Face ID và nhận diện khuôn mặt trên điện thoại hoạt động thế nào

Face ID và các hệ nhận diện khuôn mặt trên điện thoại hoạt động theo một chuỗi: phát hiện có khuôn mặt, đọc hình dạng khuôn mặt, chuyển thành một dãy số đặc trưng rồi so với mẫu đã lưu trong máy. Điểm khác biệt lớn nằm ở cách đọc: Face ID của Apple chiếu hơn 30.000 chấm hồng ngoại để dựng bản đồ độ sâu ba chiều, còn nhiều điện thoại khác chỉ dùng camera trước chụp ảnh hai chiều. Bản ba chiều khó bị lừa bằng ảnh hơn nhiều, nên được phép dùng cho thanh toán; bản hai chiều thường chỉ nên dùng để mở màn hình.

Bốn bước của mọi hệ nhận diện khuôn mặt

Dù trên điện thoại, ở cổng sân bay hay trong ứng dụng ngân hàng, nhận diện khuôn mặt bằng máy thường đi qua bốn bước:

1. Phát hiện: tìm xem trong khung hình có khuôn mặt không và nằm ở đâu.
2. Căn chỉnh: xoay, co giãn khuôn mặt về tư thế chuẩn dựa vào vị trí mắt, mũi, miệng.
3. Trích đặc trưng: một mạng nơ-ron biến khuôn mặt thành một dãy vài trăm con số, gọi là vector đặc trưng. Hai ảnh của cùng một người cho ra hai dãy số gần nhau; hai người khác nhau cho ra hai dãy xa nhau.
4. So khớp: tính khoảng cách giữa dãy số mới và mẫu đã lưu, so với ngưỡng để quyết định chấp nhận hay từ chối.

Ở bước ba, máy không "nhìn" mặt theo kiểu con người: nó không nghĩ "mũi cao, mắt một mí". Các con số là thứ máy tự học được từ hàng triệu ảnh mặt trong quá trình huấn luyện, và con người không đọc trực tiếp được ý nghĩa của từng con số.

Bên trong Face ID

Cụm camera TrueDepth

Face ID ra mắt trên iPhone X năm 2017. Phần "tai thỏ" rồi "đảo động" ở đầu màn hình chứa cụm TrueDepth gồm ba thành phần chính:

• Đèn chiếu sáng hồng ngoại: rọi ánh sáng hồng ngoại mà mắt người không thấy, nhờ vậy Face ID dùng được cả trong bóng tối.
• Máy chiếu chấm: phóng ra hơn 30.000 chấm hồng ngoại lên khuôn mặt.
• Camera hồng ngoại: chụp ảnh hồng ngoại và đọc cách các chấm bị méo đi trên bề mặt mặt. Chấm nằm trên sống mũi lệch khác với chấm ở hốc mắt, từ đó máy tính ra độ sâu của từng vùng.

Từ bản đồ độ sâu đến mẫu số

Ảnh hồng ngoại và bản đồ độ sâu được đưa vào bộ xử lý thần kinh trong chip, chuyển thành biểu diễn toán học rồi so với mẫu lưu trong Secure Enclave. Theo tài liệu bảo mật của Apple, dữ liệu khuôn mặt không rời khỏi máy và không được sao lưu lên iCloud.

Phải nhìn vào máy

Mặc định, Face ID kiểm tra sự chú ý: mắt phải mở và nhìn về phía máy. Người khác không thể giơ máy lên mặt bạn lúc bạn đang ngủ để mở khoá. Tính năng này có thể tắt cho người khiếm thị, nhưng như vậy mức an toàn giảm.

Tự học theo thời gian

Khuôn mặt đổi dần: râu mọc, tóc đổi kiểu, đeo kính, tăng giảm cân. Face ID cập nhật mẫu dần sau những lần mở khoá thành công. Khi thay đổi quá lớn khiến máy không nhận, nhập mã khoá xong máy cũng tận dụng lần đó để học thêm. Từ iOS 15.4 (2022), Face ID có thêm chế độ nhận diện khi đeo khẩu trang, dựa nhiều hơn vào vùng quanh mắt.

