輪廓波變換的面部姿態檢索技術及實驗分析

曾 霞 霞

(閩江學院 計算機科學系，福建省信息處理與智能控制重點實驗室， 福州 350121)

0　引　言

信息時代快速的身份驗證已經成為普遍的要求，無論是經典的密碼識別，還是近年來應用廣泛的生物特征識別，都有了極為迅速的發展與完善。由于每個人屬性的不同，生物特征識別是較為理想的選擇[1-4]。生物識別技術常見的有指紋、視網膜、靜脈以及人臉識別等[5-6]。與大部分生物識別技術對比，人臉識別是目前較為友好、便捷的一種方法，不會對被識別者造成如心里陰影等問題，容易受被識別者所肯定，因此人臉識別技術有了廣泛的應用與研究[7-19]。當前國內在人臉識別領域主要集中于幾何特征、代數特征和連接機制三方面的正面識別人臉研究，其中彭輝等提出的類間散布矩陣的方法，實現了識別率不降低情況下運算量大降低；楊靜宇等則采用了奇異值分解的方法實現人臉識別，能夠實現多分類融合的群策分析[20-22]。

當然，人臉識別技術還遠未到完善的地步，其存在的防偽性劣勢不斷被放大，目前對人臉識別技術影響的主要問題有[19,23]：不確定性，人臉圖像因為光強等原因其獲得存在很多不確定性；多樣性，人臉圖像模式存在包括眼鏡、胡須等很多種類型；知識綜合性，人臉識別技術已經成為多學科、多領域綜合知識運用的方法。從目前研究來看，各種模型或表達方式都有一定的干擾因素，只能是不斷完善以求更準確、快速、有效。基于上述問題和發展背景，本文采用改進局部二值模式(LBP)和局部序數模式(LIOP)的方法，進行了人臉識別技術的改進。

1　模式改進與算法

1.1　模式改進

LBP采用的是領域點與中心像素點大小進行的圖像編碼，但其忽略了領域點間大小與對比。LIOP則是用領域點間大小與對比取代領域點與中心像素點的編碼，LIOP算子可采用下式表述：

f(A)=order(A1,A2,A3,A4)

(1)

式中：A1,A2,A3以及A4表述的是以A點為中心的4個領域點；order()為實現4點間的序數。LIOP編碼如圖1所示。

圖1LIOP編碼方法

改進的優化量化模式(YP)對比了LIOP和LBP的優勢和問題，提出采用領域差異向量的方法實現聚類，其編碼過程如圖2所示。

上述的編碼方法采用的是16個領域點的碼本，為了不增加計算量，我們進一步將圖像分成36個子塊，圖3為設計的16點鄰域位置。

圖2YP方法

圖3圖像的子塊

1.2　降維算法

人臉識別通常采用提取直方圖特征，然而其維數一般較高，對于識別計算會帶來一定困擾。本文基于傳統的PCA(Principal Component Analysis)算法改進，提出WPCA，即在PCA的基礎上再乘以權重。降維算法過程如下：首先采用YP實現直方圖特征提取，實現識別率的顯著改進；訓練的所有圖片進行上述過程，對特征求平均值，然后對特征值、向量等排序，進而得到判別矩陣；然后將需要測試的所有圖片重復以上兩過程，實現降維。降維后特性可以采用以下模型判定：

(2)

式中：H1,H2是降維后的兩圖片特征；S(H1,H2)表述的是余弦相似度。研究表明，S(H1,H2)越大，則表示圖片越相似。

1.3　預處理算法設計

預處理算法采用改進的PP(Pipeline of Image Preprocessing)和Retina模型方法。提出的PR方法算法過程如下： 首先對圖片實現gamma校正，得出校正后圖像；進一步對圖片實現非線性自適應濾波2次；然后對圖片實現DOG濾波；最后對圖片進行全局的對比增強。預處理過程及算例如圖4所示。從預處理的算例可以看出，最終結果比原始圖像能夠較好地實現去除光照的影響，保留人臉的本征特點。

2　實驗及分析

2.1　實驗數據

實驗采用中科院的CAS數據平臺，其涵蓋9萬多張頭部圖像，有人臉多種變化條件，表1為中科院CAS數據的子集結構。

(a)原始圖像(b)gamma校正(c)Retain濾波(d)DOG濾波(e)對比增強

圖4　預處理過程

2.2　實驗結果對比

實驗采用第2節提到的算法及改進，訓練集碼本定義為400，實驗的算法對比如表2所示。

表2　算法對比實驗的結果　%

從表2可以看出，設計的改進方法在遮擋、背景、年齡、表情以及距離5種測試集中都表現更好，與傳統算法對比顯示了較大的提高和準確率。算法鑒別能力、提取時間方面(PR的準確率能夠說明時間)都有明顯的優勢，這說明改進方法具備較強的理論和實際價值。

2.3　異質人臉識別實驗

將算法進行異質人臉識別的對比與實驗，依然采用中科院CAS數據平臺，選擇2 012張可見光范圍的人臉，2 992張在近紅外范圍的人臉，依然對比上述4種算法，結果如表3所示。從表3的對比結果可見，改進辦法識別率有了顯著的提高，比LBP、PP算法提高了20%以上，盡管識別率還沒有達到最為理想的結果，但有了明顯的改進，說明設計的人臉識別技術能夠較好地應用在異質人臉識別方面。

表3　異質人臉識別的對比結果

3　結　語

本文針對人臉識別技術存在的問題，設計了改進算法，實現了算法鑒別能力、提取時間的明顯改進，有較強人臉特征識別能力；在對異質人臉識別進行對比時，與傳統算法相比也有了明顯的改進，比LBP、PP算法提高了20%以上，有一定的異質人臉識別功能。該改進方法對于人臉識別進一步完善具有一定的理論和實際意義。

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