近距人像特征的變化規(guī)律及其變形矯正

李 海，王志群

（中國刑事警察學院 遼寧沈陽 110035）

近距人像特征的變化規(guī)律及其變形矯正

李 海，王志群

（中國刑事警察學院 遼寧沈陽 110035）

近距人像特征變化規(guī)律的比對分析及其變形矯正的目的在于識別可疑人像以及人像的同一認定。實驗比對研究分別從近距人像的特征變化規(guī)律比對和人像的變形矯正兩個方面進行。實驗的重點是對近距人像的正面平拍、仰拍、俯拍三個層次進行論證，并且利用類推法對側面的近距人像的平、仰、俯三個方面進行說明。

輪廓特征；photoshop；變形矯正；警視通

近距人像攝影根據(jù)焦距的可變性分為兩類，一是可變焦距相機拍攝，如數(shù)碼相機等；二是定焦相機拍攝，如手機、ATM機的針孔鏡頭等。可變焦距[1]相機在拍攝人像時有調節(jié)焦距和控制物距兩種控制人像大小的方法；而定焦相機在控制人像大小的過程中只能通過改變拍攝距離去調節(jié)人像大小。兩種拍攝方法拍攝的人像均產(chǎn)生了人像的透視變形。

一、近距人像特征的變化規(guī)律研究

（一）實驗變量控制。

將實驗人像的拍攝位置限定在相對人臉中心線30度的范圍。

（二）實驗模型。

將拍攝位置通過拍攝角度[2]關系分為仰拍近距人像、俯拍近距人像、平拍近距人像；根據(jù)正側面關系分為正面拍攝和側面拍攝。將兩種位置關系進行組合可以從六個不同部位進行研究近距人像的特征變化規(guī)律，即正面仰拍近距人像、正面平拍近距人像、正面俯拍近距人像、側面仰拍近距人像、測面平拍近距人像、測面俯拍近距人像。實驗模型如下：

圖1 正面拍攝模型示意圖

圖2 側面拍攝模型示意圖

（三）近距人像特征規(guī)律分析。

根據(jù)以上實驗的思路，將實驗照片通過兩種方法進行分類，分別分析其近距人像的變化規(guī)律。

1.正面平拍、仰拍、俯拍的近距人像的特征比對。首先，將正面平拍的近距人像作為人像特征[3]規(guī)律變化分析的對照組，其次采用四部分析法對各種角度人像進行分析。正面仰拍、正面平拍、正面俯拍的特征變化[4]比對如下：

（1）線性特征比對分析。先將照片調整為合適大小，并且描繪出人臉中心線b，瞳孔連線e，上眉毛切線d，耳垂連線f，過瞳孔且垂直于瞳孔連線的左右兩條線a、c，唇裂線g。如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 正面仰拍

圖4 正面平拍

圖5 正面俯拍

特征比對分析：a.在正面平拍近距人像中，瞳孔連線的延長線經(jīng)過兩耳最上端點；兩耳垂的連線經(jīng)過鼻孔中點。b.正面仰拍的近距人像和正面平拍的近距人像特征相比，有以下特征∶瞳孔連線在兩耳朵上端點連線的上方，并且仰角越大，兩條線之間的距離越大，唇裂線與兩耳垂連線之間的距離越小。c.正面俯拍的近距人像和正面平拍的近距人像特征相比，有以下特征∶瞳孔連線在兩耳朵上端點連線的下方，并且俯角越大，兩條線之間的距離越大，唇裂線與兩耳垂連線之間的距離越小。

