CN104539848A - 一种人脸多姿态采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种人脸多姿态采集系统，包括一控制模块和三个摄像头，所述三个摄像头均受控于所述控制模块，所述三个摄像头分别为一中间摄像头、以及位于中间摄像头相对两侧的一左摄像头和一右摄像头；所述中间摄像头、左摄像头和右摄像头三者的光轴汇聚于检测目标人脸处。本发明人脸多姿态采集系统，在进行人脸信息采集时，通过同时拍摄不同角度下的人脸图像，使得获得的人脸信息更加丰富，从而可有效解决在识别时因人脸姿态变化带来的影响，提高系统识别性能。

Description

一种人脸多姿态采集系统

技术领域

本发明涉及智能识别技术领域，尤其涉及一种人脸多姿态采集系统。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，人类对快速高效的身份验证技术有着迫切的要求。比如，办理金融业务、进入保密系统、出入国境等都需要身份确认。传统的身份验证主要采用人工核对证件和密码的方式完成，该身份验证方式不仅携带不便，而且容易被伪造和丢失。

人类的生物特征，如人脸、指纹、掌纹、虹膜和DNA等，作为人体固有的特征不仅具有自身稳定性，而且具有很强的个体差异性。多年来，生物特征识别技术一直受到模式识别与机器视觉研究领域的广泛关注。与其他生物特征相比，人脸特征具有侵犯性小、较少需要主动配合、样本采集方便、潜在数据资源丰富、设备成本低等优点。因此，人脸特征是目前身份验证中最为理想的生物特征。

由于人脸识别具有直接、友好、方便、使用者无任何心理障碍，易于为用户所接受等特点，所以人脸识别技术的应用前景非常大。

但人脸识别一直是世界性的难题，尽管很多研究者提出了很多研究方法，取得不少成绩，但仍然不能满足应用需求的需要。现有的自动人脸识别系统在用户配合、采集条件比较理想的情况下可以取得令人满意的结果。但是，当用户不配合，采集条件不理想(如光照恶劣、有遮、姿态变化等)的情况下，现有系统的识别效果会直线下降。因此，人脸识别技术远未达到实用水平，还存在着诸多挑战性问题需要解决。

目前，人脸识别系统中存在的主要问题包括：(1)光照变化问题；(2)姿态变化问题；(3)遮挡问题；(4)年龄变化问题；(5)大规模人脸库识别问题；(6)样本缺乏问题。

其中，光照和姿态变化是导致自动人脸识别系统性能严重下降的主要因素，光照和姿态变化问题是当前人脸自动识别系统面临最主要的挑战。

目前，针对姿态变化的处理是通过注册者在注册时反复做各种姿态来实现，如通过要求用户左偏、右偏、上偏、下偏等来实现，但对用户要求较高；针对光照的变化，主要靠算法来解决，但往往导致对光照的要求较高，不利于实际应用。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术人脸识别系统的技术问题，本发明提供一种人脸多姿态采集系统。本发明的具体技术方案如下：

本发明人脸多姿态采集系统，包括一控制模块和三个摄像头，所述三个摄像头均受控于所述控制模块，所述三个摄像头分别为一中间摄像头、以及位于中间摄像头相对两侧的一左摄像头和一右摄像头；所述中间摄像头、左摄像头和右摄像头三者的光轴汇聚于检测目标人脸处。

进一步的，所述左摄像头以及所述右摄像头与所述中间摄像头的光轴夹角范围均为5°～10°。

进一步的，还包括受控于控制模块的光照模块和照度监测模块；所述光照模块用于在图像获取模块拍摄人脸图像时提供光照；所述照度监测模块用于检测当前获取的人脸图像的平均亮度是否在一设定阈值范围内，若否，则反馈给控制模块，启动光照补偿。

进一步的，所述光照补偿为调整光照模块的光源强度并控制三个摄像头重新拍摄人脸图像，当照度监测模块检测到重新拍摄到的人脸图像的平均亮度已在设定阈值范围内时，则提示控制模块停止光照补偿。

进一步的，所述照度监测模块预先采集大量在不同光照下的人脸图像，计算出能使人脸图像保持清晰的细节和纹理的亮度值范围，将该亮度值范围定为所述的设定阈值范围。

进一步的，所述照度监测模块对预先采集到的大量人脸图像进行噪声滤除处理后再计算出能使人脸图像保持清晰的细节和纹理的亮度值范围。

进一步的，所述噪声滤除处理中滤除的噪声包括摄像头本身的噪声以及人脸图像中头发、胡须以及眼睛的影响。

进一步的，所述光照模块是LED灯。

相较于现有技术，本发明人脸多姿态采集系统，分别为一中间摄像头、以及位于中间摄像头相对两侧的一左摄像头和一右摄像头，三摄像头光轴汇聚于检测目标人脸处。这样，在进行人脸信息采集时，通过同时拍摄不同角度下的人脸图像，使得获得的人脸信息更加丰富，从而可有效解决在识别时因人脸姿态变化带来的影响，提高系统识别性能。

