【畢業(yè)論文】基于matlab的人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真(含matlab源程序)

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基于 matlab 的人臉識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真 第一章 緒論 本章提出了本文的研究背景及應(yīng)用前景 首先闡述了人臉圖像 識(shí)別意義 然后介紹了人臉圖像識(shí)別研究中存在的問題 接著介紹 了自動(dòng)人臉識(shí)別系統(tǒng)的一般框架構(gòu)成 最后簡(jiǎn)要地介紹了本文的主 要工作和章節(jié)結(jié)構(gòu) 1 1 研究背景 自 70 年代以來 隨著人工智能技術(shù)的興起 以及人類視覺研究的 進(jìn)展 人們逐漸對(duì)人臉圖像的機(jī)器識(shí)別投入很大的熱情 并形成了一 個(gè)人臉圖像識(shí)別研究領(lǐng)域 這一領(lǐng)域除了它的重大理論價(jià)值外 也 極具實(shí)用價(jià)值 在進(jìn)行人工智能的研究中 人們一直想做的事情就是讓機(jī)器具 有像人類一樣的思考能力 以及識(shí)別事物 處理事物的能力 因此 從解剖學(xué) 心理學(xué) 行為感知學(xué)等各個(gè)角度來探求人類的思維機(jī)制 以及感知事物 處理事物的機(jī)制 并努力將這些機(jī)制用于實(shí)踐 如 各種智能機(jī)器人的研制 人臉圖像的機(jī)器識(shí)別研究就是在這種背景 下興起的 因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)許多對(duì)于人類而言可以輕易做到的事情 而讓機(jī)器來實(shí)現(xiàn)卻很難 如人臉圖像的識(shí)別 語音識(shí)別 自然語言 理解等 如果能夠開發(fā)出具有像人類一樣的機(jī)器識(shí)別機(jī)制 就能夠 1 逐步地了解人類是如何存儲(chǔ)信息 并進(jìn)行處理的 從而最終了解人 類的思維機(jī)制 同時(shí) 進(jìn)行人臉圖像識(shí)別研究也具有很大的使用價(jià)依 如同人 的指紋一樣 人臉也具有唯一性 也可用來鑒別一個(gè)人的身份 現(xiàn) 在己有實(shí)用的計(jì)算機(jī)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)面世 并在安檢等部門得到 應(yīng)用 但還沒有通用成熟的人臉自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)出現(xiàn) 人臉圖像的自 動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)較之指紋識(shí)別系統(tǒng) DNA 鑒定等更具方便性 因?yàn)樗?樣方便 可以不接觸目標(biāo)就進(jìn)行識(shí)別 從而開發(fā)研究的實(shí)際意義更 大 并且與指紋圖像不同的是 人臉圖像受很多因素的干擾 人臉表 情的多樣性 以及外在的成像過程中的光照 圖像尺寸 旋轉(zhuǎn) 姿勢(shì) 變化等 使得同一個(gè)人 在不同的環(huán)境下拍攝所得到的人臉圖像不 同 有時(shí)更會(huì)有很大的差別 給識(shí)別帶來很大難度 因此在各種干 擾條件下實(shí)現(xiàn)人臉圖像的識(shí)別 也就更具有挑戰(zhàn)性 國(guó)外對(duì)于人臉圖像識(shí)別的研究較早 現(xiàn)己有實(shí)用系統(tǒng)面世 只 是對(duì)于成像條件要求較苛刻 應(yīng)用范圍也就較窄 國(guó)內(nèi)也有許多科 研機(jī)構(gòu)從事這方而的研究 并己取得許多成果 1 2 人臉圖像識(shí)別的應(yīng)用前景 人臉圖像識(shí)別除了具有重大的理論價(jià)值以及極富挑戰(zhàn)性外 還 其有許多潛在的應(yīng)用前景 利用人臉圖像來進(jìn)行身份驗(yàn)證 可以不 與目標(biāo)相接觸就取得樣本圖像 而其它的身份驗(yàn)證手段 如指紋 眼睛虹膜等必須通過與目標(biāo)接觸或相當(dāng)接近來取得樣木 在某些場(chǎng) 2 