蘋果自爆祕笈：從想法到實現 Face ID 是怎樣煉成的

蘋果在自家機器學習日報（machinelearning.apple.com）自爆功法，發表論文《基於深度神經網路的裝置端人臉辨識》（An On-device Deep Neural Network for Face Detection），披露臉部辨識技術演變。

2017 年 9 月 13 日（美國時間 12 日），蘋果在賈伯斯劇院發表智慧手機 iPhone X。這款搭載 64 位元架構 A11 神經處理引擎、採用臉部辨識解鎖方式（Face ID）的全螢幕手機，號稱 iPhone 10 週年紀念之作，售價新台幣 35,900 元起。

事實上，蘋果 iOS 10 就開始使用深度學習技術用於臉部辨識，目前已向開發者開放視覺框架，支援相關應用程式開發。下文將著重討論電腦視覺技術在隱私保護遇到的挑戰，及基於深度學習的終端機人臉辨識技術實現方案。

一、終端機深度學習模型的挑戰

蘋果最早發表的臉部辨識 API 是透過 CIDetector 達成，一種針對靜態影響的特徵資訊（包括人臉、幾何圖形、條碼等）辨識的影像處理單元。最早版本的 CIDetector 基於維奧拉─瓊斯目標偵測框架（Viola-Jones），蘋果將其以傳統方式最佳化。

後來，隨著深度學習出現、電腦視覺領域的應用，人臉辨識的準確性得到大飛躍，啟發了蘋果。相比傳統的電腦視覺方案，深度學習演演算法能有更好的模型，也要求更多記憶、儲存／磁碟和可計算資源（Computatioal resource）。

矛盾點來了：以目前終端機（智慧手機）的硬體條件來看，基於深度學習的視覺模型似乎並不是可行方案，而大多數企業的解決方案是提供雲介面（Cloud-Based API），先將圖片傳給能執行大型深度學習框架的伺服器，然後用深度學習偵測臉部。而雲服務往往需要強大的桌機系統級 GPU，需要大量記憶體。

介面方案雖然可行，但違背了蘋果的隱私保護理念，因此，蘋果只提供照片和影片雲服務，所有照片、影片上傳之前需得到帳戶許可；針對電腦視覺指令，上傳雲端被認為是不太合適的方法。

最終，蘋果還是找到了在終端機，也就是 iPhone 上的深度學習方案，並完成高度臉部辨識準確性（state-of-the-art accuracy）。這中間需要解決的挑戰包括：將深度學習模型整合到作業系統，使用寶貴的 NAND 儲存空間（一種非揮發性儲存技術，即電源切斷後仍能儲存資料）；還要將其加載到 RAM（隨機存取記憶體），利用 GPU 和／或 CPU 達到合適的計算時間；此外，和雲端深度學習模型不同的是，終端機深度學習還需要解決執行電腦視覺指令的同時，還有其他的背景程式。

總言之，終端機深度學習模型要求的是：針對大型的照片資料庫，用極短的時間執行指令，並使用不多的功耗或說不發燙。

二、從維奧拉─瓊斯到深度學習

2001 年，Paul Viola 和 Michael Jones 基於哈爾特徵和方向可變濾波器，提出了基於簡單特徵的對象辨識技術，此即維奧拉─瓊斯目標偵測框架，這個方法在 OpenCV 中實現為 cvHaarDetectObjects()。基於維奧拉─瓊斯框架，iOS 7 引入 CIDetecor，做到了人臉偵測、辨識功能，但此時的人臉辨識，準確性和可靠性都不成熟。

2014 年，蘋果最開始著手基於深度學習的臉部辨識，深度卷積神經網路（DCN）才剛能完成物體辨識工作，當時的主流方案是 OverFeat（利用卷積網路特徵擷取算子，以達到圖片分類、定位和偵測），能有效快速掃描物體影像。

OverFeat 實現了神經網路的連線層與卷積層（相同空間維度的濾波器的有效卷積）之間的等價性，也就是做到多尺度匯入預測（裁一個 32×32、像素尺度 16 的區域，可匯出任意大小，比如 320×320 的影像，生成適當大小的匯出對映，比如 20×20）。此外，OverFeat 還提供基於更少網路步幅的更密集匯出對映。

