局部特征臉型分類方法

孫勁光，鄧智碩

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

局部特征臉型分類方法

孫勁光，鄧智碩

(遼寧工程技術(shù)大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125105)

本文針對傳統(tǒng)臉型分類算法特征點定位不準(zhǔn)和過度依賴輪廓曲線的問題，提出了一種人臉輪廓圓形鄰域局部特征表達(dá)方式和臉型分類模型。首先，初步定位臉型輪廓特征點；然后，在特征點周圍選取三重八連通圓形鄰域，通過計算一級鄰域、拓展鄰域與中心區(qū)域間的紋理變化，生成二進(jìn)制編碼序列，構(gòu)造臉型局部特征向量；最后，設(shè)計OVO-RBF-SVM多分類模型，實現(xiàn)臉型分類。本文方法在CAS-PEAL人臉庫上進(jìn)行臉型類型判別，獲得了94.28%的準(zhǔn)確率；在相同情況下，分別與基于主動形狀模型和基于下頜曲線模型的臉型類型判別方法進(jìn)行對比，準(zhǔn)確率分別提高了6.64%和6.58%。本文所研究的方法在一定程度上解決了特征點定位相對不準(zhǔn)確導(dǎo)致誤差增加的問題，同時盡可能多利用圖片原始信息，保證輪廓特征提取的準(zhǔn)確率，具有較強(qiáng)的魯棒性。通過實驗證明本文方法適用于臉型分類。

臉型分類；圓形鄰域；特征編碼；局部特征表達(dá)；多分類支持向量機(jī)

近年來，在模式識別和計算機(jī)視覺等領(lǐng)域中，人臉識別已經(jīng)成為重要的研究課題。人臉識別即通過計算機(jī)提取待處理人臉圖像的特征，在庫中找到對應(yīng)的身份信息，從而實現(xiàn)人臉與身份的匹配。人臉識別技術(shù)在安全領(lǐng)域中扮演著非常重要的角色，而且該技術(shù)還具有巨大的應(yīng)用前景。

香港中文大學(xué)湯曉鷗教授領(lǐng)導(dǎo)的計算機(jī)視覺研究小組宣布他們開發(fā)了一個名為DeepID 系列的深度學(xué)習(xí)模型,在 LFW (labeled faces in the wild)數(shù)據(jù)庫中得了 99.45%的識別率,超出了人類用肉眼達(dá)到的 97.52%的識別率,這一成果極大地提升了人臉識別技術(shù)的可信度,同時也將 Facebook 的DeepFace人臉識別的準(zhǔn)確率提升了近2個百分點[1-5]。臉型分類對于人臉識別的速度與準(zhǔn)確率起著重要作用。雖然DeepID 系列取得了如此卓越的成果，但由于該模型依然采用局部細(xì)節(jié)特征及整體特征融合判別形式，與人類對人物識別的認(rèn)知方式(外形-輪廓-細(xì)節(jié))和基于外形再進(jìn)行細(xì)節(jié)判斷的相似性判別方式存在不一致性，因此，本文從局部特征出發(fā)，以人類的認(rèn)知方式探索人臉輪廓分類的方法。

傳統(tǒng)的人臉輪廓分類算法過度依賴臉型輪廓的曲線特征，而忽略臉型周圍的紋理特征，在提取臉型輪廓時，對圖片質(zhì)量要求過高，極易產(chǎn)生誤差，很難構(gòu)建準(zhǔn)確的人臉輪廓曲線。為了克服特征點定位不準(zhǔn)確的問題，充分利用圖片原始信息，保證人臉輪廓特征的準(zhǔn)確率，提出采用圓形鄰域局部特征表達(dá)(round local feature expression，RLFE)的形式描述人臉輪廓特征。

1 相關(guān)工作

與此相比，文獻(xiàn)[8]提出了基于ASM主動形狀模型的方法，原理簡單，準(zhǔn)確率較高。由先驗知識，將作為訓(xùn)練樣本的人臉分為橢圓臉、圓臉、方臉和三角臉，訓(xùn)練不同的臉型得到不同臉型的形狀模型，然后分別通過對比經(jīng)典ASM模型與分類后模板模型定位的特征點來確定臉型。如模型s0=stype+Δ，其中s0、stype分別表示經(jīng)典ASM模型和模板模型定位的特征點集合，當(dāng)Δ越接近零向量，說明待測臉型與模板模型越相似。但是，在實際應(yīng)用中模型運算量巨大，并且不能解決ASM模型定位不準(zhǔn)帶來的誤差。

