CN107748871B - 一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法 - Google Patents

一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，包括如下步骤：分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理；根据步骤(1)自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取；对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子；映射局部协方差描述子到可再生希尔伯特空间，提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别。本发明能有效提高单一尺度局部协方差描述子的表述能力，同时局部敏感黎曼核稀疏分类可有效地利用多尺度描述子的局部性。

Description

一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的 三维人脸识别方法
技术领域
本发明涉及数字图像处理和模式识别领域，尤其是一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法。
背景技术
与二维图像不同，三维人脸扫描仪获取的三维人脸数据，能有效地包含人脸固有的空间几何信息。由于三维形状数据对光照、视图的变化鲁棒，并且不像二维数据其像素值易受化妆等影响，这些特点为个体身份的准确认定提供了客观依据。随着时代的演变，人体测量技术的发展以及计算能力的增强，极大地促进了人脸识别方法从纯粹以二维图像为基础的方法向使用人脸空间形状信息的三维人脸识别方法转移。近些年来，包含几何信息的三维人脸识别已经成为研究和应用的热点，尤其是人脸识别大挑战计划(FaceRecognition Grand Challenge，FRGC)的实施，极大地推动了国内外对三维人脸识别的研究。
但是人脸曲面随着年龄的增长、表情变化而发生变化，并且在实际应用中，复杂背景与传感器噪声等问题使得单一尺度的局部协方差描述子难以准确描述人脸的局部特征。通过连续变化的尺度参数获得不同尺度下的视觉处理信息，并整合相关信息，有利于深入地挖掘本质特征，故使用多个尺度融合下的人脸特征进行识别有利于提高人脸特征对尺度变化的鲁棒性。另一方面，将局部协方差描述子构成的空间映射到高维的可再生希尔伯特(Hilbert)空间，能解决协方差矩阵的稀疏表示问题。同时局部性比稀疏性更能从本质上反映空间特性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，利用连续变化的尺度参数获得不同尺度下的局部协方差描述子，能有效提高单一尺度局部协方差描述子的表述能力，同时局部敏感黎曼核稀疏分类可有效地利用多尺度描述子的局部性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，包括如下步骤：
(1)分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理，用来改善三维数据的质量；
(2)根据步骤(1)自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取；
(3)对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子，d为所提取的特征向量的维数；
(4)映射局部协方差描述子到可再生希尔伯特空间，提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别。
优选的，步骤(1)中，分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理具体包括如下步骤：
(11)对人脸中的一些小孔洞采用其临近三维点云坐标(x，y，z)的有效邻域通过双三次插值进行填补；
(12)人脸切割，根据形状指数，特征和几何约束确定鼻尖点位置，点
Figure BDA0001448096340000021
的形状指数描述符通过其最大曲率
Figure BDA0001448096340000022
和最小曲率
Figure BDA0001448096340000023
计算，表示为
Figure BDA0001448096340000024
