计 算 机 系 统 应 用 http://www.c-s-a.org.cn 20 年 第 20 卷 第 4 期 一 种 高 性 能 近 红 外 光 人 脸 检 测 和 眼 睛 定 位 算 法 张 昌 明, 童 卫 青, 王 燕 群 ( 华 东 师 范 大 学 计 算 机 科 学 技 术 系, 上 海 20024) 摘 要 : 提 出 了 一 种 新 型 的 近 红 外 光 人 脸 检 测 和 眼 睛 定 位 算 法, 该 算 法 先 用 AdaBoost 分 类 器 进 行 人 脸 区 域 定 位, 然 后 在 人 脸 区 域 内 进 行 眼 镜 检 测 : 若 检 测 为 不 戴 眼 镜, 使 用 基 于 数 理 形 态 学 的 N-Quot 滤 波 器 进 行 眼 睛 精 确 定 位 ; 若 检 测 为 戴 眼 镜, 采 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位 实 验 结 果 表 明, 此 算 法 检 测 率 高 而 且 眼 睛 定 位 准 确, 有 效 的 克 服 了 镜 片 反 射 近 红 外 光 干 扰 眼 睛 精 确 定 位 的 问 题, 同 时 达 到 了 实 时 性 的 要 求 关 键 词 : 人 脸 检 测 ; 眼 睛 定 位 ; 眼 镜 检 测 ;AdaBoost;N-Quot 滤 波 器 A Hgh-Performance Algorthm of Face Detecton and Eye Localzaton Based on Near- Infrared Image ZHANG Chang-Mng, TONG We-Qng, WANG Yan-Qun (Department of Computer Scence and Technology, East Chna Normal Unversty, Shangha 20024, Chna) Abstract: Ths paper proposes a novel face detecton and eye localzaton algorthm based on near-nfrared (NIR) mage. Intally. The AdaBoost algorthm s ntroduced here to detect face, and then detecton of the presence of glasses s performed n the canddate face area. If glasses are not present n face area, N-Quot flter wll be used to locate eyes. Otherwse, eye locaton can be determned by the Faceness crteron. Expermental results demonstrate that our method s capable of achevng hgh accuracy and real-tme performance, and s an effectve soluton to the ssue of specular reflectons of NIR lghts on glasses n eye localzaton. Keywords: face detecton; eye localzaton; glasses detecton; AdaBoost; N-Quot flter 引 言 近 红 外 光 图 像 人 脸 识 别 是 人 脸 识 别 领 域 的 一 个 新 的 研 究 热 点 近 红 外 光 图 像 在 很 大 程 度 上 解 决 了 光 照 变 化 对 识 别 性 能 的 影 响, 弥 补 了 可 见 光 人 脸 识 别 的 不 足 人 脸 检 测 作 为 所 有 人 脸 识 别 系 统 的 一 个 前 提 步 骤, 它 的 性 能 直 接 影 响 整 个 人 脸 识 别 系 统 的 性 能 现 有 的 多 数 人 脸 识 别 系 统 都 要 依 赖 于 眼 睛 中 心 位 置 的 严 格 配 准 来 归 一 化 人 脸, 以 便 提 取 人 脸 描 述 特 征 [] 因 此, 眼 睛 的 精 确 定 位 具 有 极 其 重 要 的 意 义 本 文 主 要 研 究 近 红 外 光 图 像 的 人 脸 检 测 和 眼 睛 定 位 算 法 国 内 外 诸 多 学 者 对 这 方 面 进 行 深 入 研 