楊作寶1,2,，侯凌燕1,2,，楊大利1,2

1. 北京信息科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，北京 100101,； 2. 網(wǎng)絡(luò)文化與數(shù)字傳播北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,，北京 100101

　　摘要：針對(duì)人臉多姿態(tài)導(dǎo)致人臉識(shí)別率下降這一問題,，提出一種改進(jìn)姿態(tài)矯正處理方法,通過改進(jìn)對(duì)人臉特征點(diǎn)的有效定位，來計(jì)算人臉姿態(tài)旋轉(zhuǎn)的角度,，再通過角度和改進(jìn)姿態(tài)矯正方法來矯正非標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)人臉到近似標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài),。由于人臉是不規(guī)則的橢球形，提出對(duì)人臉“三庭五眼”的局部區(qū)域進(jìn)行二次矯正方法,，再改進(jìn)SURF算法進(jìn)行人臉特征點(diǎn)匹配,。該方法能夠?qū)⒁欢ń嵌确秶鷥?nèi)的多姿態(tài)人臉矯正到近似標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,，該方法能在一定程度上提高多姿態(tài)人臉識(shí)別率,，較經(jīng)典PCA方法錯(cuò)誤率可下降10%左右。

　　關(guān)鍵詞：人臉識(shí)別,；姿態(tài)矯正,；姿態(tài)旋轉(zhuǎn)；SURF算法

0引言

　　人臉識(shí)別技術(shù)是當(dāng)代人工智能,、模式識(shí)別,、計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中的熱門研究課題之一 ［1］。在公安系統(tǒng)的犯罪身份識(shí)別,、銀行海關(guān)的監(jiān)控系統(tǒng)及機(jī)場(chǎng),、火車站的安檢系統(tǒng)等場(chǎng)合有著巨大應(yīng)用價(jià)值。通過實(shí)際生活中對(duì)人臉識(shí)別的檢測(cè)結(jié)果得出,，姿態(tài)因素是影響人臉識(shí)別結(jié)果的主要原因之一,，己經(jīng)成為限制人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)步的難點(diǎn)。

　　近年來,，學(xué)者們提出眾多解決人臉識(shí)別技術(shù)姿態(tài)問題的想法,，但還沒有一套完備的方法理論，可以完全消除人臉圖像的多視角難題,。目前在解決多姿態(tài)視角問題上有以下幾種主流方法:

　?。?）基于多視圖的人臉識(shí)別,。該方法的識(shí)別是在可控條件下拍攝人臉圖像,，需要采集每個(gè)人不同姿態(tài)的人臉圖像,訓(xùn)練集數(shù)量越大，測(cè)試圖像與人臉訓(xùn)練模型比對(duì)匹配時(shí)精度越高,，識(shí)別正確率就越高,。如K-means聚類［2］，LLR算法［3］,、水平鏡像和決策融合［4］等,，這些方法因其簡(jiǎn)易、有效等特性被廣泛應(yīng)用,。該類方法的不足是：需要拍攝每人不同視角的圖像形成多視圖,。這在諸如抓捕在逃犯罪分子之類的場(chǎng)合是不可行的,。

　　（2）由單張人臉圖像生成多角度人臉圖像,。該類方法往往是一個(gè)人臉僅有一個(gè)姿態(tài)樣本圖像,，主要目的是解決單一樣本或者較少樣本的情況下識(shí)別率低的問題。通過單一人臉合成多角度人臉圖像,，增加識(shí)別率,。諸如局部加權(quán)平均［5］、虛擬樣本擴(kuò)張法［6］,、高斯過程回歸［7］等,。由單張圖像合成多角度人臉圖像的方法要求準(zhǔn)確度達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)，而實(shí)際中合成該類方法得出的形變函數(shù)和要代表的人臉差異性比較大,。對(duì)于非剛性結(jié)構(gòu)的人臉,，像日常的消瘦和臃腫、情緒的喜怒哀樂等變化,，也會(huì)加大識(shí)別的難度,。

