基于輻射能量的人臉識(shí)別研究

基于輻射能量的人臉識(shí)別研究

1人臉圖像壓力人臉識(shí)別技術(shù)是目前生物識(shí)別技術(shù)中最活躍的領(lǐng)域。它具有直觀性、動(dòng)性和非損傷性。近十多年來(lái),來(lái)自數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)、心理學(xué),乃至認(rèn)知科學(xué)方面的研究人員都在努力探索利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別人臉的理論和算法,并產(chǎn)生了一批人臉識(shí)別系統(tǒng)。但這些工作主要基于可見(jiàn)光照相機(jī),因?yàn)榇罅空掌加蛇@類(lèi)相機(jī)產(chǎn)生,且這種相機(jī)便宜、可靠、分辨率高。但是到目前為止,還沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)可以穩(wěn)定可靠地應(yīng)用于實(shí)際人臉識(shí)別中。因其性能受到光線、陰影、化妝等一系列外部因素的影響,而且人臉是3維的彈性物體,它隨姿態(tài)、表情、發(fā)型等的變化而變化,而所有這些變化都難以建模、描述和分析。2002年在美國(guó)海軍部,反毒品局及標(biāo)準(zhǔn)局的主持下舉行的人臉識(shí)別產(chǎn)品競(jìng)賽(FRVT2002)的結(jié)果表明,對(duì)于像Visionics公司開(kāi)發(fā)的FaceIt等10個(gè)全球最著名的產(chǎn)品,如果環(huán)境嚴(yán)格控制,且被測(cè)對(duì)象也給以一定的配合,則效果還是滿意的(正確率大于95%),否則性能會(huì)急劇下降,識(shí)別率只有30%～50%。近幾年,有研究人員嘗試用紅外技術(shù)來(lái)進(jìn)行人臉識(shí)別,它的最大好處是紅外圖像不受外部光線的影響。同時(shí),人是恒溫動(dòng)物,人的皮膚具有很高的發(fā)射率,可近似認(rèn)為是黑體(發(fā)射率為1),且發(fā)射率不受種族,膚色的影響,這就是說(shuō),在所拍攝的人臉圖像中,當(dāng)人體溫度與環(huán)境溫度接近時(shí),人臉部分總是最亮的,這為人臉圖像的分割帶來(lái)了很大的便利。但是需指出的是,“恒溫動(dòng)物”只是大概地說(shuō)明了人體的內(nèi)部溫度是恒定的,而皮膚溫度的分布則是隨著人、時(shí)間和環(huán)境的不同而改變的。實(shí)際上,人臉溫譜圖還受到各種內(nèi)在的(生理,心理等)和外在的(環(huán)境,成像等)條件的影響。這些變化將會(huì)嚴(yán)重影響紅外識(shí)別系統(tǒng)的性能,正如文獻(xiàn)中所說(shuō)的。很明顯,紅外圖像中環(huán)境溫度的影響等同于可見(jiàn)光圖像中光照的影響。那么怎樣提高紅外人臉識(shí)別系統(tǒng)在不同環(huán)境下的性能?本文根據(jù)Stefan-Boltzmann定律,提出把人體溫譜圖轉(zhuǎn)為輻射能量圖,并將此能量數(shù)據(jù)用于人臉識(shí)別,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,此方法是有效的。2輻射能量圖2.1stefan-boltzman的藥物代謝眾所周知,任何溫度高于0K的物體都會(huì)向外界輻射能量,且物體的溫度不同,對(duì)外輻射的能量也不同。通過(guò)對(duì)黑體的研究,1879年JosefStefan提出Stefan-Boltzmann定律,即黑體輻射的總能量E和絕對(duì)溫度T的四次方成正比,即E=σΤ4(1)E=σT4(1)對(duì)于一般物體,其輻射能量會(huì)受到自身發(fā)射率(黑體的發(fā)射率為1)和所處環(huán)境溫度的影響。如果人臉皮膚溫度為T(mén),當(dāng)外部溫度為T(mén)e(下角e代表environment)時(shí)的對(duì)外輻射能量為E,則根據(jù)Stefan-Boltzmann定律,有E=εσ(Τ4-Τ4e)(2)E=εσ(T4?T4e)(2)ε為發(fā)射率。通常人的皮膚對(duì)長(zhǎng)波紅外的吸收很高,所以具有很高的發(fā)射率,一般在0.97以上,本文選定ε=0.98。假設(shè)人體處于一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),人臉皮膚溫度要高于外部環(huán)境的溫度,且紅外相機(jī)能準(zhǔn)確地測(cè)出皮膚溫度,則通過(guò)式(2)可以把易受環(huán)境溫度影響的溫譜圖轉(zhuǎn)換成更為魯棒的輻射能量圖。