合 這些識(shí)別手段就會(huì)有不便之處 就從目前和將來來看 可以預(yù)測(cè)到人臉圖像識(shí)別將具有廣闊的 應(yīng)用前景 如表 1 1 中所列舉就是其中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)或逐步完善的應(yīng)用 表 1 1 人臉識(shí)別的應(yīng)用 應(yīng)用 優(yōu)點(diǎn) 存在問題 信信用卡 汽車 駕照 護(hù)照以及個(gè)人 身份驗(yàn)證等 圖像攝取可控 圖像分割可控 圖像質(zhì)量好 需要建立龐大的 數(shù)據(jù)庫(kù) 嫌疑犯照片匹配 圖像質(zhì)量不統(tǒng)一 多幅圖像可用 潛在的巨大圖像 庫(kù) 互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用 視頻信息價(jià)值高 多人參與 存在虛假 銀行 儲(chǔ)蓄安全 監(jiān)控效果好 圖像分割不可控 圖像質(zhì)量較差 人群監(jiān)測(cè) 圖像質(zhì)量高 可利用攝像圖像 圖像分割自由 圖像質(zhì)量低 實(shí) 時(shí)性 1 3 本文研究的問題 本文介紹了人臉圖像識(shí)別中所應(yīng)用 MATLAB 對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處 3 理 應(yīng)用該工具箱對(duì)圖像進(jìn)行經(jīng)典圖像處理 通過實(shí)例來應(yīng)用 matlab 圖像處理功能 對(duì)某一特定的人臉圖像處理 進(jìn)而應(yīng)用到人臉識(shí)別 系統(tǒng) 本文在總結(jié)分析人臉識(shí)別系統(tǒng)中幾種常用的圖像預(yù)處理方法 基礎(chǔ)上 利用 MATLAB 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)集多種預(yù)處理方法于一體的通 用的人臉圖像預(yù)處理仿真系統(tǒng) 將該系統(tǒng)作為圖像預(yù)處理模塊可嵌 入在人臉識(shí)別系統(tǒng)中 并利用灰度圖像的直方圖比對(duì)來實(shí)現(xiàn)人臉圖 像的識(shí)別判定 其中涉及到圖像的選取 臉部定位 特征提取 圖像處理和識(shí) 別幾個(gè)過程 1 4 識(shí)別系統(tǒng)構(gòu)成 人類似乎具有 與生俱來 的人臉識(shí)別能力 賦予計(jì)算機(jī)同樣 的能力是人類的夢(mèng)想之一 這就是所謂的 人臉識(shí)別 系統(tǒng) 假設(shè) 我們把照相機(jī) 攝像頭 掃描儀等看作計(jì)算機(jī)的 眼睛 數(shù)字圖像 可以看作計(jì)算機(jī)觀察到的 影像 那么 AFR 賦予計(jì)算機(jī)根據(jù)其所 看到 的人臉圖片來判斷人物身份的能力 廣義的講 自動(dòng)人臉識(shí)別系統(tǒng)具有如圖 1 1 所示的一般框架并 完成相應(yīng)功能的任務(wù) 人臉圖像獲取 人臉檢測(cè) 特征提取 人臉識(shí)別 4 圖 1 1 人臉識(shí)別系統(tǒng)一般框架 1 人臉圖像的獲取 一般來說 圖像的獲取都是通過攝像頭攝取 但攝取的圖像可 以是真人 也可以是人臉的圖片或者為了相對(duì)簡(jiǎn)單 可以不考慮通 過攝像頭來攝取頭像 而是直接給定要識(shí)別的圖像 2 人臉的檢測(cè) 人臉檢測(cè)的任務(wù)是判斷靜態(tài)圖像中是否存在人臉 若存在人臉 給出其在圖像中的坐標(biāo)位置 人臉區(qū)域大小等信息 而人臉跟蹤則 需要進(jìn)一步輸出所檢測(cè)到的人臉位置 大小等狀態(tài)隨時(shí)間的連續(xù)變 化情況 3 特征提取 通過人臉特征點(diǎn)的檢測(cè)與標(biāo)定可以確定人臉圖像中顯著特征點(diǎn) 的位置 如眼睛 眉毛 鼻子 嘴巴等器官 同時(shí)還可以得到這些 器官及其面部輪廓的形狀信息的描述 根據(jù)人臉特征點(diǎn)檢測(cè)與標(biāo)定的結(jié)果 通過某些運(yùn)算得到人臉特 征的描述 這些特征包括 全局特征和局部特征 顯式特征和統(tǒng)計(jì) 特征等 4 基于人臉圖像比對(duì)的身份識(shí)別 即人臉識(shí)別 Face Identification 