首先计算人脸点云中每一个点的形状指数，并选取形状指数在0.85-1.0范围内的点组成的连通区域作为初始的鼻尖点候选区域；其次计算人脸点云的质心位置，在鼻尖候选区域选择靠质心位置最近的一个连通区域作为鼻尖区域；选取鼻尖区域的质心作为鼻尖点；最后以鼻尖点为球心，90mm为半径做球，切割感兴趣的三维人脸区域；
(13)姿势矫正，通过对切割后的人脸采用主成分分析(Principal ComponentAnalysis，PCA)进行姿态矫正；以鼻尖点为坐标原点，最大的特征值对应的特征向量作为Y轴，最小的特征值对应的特征向量作为Z轴，建立一个新的右手姿势坐标系统(PoseCoordinate System，PCS)；在新的坐标系统中，人脸区域有一个正面姿态，且每个点由唯一的x，y，z坐标表示；
(14)平滑去噪，对空间三维坐标系中的人脸点云三角化，得到空间三角网格，然后用基于网格的平滑算法对人脸区域进行平滑去噪，经过10次迭代处理，得到表面平滑的三维人脸网格。
优选的，步骤(2)中，根据步骤(1)自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取，具体包括如下步骤：
(21)通过最远点采样方法对原始人脸均匀采样m个关键点pi0(i＝1,…,m)，本发明中m＝37；
(22)基于网格曲面的高斯平滑来建立尺度空间，并通过连续变化的尺度参数获得不同尺度下的网格处理信息，构建一个包含高斯平滑处理过程的输入网格尺度空间，如式(2)所示：
Figure BDA0001448096340000031
其中M指原始三维人脸网格，
Figure BDA0001448096340000032
表示近似的σs阶高斯滤波器，并且阶数σs＝2s/kσ0以指数形式变化，其中k和s是相应的平滑参数；三维人脸网格的高斯滤波器经过二项式滤波器卷积后，从每个网格顶点Vi移动到
Figure BDA0001448096340000033
Vj表示Vi的一环邻域Ni中的点，得到新的三维人脸网格，依此类推；为了得到平滑曲面，利用离散卷积值逼近期望的指数增长速度，令
Figure BDA0001448096340000034
Figure BDA0001448096340000035
表示平均边缘长度，s＝0,1,…,nscales+2，本发明选择前3个尺度的三维人脸数据和原始人脸数据用于后续处理，原始人脸尺度记为0，所提取的多尺度关键点为pis(i＝1,…,37；s＝0,…,3)；
(23)对于每个尺度s，以关键点pis(i＝1,…,37)为中心，以测地距离r＝13为半径提取关键点邻域Pis(i＝1,…,37)，三维人脸表面用多尺度局部区域{Pis,i＝1,…,37；s＝0,…,3}来表示。
优选的，步骤(3)中，对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子，具体包括如下步骤：
(31)对每个尺度s下的关键点邻域Pis(i＝1,…,37)中的点
Figure BDA0001448096340000036
提取3个不同类型的特征Fd(d＝1,2,3)，mi为邻域Pis中点的个数：提取测地距离特征F1：F1表示邻域区域Pis中的点
Figure BDA0001448096340000037
到中心点pi的测地距离，测地距离是连接三维人脸曲面上两个点之间的最短距离，是一类即使对形变人脸也具有高判别性的特征；提取梯度特征F2：点
Figure BDA0001448096340000038
的梯度特征F2定义为
Figure BDA0001448096340000041
其中ny和nz分别表示点法线在x和z轴方向上的值；提取幅度特征F3：
Figure BDA0001448096340000042
的幅度为
Figure BDA0001448096340000043
其中nx和ny分别表示点法线在x和y轴方向上的值，梯度特征和幅度特征可用来描述三维人脸曲面的几何法向上特定方向上的变化趋势；
(32)构建每个尺度s下关键点邻域的协方差描述子Cis(i＝1,…,37)：根据步骤(31)，对于区域Pis内的每一个点
Figure BDA0001448096340000044
mi为区域Pis中的点数，提取3维特征向量
Figure BDA0001448096340000045
Figure BDA0001448096340000046
表示点
Figure BDA0001448096340000047
的第1个测地距离特征F1s，以此类推；
Figure BDA0001448096340000048
