介紹:前一篇文章寫的人臉識別中的活體檢測 - 知乎專欄提到，根據(jù)皮膚和其他材料在光譜反射率上的差異，可以有效防止偽造人臉攻擊。人臉偽裝檢測采用紅外(近紅外)成像技術(shù)，結(jié)合可見光成像選擇兩個波段進行?；蛘呤褂?50nm近紅外光排除了無法控制的可見光，大大提高了活體檢測的識別能力。本文主要討論紅外人臉識別過度曝光等問題。
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1. 紅外攝像技術(shù)和紅外人臉識別
可見光傳感器捕獲的圖像富含場景信息，但容易受到天氣和光強的影響，無法探測隱藏目標。紅外傳感器捕獲的圖像主要用于收集、探測和定位熱目標和低照度目標，但其對細節(jié)和場景的信息反應(yīng)能力較差。
紅外攝像技術(shù)分為被動紅外攝像技術(shù)和主動紅外攝像技術(shù)。被動紅外攝像技術(shù)是利用任何物體在絕對零度(-273℃)以上都有紅外光發(fā)射的原理。由于人體和發(fā)熱物體發(fā)出的紅外光較強，其他非發(fā)熱物體發(fā)出的紅外光非常弱，因此可以通過使用特殊的紅外攝像機實現(xiàn)夜間紅外光成像，也可以用作低照度攝像頭或需要圖像采集的光路棒。
由于設(shè)備成本高，不能反映周圍環(huán)境條件，被動紅外攝像技術(shù)很少被采用。主動紅外攝像技術(shù)是利用特殊的紅外燈人工產(chǎn)生紅外輻射，產(chǎn)生普通攝像機能捕捉到的紅外光，輻射照明景觀和環(huán)境，利用普通的低照度CCD黑白攝像機或使用“白天彩色夜間自動變黑白”的攝像機或紅外低照度彩色攝像機去感受周圍環(huán)境反射回來的紅外光，從而實現(xiàn)影像采集。人的肉眼看不到紅外線，因為相機用CCD感應(yīng)所有的光線，導(dǎo)致拍攝的圖像與肉眼只看到可見光的圖像非常不同。為了解決這個問題，高端紅外攝像機通常配備雙濾光片（IR-CUT），IR-CUT雙濾光片由紅外截止濾光片和全光譜光學(xué)玻璃組成。當鏡頭外的紅外感應(yīng)點檢測到光的強度時，內(nèi)置IR-CUT雙濾光片可根據(jù)外光的強度自動切換，即白天打開紅外濾光片，過濾掉光線中的紅外線，讓CCD在白天只能感應(yīng)到可見光，這樣就使數(shù)碼攝像機拍攝到的影像和我們?nèi)庋劭吹降挠跋裣嘁恢铝?。晚上關(guān)閉紅外濾光片，讓補光的紅外線通過鏡頭進入圖像，保證攝像頭24小時圖像采集效果好。目前，大多數(shù)紅外攝像頭都使用它LED紅外發(fā)光二級管是紅外攝像機的主要補光材料。晚上關(guān)閉紅外濾光片，讓補光的紅外線通過鏡頭進入圖像，保證攝像頭24小時圖像采集效果好。目前，大多數(shù)紅外攝像頭都使用它LED紅外發(fā)光二級管是紅外攝像機的主要補光材料。
人臉皮膚在紅外光譜儀段，特別是中波紅外和長波紅外，能吸收大量的入射能量，反射率高。同時，紅外人臉圖像與可見光人臉圖像有許多不同的特點，如光不變性。正是由于紅外成像和可見光成像的不同機制以及紅外人臉圖像的這些特點，紅外人臉識別與可見光人臉識別相比具有一定的特點。紅外人臉識別具有很強的抗干擾性。紅外圖像是獨立和可見光成像的，因此紅外人臉識別性能不受環(huán)境光變化的影響。紅外熱像儀可以在完全黑暗的情況下成像，因此人臉識別可以在夜間進行。紅外人臉識別不受偽裝的影響，即使是化妝或整容后的人臉，紅外人臉識別也具有很強的抗欺騙性。然而，如果我們想廣泛應(yīng)用和發(fā)揮紅外人臉識別技術(shù)的優(yōu)勢，需要解決相應(yīng)的紅外攝像設(shè)備采集距離有限、圖像識別度低等問題。