問題 通過將輸入人臉圖像與人 臉數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有已知原型人臉圖像計(jì)算相似度并對(duì)其排序來給出 輸入人臉的身份信息 這包括兩類識(shí)別問題 一類是閉集 Close Set 人臉識(shí)別問題 即假定輸入的人臉一定是人臉庫(kù)中的某個(gè)個(gè)體 另 5 一類是開集 Open Set 識(shí)別 即首先要對(duì)輸入人臉是否在已知人臉庫(kù) 中做出判斷 如果是 則給出其身份 5 基于人臉圖像比對(duì)的身份驗(yàn)證 即人臉確認(rèn) Face Verification 問題 系統(tǒng)在輸入人臉圖像的同時(shí) 輸入一個(gè)用戶宣稱的該人臉的身份信息 系統(tǒng)要對(duì)該輸入人臉圖像 的身份與宣稱的身份是否相符作出判斷 1 5 論文的內(nèi)容及組織 第二章主要介紹人臉識(shí)別系統(tǒng)中所用到的仿真軟件 Matlab 介 紹了在人臉圖像識(shí)別過程中所需要的圖像處理技術(shù) 包括 一些基 本操作 格式轉(zhuǎn)換 圖像增強(qiáng)等 并做了一個(gè) Matlab 圖像處理功能 的實(shí)例 第三章主要始涉三個(gè)方面 首先是對(duì)人臉識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成做詳 細(xì)論述 其次就是對(duì)人臉識(shí)別過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)人臉檢測(cè) 特征提 取和圖像預(yù)處理做詳細(xì)介紹 最后就是 Matlab 在人臉識(shí)別系統(tǒng)中的 具體應(yīng)用 即人臉圖像識(shí)別的具體技術(shù) 并用 Matlab 進(jìn)行仿真試驗(yàn) 并得到結(jié)果 第四章是對(duì)人臉圖像識(shí)別體系構(gòu)架的設(shè)計(jì) 并給出了人臉識(shí)別 用到的理論知識(shí)即直方圖差異對(duì)比 并編寫 matlab 代碼實(shí)現(xiàn)人臉圖 像識(shí)別 第五章總結(jié)了全文的工作并對(duì)以后的需要進(jìn)一步研究的問題進(jìn) 行了展望 6 第二章 圖像處理的 Matlab 實(shí)現(xiàn) 2 1 Matlab 簡(jiǎn)介 由 Math Work 公司開發(fā)的 Matlab 語言語法限制不嚴(yán)格 程序設(shè) 計(jì)自由度大 程序的可移植性好 Matlab 還推出了功能強(qiáng)大的適應(yīng)于 圖像分析和處理的工具箱 常用的有圖像處理工具箱 小波分析工具 箱及數(shù)字信號(hào)處理工具箱 利用這些工具箱 我們可以很方便的從各 個(gè)方面對(duì)圖像的性質(zhì)進(jìn)行深入的研究 Matlab 圖像處理工具箱支持 索引圖像 RGB 圖像 灰度圖像 二進(jìn)制圖像并能操作 bmp jpg tif 等多種圖像格式文件 2 2 數(shù)字圖像處理及過程 圖像是人類獲取信息 表達(dá)信息和傳遞信息的重要手段 利用 計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行去除噪聲 增強(qiáng) 復(fù)原 分割 提取特征等的理 論 方法和技術(shù)稱為數(shù)字圖像處理 數(shù)字圖像處理技術(shù)已經(jīng)成為信 息科學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué) 工程科學(xué) 地球科學(xué)等諸多方面的學(xué)者研究 圖像的有效工具 數(shù)字圖像處理主要包括圖像變換 圖像增強(qiáng) 圖 像編碼 圖像復(fù)原 圖像重建 圖像識(shí)別以及圖像理解等內(nèi)容 2 2 1 圖像處理的基本操作 讀取和顯示圖像可以通過 imread 和 imshow 來實(shí)現(xiàn) 圖像的輸 7 出用 imwrite 函數(shù)就可以很方便的把圖像輸出到硬盤上 另外還可以 用 imcrop imrisize imrotate 等來實(shí)現(xiàn)圖像的裁剪 縮放和旋轉(zhuǎn) 等功能 2 2 2 圖像類型的轉(zhuǎn)換 Matlab 支持多種圖像類型 