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3.1 引言

计算机人脸识别是一个非常活跃的研究领域，因其在公安刑侦破案、银行密码系统、计算机安全系统以及动态监视系统等方面都有广泛应用，已成为当前模式识别、计算机视觉领域的研究热点。人脸识别系统一般包括人脸检测与定位、人脸图像预处理、特征提取和匹配识别四个组成部分。其中，人脸图像预处理，作为特征提取和识别的前提步骤，是计算机人脸识别系统中的必要环节。其目的是在去除噪声，加强有用信息，对输入设备或其他因素造成的退化现像进行复原，为后续的特征提取和识别作准备。

不同的人脸识别系统根据其采用的图像来源和识别算法需要不同，采用的预处理方法也不同。常用的人脸图像预处理方法有：滤波去噪、灰度变换、图像二值化、边缘检测、尺寸归一化、灰度归一化等。用在同一系统中的可能只有其中一种或几种预处理方法，但一旦库中采集到的原始图像质量发生较大变化（如人脸大小、光照强度、拍摄条件、成像系统等方面变化），原有的预处理模块便不能满足特征提取的需要，还要更新，这是极不方便的。

鉴于此，作者在总结分析了灰度变换、滤波去噪、边缘检测三种广泛应用于不同人脸识别系统中的预处理方法基础上，设计了一个通用的人脸图像预处理仿真系统。该系统可对不同条件下的原始图像进行相应的预处理。如，用户可根据需要选择使用不同的滤波方法去除噪声、不同的边缘检测算子检测人脸边缘、选择不同的灰度变换算法实现图像的灰度校正和灰度归一化，仿真系统同时还实现了尺寸归一化、二值化等其他常用的图像预处理算法。

3.2系统基本机构

人脸识别是一个复杂的过程，一个计算机人脸识别的流程如图3-1所示。它包括几个步骤：对采集到的图像，首先进行人脸检测（在输入图像中寻找人脸），给出人脸有无的结果；然后进行人脸定位，确定人脸的位置并提取出来。对人脸的定位在输入是图像序列时一般也称之为人脸跟踪。通常检测和定位结合进行。对提取出来的人脸借助人脸描述就可以进行（狭义的）人脸识别，即通过提取特征来确定其身份。

图3.1 基本框架图

3.3 人脸检测定位算法

人脸检测定位算法大致可分为两大类：基于显式特征的方法和基于隐式特征的方法。

所谓显式特征是指对人类肉眼来说直观可见的特征，如肤色、脸部轮廓、脸部结构等。基于显式特征的方法是指由人通过肉眼观察，总结出人脸区别于“非人脸”区域的特征，然后根据被检测区域是否满足这些“人脸特征”，来判定该区域是否包含人脸。根据所选择的“人脸特征”，基于显式特征的方法分以下三类：基于肤色模型的方法、模板匹配的方法、基于先验知识的方法。

在彩色图像中，颜色是人脸表面最为显著的特征之一，利用颜色检测人脸是很自然的想法。Yang等在考察了不同种族、不同个体的肤色后，认为人类的肤色能在颜色空间中聚成单独的一类，而影响肤色值变化的最主要因素是亮度变化。因此他们采用广泛使用的RGB颜色空间，在滤去亮度值的图像中通过比较像素点的ｒ、ｇ值与肤色范围来推断该像素点及其邻域是否属于人脸区域。除了RGB颜色空间，还有诸如HIS，LUV，GLHS等其它颜色空间被使用。寻找到肤色区域后，必须进行验证，排除类肤色区域。Yoo等利用肤色像素的连通性分割出区域，使用椭圆拟合各个区域，根据椭圆长短轴的比率判断是否为人脸。

模板匹配的方法一般是人为地先定义一个标准人脸模板，计算输入图像与模板的似然度；然后，确定一个似然度阈值，用以判断该输入图像中是否包含人脸。标准人脸模板可以是固定的样板，也可以是带参变量的曲线函数。

基于先验知识的方法则采用符合人脸生理结构特征的人脸镶嵌图（mosaic image）模型，并在分析了足够多的人脸图像样本的基础上，针对人脸的灰度、边缘、纹理等信息，建立一种关于人脸的知识库。在检测中，首先抽取这些灰度、边缘等信息，然后检验它是否符合知识库中关于人脸的先验知识。

