三维人脸识别系统设计思路

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1、三维人脸识别系统的设计思路李华明（来自中国系统分析员）　　　2004年03月08日我有话说……一、序言　　基于生物特征的身份认证技术近年来发展迅速，这其中，利用人脸特征进行身份验证又是最自然直接的手段,相比其它人体生物特征它具有直接、友好、方便的特点，易于为用户所接受。因此计算机人脸识别技术是生物特征最为活跃最有挑战性的领域之一。它结合了认知科学、图象处理、计算机图形学、机器视觉和模式识别等多个研究领域，研究的成果有着广阔的应用前景。　　计算机人脸识别由于有着广泛的应用前景而成为计算机模式识别领域的一个十分活跃的研究课题。计算机人脸识别技术也就是利用计算机分析人脸图

2、像,进而从中提取出有效的识别信息,用来"辨?quot;身份的一门技术。人脸识别技术应用背景广泛,例如：可用于公安系统的罪犯身份识别、驾驶执照及护照等与实际持证人的核对、银行及海关的监控系统及自动门卫系统等。特别是在非接触环境和不惊动被检测人的情况下，人脸识别技术的优越性远远超过已有的虹膜、指纹等检测方法。在众多科研人员的不懈努力下，迄今为止在计算机人脸识别方面已经取得许多科研成果，产生了一系列的方法与理论，但均存在着这样或那样的限制，如识别率易受姿态、表情、光照等因素的影响。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

3、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)。　　识别人脸主要依据人脸上的特征，也就是说依据那些在不同个体之间存在较大差异而对于同一个人则比较稳定的度量。由于人脸变化复杂，因此特征表述和特征提取十分困难。这诸多因素使得人脸识别成为一项极富挑战性的课题。　　通常的面貌识别系统多是针对二维照片或动态视频序列进行研究，以图象处理技术为基础，但是，基于二维照片进行识别存在严重的障碍，无法解决上述的问题对识别的影响。产生这些问题的主要原因是人的面貌本身是三维的，而照片是对三维面貌进行平面投影的结果，在此过程中必然丢掉一部分重要信息

4、。采用三维识别与传统的方法最大的区别就在于，人脸的信息可以更好的表现和存储，例如人脸的特征点的深度信息及点之间的拓扑结构等等。通过更全面的信息，可以较好的解决识别过程中奈笫堵屎托榫饰侍猓庇捎谌肆衬Ｐ途弑腹庹瘴薰匦院妥颂薰匦缘奶氐悖芄徽贩从吵鋈肆车幕咎匦裕比肆持饕娜仄私峁共皇鼙砬榈挠跋欤佣纬上喽晕榷ǖ娜肆程卣鞅硎觥Ｒ虼嘶谌肆衬Ｐ偷氖侗鸱椒梢院芎玫慕饩瞿壳霸谡庖涣煊虼嬖诘难芯科烤薄９庋芯空咭丫佳芯咳拿婷彩侗鹣低常芯亢懿怀浞郑⑶艺攵允导视τ孟低车难芯扛佟Ｕ腔谡庋脑颍颐强剂巳肆呈侗鹣低车难芯?二、三维

5、人脸识别过程及系统功能　　真正的三维面貌鉴别是自80年代末期开始，目前已经取得了一定的进展。国外三维人脸识别的典型方法主要是利用深度图象自身的几何特征，利用深度图象处理技术，分析面貌曲面的曲率等几何特征，对面貌曲面进行凹凸区域的分割、正侧面轮廓边缘的提取。最早对三维图象面貌识别的研究有Lapreste提出的基于轮廓线的方法，通过对人脸面貌曲率的分析，提取轮廓线上的特征点，利用轮廓线作为特征进行面貌的识别。Lee&Milios从人脸面貌深度图象中抽取凸区域，这些凸区域形成了特征集，计算出所有凸区域相关的扩展高斯图，两幅面貌特征的匹配就是利用这些扩展高斯图象进行的。当然

6、还有很多基于轮廓线和凸区域的改进方法，例如：凸凹点多阶段融合过程方法、轮廓线的欧氏距离识别方法、轮廓线曲率比较方法等等。但这些方法还停留在理论研究的层次，没有实质的自动化系统的出现。　　对于国内而言，三维人脸识别的研究也相应的展开，但与国外的研究相比还处于刚起步的状态。目前，三维数据获取已经成为可能，并已经成熟的在实际工作中使用（如三维激光扫描技术、CT成像技术、结构光方法等），使得三维图形识别技术得到了应用的可能，可以迅速地完成人头三维面貌数据获取。这也为我们的研究提供了实现的基础。　　总的来说，要实现一个自动的人脸识别系统主要要完成以下的4个功能：　　①人脸检测

7、（Detection）与分割（Segmentation）。从任意的场景中检测人脸的存在并进行定位，提取出一个人脸。　　②人脸的规范化（Normalization）。校正人脸在尺度、光照和旋转等方面的变化。　　③人脸表征（FaceRepresentation）。采用某种方法表示出数据库中的已知人脸和检测出的人脸，通常的方法有几何特征、代数特征、特征脸、固定特征模板等。　　④人脸识别（Recognition）。根据人脸的表征方法，选择适当的匹配策略将得到的人脸与数据库中的已知人脸相比较。　　我们研究的基于三维模型的人脸识别方法，与以往的系统的最主要区别就在于：人脸库