專利名稱：一種基于等高線法的三維人臉識別方法
一種基于等高線法的三維人臉識別方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種生物識別方法，具體涉及一種利用三維人臉模型實現(xiàn)人臉識別的算法。
背景技術：
隨著科技的迅猛發(fā)展，各種身份識別技術層出不窮。其中，基于生物特征不可復 制、難以偽造、唯一、相對穩(wěn)定等特點而發(fā)展起來的身份認證技術，已經(jīng)成為人們普遍認同 的身份識別安全技術。目前常用的基于生物特征的識別技術有DNA、指紋、視網(wǎng)膜、虹膜和 人臉識別等。而在這些技術中，人臉識別以其直接、友好、方便、隱秘等特點，成為了一種最 容易被接受的身份鑒定方法，從而成為生物特征的身份認證技術中最活躍的領域之一。但是，目前最常見的人臉識別方法大多基于二維圖像識別技術，其方法為根據(jù)二 維平面人臉側(cè)影或某視角照片，通過特定的算法，提取并識別人臉特征。該方法的最大不足 是可靠性差，不同識別算法在受到姿態(tài)、光照、角度以及面部涂覆(化妝)等因素影響時表 現(xiàn)出很大的不確定性，使得識別準確度和適用場合受到很大限制。此外，由于二維圖像本身 提供的信息不充分，使得許多建立在基于經(jīng)驗估算的算法基礎之上，致使識別的真實性和 可靠性嚴重下降。隨著機器視覺技術和計算機技術的發(fā)展，基于三維模型的人臉識別技術已漸漸被 人們所關注。同二維人臉識別技術相比，三維人臉識別技術準確度高、適應性強、抗攻擊性 強、抗欺詐性強，是一種比較理想的身份識別技術。目前常見的三維人臉識別算法有子空間 方法、彈性匹配法、神經(jīng)網(wǎng)絡法、HMM法、形變模型方法等。但是這些算法在識別的準確性和 速度方面還有著比較明顯的不足。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種有效的，快速的三維人臉識別算法。本發(fā)明的基于等高線法的三維人臉識別方法，通過提取等高線的方法，將三維人 臉模型變成容易處理的二維曲線圖，基于該曲線圖提出了相應的算法；該方法包括特征提 取和識別分析兩個部分，這兩部分分別由特征提取算法和識別分析算法來實現(xiàn)3)特征提取算法的步驟為d)對三維模型進行標準化使之具有相同大小和方向；e)通過對Z設定基準值，繼而得到高于基準值的全部散點，將其投影到X-Y平面 上，提取散點圖邊緣，得到類似等高線圖的人臉分層切片圖；f)計算封閉切片曲線圖的幾何重心和面積來表征其特征，將各層的特征向量依次 排列，得到表征三維人臉等高線圖的特征矩陣[n(l)、n(2)、……n(i)]；4)識別分析算法的步驟如下e)將識別過程分為粗識別和精識別兩個部分；f)將待識別人臉用特征提取算法進行處理，得到其特征向量，通過計算歐氏距離
3的方法在數(shù)據(jù)庫中尋找相似目標；g)通過計算曲線間重疊面積判定相似度；h)將待識別人臉與數(shù)據(jù)庫中的人臉模型對應同一部位的閉合曲線的幾何重心相 互重合，以重心為原點建立極軸，用等間距的中心放射線與兩曲線相交，求出交點距離s和 與極軸夾角θ去掉該函數(shù)的直流分量后得到新的S-θ函數(shù)，求/ S2Cie作為相似度的表征量。三維人臉模型是凹凸不平的曲面，本發(fā)明通過繪制三維人臉的等高線圖提取特征 從而實現(xiàn)三維人臉識別，達到身份認證的目的。本發(fā)明的要點在于提供一種利用三維人臉 的等高線圖提取特征信息實現(xiàn)人臉識別算法。