但在某些圖像操作中 對(duì)圖像的類型有 要求 所以要涉及到對(duì)圖像類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換 Matlab7 0 圖像處理工具箱 為我們提供了不同圖像類型相互轉(zhuǎn)換的大量函數(shù) 如 mat2gray 函數(shù) 可以將矩陣轉(zhuǎn)換為灰度圖像 rgb2gray 轉(zhuǎn)換 RGB 圖像或顏色映像表 為灰度圖像 在類型轉(zhuǎn)換的時(shí)候 我們還經(jīng)常遇到數(shù)據(jù)類型不匹配的 情況 針對(duì)這種情況 Matlab7 0 工具箱中 也給我們提供了各種數(shù)據(jù)類 型之間的轉(zhuǎn)換函數(shù) 如 double 就是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙精度類型的函數(shù) 2 2 3 圖像增強(qiáng) 圖像增強(qiáng)的目的是為了改善圖像的視覺效果 提高圖像的清晰度 和工藝的適應(yīng)性 以及便于人與計(jì)算機(jī)的分析和處理 以滿足圖像復(fù)制 或再現(xiàn)的要求 圖像增強(qiáng)的方法分為空域法和頻域法兩大類 空域法 主要是對(duì)圖像中的各個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行操作 而頻域法是在圖像的某個(gè)變 換域內(nèi)對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行操作 并修改變換后的系數(shù) 如傅立葉變換 DCT 變換等的系數(shù) 然后再進(jìn)行反變換 便可得到處理后的圖像 下 面以空域增強(qiáng)法的幾種方法加以說明 8 1 灰度變換增強(qiáng) 有多種方法可以實(shí)現(xiàn)圖像的灰度變換 其中最常用的就是直方圖 變換的方法 即直方圖的均衡化 這種方法是一種使輸出圖像直方圖 近似服從均勻分布的變換算法 Matlab7 0 圖像處理工具箱中提供了 圖像直方圖均衡化的具體函數(shù) histeq 同時(shí)我們可以用函數(shù) imhist 函數(shù)來計(jì)算和顯示圖像的直方圖 2 空域?yàn)V波增強(qiáng) 空域?yàn)V波按照空域?yàn)V波器的功能又可分為平滑濾波器和銳化濾 波器 平滑濾波器可以用低通濾波實(shí)現(xiàn) 目的在于模糊圖像或消除噪 聲 銳化濾波器是用高通濾波來實(shí)現(xiàn) 目的在于強(qiáng)調(diào)圖像被模糊的細(xì)節(jié) 在 Matlab 中 各種濾波方法都是在空間域中通過不同的濾波算子實(shí)現(xiàn) 可 用 fspecial 函數(shù)來創(chuàng)建預(yù)定義的濾波算子 然后可以使用 imfilter 或 filter2 函數(shù)調(diào)用創(chuàng)建好的濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波 2 2 4 邊緣檢測(cè) 數(shù)字圖像的邊緣檢測(cè)是圖像分割 目標(biāo)區(qū)域識(shí)別 區(qū)域形狀提 取等圖像分析領(lǐng)域十分重要的基礎(chǔ) 也是圖像識(shí)別中提取圖像特征的 一個(gè)重要屬性 邊緣檢測(cè)算子可以檢查每個(gè)像素的鄰域并對(duì)灰度變 化率進(jìn)行量化 也包括對(duì)方向的確定 其中大多數(shù)是基于方向?qū)?shù)掩模 求卷積的方法 常用的有 Sobel 算子 Prewitt 算子 Roberts 算子 Log 算子等 Matlab7 0 工具箱中提供的 edge 函數(shù)可以進(jìn)行邊緣檢測(cè) 在 其參數(shù)里面 可以根據(jù)需要選擇合適的算子及其參數(shù) 9 2 3 圖像處理功能的 Matlab 實(shí)現(xiàn)實(shí)例 本文通過運(yùn)用圖像處理工具箱的有關(guān)函數(shù)對(duì)一人臉的彩色圖像 進(jìn)行處理 1 圖像類型的轉(zhuǎn)換 因后面的圖像增強(qiáng) 邊緣檢測(cè)都是針對(duì)灰度圖像進(jìn)行的 而我們的 原圖是 RGB 圖像 所以首先我們要對(duì)原圖類型進(jìn)行轉(zhuǎn)換 