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        基于改進(jìn)光照因素影響的人臉識(shí)別在高校宿舍管理中的應(yīng)用研究

        2019-12-02 06:56:34楚志剛
        關(guān)鍵詞:人臉識(shí)別人臉光照

        王 普,劉 婷,楚志剛

        (鄭州師范學(xué)院信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,鄭州450044)

        0 引 言

        高校宿舍管理在校園安全中極其重要,其流動(dòng)性大也隨即增加了高校安全監(jiān)管的難度。各家高校為了校園安全都會(huì)使用全套的安保監(jiān)控系統(tǒng),但以現(xiàn)有的硬件設(shè)施和監(jiān)控系統(tǒng)配置來(lái)看,卻依然不可避免地會(huì)存在監(jiān)控漏洞,從而帶來(lái)安全隱患?;诖?,本文擬將人臉識(shí)別技術(shù)引入到高校宿舍的安全管理中,探討分析其中涉及的一些關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題,對(duì)此將展開(kāi)研究論述如下。

        1 人臉識(shí)別技術(shù)概述

        人臉識(shí)別技術(shù)是生物特征識(shí)別系統(tǒng)的一個(gè)重要研究課題,就是用攝像機(jī)或者攝像頭來(lái)采集含有人臉的圖像或視頻流,并自動(dòng)在圖像中檢測(cè)和跟蹤人臉,進(jìn)而對(duì)檢測(cè)到的人臉進(jìn)行臉部辨識(shí)的一系列相關(guān)技術(shù)。與指紋、虹膜等技術(shù)相比,人臉識(shí)別是最直接、且方便的技術(shù)手段。人臉識(shí)別主要分為3個(gè)步驟,可逐一描述為:首先,從復(fù)雜的背景圖像中檢測(cè)并分割出人臉,即人臉檢測(cè),就是從背景中把人臉檢測(cè)出來(lái);其次,是人臉區(qū)域的特征提取和特征選擇;最后,就是人臉識(shí)別。

        2 改進(jìn)光照因素影響的人臉識(shí)別的應(yīng)用

        時(shí)下,為了進(jìn)一步加強(qiáng)高校宿舍出入的門(mén)禁管理,已有眾多研究者紛紛將關(guān)注的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)向了具有優(yōu)良性能的人臉識(shí)別。在最近幾年來(lái),人臉識(shí)別正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),諸如友好的人機(jī)交互模式,出色的生物特征加密等特點(diǎn)在多個(gè)行業(yè)中漸受青睞,日趨流行。若能將其普及應(yīng)用到高校校園宿舍的安全管理中,可以預(yù)期也將同樣可獲得良好的應(yīng)用效果。

        2.1 人臉圖像獲取與預(yù)處理

        在人臉識(shí)別系統(tǒng)中,需要抓取人臉的面部特征,而后再進(jìn)行特征采集、識(shí)別和判斷。但在人像獲取中則不乏有外界多種因素的影響,其中的光照作用就尤為顯著。為此,清晰獲取人臉圖像,從而有效提高圖像的清晰度,即已成為人臉識(shí)別研究中面臨的主要問(wèn)題。在本文中,研究重點(diǎn)即旨在排除外界光照影響條件下,意欲獲取清晰圖像所需經(jīng)歷的一系列流程。特別是在前期采集、獲取圖像的過(guò)程中,通常使用的是濾波等方式。目前,已有多份調(diào)查報(bào)告均已明確指出:在不同光照條件下,就是同一個(gè)人的圖像也可能出現(xiàn)明顯差異,由此可知前期對(duì)人臉圖像的獲取及預(yù)處理在整體的設(shè)計(jì)研究中均將占據(jù)著基礎(chǔ)性的重要位置。

        2.2 人臉特征提取

        人臉特征提取是整個(gè)人臉識(shí)別系統(tǒng)中居于核心的技術(shù)組成部分。在此步驟中,可將圖像與現(xiàn)實(shí)中的人臉進(jìn)行完整的比對(duì)分析。而在復(fù)雜的現(xiàn)實(shí)環(huán)境中,卻常會(huì)遇到相當(dāng)多的因素影響,比如分析器以及配套硬件的性能等,只有盡可能消除每一種因素的誤差干擾,才能真正降低最終得到結(jié)果的誤差數(shù)值。

        3 光照因素的作用影響研究

        3.1 光照變化對(duì)人臉圖像的影響

        光照條件可能因?yàn)楣庹盏膹?qiáng)度以及角度變化而發(fā)生改變。比如在同一光源下,站在遠(yuǎn)處的人可能會(huì)出現(xiàn)暗光的現(xiàn)象,近處的人會(huì)出現(xiàn)高光的現(xiàn)象。不同人的人臉還會(huì)出現(xiàn)受光角度不同的現(xiàn)象,這2種變化對(duì)人臉識(shí)別技術(shù)處理后的圖像中各類(lèi)參數(shù)都是有著極大影響的。

