На лице написано

Алгоритмы распознавания лиц понемногу превращаются во всевидящее око

Популярная механикаHi-Tech

На лице написано

Взять кредит, оформить визу, да и просто запустить смартфон последней модели – сделать все это сегодня невозможно без участия алгоритмов распознавания лиц. Они помогают полицейским в расследованиях, музыкантам – на сцене, но понемногу превращаются во всевидящее око, следящее за всеми нашими действиями онлайн и офлайн.

Текст: Александр Ершов, Роман Фишман

0:00 /
786.027

Алгоритмы (технологии)

Определить человека по фото с точки зрения компьютера означает две очень разные задачи: во-первых, найти лицо на снимке (если оно там есть), во-вторых, вычленить из изображения те особенности, которые отличают этого человека от других людей из базы данных.

Найти

Попытки научить компьютер находить лицо на фотографиях проводились еще с начала 1970-х годов. Было испробовано множество подходов, но важнейший прорыв произошел существенно позднее – с созданием в 2001 году Полом Виолой и Майклом Джонсом метода каскадного бустинга, то есть цепочки слабых классификаторов. Хотя сейчас есть и более хитрые алгоритмы, можно поспорить, что и в вашем сотовом телефоне, и в фотоаппарате работает именно старый добрый Виола – Джонс. Все дело в замечательной быстроте и надежности: даже в далеком 2001 году средний компьютер с помощью этого метода мог обрабатывать по 15 снимков в секунду. Сегодня эффективность алгоритма удовлетворяет всем разумным требованиям. Главное, что нужно знать об этом методе, – он устроен удивительно просто. Вы даже не поверите насколько.

Алгоритмы распознают образы

Почему это работает? Посмотрите на признак [1]. Почти на всех фотографиях область глаз всегда немного темнее области непосредственно ниже. Посмотрите на признак [2]: светлая область посередине соответствует переносице, расположенной между темными глазами. На первый взгляд черно-белые маски совсем не похожи на лица, но при всей своей примитивности они имеют высокую обобщающую силу.

Шаг 1. Убираем цвет и превращаем изображение в матрицу яркости.
Шаг 2. Накладываем на нее одну из квадратных масок – они называются признаками Хаара. Проходимся с ней по всему изображению, меняя положение и размер.
Шаг 3. Складываем цифровые значения яркости из тех ячеек матрицы, которые попали под белую часть маски, и вычитаем из них те значения, что попали под черную часть. Если хотя бы в одном из случаев разность белых и черных областей оказалась выше определенного порога, берем эту область изображения в дальнейшую работу. Если нет – забываем про нее, здесь лица нет.
Шаг 4. Повторяем с шага 2 уже с новой маской – но только в той области изображения, которая прошла первое испытание.

Почему так быстро? В описанном алгоритме не отмечен один важный момент. Чтобы вычесть яркость одной части изображения из другой, понадобилось бы складывать яркость каждого пикселя, а их может быть много. Поэтому на самом деле перед наложением маски матрица переводится в интегральное представление: значения в матрице яркости заранее складываются таким образом, чтобы интегральную яркость прямоугольника можно было получить сложением всего четырех чисел.

Как собрать каскад? Хотя каждый этап наложения маски дает очень большую ошибку (реальная точность ненамного превышает 50%), сила алгоритма – в каскадной организации процесса. Это позволяет быстро выкидывать из анализа области, где лица точно нет, и тратить усилия только на те области, которые могут дать результат. Такой принцип сборки слабых классификаторов в последовательности называется бустингом (подробнее о нем можно прочитать в октябрьском номере «ПМ»). Общий принцип такой: даже большие ошибки, будучи перемножены друг на друга, станут невелики.

Упростить

Найти особенности лица, которые позволили бы идентифицировать его владельца, означает свести реальность к формуле. Речь идет об упрощении, причем весьма радикальном. Например, различных комбинаций пикселей даже на миниатюрном фото 64 × 64 пикселя может быть огромное количество – (28)64 × 64 = 232768 штук. При этом для того, чтобы пронумеровать каждого из 7,6 млрд людей на Земле, хватило бы всего 33 бита. Переходя от одной цифры к другой, нужно выкинуть весь посторонний шум, но сохранить важнейшие индивидуальные особенности. Специалисты по статистике, хорошо знакомые с такими задачами, разработали множество инструментов упрощения данных. Например, метод главных компонент, который и заложил основу идентификации лиц. Впрочем, в последнее время сверточные нейросети оставили старые методы далеко позади. Их строение довольно своеобразно, но, по сути, это тоже метод упрощения: его задача – свести конкретное изображение к набору особенностей.

Шаг 1. Накладываем на изображение маску фиксированного размера (правильно она называется ядром свертки), перемножаем яркость каждого пикселя изображения на значения яркости в маске. Находим среднее значение для всех пикселей в «окошке» и записываем его в одну ячейку следующего уровня.

