LIVENESS DETECTION — проверка идентификатора на принадлежность «живому» пользователю

Технологией распознавания лиц уже никого не удивить. Крупные компании активно внедряют эту технологию в свои сервисы и конечно, мошенники пытаются использовать разные способы, в том числе подмену идентификатора лица с помощью маски, фото или записи для осуществления своих преступных действий. Такая атака называется спуфингом.
Хотим познакомить вас с технологией liveness detection, в задачу которой входит проверка идентификатора на принадлежность «живому» пользователю.

Датасет можно скачать по ссылке.

Для обучения в датасете  есть 4 подкласса.

• real — «живое» лицо

• replay — кадры с видео

• printed — распечатанная фотография

• 2dmask — надетая 2d маска

Каждый образец представлен последовательностью из 5 картинок.

СТРОИМ МОДЕЛЬ

Для решения задачи классификации изображений на принадлежность «живому» пользователю будем обучать нейронную сеть, используя фреймворк pytorch.

Решение строится на работе с последовательностью картинок, а не с каждой картинкой отдельно. Используем небольшую претренированную сеть Resnet18 на каждую картинку из последовательности. Затем стакаем полученные фичи и применяем 1d свертку и далее fully connected слой на 1 класс.

Таким образом, наша архитектура выглядит следующим образом:

class Empty(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(Empty, self).__init__()

    def forward(self, x):
        return x
class SpoofModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(SpoofModel, self).__init__()
        self.encoder = torchvision.models.resnet18()
        self.encoder.fc = Empty()
        self.conv1d = nn.Conv1d(
            in_channels=5,
            out_channels=1,
            kernel_size=(3),
            stride=(2),
            padding=(1))
        self.fc = nn.Linear(in_features=256, out_features=1)

    def forward(self, x):
        vectors = []
        for i in range(0, x.shape[1]):
            v = self.encoder(x[:, i])
            v = v.reshape(v.size(0), -1)
            vectors.append(v)
        vectors = torch.stack(vectors)
        vectors = vectors.permute((1, 0, 2))
        vectors = self.conv1d(vectors)
        x = self.fc(vectors)
        return x

Для примера мы будем тренировать нашу модель 5 эпох с батч сайзов 64, что займёт примерно 1 час с учетом валидации на одной 2080TI.

На валидации смотрим  3 метрики: f1, accuracy и f2 score.

Код для валидации:

def eval_metrics(outputs, labels, threshold=0.5):
    return {
        'f1': f1_score(y_true=labels, y_pred=(outputs > threshold).astype(int), average='macro'),
        'accuracy': accuracy_score(y_true=labels, y_pred=(outputs > threshold).astype(int)),
        'fbeta 2': fbeta_score(labels,  y_pred=(outputs > threshold).astype(int), beta=2, average='weighted'),
        'f1 weighted': f1_score(y_true=labels, y_pred=(outputs > threshold).astype(int), average='weighted')
    }

def validation(model, val_loader):
    model.eval()
    metrics = []
    batch_size = val_loader.batch_size
    tq = tqdm(total=len(val_loader) * batch_size, position=0, leave=True)
    with torch.no_grad():
        for i, (inputs, labels) in enumerate(val_loader):
            inputs = inputs.cuda()
            labels = labels.cuda()
            outputs = model(inputs).view(-1)
            tq.update(batch_size)
            metrics.append(eval_metrics(outputs.cpu().numpy(), labels.cpu().numpy()))
        metrics_mean = mean_metrics(metrics)
    tq.close()
    return metrics_mean

В качестве оптимайзера используем SGD c learning rate = 0.001, а в качестве loss BCEWithLogitsLoss.

Не будем использовать экзотических аугментаций. Делаем только Resize и RandomHorizontalFlip для изображений при обучении.

Полный код функции для тренировки:

Итоговый ход тренировки выглядит так:def train():
    path_data = 'data/'
    checkpoints_path = 'model'
    num_epochs = 5
    batch_size = 64
    val_batch_size = 32
    lr = 0.001
    weight_decay = 0.0000001
    model = SpoofModel()
    model.train()
    model = model.cuda()
    epoch = 0
    if os.path.exists(os.path.join(checkpoints_path, 'model_.pt')):
        epoch, model = load_model(model, os.path.join(checkpoints_path, 'model_.pt'))
    optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=lr, weight_decay=weight_decay)
    criterion = torch.nn.BCEWithLogitsLoss()
    path_images = []

    for label in ['2dmask', 'real', 'printed', 'replay']:
        videos = os.listdir(os.path.join(path_data, label))
        for video in videos:
            path_images.append({
                'path': os.path.join(path_data, label, video),
                'label': int(label != 'real'),
                })
    split_on = int(len(path_images) * 0.7)
    train_paths = path_images[:split_on]
    val_paths = path_images[split_on:]
    train_transform = torchvision.transforms.Compose([
        torchvision.transforms.ToPILImage(),
        torchvision.transforms.Resize(224),
        torchvision.transforms.RandomHorizontalFlip(),
        torchvision.transforms.ToTensor(),
        torchvision.transforms.Normalize(
            [0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])])
    val_transform = torchvision.transforms.Compose([
        torchvision.transforms.ToPILImage(),
        torchvision.transforms.Resize(224),
        torchvision.transforms.ToTensor(),
        torchvision.transforms.Normalize(
            [0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])])
    train_dataset = AntispoofDataset(paths=train_paths, transform=train_transform)
    train_loader = DataLoader(dataset=train_dataset,
                              batch_size=batch_size,
                              shuffle=True,
                              num_workers=8,
                              drop_last=True)

    val_dataset = AntispoofDataset(paths=val_paths, transform=val_transform)
    val_loader = DataLoader(dataset=val_dataset,
                            batch_size=val_batch_size,
                            shuffle=True,
                            num_workers=8,
                            drop_last=False)
    tq = None
    try:
        for epoch in range(epoch, num_epochs):
            tq = tqdm(total=len(train_loader) * batch_size, position=0, leave=True)
            tq.set_description(f'Epoch {epoch}, lr {lr}')
            losses = []
            for inputs, labels in train_loader:
                inputs = inputs.cuda()
                labels = labels.cuda()
                optimizer.zero_grad()
                with torch.set_grad_enabled(True):
                    outputs = model(inputs)
                    loss = criterion(outputs.view(-1), labels.float())
                    loss.backward()
                    optimizer.step()
                    optimizer.zero_grad()
                    tq.update(batch_size)
                    losses.append(loss.item())
                intermediate_mean_loss = np.mean(losses[-10:])
                tq.set_postfix(loss='{:.5f}'.format(intermediate_mean_loss))
            epoch_loss = np.mean(losses)
            epoch_metrics = validation(model, val_loader=val_loader)
            tq.close()
            print('\nLoss: {:.4f}\t Metrics: {}'.format(epoch_loss, epoch_metrics))
            save_model(model, epoch, checkpoints_path, name_postfix=f'e{epoch}')
    except KeyboardInterrupt:
        tq.close()
        print('\nCtrl+C, saving model...')
        save_model(model, epoch, checkpoints_path)

Итоговый ход тренировки выглядит так:

В качестве модели для проверки используем веса с 3 эпохи.

Для проверки у нас есть 10 примеров. Построим confusion matrix:

На 10 примерах мы достигли 100% точности. Конечно, для идеальной проверки модели требуется  данных значительно больше.

Таким образом, в своей статье я предложил один из вариантов реализации liveness detection с помощью классификации изображений нейронной сетью. Полный код размещен по ссылке