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(gè)波段進(jìn)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(qiáng)的影響，無法探測隱藏目標(biāo)。紅外傳感器捕獲的圖像主要用于收集、探測和定位熱目標(biāo)和低照度目標(biāo)，但其對細(xì)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(dòng)紅外攝像技術(shù)和主動(dòng)紅外攝像技術(shù)。被動(dòng)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(qiáng)，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(jī)實(shí)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(dòng)紅外攝像技術(shù)很少被采用。主動(dòng)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(jī)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(jī)或使用“白天彩色夜間自動(dòng)變黑白”的攝像機(jī)或紅外低照度彩色攝像機(jī)去感受周圍環(huán)境反射回來的紅外光，從而實(shí)現(xiàn)影像采集。人的肉眼看不到紅外線，因?yàn)橄鄼C(jī)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(gè)問題，高端紅外攝像機(jī)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(dāng)鏡頭外的紅外感應(yīng)點(diǎn)檢測到光的強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)置IR-CUT雙濾光片可根據(jù)外光的強(qiáng)度自動(dòng)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(jī)拍攝到的影像和我們?nèi)庋劭吹降挠跋裣嘁恢铝恕Ｍ砩详P(guān)閉紅外濾光片，讓補(bǔ)光的紅外線通過鏡頭進(jìn)入圖像，保證攝像頭24小時(shí)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(jī)的主要補(bǔ)光材料。晚上關(guān)閉紅外濾光片，讓補(bǔ)光的紅外線通過鏡頭進(jìn)入圖像，保證攝像頭24小時(shí)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(jī)的主要補(bǔ)光材料。

人臉皮膚在紅外光譜段，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(shí)，紅外人臉圖像與可見光人臉圖像有許多不同的特點(diǎn)，如光不變性。正是由于紅外成像和可見光成像的不同機(jī)制以及紅外人臉圖像的這些特點(diǎn)，紅外人臉識別與可見光人臉識別相比具有一定的特點(diǎn)。紅外人臉識別具有很強(qiáng)的抗干擾性。紅外圖像是獨(dú)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(jìn)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(qiáng)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(diǎn)，我們必須了解紅外相機(jī)領(lǐng)域的缺點(diǎn)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(jī)的弱點(diǎn)之一。

手電筒效應(yīng):相機(jī)畫面的某一部分，光線照射強(qiáng)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(jī)的鏡頭角度小得多，照射在相機(jī)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。可采用雙聯(lián)動(dòng)紅外燈分組啟動(dòng)機(jī)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(dāng)攝像頭變大時(shí)，設(shè)備會自動(dòng)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(jī)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(yán)重，幾乎整個(gè)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(xì)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(bǔ)光燈板的設(shè)計(jì)非常重要。當(dāng)使用普通背照紅外補(bǔ)光燈板時(shí)(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(gè)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(yán)重影響觀看效果，導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)丟失。紅外曝光現(xiàn)象就像圖像噪聲一樣，是一個(gè)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(bǔ)。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(jìn)入相機(jī)。因此，必須弱化過亮的強(qiáng)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(gè)方面：

(1)紅外補(bǔ)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(jìn)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(jī)角度，減少車牌反射光角度；因?yàn)榉瓷淠し瓷涔庠?，可以增加額外的紅外光，與相機(jī)成一定距離。

②目前，一些紅外燈板制造商提供更先進(jìn)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(bǔ)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(gè)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(dòng)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(qiáng)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(jìn)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(dòng)調(diào)整紅外光強(qiáng)度，有效避免夜間人臉過度曝光。

④可以看出，當(dāng)假設(shè)外部光和曝光時(shí)間一定時(shí)，紅外光組強(qiáng)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(shí)間成正比；但當(dāng)曝光超過一定閾值時(shí)，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(jì)，可能的過曝現(xiàn)象是通過設(shè)置補(bǔ)光燈組強(qiáng)度亮度反饋?zhàn)詣?dòng)補(bǔ)償來解決的。因?yàn)槲覀兿胍@得更多的進(jìn)光量，同時(shí)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(jī)都將集成 ** ART-IR采用先進(jìn)技術(shù)DSP紅外燈亮度自動(dòng)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(diǎn)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(shí)、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(biāo)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(diǎn)，雖然平均過濾后的圖像去除了大部分噪聲，但圖像細(xì)節(jié)存在一定的模糊現(xiàn)象，中值過濾后的紅外圖像細(xì)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(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)曝光值的方法解決，圖片通過HDR處理后，細(xì)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(dá)不同亮度的細(xì)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(qiáng)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(xì)節(jié)。

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由于紅外圖像用戶體驗(yàn)差（記得朋友嘲笑肖像視覺），慢慢一些產(chǎn)品如出勤機(jī)、門禁、人臉鎖等為了更好的體驗(yàn)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(cuò)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(jià)為主的趨勢。可見光可以光可以直接用于拋開紅外成像，也可以達(dá)到良好的防偽效果。

歡迎討論指正。