基于三維人臉特征分析的無人機跟拍系統(tǒng)

陸昌欣, 王 澍, 呂紀(jì)龍

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院, 上海 201620)

0 引 言

早期研究四旋翼無人機時更加注重?zé)o人機姿態(tài)控制。隨著時代的進步，技術(shù)不斷更新迭代，以及人臉識別技術(shù)不斷成熟，研究者開始將無人機與人臉識別技術(shù)結(jié)合起來，在四旋翼無人機上安裝攝像頭，利用無人機實時捕捉圖像。通過對圖像中人臉特征的分析，達到識別人臉的目的。二維的人臉識別技術(shù)已經(jīng)相對成熟，但是二維人臉識別的技術(shù)在許多方面還存在問題，如識別精度不高，對動態(tài)圖像的識別準(zhǔn)確度比較低，對人臉的識別速度相對較慢，實用價值不高。三維人臉識別技術(shù)相比二維人臉識別技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

(1)三維人臉不受到亮度信息、光照、姿態(tài)等因素影響，抗干擾能力更強；

(2)人臉是一個三維的非剛性的物體，在分析結(jié)構(gòu)時，有著一定的魯棒性；

(3)對人臉的識別精度高，有更好的視覺體驗。

目前常見的三維人臉識別算法有：基于空域直接匹配的算法、基于局部特征匹配的算法、基于整體特征匹配的算法[1]。本論文基于三維人臉特征分析，進一步討論了三維人臉識別在無人機跟拍中的應(yīng)用，建立了一個基于三維人臉特征分析的無人機跟拍系統(tǒng)，實驗表明此系統(tǒng)具有較好的魯棒性和穩(wěn)定性。

1 三維人臉識別算法

基于局部特征的算法就是從人的面部提取一定的特征，如：眼睛、眉毛、鼻子、嘴巴等，這些特征能夠?qū)⑷四樛暾谋憩F(xiàn)出來。在人臉變化的情況下，這些特征點依然能保持特征不改變。如何在人臉三維圖像中提取出有用的局部特征，是局部特征算法的關(guān)鍵。本論文主要介紹的局部特征匹配算法中的曲線特征。

把人臉的三維曲面看做是由無數(shù)個二維曲線組成，這樣就可以把三維人臉匹配問題降低到二維，降低計算的難度。基于面部曲線匹配的三維人臉識別的方法，如圖1所示。具體步驟：先將降維的圖像二值化處理，再將眼睛、鼻尖、鼻根、嘴角這幾個特征點提取出來；把人的臉部進一步對齊，建立一個對齊的統(tǒng)一坐標(biāo)系；在坐標(biāo)系里選擇過對稱面的側(cè)隱線、眼睛下側(cè)的水平曲線和鼻尖區(qū)域曲線這三條曲線，把它們變成特征向量做對比，實現(xiàn)人臉的識別。在三維的環(huán)境下，人臉是變化的，這樣就會給基準(zhǔn)曲線的獲取帶來困難，不過可以通過人面部對稱的特點，由原始的面部特征通過最小二乘法擬合出相應(yīng)的對稱面，這便可以找到對稱面的中心側(cè)隱線，解決基準(zhǔn)曲線的獲取困難的問題，完成識別過程[2]。

2 無人機目標(biāo)跟拍設(shè)計

搭建四旋翼無人機硬件平臺，在飛控的芯片中寫入基于三維人臉特征分析的無人機跟拍算法。無人機起飛，打開雙目攝像頭開始跟拍；在空中懸停，執(zhí)行三維人臉識別的算法，檢測需要跟蹤的人臉，若目標(biāo)在視野范圍內(nèi)，便預(yù)測目標(biāo)移動位置，隨后開始執(zhí)行跟蹤算法。在一定的時間內(nèi)，檢測目標(biāo)是否丟失，在沒有丟失情況下，判斷是否達到拍攝需求，達到就結(jié)束跟蹤。

如果在一定的時間內(nèi)，檢測的目標(biāo)丟失了，無人機會根據(jù)預(yù)測目標(biāo)移動位置跟蹤T秒，再開始執(zhí)行三維人臉識別的算法，檢測需要跟蹤的人臉，開始新的一輪跟蹤。

如果一開始目標(biāo)不在視野范圍內(nèi)，無人機開始執(zhí)行搜索算法，在檢測到目標(biāo)之后，然后執(zhí)行跟蹤算法。后續(xù)也是在一定的時間內(nèi)開始檢測目標(biāo)是否丟失，沒有丟失情況下，判斷是否達到拍攝需求，達到要求即結(jié)束跟蹤。三維人臉跟拍的流程如圖2所示。

圖2 三維人臉跟拍的流程

3 實驗測試

本實驗中無人機通過三維人臉識別算法對三維人臉特征進行分析，通過三維人臉的捕捉、跟蹤拍攝，無人機可以執(zhí)行小幅度轉(zhuǎn)身、慢速下大幅度轉(zhuǎn)身等姿態(tài)，也可以適應(yīng)目標(biāo)移動下的跟蹤拍攝。通過設(shè)定部分飛行參數(shù)(如高度等)實現(xiàn)自動狀態(tài)下的低空拍攝。

通過計算機仿真，測試算法對三維人臉特征的分析性能，經(jīng)測試在光線充足，且距離人臉大于1.5 m的情況下，都可以識別到人臉,測試的結(jié)果如圖3所示。

圖3 人臉識別結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于三維人臉特征分析的無人機跟拍系統(tǒng)，實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在三維的環(huán)境下，可以有效的檢測出人臉，且能夠有效地進行跟蹤拍攝。本系統(tǒng)可以應(yīng)用于新聞的戶外拍攝、三維環(huán)境下的人物跟蹤拍攝。可以給圖像、視頻的拍攝帶來一種脫離人體持機的拍攝體驗，節(jié)省了人力、物力的同時，提供了一種全新的跟蹤拍攝方式，突破當(dāng)今的拍攝限制。