无需打字、无需搜索表情，只需对着手机微笑，就能发出微笑表情包。
同样的，对着手机皱眉，就能发出皱眉表情包。
以上功能来自一款名为 C-Face 耳机的设备，它诞生于康奈尔大学华人科学家张铖的 SciFi 实验室。他近日以通讯作者身份在 UIST 2020（User Interface Software and Technology）会议上发表了这项研究，论文名为《即使戴着口罩耳机也可以跟踪面部表情》（Earphone tracks facial expressions, even with a face mask）。
图 | 张铖（来源：受访者）
除张铖之外，论文第一作者还有来自北京大学、目前在康奈尔大学访问的本科生陈拓潮。
论文表示，该耳机可通过观察脸颊轮廓，来连续跟踪面部表情，并能把表情转换为表情符号、或无声语音命令。DeepTech 联系到张铖，并就该耳机和其进行了深入交流。
他表示，C-Face 耳机是实验室系列研究的其中一款设备。该系列研究主要探索信息的获知，如果缺乏信息，计算机就很难理解人类动机和行为。而 SciFi 实验室的长期工作，是致力于提升人机交流，但是第一步，计算机需要获取到信息。
摄像头是获取信息的最常用手段之一，比如在室内外布置摄像头，并且摄像头必须没有遮挡，这就导致传统的 “摄像头方法” 会在某些场景中失灵。比如，在获取脸部表情时，是用摄像头直接 “捕捉” 人脸，但用户在外面时，不可能时刻脸部对着摄像头。
而本次的 C-Face 耳机，正是一款可用于实时获取脸部信息的耳机。其原理是，由于人脸有很多肌肉，肌肉之间相互连接，脸部在做不同表情时，其他肌肉也会被牵动，嘴巴、眼睛和眉毛的位置与形状也会发生变化。基于此，经该实验室的设计后，耳机可通过比较容易捕捉到的肌肉变化来推测出面部表情。
由于新冠疫情的影响，研究人员只能在 9 名参与者的情况下测试耳机。尽管如此，表情符号的识别准确度仍然超过 88％，面部提示的准确度超过 85％。
图 | 戴口罩时戴着耳机做表情
具体来说，耳机内置两个迷你摄像头，它们可以捕捉到侧面脸颊形状，并通过脸颊形状来判断你的脸部表情。因为人在执行面部特征时，面部肌肉组织就会拉伸和收缩，进而推动和拉动毛孔和皮肤，并对面部肌肉组织的紧绷产生影响，这种影响会导致脸颊轮廓发生改变。
图 | 黑色部分为摄像头
在耳机中，摄像头可以传输数据，数据会传输到微处理器（Raspberry Pi），微处理器收集数据，并把它发到计算机上，这时深度学习算法就能开始工作。
深度学习在耳机中的应用
很多情况下，深度学习在数据上的效果，比传统机器学习的效果更好。本次耳机之要想实现根据侧脸和脸颊形状来推断整个面部表情，其实并不容易，因为每个人的侧脸都不一样。
因此，就得通过深度学习来采集训练数据，具体做法是先采集到用户脸颊变化情况，并结合前置摄像头来捕捉面部表情，以标记出相对应的脸部表情。
这相当于摄像头每一帧图片，都有一个对应的面部表情。采集到训练数据后，研究人员就能发掘出不同脸颊形状与面部表情间的复杂对应关系。
图 | 训练深度学习
张铖表示，深度学习的好处是能通过复杂学习，来学习一些人类不擅长的技能。有的技能人类很擅长，比如一眼就能识别某些物体。但有些技能人类并不擅长，比如只根据侧面脸颊，我们很难判断出脸部全部形状。
深度学习的能力是，可通过算法找出事物间的复杂联系，从而根据侧部面颊，准确推断出面部表情。
具体工作时，在摄像机捕获图像后，计算机视觉和深度学习模型会对其进行重建。由于原始数据是二维的，因此卷积神经网络（一种擅长对图像进行分类、检测和检索的人工智能模型）有助于将轮廓重构为表达式。
此外，该模型可将脸颊图像转换为 42 个面部特征点，它们分别代表受表情变化影响最大的部位，如嘴巴、眼睛、眉毛等。
这 42 个特征点代表的面部表情，也可用于推测出 8 个表情符号，包括 “无表情”“生气” 和 “ Kissy-face”，另外还有 8 个可用于控制音乐设备的静音语音命令，如 “播放” ，“下一首” 和 “音量增大” 等。
