CN106971143A - 一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，包括以下步骤：将人脸图像变换到对数域；利用平滑滤波对人脸图像进行处理；处理后的图像与原图像相减，消除光照分量，所得结果就是需要提取的人脸光照不变特征。本发明对不同角度的光照具有一定的抑制作用，处理后人脸图像的识别率较现有的算法处理后的人脸识别率高；本发明采用对数变换和平滑滤波对人脸图像做光照处理，方法简单，识别速度快。

Description

一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法

技术领域

本发明涉及模式识别技术领域，具体是一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法。

背景技术

人脸识别是目前模式识别和图形图象处理领域的研究热点，它模拟实现了人类视觉的识别能力，其研究范围涉及模式识别、图象处理、生理学、心理学、认知科学等诸多学科领域，甚至还涉及到人类的认知学和神经学领域。这种多学科特点也给广大研究者带来了极大的难度和挑战。通过对实际人脸识别系统的测试表明，光照、姿态和表情三大问题一直是影响人脸识别精度的重要因素，其中姿态和表情属于影响人脸识别率的内在因素，可以通过适当的约束条件来降低它们的影响；而光照属于外在因素，特别是自然环境光的变化不是人为所能控制的，因此对光照进行处理是每个人脸识别系统必须进行的步骤。目前处理光照问题的方法比较多，主要分为三类：提取光照不变特征、光照变化的建模、光照条件标准化。在提取光照不变特征的方法中，又主要分为两种：第一种是在对数域，通过高通滤波消除光照分量，例如：在对数域中，利用离散余弦变换(DCT)或小波变换进行滤波处理等方法。第二种是构造除法运算，通过除法运算来消除慢变化的光照分量，例如：梯度脸(Gradient-face)、韦伯脸(Weber-face)、局部二值模式(Local Binary Pattern，LBP)等方法。因此能够有效地提取在光照中保持鲁棒性的人脸特征以增强人脸识别在实际中的应用成为了一个至关重要的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够提高人脸识别率的利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，包括以下步骤：

(1)将原图像变换到对数域；

(2)在对数域中，利用平滑滤波对人脸图像进行平滑处理；

(3)与对数变换后的原图像相减，消除光照分量，所得结果就是需要提取的人脸光照不变特征。

作为本发明进一步的方案：根据光照反射模型，任意灰度人脸图像I(x,y)是反射分量R(x,y)和光照分量L(x,y)的乘积，即I(x,y)＝R(x,y)L(x,y)；所述步骤(1)中，对人脸图像进行对数变换，使其反射分量和光照分量由相乘变换为相加，即

lnI(x,y)＝lnR(x,y)+lnL(x,y)。

作为本发明进一步的方案：以平滑滤波3×3模板进行平滑处理后的人脸图像为I'，某像素点(x,y)的灰度值I'(x,y)如公式(1)所示：

为了表述方便，I(x+m,y+n)简记为I_m,n，同理，R(x+m,y+n)简记为R_m,n，L(x+m,y+n)简记为L_m,n，则公式(1)简记为公式(2)，如下所示：

根据光照反射模型进一步得到公式(3)：

作为本发明进一步的方案：光照分量L(x,y)变化缓慢，所以有公式(4)：

L_-1,-1≈L_0,-1≈L_1,-1≈L_-1,0≈L_0,0≈L_1,0≈L_-1,1≈L_0,1≈L_1,1 (4)；

对于公式(4)的所有变量均用L_t替代，得到公式(5)：

用lnI减去平滑滤波后的人脸图像I'，像素点(x,y)处的灰度值如公式(6)所示：

因此，消除了光照分量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明对不同角度的光照具有一定的抑制作用，处理后人脸图像的识别率较现有的算法处理后的人脸识别率高；本发明采用对数变换和平滑滤波对人脸图像做光照处理，方法简单，识别速度快。

附图说明

图1为本发明提取人脸光照不变特征的基本流程图。

图2为本发明中以(x,y)为中心的八邻域灰度值矩阵及其对应的简化表达示意图。

图3为提取CMU PIE人脸数据库光照不变特征前后的人脸示例图。

图4为提取扩展Yale B正面人脸库光照不变特征前后的人脸示例图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。