究, 而 且 提 出 了 许 多 算 法 Rowlay 提 出 了 基 于 神 经 网 络 的 人 脸 检 测 方 法 [2], 此 方 法 是 一 个 行 之 有 效 的 方 法, 但 是 无 法 达 到 实 时 性 的 要 求 Osuna 提 出 了 基 于 支 持 向 量 机 的 人 脸 检 测 方 法 [3], 仍 无 法 达 到 实 时 检 测 的 要 求 Vola 提 出 的 基 于 Haar 特 征 和 AdaBoost 算 法 的 人 脸 检 [4] 测 方 法 是 第 一 个 实 时 人 脸 检 测 方 法 此 后 的 人 脸 检 测 研 究 基 本 都 是 基 于 此 方 法 之 上 的, 主 要 的 改 进 有 基 于 MB-LBP 特 征 的 人 脸 检 测 方 法 [5] 实 时 多 视 角 人 脸 [6] 检 测 方 法 等 方 面 近 红 外 光 图 像 的 眼 睛 定 位 方 法 主 要 有 :Dowdall 使 用 人 脸 图 像 在 水 平 方 向 和 垂 直 方 向 的 投 影 来 确 定 眼 睛 的 位 置 [7] Zhao 使 用 数 理 形 态 学 的 开 运 算 进 行 瞳 孔 定 位 [8] 王 使 用 基 于 数 理 形 态 学 的 Quot 滤 波 器 进 行 眼 睛 定 位 [9], 该 方 法 并 不 适 用 戴 眼 镜 时 的 情 况 L 使 用 [0] 基 于 Haar 特 征 和 AdaBoost 算 法 的 人 眼 检 测 器 进 行 眼 睛 定 位, 考 虑 到 了 戴 眼 镜 与 不 戴 眼 镜 时 的 问 题, 在 满 足 实 时 性 的 要 求 下 取 得 了 较 好 的 结 果 本 文 在 总 结 前 人 研 究 方 法 的 基 础 上, 提 出 了 一 种 新 的 近 红 外 光 图 像 眼 睛 定 位 方 法, 此 方 法 不 仅 可 以 有 收 稿 时 间 :200-07-25; 收 到 修 改 稿 时 间 :200-08-26 96 研 究 开 发 Research and Development
20 年 第 20 卷 第 4 期 http://www.c-s-a.org.cn 计 算 机 系 统 应 用 效 的 定 位 眼 睛, 而 且 达 到 了 实 时 性 的 要 求, 在 一 定 程 度 上 解 决 了 戴 眼 镜 时 眼 睛 定 位 的 难 题 该 方 法 先 对 人 脸 区 域 进 行 眼 镜 检 测, 若 检 测 为 不 戴 眼 镜, 则 采 用 基 于 数 理 形 态 学 的 N-Quot 滤 波 方 法 进 行 眼 睛 定 位 ; 若 检 测 为 戴 眼 镜, 则 采 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位 本 文 有 以 下 3 个 贡 献 :() 针 对 近 红 外 光 图 像 具 有 瞳 孔 高 亮 的 特 征, 提 出 了 基 于 数 理 形 态 学 的 N-Quot 滤 波 器 的 眼 睛 定 位 方 法 此 方 法 相 对 王 的 Quot 方 法 [9], 在 速 度 上 提 高 了 很 多 (2) 为 了 进 行 人 脸 图 像 戴 眼 镜 与 否 的 预 判 断, 提 出 了 简 洁 高 效 的 眼 镜 检 测 方 法 (3) 当 人 脸 图 像 戴 眼 镜 情 况 下, 镜 片 反 射 近 红 外 光 干 扰 N-Quot 滤 波 器 眼 睛 定 位 时, 采 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位 2 算 法 介 绍 本 文 的 算 法 由 以 下 两 个 部 分 组 成 : 人 脸 区 域 检 测 和 眼 睛 精 确 定 位 人 脸 区 域 检 测 部 分 采 用 基 于 Haar 特 征 和 AdaBoost 算 法 的 方 法, 眼 睛 精 确 定 位 采 用 基 于 N-Quot 滤 波 器 的 方 法 和 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 算 法 流 程 如 图 所 示 : 当 检 测 到 人 脸 区 域 后, 采 用 眼 镜 检 测 器 进 行 戴 眼 镜 / 不 戴 眼 镜 的 预 判 断 如 果 检 测 为 不 戴 眼 镜, 则 采 用 N-Quot 滤 波 器 分 别 在 左 眼 和 右 眼 区 域 进 行 眼 睛 精 确 定 位 若 眼 睛 定 位 失 败, 则 转 入 戴 眼 镜 模 