人脸识别中的光照问题研究博士学位论文

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1、分类号TP3密级UDC编号中国科学院研究生院博士学位论文人脸识别中的光照问题研究卿来云指导教师高文教授中国科学院研究生院申请学位级别工学博士学科专业名称计算机软件与理论论文提交日期2005年03月论文答辩日期2005年06月培养单位中国科学院研究生院学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席声明我声明本论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，本论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

2、作者签名：日期：论文版权使用授权书本人授权中国科学院研究生院可以保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和电子文档，允许本论文被查阅和借阅，可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本论文。（保密论文在解密后适用本授权书。）作者签名：导师签名：日期：摘要由于人脸识别研究有着重要的理论价值和应用价值，经过近四十年的发展，人脸识别技术已经取得了长足进步。当今的人脸识别系统虽然在用户配合的理想情况下取得了令人满意的结果，但如在更大规模人脸数据库、摄像环境不可控、用户不配合的情况下

3、使用，其识别性能急剧下降。因此，现有的人脸识别系统还尚未成熟，尤其需要解决非理想摄像条件（光照变化、摄像设备差异）和用户不配合（视角变化、表情变化、饰物乃至化妆）等问题。本文主要考虑人脸识别中的光照变化问题，同时兼顾姿态变化。本文从人脸图像的成像模型出发，在估计输入人脸图像的成像参数后，得到与光照无关的特征用于人脸识别，以提高人脸识别系统在光照变化下的性能。简而言之，本文的主要研究成果包括以下几个部分：(1)任意光照下人脸图像的光照估计。基于球面谐波理论，朗伯反射对光照而言是一个低通滤波器。因此本文在频域中对成像模型进行分析，对输

4、入人脸图像进行光照估计，即估计光照的低频分量的系数。将人脸表面近似为朗伯反射，融合人脸类的先验知识，本文可对任意输入人脸图像进行光照估计。这种光照表示可表示任何类型的光照环境，包括室外光照环境。同时，由于表示光照的参数很少，本文的光照估计对输入人脸图像的分辨率及配准精度不敏感。(2)基于绘制的人脸图像光照补偿。基于绘制的光照补偿是在光照估计的基础上，用光照商图像技术将其绘制到预先定义的标准光照，从而使所有的人脸图像在相同的光照条件下进行比较。本文讨论了两种标准光照：虚拟均匀光照及环境光+正面点光源。其中均匀光照下的图像中只包含人脸

5、的纹理信息而不包含形状信息；环境光+点光源下的图像中既包含人脸的纹理信息，又包含了形状信息。基于绘制的光照补偿依赖于输入人脸的形状，即依赖于特征点的定位，因此对配准比较敏感。在精确配准的情况下，基于绘制的光照补偿对光照变化下的人脸识别能带来很大提高。(3)基于差图像的人脸图像光照补偿。差图像为原图像与平均人脸在输入光照下的图像的差。由于二者光照相同，这样差图像中光照变化的影响得到了减弱，同时又保留了用于识别的输入人脸与平均人脸的差别。基于差图像的光照补偿不需要输入人脸的形状，因此其对配准精度不敏感，更适合于实用系统。(4)基于图像

6、绘制的方法用于扩充人脸检测中的训练样本。基于统计学习的人脸检测方法的性能依赖于训练样本的分布。通常我们很难收集到足够多的符合要求的训练样本，而基于绘制的方法可以合成任意光照下的虚拟样本。通过合理地配置目标光照，基于扩充后的训练集的人脸检测器的性能得到了较大提高。(5)基于特征谐波图像模型的光照和姿态不变的人脸识别。特征谐波图像模型利用I人脸识别中的光照问题研究：摘要人脸类的谐波基图像的先验知识，从一幅人脸图像重构其球面谐波基图像。谐波基图像包含了人脸的本质特征：形状和反射率，因此我们可以用人脸的谐波基图像用来表示人脸的不变特征，用

7、于不同光照和姿态下的人脸识别。假设人脸的谐波基图像的分布为高斯分布，本部分工作对所有人脸的谐波基图像的分布空间用PCA模型表示。结合该先验限制，在光照估计的基础上，可从一幅图像恢复该人脸的谐波基图像。同时由于PCA系数的数目相对图像像素数目很少，根据姿态变化的人脸图像中可见部分仍可恢复出该人脸的谐波基图像的PCA系数，因此该模型可兼顾姿态变化。关键词：人脸识别；成像模型；球面谐波模型；光照变化；光照估计、光照补偿、姿态变化、PCAIIStudyontheIlluminationVariationsinFaceRecognition

8、LaiyunQing(ComputerScience)DirectedbyProf.WenGaoForitsgreatvalueintheoryandapplication,facerecognitionhasmadegreatprogressaf