　　（3）人臉姿態(tài)標(biāo)準(zhǔn)化,。要矯正人臉到標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài),，是由于實(shí)際中往往得不到正面人臉圖像，通過圖像合成函數(shù),，把不同角度的人臉圖像矯正到標(biāo)準(zhǔn)人臉圖像,，再與原有人臉圖像庫(kù)中人臉進(jìn)行比對(duì)。此類方法有仿射變換［8］,、正弦變換［9］ ,、Clifford代數(shù)矯正［10］等，這種基于姿態(tài)矯正的方法具有時(shí)間復(fù)雜度低,、識(shí)別更加精準(zhǔn)等特點(diǎn),。對(duì)特征點(diǎn)有效提取和特征點(diǎn)匹配等方法進(jìn)一步優(yōu)化，可以較好地合成出人臉標(biāo)準(zhǔn)姿態(tài)圖像,。

　?。?）使用與姿態(tài)無關(guān)的特征進(jìn)行識(shí)別。直接提取對(duì)姿態(tài)變化不敏感的特征進(jìn)行識(shí)別,，如膚色,、表情等。該方法有如下優(yōu)點(diǎn)：不需要大量的已知姿態(tài)人臉圖像,，不同的人只需少量的樣本,；對(duì)測(cè)試樣本姿態(tài)變化的泛化能力強(qiáng)。典型方法有多因素分析算法［11］,、外形和紋理的分布模型［12］等,，該方法對(duì)人面部的旋轉(zhuǎn)有很強(qiáng)的魯棒性,。但使用姿態(tài)無關(guān)特征也有缺點(diǎn)：它對(duì)標(biāo)志點(diǎn)的定位十分敏感，需要計(jì)算大量的參數(shù),，且在參數(shù)確定上有待商榷,。

　　實(shí)際中公安系統(tǒng)僅有一份身份證照片,在進(jìn)行身份比對(duì)時(shí)，姿態(tài)變化復(fù)雜,，訓(xùn)練樣本少,，效果不理想。本文使用相對(duì)較少的訓(xùn)練樣本,，在通用人臉圖像庫(kù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),，結(jié)果表明，使用本文方法進(jìn)行識(shí)別有相對(duì)較高的識(shí)別率,，錯(cuò)誤率較經(jīng)典PCA方法下降10%左右,，能夠有效克服一定條件下多姿態(tài)變化對(duì)人臉識(shí)別的影響。

1多姿態(tài)人臉旋轉(zhuǎn)角度測(cè)定

　　人臉姿態(tài)的變化通常有以下三種情況:平面外俯仰旋轉(zhuǎn),、平面外左右旋轉(zhuǎn)以及平面內(nèi)旋轉(zhuǎn),，即分別繞X、Y,、Z三個(gè)軸旋轉(zhuǎn),。圖1標(biāo)出了人臉在空間中的三個(gè)旋轉(zhuǎn)方向。

　　1.1人臉特征點(diǎn)坐標(biāo)定位

　　對(duì)于人臉圖像關(guān)鍵點(diǎn)的定位,，應(yīng)用方差積分投影對(duì)灰度值的敏感性,，計(jì)算關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)。由于人臉特征是有一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的,，通過關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)應(yīng)比值,、距離等關(guān)系，對(duì)測(cè)試圖像的旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行測(cè)定,。假設(shè)圖像中坐標(biāo)(x,，y)處的灰度值為H(x,y)，則圖像的水平積分投影Sh(y),、垂直積分投影Sv(x),，在［x1,x2］和［y1,y2］區(qū)域內(nèi)可分別表示為：

　　對(duì)于灰度積分投影水平和垂直的函數(shù)值進(jìn)行分析，可以有效得出關(guān)鍵點(diǎn),。為了避免出現(xiàn)均值相同的情況,，采用兩種方法取均值能更精確地提取特征點(diǎn)的位置,。圖像在(x1,x2)和(y1,y2)區(qū)域內(nèi)的水平方向的方差積分投影和垂直方向的方差積分投影可分別表示為:

　　通過“三庭五眼”人臉區(qū)域先估算人臉特殊點(diǎn)（眼睛,、鼻子、嘴）的大概位置,，再通過積分投影準(zhǔn)確定位,。人臉中其他區(qū)域的灰度值要明顯低于人眼瞳孔的灰度值,。而人眼瞳孔的位置，在鼻尖的左斜上方和右斜上方,，特定區(qū)域搜索,，找出灰度值的最小點(diǎn)，即為左右瞳孔,、眼睛的位置,；在灰度圖上由于瞳孔的灰度特征相對(duì)明顯，可以較容易地提取出來,；通過瞳孔和眼睛的大小可以確定左右眼角的坐標(biāo)位置,。

　　對(duì)于嘴巴的定位采取二值化算法，由于嘴巴位于人臉的下半部分,，對(duì)于眼睛,、眉毛、眼鏡等主要的干擾因素,，可以在區(qū)域劃分時(shí)忽略不計(jì),。針對(duì)人臉的區(qū)域劃分進(jìn)行閾值選擇，由于閉區(qū)域選擇法的特殊性,，會(huì)使嘴巴區(qū)域的輪廓信息更為完整地凸顯,。相對(duì)于嘴巴，橫向距離的寬度要大于縱向距離,，且嘴巴區(qū)域是圓弧形連通的,，較為集中。根據(jù)這些條件將嘴巴區(qū)域的坐標(biāo)位置進(jìn)行定位,，進(jìn)而確定嘴中心和左右嘴角的坐標(biāo)位置,。

　　對(duì)于鼻子，鼻尖和鼻孔都是孤立的點(diǎn),，而且鼻孔在圖像中通常比其他區(qū)域的像素的灰度值暗,，從而形成黑斑。而鼻尖往往亮度高形成亮點(diǎn),。而Quoit濾波是基于數(shù)理形態(tài)學(xué)的濾波器,，對(duì)孤立點(diǎn)定位精度高，可以定位鼻尖和鼻孔,。使用Quoit濾波器的數(shù)理形態(tài)進(jìn)行人鼻定位,。Quoit濾波器公式定義：

　　可知e為圖像輸入,M為圓形元素，R為環(huán)結(jié)構(gòu),。具體算法描述如下：對(duì)人臉圖像先進(jìn)行歸一化處理,，灰度值取補(bǔ)，這可以使圖像提取效果更加準(zhǔn)確；對(duì)鼻尖和鼻孔使用濾波器進(jìn)行處理后,，再進(jìn)行二值化處理,，得到黑白圖像，使關(guān)鍵點(diǎn)明顯可見,。左右鼻孔的選擇點(diǎn)就是白色部分,。該算法很大程度上降低了運(yùn)算時(shí)間。人臉特征點(diǎn)的坐標(biāo)定位如圖2所示,。

　　1.2旋轉(zhuǎn)姿態(tài)角度計(jì)算

　　Z軸上的人臉旋轉(zhuǎn)角度：由兩眼中心的連線與水平線的夾角得出,，設(shè)旋轉(zhuǎn)后兩眼中心坐標(biāo)分別為(x1,x2),(y1,y2)，則角度的計(jì)算公式為：

　　計(jì)算出這個(gè)值,，就可以計(jì)算出水平狀態(tài)的旋轉(zhuǎn)角度,。

　　Y軸上的人臉旋轉(zhuǎn)角度：當(dāng)人臉沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)，人臉中分線正好位于人臉圖像的中間,；當(dāng)人臉繞Y軸旋轉(zhuǎn)時(shí),，反映到圖像平面，表現(xiàn)為人臉中分線偏離人臉圖像的中心位置,。假設(shè)人臉只是繞Y軸旋轉(zhuǎn),，左眼中心、右眼中心與嘴中心夾角的斜率分別為：tanβ1=k1,，tanβ2=k2,。左右眼外眼角與鼻尖的夾角差值：βnose=β1-β2，同理還可求得內(nèi)眼角與嘴中心的夾角差值βeye,，鼻尖與左右嘴角的夾角差值βmouth,，三個(gè)差值取均值，定位Y軸上人臉旋轉(zhuǎn)的角度,，公式如下：

