人脸特征提取与识别参考

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1、本科生毕业设计（论文）文献综述题目：人脸特征提取与识别姓名：学号：学院：专业：年 级：指导教师： （签名）系主任（或教研室主任）： （签章）目录1 前言 12 人脸特征提取与识别方法 12.1 基于几何特征的方法 12.2 基于特征脸的方法22.3局部特征分析LFA方法32.4 基于弹性模型的方法 42.5 神经网络方法42.6 其他方法 53 总结 5致谢： 6参考文献：6人脸特征提取与识别41 前言近年来，Internet和多媒体技术飞速发展，多媒体（包括图像、视频等）数据规模急剧膨胀。为了快速、准确地找到感兴趣的图像或视频，人们提出了基于内容的图像检索 （content-based im

2、age retrieval,简称CBIR）技术，研究让计算机对图像进行分类和检索 的算法。CBIR涉及图像内容表示、相似性度量、高维索引技术等方面。1图像内容的表示是需要首先解决的问题。为了实现对图像内容的存取、访问和检索， MPEG-7提出了图像内容描述子的概念，例如颜色描述子、纹理描述子、形状描述子等。图像颜色内容通常用颜色直方图来表示，纹理特征以纹理模式区分图像，形状特征用 于包含特定形状对象的图像检索。颜色直方图（或称为颜色谱）因其简单、有效的性能而 在大多数CBIR系统中得到应用，但是颜色直方图对纹理图像的检索效果不好。不同的纹 理图像可能有非常相似的颜色直方图。所谓图像纹理，它反映

3、的是图像的一种局部结构化特征，具体表现为图像像素点某邻 域内像素点灰度级或者颜色的某种变化，而且这种变化是空间统计相关的，它由纹理基元 和基元的排列两个要素构成。纹理分析方法有统计方法、结构方法和基于模型的方法。2 人脸特征提取与识别方法人脸识别本质上是三维塑性物体二维投影图像的匹配问题，它的困难体现在：（1）人脸 塑性变形（如表情等）的不确定性；（2）人脸模式的多样性（如胡须、发型、眼镜、化妆等）；（3） 图像获取过程中的不确定性（如光照的强度、光源方向等）。识别人脸主要依靠人脸上的特 征。也就是说依据那些在不同个体上存在的较大差异而对同一个人则比较稳定的度量。由 于人脸变化复杂，因此特征表

4、述和特征提取十分困难。在对人脸图像进行特征提取和分类之前一般需要做几何归一化和灰度归一化。几何归 一化是指根据人脸定位结果将图像中人脸变换到同一位置和同样大小，灰度归一化是指对 图像进行光照补偿等处理，光照补偿能够一定程度地克服光照变化的影响而提高识别率。2.1 基于几何特征的方法人脸由眼睛、鼻子、嘴巴、下巴等部件构成，正因为这些部件的形状、大小和结构上 的各种差异才使得世界上每个人脸干差万别，因此对这些部件的形状和结构关系的几何描 述，可以作为人脸识别的重要特征。几何特征最早是用于人脸侧面轮廓的描述与识别，首 先根据侧面轮廓曲线确定若干显著点，并由这些显著点导出一组用于识别的特征度量如距离、

5、角度等。Jia等由正面灰度图中线附近的积分投影模拟侧面轮廓图是一种很有新意的方 法。2采用几何特征进行正面人脸识别一般是通过提取人眼、口、鼻等重要特征点的位置和 眼睛等重要器官的几何形状作为分类特征，旦Roder对几何特征提取的精确性进行了实验 性的研究，结果不容乐观。3可变形模板法可以视为几何特征方法的一种改进，其基本思 想是：设计一个参数可调的器官模型（即可变形模板，如图2-1，图2-2所示），定义一个 能量函数，通过调整模型参数使能量函数最小化，此时的模型参数即做为该器官的几何特 征。这种方法思想很好，旦是存在两个问题，一是能量函数中各种代价的加权系数只能由图 2-2 可变形模板法的嘴模

