基于人脸识别的登陆认证方案及思路

本文主要讨论基于人脸识别的登陆认证过程中的关键技术点，讨论如何实现这些关键技术点并解决困难问题。

1.关键技术点及思路

（1）登陆认证在服务器端实现还是在客户端实现?

换句话说，人脸识别的模型应该运行在服务器端还是客户端。如果人脸识别模型运行在服务器端，那么客户端必须在联网环境下才能通过服务端的认证并使用。某些场景下，例如音乐客户端场景（用户在无需联网的情况下也需要进入APP听音乐），人脸识别模型运行在服务器就无法满足需求。如果人脸识别模型运行在客户端，那么需要模型足够简单，客户端能够提供运行模型所需要的计算资源，例如，将能够运行在服务器的VGG16模型搬到客户端，大多数手机客户端的计算资源都无法满足需求，为了获得能在手机客户端运行的模型，需要投入人力做技术预研。

登陆认证在服务器端还是在客户端这个问题的整体思路：初期登录认证在服务器端运行，在必须联网才能使用客户端的场景使用，同时进行手机客户端做人脸识别的预研工作。手机客户端的人脸识别技术成熟后，再将登陆认证能力以SDK方式封装到客户端。先以”咪咕考勤”作为人脸登录认证功能的试验田，最终为” 咪咕考勤”、“咪咕家“、“咪咕咖啡”及”九大客户端“以SDK方式提供人脸登陆认证能力。

（2）人脸检测是服务器端还是在客户端做？

在进行人脸识别的过程中，我们使用采集到图片中的人脸区域，需要先检测图片中的人脸位置，然后将该位置的人脸裁剪为只包含人脸区域的小图片。原始人脸图片是在客户端通过摄像头采集的，那么人脸检测应该在服务器端做还是在客户端做呢？

为了让人脸识别模型获取更大的人脸区域，从而使模型提取到更全面的人脸体征，使人脸识别更准确，需要在人脸检测步骤获得的人脸bounding box基础扩大人脸图片区域，因此，人脸识别模型在哪里运行，人脸检测就在哪里做。

（3）为什么VGG、RESNET等网络模型不能直接用于人脸识别？

VGG、RESNET等网络模型因资源消耗多不适合运行在手机客户端，即便是可以在手机客户端运行的MobileNET，也无法直接应用到我们的人脸识别场景，原因是：这些典型的网络无法对陌生人脸进行划分，例如，分类器可以识别3个人的人脸，当第4个人要识别时，他就会被误识别为这3个人中的其中一个。

（4）MobileNet模型不能直接用于手机端人脸识别，那该怎么办？

解决对陌生类别划分的问题，目前主要是通过Siamese网络和Triplet网络思路来解决，例如，DLIB中的人脸识别就是通过训练基于RESNET的Triplet网络实现。下面简单介绍Siamese网络和Triplet网络的原理。

Siamese 网络的主要思想是通过一个函数将输入映射到目标空间，在目标空间使用简单的距离（欧式距离等）进行对比相似度。在训练阶段去最小化来自相同类别的一对样本的损失函数值，最大化来自不同类别的一堆样本的损失函数值。

根据Siamese网络的主要思想，有人发明了Triplet 网络。triplet是一个三元组，这个三元组是这样构成的：从训练数据集中随机选一个样本，该样本称为Anchor，然后再随机选取一个和Anchor (记为x_a)属于同一类的样本和不同类的样本,这两个样本对应的称为Positive(记为x_p)和Negative (记为x_n)，由此构成一个（Anchor，Positive，Negative）三元组。针对三元组中的每个元素（样本），训练一个参数共享或者不共享的网络，得到三个元素的特征表达，分别记为：f(xia),f (xip),f (xin)。triplet loss的目的就是通过学习，让x_a和x_p特征表达之间的距离尽可能小，而x_a和x_n的特征表达之间的距离尽可能大，并且要让x_a与x_n之间的距离和x_a与x_p之间的距离之间有一个最小的间隔t。公式化表示就是：||f (xia)-f (xip)||+t<||f(xia)-f (xin)||,损失函数就是L={ ||f (xia)-f (xip)||-||f (xia)-f (xin)||+t }+。这里距离用欧式距离度量，+表示{ }内的值大于零的时候，取该值为损失，小于零的时候，损失为零。

（5）DLIB提供的人脸识别满足我们的需要吗？

前面提到过DLIB人脸识别是基于RESNET的Triplet网络，限制了它在手机端的应用，但是当人脸识别模型运行在服务器端时，可以方便地利用DLIB提供的人脸识别功能。

除了人脸识别外，人脸登录认证过程中需要对人脸的真实性做判断（例如进行活体检测），DLIB不能满足这些需要，需要投入人力预研。由于我们目前的场景并不涉及类似支付的高度敏感场景的认证，所以可以将活体检测预研的优先级排低一些。

（6）人脸识别模型在客户端运行有哪些难点需要解决？

如何选择能在手机端运行的深度学习框架。用什么框架（tensorflow、pytorch、caffe）训练的模型，能同时在IOS、Android是上运行？工程上如何实现对这些模型的调用？

手机端如何实现人脸识别。怎样对现有模型（如MobileNET）进行改造，才能达到既满足运行效率（例如<100ms）的要求，又有足够的识别准确度（如99%）的要求。

手机端如何实现人脸检测。OpenCV DNN人脸检测性能和效果都比较好，但是集成OpenCV会导致安装包过大，裁剪OpenCV代价会比较大。

2.核心业务流程（不含产品设计）

（1）人脸识别在服务器端

人脸注册阶段，客户端负责采集各个角度（中、左、右、上、下）的人脸照片，上传服务端请求注册，服务端接收到注册请求后，从人脸照片中识别人脸，并提取人脸特征并保存在数据库中，待人脸识别阶段与新上传照片的特征进行比较。