基于局部四值模式的人臉識(shí)別

云楠+馮志勇

摘 要： 局部二值模式（LBP）作為經(jīng)典的紋理特征描述方法廣泛應(yīng)用于紋理分類和人臉識(shí)別等領(lǐng)域。然而現(xiàn)有相關(guān)算法僅利用周圍一個(gè)圓形鄰域的信息，沒有充分利用周圍鄰域的信息。為此，提出一種利用不同圓形鄰域之間的微分結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行聯(lián)合描述的特征描述子，從而能夠更加充分地利用鄰域信息。由于所提方法在圓形鄰域上每個(gè)坐標(biāo)處有4種不同可能的取值情況，因此將這種模型稱為局部四值模式（LQP）。在通用的人臉識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)FERET上的大量實(shí)驗(yàn)證明了所提算法的有效性。

關(guān)鍵詞： 局部二值模式； 人臉識(shí)別； 紋理特征； 空域信息

中圖分類號(hào)： TN919?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2014）22?0030?04

Face recognition based on local quaternize pattern

YUN Nan， FENG Zhi?yong

（Tianjin University， Tianjin 300072， China）

Abstract： As a classic description method of texture features， local binary pattern （LBP） has been widely used in fields of texture classification and face recognition. However， the existing algorithms do not make full use of the surrounding spatial information but only exploit a circular neighborhood. To overcome the disadvantage， a novel descriptor which applies differential structure information between different circular neighborhoods to do joint description is proposed. It has four possible values at each coordinate in the circular neighborhood. Thus the model is called local quaternize pattern （LQP）. Extensive experiment results on a popular face recognition dataset FERET show the effectiveness of the proposed method.

Keywords： local binary pattern； face recognition； texture feature； spatial information

0 引 言

局部二值模式（LBP）作為經(jīng)典的紋理特征描述方法廣泛應(yīng)用于紋理分類[1?3]和人臉識(shí)別[4?5]等領(lǐng)域。該特征算子不僅簡(jiǎn)單高效，而且對(duì)圖像整體灰度單調(diào)變化具有魯棒性。其原因在于LBP并非從單一像素點(diǎn)的角度來(lái)描述紋理，而是用一個(gè)局部區(qū)域的模式來(lái)進(jìn)行描述圖像的微觀結(jié)構(gòu)，例如微點(diǎn)、微線、微斑點(diǎn)、微折線等。由于這種微結(jié)構(gòu)很好地刻畫了圖像中的微紋理，因而具有較強(qiáng)的判別和區(qū)分能力。

近年來(lái)，大量的針對(duì)LBP局部微觀結(jié)構(gòu)改進(jìn)的算法被提出。例如，Liao等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)來(lái)選擇局部微結(jié)構(gòu)中的主要結(jié)構(gòu)，從而提出了主要局部二值模式（Dominant LBP）算子[6]。Zhang等人提出了局部衍生模式（Local Derivative Pattern， LDP），使用多種形狀的微結(jié)構(gòu)模板來(lái)提取高階的LBP信息[7]。這樣，LBP實(shí)際上就是LDP的局部一階偏導(dǎo)模式。Tan和Triggs通過(guò)設(shè)定閾值將鄰域與中心相似的狀態(tài)作為一種中間態(tài)[8]，擴(kuò)展局部鄰域關(guān)系為三種狀態(tài)，并提出了局部三值模式（Local Ternary Patterns，LTP），對(duì)光照變化有較好的魯棒性。Guo等人深入地分析了LBP中局部鄰域點(diǎn)與中心點(diǎn)灰度差值的計(jì)算過(guò)程，指出LBP方法表示的局部二值關(guān)系對(duì)應(yīng)著差值的符號(hào)信息[3]。通過(guò)分別利用差值的符號(hào)信息和幅值信息計(jì)算局部二值模式，提出了一套新的完整的圖像描述模型（Completed Modeling of Local Binary Pattern，CLBP）。在CLBP中，圖像的局部區(qū)域由局部差分符號(hào)?幅度變換（LDSMT）來(lái)表示。為了使符號(hào)部分和幅度部分那部分信息更能夠表征局部差分值，將局部差分值由符號(hào)部分和幅度部分分別進(jìn)行重建。