式 的 眼 睛 定 位 模 块 如 果 检 测 为 戴 眼 镜, 则 进 入 戴 眼 镜 模 式 模 块, 采 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位 3 基 于 Haar 特 征 和 AdaBoost 的 人 脸 检 测 人 脸 检 测 部 分, 本 文 采 用 经 典 的 基 于 Haar 特 征 和 Adaboost 算 法 的 方 法 [4] 3. Haar 特 征 Haar 特 征 具 有 结 构 简 单 计 算 快 速 的 特 点 Haar 特 征 的 特 征 值 定 义 为 白 色 区 域 内 像 素 总 和 减 去 黑 色 区 域 内 像 素 总 和 借 助 于 积 分 图 像 [4], 计 算 一 个 特 征 值 只 需 要 十 几 次 加 减 运 算 即 可 完 成 本 文 仅 使 用 以 下 四 类 Haar 特 征 ( 图 2) A C 类 Haar 特 征 可 以 提 取 垂 直 边 缘,B 类 特 征 可 以 提 取 到 水 平 边 缘,D 类 可 以 提 取 到 对 角 特 征 这 些 特 征 用 于 表 征 图 像 的 基 本 结 构 图 2 四 类 基 本 的 Haar 特 征 图 算 法 流 程 图 3.2 级 联 AdaBoost 算 法 [4] 级 联 AdaBoost 学 习 算 法 的 主 要 过 程 如 下 : 输 入 :) 每 级 的 最 大 误 检 率 f, 每 级 的 最 小 检 测 率 d, 级 联 分 类 器 的 目 标 误 检 率 F target 初 始 化 :) 所 有 正 例 样 本 分 成 两 部 分, 一 部 分 构 成 训 练 用 正 例 样 本 集 S +, 另 一 部 分 构 成 验 证 用 正 例 样 本 集 2) 随 机 选 取 预 定 义 数 量 的 反 例 样 本, 构 成 训 练 用 初 始 反 例 样 本 集 S 0 3 ) =, F 0 =.0, D 0 =.0 ( F 表 示 前 级 级 联 分 类 器 在 验 证 集 上 的 误 检 率, D 表 示 前 级 级 联 分 类 器 在 验 证 集 上 的 检 测 率 ) Whle F > F target Research and Development 研 究 开 发 97
计 算 机 系 统 应 用 http://www.c-s-a.org.cn 20 年 第 20 卷 第 4 期 Begn () 初 始 化 n = (2) 用 当 前 训 练 集 训 练 当 前 强 分 类 器 H a) 根 据 AdaBoost 算 法 步 骤, 训 练 一 个 具 有 n 个 特 征 的 强 分 类 器 b) 调 整 本 级 强 分 类 器 阈 值, 使 当 前 生 成 的 级 联 分 类 器 在 验 证 集 上 的 检 测 率 D 不 低 于 d D c) 用 当 前 生 成 的 级 联 分 类 器 在 验 证 集 上 测 试 误 检 率 F d) 若 误 检 率 F > f F, 则 增 加 一 个 弱 分 类 器 n = n +, 重 复 步 骤 a~c 最 终, 构 成 本 级 强 分 类 器 : H n n H( x) = sgn( αtht( x) η αt) 2, 其 中, t= t= n 是 本 级 训 练 出 的 弱 分 类 器 个 数, αt = log β t 是 第 t 个 弱 分 类 器 的 权 重, η 是 阈 值 的 松 弛 系 数 (3) 自 举 反 例 样 本, 形 成 下 一 级 反 例 样 本 训 练 集 将 训 练 用 反 例 样 本 集 S 清 空 从 反 例 样 本 库 中, 随 机 取 出 一 个 反 例 样 本, 如 果 它 被 当 前 生 成 的 级 联 分 类 器 错 误 分 类, 则 将 它 添 加 到 下 一 级 的 反 例 样 本 集 中 重 复 此 过 程, 直 到 训 练 用 反 例 样 本 集 的 数 量 达 到 预 定 义 的 反 例 样 本 数 量 End 3.3 AdaBoost 人 脸 检 测 器 训 练 过 程 根 据 上 述 级 联 AdaBoost 算 法, 人 脸 检 测 器 训 练 过 程 如 下 首 先 对 训 练 用 人 脸 样 本 进 行 归 一 化 处 理, 以 消 除 图 像 背 景 和 发 型, 所 有 原 始 人 脸 图 像 都 归 一 化 到 24 24 像 素 然 后, 将 归 一 化 人 脸 样 本 分 为 两 部 分 : 一 部 分 