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2. 存在的問題及解決方案
隨著安全防范行業(yè)的不斷發(fā)展和技術(shù)的不斷更新，配備紅外光源的前端視頻采集設(shè)備在視頻監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)揮著更加突出的作用。為了更好地利用紅外光源采集的優(yōu)點，我們必須了解紅外相機領(lǐng)域的缺點及其解決方案。例如，在工程應(yīng)用中，我們經(jīng)常遇到的手電筒效應(yīng)是早期紅外相機的弱點之一。
手電筒效應(yīng):相機畫面的某一部分，光線照射強烈，就像一束光，讓人覺得畫面光束不均勻。因此，有些人稱之為手電筒現(xiàn)象。主要原因是紅外燈的發(fā)射角度太窄，即比相機的鏡頭角度小得多，照射在相機的攝入范圍內(nèi)，紅外照射面積亮度很高，與周圍未照射區(qū)域形成很大的對比，導(dǎo)致成像效果很差。解決辦法是增加紅外燈角度或減小鏡頭角度?？刹捎秒p聯(lián)動紅外燈分組啟動機制，使雙層紅外燈板亮度均勻，有效避免手電筒效應(yīng)。紅外燈用于近距離監(jiān)控，當攝像頭變大時，設(shè)備會自動啟用激光照明。
暗角現(xiàn)象：圖片周圍的腳很暗，就像光線被遮擋一樣。原因是紅外燈反射導(dǎo)致鏡頭聚光不良。解決方案是使用雙玻璃將鏡頭與紅外光源分開。
紅外曝光現(xiàn)象：這種現(xiàn)象是本次測試的主要研究問題。對于一些室內(nèi)、半室外低照度或夜間場景，普通紅外攝像頭經(jīng)常出現(xiàn)圖片曝光現(xiàn)象。具體來說，靠近相機的物體會反射更多的紅外光，如人臉識別領(lǐng)域的人臉曝光。
從下圖可以清楚地看出，兩種不同的紅外圖片在成像上有很大的不同。左圖曝光現(xiàn)象非常嚴重，幾乎整個面部曝光較大，右圖更合理，明暗，面部特征和背景可以很好地區(qū)分，雖然過度曝光可能檢測到面部，但失去了大部分面部細節(jié)，對特征提取和分類識別有很大影響，如果右圖可以處理圖像，其清晰的面部特征將給面部識別算法帶來很大的幫助。
經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，補光燈板的設(shè)計非常重要。當使用普通背照紅外補光燈板時(光譜功率分布為波長830~950nm），由于紅外燈排列成一定角度（環(huán)形或上下兩排），照射距離也會導(dǎo)致多個紅外燈束疊加在一起，導(dǎo)致圖片過度偏差。這種現(xiàn)象是上述紅外曝光，嚴重影響觀看效果，導(dǎo)致圖像細節(jié)丟失。紅外曝光現(xiàn)象就像圖像噪聲一樣，是一個客觀的、不可避免的問題，只能通過一些硬件處理或圖像處理技術(shù)來彌補。從某種意義上說，紅外曝光現(xiàn)象是由于我們希望在低光場景下盡可能多地進入相機。因此，必須弱化過亮的強光，否則會反射更多的紅外光，容易過度曝光干擾成像效果。
目前，紅外過曝現(xiàn)象的解決主要從兩個方面：
(1)紅外補光控制:
①一些企業(yè)對車牌夜間反射問題提出了一些改進措施：縮短距離，使車牌面積比例盡可能大；調(diào)整角度，嘗試調(diào)整相機角度，減少車牌反射光角度；因為反射膜反射光源，可以增加額外的紅外光，與相機成一定距離。
