平均臉圖像生成手機系統的實現

楊思雯 楊青錦

大連財經學院管理系

平均臉技術是當今世界較為前沿的面部合成技術，平均臉指經過計算機特殊處理而得到的合成性容貌。近年來平均臉技術受到計算機視覺和計算機圖形學領域研究者的普遍關注。本文提出了一種平均臉圖像手機生成系統，闡述了其研究意義，詳細分析了其系統架構，并描述了實現方法。本文還將該平均臉圖像生成手機系統與傳統的運行在PC 上的平均臉生成系統進行比較，并揭示了該平均臉圖像生成手機系統的優勢在于其移動性和便捷性。

1 研究背景及意義

平均臉技術概述與應用

在過去的十幾年中，隨著人臉識別技術的快速發展，平均臉技術也受到了世界各界的廣泛關注，相關的學術研究活動也日趨活躍。平均臉技術是一種面部合成技術，平均臉指經過計算機特殊處理而得到的合成性容貌，代表所有臉部樣本的平均特征。平均臉技術的應用領域非常廣泛，可被用于人類學、醫學、心理學、生活娛樂等領域，其應用如下所示。

（1）平均臉技術應用于人類學：制作出某類人群的平均臉并與另外人群的平均臉做對比分析。如將不同地區人的臉部圖像收集并制作平均臉，以進行不同地區人口的相貌比對分析?；驅⑵骄樇夹g應用于不同民族相貌的對比，我國一共有56 個民族，各個民族的相貌都有著不同的特點，而這些特點用文字描述又十分蒼白難以讓人們理解，我們就可以收集不同民族的大量的照片，用平均臉技術進行合成并對比，就可以清晰直觀的發現不同民族的相貌特點。這樣的方法也可以用于不同國家的相貌對比。

（2）平均臉技術應用于醫學與心理學：采集到的俊男/美女面孔特征可以用平均臉技術合成綜合的俊男/美女臉部圖片。該合成圖片可作為整容醫生對就醫者的指導目標。另外，研究者也可通過平均的俊男/美女圖片來從心理學上分析并解答什么是“美麗”這樣的問題。

（3）平均臉技術應用于生活娛樂：制作某個團體的平均臉，以帶來樂趣，增進感情。如在校園生活中可以以班級或系為單位制作平均臉，而相貌和這張合成出來的平均臉最為相似的同學，可被推舉為班級里的班花或班草。

平均臉圖像生成手機系統的優勢與實際意義

傳統的運行于PC 上的平均臉生成系統的使用方式是：首先使用數碼相機等工具采集大量的臉部樣本照片，然后將這些照片復制到PC 中，并在平均臉生成系統中手工的為每張照片調整臉部模板，最后制作生成平均臉照片。

本文所提出的平均臉圖像生成手機系統有別于傳統的運行于PC 上的平均臉生成系統與手工制作的平均臉生成方式。首先，本文提出的平均臉圖像生成手機系統既使用手機作為樣本照片的采集器，又能在手機中即時的得到平均臉合成結果。其次，本文提出的平均臉圖像生成手機系統的手機應用端的一種實現方式是不用手工為每張照片調整代表臉部特征的平均臉模板，而是把常用的大量模板導入到手機等移動端中，在進行拍攝時選擇所需的模板，將被拍攝的人對照模板進行拍攝，從而得到符合系統要求的原始照片。

在實現方式上，本文所提出的平均臉圖像生成手機系統不使用手機來生成平均臉圖片，而是將所有圖片上傳至服務器，由服務器進行平均臉合成，并從服務器取得合成結果。這是因為目前手機等移動端計算能力十分有限，不能進行龐大的臉部分析計算。如在手機等移動端進行平均臉合成計算，則消耗時間數倍于上傳至服務器端的傳輸時間與運算時間之和。

綜上所述，本文提出平均臉圖像生成手機系統實現了移動便捷的生成平均臉圖片。其移動性和便捷性在生活娛樂領域非常重要。在智能手機發展如火如荼的今天，手機應用大多被應用于生活娛樂領域，而本系統的特點契合了實際系統的要求，因此將會是平均臉生成在智能手機中應用的合理的實現方式。

圖1 平均臉圖像生成手機系統的架構圖

2 系統架構

平均臉圖像生成手機系統的架構如圖1 所示。首先，我們需要利用手機等移動端對被采集者進行臉部圖像采集，我們需要采集一定數量的面部圖像以保證所得平均臉圖像更加真實準確。其次，我們可以選擇批量上傳或者單張上次傳所需要合成的圖片，上傳到網絡。之后，把我們需要的照片上傳到服務器端，運行PHP 程序調用平均臉合成程序，并生成平均臉圖片。最后，用手機或移動端下載我們合成的平均臉圖片。