作 为 训 练 用 正 例 样 本 集, 数 目 为 8294; 另 一 部 分 作 为 验 证 用 正 例 样 本 集, 数 目 为 8294 非 人 脸 样 本 是 从 非 人 脸 图 像 库 中 随 机 截 取 的, 大 小 同 样 为 24 24 像 素 非 人 脸 图 像 是 指 图 像 任 何 位 置 都 不 包 含 人 脸 的 图 像 归 一 化 非 人 脸 样 本 同 样 分 为 训 练 集 和 验 证 集, 每 级 训 练 用 非 人 脸 样 本 数 目 设 定 为 0000, 验 证 用 非 人 脸 样 本 数 目 为 2496392 设 定 f=0.5,d=.0,f target =5.0 0-4, 按 照 3.2 节 算 法 训 练 级 联 分 类 器 最 终 训 练 得 到 的 级 联 分 类 器 共 9 级, 每 级 的 弱 分 类 器 个 数 分 别 为 :8,6,6,30, 40,40,60,00,420 最 终 的 级 联 分 类 器 在 验 证 集 上 的 检 测 率 为.0, 误 检 率 为 4.04 0-4 4 基 于 N-Quot 滤 波 器 的 眼 睛 定 位 算 法 本 章 先 介 绍 Quot 滤 波 器 和 N-Quot 滤 波 器 的 基 本 概 念, 然 后 介 绍 基 于 N-Quot 滤 波 器 的 眼 睛 定 位 算 法 4. Quot 滤 波 器 的 概 念 Quot 滤 波 器 是 一 种 数 理 形 态 学 滤 波 器 从 概 念 上 说,Quot 滤 波 器 由 两 个 滤 波 器 ( 圆 环 滤 波 器 和 圆 盘 滤 波 器 ) 叠 加 而 成,Quot 滤 波 器 的 输 出 值 定 义 为 圆 盘 和 圆 环 做 膨 胀 运 算 后 的 差 值 [] 对 于 一 个 孤 立 点, 圆 环 可 以 落 下 但 是 圆 盘 无 法 落 下, 因 此 圆 盘 和 圆 环 之 间 产 生 高 度 差 ( 图 3), 所 以 Quot 滤 波 器 可 以 检 测 到 孤 立 点 图 3 Quot 滤 波 处 理 图 4 N-Quot 滤 波 处 理 4.2 N-Quot 滤 波 器 的 概 念 当 孤 立 点 具 有 旋 转 对 称 性 而 且 高 度 单 调 递 减 时, 要 实 现 最 大 高 度 差, 圆 盘 内 只 有 中 心 点 起 作 用 [2] 因 此, 单 点 滤 波 器 可 以 取 代 圆 盘 滤 波 器 ( 图 4) 其 运 算 定 义 如 下 :q= f f R f 为 输 入 图 像,R 是 圆 环 结 构 元 素, 为 膨 胀 运 算 因 为 单 点 滤 波 器 就 是 图 像 本 身, 不 再 需 要 膨 胀 运 算, 所 以 N-Quot 滤 波 器 的 处 理 时 间 大 幅 缩 短 4.3 基 于 N-Quot 滤 波 器 的 眼 睛 定 位 对 于 检 测 到 的 人 脸 区 域, 使 用 N-Quot 滤 波 器 在 眼 睛 区 域 附 近 进 行 滤 波 处 理, 得 到 滤 波 后 的 灰 度 图 像, 然 后 对 灰 度 图 像 进 行 二 值 化 处 理, 把 白 色 区 域 的 质 心 作 为 眼 睛 位 置 的 备 选 点 若 左 眼 和 右 眼 区 域 各 有 一 个 备 选 点, 那 么 它 们 就 作 为 左 眼 和 右 眼 的 位 置 若 左 眼 和 右 眼 有 多 个 备 选 点, 先 利 用 一 些 假 设 进 行 筛 选, 然 后 使 用 人 脸 可 信 度 最 大 准 则 来 确 定 最 终 的 左 眼 和 右 眼 位 置 图 5 为 N-Quot 滤 波 器 处 理 的 结 果, 从 左 到 右 为 : 原 始 人 脸 图 像 圆 环 滤 波 后 的 图 像 两 幅 图 像 的 差 值 图 像 差 值 图 像 的 二 值 图 像 98 研 究 开 发 Research and Development
