并把它当作你的身份凭证。这些凭证可以用于任何指纹,甚至密码都可以。用户只需要拿着手机对准相关位置,这样特殊的摄像头就能看到你的眼睛,你的手机也能解锁。

为了做到这一点,三星在手机上使用了专门的硬件。二极管发出近红外光,照亮你的眼睛。这是一种人类无法看到的光的波长,但它是相当强烈和“明亮”的。使用近红外光有两个原因:你的瞳孔不会收缩,你的视觉也不会改变,而且它能比我们所看到的其他波长更好地照亮任何有颜色图案的物体。

如果你仔细观察你的虹膜,你会发现有几百种不同的颜色,不同的图案。在近红外线下,有成千上万种颜色,它们之间的对比非常好。这会更好地抓取你的虹膜图像,因为即使你没有看到任何这样的图像,你的手机也可以用它来建立一个数据集。

三星使用近红外光和一个特殊摄像头来收集和处理你眼睛的数据。

一旦虹膜被照亮,一架经过特殊调谐的窄焦镜头就能捕捉到一张图像。你的 Galaxy S8 上的普通前置摄像头可以在红外照明下注册颜色信息,但是一般的相机,无法识别虹膜,这就是为什么需要第二个摄像头的原因。

设备分析了这张图片后,会在你的手机上建立了一组清晰的数据。所有的数据处理、分析和存储都是在本地完成的,而且是经过加密的,因此只有识别用户本人的虹膜才有机会访问它。这些数据被用来创建一个令牌,如果虹膜扫描的过程提供了正确的标记——安全检查通过——就是检测用户注册的的虹膜信息,接下来任何需要身份的软件就都可以继续进行操作。

当然,三星也会使用普通的前置摄像头收集用户的面部数据。最可能的是,面部数据被用来帮助构建用户的脸部位置,这样虹膜扫描仪就有了清晰的视野。

你的眼睛需要在正确的位置设置和使用虹膜扫描仪。

这其中存在一些固有的缺陷。因为用户使用虹膜扫描来解锁手机往往希望非常快的速度,而不是等眼睛里收集的数据完全匹配无误。三星必须在安全性和便利性之间找到正确的平衡点,因为没有人愿意为每一次扫描等待5到10秒,因此虹膜识别可能会被彩色高分辨率激光打印照片和普通隐形眼镜模拟而误导。但是老实说,基本上没有人会有一张你的眼睛的照片,清晰到足以解锁你的 Galaxy S8 或 Note 8。如果他们能做到获取照片,那这种情况下手机安全或许不会是你面对最大的问题。

只要你的眼睛处于“最佳位置”,三星的虹膜扫描就能很好地工作。

更大的问题是准确性。你的虹膜需要经过分析才能通过软件检查,因为相机捕捉到的图像是非常有限的,所以你的眼睛需要有一个“最佳平衡点”。你需要在那个点度过足够长的时间来通过验证。如果没有收集到足够的数据来阻止别人随意破解进入你的手机,这个系统就没有用处了,所以这就是它的工作原理。

这是一个很好的系统,就生物识别安全而言。而对很多使用者来说,这会有效的增加他们的设备安全。只有你的眼睛数据才能让其工作,而且速度相当快。你只需要学会正确地使用它——是的,通常这项功能不起作用,是由于很多时候你的眼睛睁得太大不自然导致的。

苹果的人脸识别系统

苹果在手机上的生物识别安全问题研究上已经进入了新的领域。从发布会上苹果对其的说明就可以看到,要实现 Face ID 需要专门的环境及脸部感应器以及各种投影扫描模块、并配备特殊的深度感应镜头,以及一个非常昂贵的图像处理计算芯片,以便收集足够的脸部形状数据,获得每个用户独特的脸部识别。现在,苹果的新一代 A11 芯片和搭配的神经引擎来处理这些数据。

面部识别系统会投射出强烈的红外线来照亮你的脸。就像三星的虹膜扫描仪所使用的光一样,它是一个人眼无法看到的波长,但它非常“亮”。这就像一盏大灯——在一个宽阔的区域,会有等量的光照射到你的脸上,并且会在你的头部边缘迅速消失。