表示区域Pis中的所有点的3维特征向量的集合，用一个3×3的协方差矩阵Cis来表示一个给定的三维关键点邻域区域Pis，定义如下：
Figure BDA0001448096340000049
μs为区域Pis的平均特征向量，协方差矩阵Cis是一个对称正定矩阵，它的对角元素表示的是每个特征的方差，非对角元素表示特征之间的相关性，区域Pis的协方差矩阵Cis具有与其大小无关的独立固定的3×3的维数；
(33)局部协方差描述子的多尺度融合：
Figure BDA00014480963400000410
其中，s为尺度个数，λs为权重系数，λs为各尺度下的Rank-1的识别率与所有尺度的Rank-1识别率的总和之比，Ci即为第i个关键点的多尺度协方差描述子。
优选的，步骤(4)中，映射局部协方差描述子到可再生希尔伯特空间，提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别具体包括如下步骤：
(41)库集字典建立，给定包含G个库集人脸的黎曼字典D＝{D1,…,Dg,…,DG}，其中Dg＝[Dg,1,Dg,2,…,Dg,m],g＝[1,…,G]，其中
Figure BDA0001448096340000051
表示第g个人的第m个关键点邻域的d×d维的多尺度协方差描述子，D中包含了L＝G·m个协方差描述子；
(42)局部敏感黎曼核稀疏分类，给定一个函数
Figure BDA0001448096340000052
对于测试人脸Y＝[y1,…,ym]，其中
Figure BDA0001448096340000053
表示测试人脸Y的第m个关键点邻域的多尺度协方差描述子，采用局部敏感的黎曼核稀疏分类的LASSO模型如下，
Figure BDA0001448096340000054
其中λ为正则化参数，
Figure BDA0001448096340000055
表示矢量对应元素相乘。pk∈RN表示局部算子，用于度量测试样本
Figure BDA0001448096340000056
和黎曼字典
Figure BDA0001448096340000057
中各列之间的黎曼距离，即用于测量测试样本和每个训练样本在核特征空间
Figure BDA0001448096340000058
中的黎曼距离，并赋予基向量不同的自由度；
Figure BDA0001448096340000059
其中
Figure BDA00014480963400000510
表示yk和D之间的Log-Euclidean距离，ε为用来调整局部敏感约束因子权重的衰减速度，设ε＝0.01；
求局部敏感的黎曼核稀疏分类的LASSO模型的解析解，即在等式约束1Txk＝1下，使目标函数最小；该模型是一类典型的有等式约束的最优化问题，可采用拉格朗日乘数法进行求解，通过拉格朗日系数把等式约束和目标函数进行组合，对该式进行最优化求解，得到其解析解为
Figure BDA00014480963400000511
其中
Figure BDA00014480963400000512
相比于A1范数约束下的稀疏表示，基于敏感约束下的稀疏表示可以得到更具有判别性的特征和解析解，因此其求解速度比A1范数约束下的稀疏表示快得多，通过直接求解方程的系数矢量xk，可以实现局部敏感黎曼核稀疏表示分类，如下式
Figure BDA0001448096340000061
其中δg(·)表示仅选择类g对应的系数，rg(Y)为第g类m个描述子的重建残差和的均值，其残差最小的库集人脸模型与测试集人脸模型可以判定为同一个人的三维人脸；
采用能精准测量重建残差的Log-Euclidean高斯核，其对应表达式为：
K(X,Y)＝exp(-γ||log(X)-log(Y)||2) (11)其中γ为核函数K(X,Y)的参数，本发明的实验参数为λ＝10e-3，γ＝2×10e-2。
本发明的有益效果为：(1)提出直接在三维人脸网格上提取基于关键点邻域的不同类型的有效特征，不仅仅是单一的利用形状区域的几何或空域特征；(2)通过连续变化的尺度参数获得不同尺度下的视觉处理信息，深入地挖掘三维人脸的本质特征，本发明提出使用多个尺度融合下的人脸特征进行识；(3)通过在黎曼核稀疏编码中引入局部约束来产生较好的分类性能，提出了基于局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
图2为本发明的原始人脸模型示意图。
图3为本发明经切割后的人脸区域模型示意图。