2 RLFE人臉輪廓特征表達(dá)方法研究

為了克服人臉輪廓特征點存在不準(zhǔn)確可能性，通過對人臉輪廓特征點周圍的細(xì)節(jié)特征的分析，以輪廓特征點為核心進(jìn)行鄰域區(qū)域劃分，利用面部區(qū)域特征的連貫特性，構(gòu)建出RLFE表達(dá)式，并對每個特征點進(jìn)行特征編碼，構(gòu)建輪廓特征向量；以此為基礎(chǔ)，設(shè)計多分類器，建立臉型輪廓的多分類模型。

2.1 基于圓形鄰域的人臉輪廓特征區(qū)域劃分方法

式中：(xi,yi)表示鄰域內(nèi)像素點，r為特征點到中心區(qū)域邊緣半徑，αgi表示gi區(qū)域所對應(yīng)的圓心角。r值的選取見5.1節(jié)。

2.2 特征鄰域?qū)R

為了保證圖像中的正面人臉處于垂直方向，規(guī)定圖像中人臉的眉心到鼻尖的方向為標(biāo)準(zhǔn)方向。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方向與豎直方向的夾角，計算每個鄰域的偏差角度，假設(shè)眉心點為A(x1,y1)、鼻尖點為B(x2,y2)，則每個區(qū)域需要旋轉(zhuǎn)偏差角度β，如圖2所示。根據(jù)偏差角β測定調(diào)整特征鄰域角度，見式(3)和式(4)。

圖1 圓形鄰域示意圖Fig.1 Schematic diagram of circular neighborhood

圖2 偏差角示意圖Fig.2 Schematic diagram of deviation angle

2.3 特征編碼

為了便于人臉特征的分類，本文提出根據(jù)圓形鄰域的區(qū)域強(qiáng)度關(guān)系，構(gòu)建人臉輪廓區(qū)域的特征，提取的特征抽象成編碼。將每個鄰域的平均灰度作為區(qū)域強(qiáng)度，即

式中:i=1,2,…,8；pij為點(xij,yij)的灰度值，j=1,2,…,Nj。

通過比較中心區(qū)域與各個鄰域的強(qiáng)度關(guān)系，即

生成相應(yīng)的二進(jìn)制序列；采取異或輸出的方式進(jìn)行編碼，相同梯度鄰域的強(qiáng)度關(guān)系相同，輸出結(jié)果為1，否則結(jié)果為0。最終結(jié)果可以直觀地表達(dá)出相同方向梯度上強(qiáng)度關(guān)系是否一致，RLFE特征表達(dá)的方法見公式(7)～(9)，即

一級鄰域編碼為

式中：i=0,2,…,7。

擴(kuò)展鄰域編碼為

式中：i=0,2,…,7。

RLFE編碼為

⊕

每張人臉輪廓上特征點按照同位置、同順序的方式排列，將特征點的特征編碼按照該順序級聯(lián)起來，級聯(lián)后的序列作為該臉的特征向量，記作X=(x1,x2,…,xn)，其中xn表示第n個特征點的特征編碼。由于每個特征點都融合各個方向鄰域間的梯度強(qiáng)度變化關(guān)系，特征向量可以準(zhǔn)確地表達(dá)人臉輪廓，具有較強(qiáng)的鑒別能力。

3 OVO-RBF-SVM分類器設(shè)計

3.1 基于Fisher準(zhǔn)則的人臉分類RBF-SVM模型設(shè)計

基于SVM分類思想與Fisher準(zhǔn)則基本思想[9]，本分類模型旨在找到一個最優(yōu)方向，將原始數(shù)據(jù)向這個方向投影，使同類數(shù)據(jù)間距離盡可能小，異類間距離盡可能大。因此本文用Fisher準(zhǔn)則的思想，優(yōu)化RBF-SVM核參數(shù)，構(gòu)建RBF-SVM分類模型。