        為了精確獲取人臉識(shí)別信息,研究可知其中的人臉灰度圖像、人臉邊緣圖像和人臉彩色圖像色度空間影響也是很大的。不同光照條件下,人臉多次拍照后獲得的灰度圖像、邊緣圖像和彩色圖像的色度是完全不同的,其中的圖像分布差異明顯。

        3.2 光照變化對(duì)人臉識(shí)別的影響

        在不同光照條件下,在仿真測(cè)試中運(yùn)用PCA、模板匹配算法、光照椎以及梯度率等人臉圖像方法來(lái)分別進(jìn)行測(cè)試比較,探究光照角度的不斷變化對(duì)人臉識(shí)別的影響效果。經(jīng)過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比照研究后,分析發(fā)現(xiàn):上述方法中,若是在光照角度變化小于15°的條件下,這4種方法的人臉識(shí)別錯(cuò)誤率均在5%左右,但是隨著角度的不斷增大,PCA與模板匹配算法的錯(cuò)誤率同比例增長(zhǎng),梯度率也將隨著角度變化而增加,只有光照椎的錯(cuò)誤率是增長(zhǎng)最慢的。故而,若能夠在后續(xù)研究中不斷改進(jìn)該方法的設(shè)計(jì)性能,將會(huì)大大降低識(shí)別結(jié)果的錯(cuò)誤率。

        3.3 光照預(yù)處理方法

        研究可知,在人臉圖像預(yù)處理環(huán)節(jié)中,對(duì)結(jié)果具有決定性影響的就是光照。采取合適的方法對(duì)光照進(jìn)行有效處理,就會(huì)在很大程度上降低其對(duì)人臉識(shí)別的作用和影響,因而可以采用不同的光照模型變換方法。而在人臉圖像采集過(guò)程中,同一個(gè)人在不同光照角度下得到的不同圖像將自動(dòng)生成一個(gè)光照空間,在這個(gè)空間里包含人臉圖像在不同光照下的不一樣變化。此后,再有可針對(duì)性地選取一定算法在圖像與光照形成的空間集之間進(jìn)行不斷的測(cè)試。這里,關(guān)于時(shí)下常用算法的功能設(shè)計(jì)做出闡述解析如下。

        (1)線性子空間方法。這是一種通過(guò)直接映射高維張量數(shù)據(jù)到低維空間的一種降維方法。同一個(gè)人在不同光照條件下的差異可能會(huì)較為懸殊,通過(guò)這種方法將圖像映射到一個(gè)空間中,因此就形成一個(gè)3D的空間線性模型。在這個(gè)模型中的圖像被劃分為數(shù)個(gè)子塊,光源對(duì)空間照射形成子空間。在該種方法下,其中的陰影子塊就不會(huì)受到影響。

        (2)光照椎。在不同形態(tài)光的照射下,會(huì)形成一個(gè)光照的椎體。這種椎體可以用上述的線性子空間來(lái)進(jìn)行表示,從而減少光照因素帶來(lái)的影響。對(duì)于人臉識(shí)別圖像中整個(gè)的圖像成椎體的過(guò)程中,若能降低陰影部分帶來(lái)的影響,就可提高圖像的識(shí)別精度,進(jìn)而提高識(shí)別率。雖然該方法準(zhǔn)確率較高,但是對(duì)前期的準(zhǔn)備工作卻有較為繁瑣要求,故而其可行性仍有待改善。設(shè)計(jì)時(shí),多是在不同的光照條件下,通過(guò)不同角度采集圖像形成一個(gè)椎體,再對(duì)其加以分析與比對(duì)。但若將其付諸于實(shí)踐中,此種操作將偏于復(fù)雜,而其中用到的算法難度也是相當(dāng)大的。

        3.4 人臉識(shí)別技術(shù)中的光照補(bǔ)償問(wèn)題

        在人臉的檢測(cè)和識(shí)別過(guò)程中,已有很多學(xué)者都認(rèn)識(shí)到了變化中光照的光補(bǔ)償問(wèn)題。這種方法其實(shí)就是將人臉圖像看作最基本的信號(hào),在頻域上進(jìn)行線性或者非線性變換,由此達(dá)到消除光照影響的目的。但是這種方法對(duì)極端光照條件下的人臉圖像處理效果卻極差。另一種光照補(bǔ)償方法就是基于光照樣本合成的,對(duì)于已經(jīng)識(shí)別的人臉圖像進(jìn)行估計(jì)。在標(biāo)準(zhǔn)光照環(huán)境下模擬后將其歸一化為標(biāo)準(zhǔn)光照下的人臉識(shí)別圖像。目前推出的典型方法已有SSFS等。