图4为本发明的三维人脸1-3尺度关键点的邻域展示(m＝37)示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，包括如下步骤：
(1)分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理，用来改善三维数据的质量；
(2)根据步骤(1)自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取；
(3)对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子，d为所提取的特征向量的维数；
(4)映射局部协方差描述子到可再生希尔伯特空间，提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别。
实施例1：
如图1-4所示，本发明的一种基于多尺度协方差描述子和局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，在Windows操作系统中通过Matlab R2015b编程工具实现三维人脸识别流程。实验数据来自FRGC v2.0三维人脸数据库，该数据库包含用于测试的466个人的4007张三维人脸模型。
步骤1：分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理的具体处理过程为：
步骤1.1：对人脸中的一些小孔洞采用其临近三维点云坐标(x，y，z)的有效邻域通过双三次插值进行填补；
步骤1.2：人脸切割，根据形状指数(Shape Index)特征和几何约束确定鼻尖点位置，点
Figure BDA0001448096340000071
的形状指数描述符通过其最大曲率
Figure BDA0001448096340000072
和最小曲率
Figure BDA0001448096340000073
计算，表示为
Figure BDA0001448096340000074
首先计算人脸点云中每一个点的形状指数，并选取形状指数在(0.85-1.0)范围内的点组成的连通区域作为初始的鼻尖点候选区域。其次计算人脸点云的质心位置，在鼻尖候选区域选择靠质心位置最近的一个连通区域作为鼻尖区域。选取鼻尖区域的质心作为鼻尖点。最后以鼻尖点为球心，90mm为半径做球，切割感兴趣的三维人脸区域；
步骤1.3：姿势矫正，通过对切割后的人脸采用主成分分析(Principal ComponentAnalysis，PCA)进行姿态矫正。以鼻尖点为坐标原点，最大的特征值对应的特征向量作为Y轴，最小的特征值对应的特征向量作为Z轴，建立一个新的右手姿势坐标系统(PoseCoordinate System，PCS)。在新的坐标系统中，人脸区域有一个正面姿态，且每个点由唯一的x，y，z坐标表示；
步骤1.4：平滑去噪，对空间三维坐标系中的人脸点云三角化，得到空间三角网格，然后用基于网格的平滑算法对人脸区域进行平滑去噪，经过10次迭代处理，得到表面平滑的三维人脸网格。
步骤2：对步骤1自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取，具体处理过程为：
步骤2.1：通过最远点采样方法对原始人脸均匀采样m个关键点pi0(i＝1,…,m)，本发明m＝37；
步骤2.2：基于网格曲面的高斯平滑来建立尺度空间，并通过连续变化的尺度参数获得不同尺度下的网格处理信息。构建一个包含高斯平滑处理过程的输入网格尺度空间，如式(2)所示：
Figure BDA0001448096340000081
其中M指原始三维人脸网格，
Figure BDA0001448096340000082
表示近似的σs阶高斯滤波器，并且阶数σs＝2s/kσ0以指数形式变化，其中k和s是相应的平滑参数。三维人脸网格的高斯滤波器经过二项式滤波器(从每个网格顶点Vi移动到
Figure BDA0001448096340000083
Vj表示Vi的一环邻域Ni中的点)卷积后，得到新的三维人脸网格，依此类推。为了得到平滑曲面，利用离散卷积值逼近期望的指数增长速度。令
Figure BDA0001448096340000084
Figure BDA0001448096340000085
表示平均边缘长度，s＝0,1,…,nscales+2。本发明选择前3个尺度的三维人脸数据和原始人脸数据(原始人脸尺度记为0)用于后续处理。所提取的多尺度关键点为pis(i＝1,…,37；s＝0,…,3)；