　　X軸上的人臉旋轉(zhuǎn)角度：通過側(cè)視圖,，得到人臉、嘴巴與水平線的夾角α1,α2,，則計(jì)算公式如下：

2人臉姿態(tài)矯正算法

　　在一定程度上訓(xùn)練集和測(cè)試集的同一性影響著人臉識(shí)別的結(jié)果,。兩者同一程度大，識(shí)別率就高,。而往往攝像機(jī)拍到的人臉圖像是存在各種姿態(tài)角度的,，它們作為測(cè)試集就需要先矯正到標(biāo)準(zhǔn)視圖人臉，再進(jìn)行匹配識(shí)別,。

　　把人臉分成很多小塊,，每一個(gè)小塊就可近似認(rèn)為是平面的，這時(shí),，可以充分發(fā)揮仿射變換的優(yōu)勢(shì),，處理更大區(qū)域內(nèi)的姿態(tài)變化，提高整個(gè)算法對(duì)姿態(tài)變化的魯棒性。仿射變換可用下式來表示：

　　x=Dx0+b,，|D|≠0（9）

　　其中,，x,x0,b∈R2,；D∈R2×2,，x是對(duì)x0進(jìn)行仿射變換后的結(jié)果，其可以看做是平移,、縮放,、旋轉(zhuǎn)、錯(cuò)切,、反射這5種變換的組合［13］,。而典型的變換主要有旋轉(zhuǎn)變換、縮放變換和平移變換,。二維仿射變換的算法如下：

　　通常情況下,，人臉的兩臉頰在有姿態(tài)變化時(shí)，變化的弧度會(huì)更大,，這就使人臉邊界容易發(fā)生扭曲現(xiàn)象,。“三庭五眼”是人的頭部的比例,。三庭是指下巴到鼻尖,、鼻尖到眼眉、眉毛到發(fā)髻線,，這三個(gè)部分被認(rèn)為是相等的,。五眼則更明顯，如圖3所示,。因此,，對(duì)人臉三庭五眼分塊，再對(duì)邊緣輪廓區(qū)域進(jìn)行二次矯正,，將存在一定姿態(tài)且存在一定程度形變的人臉邊緣映射為標(biāo)準(zhǔn)正面人臉圖像邊緣,，使人臉識(shí)別更加準(zhǔn)確。

　　針對(duì)人臉識(shí)別算法對(duì)姿態(tài)變化局部敏感的問題,，提出局部姿態(tài)二次矯正算法,，通過對(duì)人臉進(jìn)行三庭五眼分塊，并利用二次矯正函數(shù)對(duì)姿態(tài)邊緣輪廓建模,，有效提高參數(shù)估計(jì)精度,。中心問題是把人臉圖像進(jìn)行“三庭五眼”區(qū)域劃分，利用矯正模型處理邊緣輪廓的姿態(tài),，得出最優(yōu)變換,。該算法利用最小誤差為各局部區(qū)域估計(jì)較優(yōu)的初值，有利于小范圍最優(yōu)，使算法識(shí)別性得到提高,。圖像變換參數(shù)描述圖像間的變換關(guān)系,，如下式：

　　其中，參考圖像上的點(diǎn)為(x′,y′),，目標(biāo)圖像上與之對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為(xi,yi),。變換矩陣有四對(duì)，可以選擇４對(duì)匹配點(diǎn)計(jì)算得出,。假設(shè)匹配點(diǎn)都是正確的,，則實(shí)際的矩陣與計(jì)算出的矩陣基本吻合。