假設(shè)X1=(x11,x12,…,x1n1),X2=(x21,x22,…,x2n2)為RLFE提取的兩類人臉特征。這兩類特征映射到高維度空間中的均值μ1,μ2分別為

類間離散度的平方Sb為

X1和X2的類內(nèi)離散度的平方分別為

根據(jù)Fisher準(zhǔn)則，求解最優(yōu)核參數(shù)就轉(zhuǎn)化為求解最大值。

根據(jù)上述方法優(yōu)化核參數(shù)γ得到的RBF-SVM核函數(shù)分類模型為

3.2 OVO-RBF-SVM多分類模型

式中：σij表示分類器在第i類和第j類之間的分類結(jié)果，ωk表示第k類勝利的次數(shù)。

4 算法描述

算法1 RLFE算法描述

輸入 帶有類別信息的N個訓(xùn)練樣本S，每個樣本人臉輪廓特征點個數(shù)為T。

輸出 臉型輪廓特征向量X=(x1,x2,…,xn)。

FORi=1 toN

FORj=1 toT

CodingBij,Cij;

RLFE(x,y);

END FOR

END FOR

算法2 OVO-RBF-SVM多分類算法描述

輸入：帶有K種類別信息的N個臉型輪廓特征向量X，未知的測試樣本T。

輸出：測試樣本類型ANS。

IFσij=0

ωi=ωi+1；

ELSE

ωj=ωj+1；

END IF

END FOR

依照式(17)輸出未知測試樣本的類別。

5 實驗分析與實現(xiàn)

國際上沒有標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于臉型的人臉庫，所以本文采用CAS-PEAL人臉庫[10]中的1 000張溫和光照，無表情的正面人臉進(jìn)行驗證，并綜合10位專家的意見，將其分為圓臉、橢圓臉、方臉和三角臉4種臉型庫。采用交叉實驗方法，每種臉型隨機(jī)選出若干個樣本，進(jìn)行3次實驗。

5.1 鄰域半徑對分類準(zhǔn)確率影響分析

由于人臉輪廓的特殊性，圓形鄰域尺度選擇對識別率有較大的影響，偏大的鄰域不能表達(dá)鄰域間強(qiáng)度變化特點，偏小的鄰域則過于敏感，易出現(xiàn)更大的誤差，本文在上述人臉庫中對不同鄰域半徑的RLFE特征表達(dá)做了研究，結(jié)果如表1所示，其中dis表示相鄰兩個特征點間的距離。

表1 不同鄰域半徑對準(zhǔn)確率的影響

5.2 特征點定位對分類準(zhǔn)確率影響分析

由于中心區(qū)域的存在，使得對特征點定位要求降低，并不需要十分精準(zhǔn)的定位人臉輪廓，只需中心區(qū)域定位在面部輪廓即可。如圖3所示，特征點A定位在人臉輪廓上時，我們認(rèn)為特征點A定位準(zhǔn)確；特征點B未定位在輪廓上，但是特征點中心區(qū)域定位在輪廓上，我們認(rèn)為特征點B定位不準(zhǔn)確。

圖3 特征點定位示意圖Fig.3 Schematic diagram of feature point location

如表2～4所示，隨著不準(zhǔn)確特征點個數(shù)的上升，識別率略有下降，當(dāng)初始定位點存在1/2不準(zhǔn)確時，基本不影響識別準(zhǔn)確率。所以本文所研究的方法基本上解決了特征點定位不準(zhǔn)帶來的識別率下降問題，在一定的程度上提高了識別系統(tǒng)的容錯性。

表2 特征點全部定位在人臉輪廓上的實驗結(jié)果

Table 2 The experimental results of all feature points on the face contour

臉型測試樣本數(shù)正確分類數(shù)第1次第2次第3次準(zhǔn)確率/%圓臉4542414291.85橢圓臉5048474794.66方臉5048494896.66三角臉3028282792.22總計17516616516494.28