步骤2.3：对于每个尺度s，以关键点pis(i＝1,…,37)为中心，以测地距离r＝13为半径提取关键点邻域Pis(i＝1,…,37)。三维人脸表面用多尺度局部区域{Pis,i＝1,…,37；s＝0,…,3}来表示。
步骤3：根据步骤2所提取的多尺度关键点邻域区域Pis(i＝1,…,37,s＝0,…,3)。对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子，d为所提取的特征向量的维数，具体处理过程为：
步骤3.1：对每个尺度s下的关键点邻域Pis(i＝1,…,37)中的点
Figure BDA0001448096340000091
提取3个不同类型的特征Fd(d＝1,2,3)，mi为邻域Pis中点的个数：
步骤3.1.1：提取测地距离特征F1：F1表示邻域区域Pis中的点
Figure BDA0001448096340000092
到中心点pi的测地距离。测地距离是连接三维人脸曲面上两个点之间的最短距离，是一类即使对形变人脸也具有高判别性的特征；
步骤3.1.2：提取梯度特征F2：点
Figure BDA0001448096340000093
的梯度特征F2定义为
Figure BDA0001448096340000094
其中ny和nz分别表示点法线在x和z轴方向上的值；
步骤3.1.3：提取幅度特征F3：
Figure BDA0001448096340000095
的幅度为
Figure BDA0001448096340000096
其中nx和ny分别表示点法线在x和y轴方向上的值。梯度特征和幅度特征可用来描述三维人脸曲面的几何法向上特定方向上的变化趋势。
理论上，测地距离、形状指数、体积、梯度、幅度、形状直径函数、曲度和Laplace-Beltrami描述符等都可用作表述三维人脸的特征。但是为了适应实际需要、降低数据存储量、提高计算效率和增进识别率，本发明选用测地距离、梯度和幅度特征用于构造多尺度协方差描述子。选定的特征能够良好地反映点之间的度量，刻画人脸局部表面和在特定方向上的变化趋势。
步骤3.2：构建每个尺度s下关键点邻域的协方差描述子Cis(i＝1,…,37)：
根据步骤3.1，对于区域Pis内的每一个点
Figure BDA0001448096340000097
mi为区域Pis中的点数，提取3维特征向量
Figure BDA0001448096340000098
Figure BDA0001448096340000099
表示点
Figure BDA00014480963400000910
的第1个测地距离特征F1s，以此类推。
Figure BDA00014480963400000911
表示区域Pis中的所有点的3维特征向量的集合。用一个3×3的协方差矩阵Cis来表示一个给定的三维关键点邻域区域Pis，定义如下：
Figure BDA0001448096340000101
μs为区域Pis的平均特征向量。协方差矩阵Cis是一个对称正定矩阵，它的对角元素表示的是每个特征的方差，非对角元素表示特征之间的相关性。区域Pis的协方差矩阵Cis具有与其大小无关的独立固定的3×3的维数；
步骤3.3：局部协方差描述子的多尺度融合：
Figure BDA0001448096340000102
其中，s为尺度个数，λs为权重系数。λs为各尺度下的Rank-1的识别率与所有尺度的Rank-1识别率的总和之比。Ci即为第i个关键点的多尺度协方差描述子。
步骤4：根据步骤3所提取的多尺度协方差描述子，提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别。
将局部协方差描述子构成的空间映射到高维的可再生希尔伯特(ReproducingKernel Hibert Space，RKHS)空间，能解决协方差矩阵的稀疏表示问题。但是，局部性比稀疏性更能从本质上反映空间特性。本发明提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别。
步骤4.1：库集字典建立，给定包含G个库集人脸的黎曼字典D＝{D1,…,Dg,…,DG}，其中Dg＝[Dg,1,Dg,2,…,Dg,m],g＝[1,…,G]，其中
Figure BDA0001448096340000103
表示第g个人的第m个关键点邻域的d×d维的多尺度协方差描述子，D中包含了L＝G·m个协方差描述子；
步骤4.2：局部敏感黎曼核稀疏分类，给定一个函数
Figure BDA0001448096340000104
对于测试人脸Y＝[y1,…,ym]，其中
Figure BDA0001448096340000105