3人臉識(shí)別算法

　　SURF(SpeedUp Robust Features)［14］算法,，是Bay等人提出的根據(jù)特征點(diǎn)周邊范圍的灰度值信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的一種匹配算法,，主要用來計(jì)算主方向和特征向量的圖像配準(zhǔn)。本文對(duì)SURF算法的特征點(diǎn)描述和特征匹配部分加以改進(jìn),，提出最近鄰匹配算法對(duì)最終匹配識(shí)別結(jié)果進(jìn)行尋優(yōu),，減小特征點(diǎn)匹配的等待時(shí)間，提高最終識(shí)別率,。

　　對(duì)于一幅圖像而言,，從圖像的左上角到這個(gè)點(diǎn)所構(gòu)成的矩形方框內(nèi)所有點(diǎn)的灰度值之和等價(jià)于這個(gè)積分圖像中的任意像素點(diǎn)(x，y)的值,。設(shè)G表示原始圖像,，P∑(x,y)表示積分圖像，則有:

　　積分圖像加快了圖像卷積運(yùn)算,，降低了時(shí)間復(fù)雜度,，加快了特征矢量的生成。

　?。?）興趣點(diǎn)檢測(cè)

　　針對(duì)平滑處理過后的圖像,，在所有尺度空間上計(jì)算該像素點(diǎn)在該處的Hessian矩陣，計(jì)算完Hessian矩陣行列式的值后,，再檢測(cè)興趣點(diǎn),。令圖像中某點(diǎn)像素值為(α,β)，則下面的Hessian矩陣為δ尺度上的Hessian矩陣：

　　其中,，Hαα(α,β,δ),，Hαβ(α,β,δ)，Hββ(α,β,δ)都表示在(α,β)處二階偏導(dǎo)與圖像I的卷積,。

　　(2)定位特征點(diǎn)和確定主方向

　　SURF在不同的尺度下尋找特征點(diǎn),，用抑制方法對(duì)圖像進(jìn)行抽樣，求出極值后,，將每一個(gè)像素點(diǎn)的Hessian值均分為26個(gè)像素點(diǎn)（同層相鄰8個(gè),、上下兩層毗鄰9個(gè)）進(jìn)行比對(duì),，才能得出候選點(diǎn)。插值運(yùn)算完以后,，僅有幾個(gè)特征會(huì)最終被檢測(cè)出來,，得到更精確的尺度和位置。

　?。?）生成描述子

　　相對(duì)于主方向,，對(duì)每個(gè)子區(qū)域的水平和垂直方向的Harr小波響應(yīng)都進(jìn)行累加求和，生成一個(gè)四維的向量,，得到的描述符如下:

　　其中,，D為四維向量,，dx為水平方向響應(yīng),、dy為垂直方向響應(yīng)，對(duì)64維的特征向量進(jìn)行歸一化處理,，得到特征點(diǎn)的描述符,。

　　（4）最近鄰匹配的改進(jìn)

　　對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)的匹配,，采用SURF自身的識(shí)別進(jìn)行挑選,，選用最近鄰匹配的思想對(duì)結(jié)果進(jìn)行尋優(yōu)；通過測(cè)試圖像與模板圖像的特征點(diǎn)匹配對(duì)數(shù)得出結(jié)論,。以關(guān)鍵點(diǎn)特征向量之間的真實(shí)距離為衡量標(biāo)準(zhǔn),，兩個(gè)向量之間的距離越小，則認(rèn)為匹配越成功,。公式如下：

　　假設(shè)SA是實(shí)時(shí)圖像中的點(diǎn),，SB是模板圖像中的點(diǎn)，它們的描述子向量分別為DA,、DB,，而DAi，DBi分別是它們的第i個(gè)分量,，則PA和PB之間的歐式距離定義為：

　　最近鄰歐氏距離與次近鄰歐氏距離作比,，若比值在一定的閾值范圍內(nèi)，則認(rèn)為匹配正確,，否則錯(cuò)誤,。經(jīng)過不斷地測(cè)試表明，［0.5,0.6］范圍內(nèi)是最優(yōu)閾值,。