具體實現步驟分析如下。一、需要實現一款專門的手機應用，核心功能就是在手機相機取景器中疊加預定義的模板，使用者對照模板對人物臉部進行拍攝；或是先拍攝圖片，再指定人物的眼睛與嘴巴位置以生成模板，生成的照片（及模板）上傳到網絡服務器。相機生成的圖片格式為”.jpg”格式。二、在網絡服務器中存儲預定義的模板或服務器接收圖片對應的模板。模板的格式為”.tem”格式。三、手機應用調用網絡服務器上的PHP 程序，PHP 程序接收所有圖片（及模板）并生成一個“.txt”格式的文件，其中包含所有圖片的文件名列表和這些圖片所對應的模板文件名。四、PHP 程序調用網絡服務器上的平均臉生成程序處理TXT 文件，并生成平均臉圖片。五、手機應用取得平均臉圖片。整個流程如圖2 所示。

3 手機端的實現

圖2 平均臉圖像生成手機系統運行流程圖

平均臉圖像生成手機系統需要開發一款手機或移動端應用。本文已在Android 平臺上實現了該應用。該應用有兩種實現方式，一種是在照相機的取景器界面中疊加入預定義的可選的多張模板，使用者對照模板對人物臉部進行拍攝；另一種是使用者先拍攝圖片，再指定人物的眼睛與嘴巴位置以生成模板。第一種實現方式的優勢在于可有多張模板的選取可以較為簡便的拍攝圖像，運行效果如圖3所示，第二種實現方式的優勢在于模板與臉部匹配的更好，運行效果如圖4 所示。

兩種實現方式的工作流程如下所示。

第一種實現方式：

第二種實現方式：

圖3 圖4

4 服務器端的實現

運行在服務器端程序的核心功能為：接收手機應用上傳的樣本照片（及模板）并生成一個包含照片文件名與模板文件名列表的文本文件，然后調用服務器上的平均臉生成程序生成平均臉圖像，最后將生成結果返回至手機應用。

另外，服務器端可實現一個平均臉合成在線系統。該系統包括前臺的在線生成平均臉功能和后臺管理功能，使用系統前臺用戶可在線提供樣本照片并得到平均臉圖像，后臺管理為管理員提供管理上傳至服務器的樣本照片以及生成后的平均臉圖像的功能。

使用該在線系統生成平均臉的方式與手機應用類似，但該系統所需要的樣本照片需與系統預定義的模板相匹配。該在線系統的應用場景為：用戶使用手機應用拍攝樣本照片但不使用手機應用生成平均臉圖片，而是將樣本照片復制到計算機，然后使用該系統生成平均臉圖片。這通常發生在手機無網絡或網速比較慢，且要生成平均臉圖像的時刻。該系統不提供在線調整人物眼睛、嘴巴以生成模板的功能，因為這樣與傳統的運行在PC 上的平均臉生成系統相比，除其為在線系統外，并沒有其他優勢，因而不予以實現。

以下對在手機上生成平均臉圖片與本文提出的平均臉圖像生成系統進行對比實驗，實驗環境為：

（1）手機型號：HUAWEI C8813 Android 版本：4.1.1

（2）網絡：4M ADSL

（3）網絡服務器：云虛擬主機 雙核1.5 GHz CPU，2G 內存，Windows 2003 Server 系統

（4）測試圖片共30 張，大小共計3MB

通過實際實驗生成平均臉圖像：手機等移動端所需要時間為107 秒；平均臉圖像生成手機系統所需要時間僅為33 秒（見表1），以上實驗結果展示出當前在手機端性能遠不及桌面系統，而圖片傳輸時間較短的情況下，使用本文提出的平均臉圖像生成系統的性能優勢。

5 對比實驗

表1

6 總結與展望

本文主要對人臉圖像中的平均臉進行深入研究拓展，使平均臉不再應用于計算機這樣的固定終端，而移植到更加廣闊的移動平臺。其主要的目的是使平均臉更加方便快捷的應用于我們生活當中，但是對于該問題的研究目前還處于一個探索階段，我們還需要更加復雜的分析研究。

本文首先對平均臉進行了深入的分析和介紹，提出了一種平均臉圖像手機生成系統，闡述了其研究意義，詳細分析了其系統架構，并描述了實現方法。還將該平均臉圖像生成手機系統與傳統的運行在計算機上的平均臉生成系統進行比較，并發現了平均臉在計算機終端上的不足并利用平均臉圖像生成手機系統進行改進，使其成為一個方便快捷的手機應用系統并揭示了平均臉圖像生成手機系統的優勢，其優勢在于其移動性和便捷性。本文又對平均臉圖像生成手機系統進行了深入分析和研究，介紹了其手機端和服務器端的實現。最后本文對平均臉圖像生成手機系統進行了實驗，得出實驗結果并分析比較實驗結果。

由于對平均臉圖像生成手機系統的研究才剛剛展開不久，目前還有很多的問題需要進行更加細致的研究，本文展示了平均臉圖像生成系統的一種實現方式，希望本文所展示的信息能成為后續研究工作的基石。