表示测试人脸Y的第m个关键点邻域的多尺度协方差描述子，采用局部敏感的黎曼核稀疏分类的LASSO模型如下，
Figure BDA0001448096340000106
其中λ为正则化参数，
Figure BDA0001448096340000107
表示矢量对应元素相乘。pk∈RN表示局部算子，用于度量测试样本
Figure BDA0001448096340000108
和黎曼字典
Figure BDA0001448096340000109
中各列之间的黎曼距离，即用于测量测试样本和每个训练样本在核特征空间
Figure BDA0001448096340000111
中的黎曼距离，并赋予基向量不同的自由度。
Figure BDA0001448096340000112
其中
Figure BDA0001448096340000113
表示yk和D之间的Log-Euclidean距离。ε为用来调整局部敏感约束因子权重的衰减速度，本发明设ε＝0.01。
求局部敏感的黎曼核稀疏分类的LASSO模型的解析解，即在等式约束1Txk＝1下，使目标函数最小。该模型是一类典型的有等式约束的最优化问题，可采用拉格朗日乘数法(Lagrange Multiplier)进行求解。通过拉格朗日系数把等式约束和目标函数进行组合，对该式进行最优化求解。得到其解析解为
Figure BDA0001448096340000114
其中
Figure BDA0001448096340000115
相比于l1范数约束下的稀疏表示，基于敏感约束下的稀疏表示可以得到更具有判别性的特征和解析解，因此其求解速度比l1范数约束下的稀疏表示快得多。通过直接求解方程的系数矢量xk，可以实现局部敏感黎曼核稀疏表示分类，如下式
Figure BDA0001448096340000116
其中δg(·)表示仅选择类g对应的系数，rg(Y)为第g类m个描述子的重建残差和的均值，其残差最小的库集人脸模型与测试集人脸模型可以判定为同一个人的三维人脸。
本发明采用能精准测量重建残差的Log-Euclidean高斯核，其对应表达式为：
K(X,Y)＝exp(-γ||log(X)-log(Y)||2) (11)
其中γ为核函数K(X,Y)的参数。本发明的实验参数为λ＝10e-3，γ＝2×10e-2。
以上方法中，库集人脸为离线处理模式，测试人脸为在线处理模式。
实施例2：
采用实施例1的方法，进行实验验证。具体包括以下步骤：
步骤6：身份识别实验，实验均采用R1RR(Rank-one Recognition Rate)作为识别性能指标。
步骤6.1：实验一，本实验采用FRGC v2.0数据库，该库采集了466个对象的4007个人脸点云，包含微笑、吃惊、生气等带表情的人脸。在该数据库上做了三个识别实验，且每个实验都是采用每个对象的第一张中性人脸组成(共466张)库集人脸。(1)Neutralvs.Others，其余的3541张人脸构成测试集；(2)Neutral vs.Neutral，其余中性人脸作为测试集；(3)Neutral vs.Non-neutral，其余非中性人脸作为测试集。三组实验分别得到了98.3％、100％和95.7％的Rank-1识别率。
步骤6.2：实验二，本实验基于Bosphorus数据库，该数据库采集了105个对象的4666张人脸点云，其中表情种类丰富，且表情幅度较大。本实验采用每个人的第一张中性人脸组成的共105幅三维扫描数据作为库集，剩余的中性人脸和带表情的人脸分别作为测试集进行测试。测试集为中性人脸的Rank-1识别率为100％，测试集为愤怒、厌恶、恐惧、高兴、悲伤和惊讶的带表情的人脸的Rank-1识别率分别为97.2％、94.2％、97.1％、96.2％、98.5％和98.6％。由此可知，本发明提出的算法对表情变化具有很好的鲁棒性。
尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

Claims (4)

1.一种基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理，用来改善三维数据的质量；
(2)根据步骤(1)自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取；
(3)对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子，d为所提取的特征向量的维数；
(4)映射多尺度协方差描述子到可再生希尔伯特空间，提出局部敏感黎曼核稀疏表示对三维人脸进行分类识别；具体包括如下步骤：