20 年 第 20 卷 第 4 期 http://www.c-s-a.org.cn 计 算 机 系 统 应 用 图 5 N-Quot 滤 波 器 处 理 结 果 5 眼 镜 检 测 及 戴 眼 镜 时 的 眼 睛 定 位 算 法 在 近 红 外 光 图 像 中, 理 想 的 人 脸 图 像 具 有 明 显 的 瞳 孔 高 亮 特 征, 使 用 N-Quot 滤 波 器 可 以 容 易 的 定 位 眼 睛 但 是, 戴 眼 镜 时 的 镜 面 反 光 给 眼 睛 定 位 带 来 了 很 大 的 困 难 因 为 戴 眼 镜 时 的 反 光 区 域 有 时 也 呈 现 孤 立 区 域, 它 与 瞳 孔 高 亮 特 征 极 为 相 似, 使 得 这 些 干 扰 点 和 真 正 的 瞳 孔 点 无 法 区 分, 这 极 大 干 扰 了 眼 睛 定 位 的 精 度 为 了 解 决 这 个 问 题, 本 文 提 出 了 简 洁 高 效 的 眼 镜 检 测 方 法, 它 可 以 快 速 准 确 的 识 别 出 戴 眼 镜 / 不 戴 眼 镜 的 状 态, 若 检 测 到 人 脸 是 戴 眼 镜 时, 则 采 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位, 这 极 大 的 提 高 了 眼 睛 定 位 算 法 的 鲁 棒 性 5. 眼 镜 检 测 眼 镜 检 测 的 目 标 是 判 断 人 脸 图 像 是 否 戴 眼 镜 眼 镜 的 形 状 多 种 多 样, 但 是 眼 镜 在 鼻 梁 上 方 的 镜 架 横 梁 区 域 特 征 比 较 一 致, 因 此 本 文 选 择 该 区 域 作 为 眼 镜 检 测 的 特 征 区 域 我 们 研 究 发 现, 近 红 外 光 图 像 中 镜 架 横 梁 区 域 与 皮 肤 呈 现 明 显 的 灰 度 差 异, 而 且 镜 架 横 梁 区 一 般 呈 现 水 平 方 向 因 此 本 文 采 用 判 断 人 脸 图 像 鼻 梁 上 方 一 定 区 域 内 是 否 存 在 眼 镜 横 梁 的 方 法 进 行 眼 镜 检 测 具 体 的 算 法 流 程 如 下 : 先 检 测 人 脸 区 域, 然 后 对 人 脸 区 域 鼻 梁 上 方 的 一 定 区 域 内 做 边 缘 检 测, 再 对 边 缘 图 像 做 二 值 化 处 理, 然 后 对 二 值 图 像 进 行 数 理 形 态 学 处 理 来 消 除 异 物 的 干 扰, 最 后 判 断 出 人 脸 是 否 戴 眼 镜 的 状 态 流 程 图 如 下 : 使 得 瞳 孔 甚 至 眼 睛 部 分 不 可 见, 这 给 眼 睛 定 位 带 来 了 很 大 的 困 难 为 了 解 决 此 问 题, 本 文 提 出 了 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位 人 脸 可 信 值 Faceness 定 义 如 下 : Faceness( A, B) α h ( x) N n = = t= AB, 表 示 原 始 图 像 中 的 两 个 点, N 表 示 AdaBoost 算 法 训 练 出 来 的 分 类 器 的 级 联 数 目, n 表 示 第 级 强 分 类 器 中 弱 分 类 器 的 个 数, α t 表 示 第 级 强 分 类 器 中 第 t 个 弱 分 类 器 的 权 重, ht ( x ) 表 示 第 级 强 分 类 器 中 第 t 个 弱 分 类 器 x 表 示 原 始 图 像 中 把 A B 两 点 作 为 左 右 眼 睛 位 置 时, 进 行 几 何 归 一 化 后 的 图 像 从 直 观 上 来 说, 人 脸 可 信 值 Faceness 为 每 级 强 分 类 器 的 得 分 总 和 当 左 眼 候 选 区 域 ( 图 7 的 RA 区 域 ) 和 右 眼 候 选 区 域 ( 图 7 的 RB 区 域 ) 内 某 两 个 点 作 为 输 入 计 算 得 到 的 Faceness 最 大 时, 表 示 此 时 的 图 像 最 像 人 脸, 这 两 个 点 即 可 作 为 眼 睛 位 置 其 运 算 定 义 如 下 : 如 果 Faceness( Leye, Reye) = max{ Faceness( p, p )} p RA p2 RB t t 2 则 Leye 为 左 眼 位 置, Reye 为 右 眼 位 置 其 中 RA 为 左 眼 坐 标 候 选 区 域,RB 为 右 眼 坐 标 候 选 区 域 当 检 测 到 人 脸 区 域 后, 即 可 确 定 RA RB 区 域 p 代 表 RA 区 域 内 的 一 个 点, p 2 代 表 RB 区 域 内 的 一 个 点 点 Leye 和 点 Reye 代 表 使 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 确 定 的 双 眼 坐 标 此 方 法 用 全 局 的 观 点 来 确 定 眼 睛 的 位 置, 后 续 的 实 验 表 明 此 方 法 有 较 好 的 效 果 图 6 眼 镜 检 测 流 程 图 图 7 眼 睛 候 选 位 置 示 意 图 5.2 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 戴 眼 镜 时 由 于 镜 片 和 眼 镜 边 框 会 反 射 近 红 外 光, 具 体 的 眼 睛 定 位 方 法 如 下 : 当 检 测 到 人 脸 区 域 后, 即 可 确 定 左 眼 坐 标 候 选 区 域 RA 和 右 眼 坐 标 候 选 区 域 Research and Development 研 究 开 发 99
