CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT BÀI TOÁN 1. Thực trạng Những năm gần đây, cùng với sự bùng nổ của khoa học kỹ thuật, các phương pháp xác thực bảo mật cũng được phát triển mạnh mẽ. Trong đó phải kể đến hình thức xác thực khuôn mặt đang được ứng dụng mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực cuộc sống. Ví dụ tiêu biểu nhất có thể kể đến các điện thoại thông minh sử dụng khuôn mặt của chủ sở hữu làm phương thức mở khoá điện thoại.
Hoặc hiện nay hầu hết các ngân hàng đều yêu cầu khách hàng thực hiện xác thực danh tính - eKYC (Electronic Know Your Customer) bằng cách xác thực khuôn mặt khi đăng ký tài khoản qua trực tuyến. Một số nước như Trung Quốc đã sử dụng khuôn mặt để thanh toán hoá đơn. Tuy nhiên, việc sử dụng hình thức xác thực khuôn mặt không phải là phương pháp bảo mật hoàn hảo nhất. Hệ thống xác thực khuôn mặt vẫn có khả năng bị tấn công bằng cách sử dụng các hình ảnh của người đó và đưa ra trước màn hình, hoặc hơn nữa là quay một video có mặt người đó rồi đưa ra trước màn hình là dễ dàng qua mặt được hệ thống.
Các cuộc tấn công giả mạo khuôn mặt đã trở thành mối đe doạ bảo mật nghiêm trọng cho các hệ thống xác thực danh tính, do chúng có thể được sử dụng để truy cập trái phép vào hệ thống bằng cách giả mạo người dùng được uỷ quyền. Đơn cử như một số ngân hàng hiện vẫn đang phải đối mặt với một số lượng lớn các yêu cầu mở tài khoản ma bằng cách sử dụng mặt nạ, hình ảnh chuẩn bị sẵn cùng giấy tờ giả mạo đi kèm hòng qua mắt hệ thống eKYC. Nhằm đối phó với những thách thức này, một số kỹ thuật chống giả mạo khuôn mặt đã được phát triển nhằm phát hiện những hành vi giả mạo này. Các giải pháp chống giả mạo khuôn mặt đóng một vai trò quan trọng trong việc bảo mật hệ thống nhận dạng khuôn mặt.
Hiện nay các hệ thống chống giả mạo dựa trên mạng nơ-ron tích chập gần đây đã thể hiện sự hiệu quả vượt trội so với các phương pháp truyền thống, vì thế chúng là giải pháp hứa hẹn để thay thế các kỹ thuật dựa trên đặc trưng và thuật toán học 1 máy trước đây vốn dựa trên các đặc trưng cục bộ dễ nhạy cảm với nhiễu và kết quả kém chính xác. Các kỹ thuật tấn công giả mạo khuôn mặt Về cơ bản, việc tấn công giả mạo khuôn mặt nhằm 2 mục đích phổ biến hiện nay: - Tấn công mạo danh: Với sự ra đời của internet và các phương tiện truyền thông xã hội, nơi ngày càng có nhiều người chia sẻ ảnh hoặc video về khuôn mặt của họ, những tài liệu như vậy có thể bị những kẻ mạo danh sử dụng để đánh lừa xác thực khuôn mặt hệ thống cho mục đích mạo danh. - Tấn công che giấu: là một kiểu tấn công trong đó một người sử dụng các thủ thuật để tránh bị hệ thống nhận ra (nhưng không nhất thiết phải mạo danh danh tính của người dùng hợp pháp – phương pháp này thường ít được nghiên cứu đến). Như vậy, trong khi các cuộc tấn công mạo danh (giả mạo) thường được thực hiện bởi những kẻ mạo danh sẵn sàng mạo danh người dùng hợp pháp, thì các cuộc tấn công che giấu nhằm mục đích đảm bảo rằng người dùng vẫn nằm trong tầm ngắm của hệ thống nhận dạng khuôn mặt nhằm không để hệ thống nhận diện khuôn mặt chính xác.