以上三种方法的优缺点比较见表3-1。

表3-1 基于显示特征方法的特点

基于隐式特征的方法将人脸区域看成一类模式，使用大量“人脸”、“非人脸”样本训练、构造分类器，通过判别图像中所有可能区域是否属于“人脸模式”的方法来实现人脸检测。这类方法有：特征脸法、人工神经网络法、支持向量机法；积分图像法。

特征脸法（eigenface）把单个图像看成一维向量，众多的一维向量形成了人脸图像特征空间，再将其变换到一个新的相对简单的特征空间，通过计算矩阵的特征值和特征向量，利用图像的代数特征信息，寻找“人脸”、“非人脸”两种模式在该特征空间中的分布规律。

人工神经网络（Artificial Neural Network，ANN）的方法是通过训练一个网络结构，把模式的统计特性隐含在神经网络的结构和参数之中。基于人工神经网络的方法对于复杂的、难以显式描述的模式，具有独特的优势。

支撑向量机（Support Vector Machine，SVM）法是在统计学习理论基础上发展出的一种新的模式识别方法，它基于结构风险最小化的原理，较之于基于经验风险最小化的人工神经网络，一些难以逾越的问题，如：模型选择和过学习问题、非线性和维数灾难问题、局部极小点问题等都得到了很大程度上的解决。但是直接使用SVM方法进行人脸识别有两方面的困难：第一，训练时需要求解二次规划问题计算复杂度高，内存需求量巨大；第二，在非人脸样本不受限制时，需要极大规模的训练集合，得到的支持向量会很多，使得分类器的计算量过高。

基于积分图像（Integral Image）特征的人脸检测方法是Viola等新近提出的一种算法，它综合使用了积分图像描述方法、Adaboost学习算法及训练方法、级联弱分类器。

以上四种方法的优缺点比较见表3-2

表3-2 基于隐式特征方法的特征

运用matlab仿真进行人脸检测定位实例：

人脸检测定位程序：

%%%%% Reading of a RGB image

i=imread('face1.jpg');

I=rgb2gray(i);

BW=im2bw(I);

figure,imshow(BW)

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%% minimisation of background portion

[n1 n2]=size(BW);

r=floor(n1/10);

c=floor(n2/10);

x1=1;x2=r;

s=r*c;

for i=1:10

y1=1;y2=c;

for j=1:10

if (y2<=c | y2>=9*c) | (x1==1 | x2==r*10)

loc=find(BW(x1:x2, y1:y2)==0);

[o p]=size(loc);

pr=o*100/s;

if pr<=100

BW(x1:x2, y1:y2)=0;

r1=x1;r2=x2;s1=y1;s2=y2;

pr1=0;

end

imshow(BW);

end

y1=y1+c;

y2=y2+c;

end

x1=x1+r;

x2=x2+r;

end

figure,imshow(BW)

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

%%%%% detection of face object

L = bwlabel(BW,8);

BB = regionprops(L, 'BoundingBox');

BB1=struct2cell(BB);

BB2=cell2mat(BB1);

[s1 s2]=size(BB2);

mx=0;

for k=3:4:s2-1

p=BB2(1,k)*BB2(1,k+1);

if p>mx & (BB2(1,k)/BB2(1,k+1))<1.8

mx=p;

j=k;

end

end

figure,imshow(I);

hold on;

rectangle('Position',[BB2(1,j-2),BB2(1,j-1),BB2(1,j),BB2(1,j+1)],'EdgeColor','r' )

灰度图片

原始图片

均衡化灰度图片与人脸定位

3.4 人脸图像的预处理

不同的人脸识别系统根据其采用的图像来源和识别算法需要不同，采用的预处理方法也不同。常用的人脸图像预处理方法有：滤波去噪、灰度变换、图像二值化、边缘检测、尺寸归一化、灰度归一化等。用在同一系统中的可能只有其中一种或几种预处理方法，但一旦库中采集到的原始图像质量发生较大变化（如人脸大小、光照强度、拍摄条件、成像系统等方面变化），原有的预处理模块便不能满足特征提取的需要，还要更新，这是极不方便的。鉴于此，作者在总结分析了滤波去噪、边缘检测、灰度变换三种广泛应用于不同人脸识别系统中的预处理方法基础上，设计了一个通用的人脸图像预处理仿真系统。该系统可对不同条件下的原始图像进行相应的预处理。如，用户可根据需要选择使用不同的滤波方法去除噪声、不同的边缘检测算子检测人脸边缘、选择不同的灰度变换算法实现图像的灰度校正和灰度归一化，仿真系统同时还实现了尺寸归一化、二值化等其他常用的图像预处理算法。