计 算 机 系 统 应 用 http://www.c-s-a.org.cn 20 年 第 20 卷 第 4 期 RB 在 RA 区 域 内 取 n 个 点 作 为 左 眼 坐 标 候 选 点, 同 样 在 RB 区 域 内 取 n 个 点 作 为 右 眼 坐 标 候 选 点, 那 么 它 们 可 以 两 两 组 成 n 2 个 眼 睛 坐 标 点 对 然 后 对 这 n 2 个 点 对 分 别 计 算 Faceness 值, 并 且 计 算 n 2 个 Faceness 值 的 最 大 值, 此 最 大 值 对 应 的 点 对 即 为 左 右 眼 睛 坐 标 图 8 基 于 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 的 眼 睛 定 位 示 意 图 图 8 表 示 基 于 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 的 眼 睛 定 位 流 程 左 上 角 的 图 像 表 示 原 始 人 脸 图 像, 右 上 角 图 像 中 的 p p2 点 位 于 RA 区 域 内, 表 示 左 眼 候 选 坐 标 ; p3 p4 点 位 于 RB 区 域 内, 表 示 右 眼 候 选 坐 标 那 么 候 选 眼 睛 坐 标 为 (p,p3) (p,p4) (p2,p3) (p2, p4), 然 后 分 别 以 它 们 为 眼 睛 坐 标 进 行 几 何 归 一 化 处 理, 并 计 算 相 应 的 Faceness 值 图 8 下 半 部 分 的 四 幅 图 像 为 对 应 的 归 一 化 图 像, 它 们 下 方 的 数 值 表 示 对 应 的 Faceness 值 可 以 观 察 到 (p,p3) 对 应 的 Faceness 值 最 大, 则 (p,p3) 为 最 终 的 左 右 眼 睛 坐 标 6 实 验 结 果 本 文 算 法 使 用 C++ 实 现, 开 发 平 台 为 Vsual Studo 2005 6. 实 验 数 据 为 了 说 明 并 验 证 本 文 算 法 的 有 效 性, 我 们 在 自 建 的 近 红 外 光 人 脸 数 据 库 上 进 行 了 实 验 自 建 数 据 库 是 实 验 室 采 集 的 近 红 外 光 真 实 人 脸 图 片 ( 大 小 为 320 240 像 素 ), 共 有 74 人, 每 个 人 分 为 normal 和 glass 两 个 目 录 (normal 目 录 表 示 不 戴 眼 镜,glass 目 录 表 示 戴 眼 镜 ), 共 07 幅 图 像 6.2 实 验 方 法 及 实 验 结 果 使 用 通 用 的 指 标 err [3] 来 定 量 的 衡 量 算 法 的 效 果 假 设 d ( d ) l r 表 示 左 眼 ( 右 眼 ) 定 位 结 果 和 真 实 左 眼 ( 右 眼 ) 位 置 之 间 的 欧 式 距 离, D 定 义 为 真 实 双 眼 位 置 之 间 的 欧 式 距 离, 则 err 定 义 为 : err max( dl, dr) D = 以 下 实 验 为 了 说 明 并 检 验 算 法 各 个 部 分 的 作 用 而 设 计 实 验 : 为 了 单 独 检 验 眼 镜 检 测 算 法 的 有 效 性, 实 验 将 全 部 07 个 人 脸 样 本 作 为 输 入 进 行 人 脸 检 测, 实 验 仅 对 成 功 检 测 的 人 脸 区 域 进 行 眼 镜 检 测 实 验 结 果 如 下 : 成 功 检 测 到 的 人 脸 总 数 为 0032( 其 中 戴 眼 镜 的 个 数 为 560, 不 戴 眼 镜 的 个 数 为 4872), 戴 眼 镜 的 样 本 中 被 误 判 的 个 数 为 49, 不 戴 眼 镜 的 样 本 中 被 误 判 的 个 数 为 98, 正 确 率 达 96.5% 实 验 2: 为 了 检 验 整 个 算 法 的 效 果, 我 们 在 