（2）三角形特征比對分析。根據(jù)人臉線性特征，作出的上三角形有：△ABC、△BCD,

中三角形有：△EFH、△FGI,下三角形有：△HIJ、△ABC。如圖6、圖7所示。

圖6 正面仰拍

圖7 正面平拍

圖8 正面俯拍

特征比對分析∶a.在正面平拍近距人像中，上三角形均為等腰三角形，并且等腰三角形的頂角的大小能夠反映人臉的個別特征；在中三角形中，三個角的大小均能反映出兩眼距離以及耳垂之間的分布關系，無論一個人做出喜怒哀樂等任何表情，這兩三角形均不會發(fā)生任何變化。在下三角形特征中，兩耳垂與下頜點組成的等腰三角形的頂角大小能夠反映出人臉方圓變化特征。若一個人是國字臉型，則此三角形的頂角大小相對較大；若其是目字臉型，則此三角形的頂角相對較小。b.在正面仰拍近距人像中，上三角形均為等腰三角形，并且等腰三角形的頂角的大小相對正拍時變大；頂點A到底邊BD的距離減??；在中三角形中，J、H點到瞳距的距離增大，并且線段JH的距離相對正拍時也變大；在下三角形特征中，頂角的I角度變大,底邊JH與其邊上的高的比例變大。c.在正面近距俯拍人像中，上三角形的底邊與高的比值隨著俯拍角度的增大而變大；在中三角形中，隨著俯角的增大，角HED和角FGI也在變大；在下三角形中，鼻中K到唇裂線的距離在隨著俯角的增大而減小。

（3）四邊形特征比對分析。如圖9、圖10、圖11所示，連接四邊形ABDC和四邊形EFHG；在四邊形ABDC中，由于表情的變化，例如皺眉等均可以影響四邊形形的形狀。

圖9 正面仰拍

圖10 正面平拍

圖11 正面俯拍

特征比對分析：a.在正面平拍攝影中，四變形EFHG中，這四個點在任何表情下位置關系變化不大，特征比較穩(wěn)定，易于特征比對與分析。b.在仰拍圖中，相對于正面平拍時AB到CD的距離在變大，角D在變??；同理，在四邊形EFGH中，相對于正面平拍時GH到EF的距離在變大，角G在變小。c.在正面俯拍圖中，AB到CD的距離增大，隨著俯角的增大，等腰梯形的腰變大，GH的長度變小。

（4）三角組合特征表示及其特征分析。三角組合特征是指將人臉的固定特征用線段連起來組成新的若干個三角形。如圖12、圖13、圖14所示。

圖12 正面仰拍

圖13 正面平拍

圖14 正面俯拍

特征比對分析：在人臉圖像的各個三角形特征中，由于每個三角形特征因人而異，故由三角形組合成的新的圖形會產(chǎn)生更加明顯的差異，所以利用三角形的組合特征可以更加有效、清晰、明顯的比較出人像的不同。在如圖所示的三角形中，正面仰拍圖相對于正面平拍時三角形的橫向底邊與底邊上的高的長度的比例變小；在俯拍人像時，有同樣的變化規(guī)律。圖形的整體縱向趨向從左到右依次逐漸變寬。

2.側面正拍、仰拍、俯拍的特征比對。根據(jù)以上方法，對于側面拍攝的近距人像，從兩方面進行比較。一方面，從縱向看，側面近距人像和正面近距人像規(guī)律變化類似；從橫向對比，由近大遠小的透視規(guī)律可知，距離境頭較近側，人像放大，距離鏡頭較遠側，人小縮小；而整個人像呈現(xiàn)在畫面中就導致了畸形變形。

二、近距人像的變形矯正

（一）圖像變形的分類。

在平面物體拍攝時，產(chǎn)生的變形叫做平面變形。這種平面變形是平面內的多角度的變形。由于相機鏡頭與被拍客體之間角度的多樣性，使得平面變形也有很多種。見圖15。

圖15 不同角度的平面變形

在立體物體的拍攝時[5]，產(chǎn)生的變形有兩種，即平面變形和透視變形。平面變形是指相機鏡頭距離被攝立體物體表面相同的點所形成圖像時產(chǎn)生的變形。透視變形是指相機鏡頭距離被攝立體物體表面不相同的點所形成圖像時產(chǎn)生的變形，見圖16、圖17。

圖16

圖17

（二）近距人像的變形矯正。

1.近距人像變形矯正的工具。一是一般軟件∶Photoshop軟件，二是專業(yè)軟件：“恒瑞”圖像處理系統(tǒng)、“影博士”圖像處理系統(tǒng)、“警視通”圖像處理系統(tǒng)等。

2.近距人像變形軟件矯正的局限性。首先，近距人像的變形矯正是盲目的矯正，并沒有通過確切的具體數(shù)值去還原變形圖像，只是一種相對的矯正，不可能達到十分理想的結果。其次，矯正只能是對實物表面痕跡進行展開，而對變形無任何辦法。