Mặc dù có các mục tiêu hoàn toàn khác nhau nhưng cả 2 phương pháp này đều có ảnh hưởng lớn đến hiệu năng của các hệ thống nhận diện khuôn mặt. Các phương pháp tấn công giả mạo khuôn mặt phổ biến thường có thể được phân loại thành tấn công ảnh, tấn công phát lại video và tấn công mặt nạ 3D (xem Hình 1 để phân loại và Hình 2 để minh họa), trong khi các cuộc tấn công che giấu thường dựa vào các thủ thuật để che giấu danh tính thực của người dùng, chẳng hạn như trang điểm, phẫu thuật thẩm mỹ 2 Hình 1: Các phương pháp tấn công giả mạo khuôn mặt Hình 2: Ví dụ về hình thức các phương thức tấn công giả mạo khuôn mặt Hình (a) tấn công bằng ảnh in; (b) tấn công ảnh in bị biến dạng; (c) một ví dụ về tấn công cắt ảnh in; (d) một cuộc tấn công phát lại video; (e) mặt nạ làm bằng giấy và (f) mặt nạ 3D Các cuộc tấn công giả mạo khuôn mặt bằng ảnh/video là một trong những kiểu tấn công phổ biến nhất, các hình ảnh khuôn mặt trên internet rất phổ biến. Kẻ tấn công có thể thu thập và sử dụng lại các mẫu khuôn mặt của người dùng thật một cách đơn giản. Cuộc tấn công bằng ảnh thường được thực hiện bằng cách hiển thị một bức ảnh của người dùng thực (thường được sử dụng bởi kẻ mạo danh) để hệ thống xác thực khuôn mặt.
Các cuộc tấn công bằng ảnh in thường sử dụng ảnh in trên giấy, chẳng hạn như giấy A3/A4 hoặc giấy ảnh chuyên nghiệp (xem Hình 2a). 3 Một dạng tấn công khác là tấn công trình chiếu hình ảnh, trong đó hình ảnh được hiển thị trên màn hình của các thiết bị kỹ thuật số như điện thoại thông minh, máy tính bảng hoặc máy tính xách tay và sau đó được trình diễn cho hệ thống. Ngoài ra, ảnh in còn có thể được uốn cong (theo chiều dọc và/hoặc chiều ngang) để tạo ra hiệu ứng độ sâu trong ảnh, chiến lược này được gọi là tấn công ảnh uốn cong, tạo hình dáng 3D với độ sâu cơ bản (xem Hình 2b). Cuộc tấn công ảnh cắt bao gồm việc sử dụng ảnh như một mặt nạ, trong đó các phần miệng, mắt và/hoặc mũi đã bị cắt ra để tạo ra các dấu hiệu sống động từ khuôn mặt của kẻ tấn công phía sau ảnh, chẳng hạn như nháy mắt hoặc cử động miệng (xem Hình 2c).So với các cuộc tấn công bằng ảnh tĩnh, các cuộc tấn công phát lại video (xem Hình 2d) tinh vi hơn, vì có những hành động của khuôn mặt thật như chớp mắt, cử động miệng và thay đổi nét mặt để bắt chước sự sống động.
Khác biệt với các cuộc tấn công ảnh hoặc tấn công phát lại video, các cuộc tấn công giả mạo khuôn mặt bằng mặt nạ 3D tái tạo cấu trúc khuôn mặt 3D (mặt nạ 3D chất lượng thấp như trong Hình 2e và mặt nạ 3D chất lượng cao làm từ silicone, xem Hình 2f). Tính chân thực cao của cấu trúc 3D "giống khuôn mặt" và sự mô phỏng sống động của kết cấu da người trong mặt nạ 3D chất lượng cao khiến việc phát hiện giả mạo mặt nạ 3D trở nên khó khăn hơn. Mặc dù quá trình sản xuất mặt nạ 3D chất lượng cao vẫn phức tạp và tốn kèm, đồng thời phụ thuộc vào việc ghi lại dữ liệu cấu trúc 3D hoàn chỉnh và thường yêu cầu sự hợp tác của người bị giả mạo, nhưng sự tiện lợi này có thể làm cho các cuộc tấn công bằng mặt nạ 3D trở nên phổ biến hơn trong tương lai, đặc biệt là với sự phổ biến của các thiết bị cảm biến 3D. Các cuộc tấn công che giấu danh tính cosmục tiêu hoàn toàn khác với các cuộc tấn công mạo danh thường là dựa vào trang điểm trên khuôn mặt, phẫu thuật thẩm mỹ hoặc che phủ vùng mặt (ví dụ: sử dụng các phụ kiện như khăn quàng cổ hoặc kính râm, băng dính).
Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các cuộc tấn công che giấu cũng có thể dựa vào việc sử dụng dữ liệu sinh trắc học của người khác. Về cơ bản, nó khác với các cuộc tấn công giả mạo thông thường ở mục tiêu chính của nó. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, các thiết bị sử dụng cho các cuộc tấn công che 4 giấu có thể tương tự như các thiết bị được sử dụng cho các cuộc tấn công mạo danh, ví dụ: mặt nạ của người khác. Vì thế các phương pháp chống giả mạo khuôn mặt được xây dựng nhằm phòng vệ trước các cuộc tấn công giả mạo danh tính vẫn có thể được áp dụng cho các các cuộc tấn công nhằm che giấu khuôn mặt.
Một số phương pháp giải quyết bài toán đã được đề xuất Dựa trên loại tấn công được trình bày trong phần trên, ta có thể phân loại các phương pháp chống giả mạo khuôn mặt thành hai loại chính: Phương pháp chống giả mạo khuôn mặt dựa trên máy ảnh và phương pháp chống giả mạo khuôn mặt sử dụng phần cứng đặc thù. Như đã nêu trước đó, trong bài luận này, tôi tập trung vào các phương pháp chống giả mạo khuôn mặt chỉ sử dụng máy ảnh được nhúng trong hầu hết các thiết bị phổ biến như điện thoại thông minh, máy tính bảng, máy tính xách tay, camera an ninh,…Năm nhóm phương pháp chống giả mạo khuôn mặt phổ biến tương ứng với từng nhóm thông tin được sử dụng nhằm phát hiện các hình thức tấn công giả mạo khuôn mặt tương ứng: Nhóm phương pháp Nhóm Các hình thức giả mạo khuôn mặt chống giả mạo Phát hiện chuyển động chủ đông Ảnh Ảnh (ngoại trừ ảnh in cắt, khoét bộ phận) 1. Phân tích dấu hiệu sự Phát hiện chuyển động bị động Video (ngoại trừ video sử dụng deepfake) sống Ảnh; Video chất lượng thấp; Mặt nạ 3D Phân tích áp lực tĩnh mạch đồ hồng ngoại không xâm lấn (chất lượng cao/thấp) 2. Phân tích đặc điểm đặc Phân tích đặc điểm đặc trưng ảnh tĩnh Ảnh; Video; Mặt nạ 3D (chất lượng thấp) trưng Phân tích đặc điểm đặc trưng chuỗi ảnh động Phân tích không gian 3D 3.
Ứng dụng công nghệ 3D Ảnh; Video Phân tích bản đồ độ sâu không gian Phân tích dấu hiệu sự sống (Chuyển động) + Phân tích đặc điểm Ảnh; Video đặc trưng Phân tích dấu hiệu sự sống + Phân tích không gian 3D Ảnh; Video; Mặt nạ 3D (chất lượng Phân tích áp lực tĩnh mạch đồ hồng ngoại không xâm lấn + Phân 4. Kết hợp phương pháp cao/thấp) tích bản đồ độ sâu không gian Phân tích đặc điểm đặc trưng + 3D Geometry Phân tích đặc điểm đặc trưng + Phân tích bản đồ độ sâu không Ảnh; Video gian Kiến trúc mạng tự sinh (NAS) Học không ít mẫu Ảnh, Video; Mặt nạ 3D (chất lượng 5. Nhóm nghiên cứu mới Học đa miền dữ liệu thấp/cao) Học đa tác vụ Bảng 1: Một số giải phát hiện giả mạo trong bài toán nhận dạng khuôn mặt 5 Hình 3: Các kỹ thuật chống giả mạo khuôn mặt 6 1. Phương pháp phân tích dấu hiệu sự sống Phương pháp phát hiện dấu hiệu sự sống - Liveness Cue-Based Methods là một kỹ thuật xác thực sự sống của một khuôn mặt trong việc xác thực danh tính.