以 下 三 个 数 据 集 上 进 行 实 验 数 据 集 S 中 的 图 像 为 不 戴 眼 镜 的 人 脸 图 像, 数 目 为 429; 数 据 集 S2 中 的 图 像 为 戴 眼 镜 的 人 脸 图 像, 数 目 为 373; 数 据 集 S3 为 S 和 S2 的 并 集, 包 括 戴 眼 镜 和 不 戴 眼 镜 的 样 本, 样 本 总 数 为 2802 个 在 三 个 不 同 数 据 集 上 的 测 试 结 果 如 表 所 示 表 三 个 数 据 集 上 实 验 结 果 的 比 较 数 据 集 检 测 率 (err 0.25) 平 均 误 差 ( 像 素 ) 运 行 时 间 (ms) S 97.9%.3 24 S2 90.5% 5.8 44 S3 94.3% 3.5 34 数 据 集 S3 包 含 戴 眼 镜 和 不 戴 眼 镜 的 人 脸 图 像, 比 较 符 合 真 实 的 样 本 分 布 在 CPU 为 2.GHz 的 PC 机 上, 处 理 一 幅 图 像 的 时 间 为 34ms, 其 中 AdaBoost 人 脸 检 测 耗 时 2ms, 眼 睛 定 位 耗 时 3ms 眼 睛 定 位 结 果 和 真 实 眼 睛 位 置 的 平 均 误 差 为 3.5 个 像 素 在 err0.25 的 条 件 下, 检 测 率 为 94.3%; 当 err<0.5 时, 检 测 率 为 88.4% 图 9 详 细 的 给 出 了 实 验 2 的 结 果 图 0 为 部 分 近 红 外 光 图 像 的 实 验 结 果 图 9 实 验 结 果 00 研 究 开 发 Research and Development
20 年 第 20 卷 第 4 期 http://www.c-s-a.org.cn 计 算 机 系 统 应 用 6.3 实 验 分 析 从 上 述 的 实 验 结 果 看, 本 文 的 算 法 有 较 好 的 效 果, 但 是 仍 然 存 在 不 少 定 位 不 准 或 者 判 断 错 误 的 情 况 AdaBoost 人 脸 检 测 时, 当 眉 毛 区 域 被 头 发 遮 挡 较 多 时 容 易 发 生 漏 检 眼 镜 检 测 的 错 误 主 要 有 : 头 发 等 异 物 落 入 眼 镜 横 梁 区 域 上 方 时, 引 起 戴 眼 镜 的 误 判 断 有 些 眼 镜 的 横 梁 区 灰 度 与 皮 肤 太 接 近 时, 也 会 造 成 不 戴 眼 镜 的 误 判 断 这 些 都 是 算 法 需 要 改 进 的 地 方 从 表 中 可 以 看 出, 本 文 算 法 在 数 据 集 S 上 的 效 果 优 于 在 数 据 集 S2 上 的 效 果, 前 者 的 运 行 时 间 较 短 且 具 有 较 低 的 平 均 误 差 这 主 要 是 因 为 数 据 集 S 中 的 全 部 图 像 都 是 不 戴 眼 镜 的 人 脸 图 像, 使 用 N-Quot 滤 波 器 可 以 快 速 准 确 地 定 位 眼 睛 ; 而 数 据 集 S2 的 图 像 都 为 戴 眼 镜 的 人 脸 图 像,Faceness 准 则 从 全 局 信 息 出 发, 眼 睛 定 位 时 间 相 对 较 长 图 0 部 分 实 验 结 果 7 结 论 针 对 近 红 外 光 图 像, 本 文 提 出 了 实 时 高 精 度 人 脸 检 测 和 眼 睛 定 位 算 法 该 算 法 先 对 输 入 图 像 进 行 人 脸 检 测, 然 后 对 检 测 到 的 人 脸 区 域 进 行 眼 镜 检 测, 若 检 测 为 不 戴 眼 镜, 使 用 N-Quot 滤 波 器 进 行 眼 睛 定 位 ; 若 检 测 为 戴 眼 镜, 使 用 人 脸 可 信 值 最 大 准 则 进 行 眼 睛 定 位 实 验 结 果 表 明, 此 算 法 有 较 好 的 效 果 我 们 将 在 后 续 的 研 究 中 考 虑 加 入 其 他 面 部 特 征 点 ( 例 如 鼻 孔 位 置 ) 来 提 高 眼 睛 定 位 的 精 度, 以 期 待 能 够 得 到 更 高 性 能 的 人 脸 检 测 系 统 参 考 文 献 山 世 光, 高 文, 唱 轶 钲, 曹 波, 陈 熙 霖. 人 脸 识 别 中 的 误 配 准 灾 难 问 题 研 究. 计 算 机 学 报,2005,28(5):782-79. 2 Rowley HA, Baluja S, Kanade T. Neural network-based face detecton. IEEE Trans. on Pattern Analyss and Machne Intellgence, 998,20():23-38. 