實(shí)現(xiàn)過程 代碼如下 i imread f face1 jpg j rgb2gray i imshow j imwrite j f face1 tif 效果圖 2 1 圖 2 1 2 圖像增強(qiáng) 1 灰度圖像直方圖均衡化 通過比較原圖和直方圖均衡化后的圖像可見 圖像變得更清晰 而 且均衡化后的直方圖比原直方圖的形狀更理想 該部分的程序代碼 10 如下 i imread f face1 tif j histeq i imshow j figure subplot 1 2 1 imhist i subplot 1 2 2 imhist j 執(zhí)行后的效果圖如圖 2 2 和圖 2 3 圖 2 2 均衡化后的灰度 圖像 圖 2 3 均衡化前后的直方圖對(duì)比圖 11 2 灰度圖像平滑與銳化處理 平滑濾波器的目的在于模糊圖像或消除噪聲 Matlab7 0 圖像處理 工具箱提供了 medfilter2 函數(shù)用于實(shí)現(xiàn)中值濾波 wiener2 實(shí)現(xiàn)對(duì)圖 像噪聲的自適應(yīng)濾波 在本文實(shí)例中 為了使濾波效果更明顯 我們事 先為圖像認(rèn)為增加濾波 然后用自適應(yīng)濾波方法對(duì)圖像進(jìn)行濾波 銳 化處理的目的在于強(qiáng)調(diào)圖像被模糊的細(xì)節(jié) 在本實(shí)例中采用了預(yù)定義 高斯濾波器的方法對(duì)圖像進(jìn)行銳化濾波 功能實(shí)現(xiàn)的代碼如下 i imread f fae1 tif j imnoise i guassian 0 0 02 subplot 1 2 1 imshow j j1 wiener2 j subplot 1 2 2 imshow j1 h fspecial gaussian 2 0 05 j2 imfilter i h figure subplot 1 2 1 im show i subplot 1 2 2 imshow j2 得到的效果圖如圖 2 4 和圖 2 5 加入噪聲的圖像 濾波后的 圖像 12 圖 2 4 平滑濾波效果 原灰度圖像 銳化 后的圖像 圖 2 5 銳化濾波效果圖 3 邊緣檢測(cè) Matlab7 0 圖像處理工具箱提供了 edge 函數(shù)實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè) 還 有各種方法算子供選擇 在本實(shí)例中采用了 canny 算子來進(jìn)行邊 緣檢 測(cè) 程序代碼如下 i imread f face tif 13 j edge i canny 0 04 0 25 1 5 imshow j 效果圖如圖 2 6 原灰度圖像 邊緣檢測(cè) 后的圖像 圖 2 6 邊緣檢測(cè)效果圖 2 4 本章小結(jié) 以上實(shí)例只是對(duì) Matlab 圖像處理工具箱函數(shù)的一小部分運(yùn)用 從 這些功能的運(yùn)用可以看出 Matlab 語言簡(jiǎn)潔 可讀性強(qiáng) 作為人臉識(shí)別 系統(tǒng)中圖像預(yù)處理工具 有非常好的處理功能 14 第三章 人臉圖像識(shí)別計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 3 1 引言 計(jì)算機(jī)人臉識(shí)別是一個(gè)非?；钴S的研究領(lǐng)域 因其在公安刑偵 破案 銀行密碼系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)安全系統(tǒng)以及動(dòng)態(tài)監(jiān)視系統(tǒng)等方面都 有廣泛應(yīng)用 已成為當(dāng)前模式識(shí)別 計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn) 人臉識(shí)別系統(tǒng)一般包括人臉檢測(cè)與定位 人臉圖像預(yù)處理 特征提 取和匹配識(shí)別四個(gè)組成部分 其中 人臉圖像預(yù)處理 作為特征提 取和識(shí)別的前提步驟 是計(jì)算機(jī)人臉識(shí)別系統(tǒng)中的必要環(huán)節(jié) 其目 的是在去除噪聲 加強(qiáng)有用信息 對(duì)輸入設(shè)備或其他因素造成的退 化現(xiàn)像進(jìn)行復(fù)原 