孫豐亮 朱亞俐 孟 強(qiáng) 薛 友

（新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830002）

1 課題的背景和意義

人臉識(shí)別技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)生活中扮演著相當(dāng)重要的角色，如視頻監(jiān)控，人機(jī)交互，人臉識(shí)別，人臉數(shù)據(jù)庫(kù)分類(lèi)管理等業(yè)務(wù)，用到了人臉識(shí)別這個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。人臉的檢測(cè)和識(shí)別技術(shù)是模式識(shí)別，計(jì)算機(jī)視覺(jué)和圖像理解系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)之一，它綜合了圖像理解，計(jì)算機(jī)視覺(jué)，數(shù)據(jù)庫(kù)和人工智能等多方面多學(xué)科的知識(shí)，應(yīng)用前景廣闊，受到了越來(lái)越廣泛的重視，并得到了迅速的發(fā)展，取得了很多有價(jià)值的研究成果。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，人臉識(shí)別技術(shù)發(fā)展異常迅速，對(duì)于社會(huì)中的種種需求，人臉識(shí)別技術(shù)的研究與發(fā)展刻不容緩。人臉識(shí)別技術(shù)在身份鑒定方面，多媒體信息檢索方面，智能監(jiān)控方面，人機(jī)交互方面等都有重要的應(yīng)用。在上述幾個(gè)方面，人臉的辨認(rèn)，定位以及追蹤都與人臉識(shí)別技術(shù)有著密不可分的關(guān)系。

任何一個(gè)人臉圖像處理系統(tǒng)的第一步是人臉在圖像中的位置。然而，從單張圖片中識(shí)別出人臉是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作，認(rèn)為人臉在大小，位置，方向，姿勢(shì)方面是可變的。人臉表情，牙齒相接觸的放視，光照也會(huì)改變?nèi)四樀恼w外觀。

2 YCbCr高斯膚色模型、形態(tài)學(xué)人臉檢測(cè)研究現(xiàn)狀

高斯膚色模型就是用高斯概率密度函數(shù)精確地量化事物，將一個(gè)事物分解為若干的基于高斯概率密度函數(shù)形成的模型。圖像處理目標(biāo)檢測(cè)中通常需要跟貝葉斯理論相結(jié)合，比如膚色檢測(cè)，就需要建立某種膚色的概率模型X，然后建立非膚色顏色的出現(xiàn)概率模型Y，對(duì)要檢測(cè)的圖像提取某個(gè)像素點(diǎn)的特征值，如某種顏色值。然后求種種顏色在X和Y的概率值，得到的值如果大于或小于一定的閾值則認(rèn)為是膚色，否則是非膚色。對(duì)于過(guò)于復(fù)雜的圖像，尤其是醫(yī)學(xué)圖像，通過(guò)將直方圖的多峰特性看作是多個(gè)高斯分布的疊加，可以解決圖像的分割問(wèn)題。

YCbCr色彩空間相對(duì)于HSV色彩空間具有以下優(yōu)點(diǎn)[1]：1）構(gòu)成原理上，人類(lèi)視覺(jué)感知過(guò)程相與之有類(lèi)似的原理。2）YCbCr，色彩空間是離散的，采用YCbCr，空間易于實(shí)現(xiàn)聚類(lèi)算法。3）膚色在YCbCr，色彩空間的聚類(lèi)性較好。4）YCbCr顏色模型是由許多視頻壓縮編碼。

3 YCbCr高斯膚色模型概述

1）引言。膚色模型可以用來(lái)描述膚色特征。色度空間的（chrominance space）選擇決定某種方式的膚色模型的使用，因此它們之間具有密切關(guān)系。色度空間的考察主要從以下兩個(gè)方面：（1）在這樣的色度空間之中，描述“膚色”的區(qū)域布是否可以使用一定模型；（2）色度空間中“膚色”和“非膚色”區(qū)域有些重疊的區(qū)域有多少[2]。一般色度空間之中[3]，人臉檢測(cè)所使用的模型主要包括：RGB，HSI、NTSC制的光亮度和色度模型的YI，YUV以及Ycbcr等。

2）YCbCr高斯膚色模型理論。在多媒體技術(shù)中，一般情況下圖象是以RGB形式存放的，但是RGB表示方法不適合于皮膚模型。在RGB空間，三基色（r，g，b）不僅代表了顏色，還表示了亮度。由于你周?chē)h(huán)境光照的改變，亮度可能是人臉的識(shí)別變得更加復(fù)雜，在皮膚的分割過(guò)程中是不可靠的。為了利用和膚色在色度空間的據(jù)類(lèi)型，需要把顏色表達(dá)式中的色度信息與亮度信息分開(kāi)。將RGB轉(zhuǎn)換為色度與亮度分開(kāi)的色彩表達(dá)空間就可以達(dá)到這個(gè)目的，在實(shí)驗(yàn)中選用YCbCr高斯膚色模型進(jìn)行膚色區(qū)域檢驗(yàn)。