　　Value=d最近鄰d次近鄰=∈［0.5,0.6］,正確匹配

　　對(duì)測(cè)試圖像與不同模板圖像的關(guān)鍵點(diǎn)匹配對(duì)數(shù)進(jìn)行有效比較,，判別匹配點(diǎn)數(shù)最多的為匹配的最終結(jié)果。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

　　為了驗(yàn)證本文提出的改進(jìn)方法的有效性,，采用以下幾種方法分別進(jìn)行處理：直接在原圖像上采用PCA,，LDA,，LBP方法進(jìn)行識(shí)別；將姿態(tài)進(jìn)行矯正后再利用三種方法進(jìn)行識(shí)別,；采用文獻(xiàn)［8］的方法進(jìn)行識(shí)別,；本文的改進(jìn)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理后進(jìn)行識(shí)別。在ORL和FERET兩個(gè)著名的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),。圖4是本文算法對(duì)三種姿態(tài)圖像處理的結(jié)果,，從視覺效果上看，有效地抑制了多姿態(tài)變化,，且對(duì)局部人臉姿態(tài)矯正有更好的校正效果,。

　　4.1ORL人臉庫(kù)

　　ORL人臉庫(kù)［14］包含40個(gè)人的400張圖像，每人10幅不同姿態(tài)的圖像,，圖像大小都為128×128的灰度圖,。每個(gè)人10幅人臉均有多種姿態(tài)和多種表情。并且此圖像存在尺度的變化,，排列不整齊,。分別在不同的方法上實(shí)驗(yàn)比較。每個(gè)人的訓(xùn)練張數(shù)分別為i=(1,2,3,4,5)張,；其余的10－i張都作為測(cè)試集,，取10次的均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1,。

　　4.2FERET人臉庫(kù)

　　FERET人臉庫(kù)［15］包含1 199個(gè)人的14 129幅圖像,，有各種表情、姿態(tài),、光照等,。木文采用姿態(tài)子集上1 001張圖像，共143人,，每人7張,，維度大小80×80，包含不同姿態(tài)旋轉(zhuǎn)和光照變化,，分別在不同的方法上實(shí)驗(yàn)比較,。每個(gè)人的訓(xùn)練張數(shù)分別為i=(1,2,3,4)張；其余的7－i張都作為測(cè)試集,，取10次的均值,。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2。

　　綜合比較,，本文方法在同等訓(xùn)練樣本情況下識(shí)別率都不低于對(duì)比的其他方法,，而且在單訓(xùn)練樣本時(shí)，提高了識(shí)別率,。一定程度上說明采用本文方法能夠矯正一定姿態(tài)角度條件下的人臉圖像,，且對(duì)人臉識(shí)別特征細(xì)節(jié)和局部矯正增強(qiáng)大有幫助,。

5結(jié)論

　　姿態(tài)問題是目前研究還沒有根本解決的問題。本文算法適用于對(duì)測(cè)試人臉圖像的多姿態(tài)變化進(jìn)行矯正處理,，改善了姿態(tài)角度的坐標(biāo)定位及計(jì)算方法,。在局部畸變的情況下，對(duì)邊緣輪廓等區(qū)域進(jìn)行了二次矯正,，通過改進(jìn)SURF的特征匹配算法,，更好地增加了特征點(diǎn)匹配的數(shù)量，具有良好的姿態(tài)矯正功能,。選取ORL和FERET人臉庫(kù)圖像,，結(jié)合其他歸一化處理方法，進(jìn)行姿態(tài)矯正,，實(shí)驗(yàn)表明本文方法對(duì)多姿態(tài)人臉矯正有很好效果,，顯著提高了識(shí)別率。但本文是對(duì)一定條件下的多姿態(tài)人臉進(jìn)行處理,，而實(shí)際中姿態(tài)變化是復(fù)雜多變的,，如何更好地根據(jù)圖像的多變姿態(tài)情況對(duì)圖像進(jìn)行矯正處理是將來急需解決的課題,。

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