面部識別的秘密歷史

邵婷

伍迪·布萊索坐在他開放車庫里的輪椅上，等待周日當地經過教堂的人們向他打招呼，這個74歲老人的雙頰凹陷了，退化性疾病剝奪了他說話和走路的能力，但是他的頭腦還是很敏銳。直到退休前，他一直是得克薩斯大學奧斯汀分校的教授，致力于推動自動推理和人工智能領域的發展。

1950年后期，伍迪有一項工作是研發面部識別技術，并吸引了美國政府的興趣，實際上伍迪的實驗主要出資者似乎正是中央情報局的前身。如今面部識別已成為手機、筆記本電腦、護照和支付應用程序的首選安全功能，提升了人們工作和生活的效率。但在上世紀60年代，面部識別的基礎工作在科技界幾乎是一片空白。幸運的是，伍迪的大部分研究工作和書信仍有保存，讓我們回顧一下這段歷史。

天才的青少年時代

伍迪于1921年出生在俄克拉荷馬州的梅斯維爾鎮，整個童年時期都在幫助父親維持農場的生計。

12歲時伍迪的父親去世，在大蕭條時期，整個家庭陷入了更加貧困的境地。高中畢業時，伍迪在養雞場上班，然后搬到諾曼市，開始在俄克拉荷馬大學上課，第二次世界大戰前夕加入軍隊。之后伍迪表現出數學天賦，在密蘇里州倫納德伍德堡的辦公室工作，在那里訓練一波又一波的美國士兵進行戰斗。1944年6月7日，即“驅逐日”的第二天，伍迪終于被派往歐洲，在那里他設計了大型海軍艦艇（為海灘登陸而建造），獲得了青銅之星。

戰爭結束后，伍迪回到猶他大學主修數學，并在兩年半內完成學業，然后去伯克利攻讀博士學位。畢業后，他在新墨西哥州的桑迪亞公司工作，與氫彈的發明者之一斯坦尼斯拉夫·烏蘭等名人一起從事政府資助的核武器研究。1956年，伍迪飛往馬紹爾群島，觀察對埃涅韋塔克環礁的武器測試，該地區的部分放射性污染比切爾諾貝利或福島更為嚴重。他在日記中寫道：“幫助祖國成為世界上最強大的國家令我很滿意。”

全景研究公司的誕生

桑迪亞為伍迪提供了進入計算世界的第一步，起初，他在編寫代碼方面的努力與核武器研究的嚴謹計算直接相關。一項較早的工作是“計算大規模熱核襲擊產生的沉降概率的程序”，它考慮了爆炸的產量、爆破點、爆炸時間、平均風速等因素，以預測在這種情況下沉降物將落在何處攻擊。

但是隨著他對計算機的熱愛越來越深，伍迪對自動模式識別（尤其是機器讀取）產生了興趣，這是教計算機識別未標記文字字符的過程。他與他的朋友和同事伊本·布朗寧合作，后者是數學家、航空工程師和生物物理學家。

他們首先設計了一個印刷字符——字母Q，然后根據是否包含字符的一部分，為每個單元格分配一個二進制數：空單元格為0，填充單元格為1。然后將單元格隨機分組為有序對，例如坐標集（理論上，分組可以包括任意數量的單元格，因此命名為n-tuple）。通過進一步的數學操作，計算機能夠為角色的網格分配唯一的分數。當計算機遇到一個新字符時，它會簡單地將該字符的網格與數據庫中的其他字符進行比較，直到找到最接近的匹配項為止。

美麗n元組的方法是，它可以識別同一個字符的許多變種：最Q小號往往很接近其他得分Q秒。更好的是，該過程可以使用任何模式，而不僅僅是文本。

1960年伍迪與布朗寧和桑迪亞的第三位同事合作，成立了自己的公司Panoramic Research Incorporated（全景研究公司），最初是在加利福尼亞州帕洛阿爾托的一個小辦公室中成立的。當時，世界上大多數計算機（大型數據存儲在打孔卡或磁帶上的大型計算機）都位于大型公司辦公室和政府實驗室中。

在Panoramic運營的整個過程中，有一個贊助者：中央情報局。在伍迪檔案中幸存的證據表明，多年來Panoramic與CIA前線公司開展業務。根據專門針對《信息自由法》建立的網站Black Vault獲得的記錄，Panoramic是從事MK-Ultra項目的80個組織之一，MK-Ultra項目是CIA的“頭腦控制”程序。