(41)库集字典建立，给定包含G个库集人脸的黎曼字典D＝{D1,…,Dg,…,DG}，其中Dg＝[Dg,1,Dg,2,…,Dg,m],g＝[1,…,G]，其中
Figure FDA0002945237680000011
表示第g个人的第m个关键点邻域的d×d维的多尺度协方差描述子，D中包含了L＝G·m个协方差描述子；
(42)局部敏感黎曼核稀疏分类，给定一个函数
Figure FDA0002945237680000012
对于测试人脸Y＝[y1,…,ym]，其中
Figure FDA0002945237680000013
表示测试人脸Y的第m个关键点邻域的多尺度协方差描述子，采用局部敏感的黎曼核稀疏分类的LASSO模型如下，
Figure FDA0002945237680000014
其中λ为正则化参数，
Figure FDA0002945237680000015
表示矢量对应元素相乘，pk∈RN表示局部算子，用于度量测试样本
Figure FDA0002945237680000016
和黎曼字典
Figure FDA0002945237680000017
中各列之间的黎曼距离，即用于测量测试样本和每个训练样本在核特征空间
Figure FDA0002945237680000018
中的黎曼距离，并赋予基向量不同的自由度；
Figure FDA0002945237680000019
其中
Figure FDA00029452376800000110
表示yk和D之间的Log-Euclidean距离，ε为用来调整局部敏感约束因子权重的衰减速度，设ε＝0.01；
求局部敏感的黎曼核稀疏分类的LASSO模型的解析解，即在等式约束1Txk＝1下，使目标函数最小；该模型是一类典型的有等式约束的最优化问题，可采用拉格朗日乘数法进行求解，通过拉格朗日系数把等式约束和目标函数进行组合，对该式进行最优化求解，得到其解析解为
Figure FDA0002945237680000021
其中
Figure FDA0002945237680000022
相比于l1范数约束下的稀疏表示，基于敏感约束下的稀疏表示可以得到更具有判别性的特征和解析解，因此其求解速度比l1范数约束下的稀疏表示快得多，通过直接求解方程的系数矢量xk，可以实现局部敏感黎曼核稀疏表示分类，如下式
Figure FDA0002945237680000023
其中δg(·)表示仅选择类g对应的系数，rg(Y)为第g类m个描述子的重建残差和的均值，其残差最小的库集人脸模型与测试集人脸模型可以判定为同一个人的三维人脸；
采用能精准测量重建残差的Log-Euclidean高斯核，其对应表达式为：
K(X,Y)＝exp(-γ||log(X)-log(Y)||2) (11)
其中γ为核函数K(X,Y)的参数，实验参数为λ＝10e-3，γ＝2×10e-2。
2.如权利要求1所述的基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，其特征在于，步骤(1)中，分别对原始的G个库集人脸模型和P个测试集人脸模型进行自动预处理具体包括如下步骤：
(11)对人脸中的一些小孔洞采用其临近三维点云坐标(x，y，z)的有效邻域通过双三次插值进行填补；
(12)人脸切割，根据形状指数，特征和几何约束确定鼻尖点位置，点p的形状指数描述符通过其最大曲率kmax(p)和最小曲率kmin(p)计算，表示为
Figure FDA0002945237680000031
首先计算人脸点云中每一个点的形状指数，并选取形状指数在0.85-1.0范围内的点组成的连通区域作为初始的鼻尖点候选区域；其次计算人脸点云的质心位置，在鼻尖候选区域选择靠质心位置最近的一个连通区域作为鼻尖区域；选取鼻尖区域的质心作为鼻尖点；最后以鼻尖点为球心，90mm为半径做球，切割感兴趣的三维人脸区域；
(13)姿势矫正，通过对切割后的人脸采用主成分分析PCA进行姿态矫正；以鼻尖点为坐标原点，最大的特征值对应的特征向量作为Y轴，最小的特征值对应的特征向量作为Z轴，建立一个新的右手姿势坐标系统PCS；在新的坐标系统中，人脸区域有一个正面姿态，且每个点由唯一的x，y，z坐标表示；
(14)平滑去噪，对空间三维坐标系中的人脸点云三角化，得到空间三角网格，然后用基于网格的平滑算法对人脸区域进行平滑去噪，经过10次迭代处理，得到表面平滑的三维人脸网格。