圖1為人臉側(cè)面切片示意2為人臉正面切片示意3為人臉1的等高線4為人臉2的等高線5為人臉1等高線的重心6為人臉1等高線重心的局部放大7為為人臉2等高線的重心8為人臉1和2等高線重心的疊加圖
具體實施方式本發(fā)明依據(jù)的原理說明如下(一 )特征提取算法分析三維模型并提取三個特征點，選取鼻尖和眼角，根據(jù)這三個點的位置確定人 臉的方向，并通過矩陣變換使之得到統(tǒng)一。選定一個基準點作為人臉的三維坐標的坐標原點，再選定合適的軸，并以此為基 準對三維人臉模型進行等高線的分割。依Z軸為例闡述具體分割方法首先設定一個Z值， 設為Τ，再將Z > T的點投影到一張圖上，得到一個二維圖像。對這個二維圖像做邊緣提取 即可得到Z = T的等高線圖。通過設定不同的T值即可等到不同的等高線，從而得到整個 三維人臉模型的等高線圖。詳細過程如下1.通過對Z設定閾值得到高于Ztl的全部散點，將其投影到X-Y平面上，如附圖1 和2所示。一系列閾值的疏密設定視具體精度要求而定，高則密，低則疏。2.通過膨脹等操作將散點圖變成連續(xù)圖片，通過區(qū)域生長可使圖片中的空洞被填 滿。膨脹算法 B——結構元素X——原始二值圖像E——B對X腐蝕所產(chǎn)生的二值圖像
(x, y)——圖像上像素點的坐標區(qū)域生長步驟(1):使用閾值集合將圖像分割為R1, R2, R，…，Rm。步驟(2)從圖像的分割描述中生成區(qū)域鄰接圖。步驟(3)對于每個Rj, i = 1，2，…，m，從RAG中確定所有Rj, j乒i，如Ri和Rj鄰接。步驟⑷對于所有i和j，計算在Ri和R1之間合適的相似性度量S 步驟(5)如果Sij > T，那么合并Ri和Rj 步驟(6)根據(jù)相似性標準，重復步驟(3) 3.用sobel算子提取圖像邊緣。
"步驟(5)，直到?jīng)]有合并的區(qū)域為止t 得到等高線圖如附圖(3)和附圖(4)所示 (二)特征信息的識別分析算法 第一步，粗識別——幾何重心法 1、標簽識別 預處理對于得到的每一幅等高線圖，如附圖(3)和附圖(4)所示，將其存入數(shù)據(jù)庫后進行
具體做法找出等高線圖中每個等高線的重心，如附圖(5)、(6)、(7)所示。每一 層的等高線的重心用各個重心點相對于已知原點的坐標(X，y)表示。得到重心的坐標后， 再計算每層等高線的面積s，進而可以得到一個的三維特征向量n(X，Y，S)去表示每層等高 線的特征信息。各層的特征向量依次排列在一起，就得到一個表征三維人臉等高線圖的特 征矩陣[n(l), n(2),……n(i)]，其中n(i)為第i層等高線的特征向量，并將該特征矩陣 作為該幅等高線圖的標簽存入數(shù)據(jù)庫。然后進行三維人臉標簽識別，即是對兩幅圖的標簽進行處理。具體做法如下設某個待識別等高線圖的特征矩陣為[m(l)、m(2)……m(i)]，數(shù)據(jù)庫中對應的標 準等高線圖的特征矩陣為[n(l)、n(2)……n(i)]。對兩個特征矩陣中對應矩陣元素分別計 算歐氏距離，即d(i) = |m⑴-η⑴|。再對d(i)進行求和，即d = Σ d(i)，用d表征兩幅 等高線圖相似度。將d與已經(jīng)設好的閾值比較，如果小于閾值則進行下一步的精識別，否則 認為此等高線圖與標準等高線圖不是來自同一個人的三維人臉模型。