3 Osuna E, Freund R, Gros F. Tranng support vector machnes: an applcaton to face detecton. IEEE Computer Socety Conference on Computer Vson and Pattern Recognton. Puerto Rco: IEEE, 997: 30-36. 4 Vola P, Jones M. Robust real tme object detecton. Second Internatonal Workshop on Statstcal and Computatonal Theores of Vson. Vancouver: IEEE, 200: 37-54. 5 Zhang L, Chu R, Xang S, L SZ. Face detecton based on mult-block LBP representaton. Proc. of IAPR/IEEE Internatonal Conference on Bometrcs (ICB-2007). Seoul: IEEE, 2007:-8. 6 Huang C, A H, L Y, Lao S. Hgh-performance rotaton nvarant multvew face detecton. IEEE Trans. on Pattern Analyss and Machne Intellgence, 2007,29(4):67-686. 7 Dowdall JB, Pavlds I, Bebs GN. Face detecton n the near-ir spectrum. Image and Vson Computng, 2003,2 (7):565-578. 8 Zhao SY, Grgat RR. An automatc face recognton system n the near nfrared spectrum. Proc. of Machne Learnng and Data Mnng n Pattern Recognton. Lepzg: Sprnger, 2005: 437-444. 9 王 基 帆, 童 卫 青. 基 于 数 理 形 态 学 的 近 红 外 光 图 像 实 时 人 脸 检 测. 华 东 师 范 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版 ),200,3:39-47. 0 L SZ, Chu R, Lao S, Zhang L. Illumnaton nvarant face recognton usng near-nfrared mages. IEEE Trans. on Pattern Analyss and Machne Intellgence, 2007,29(4): 627-639. Yamamoto S, Matsumoto M, Tateno Y, Inuma T, Matsumoto T. Quot flter: a new flter based on mathematcal morphology to extract the solated shadow, and ts applcaton to automatc detecton of lung cancer n X-ray CT. Proc. of 3th Internatonal Conference on Pattern Recognton (ICPR 96).Venna: IEEE, 996: 2-7. 2 Mwa T, Kako J, Yamamoto S, Matsumoto M, Tateno Y, Inuma T, Matsumoto T. Automatc detecton of lung cancers n chest CT mages by the varable N-Quot flter. Systems and Computers n Japan, 2002,33():53-63. 3 Zhou ZH, Geng X. Projecton functons for eye detecton. Pattern Recognton, 2004,37(5):049-056. Research and Development 研 究 开 发 0