3.如权利要求1所述的基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，其特征在于，步骤(2)中，根据步骤(1)自动预处理之后的库集人脸模型和测试集人脸模型建立尺度空间并进行多尺度关键点检测及其邻域提取，具体包括如下步骤：
(21)通过最远点采样方法对原始人脸均匀采样m个关键点pi0(i＝1,…,m)，本发明中m＝37；
(22)基于网格曲面的高斯平滑来建立尺度空间，并通过连续变化的尺度参数获得不同尺度下的网格处理信息，构建一个包含高斯平滑处理过程的输入网格尺度空间，如式(2)所示：
Figure FDA0002945237680000032
其中M指原始三维人脸网格，
Figure FDA0002945237680000033
表示近似的σs阶高斯滤波器，并且阶数σs＝2s/kσ0以指数形式变化，其中k和s是相应的平滑参数；三维人脸网格的高斯滤波器经过二项式滤波器卷积后，从每个网格顶点Vi移动到
Figure FDA0002945237680000034
Vj表示Vi的一环邻域Ni中的点，得到新的三维人脸网格，依此类推；为了得到平滑曲面，利用离散卷积值逼近期望的指数增长速度，令
Figure FDA0002945237680000041
Figure FDA0002945237680000042
表示平均边缘长度，s＝0,1,…,nscales+2，本发明选择前3个尺度的三维人脸数据和原始人脸数据用于后续处理，原始人脸尺度记为0，所提取的多尺度关键点为pis(i＝1,…,37；s＝0,…,3)；
(23)对于每个尺度s，以关键点pis(i＝1,…,37)为中心，以测地距离r＝13为半径提取关键点邻域Pis(i＝1,…,37)，三维人脸表面用多尺度局部区域{Pis,i＝1,…,37；s＝0,…,3}来表示。
4.如权利要求1所述的基于多尺度协方差描述子与局部敏感黎曼核稀疏分类的三维人脸识别方法，其特征在于，步骤(3)中，对每个尺度下的每个关键点邻域提取d×d维的局部协方差描述子，并对这些局部协方差描述子进行多尺度融合构建多尺度协方差描述子，具体包括如下步骤：
(31)对每个尺度s下的关键点邻域Pis(i＝1,…,37)中的点
Figure FDA0002945237680000043
提取3个不同类型的特征Fd(d＝1,2,3)，mi为邻域Pis中点的个数：提取测地距离特征F1：F1表示邻域区域Pis中的点
Figure FDA0002945237680000044
到中心点pi的测地距离，测地距离是连接三维人脸曲面上两个点之间的最短距离，是一类即使对形变人脸也具有高判别性的特征；提取梯度特征F2：点
Figure FDA0002945237680000045
的梯度特征F2定义为
Figure FDA0002945237680000046
其中ny和nz分别表示点法线在x和z轴方向上的值；提取幅度特征F3：
Figure FDA0002945237680000047
的幅度为
Figure FDA0002945237680000048
其中nx和ny分别表示点法线在x和y轴方向上的值，梯度特征和幅度特征可用来描述三维人脸曲面的几何法向上特定方向上的变化趋势；
(32)构建每个尺度s下关键点邻域的协方差描述子Cis(i＝1,…,37)：根据步骤(31)，对于区域Pis内的每一个点
Figure FDA0002945237680000049
mi为区域Pis中的点数，提取3维特征向量
Figure FDA0002945237680000051
Figure FDA0002945237680000052
表示点
Figure FDA0002945237680000053
的第1个测地距离特征F1s，以此类推；
Figure FDA0002945237680000054
表示区域Pis中的所有点的3维特征向量的集合，用一个3×3的协方差矩阵Cis来表示一个给定的三维关键点邻域区域Pis，定义如下：
Figure FDA0002945237680000055
μs为区域Pis的平均特征向量，协方差矩阵Cis是一个对称正定矩阵，它的对角元素表示的是每个特征的方差，非对角元素表示特征之间的相关性，区域Pis的协方差矩阵Cis具有与其大小无关的独立固定的3×3的维数；
(33)局部协方差描述子的多尺度融合：
Figure FDA0002945237680000056
其中，s为尺度个数，λs为权重系数，λs为各尺度下的Rank-1的识别率与所有尺度的Rank-1识别率的总和之比，Ci即为第i个关键点的多尺度协方差描述子。
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