為后續(xù)的特征提取和識(shí)別作準(zhǔn)備 不同的人臉識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)其采用的圖像來源和識(shí)別算法需要不 同 采用的預(yù)處理方法也不同 常用的人臉圖像預(yù)處理方法有 濾 波去噪 灰度變換 圖像二值化 邊緣檢測(cè) 尺寸歸一化 灰度歸 一化等 用在同一系統(tǒng)中的可能只有其中一種或幾種預(yù)處理方法 但一旦庫(kù)中采集到的原始圖像質(zhì)量發(fā)生較大變化 如人臉大小 光 照強(qiáng)度 拍攝條件 成像系統(tǒng)等方面變化 原有的預(yù)處理模塊便不 能滿足特征提取的需要 還要更新 這是極不方便的 鑒于此 作者在總結(jié)分析了灰度變換 濾波去噪 邊緣檢測(cè)三 種廣泛應(yīng)用于不同人臉識(shí)別系統(tǒng)中的預(yù)處理方法基礎(chǔ)上 設(shè)計(jì)了一 個(gè)通用的人臉圖像預(yù)處理仿真系統(tǒng) 該系統(tǒng)可對(duì)不同條件下的原始 圖像進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)處理 如 用戶可根據(jù)需要選擇使用不同的濾波 15 方法去除噪聲 不同的邊緣檢測(cè)算子檢測(cè)人臉邊緣 選擇不同的灰 度變換算法實(shí)現(xiàn)圖像的灰度校正和灰度歸一化 仿真系統(tǒng)同時(shí)還實(shí) 現(xiàn)了尺寸歸一化 二值化等其他常用的圖像預(yù)處理算法 3 2 系統(tǒng)基本機(jī)構(gòu) 人臉識(shí)別是一個(gè)復(fù)雜的過程 一個(gè)計(jì)算機(jī)人臉識(shí)別的流程如圖 3 1 所示 它包括幾個(gè)步驟 對(duì)采集到的圖像 首先進(jìn)行人臉檢測(cè) 在輸入圖像中尋找人臉 給出人臉有無的結(jié)果 然后進(jìn)行人臉定 位 確定人臉的位置并提取出來 對(duì)人臉的定位在輸入是圖像序列 時(shí)一般也稱之為人臉跟蹤 通常檢測(cè)和定位結(jié)合進(jìn)行 對(duì)提取出來 的人臉借助人臉描述就可以進(jìn)行 狹義的 人臉識(shí)別 即通過提取 特征來確定其身份 結(jié)束 圖像采集 人臉檢測(cè)定位 是否定位成功 圖像與處理 是否處理成功 人臉識(shí)別 是否識(shí)別成功 識(shí)別結(jié)果 開始 是 否 否 是 是 否 否 是 是 否 否 圖 3 1 基本框架圖 16 3 3 人臉檢測(cè)定位算法 人臉檢測(cè)定位算法大致可分為兩大類 基于顯式特征的方法和 基于隱式特征的方法 所謂顯式特征是指對(duì)人類肉眼來說直觀可見的特征 如膚色 臉部輪廓 臉部結(jié)構(gòu)等 基于顯式特征的方法是指由人通過肉眼觀 察 總結(jié)出人臉區(qū)別于 非人臉 區(qū)域的特征 然后根據(jù)被檢測(cè)區(qū) 域是否滿足這些 人臉特征 來判定該區(qū)域是否包含人臉 根據(jù)所 選擇的 人臉特征 基于顯式特征的方法分以下三類 基于膚色模 型的方法 模板匹配的方法 基于先驗(yàn)知識(shí)的方法 在彩色圖像中 顏色是人臉表面最為顯著的特征之一 利用顏 色檢測(cè)人臉是很自然的想法 Yang 等在考察了不同種族 不同個(gè)體 的膚色后 認(rèn)為人類的膚色能在顏色空間中聚成單獨(dú)的一類 而影 響膚色值變化的最主要因素是亮度變化 因此他們采用廣泛使用的 RGB 顏色空間 在濾去亮度值的圖像中通過比較像素點(diǎn)的 值 與膚色范圍來推斷該像素點(diǎn)及其鄰域是否屬于人臉區(qū)域 除了 RGB 顏色空間 還有諸如 HIS LUV GLHS 等其它顏色空間被使用 尋找到膚色區(qū)域后 必須進(jìn)行驗(yàn)證 排除類膚色區(qū)域 Yoo 等利用 膚色像素的連通性分割出區(qū)域 使用橢圓擬合各個(gè)區(qū)域 根據(jù)橢圓 長(zhǎng)短軸的比率判斷是否為人臉 模板匹配的方法一般是人為地先定義一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人臉模板 計(jì)算 輸入圖像與模板的似然度 然后 確定一個(gè)似然度閾值 用以判斷 該輸入圖像中是否包含人臉 標(biāo)準(zhǔn)人臉模板可以是固定的樣板 也 17 可以是帶參變量的曲線函數(shù) 