在人臉識(shí)別方面，LBP算子也表現(xiàn)出了不錯(cuò)的性能。例如，Ahonen等人將人臉圖像劃分為幾個(gè)互不重疊的區(qū)域，并分別求取其LBP直方圖，然后將各區(qū)域直方圖連接起來(lái)作為人臉的特征[4]。張文超等人將LBP與Gabor小波相結(jié)合，提出了基于Gabor直方圖序列的人臉識(shí)別方法[5]。Zhang等人提出了一種級(jí)聯(lián)LBP人臉識(shí)別方法，通過(guò)改變局部區(qū)域的位置和窗口大小提取LBP特征集，并采用AdaBoost級(jí)聯(lián)學(xué)習(xí)的方法選擇LBP特征[9]。Jin等人提出了一種改進(jìn)的LBP算子，該算子將局部形狀和紋理信息相結(jié)合，并采用多元高斯混合模型建立人臉模型，用貝葉斯分類器進(jìn)行人臉識(shí)別[10]。

1 局部二值模式介紹

對(duì)于一幅給定的圖像，定義紋理描述符號(hào)T為紋理圖像中某一像素點(diǎn)[gc]與周圍鄰域的[P]個(gè)像素點(diǎn)之間的聯(lián)合分布：

[T=t（gc，g0，...，gP-1） ] （1）

式中：[gc]是鄰域中心像素點(diǎn)的灰度值，[gp（p=0，1，2，…，P-1）]是以中心像素點(diǎn)為圓心，[R（R>0）]為半徑的圓形鄰域上均勻分布的[P]個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)處的灰度值，[gp]的坐標(biāo)為[（-Rsin（2πpP），Rcos（2πpP））]。

假設(shè)圖像的差值[gp-gc]獨(dú)立于[gc]，則可以將紋理描述符T表示為：

[T≈t（gc）t（g0-gc，g1-gc，...，gP-1-gc） ] （2）

為了使圖像描述子具有圖像灰度值平移不變性，只考慮局部圓形鄰域的像素的灰度值與中心像素的灰度值之間差值的符號(hào)部分，此時(shí)紋理描述符號(hào)T可以近似等于：

[T≈t（s（g0-gc），s（g1-gc），…，s（gP-1-gc）），s（x）=1， x≥00， x<0] （3）

當(dāng)為每個(gè)[s（gp-gc）]分配一個(gè)系數(shù)[2p]時(shí)，式（3）可以變成一個(gè)刻畫圖像局部紋理空間結(jié)構(gòu)的局部二值模型：

[LBPP，R=p=0P-1s（gp-gc）2p ] （4）

從式（4）中可以看出：局部二值模型反映了局部鄰域的像素的灰度值被中心像素點(diǎn)的灰度值二值化。在得到圖像每個(gè)像素點(diǎn)的LBP之后，可以計(jì)算該圖像的LBP特征直方圖，其公式如下：

[H（k）=i=1Ij=1Jf（LBPP，R（i，j），k）， k∈[0，K] ，f（x，y）=1， x=y0， otherwise ] （5）

式中[K]表示LBP模型的最大值。

當(dāng)圖像旋轉(zhuǎn)時(shí)，p坐標(biāo)點(diǎn)的灰度值[gp]將在以[gc]為圓心，R為半徑的圓周上移動(dòng)。然而，[g0]總是對(duì)應(yīng)著以[gc]像素為中心，坐標(biāo)為[（0，R）]的位置，因此，當(dāng)旋轉(zhuǎn)圖像時(shí)，[g0]的值將會(huì)發(fā)生改變，[LBPP，R]將會(huì)隨之發(fā)生改變。為了消除旋轉(zhuǎn)的影響，Ojala等人對(duì)[LBPP，R]進(jìn)行了改進(jìn)[2]，定義一種具有旋轉(zhuǎn)不變性的LBP，即[LBPriP，R]：