基於 OverFeat，蘋果搭建了初始架構，以實現：

• 二進位分類：辨識匯入資料中是否有臉部資訊；

• 回歸演演算法：邊線預測匯入的人臉資訊，達成人臉定位。

蘋果嘗試一些訓練方式：建立一個固定大小的影像塊大資料集，對應網路的最小有效匯入，使每個塊產生來自網路的單個匯出；定義參數的正負類，訓練網路來最佳化多工作目標，如辨識是否有人臉，找出人臉的座標和縮放比例。高效的完全卷積可處理任意大小的影像並生成二維匯出圖。

整體思路是這樣的：在人臉偵測流程中，包含多尺度的影像金字塔、人臉偵測器以及後處理模組等三大部分。多尺度的金字塔處理各種大小的面孔；人臉偵測器貫穿金字塔的各個等級，並從每層收集候選偵測；後處理模組然後組合這些候選偵測結果跨度，以產生對應網路對影像的臉部最終預測的邊線框清單。

上述策略基本構成終端機電腦視覺方案，但網路複雜性和規模仍然是效能的關鍵瓶頸，不僅要將網路限制在一個簡單的拓樸架構中，且還要限制網路層數，每層信道數量和卷積濾波器的核心大小。

為此，蘋果提出了「師生」培訓方式，即利用已培訓的大型複雜網路（「老師」）匯出，來培訓第二個薄而深的網路（「學生」，一個簡單的 3×3 卷積和層疊重複架構組成，它的架構經過設計，能最妥善利用蘋果自家神經網路推理引擎）。

以上方案是適合終端機用於臉部偵測的深度神經網路演算法，並透過幾輪訓練更新，實現了夠精確的網路模型。

三、最佳化影像管道

深度學習提供一個很厲害的電腦視覺框架（Vision Framework），但它還需要高度最佳化的成像管道。

不管匯入影像是什麼角度、有無縮放、什麼色彩轉換或影像源／格式，人臉偵測都應該執行良好。此外，功耗和記憶體使用情況也是最佳化的關鍵，特別是串流媒體和影像擷取。對此，蘋果採用部分二次取樣解碼技術和自動平鋪技術，即使在非典型的縱橫比下，也能在大影像執行電腦視覺工作。

此外，蘋果還提供了廣泛的色彩空間 API，電腦視覺框架可直接處理色彩匹配，降低開發人員的相關應用開發門檻（不用承擔色彩匹配工作）。

電腦視覺框架還透過有效處理和重複使用中間體來最佳化。透過將演算法的介面抽象出來，找到要處理的影像或緩衝區的所有權位置，演算法框架可建立和緩衝區中間影像，提供盡可能多的解析度和色彩空間，以提高多台電腦視覺工作的效能。

四、最佳化終端機效能

如前所述，終端機人臉偵測 API 必須克服即時應用程式和背景系統程式的問題。用戶要的是處理照片資料庫的同時辨識人臉，或在拍攝後立即分析照片，流暢執行人臉偵測，還不影響功耗，系統不卡頓。

對此，蘋果的方案是最大限度地減少使用記憶體和 GPU，即透過分析計算圖來配置神經網路的中間層：將多個圖層代號到同一緩衝區，既可以減少記憶體使用，又不會影響效能或規格碎片，且可在 CPU 或 GPU 使用。

蘋果電腦視覺的框架的偵測器執行 5 個網路（即對應 5 個比例的金字塔），共用相同的權重和參數，但其匯入、匯出和中間層具有不同形狀。為了進一步減少使用空間，不妨在 5 個網路組成的聯合圖上執行基於活性的記憶體最佳化演算法。此外，多個網路重複使用相同的權重和參數緩衝區，也可減少記憶體需求。

利用網路的完全卷積性，將所有影像都動態調整到匯入影像的解析度，也能大大減少總作業數量。由於作業拓樸架構並沒有因分配其餘部分的重構和高效能而改變，所以動態整形不會引入與規格有關的性能開銷。

為了確保深層神經網路在背景執行時的 UI 回應性和流暢性，蘋果為網路每層分割 GPU 工作項，直到每個單獨時間少於 1 毫秒。所有這些策略綜合起來，確保用戶可享受本地、低延遲、隱私保護的深度學習演算法，而不會意識到手機每秒執行數百萬浮點的神經網路。

（本文由 MacX 授權轉載；首圖來源：蘋果）