请参阅图1-4，一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，包括以下步骤：

(1)将原图像变换到对数域；

(2)在对数域中，利用平滑滤波对人脸图像进行平滑处理；

(3)与对数域中的原图像相减，消除光照分量，所得结果就是需要提取的人脸光照不变特征。

作为本发明进一步的方案：根据光照反射模型，任意灰度人脸图像I(x,y)可以看成是反射分量R(x,y)和光照分量L(x,y)的乘积，即I(x,y)＝R(x,y)L(x,y)；所述步骤(1)中，对人脸图像进行对数变换，使其反射分量和光照分量由相乘转换为相加，即

lnI(x,y)＝lnR(x,y)+lnL(x,y)。

以平滑滤波3×3模板进行平滑处理后的人脸图像为I'，某像素点(x,y)的灰度值为I'(x,y)。

具体来说，所述利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，具体步骤如下：

(1)以原图像某一像素点(x,y)为中心的8邻域如图2(a)所示，为简化表述，中心像素点(x,y)处的灰度值I(x,y)表述为I_0,0，如图2(b)所示，其邻域点的灰度值I(x+m,y+n)表述为I_m,n。

根据光照反射模型，任意灰度人脸图像I(x,y)可以看成是反射分量R(x,y)和光照分量L(x,y)的乘积，即I(x,y)＝R(x,y)L(x,y)，其中L(x,y)取决于光源且只代表面部光照的分量，R(x,y)取决于物体的表面特征并包含了面部的关键信息，在本发明中I(x+m,y+n)可表述为R_m,nL_m,n。将人脸图像每个像素值变换到对数域，在本发明中lnI(x+m,y+n)表述为ln R_m，n+ln L_m，n。

(2)常用的平滑滤波模板有：

本发明以平滑滤波3×3模板J₁对人脸图像进行平滑处理，得到I'。具体的原理推导过程如下：

设以平滑滤波3×3模板J₁进行平滑处理后的人脸图像I'，某像素点(x,y)的灰度值I'(x,y)如公式(1)所示：

为了表述方便，I(x+m,y+n)简记为I_m,n，同理，R(x+m,y+n)简记为R_m,n，L(x+m,y+n)简记为L_m,n，则公式(1)简记为公式(2)，如下所示：

根据光照反射模型进一步得到公式(3)：

作为本发明进一步的方案：光照分量L(x,y)变化缓慢，所以有公式(4)：

L_-1,-1≈L_0,-1≈L_1,-1≈L_-1,0≈L_0,0≈L_1,0≈L_-1,1≈L_0,1≈L_1,1 (4)

对于公式(4)的所有变量均用L_t替代，得到公式(5)：

用lnI减去平滑滤波后的人脸图像I'，如公式(6)所示：

在公式(6)中，消除了光照分量。

本发明在CMU PIE和扩展Yale B人脸库中进行实验：

1、人脸库介绍：CMUPIE人脸数据库共有68个人的41368张人脸图像，本发明选择的是在正面人脸光照组(C27)中进行实验，C27光照组共包含1428个人脸库。实验时，使用的人脸尺寸为32×32，从每个人的21种不同光照中选取一张图像作为训练样本，其余人脸作为测试样本。

扩展Yale B人脸库共包含38个人的9种不同姿态，每种姿态又包含64种不同的光照情况。本发明只在扩展Yale B正面人脸库(共2432张人脸)中进行实验，所有人脸图像按光照入射角度可分为5个子集：子集1(θ＜12°)有266个样本、子集2(13°＜θ＜25°)有456个样本、子集3(26°＜θ＜50°)有456个样本、子集4(51°＜θ＜77°)有532个样本、子集5(θ＞77°)有722个样本。实验时，使用的人脸尺寸为48×42，用子集1作为训练样本，其余子集作为测试样本。

2、实验结果：

实验1，将提取的人脸光照不变特征与原图像进行了对比发现经本发明方法处理后的人脸图像特征更为明显，有效地克服了光照对人脸特征的影响。在CMUPIE正面人脸库和扩展Yale B正面人脸库中提取光照不变特征前后的人脸示例分别如图3、图4所示。

实验2，本发明方法将提取的人脸光照不变特征，进行反正切变换将取值范围压缩到(-π/2,π/2)，采用L1范数测量距离后，利用最近邻分类器分类判别。在CMUPIE人脸库上的正确识别率是94.63％，在扩展Yale B人脸库的人脸正确识别率是97.41％，对人脸不变特征提取有较好的鲁棒性。

本发明对不同角度的光照具有一定的抑制作用，处理后人脸图像的识别率较现有的算法处理后的人脸识别率高；本发明采用对数运算和平滑滤波对人脸图像做光照处理，方法简单，识别速度快。

上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (4)

1.一种利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将原图像变换到对数域；

(2)在对数域中，利用平滑滤波对人脸图像进行平滑处理；

(3)与原图像相减，消除光照分量，所得结果就是需要提取的人脸光照不变特征。

2.根据权利要求1所述的利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，其特征在于，根据光照反射模型，任意灰度人脸图像I(x,y)可以看成是反射分量R(x,y)和光照分量L(x,y)的乘积，即I(x,y)＝R(x,y)L(x,y)；所述步骤(1)中，对人脸图像进行对数变换，使其反射分量和光照分量由相乘转换为相加，即lnI(x,y)＝lnR(x,y)+lnL(x,y)。