4 形態(tài)學(xué)介紹

1）引言。數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是一門(mén)建立在格論和拓?fù)鋵W(xué)基礎(chǔ)之上的圖像分析學(xué)科[4]，是數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)圖像處理的基本理論。其基本的運(yùn)算包括：腐蝕和膨脹、開(kāi)運(yùn)算和閉運(yùn)算、骨架抽取、極限腐蝕、擊中擊不中變換、形態(tài)學(xué)梯度、Top-hat變換、顆粒分析、流域變換等。本文主要研究數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的腐蝕與膨脹。

2）腐蝕與膨脹基本原理。腐蝕與膨脹是在二值形態(tài)學(xué)運(yùn)算中最具基本的兩個(gè)形象化運(yùn)算，形態(tài)學(xué)中腐蝕運(yùn)算的原理是對(duì)數(shù)據(jù)集中的每個(gè)元素在自定義的結(jié)構(gòu)元素(窗口)內(nèi)尋求最小值來(lái)替代中心元素的值。腐蝕運(yùn)算的物理意義是具有腐蝕數(shù)據(jù)集合邊緣的功能并迫使集合向內(nèi)收縮，如果窗口足夠的大，就能移除那些面積較小、作用不大的物體。

膨脹運(yùn)算與腐蝕運(yùn)算的原理相反，它是對(duì)數(shù)據(jù)集合中的每個(gè)元素在自定義的結(jié)構(gòu)元素內(nèi)尋找最大值來(lái)代替中心元素的值。膨脹運(yùn)算的物理意義為擴(kuò)展數(shù)據(jù)集合的大小并使其向集合外膨脹，適宜的窗口大小可以填充集合內(nèi)部的孔洞，使集合更加完整。

通過(guò)以上的定義與物理意義我們可以看出來(lái)，數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)在數(shù)字圖像濾波上有重要作用，通俗地講，腐蝕的作用說(shuō)白了就是讓暗的區(qū)域變大，而膨脹的作用就是讓亮的區(qū)域變大。

其中，將圖片先進(jìn)行腐蝕，再進(jìn)行膨脹的運(yùn)算稱(chēng)之為開(kāi)運(yùn)算；反之，先將圖片進(jìn)行膨脹，再進(jìn)行腐蝕稱(chēng)之為閉運(yùn)算。對(duì)于經(jīng)過(guò)形態(tài)學(xué)開(kāi)閉運(yùn)算及去除了背景小區(qū)域處理以后的圖像再進(jìn)行填充孔洞處理，很好地表示出膚色區(qū)域，這個(gè)操作能夠?qū)⒈黄つw區(qū)域包含的非皮膚區(qū)域保留為皮膚區(qū)域。

5 總結(jié)與展望

本文在基于YCbCr高斯膚色模型上主要介紹了形態(tài)學(xué)檢測(cè)方法并此方法上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。首先我在第一章里面講課題的研究背景及意義，介紹匹配算法的研究現(xiàn)狀，電子信息處理領(lǐng)域中仍存在的主要問(wèn)題。其次我在第二章講到了基于YCbCr高斯膚色模型的人臉檢測(cè)技術(shù)的理論基礎(chǔ)，深入研究了YCbCr高斯膚色模型的相關(guān)理論，總結(jié)了YCbCr高斯膚色模型用于人臉檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)，研究其數(shù)學(xué)方面的相關(guān)知識(shí)并列出具體計(jì)算方法。最后在第三章里大致介紹了數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的概念以及本文所主要用到的數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)中的腐蝕與膨脹的概念并列出其相關(guān)計(jì)算公式。

本次課程設(shè)計(jì)中我學(xué)到了對(duì)于圖片在基于YCbCr高斯膚色模型理論基礎(chǔ)上運(yùn)用形態(tài)學(xué)的腐蝕與膨脹將人臉檢測(cè)出來(lái)。在已有的理論和方法基礎(chǔ)上，進(jìn)行了設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證出此課題上研究算法的準(zhǔn)確性。本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果雖然差強(qiáng)人意，但還是有很多不足。但我從本次實(shí)驗(yàn)卻收獲頗豐。不僅獨(dú)立完成此次實(shí)驗(yàn)，還學(xué)會(huì)了相關(guān)知識(shí)，熟悉并掌握了運(yùn)用Matlab進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真，以后我將會(huì)繼續(xù)進(jìn)行對(duì)Matlab的深入學(xué)習(xí)。