[LBPriP，R=min{ROR（LBPiP，R）i=0，1，2，…，P-1} ] （6）

式中：[ROR（x，i）]表示將[x]循環(huán)右移i比特位?？芍?dāng)P=8時(shí)，[LBPri8，R]共有36個(gè)不同的取值，即有36種基本模型。在基本LBP模型中，一些特定的二進(jìn)制模型是基本LBP模型的基礎(chǔ)，起主導(dǎo)作用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，這些特定的LBP模型相比其他的LBP模型出現(xiàn)的幾率要高，有時(shí)甚至高達(dá)90%，這些基礎(chǔ)的LBP模型稱作均勻模型。這些均勻模型有一個(gè)共同的特性，這個(gè)特性就是其二進(jìn)制編碼的空間跳變次數(shù)較少。

2 所提出的局部四值模式

通過(guò)上面的分析，不難發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有LBP特征描述子僅利用周圍一個(gè)圓形鄰域的信息，并沒有充分利用到周圍鄰域的信息?；诖藛?wèn)題，本文提出了一種更加充分地利用圓形鄰域周圍信息，區(qū)分力更強(qiáng)的圖像描述子?；舅枷胧轻槍?duì)現(xiàn)有LBP僅僅使用圖像中某一像素點(diǎn)與其圓形鄰域的微分信息的不足，在其基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用不同圓形鄰域之間的微分信息，然后將兩種微分信息進(jìn)行聯(lián)合，從而得到更具有區(qū)分力的特征描述子。

對(duì)于圖像中某一個(gè)像素點(diǎn)，取其兩個(gè)半徑不同的圓形鄰域，其半徑分別設(shè)為RS和RB，圓形鄰域上P個(gè)均勻分布的點(diǎn)。當(dāng)P=8時(shí)，兩個(gè)半徑不同的圓形鄰域的情況如圖1所示。

圖1 不同半徑的圓形鄰域

首先，求出中心像素點(diǎn)與圓形鄰域RS之間的差值。同LBP一樣，只取符號(hào)部分，則圓形鄰域RS上每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)位置處對(duì)應(yīng)的二元取值可以表示為：

[BSC（p）=sgSp-gp， s（x）=1， x≥00， x<0] （7）

然后，將圓形鄰域RS和圓形鄰域RB之間的灰度信息進(jìn)行比較，以便得到鄰域間相關(guān)位置處對(duì)應(yīng)的二元取值，結(jié)果表示如下：

[BBS（p）=sgBp-gSp， s（x）=1， x≥00， x<0] （8）

接著將[BSC（p）]和[BBS（p）]聯(lián)合在一起，形成一種對(duì)局部紋理描述更深刻的描述子[LQP]：[LQPP，R=p=0P-12BSC（p）+BBS（p）2p =p=0P-12s（gSp-gc）+s（gBp-gSp）2p， s（x）=1， x≥00， x<0] （9）

從式（9）中可以看出中心像素點(diǎn)的圓形鄰域上每個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)取值有四種可能，即00，01，10，11，如圖2所示。圖中四種不同顏色表示4種不同的取值情況。由于該模型圓形鄰域上每個(gè)坐標(biāo)處有4種不同可能的取值情況，因此將這種模型稱為局部四值模式（Local Quaternize Pattern，LQP）。

圖2 LQP模型

由于LQP的比特位數(shù)是LBP的比特位數(shù)的兩倍，如果直接使用LBP相同的方式建立相關(guān)的查找表，其輸出值的個(gè)數(shù)將會(huì)很大，從而導(dǎo)致形成的圖像特征直方圖的維度較高。同時(shí)，對(duì)于LQP中兩種微分信息而言，中心像素與較小鄰域間的差分信息比較大鄰域與較小鄰域間的差分信息更重要?；谏鲜鰞煞N原因，使用以下方法建立LQP的特征直方圖。

首先，根據(jù)圓形鄰域RS的LBP劃分方法將[BSC（p）]形成的P比特二進(jìn)制數(shù)[BSC]劃分成N1個(gè)bins，其中N1-1個(gè)bins為歸一化的bins。按照相同的方法，將[BBS（p）]形成的P比特二進(jìn)制數(shù)[BBS]劃分成N2個(gè)bins，同樣，其中N2-1個(gè)bins為歸一化的bins。然后，對(duì)于[BSC]屬于歸一化的情況，將它與[BBS]進(jìn)行異或運(yùn)算形成一個(gè)新的P比特的二進(jìn)制數(shù)[BBSC]；對(duì)于[BSC]不屬于歸一化的情況，不管[BBS]取何值，都將這些情況歸為一類情況。