2.2溫度同能量的關(guān)系從變換的觀點(diǎn)看,式(2)定義了一個(gè)從溫譜空間到輻射能量空間的匹配。此外,這一變換為點(diǎn)變換,它既保持了人臉特征信息的位置不變,同時(shí)也保證了人臉圖像的幾何信息沒(méi)有產(chǎn)生變形。對(duì)能量E進(jìn)行求導(dǎo):dEdΤ=4εσΤ3(3)因?yàn)門(mén)>0,所以dEdΤ一直為正數(shù),這就意味著皮膚溫度同能量是一種單調(diào)的正比關(guān)系,溫度高的皮膚區(qū)域具有較高的能量。圖1說(shuō)明了溫度同能量的關(guān)系。從圖像處理的角度看,dEdΤ的值隨著T變大而變大,所以這個(gè)變換是一個(gè)非線性變換(如圖1所示)。這一變換對(duì)溫度低的部分,加權(quán)較小,而對(duì)溫度高的部分加權(quán)較大。因而對(duì)溫度較低且容易變化的背景和頭發(fā)部分,在輻射能量圖中就受到了一定的抑制(如圖2所示)。此外,這一變換對(duì)環(huán)境溫度的變化不敏感,當(dāng)環(huán)境溫度變化為ΔTe時(shí),能量的變化為ΔE=εσΤ4[1-(ΤeΤ)4]-εσΤ4[1-(Τe+ΔΤeΤ)4]=εσΤ4[(Τe+ΔΤeΤ)4-(ΤeΤ)4]=εσΤ4[4Τ3eΤ3ΔΤeΤ+6Τ2eΤ2(ΔΤeΤ)2+4ΤeΤ(ΔΤeΤ)3+(ΔΤeΤ)4](4)如果ΔTe比較小,則ΔΤeΤ趨近于0(T為開(kāi)爾文溫度),從而可以忽略高階部分,即ΔE≈4εσΤ3e(ΔΤe)(5)從式(5)中可以看出,如果Te變化很小,則能量的變化ΔE同環(huán)境溫度的變化ΔTe幾乎是線性關(guān)系。當(dāng)使用主成分分析(PCA)、離散余弦變換(DCT)、離散小波變換(DWT)等方法進(jìn)行特征提取時(shí),在環(huán)境溫度分別為T(mén)e和Te+ΔTe時(shí),基于能量圖提取的特征是相同的。這就意味著,當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生較小的變化時(shí),并不會(huì)導(dǎo)致識(shí)別率的下降。3結(jié)果與分析3.1溫度自校正功能本文采集圖像所用的相機(jī)是由FLIR公司生產(chǎn)的ThermoVisionA40紅外相機(jī)。這種相機(jī)使用無(wú)冷卻微輻射熱測(cè)量傳感器,其像素分辨率為320×240,光譜響應(yīng)頻段為7.5～13μm。為準(zhǔn)確測(cè)出被測(cè)對(duì)象的表面溫度,該設(shè)備設(shè)有溫度自校正功能,以消除溫漂。其溫度敏感度高達(dá)0.08℃。本數(shù)據(jù)庫(kù)中包含50個(gè)人共1000張圖像,這些圖像都是在同一條件下采集的,即在溫控條件下控制溫度在25.6～26.3℃左右。每個(gè)人都站在照相機(jī)前大約1m的地方。其中的500張為訓(xùn)練樣本,另外500張為測(cè)試樣本。訓(xùn)練樣本中有50人,每個(gè)人有10個(gè)樣本,其中2個(gè)正面,2個(gè)朝上看,2個(gè)朝下看,2個(gè)朝左看及2個(gè)朝右看。每個(gè)對(duì)象的樣本都在1min之內(nèi)獲取。因?yàn)檠坨R對(duì)紅外光來(lái)說(shuō)是不透明的,所以樣本都沒(méi)有戴眼鏡。3.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析根據(jù)溫度差異,可以方便地檢測(cè)出臉部區(qū)域,并歸一化到相同尺寸(80×60)(如圖3所示)。圖像插值均采用最近鄰法,以確保數(shù)值變化不大。為了驗(yàn)證輻射能量數(shù)據(jù)用于人臉識(shí)別的可行性,本文采用4種不同的識(shí)別方法對(duì)歸一化的圖像進(jìn)行識(shí)別。4種方法分別為PCA、DWT+PCA、DWT+DCT、頻譜臉?lè)椒āＦ渲?DWT+PCA方法先對(duì)歸一化的圖像進(jìn)行兩級(jí)小波分解,再對(duì)分解后的低頻子帶用PCA方法進(jìn)行識(shí)別;DWT+DCT方法先對(duì)圖像進(jìn)行兩級(jí)小波分解,然后對(duì)分解后的低頻子帶進(jìn)行DCT變換,再按“Z”字形提取DCT系數(shù)作為特征用來(lái)進(jìn)行識(shí)別;頻譜臉?lè)椒槲墨I(xiàn)中所提出的方法。上面4種方法均使用歐氏距離和最近鄰分類(lèi)器來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果(識(shí)別率)如圖4和表1所示。從圖4和表1中可以看到,不管使用上述哪種方法進(jìn)行識(shí)別,基于能量圖的識(shí)別率均高于基于溫譜圖的識(shí)別率。