2、基于重疊面積的識別將待檢測模型的等高線圖與數(shù)據(jù)庫中標準等高線圖進行對比，首先將兩圖中對應 同一部位的閉合曲線的幾何重疊到一起，得到一組相互交疊的曲線，每組包含分別來自兩 幅圖中對應同一 ζ值范圍的兩條曲線，然后計算重合面積，并與標準閉合曲線面積的相比， 將得到的比值與預定閾值相比較，若大多數(shù)比值在一定閾值內(nèi)則認為相似，從而進行下一步精識別，否則認為不相似。第二步，精識別——差異程度分析1.以上一步中的重疊圖的幾何中心點為原點，豎直向上方向為極軸建立極坐標。2.將與極軸成θ角的射線分別與各組等高線相交，分別計算兩幅等高線圖各層 等高線相應交點的絕對距離S。3.當θ在0° 360°范圍內(nèi)變化時，即可得到表征兩幅等高線圖每層等高線形 狀差異程度的函數(shù)s( θ )，然后做出θ和s的關系曲線，濾掉該關系曲線的直流分量，并對 曲線各點的絕對值積分，就得到表征兩等高線的差異程度的值Τ。4.將T與設定好的閾值比較，如果T小于閾值，則認為兩幅等高線形狀一樣，即來 自同一個人的三維人臉模型；否則認為來自不同人的三維人臉模型。經(jīng)過以上步驟的識別，即可實現(xiàn)精度較高的人臉識別。
權利要求
一種基于等高線法的三維人臉識別方法，其特征在于通過提取等高線的方法，將三維人臉模型變成容易處理的二維曲線圖，基于該曲線圖提出了相應的算法；該方法包括特征提取和識別分析兩個部分，這兩部分分別由特征提取算法和識別分析算法來實現(xiàn)1)特征提取算法的步驟為a)對三維模型進行標準化使之具有相同大小和方向；b)通過對Z設定基準值，繼而得到高于基準值的全部散點，將其投影到X Y平面上，提取散點圖邊緣，得到類似等高線圖的人臉分層切片圖；c)計算封閉切片曲線圖的幾何重心和面積來表征其特征，將各層的特征向量依次排列，得到表征三維人臉等高線圖的特征矩陣[n(1)、n(2)、……n(i)]；2)識別分析算法的步驟如下a)將識別過程分為粗識別和精識別兩個部分；b)將待識別人臉用特征提取算法進行處理，得到其特征向量，通過計算歐氏距離的方法在數(shù)據(jù)庫中尋找相似目標；c)通過計算曲線間重疊面積判定相似度；d)將待識別人臉與數(shù)據(jù)庫中的人臉模型對應同一部位的閉合曲線的幾何重心相互重合，以重心為原點建立極軸，用等間距的中心放射線與兩曲線相交，求出交點距離s和與極軸夾角θ去掉該函數(shù)的直流分量后得到新的s θ函數(shù)，求∫s2dθ作為相似度的表征量。
全文摘要
一種基于等高線法的三維人臉識別方法，涉及一種生物識別方法，具體涉及一種利用三維人臉模型實現(xiàn)人臉識別的算法。本發(fā)明的目的在于提供一種有效的，快速的三維人臉識別算法。本發(fā)明的基于等高線法的三維人臉識別方法，通過提取等高線的方法，將三維人臉模型變成容易處理的二維曲線圖，基于該曲線圖提出了相應的算法；該方法包括特征提取和識別分析兩個部分，這兩部分分別由特征提取算法和識別分析算法來實現(xiàn)。三維人臉模型是凹凸不平的曲面，本發(fā)明通過繪制三維人臉的等高線圖提取特征從而實現(xiàn)三維人臉識別，達到身份認證的目的。本發(fā)明的要點在于提供一種利用三維人臉的等高線圖提取特征信息實現(xiàn)人臉識別算法。識別的準確性和速度方面大大提高。
文檔編號G06K9/00GK101894254SQ201010199818
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權日2010年6月13日
發(fā)明者吳楊, 李江, 楊勇, 王紫霏, 秦鵬, 藍楊, 袁小聰 申請人:南開大學