接著，定義一個(gè)變量[U（BBSC）]，它表示[BBSC]的空間跳變次數(shù)。當(dāng)[BBS]屬于N2-1個(gè)歸一化的情況時(shí)，將[U（BBSC）≤2]的情況歸為一類，將[U（BBSC）>2]的歸為一類；當(dāng)[BBS]不屬于N2-1個(gè)歸一化情況時(shí)，將[U（BBSC）=2]的情況歸為一類，將[U（BBSC）≠2]的情況歸為一類。這樣，[BSC]中的N1-1個(gè)歸一化情況的每種情況將會(huì)擴(kuò)展為4種，總共有[4（N1-1）]種情況。最后，將得到LQP的2P比特組成的二進(jìn)制數(shù)的查找表，這個(gè)查找表共有[4（N1-1）+1]個(gè)輸出值。利用這個(gè)查找表，便可以得到圖像的LQP描述子的圖像直方圖。

使用LGP進(jìn)行圖像模式分類的過(guò)程如圖3所示。算法分為訓(xùn)練部分和測(cè)試部分。訓(xùn)練部分的主要目的是為了得到大量有關(guān)樣本的相關(guān)特征，以便與測(cè)試樣本的相關(guān)特征進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而將測(cè)試樣本劃歸到與它相似度最高的樣本所屬的類中去。具體地，對(duì)于一個(gè)測(cè)試圖像樣本，首先從圖像中提取特征。然后計(jì)算特征的直方圖。將該直方圖與訓(xùn)練樣本中的直方圖特征進(jìn)行對(duì)比，得到訓(xùn)練訓(xùn)練樣本特征和測(cè)試樣本特征之間的相似度度量值。根據(jù)度量值的大小，利用最近鄰分類原則，將測(cè)試樣本分類為對(duì)應(yīng)的類別并輸出該類別的類別標(biāo)簽。在相似度測(cè)量上，本文使用基于卡方距離的相似度測(cè)量的方法。

圖3 基于LGP的圖像模式分類框架圖

3 人臉識(shí)別實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用FERET數(shù)據(jù)庫(kù)[11]進(jìn)行人臉識(shí)別性能的測(cè)試，該數(shù)據(jù)庫(kù)是目前世界上最權(quán)威的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)，是由美國(guó)國(guó)防部項(xiàng)目支持的。它是一個(gè)使用十分廣泛的被用來(lái)評(píng)估人臉識(shí)別算法的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)包含1 199個(gè)人的14 051幅在不同的光照條件、表情、姿態(tài)以及不同時(shí)期的人的人臉圖像。該人臉數(shù)據(jù)庫(kù)分為訓(xùn)練集、原型圖像集和不同的測(cè)試集，其訓(xùn)練集分別為fa（正常的人臉表情）和fb（變化的人臉表情）；原型圖像集則包含1 196個(gè)人的正面圖像；測(cè)試集分為4個(gè)，分別為fb、fc、DupI和DupII?？偟膩?lái)看，F(xiàn)ERET數(shù)據(jù)庫(kù)包含下面5個(gè)子集：

fa子集：用作字典集，它包含了1 196個(gè)人的正面圖像；

fb子集（1 195張圖像）：相對(duì)于fa子集而言，該子集存在一定的表情變化；

fc子集（194張圖像）：相對(duì)于fa子集而言，該子集存在一定的光照變化；

Dup I子集（722張圖像）：該子集的圖像是在fa子集的圖像拍攝一定時(shí)間后進(jìn)行拍攝的；

DupⅡ子集（234張圖像）：DupI的子集，該子集的圖像的拍攝時(shí)間相對(duì)于fa子集中的其他圖像的拍攝時(shí)間至少晚1年。實(shí)驗(yàn)中將fa作為字典集，其余4個(gè)子集作為測(cè)試集，以測(cè)試描述子在不同條件下人臉識(shí)別的性能。由于FERET的圖像是人的上半身照片，需要將它進(jìn)行裁剪以得到只包含人臉部分的圖像。在實(shí)驗(yàn)中對(duì)圖像進(jìn)行歸一化，統(tǒng)一裁剪成大小為128×128的圖像。