基于先驗(yàn)知識(shí)的方法則采用符合人臉生理結(jié)構(gòu)特征的人臉鑲嵌 圖 mosaic image 模型 并在分析了足夠多的人臉圖像樣本的基礎(chǔ) 上 針對(duì)人臉的灰度 邊緣 紋理等信息 建立一種關(guān)于人臉的知 識(shí)庫(kù) 在檢測(cè)中 首先抽取這些灰度 邊緣等信息 然后檢驗(yàn)它是 否符合知識(shí)庫(kù)中關(guān)于人臉的先驗(yàn)知識(shí) 以上三種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表 3 1 表 3 1 基于顯示特征方法的特點(diǎn) 檢測(cè)方法 優(yōu)點(diǎn)與適用場(chǎng)合 缺點(diǎn)與需要改進(jìn)的地方 膚色模型 檢測(cè)速度快 高光和陰影會(huì)造成人臉區(qū)域被分 割而被漏檢 膚色區(qū)域的存在提 高了預(yù)警率 模板匹配 直觀性好 具有較 好的適應(yīng)性 對(duì)表情 尺度變換敏感 可變模 板的選擇和參數(shù)的確定非常困難 基于知識(shí)的 方法 適用復(fù)雜圖像中的 人臉檢測(cè) 依賴先驗(yàn)知識(shí) 多尺度空間遍歷 工作量大 運(yùn)算時(shí)間長(zhǎng) 18 基于隱式特征的方法將人臉區(qū)域看成一類模式 使用大量 人 臉 非人臉 樣本訓(xùn)練 構(gòu)造分類器 通過判別圖像中所有可能 區(qū)域是否屬于 人臉模式 的方法來實(shí)現(xiàn)人臉檢測(cè) 這類方法有 特征臉法 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法 支持向量機(jī)法 積分圖像法 特征臉法 eigenface 把單個(gè)圖像看成一維向量 眾多的一維 向量形成了人臉圖像特征空間 再將其變換到一個(gè)新的相對(duì)簡(jiǎn)單的 特征空間 通過計(jì)算矩陣的特征值和特征向量 利用圖像的代數(shù)特 征信息 尋找 人臉 非人臉 兩種模式在該特征空間中的分布 規(guī)律 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) Artificial Neural Network ANN 的方法是通過 訓(xùn)練一個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 把模式的統(tǒng)計(jì)特性隱含在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和參 數(shù)之中 基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對(duì)于復(fù)雜的 難以顯式描述的模 式 具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì) 支撐向量機(jī) Support Vector Machine SVM 法是在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí) 理論基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新的模式識(shí)別方法 它基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小 化的原理 較之于基于經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)最小化的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 一些難以 逾越的問題 如 模型選擇和過學(xué)習(xí)問題 非線性和維數(shù)災(zāi)難問題 局部極小點(diǎn)問題等都得到了很大程度上的解決 但是直接使用 SVM 方法進(jìn)行人臉識(shí)別有兩方面的困難 第一 訓(xùn)練時(shí)需要求解二次規(guī) 劃問題計(jì)算復(fù)雜度高 內(nèi)存需求量巨大 第二 在非人臉樣本不受 限制時(shí) 需要極大規(guī)模的訓(xùn)練集合 得到的支持向量會(huì)很多 使得 分類器的計(jì)算量過高 19 基于積分圖像 Integral Image 特征的人臉檢測(cè)方法是 