6、型基于参数的人脸表示可以实现对人脸显著特征的一个高效描述，旦它需要大量的前处 理和精细的参数选择。同时，采用一般几何特征只描述了部件的基本形状与结构关系，忽 略了局部细微特征，造成部分信息的丢失，更适合于做粗分类，而且目前已有的特征点检 测技术在精确率上还远不能满足要求，计算量也较大。2.2 基于特征脸的方法Turk和Pentland提出特征脸的方法，它根据一组人脸训练图像构造主元子空间，由 于主元具有脸的形状，也称为特征脸（如图 2-3 所示）。识别时将测试图像投影到主元子空 间上，得到一组投影系数，和各个己知的人脸图像比较进行识别。Pentland等报告了相 当好的结果，在200个人的30

7、00幅图像中得到95%的正确识别率，在FERET数据库上 对150幅正面人脸象只有一个误识别。但系统在进行特征脸方法之前需要作大量预处理工 作，如归一化等。图2-3 Pentland 得到的特征脸（主特征向量）在传统特征脸的基础上，研究者注意到特征值大的特征人脸识向量（即特征脸）并不一 定是分类性能好的方向，据此发展了多种特征（子空间）选择方法，如Peng的双子空间 方法、Weng的线性歧义分析方法、Belhumeur的FisherFace方法等。事实上，特征脸 方法是一种显式主元分析人脸建模，一些线性自联想、线性压缩型BP网则为隐式的主元 分析方法。它们都是把人脸表示为一些向量的加权和，这些

8、向量是训练集叉积阵的主特征 向量,Valetin对此作了详细讨论。总之，特征脸方法是一种简单、快速、实用的基于变 换系数特征的算法，但由于它在本质上依赖于训练集和测试集图像的灰度相关性，所以还 有着很大的局限性。 52.3局部特征分析LFA方法主元子空间的表示是紧凑的，特征维数大大降低，但它是非局部化的，其核函数的支 集扩展在整个坐标空间中，同时它是非拓扑的，某个轴投影后邻近的点与原图像空间中点 的邻近性没有任何关系，而局部性和拓扑性对模式分析和分割是理想的特性，似乎这更符 合神经信息处理的机制，因此寻找具有这种特性的表达十分重要。基于这种考虑，Atick 提出基于局部特征的人脸特征提取与识别

9、方法。这种方法在实际应用取得了很好的效果， 它构成了 Facelt软件的基础。局部特征分析（Local Feature Analysis丄FA）是一种基于特征表示的面像识别技术， 源于类似搭建积木的局部统计的原理。LFA基于所有的面像（包括各种复杂的式样）都可以 从由很多不能再简化的结构单元子集综合而成。这些单元使用复杂的统计技术而形成，它 们代表了整个面像，通常跨越多个像素（在局部区域内）并代表了普遍的面部形状，但并 不是通常意义上的面部特征。实际上，面部结构单元比面像的部位要多得多。然而，要综合形成一张精确逼真的面像，只需要整个可用集合中很少的单元子集（12 40特征单元）。要确定身份不仅

10、仅取决于特性单元，还决定于它们的几何结构（比如它们的 相关位置）。通过这种方式,LFA将个人的特性对应成一种复杂的数字表达方式，可以进 行对比和识别。“面纹”编码方式是根据脸部的本质特征和形状来工作的，它可以抵抗光 线、皮肤色调、面部毛发、发型、眼镜、表情和姿态的变化，具有强大的可靠性，使它可 以从百万人中精确地辨认出一个人。银晨面像识别系统用的就是这种方法。2.4 基于弹性模型的方法Lades等人针对畸变不变性的物体识别提出了动态链接模型（DLA ），将物体用稀 疏图形来描述，其顶点用局部能量的多尺度描述来标记，边则表示拓扑连接关系并用几何 距离来标记，然后应用塑性图形匹配技术来寻找最近的己

11、知图形。Wiscott等人在此基础 上作了改进，用FERET等图像库做实验，用300幅人脸图像和另外300幅图像作比较， 准确率达到97.3；此方法的缺点是计算量非常巨大。Nastar将人脸图像I（x，y）建模为可变形的3D网格表面（x，y，I（x, y），从而将人脸 匹配问题转化为可变形曲面的弹性匹配问题N1。利用有限元分析的方法进行曲面变形， 并根据变形的情况判断两张图片是否为同一个人。这种方法的特点在于将空间（x，y）和灰 度I（x，y）放在了一个3D空间中同时考虑，实验表明识别结果明显优于特征脸方法。Lanitis等提出灵活表现模型方法，通过自动定位人脸的显著特征，将人脸编码为83 个