3.矯正實驗。

（1）實驗材料類型：近距正面仰拍人像。

圖18

（2）特點∶發(fā)際線部位由于距離鏡頭比較遠而偏小，眼睛及鼻子部位次之，嘴唇及下顎部位偏大。

（3）兩種矯正方法。

a.利用photoshop軟件進行的人像矯正。具體步驟如下：第一步：剪輯照片，使得照片中的頭像部位的中心線垂直于照片的底邊。具體操作：在Photoshop軟件中打開圖像，做出頭像面部的中心線，然后按照中心線垂直于照片底邊進行裁剪。第二步：打開濾鏡菜單中的鏡頭校正（快捷鍵為Ctrl+ shift+R），選擇自定，調整垂直透視按鈕，使得人像的上庭部位相對變大，中庭部位相對不變，下庭部位相對變小。結果如圖19下∶

圖19

b.利用 “警視通”軟件進行的人像矯正。第一類方法：校正圖像的透視變形。

方法一：在“警視通”界面中打開要處理的圖像，選擇菜單欄中的“常規(guī)處理——幾何變換——透視變換點對”，處理界面如圖20，處理結果如圖21。

圖20

圖21

點對調整過程：選擇調整上方點對，使得頭的上部變小，而下部變大，最終趨于合理。

方法二：在“警視通”界面中打開要處理的圖像，選擇菜單欄中的“常規(guī)處理——幾何變換——透視變換參數(shù)”，處理界面如圖二十二，處理結果如圖二十三。

圖22

圖23

透視變換參數(shù)調整過程：選擇調整垂直透視，調整方向為豎直方向，并且沿著正向調整，使得頭的上部變小，而下部變大，最終趨于合理。

第二類方法∶鏡頭畸變矯正法[6]。鏡頭校正的作用：校正由于鏡頭成像造成的形變，校正時需要有參照物。方法：在“警視通”界面中打開要處理的圖像，選擇菜單欄中的“常規(guī)處理——幾何變換——鏡頭矯正”，處理界面如圖24，處理結果如圖25。

圖24

圖25

點對調整過程：選擇調整扭曲度，當調節(jié)點向右移動時，矯正為枕型畸變矯正，參數(shù)越大，調整度越大，反之越??；當調節(jié)點向左移動時，矯正為桶形畸變矯正，參數(shù)越大，調整度越大，反之越小。

4.人像透視校正結果的分析。利用“photoshop”軟件和“警視通”軟件人像矯正的結果分析如下：第一，校正優(yōu)點∶處理速度快；處理結果變化明顯；對于透視變形輕微的圖有較好的處理優(yōu)勢。第二，校正缺點：、屬于感知上的模糊處理；精確度不高；只能靠視覺進行辨析。

結語：就目前的發(fā)展情況看，對于一張平面照片做到對它的透視矯正幾乎很難。若能把一張空間立體用微分的方法分割成無數(shù)平面等份，在每個平面內對其進行平面矯正，最后合并到空間中，就得到了透視矯正的效果。

[1]楊洪臣.視頻檢驗技術規(guī)范[M].北京：中國人民公安大學出版社，2010.

[2]王 泓，李 娜.圓柱體上痕跡影像的矯正與信息增量分析[J].廣東公安科技，2003，（4）：48.

[3]王志群.刑事相貌技術[M].北京：中國人民公安大學出版社，2008.

[4]單 陽.人像攝影的主觀性表現(xiàn)研究[D].延邊大學，2011.

[5]汪炳仁.淺談人像攝影[J].科技創(chuàng)新導報,2008,（18）:159.

[6]周艷玲.視頻圖像處理技術[M].北京：群眾出版社，2013.

（責任編輯：吳良培）

D918.926

A

1674-5612（2015）06-0061-07

2015-10-28

李 海，（1990-），男，甘肅定西人，中國刑事警察學院聲像資料檢驗技術系碩士生，研究方向：人像識別與檢驗，圖像處理；

王志群，（1958-），男，遼寧沈陽人，中國刑事警察學院聲像資料檢驗技術系教授，碩士研究生導師，研究方向：人像識別與檢驗，刑事攝影等。