附图说明

图1为本发明实施例1的人脸多姿态采集系统的模块示意图；

图2为本发明实施例1的人脸多姿态采集系统的结构原理示意图

图3为本发明实施例2的人脸多姿态采集系统的模块示意图；

图4为本发明实施例2的人脸多姿态采集系统的结构原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用来限定本发明。

图1和图2为本发明实施例1的人脸多姿态采集系统的示意图，该人脸多姿态采集系统，包括一控制模块1和三个摄像头(21、22、23)。

三个摄像头(21、22、23)，均受控于所述控制模块1，由控制模块1控制三个摄像头(21、22、23)，启动进入拍摄采集模式。控制模块1可以是一控制主板。三个摄像头(21、22、23)，分别为一中间摄像头22、以及位于中间摄像头22相对两侧的一左摄像头21和一右摄像头23。中间摄像头22、左摄像头21和右摄像头23三者的光轴汇聚于检测目标人脸处0。在作人脸图像采集时，可以根据三摄像头的视角设置，先确定好人所站立的位置，以方便采集。

具体的，左右摄像头(21、23)的位置设置，可以认为是它们分别从中间摄像头22位置处，以中间摄像头22的光轴为参考对象，经过平移和旋转左右摄像头(21、23)的光轴得到。设置后的左右摄像头(21、23)可实现相当于中间摄像头22进行做左偏和右偏的效果。证明如下：

设人脸0正对中间摄像头22光轴，左视角设为α，人脸0与中间摄像头22光心的距离为L。中间摄像头22光心与左摄像头21光心之间的距离为D，设世界坐标系O_WX_WY_WZ_W在人脸0的中央位置，其Z轴指向中间摄像头22光心，X轴与左、右两摄像头(22、23)的光心连线平行。分别以左、右摄像头(22、23)建立摄像头坐标系O_CX_CY_CZ_C，其原点分别在其光心位置，而成像平面坐标系，原点定义在左右摄像机(21、23)各自光轴与图像平面的交点，图像坐标系则定义在图像平面的左上角。

以左摄像头21为研究对象，建立一系列坐标系转换方程如下：

世界坐标 $\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}{x}_u=f\frac{x_C}{z}\\ y_u=f\frac{y_C}{z_C}\end{array}\right.\\ R\end{array}$ 与摄像机坐标系O_CX_CY_CZ_C之间的关系用齐次坐标描述如下:

$\left[\begin{array}{c}{X}_C\\ Y_C\\ Z_C\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\\ Z_W\\ 1\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，R为3×3的旋转矩阵，其确定了摄像机坐标系相对于世界坐标系的方向，可由三个欧拉角ψ、θ、φ来表示。该三个欧拉角也代表了左摄像头21、右摄像头23与中间摄像头22的光轴夹角，该夹角范围可设置为5°～10°。T为3×1平移矢量，表示摄像机坐标系相对于世界坐标系的位置关系，0^T表示3×1的零矩阵的转置。

摄像机坐标系下空间点坐标(x_C,y_C,z_C)在小孔成像模型下经投影变换至理想成像平面坐标系下的坐标(x_u,y_u)，即

$\left\{\begin{array}{c}{x}_u=f\frac{x_C}{z_C}\\ y_u=f\frac{y_C}{z_C}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，f表示相机焦距。

用齐次坐标表示为：

$z_C\left[\begin{array}{c}{x}_u\\ y_u\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_C\\ y_C\\ z_C\\ 1\end{array}\right]---\left(3\right)$

成像平面坐标系到图像坐标的转换用齐次坐标表示为：

$\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{s}_x& 0& u_0\\ 0& s_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_u\\ y_u\\ 1\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中，(u₀,v₀)为图像中心的像素坐标，s_x和s_y分别为图像平面上沿x轴、y轴方向单位距离上的像素点数。

综上所述可得，左摄像头21下世界坐标系到图像坐标系之间的转换关系为：

$z_C\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{s}_x& 0& u_0\\ 0& s_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}R& T\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\\ Z_W\\ 1\end{array}\right]---\left(5\right)$

对于中间摄像头22，我们认为R为3阶单位方阵，T为3×1平移矢量，在x,y轴上的平移量为0，只在z轴上有分量，所以可得

$z_C\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{s}_x& 0& u_0\\ 0& s_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}I& T\\ 0^T& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\\ Z_W\\ 1\end{array}\right]---\left(6\right)$