Viola 等 新近提出的一種算法 它綜合使用了積分圖像描述方法 Adaboost 學(xué)習(xí)算法及訓(xùn)練方法 級(jí)聯(lián)弱分類器 以上四種方法的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表 3 2 表 3 2 基于隱式特征方法的特征 檢測(cè)方 法 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)與需要改進(jìn)的地方 本征臉 法 標(biāo)準(zhǔn)人臉模板能抽象人臉全 部信息 運(yùn)算不涉及迭代耗 費(fèi)時(shí)間短 但模板檢測(cè)效率低 多模 板提高了效率也增加了檢 測(cè)時(shí)間 神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)法 檢測(cè)效率高 錯(cuò)誤報(bào)警數(shù)目 不多 訓(xùn)練成熟的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè) 速度快 多樣本訓(xùn)練耗費(fèi)時(shí)間多 但網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)錯(cuò)誤報(bào)警數(shù)目 多 支撐向 量機(jī)機(jī) 法 比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法具有更好的 泛化能力 能對(duì)為觀測(cè)到的 例子進(jìn)行有效分類 非人臉 樣本復(fù)雜多樣 造成支持向量數(shù)目多 運(yùn) 算復(fù)雜度大 基于積 分圖像 分析法 檢測(cè)速度快 基本滿足實(shí)時(shí) 檢測(cè)要求 檢測(cè)效率可以與 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法比較 錯(cuò)誤報(bào)警數(shù)目少時(shí) 檢測(cè) 率不高 運(yùn)用 matlab 仿真進(jìn)行人臉檢測(cè)定位實(shí)例 人臉檢測(cè)定位程序 20 Reading of a RGB image i imread face1 jpg I rgb2gray i BW im2bw I figure imshow BW minimisation of background portion n1 n2 size BW r floor n1 10 c floor n2 10 x1 1 x2 r s r c for i 1 10 y1 1 y2 c for j 1 10 if y2 9 c x1 1 x2 r 10 loc find BW x1 x2 y1 y2 0 21 o p size loc pr o 100 s if prmx end display Testing Done function box Callback hObject eventdata handles function box CreateFcn hObject eventdata handles if ispc end Executes on button press in Input Image button function Input Image button Callback hObject eventdata handles hObject handle to Input Image button see GCBO eventdata reserved to be defined in a future version of MATLAB handles structure with handles and user data see GUIDATA global filename pathname I filename pathname uigetfile bmp Test Image axes handles axes1 42 imgpath STRCAT pathname filename I imread imgpath imshow I Executes during object creation after setting all properties function axes3 CreateFcn hObject eventdata handles