Авторизуйтесь и читайте статьи из популярных журналов

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Криптовалюты. Поколение второе Криптовалюты. Поколение второе

От «цифрового золота» к полноценным деньгам

Популярная механика, август'19
Самый лучший день Самый лучший день

Лена пишет саундтреки к фильмам, ездит на мотоцикле и учится психоанализу

Playboy, август'19
Range Rover Velar Range Rover Velar

Невиданное прежде сочетание внедорожных способностей и драйва на асфальте

Quattroruote, декабрь'17
Фантастические твари и где они обитают Фантастические твари и где они обитают

Главный аниматор «Звездных войн» рассказывает, как придумал свинобегемота

Esquire, декабрь'17
Skoda Karoq Skoda Karoq

Karoq отлично подошел бы для нашей страны

АвтоМир, ноябрь'17
«Я не девочка с «биполяркой»: проект фотографа Лизы Жаковой «Я не девочка с «биполяркой»: проект фотографа Лизы Жаковой

Лиза Жакова недавно опубликовала фотопроект «Нам не кажется», посвященный депрессии и биполярному расстройству личности. В интервью Psychologies.ru она рассказала о том, как живет с этими диагнозами, почему не хочет ассоциировать с ними свое творчество, что не так с флешмобом #faceofdepression, и о многом другом.

Psychologies, ноябрь'17
Философия сексуальных домогательств Философия сексуальных домогательств

Как изменились человек и мир в результате скандалов со звездами

Русский репортер, ноябрь'17
Subaru XV Subaru XV

Сдобрен ли крепкий коктейль субариста банальным качеством

АвтоМир, ноябрь'17
Сила притяжения Сила притяжения

Почему различия – не помеха любви?

Psychologies, декабрь'17
У-вэй: философия ничегонеделанья У-вэй: философия ничегонеделанья

У-вэй – это особая категория даосизма, которая подразумевает невмешательство в естественный ход вещей. Эту философию еще называют искусством созерцательной пассивности, недеяния или «ничегонеделания». Как ее принципы могут помочь человеку в современной жизни?

Psychologies, ноябрь'17
Ультиматум Борнса Ультиматум Борнса

Американский певец Гарретт Борнс способен заворожить любую публику

Vogue, декабрь'17
Охота на лидера Охота на лидера

Hyundai Sonata – Toyota Camry

АвтоМир, ноябрь'17
Асланбек Джалиев Асланбек Джалиев

Основатель продюсерского агентства Famely

GQ, декабрь'17
Принц на белом коне Принц на белом коне

Алексей Фролов построил посреди донской степи курорт

Tatler, декабрь'17
Взгляд на 2017-й из 1917-го Взгляд на 2017-й из 1917-го

Сто лет назад Александер Грейам Белл произнес речь о прогрессе

National Geographic, ноябрь'17
Как полюбить себя, приняв свое тело Как полюбить себя, приняв свое тело

Мы не можем любить и быть любимыми, пока не научимся принимать себя. Не так просто убрать фальшивые маски, принять своих близких и найти тех, кто ценит нас такими, какие мы есть. Как научиться любить себя или вернуть эту любовь, если она была потеряна?

Psychologies, ноябрь'17
Муза Муза

Съемка и интервью с главной героиней нашей декабрьской обложки Ванессой Паради

Elle, декабрь'17
HTC Vive: система профессионалов HTC Vive: система профессионалов

Шлем виртуальной реальности HTC Vive во всех подробностях

CHIP, декабрь'17
Движение в радость: почему спорт дарит позитив Движение в радость: почему спорт дарит позитив

Вы замечали, что те, кто занимается спортом, энергичнее и бодрее тех, кто предпочитает ленивые вечера на диване? По идее, все должно быть наоборот: тренировки отнимают много сил, а блаженное ничегонеделание их восстанавливает. Но все не так просто. Что происходит с мозгом, когда мы тренируемся, и что делать, если спорт не в радость?

Psychologies, ноябрь'17
Смешная девчонка Смешная девчонка

Сверхновая голливудская звезда Екатерина Самсонова

Vogue, декабрь'17
Жар-птица Жар-птица

Ульяна Сергеенко впервые рассказала быль о своем разводе

Tatler, декабрь'17
Проект под ключ Проект под ключ

Белла Торн — новая фаворитка Ксавье Долана

GQ, декабрь'17
Рефлексы новорожденного: что умеет ваш малыш? Рефлексы новорожденного: что умеет ваш малыш?

Кажется, что малыш умеет только есть, спать и плакать, но это не так

9 месяцев, ноябрь'17
5 вещей, которые портят имидж 5 вещей, которые портят имидж

Многие из наших привычных действий негативно отражаются на репутации

Лиза, ноябрь'17
Обыкновенный аутизм Обыкновенный аутизм

Как помочь детям с нарушениями развития

Русский репортер, ноябрь'17
«Будущее за теми, кто постоянно учится» «Будущее за теми, кто постоянно учится»

Самообразование – не просто модное поветрие, а вызов времени. Успех приходит к тем, кто находится в постоянном поиске знаний. Как освоить искусство life-long learning и чем в этом могут помочь онлайн-курсы? Об этом мы поговорили с экспертом по рекрутингу Аленой Владимирской и директором по развитию бизнеса компании Coursera Никилом Синха.

Psychologies, ноябрь'17
20 способов держать мозг в тонусе 20 способов держать мозг в тонусе

Хотя многие считают, что способности нашего разума ограничены коэффициентом IQ, существует ряд способов улучшить когнитивные способности. Для этого нужно каждый день нагружать, тренировать и удивлять мозг.

Psychologies, ноябрь'17
Украина ТВ Украина ТВ

Как украинские студии превратились в поставщиков шоу для российского телевидения

РБК, декабрь'17
Хорошо устроились Хорошо устроились

Открытый брак — способ разделить постель без раздела имущества

Tatler, декабрь'17
Топ-5 лайфхаков перед сном Топ-5 лайфхаков перед сном

Следуя этим советам, ты можешь «навести красоту» еще с вечера

Лиза, ноябрь'17