进一步化简得：

$z_C\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{s}_x& 0& u_0\\ 0& s_y& v_0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{cccc}f& 0& 0& 0\\ 0& f& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{X}_W\\ Y_W\\ Z_W+T_z\\ 1\end{array}\right]---\left(7\right)$

由(5)式和(7)式对比可知：

通过设置，左、右摄像头(21、23)可以实现相当于中间摄像头左偏和右偏功能，让三摄像头同时拍摄多姿态的人脸图像成为可能，丰富了采集的人脸姿态信息，从而降低了识别阶段因拍摄到的人脸姿态发生变化对识别率的影响，提高了识别的准确率。

图3和图4是本发明实施例2人脸多姿态采集系统的模块示意图。与实施例1相比，该人脸多姿态采集系统还包括受控于控制模块1的光照模块3和照度监测模块4。

光照模块3，用于在图像获取模块拍摄人脸图像时提供光照，以增强人脸获取时光照亮度。可优选地，光照模块3是LED灯。采用LED灯亮度控制易实现，且寿命长。在优选方案中，LED灯间隔设置在三个摄像头(21、22、23)之间，且朝向人脸处0方向投射光，以形成交叉均匀光照。

该照度监测模块4，用于检测当前获取的人脸图像的平均亮度是否在一设定阈值范围内，若否，则反馈给控制模块1，启动光照补偿，调整光照模块3的亮度，从而保证获取的人脸图像具有光照不变性。其中，照度监测模块4可集成在所述控制模块1内，也可以独立设置。

光照补偿为调整光照模块的光源强度并控制三个摄像头在光照补偿后重新拍摄人脸图像，以获得亮度一致的人脸图像。

当照度监测模块4检测到重新拍摄到的人脸图像的平均亮度已在设定阈值范围内时，则提示控制模块1停止光照补偿，即不再反馈给控制模块1调整光照模块3的亮度。

在光照补偿中，用作评判标准的设定阈值范围，事先通过实验进行设定。具体为，照度监测模块4预先采集大量在不同光照下的人脸图像，在经过噪声滤除，去除摄像头系统本身的噪声和人脸图像中头发、胡须、眼睛等的影响，计算出能使人脸图像保持清晰的细节和纹理的亮度值范围，然后，将该亮度值范围即为设定阈值范围。

本发明采用调整外部主动光源强度的方式，进行照补偿，使得采集的人脸图像亮度在一定亮度值范围内，保证了所获取的人脸图像具有光照不变性，从而解决了光照变化对人脸识别的影响。该方案不仅实现容易，而且效果较好。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种人脸多姿态采集系统，其特征在于，包括一控制模块和三个摄像头，所述三个摄像头均受控于所述控制模块，所述三个摄像头分别为一中间摄像头、以及位于中间摄像头相对两侧的一左摄像头和一右摄像头；所述中间摄像头、左摄像头和右摄像头三者的光轴汇聚于检测目标人脸处。

2.根据权利要求1所述的人脸多姿态采集系统，其特征在于：所述左摄像头以及所述右摄像头与所述中间摄像头的光轴夹角范围均为5°～10°。

3.根据权利要求1所述的人脸姿态采集系统，其特征在于：还包括受控于控制模块的光照模块和照度监测模块；

所述光照模块用于在图像获取模块拍摄人脸图像时提供光照；

所述照度监测模块用于检测当前获取的人脸图像的平均亮度是否在一设定阈值范围内，若否，则反馈给控制模块，启动光照补偿。

4.根据权利要求3所述的人脸姿态采集系统，其特征在于：所述光照补偿为调整光照模块的光源强度并控制三个摄像头重新拍摄人脸图像，当照度监测模块检测到重新拍摄到的人脸图像的平均亮度已在设定阈值范围内时，则提示控制模块停止光照补偿。

5.根据权利要求3所述的人脸姿态采集系统，其特征在于：所述照度监测模块预先采集大量在不同光照下的人脸图像，计算出能使人脸图像保持清晰的细节和纹理的亮度值范围，将该亮度值范围定为所述的设定阈值范围。

6.根据权利要求5所述的人脸多姿态采集系统，其特征在于：所述照度监测模块对预先采集到的大量人脸图像进行噪声滤除处理后再计算出能使人脸图像保持清晰的细节和纹理的亮度值范围。

7.根据权利要求6所述的人脸多姿态采集系统，其特征在于：所述噪声滤除处理中滤除的噪声包括摄像头本身的噪声以及人脸图像中头发、胡须以及眼睛的影响。

8.根据权利要求3所述的人脸多姿态采集系统，其特征在于：所述光照模块是LED灯。