人脸识别攻防调研

2021-10-19 本文已影响0人成虫_62d0

PA攻击（Presentation attacks）简介

攻击人脸识别系统就叫“PA攻击”，或PA。这种攻击有以下几个特点

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3d攻击不是很常见，2d攻击比较普遍。反pa要求如下：

能防2d攻击，无论是静态还是动态
不需要用户交互

目标：在最少的时间内达到最高的精度，同时提供友好的用户体验（不需要用户交互），或尽量少的交互。

PAD(presentation attack detection)顶级解决方案

PAD方案详细介绍：

局部二值特征（图像纹理分析）LBP

英文Local Binary Pattern，是一种用来描述图像局部特征的算子，是一种图像纹理分析方法。其有灰度不变性和旋转不变性特征(是不断旋转圆形邻域得到一系列初始定义的 LBP值，取其最小值作为该邻域的 LBP 值)。现在有很多优化过的变种算法，但是它们都有一个共同之处—借助周围邻域像素点的信息，通过某种计算，最终估算得到中心像素位置的新值。

计算方式如下：

原始的LBP算子定义在像素33的邻域内，以邻域中心像素为阈值，相邻的8个像素的灰度值与邻域中心的像素值进行比较，若周围像素大于中心像素值，则该像素点的位置被标记为1，否则为0。这样，33邻域内的8个点经过比较可产生8位二进制数，将这8位二进制数依次排列形成一个二进制数字，这个二进制数字就是中心像素的LBP值。中心像素的LBP值反映了该像素周围区域的纹理信息。（计算LBP特征的图像必须是灰度图，如果是彩色图，需要先转换成灰度图。）

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缺点

原始算法计算量较大。

优点

可以跟其他算法方便的集成联合使用。

眨眼检测

眨眼是一种常见的活体检测方案。原理是人类一分钟眨眼在15-30次左右，每次持续时间约为250ms，可以根据录制的视频进行分析检测是否是活体，但是这种方案不太安全，可以使用replay-attack进行破解。

深度学习：卷积神经网络（Convolutional Neural Network）

任务响应

眨眼摇头微笑等等，交互不友好

3d 相机

可有效的对抗PA。但是3d模型攻击难以防范。

光线反射(active flash)

主动利用屏幕或相机闪光灯，主动进行光源切换（亮度，颜色）,光线照射在人脸上，根据图像进行活体检测。下面是一个用例：

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活体检测方式一般都是结合使用的。任务响应和LBP结合。光线反射和任务响应结合。腾讯优图结合了光线反射以及任务响应，并采用了深度学习。

优图人脸识别介绍

一种基于光线反射的强安全性活体检测协议

论文地址https://arxiv.org/pdf/1801.01949.pdf

安全性基于俩个要素：

时间
形状

使用线性回归模型和神经网络分别验证。

时间验证模型的响应是非伪造的。

形状验证人脸的立体性和真实性。

步骤：

利用不可预测的指令，高效地随机抓取图片序列。合法的响应是立即自动生成的。这样攻击者就要花费大量成本去合成图片来通过人脸认证。然后根据前面的指令和图片来验证人脸识别的有效性。例如根据指令检查图像的反光区域。

三、论文中的攻击模型

截获并解密随机指令
根据随机指令伪造响应图像
伪造的图像进行人脸识别验证

四、协议介绍

A. 协议处理过程

协议包含8个步骤，架构图如下：

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一、后端生成参数。参数包含一个seed和N，seed控制随机性，N决定使用多少条指令。前端跟后端通信使用http和tls。
二、前端初始化。前端设备接收到参数后，初始化数据结构，准备录像进行人脸识别，开启相机。
三、前端设备根据参数进行相应响应。一般有俩种响应，颜色和光线强度。
四、收集响应数据。也就是相机拍照，收集目标人脸数据。
五、重复上面步骤3和步骤4，重复N次。重复是为了收集足够的响应数据以确保协议的鲁棒性和安全性。这样合法的用户得以通过，而攻击者被阻止。
六、时间校验。时间校验是区分真实和伪造响应的最关键因素。
七、人脸校验。利用神经网络校验图像形状和纹理。
八、表情校验。

B.核心技术

1）光线反射模型

$Irgb = \{{Ir, Ig, Ib}\}$

上面公式表示一个经过灰度修正和饱和像素移除处理的颜色值RGB。

$Ic, c ∈ \{r, g, b\}$

上述表示在朗博面上的一个像素点x，经过数值处理后的值。数值处理的公式如下：

$Ic(x) = \int_ Ω E(x, λ)R(x, λ)Sc(λ)dλ, c ∈ \{r, g, b\}$

λ表示光谱波长，Ω表示相机支持的所有可见光的频谱范围。E(x, λ)表示光源光谱功率分布，R(x, λ)表示反射值，Sc(λ)表示传感器响应函数。

俩个推论：

1.对于固定光源Ec，点x和点y有如下关系：

$Ic(x) /Ic(y) = Rc(x) /Rc(y) , c ∈ {r, g, b}$

也就是说被相机捕获的俩个不同的点x和y，经过数值处理后的值是跟它们的反射值等比。

2.对于同一点，我们使用不同的光源Ec1和Ec2，那么：

$Ic1(x) /Ic2(x) = Ec1(x) /Ec2(x) , c1, c2 ∈ {r, g, b}$

也就是说，对于同一个点不同光源，其经数值处理后的值，跟反射值等比。

上面俩个推论是本协议的基础。公式一可以计算出俩个像素点的相对反射强度比值，反射强度是人脸特征决定的，包括图像纹理和3d形状。我们可以提取这些特征数据给神经网络进行训练，让神经网络知道其是一个真实有效的人脸数据。

公式二表明给定一个点，改变其光源，其数值会等比变化。另外，光线变化，反射光也会同时变化，这样根据时间检测响应图像是否有延迟，如有延迟则判定为非法伪造。

2）人脸截取

处理人脸晃动，进行修正，提取landmark点。

3）时间验证

4）人脸验证

调研总结

腾讯优图的活体检测基础跟上述论文提供的方式类似，主要是基于随机指令和反射光源以及神经网络。为什么replay attack能成功，猜测可能是优图后端未开启强验证，计算可能要消耗大量cpu资源。

防御方式：

如若是我们自己进行人脸识别，活体检测验证，可以采用一种低成本方式—“任务响应”。例如让用户眨眼，张嘴，朗读数字和文字。