為了驗(yàn)證所提方法的有效性，將所提LQP算法與文章[4]提出的使用LBP的方法進(jìn)行對(duì)比。同文獻(xiàn)[4]中對(duì)人臉進(jìn)行分塊計(jì)算特征一樣，本文也將使用這種方法計(jì)算人臉的特征。在人臉識(shí)別的過(guò)程中，將人臉圖像分成[R1，R2，…，Rm]個(gè)子區(qū)域，以便增加圖像的空間信息，使識(shí)別的準(zhǔn)確率更高。圖4給出了人臉圖像被分別分成[7×7，5×5，3×3]個(gè)子矩形區(qū)域的示意圖。首先，分別計(jì)算每個(gè)子區(qū)域的描述子特征直方圖；然后，將這些直方圖連接在一起，形成描述子關(guān)于人臉圖像的特征直方圖。

圖4 人臉圖像分解成[7×7，5×5，3×3]個(gè)子矩形區(qū)域

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，改變子矩形區(qū)域的個(gè)數(shù)，LQP的兩個(gè)圓形鄰域半徑RS和RB的大小以及圓形鄰域上像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)，觀察描述子的相關(guān)規(guī)律。

表1為L(zhǎng)QP和LBP在FERET人臉數(shù)據(jù)庫(kù)上的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在表1中，（8，2），（8，3）分別表示中心像素點(diǎn)圓形鄰域S的半徑為2、圓周上取8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)，中心像素點(diǎn)圓形鄰域B的半徑為3、圓周上去8個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)；LBP表示[LBPu28，2]，即歸一化的LBP；LBP2表示[LBPu28，2]和[LBPu28，3]的直方圖連接在一起；[（n×n），n=4，5，…，9]表示將大小為128×128的人臉圖像分成[n×n]個(gè)子區(qū)域，分別求出每個(gè)子區(qū)域的直方圖，然后連接它們。在表1中，加入了圖像描述子LBP2的主要目的是觀察當(dāng)原始LBP描述子利用與LQP描述子相同的鄰域信息時(shí)，LBP2的性能與LQP的性能誰(shuí)更好，以更有效地證明LQP描述子的正確性。從表1中，可以得出以下結(jié)論：

（1） 總體來(lái)看，LQP描述子人臉識(shí)別的正確率相對(duì)于LBP和LBP2的人臉識(shí)別的正確率要高。但是在不同的情況下，LQP性能的提升不同，例如，對(duì)于探測(cè)集fb而言，LQP性能的提高不如其他探測(cè)集，這可能是因?yàn)長(zhǎng)QP的區(qū)分力更強(qiáng)，它在一定程度上會(huì)將表情的變化當(dāng)做干擾因素。但是，從整體上看，LQP描述相對(duì)于LBP描述子具有更好的人臉識(shí)別性能。

（2） 當(dāng)人臉被劃分成[n×n]個(gè)子區(qū)域時(shí)，由于增加了圖像的空間信息，相關(guān)圖像描述的人臉識(shí)別性能得到大幅提升。但是，隨著n的進(jìn)一步增大，由于子區(qū)域過(guò)小，不同圖像對(duì)應(yīng)的相同子區(qū)域所含的相同信息過(guò)少，其性能將會(huì)逐漸變差。由表1可以看出當(dāng)n取8時(shí)，LQP描述子的性能基本達(dá)到最優(yōu)。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)現(xiàn)有LBP特征算子沒有充分利用周圍鄰域的信息的不足，提出一種利用不同圓形鄰域之間的微分信息進(jìn)行聯(lián)合描述的特征描述子，稱為局部四值模式（Local Quaternize Pattern，LQP）。LQP通過(guò)在LBP的基礎(chǔ)上引入二階信息和鄰域多值信息增強(qiáng)了鄰域信息的利用能力。通過(guò)在人臉識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)FERET上的大量實(shí)驗(yàn)，證明了所提算法的有效性。LQP的不足之處在于不能夠應(yīng)對(duì)人臉光照、表情等因素的劇烈變化等情況，這也是人臉識(shí)別中的挑戰(zhàn)性問(wèn)題。因此，未來(lái)工作將集中于如何設(shè)計(jì)對(duì)光照等更加魯棒的LQP特征算子。

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