Ba chiều và hai chiều: khác nhau ở đâu

Android có cách xếp hạng sinh trắc theo ba mức. Mức cao nhất (Class 3, "mạnh") mới được dùng cho ứng dụng ngân hàng và thanh toán; nhiều hệ mở khoá bằng mặt 2D chỉ đạt mức thấp hơn nên ứng dụng ngân hàng sẽ không cho dùng. Nếu thấy ứng dụng ngân hàng chỉ cho dùng vân tay mà không cho dùng mặt, nguyên nhân thường là vậy chứ không phải lỗi.

Độ chính xác: những con số cần đọc đúng

Apple công bố xác suất một người lạ ngẫu nhiên mở được iPhone bằng Face ID là khoảng 1 trên 1.000.000 (khi chỉ đăng ký một diện mạo). Con số này cần đọc kèm ba lưu ý mà chính Apple ghi rõ:

• Sinh đôi và anh chị em ruột giống nhau có xác suất mở nhầm cao hơn nhiều.
• Trẻ dưới 13 tuổi cũng vậy, vì nét mặt chưa định hình rõ.
• Với những trường hợp trên, Apple khuyên dùng mã khoá.

Ngoài điện thoại, độ chính xác của các hệ nhận diện khuôn mặt nói chung từng được Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Mỹ (NIST) đánh giá trên quy mô lớn. Báo cáo năm 2019 của NIST cho thấy nhiều thuật toán có tỉ lệ sai khác nhau giữa các nhóm tuổi, giới tính và màu da, dù các thuật toán tốt nhất chênh lệch ít. Đây là lý do việc dùng nhận diện khuôn mặt ở nơi công cộng cần được kiểm định kỹ, khác hẳn chuyện mở khoá điện thoại của chính mình.

Lịch sử ngắn của nhận diện khuôn mặt bằng máy

• Thập niên 1960: Woody Bledsoe và cộng sự ở Mỹ thử cho máy tính so khuôn mặt bằng các điểm mốc do người đánh dấu tay.
• 1991: Matthew Turk và Alex Pentland công bố phương pháp "eigenfaces", biểu diễn khuôn mặt bằng tổ hợp vài khuôn mặt cơ sở.
• 2014–2015: các mạng học sâu như DeepFace (Facebook) và FaceNet (Google) đẩy độ chính xác trên bộ dữ liệu thử lên ngang con người.
• 2017: Face ID đưa nhận diện khuôn mặt 3D lên điện thoại phổ thông.

Những tình huống hay gặp

• Đeo kính râm: nhiều loại kính chặn hồng ngoại khiến Face ID không thấy mắt. Kính thường thì đa số vẫn mở được.
• Nằm nghiêng, máy để quá gần: Face ID cần khoảng cách nhất định (tầm một cánh tay hoặc gần hơn một chút) và góc nhìn hợp lý.
• Nắng gắt ngoài trời: ánh nắng chứa nhiều hồng ngoại, có thể làm máy đọc chậm hơn.
• Sau phẫu thuật, chấn thương vùng mặt: nên đặt lại Face ID khi khuôn mặt đã ổn định.

Góc nhìn hôm nay: khuôn mặt là chìa khoá, hãy giữ chìa gốc

Khuôn mặt luôn lộ ra ngoài, ai cũng nhìn thấy, ai cũng chụp được. Sức mạnh của Face ID không nằm ở chỗ khuôn mặt là bí mật, mà ở chỗ máy đòi một khuôn mặt thật, có độ sâu, đang nhìn vào máy. Vì thế:

• Giữ mã khoá đủ dài và không chia sẻ; đó là chìa gốc.
• Với trẻ nhỏ hoặc người có anh chị em sinh đôi, cân nhắc dùng mã khoá cho ứng dụng tài chính.
• Không thêm "diện mạo thay thế" của người khác vào máy chứa ứng dụng ngân hàng.
• Tìm hiểu thêm: tài liệu "Apple Platform Security" (bản công khai) và trang Android Open Source Project về phân hạng sinh trắc học giải thích rất rõ cơ chế và giới hạn.