苹果正在尝试一种与传统人脸识别完全不同的东西,以及它是如何收集脸部信息的。

当用户的脸被照亮的时候,一个由红外 LED 激光器组成的矩阵会投射到你的脸上。这些 LED 灯使用的是红外线的波长,与用于照明的光线形成对比。成千上万的光点会覆盖你的脸。当你移动的时候(我们永远不能完全静止),光点就会反映出这些变化。

当你的脸被红外线灯照亮,并投射出一个光矩阵,深度感应相机就会自动收集相关图像数据。每一处的光点都被标记出来,当你移动的时候,这些变化也会被系统记录下来。这就是所谓的深度图像采集,利用调制的模式投影。这是一种收集数据的好方法,可以在任何类型的光照条件下,甚至在物体运动时显示形状变化、识别边缘检测和深度。通过收集大量的数据,就可以获得用于 3D 面部重建的各种形状。

然后,数据被传递到苹果的 A11 仿生神经引擎上。它是一个独立的子系统,有自己的处理器,可以实时分析数据,甚至可在收集数据同时进行同步分析。这些数据被用来重塑用户的脸,就像动态模拟表情 Animoji 演示的那样,使用面部识别传感器来检测用户面部表情变化,同时用麦克风记录您的声音,并最终生成可爱的 3D 动画表情符号。当你的脸移动时,动画表情也会跟着移动。这是一款近乎完美的模仿产品,苹果也据此在 11 中推出了新的 iMessage 动画表情符号,表现出色。

Face ID 使用的技术与 Android 手机上的 Tango 技术类似。

为了进行身份验证,数据集还用于计算一个惟一标识符。就像三星的虹膜扫描仪一样,Face ID 安全地存储了这些数据,并可以将其与特殊摄像头所收集的相比较,如果数据集与摄像头看到的内容相匹配,那么设备就会通过安全检查,而验证“你真的是你”的标记会被发送给任何需要它的进程。

尽管苹果也做出了一些让步,以确保 Face ID 的快速和便捷,但从用户的角度来看,它也有一些明显的优势。Face ID 实际上更安全,它可以收集移动数据(意味更多的数据被分析)。因为是与整个脸部进行匹配,所以相机可以使用更广阔的视野,没有“最佳平衡点”的要求。投射在你脸上的矩阵只会集中采集人脸部区域的数据,TrueDepth 深度感应相机和后台系统会验证是否正确。

Face ID 比虹膜扫描更有价值的一点在于,你的面部表情数据可以用于其他用途。使用苹果的 TrueDepth 深感摄像机系统。我们可以看到苹果已经开发出不少有趣的东西,包括自拍的新肖像模式、动画表情符号和 Snapchat 面罩。苹果已经建立了仿生神经引擎,它可以与第三方软件共享简单的形状数据,同时又不暴露用于构建安全标识令牌的数据。

哪一个功能更好?

在我们尝试之前,我们不能轻易就下达结论。

更好的说法是主观的,尤其是在现实世界中,我们还没有使用过 Face ID 或 iPhone X。在身份验证方面,用户看重的是这个过程要准确和迅速。三星的虹膜扫描仪在用户点亮手机的时候,对准相应的位置就可以解锁设备。但从文字说明介绍中,Face ID 似乎更容易使用,因为它不需要锁定任何特定的位置才能工作。但对于大多人数来说,或许这两种情况都不太好,人们更希望使用指纹传感器,而 Galaxy S8 和 Note 8 都有指纹传感器。

无论你喜欢哪个,毫无疑问,苹果在这面部识别方面已经超越了别的竞争对手。搭配的一系列硬件协同工作可以建立和收集面部形状和特征的数据,再结合自己的处理系统来分析处理它,而且构建的是 3D 成像的面部识别。我很高兴看到这一水平的技术出现在移动设备上,并且迫不及待地想看看这款具有未来意味的产品 iPhone X 在实际情况当中表现得如何。

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