3.根据权利要求1-2所述的利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，其特征在于，以平滑滤波3×3模板进行。

处理后的图像为I'，某像素点(x,y)的灰度值I'(x,y)如公式(1)所示：

$\begin{array}{c}{I}^{\′}\left(x,y\right)=\frac{1}{9}\[\ln I\left(x-1,y-1\right)+\ln I\left(x,y-1\right)+\ln I\left(x+1,y-1\right)+\ln I\left(x-1,y\right)\\ +\ln I\left(x,y\right)+\ln I\left(x+1,y\right)+\ln I\left(x-1,y+1\right)+\ln I\left(x,y+1\right)+\ln I\left(x+1,y+1\right)\]\end{array}---\left(1\right);$

为了表述方便，I(x+m,y+n)简记为I_m,n，同理，R(x+m,y+n)简记为R_m,n，L(x+m,y+n)简记为L_m,n，则公式(1)简记为公式(2)，如下所示：

${I^{\′}}_{0,0}=\frac{1}{9}\left(\ln I_{-1,-1}+\ln I_{0,-1}+\ln I_{1,-1}+I_{-1,0}+\ln I_{0,0}+\ln I_{1,0}+\ln I_{-1,1}+\ln I_{0,1}+\ln I_{1,1}\right)---\left(2\right);$

根据光照反射模型进一步得到公式(3)：

${I^{\′}}_{0,0}=\frac{1}{9}\left(\ln R_{-1,-1}{L}_{-1,-1}+\ln R_{0,-1}{L}_{0,-1}+\ln R_{1,-1}{L}_{1,-1}+\ln R_{-1,0}{L}_{-1,0}+\ln R_{0,0}{L}_{0,0}+\ln R_{1,0}{L}_{1,0}+\ln R_{-1,1}{L}_{-1,1}+\ln R_{0,1}{L}_{0,1}+\ln R_{1,1}{L}_{1,1}\right)---\left(3\right).$

4.根据权利要求3所述的利用对数变换和平滑滤波的人脸光照不变特征提取方法，其特征在于，光照分量L(x,y)变化缓慢，所以有公式(4)：

L_-1,-1≈L_0,-1≈L_1,-1≈L_-1,0≈L_0,0≈L_1,0≈L_-1,1≈L_0,1≈L_1,1 (4)；

对于公式(4)的所有变量均用L_t替代，得到公式(5)：

$\begin{array}{c}{I^{\′}}_{0,0}=\frac{1}{9}\left(\ln R_{-1,-1}{L}_t+\ln R_{0,-1}{L}_t+\ln R_{1,-1}{L}_t+\ln R_{-1,0}{L}_t+\ln R_{0,0}{L}_t+\ln R_{1,0}{L}_t+\ln R_{-1,1}{L}_t+\ln R_{0,1}{L}_t+\ln R_{1,1}{L}_t\right)\\ =\frac{1}{9}(\ln R_{-1,-1}+\ln L_t+\ln R_{0,-1}+\ln L_t+\ln R_{1,-1}+\ln L_t+\ln R_{-1,0}+\ln L_t\\ +\ln R_{0,0}+\ln L_t+\ln R_{1,0}+\ln L_t+\ln R_{-1,1}+\ln L_t+\ln R_{0,1}+\ln L_t+\ln R_{1,1}+\ln L_t)\end{array}---\left(5\right);$

lnI减去平滑滤波后的人脸图像I'，如公式(6)所示：

$\begin{array}{c}\ln I_{0,0}-{I^{\′}}_{0,0}=\ln R_{0,0}+\ln L_t-\frac{1}{9}(\ln R_{-1,-1}+\ln L_t+\ln R_{0,-1}+\ln L_t+\ln R_{1,-1}+\ln L_t+\ln R_{-1,0}+\ln L_t\\ +\ln R_{0,0}+\ln L_t+\ln R_{1,0}+\ln L_t+\ln R_{-1,1}+\ln L_t+\ln R_{0,1}+\ln L_t+\ln R_{1,1}+\ln L_t)\\ =\ln R_{0,0}-\frac{1}{9}\left(\ln R_{-1,-1}+\ln R_{0,-1}+\ln R_{1,-1}+\ln R_{-1,0}+\ln R_{0,0}+\ln R_{1,0}+\ln R_{-1,1}+\ln R_{0,1}+\ln R_{1,1}\right)\end{array}---\left(6\right);$

因此，消除了光照分量。