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, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Будущее пятого поколения Будущее пятого поколения

Время 4G на исходе. 5G серьезно изменит нашу жизнь

Популярная механика
“Страсть должна не сжигать, а питать” “Страсть должна не сжигать, а питать”

Психоаналитик Андрей Россохин предостерегает против крайностей

Psychologies
Упасть по собственному желанию Упасть по собственному желанию

Альпинисты боятся сорваться, а роупджамперы идут в горы специально за этим

Популярная механика
Рецидевицы Рецидевицы

Подруги твоей девушки могут представлять реальную угрозу вашим отношениям

Maxim
Летающий автомобиль Атаманова Летающий автомобиль Атаманова

Пятиместный автомобиль, первый полет которого планируется уже в сентябре

Популярная механика
Сила притяжения Сила притяжения

Почему различия – не помеха любви?

Psychologies
1990: Лихие и крутые 1990: Лихие и крутые

В январе 1991 года на Пушкинской площади открылся первый «Макдоналдс»

Esquire
5 вещей, которые портят имидж 5 вещей, которые портят имидж

Многие из наших привычных действий негативно отражаются на репутации

Лиза
Лыжники с небес Лыжники с небес

Самолеты на лыжах, пожалуй, еще большая экзотика, чем гидросамолеты

Популярная механика
В шутливой форме В шутливой форме

Настя Ивлеева стала суперзвездой инстаграма и комедийного жанра

Glamour
К Хабенский К Хабенский

Константин Хабенский – герой февральской обложки

Esquire
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
Самый знаменитый монгол Самый знаменитый монгол

Чингисхан по праву входит в пантеон величайших завоевателей

Дилетант
Изобразительное искусство Изобразительное искусство

Светлана Ходченкова распрощалась с прилипшим к ней амплуа лирической героини

Glamour
Где найти энергию зимой? Где найти энергию зимой?

Попробуйте в этом году сделать все по-другому и пережить зиму без потери энергии

Домашний Очаг
Мистер Армани Мистер Армани

А есть ли счастье?

The Rake
Секрет фирмы Секрет фирмы

Решаем проблемы на работе

Psychologies
Мастер церемоний Мастер церемоний

Кто в этом году был ведущим праздников номер один? Конечно, MC Андрей Малахов

Tatler
Проект под ключ Проект под ключ

Белла Торн — новая фаворитка Ксавье Долана

GQ
Со всей возможной любовью Со всей возможной любовью

Александр Цыпкин о письмах фанаток и планах на будущее

Glamour
Мифы о простудных заболеваниях Мифы о простудных заболеваниях

Разбираемся с самыми распространенными заблуждениями о простуде

9 месяцев
Хватит капризничать! Хватит капризничать!

Что делать с проявлением детских негативных эмоций

Лиза

История Олеси Косимовой

Psychologies
Коллективное хозяйство Коллективное хозяйство

У «Куйбышевазот» нет контролирующего акционера, но есть главный

Forbes
Письмо редактора Письмо редактора

Главный редактор – об исполнении желаний

Cosmopolitan
Бросок к славе Бросок к славе

Иван Колесников сыграл легенду баскетбола Александра Белова в новой драме

Vogue
«Раньше был более легким на подъем» «Раньше был более легким на подъем»

Интервью с Сергеем Пускепалисом

Добрые советы
Цирк одного актера Цирк одного актера

Хью Джекман о том, что понял на разных этапах жизни (спойлер: ничего не понял)

Cosmopolitan
Honda CR-V – Toyota RAV4 Honda CR-V – Toyota RAV4

Молодые конкуренты, такие, как свежий Honda CR-V, вполне могут потеснить лидера

АвтоМир
Слово королевы Слово королевы

Хелен Миррен — о своей русской крови, феминизме и стиле Мелании Трамп

Vogue
Открыть в приложении