表3 1/2特征點未在人臉輪廓上的實驗結(jié)果

Table 3 The experimental results with 1/2 feature points not on the face contour

臉型測試樣本數(shù)正確分類數(shù)第1次第2次第3次準(zhǔn)確率/%圓臉4541404190.37橢圓臉5047474794.00方臉5048484896.00三角臉3028272791.11總計17516416216393.14

表4 3/4特征點未在人臉輪廓上的實驗結(jié)果

Table 4 The experimental results with 3/4 feature points not on the face contour

臉型測試樣本數(shù)正確分類數(shù)第1次第2次第3次準(zhǔn)確率/%圓臉4513161633.33橢圓臉5019171735.33方臉5010151426.00三角臉30851025.56總計17550535730.47

5.3 不同算法準(zhǔn)確率對比分析

為了驗證本文所研究方法的有效性，與其他具有代表性的算法進(jìn)行對比實驗。從表5可以看出，由于解決了特征點定位不準(zhǔn)的問題，本文所研究的方法的準(zhǔn)確率相對于其他算法有較大提升，從分類的結(jié)果上來看，還是十分令人滿意的。

表5 各種算法準(zhǔn)確率比較

6 結(jié)束語

針對傳統(tǒng)臉型分類算法的不足，本文提出用RLFE特征表達(dá)方式構(gòu)建人臉輪廓特征向量，以初始特征點為圓心劃分出三重鄰域，盡可能減小特征點定位帶來的分類準(zhǔn)確率誤差。與傳統(tǒng)的臉型分類算法相比，分類準(zhǔn)確率有較大的提升。但是本文只在靜態(tài)、溫和的環(huán)境下進(jìn)行實驗，在動態(tài)、復(fù)雜環(huán)境下區(qū)分臉型是未來的工作重點。隨著虛擬現(xiàn)實的發(fā)展，未來三維數(shù)據(jù)處理必將成為研究的熱點，將本文方法移植到三維圖像[11]上也是下一步的工作重點。

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Local feature facial classification method

SUN Jinguang1， DENG Zhishuo2

(School of Electronic and Information Engineering, Liaoning Technical University, Huludao 125105, China)

Considering the problems where the feature points of traditional facial classification algorithms are not located in the position of the actual feature points and are heavily dependent upon the contour curve, a facial contour circular neighborhood local feature expression and a facial classification model were proposed.First, the preliminary facial contour feature points were located and then around the feature points, the triple eight connected round-neighborhood was selected.By calculating a neighborhood level and expanding the neighborhood with the central area between the texture changes, the binary code sequence was generated and the tectonic facial local feature vectors can be created. Then, the faces were classified by designing the OVO-RBF-SVM classification model. The experiment was conducted on the CAS-PEAL face library for facial contour feature discrimination, achieving 94.28% accuracy rate; under the same circumstances, the face-type discrimination methods which are based on the active shape model and jaw curve model were compared, and the accuracy rate raised 6.64% and 6.58%, respectively. To a certain extent, the method proposed in this paper solves the problem where the error increases when the location of the feature points are relatively inaccurate, and at the same time, the original picture information is utilized as much as possible, to ensure the accuracy of the contour feature extraction, which has strong robustness. The experimental results show that this method is suitable for facial classification.

facial classification; round-neighborhood; feature coding; local feature representation; multi classification support vector machineface

孫勁光，女，1962年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，計算機(jī)學(xué)會(CCF)會員(21314S)，主要研究方向為計算機(jī)圖像處理、計算機(jī)圖形學(xué)、知識工程。

鄧智碩，男，1992年生，碩士研究生，研究方向為計算機(jī)圖像處理。

10.11992/tis.201605021

http://kns.cnki.net/kcms/detail/23.1538.TP.20170227.1805.016.html

2016-05-23.

日期：2017-02-27.

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(61401185).

鄧智碩. E-mail:deng2006zs@163.com.

TP391.41

A

1673-4785(2017)01-0104-06

孫勁光，鄧智碩. 局部特征臉型分類方法[J]. 智能系統(tǒng)學(xué)報， 2017, 12(1): 104-109.

英文引用格式：SUN Jinguang， DENG Zhishuo2. Local feature facial classification method[J]. CAAI transactions on intelligent systems, 2017, 12(1): 104-109.