②目前，一些紅外燈板制造商提供更先進的服務(wù)IC控制，紅外燈根據(jù)光敏電阻的輸出閥值確定紅外補光燈的亮度，以免過度曝光中心變白。此外，紅外燈的照射更加均勻，燈泡逐漸轉(zhuǎn)向單個和高能，效果正常。近距離人物圖像人臉一般會變白過曝，S ** rt LED技術(shù)可以自動識別和軟化圖像，防止過度曝光，使監(jiān)控圖像更加清晰 。
③一些安全企業(yè)開發(fā)了具有菜單設(shè)置功能的紅外光強度可調(diào)的紅外攝像模塊，旨在根據(jù)不同的監(jiān)控場景需要進行調(diào)整。例如，冷光源智能紅外攝像頭在光源控制方面取得了新的突破。所謂智能，就是攝像頭會根據(jù)圖片亮度自動調(diào)整紅外光強度，有效避免夜間人臉過度曝光。
④可以看出，當假設(shè)外部光和曝光時間一定時，紅外光組強度越大，收集的圖像越多，紅外光對捕獲紅外圖像的作用越大；同樣，在其他條件下，圖片曝光與曝光時間成正比；但當曝光超過一定閾值時，圖片會出現(xiàn)局部過度曝光或完全過度曝光，極大地影響觀看和圖片特征提取。但這只是初步估計，可能的過曝現(xiàn)象是通過設(shè)置補光燈組強度亮度反饋自動補償來解決的。因為我們想要獲得更多的進光量，同時也不想有過度曝光，這兩者是矛盾的，需要妥協(xié)。
（2）從圖像處理相關(guān)方面：
①現(xiàn)在所有有高端紅外攝像機都將集成 ** ART-IR采用先進技術(shù)DSP紅外燈亮度自動調(diào)節(jié)采用智能圖像處理技術(shù)。該技術(shù)通過檢測圖像多塊亮度智能調(diào)整亮度曲線，防止圖像過度曝光和曝光不足，可以更好地檢測紅外燈亮度變化，解決中心點過度曝光和紅外攝像題，確保近距離物體紅外效果，使圖像亮度均勻分布，圖像恢復(fù)更真實、更精致，如上圖。
②研究表明： 均值濾波和中值濾波可用于相關(guān)處理。紅外圖像反映了目標背景紅外輻射或自身紅外輻射空間的分布特征，灰度值反映了不同的輻射亮度。根據(jù)紅外夜視圖像的信噪比和對比度較低的特點，雖然平均過濾后的圖像去除了大部分噪聲，但圖像細節(jié)存在一定的模糊現(xiàn)象，中值過濾后的紅外圖像細節(jié)保持更清晰、更完整。然而，該方法最多可以消除一些噪聲，無法根除。
③某碩士論文采用相機自動調(diào)節(jié)曝光值的方法解決，圖片通過HDR處理后，細節(jié)和光線發(fā)生了微妙的變化。HDR照片由多張照片組成，因此需要拍攝多張不同曝光值的照片，以表達不同亮度的細節(jié)。所需的照片數(shù)量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場光線條件確定。強大的環(huán)境光導(dǎo)致較大的光比，需要拍攝的照片數(shù)量越多。處理后的照片可以很好地顯示因過曝而失去的細節(jié)。
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由于紅外圖像用戶體驗差（記得朋友嘲笑肖像視覺），慢慢一些產(chǎn)品如出勤機、門禁、人臉鎖等為了更好的體驗效果已經(jīng)開始使用雙攝像頭，可見光攝像頭向用戶呈現(xiàn)彩色圖片，紅外攝像頭用于人臉識別。一方面增加了成本，另一方面，上述過曝等現(xiàn)象仍會導(dǎo)致算法出現(xiàn)一些錯誤。因此，人臉活體檢測算法的發(fā)展逐漸展開，形成了以圖像質(zhì)量評價為主的趨勢?？梢姽饪梢怨饪梢灾苯佑糜趻侀_紅外成像，也可以達到良好的防偽效果。
歡迎討論指正。