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

Сколько можно спать? Сколько можно спать?

Еще несколько сотен лет назад европейцы спали дважды за сутки

Популярная механика
Принц на белом коне Принц на белом коне

Алексей Фролов построил посреди донской степи курорт

Tatler
1990: Лихие и крутые 1990: Лихие и крутые

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

Esquire
Анекдот с бородой Анекдот с бородой

Джейсон Момоа спешит спасать мир в новом образе — супергероя Аквамена

Vogue
Летающий автомобиль Атаманова Летающий автомобиль Атаманова

Пятиместный автомобиль, первый полет которого планируется уже в сентябре

Популярная механика
5 вещей, которые портят имидж 5 вещей, которые портят имидж

Многие из наших привычных действий негативно отражаются на репутации

Лиза
Ураганная энергия Ураганная энергия

Как направить в мирное русло энергию ураганов

Популярная механика
Волшебным образом Волшебным образом

Кратчайшая биография Джастина Тимберлейка

Glamour
Лыжники с небес Лыжники с небес

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

Популярная механика
25 стильных пар 25 стильных пар

GQ выбрал 25 самых стильных пар России

GQ
Нобелевская кухня Нобелевская кухня

Как с помощью скотча получить графен в домашних условиях

Популярная механика
Опасные порывы Опасные порывы

Что делать с неожиданными хобби партнеров

Cosmopolitan
Борьба с выскочками Борьба с выскочками

Эксперты рассказывают, как победить акне

Glamour
Чемоданное настроение: куда поехать на зимние каникулы? Чемоданное настроение: куда поехать на зимние каникулы?

Длинные праздники – отличный повод сбавить темп, сменить обстановку и набраться впечатлений на несколько месяцев вперед. Осталось только решить, где это сделать.

Psychologies
Жили и жили Жили и жили

Век революции в портретах человека, дома, города

Русский репортер
Дет Мороз Дет Мороз

Как сделать так, чтобы и взрослые были сыты, и подростки целы и довольны жизнью?

Добрые советы
Бросок к славе Бросок к славе

Иван Колесников сыграл легенду баскетбола Александра Белова в новой драме

Vogue
Я и мое благоустройство Я и мое благоустройство

О том, что бывает, когда вы доверяете государству все решать за вас

GQ
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
Давай поговорим! Давай поговорим!

Объясни мастеру салона, что ты хочешь

Cosmopolitan
Больше двух говорят вслух Больше двух говорят вслух

Матвей (он же рэпер Мот) и Мария Мельниковы

Glamour
Шеннон и швы Шеннон и швы

Майкл Шеннон отрастил усы и примерил вещи из новых коллекций

Esquire
Звездные роботы Звездные роботы

Как стартап из Колорадо стал производителем игровых роботов для Disney

РБК
HTC Vive: система профессионалов HTC Vive: система профессионалов

Шлем виртуальной реальности HTC Vive во всех подробностях

CHIP
Живучие не по правилам – 2 Живучие не по правилам – 2

Новая порция историй о реальных людях, выживших в катастрофических ситуациях

Maxim
Хорошо устроились Хорошо устроились

Открытый брак — способ разделить постель без раздела имущества

Tatler
Зеленый сигнал Зеленый сигнал

Семья бизнесменов строит один из крупнейших жестких дискаунтеров «Светофор»

Forbes
Ультиматум Борнса Ультиматум Борнса

Американский певец Гарретт Борнс способен заворожить любую публику

Vogue
5 причин открыть семейный счет 5 причин открыть семейный счет

Деньги сами по себе не делают нас счастливыми. Но возможности, которые они дарят, а главное, умение ими грамотно распорядиться позволяют чувствовать себя независимыми и получать удовольствие от жизни. Семейный счет в банке — один из таких полезных инструментов. Управление им — ценный навык, который придает уверенности и помогает наладить отношения с близкими людьми. Как это работает?

Psychologies
Когда работа в радость Когда работа в радость

Кто получает больше удовольствия от работы – секретарь или топ-менеджер?

Cosmopolitan
Открыть в приложении