12、模型参数，并利用辨别分析的方法进行基于形状的人脸识别。2.5 神经网络方法目前神经网络方法在人脸识别中的研究方兴未艾。Valentin提出一种方法，首先提取 人脸的 50 个主元，然后用自相关神经网络将它映射到 5 维空间中，再用一个普通的多 层感知器进行判别，对一些简单的测试图像效果较好；Intrator等提出了一种混合型神经 网络来进行人脸识别，其中非监督神经网络用于特征提取，而监督神经网络用于分类。Lee 等将人脸的特点用六条规则描述，然后根据这六条规则进行五官的定位，将五官之间的几 何距离输入模糊神经网络进行识别，效果较一般的基于欧氏距离的方法有较大改善； Laurence等采用卷积神

13、经网络方法进行人脸识别，由于卷积神经网络中集成了相邻像素 之间的相关性知识，从而在一定程度上获得了对图像平移、旋转和局部变形的不变性，因 此得到非常理想的识别结果；Lin等提出了基于概率决策的神经网络方法（PDBNN），其主 要思想是采用虚拟（正反例）样本进行强化和反强化学习，从而得到较为理想的概率估计结 果，并采用模块化的网络结构（OCON）加快网络的学习。这种方法在人脸检测、人脸定位 和人脸识别的各个步骤上都得到了较好的应用。其它研究还有：Dai等提出用Hopfield网 络进行低分辨率人脸联想与识别；Gutta等提出将RBF与树型分类器结合起来进行人脸 识别的混合分类器模型；Philli

14、ps等人将Matching Pursuit滤波器用于人脸识别；还有人 用统计学习理论中的支撑向量机（SVM ）进行人脸分类。神经网络方法在人脸识别上的应用比起前述几类方法来有一定的优势，因为对人脸识 别的许多规律或规则进行显性的描述是相当困难的，而神经网络方法则可以通过学习的过 程获得对这些规律和规则的隐性表达，它的适应性更强，一般也比较容易实现。2.6 其他方法Brunelli 等对模板匹配方法作了大量实验，结果表明在尺度、光照、旋转角度等各种 条件稳定的情况下，模板匹配的效果优于其他方法，但它对光照、旋转和表情变化比较敏 感，影响了它的直接使用。Goudail等人采用局部自相关性作为人脸识

15、别的判断依据，它 具有平移不变性，在脸部表情变化时比较稳定。在最近的一些工作中启enarie等提出VFR的表示框架并将它用于人脸识别的工作中， Lam等人研究了不同视点下的人脸匹配和识别问题，Vetter等人讨论了由单幅人脸图像 生成其他视点的人脸图像的可能性，Mirhosseini等则探讨了多种信息融合的人脸识别方 法。83 总结作为模式识别、图像分析与理解等领域的典型研究课题，人脸识别不仅在理论上具有 重要价值，而且在安全、金融等领域具有重要的应用前景，因此在学术界和产业界都受到 了广泛的关注，目前已经出现了一些实用的商业系统。然而，由于图像采集条件和人脸自 身属性的变化，例如图像采集时的

16、光照、视角、摄像设备的变化，人脸的表情、化妆、年 龄变化等，都可能使得同一人的不同照片表观差别很大，造成识别上的困难。因此，提高 人脸识别系统对这些变化的鲁棒性成为该领域研究人员的重要目标之一。为实现鲁棒的识 别，可以从人脸建模、分类器设计等不同角度入手：前者试图从寻求对各种外界条件导致 的图像变化具有不变性的人脸描述入手；而后者则试图使得分类器对特征的变异有足够的 鲁棒性。另外，也可以同时从两个角度入手解决问题。在人脸识别的早期，基于表观(appearance)的人脸识别方法往往直接采用图像灰度作 为特征进行分类或者特征选择的基础，如 Correlation，Eigenfaces，Fisherfaces 等。而 近年来，对图像灰度进行多尺度、多方向的 Gabor 小波变