        4 人臉識(shí)別中主要算法研究

        當(dāng)下在人臉識(shí)別中獲得廣泛應(yīng)用的算法主要有:基于幾何特征的方法,基于模板方法等??偟貋?lái)說(shuō),人臉識(shí)別似乎足夠安全可靠,但卻依然會(huì)給不法分子留下了可乘之機(jī),進(jìn)而威脅著社會(huì)生活中的人身安全。人臉識(shí)別技術(shù)背后的任何一種算法都未能臻至完善,而是各有缺陷與不足,本文建議應(yīng)將時(shí)下通用算法結(jié)合起來(lái)使用,才能使其達(dá)到最佳設(shè)計(jì)效果。文中關(guān)于該方面的各主題研究?jī)?nèi)容可詳述如下。

        4.1 人臉識(shí)別主要算法比較

        每個(gè)人都有自己獨(dú)特的面部特征,諸如人的面部構(gòu)件(比如下巴、額頭、鼻子、眉毛、眼睛等)的相對(duì)位置、形狀特征點(diǎn)以及這些面部特征分布參數(shù),均可將其作為人臉識(shí)別的重要指標(biāo)依據(jù)。結(jié)合人面部整體輪廓信息,構(gòu)造特征矢量,進(jìn)行人臉形狀判定。

        4.2 基于幾何特征人臉識(shí)別算法的優(yōu)缺點(diǎn)

        在基于幾何特征的人臉識(shí)別方法中,一般是運(yùn)用灰度積分投影法,這是根據(jù)圖像的投影分布特征進(jìn)行判定分析的,究其本質(zhì)還是統(tǒng)計(jì)方法。仍需一提的還有另一種方法,就是側(cè)影判定法。顧名思義,主要就是從人臉側(cè)面曲線輪廓線上提取特征點(diǎn)進(jìn)行判定,但是這個(gè)方法在實(shí)際操作中總會(huì)受到諸多限制,因而該研究方向并未成為學(xué)界矚目的研究熱點(diǎn)。

        基于幾何人臉識(shí)別方法雖然簡(jiǎn)潔,運(yùn)算速度快,但是判斷依據(jù)卻只是幾何特征之間的間距和相應(yīng)的參數(shù)比較。這就對(duì)提取數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性設(shè)定了較高要求。如果取值出現(xiàn)偏差,這種方法的有效性與實(shí)用性就會(huì)有所降低。在實(shí)際運(yùn)用中,這種數(shù)據(jù)特征提取也會(huì)受到眾多因素的影響,其中光照作用依然是最主要的。室外光照條件下,系統(tǒng)提取特征點(diǎn)不準(zhǔn)確,算法的準(zhǔn)確率會(huì)出現(xiàn)下滑,識(shí)別率也將急劇下降。

        4.3 基于模板匹配方法

        在不同的模板匹配方式中,采用的模板精度計(jì)算以及圖像灰度的計(jì)算量太大,雖然在通用模板中,如果外界環(huán)境一切都比較穩(wěn)定的話,模板使用性能還是堪稱(chēng)優(yōu)良的。但是現(xiàn)實(shí)中當(dāng)使用時(shí),這種通用模板方式的評(píng)估卻會(huì)受到光照、人臉姿態(tài)等多方面影響,如此就在計(jì)算圖像函數(shù)時(shí)需要進(jìn)一步結(jié)合平移、旋轉(zhuǎn)等各種圖像參數(shù),從而給實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)帶來(lái)諸多不便。為解決這一問(wèn)題,學(xué)界已經(jīng)開(kāi)始嘗試采用可變形模板進(jìn)行人臉判別。但新的問(wèn)題也隨即產(chǎn)生,在設(shè)置新的人體器官模型中,定義的能量函數(shù)在優(yōu)化過(guò)程中將耗時(shí)不菲,而且難以推廣、及進(jìn)入大范圍應(yīng)用。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        改進(jìn)光照因素影響的人臉識(shí)別在高校宿舍安全管理中的應(yīng)用是一項(xiàng)系統(tǒng)工程,結(jié)合人臉識(shí)別技術(shù)的軟硬件支撐,積極融入互聯(lián)網(wǎng)思想,著重研究光照因素對(duì)整個(gè)人臉識(shí)別系統(tǒng)的影響,并取得長(zhǎng)足進(jìn)步,則可為學(xué)校宿舍安全管理提供有益的技術(shù)支撐。

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