3.4.1 仿真系统中实现的人脸图像预处理方法

根据所查阅文献资料，常应用于人脸图像的预处理方法有：图像类型转换、滤波去噪、灰度变换、边缘检测及二值化、尺寸归一化、灰度归一化等。作为通用人脸图像预处理模块，要能够充分适应不同人脸库中图像在人脸大小、光照强度、成像系统等方面的任意性和差异性，不能单独采用某种单一的滤波、灰度变换和边缘检测方法。所以，在本仿真系统中，对上述的每种预处理方法全部加以实现的同时，还对三种最常用预处理方法：滤波去噪、灰度变换、边缘检测，提供了多种不同的具体算法供用户比较、选择之用。

1)滤波去噪

由于噪声给图像带来的失真和降质，在特征提取之前采用滤波的方式来去除噪声是实际人脸识别系统中所必须的步骤。滤波的方法有很多，如各种平滑滤波、各种锐化滤波等，关于各种滤波方法的原理和分类可参考文献[2]。下面对本文实现的滤波方法及其选择依据加以说明。在人脸图像预处理中使用较多的滤波是平滑滤波，方法可分为以下三类：线性滤波、中值滤波、自适应滤波。

（1）线性滤波最典型的线性滤波方法如，采用邻域平均法的均值滤波器、采用邻域加权平均的高斯滤波和维纳滤波。对图像进行线性滤波可以去除图像中某些特定类型的噪声，如图像中的颗粒噪声，高斯噪声、椒盐噪声等。对扫描得到的人脸图像根据其噪声类型一般采用此种滤波方法。考虑滤波模板大小对滤波效果影响较大，仿真系统选择算法时对同种滤波算法提供了不同模板大小的情况。

（2）中值滤波法中值滤波法是一种非线性滤波方法，它把像素及其邻域中的像素按灰度级进行排序，然后选择该组的中间值作为输出像素值。中值滤波方法的最大优点是抑制噪声效果明显且能保护边界。对于使用基于整体的人脸识别算法的系统中，由于失掉小区域的细节对特征提取影响较小，所以这种滤波方法最受欢迎。

（3）自适应滤波自适应滤波能够根据图像的局部方差来调整滤波器的输出，其滤波效果要优于线性滤波，同时可以更好地保存图像的边缘和高频细节信息。

2)灰度变换

灰度变换是图像增强技术中的一种。通过灰度变换，可对原始图像中的光照不均进行补偿，使得待识别人脸图像遵循同一或相似的灰度分布。只有这样，不同图像在特征提取和识别时才具有可比性。这一过程，也被称作灰度归一化。常用在人脸识别系统中的灰度变换方法主要有：基于图像统计特征的直方图均衡化、直方图规定化和灰度均值方差标准化三种方法。直方图均衡化和直方图规定化的灰度变换原理和实现方法可由matlab仿真来实现。

三种灰度变换方法，均能在一定程度上消除由于光照条件不同而对人脸识别带来的影响。故在仿真系统中提供了三种灰度变换效果比较及选择界面，用户可根据需要选用。

3)边缘检测

对输入人脸图像进行边缘检测是很多人脸识别系统在人脸粗定位及人脸主要器官（眼睛、鼻子、嘴巴）定位时采用的预处理方法。边缘检测的方法有很多，主要有：微分算子法、Sobel算子法、拉普拉斯算子法、canny算子法等。每种算子对不同方向边缘的检测能力和抑制噪声的能力都不同。所以，和灰度变换及滤波去噪部分的设计思路相同，在仿真系统中，笔者给出了canny、sobel、log、prewitt四种算子在不同灰度阈值下、不同方向的边缘检测算法，使用者可从检测结果中加以比较、选择合适的算法。图像类型转换、图像二值化、尺寸归一化也是一些人脸识别系统中经常使用的预处理方法。为了在不修改其他算法的基础上，扩大系统处理图像的类型和范围，将输入图像首先转换为统一的类型，是多数人脸图像预处理中的第一步。在本仿真系统中通过调用MATLAB中提供的各种图像类型转换函数来实现TIF、JPG转换为BMP格式及彩色到灰度图像的转换；对图像二值化，采用了graythresh()函数来自动选择阈值的二值化方法[1]；尺寸归一化采用的算法是对人脸图像进行剪裁和尺寸缩放，实现去除大部分头发、服饰和背景的干扰并将人脸图像大小统一。