另一家公司金赫爾利也資助了伍迪在Panoramic的最著名的研究，在1963年初，公司提議“進行一項研究，以確定簡化的面部識別機的可行性”。運用之前伍迪和布朗寧在工作中的n元組方法，給計算機建立一個數據庫，其中包含10個人的不同照片，并查看它是否可以識別每個人的新照片。不久以后，測試人數擴大到數千人。

在現代，識別十張面孔似乎是非常輕松的事情，但是在1963年卻充滿挑戰。從識別文字到識別面孔是一個巨大的飛躍。首先，沒有標準的方法可以將照片數字化，也沒有現有的數字圖像數據庫可以借鑒。如今的研究人員可以在數百萬個免費的自拍照上訓練他們的算法，但是Panoramic必須從頭開始逐張建立其數據庫。

還有一個更大的問題：與頁面上的二維字母不同，活著的人類上的三維面孔不是一成不變的。同一個人的圖像在頭部旋轉、光線強度和角度方面可能有所不同;人們的年齡和發型改變;在一張照片中看起來無憂無慮的人可能在下一張照片中顯得焦慮。就像在一組極其復雜的分數中找到公分母一樣，團隊將需要以某種方式校正所有這些可變性并標準化他們正在比較的圖像。還有個障礙是：他們的主要機器之一是CDC 1604，它只有192 KB的RAM ，比基本的現代智能手機小得多的工作內存。

伍迪從一開始就充分意識到這些挑戰，因此采用了分而治之的方法，將研究分解為多個部分，并將其分配給其他全景研究人員。一位年輕的研究員開始研究數字化問題：他用16毫米膠卷拍攝了該項目的人臉黑白照片。然后使用了由Browning開發的掃描設備，將每張圖片轉換為成千上萬個數據點，每個數據點代表光強度值【范圍從0（完全暗）到3（完全亮）】。但是對于計算機而言，這太多的數據點無法一次全部處理，因此這位年輕的研究人員編寫了一個名為NUBLOB的程序，該程序將圖像切成隨機大小的色板并計算出每個人的分數。

機器未來會“支配”人類

整個1965年，Panoramic嘗試為面部創建全自動的Bertillon系統。該團隊試圖設計一種程序，通過解析照片中的明暗模式來定位鼻子、嘴唇等，但這種努力大多是失敗的。

因此，伍迪開始探索他們所謂的“人機”方法進行面部識別，這種方法將一些人的幫助納入了方程式。全景公司征召伍迪十幾歲的兒子Gregory和他的一位朋友瀏覽了一堆照片（總共122張照片，代表大約50個人），并對每張臉進行了22次測量，包括從上到下的耳朵長度以及從下到上的嘴巴寬度。

1967年伍迪終于完成了最后一項任務，該實驗的目的是幫助執法機構快速篩查杯子照片和肖像數據庫，尋找比賽對象。和以前一樣，該項目的資金似乎來自美國政府，CIA在2005年解密的一份1967年文件中提到了面部識別系統的“外部合同”，該系統可以將搜索時間縮短。

伍迪在該項目上的主要合作者是斯坦福研究所應用物理實驗室的研究工程師彼得·哈特（現在被稱為SRI International，該研究所于1970年從斯坦福大學分離出來，因為它嚴重依賴軍事資金在校園內引起了爭議）。伍迪和哈特從大約800張圖像的數據庫開始，“400名成年男性白種人”每張大約兩張新聞紙品質的照片，年齡和頭部旋轉情況各異。使用RAND平板電腦，他們將每張照片記錄了46個坐標，其中每個耳朵記錄了五個坐標，鼻子上記錄了七個坐標，每個眉毛四個。

該計算機的任務是記住每個面孔的一個版本，并使用它來識別另一個版本。伍迪和哈特為機器提供了兩個快捷方式。使用第一種（稱為組匹配），計算機會將臉部分為多個特征（左眉、右耳等），并比較它們之間的相對距離。第二種方法依賴貝葉斯決策理論，它使用22次測量來對整體進行有根據的猜測。

最后這兩個程序大致完成了任務，當伍迪和哈特讓三個人交叉匹配100張面孔的子集時，即使最快的一張也要花六個小時才能完成。CDC 3800計算機在大約三分鐘內完成了類似的任務，時間大大縮短。伍迪和哈特承認，人類在應對頭部旋轉和照片質量差異方面表現得更好，但在耐受衰老造成的差異方面，計算機“絕對優越”，他們總結道，機器未來會“支配”人類。