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光照变化条件下的人脸检测与识别算法研究

蒋晓悦  
【摘要】: 鲁棒的人脸检测、识别系统应当能够处理在各种不同条件下采集的人脸图像,其中的可变因素包括表情、光照、姿态、时间等。本文主要针对光照变化条件下的人脸检测、识别问题,从图像增强和建立光照子空间两个方面做了相关的研究,主要成果如下: 针对利用球谐函数估计图像的光照状态,需要已知物体表面法向量的限制,本文基于平面模型推导出估计人脸图像的光照状态的线性方法,并且提出利用“逆图像”与原图像相互补偿的策略,实现了对人脸图像光照状态的调整。其中,补偿的权值可由图像本身的光照状态而确定。本文不但从理论上证明了线性光照估计的合理性,并且应用在人脸检测实验中也取得了较好的结果。 根据反射理论,朗伯反射体的双方向反射函数可以看作是一个低通滤波器,使得其反射光线主要由低频信息组成。但由于人脸的非凸性或者光源的不连续性,人脸图像中往往还会包含一些高频信息,如:阴影边缘等。基于Winner滤波器的自适应性,本文给出利用Wiener滤波器从图像中提取信息作为对光照状态的估计的方法。由于Wiener滤波器在提取低频信息的同时,也保留了部分高频信息,使得对光照的估计更加准确。在调整图像的光照状态时,仍然采用了“逆图像”与原图像互补的策略。通过人脸检测实验,验证了该方法调整图像光照状态的有效性。 根据环境中光照状态的变化,人的视觉系统会作自适应的调整,使得成像效果达到最佳。模拟人的视觉自适应调整机制,本文推导出一个光照全局调整函数,并提出利用图像本身的光照状态来确定调整函数参数的方法,实现了对图像光照状态自适应的调整。经过全局调整函数调整之后,曝光不足图像的对比度和灰度绝对值均有相应的提高;过度曝光图像的对比度也会有所提高,同时灰度绝对值有所下降。光照全局调整函数可以极大的改善图像质量,人脸检测实验验证了调整效果。 针对光照全局调整函数中可能会忽略图像中局部细节信息的问题,本文利用局部信息与整体信息相结合的策略,给出了光照细节调整函数。对于函数中的参数,本文提出通过对图像质量的评价实现参数优化的方法,并以灰度熵作为评价的客观标准。光照细节调整函数中,每点的局部信息与图像的全局信息通过双线性差值结合在一起,共同决定了对该点的调整程度,有效补偿了全局调整函数对于较亮信息的细节抑制作用。经过细节函数调整之后,图像的局部细节丰富、整体亮度适中,图像中信息的可辨识度有所提高。利用光照细节调整函数作为人脸检测算子的预处理方法,可以有效的提高检测系统的检测率。 鉴于9点光照子空间的基图像可以较容易的在真实物理环境中采集到,本文提出基于最大后验概率估计从单张图像恢复目标物体9点光照子空间的算法。与其它同类算法相比,本文提出算法的训练样本更容易获得,可操作性更强。而且利用目标物体任意光照状态下的单张图像都可恢复出该物体的9点光照子空间,具有一定的推广性。多个标准人脸数据库上的各种光照状态下的人脸识别实验,验证了该算法恢复出的9点光照子空间,可以很好的表达目标物体在不同光照条件下图像的变化。 基于图像增强的各种光照处理算法(线性光照估计与补偿、基于Wiener滤波的光照估计与补偿、光照全局调整、光照细节调整)不需要先验知识,直接利用图像本身的光照状态作相应的调整。建立光照子空间的光照处理算法,虽然需要训练样本,但对光照变化描述的更加准确。实际应用中可根据不同的条件选择不同的算法。


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