图 | 静音语音命令
相比传统方法用前置摄像头来识别表情，C-Face 耳机的独特优势是戴着口罩也能被耳机捕捉到表情，即摄像机无需对着人脸，只需观察从耳朵到侧面脸颊的形状就能识别表情。
因为即使你戴着口罩（超大口罩除外），侧面脸颊形状并不会发生巨大改变，这时深度学习仍然可以工作。
图 | 带上口罩时，深度学习依然可以工作
做个嘴型就能发出指令
本次研究还展示了 C-Face 耳机的两大功能：无声语音识别和前文的输入表情包。
无声语音识别指的是，一般的语音识别，都是通过声音来识别。如果不通过声音，是否也能识别？因为，假如你在开会、看电影等场合，突然说话就会很奇怪。再就是，当周围有很多噪音，即便说话也无法识别。
而 C-Face 耳机可通过分析用户表情，来识别沉默的语音指令。这一功能的常见应用场景有，当你跑步时只需做个嘴形，相关智能设备就能以非常私密的方式，来获悉你的指令。
另一个可以想象的应用场景是健康预测，张铖表示，未来该耳机有望连续记录表情。获得大量表情数据后，就可获知用户每天的心情状况。这样大量的情绪信息，还可帮助计算机了解用户的精神健康状况。
两款耳机：入耳式和头戴式
本次耳机分为两款：入耳式和头戴式，功能上它们非常类似。张铖表示，它们所属项目都叫 C-Face，该项目并不局限于某一种特定的设备，只是在本次论文中展示了入耳式耳机和头戴式耳机。
唯一的区别是，两种耳机的摄像头位置略微不同。头戴耳机相对大一点，有较大空间放摄像头。
谈及耳机是否可用于 VR 游戏，张铖表示，经常有人问他这个问题，而他的答案一直是 Yes or NO。
即当然可以用在 VR 上面，但以他了解到的最新技术来说，VR 眼镜已有更好的解决方案。
VR 眼镜本身已经很大，通过在上面加设备来捕捉人的表情，此前已经有人做过。而 C-Face 耳机的好处是它非常小，日常可以进行穿戴。因此，他觉得 VR 眼镜不一定是 C-Face 耳机最核心的爆点。
他举例称，该实验室的耳机可以潜在地提供视频聊天功能。现在的视频聊天，都需要用户面前放置一个摄像头 （桌子上或者手举着）。
但如果用耳机来聊天，耳机自己就能捕捉你的面部表情，你也不需要把摄像头对着脸，你的朋友时时刻刻都能看到你的脸，包括走路时、开车时、甚至做饭时都可以跟人聊天。
解决功耗问题，就能加速落地
谈及商业落地，张铖表示本次论文发表后，有厂商已经和他们联系讨论一些初步的合作可能性。但想在短期内实现到现有设备，最需要解决的仍然是可穿戴设备上的功耗问题。而这一难题，超出了该实验室的能力，因此需要工业界投入资金去优化功耗问题。
目前的耳机，是研究人员买来零件组装的，摄像头可以选配，只是价钱和分辨率会有区别。在零件的选择上，他们未做过高要求，目的是让设备更快速落地成产品。
他认为，该实验室做这款设备，更多是着眼于未来。他们做研究的目的，更多是描述研究人员眼中的未来可能性。
张铖表示，未来的摄像头可能会变得非常小、功耗也非常低。尽管现在的耳机只是实验室设备，但是如果能耗问题得以解决，它有可能在 5 到 10 年后实现应用。
如果想把小型摄像头利用到现有设备上，能耗是个很大的问题。因为，摄像头会耗电，处理摄像头数据也会耗电，这是该设备的最大局限性。
就落地为产品来说，头戴式耳机短期内可能相对方便一点，因为它可以放置更大的电池。对于入耳式耳机，该实验室未来也会寻找更加低功耗的方法来解决问题。
因为如果把摄像头装在耳机上，那么摄像头的耗电量肯定比耳机多。这种情况下，无论产品有多么酷炫，如果使用十分钟就没电了，也不会有人愿意购买。
如果想快速推出该耳机，可能只能先实现一部分功能，因为工业界做产品都有一个提前周期，比如要想现在发布一款产品，可能两年前就得开始规划。
与此同时，该实验室并不局限于耳机，他们关注的是 “无处不在的计算和人机交互”，未来还有可能研发出智能耳环、智能衣服，而他们的愿望就是让似乎无法智能的物体也变得智能起来。
