本科生毕业设计（论文）文献综述
题 目： 人脸特征提取与识别
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人脸特征提取与识别
1前言
近年来，Internet和多媒体技术飞速发展，多媒体（包括图像、视频等）数据规模急剧膨胀。为了快速、准确地到感兴趣的图像或视频，人们提出了基于内容的图像检索(content-based image retrieval，简称CBIR)技术，研究让计算机对图像进行分类和检索的算法。CBIR涉及图像内容表示、相似性度量、高维索引技术等方面。[1]
图像内容的表示是需要首先解决的问题。为了实现对图像内容的存取、访问和检索，MPEG-7提出了图像内容描述子的概念，例如颜描述子、纹理描述子、形状描述子等。
图像颜内容通常用颜直方图来表示，纹理特征以纹理模式区分图像，形状特征用于包含特定形状对象的图像检索。颜直方图（或称为颜谱）因其简单、有效的性能而在大多数CBIR系统中得到应用，但是颜直方图对纹理图像的检索效果不好。不同的纹理图像可能有非常相似的颜直方图。
所谓图像纹理，它反映的是图像的一种局部结构化特征，具体表现为图像像素点某邻域内像素点灰度级或者颜的某种变化，而且这种变化是空间统计相关的，它由纹理基元和基元的排列两个要素构成。纹理分析方法有统计方法、结构方法和基于模型的方法。
2人脸特征提取与识别方法
人脸识别本质上是三维塑性物体二维投影图像的匹配问题，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)。识别人脸主要依靠人脸上的特征。也就是说依据那些在不同个体上存在的较大差异而对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。
在对人脸图像进行特征提取和分类之前一般需要做几何归一化和灰度归一化。几何归一化是指根据人脸定位结果将图像中人脸变换到同一位置和同样大小，灰度归一化是指对图像进行光照补偿等处理，光照补偿能够一定程度地克服光照变化的影响而提高识别率。
2.1 基于几何特征的方法
人脸由眼睛、鼻子、嘴巴、下巴等部件构成，正因为这些部件的形状、大小和结构上的各种差异才使得世界上每个人脸干差万别，因此对这些部件的形状和结构关系的几何描述，可以作为人脸识别的重要特征。几何特征最早是用于人脸侧面轮廓的描述与识别，首先根据侧面轮廓曲线确定若干显著点，并由这些显著点导出一组用于识别的特征度量如距离、角度等。Jia等由正面灰度图中线附近的积分投影模拟侧面轮廓图是一种很有新意的方法。[2]
采用几何特征进行正面人脸识别一般是通过提取人眼、口、鼻等重要特征点的位置和眼睛等重要器官的几何形状作为分类特征，但Roder对几何特征提取的精确性进行了实验性的研究，结果不容乐观。[3]可变形模板法可以视为几何特征方法的一种改进，其基本思想是：设计一个参数可调的器官模型(即可变形模板，如图2-1，图2-2所示)，定义一个能量函数，通过调整模型参数使能量函数最小化，此时的模型参数即做为该器官的几何特征。这种方法思想很好，但是存在两个问题，一是能量函数中各种代价的加权系数只能由经验确定，难以推广；二是能量函数优化过程十分耗时，难以实际应用。[4]
图2-1 可变形模板法的眼模型
图2-2 可变形模板法的嘴模型
基于参数的人脸表示可以实现对人脸显著特征的一个高效描述，但它需要大量的前处理和精细的参数选择。同时，采用一般几何特征只描述了部件的基本形状与结构关系，忽略了局部细微特征，造成部分信息的丢失，更适合于做粗分类，而且目前已有的特征点检测技术在精确率上还远不能满足要求，计算量也较大。
2.2 基于特征脸的方法
Turk和Pentland提出特征脸的方法，它根据一组人脸训练图像构造主元子空间，由于主元具有脸的形状，也称为特征脸(如图 2-3所示)。识别时将测试图像投影到主元子空间上，得到一组投影系数，和各个己知的人脸图像比较进行识别。Pentland 等报告了相当好的结果，在200个人的3000幅图像中得到95％的正确识别率，在FERET数据库上对150幅正面人脸象只有一个误识别。但系统在进行特征脸方法之前需要作大量预处理工作，如归一化等。
图2-3 Pentland 得到的特征脸(主特征向量)
在传统特征脸的基础上，研究者注意到特征值大的特征人脸识向量(即特征脸)并不一定是分类性能好的方向，据此发展了多种特征（子空间）选择方法，如Peng的双子空间方法、Weng的线性歧义分析方法、Belhumeur的 FisherFace方法等。事实上，特征脸方法是一种显式主元分析人脸建模，一些线性自联想、线性压缩型BP网则为隐式的主元分析方法。它们都是把人脸表示为一些向量的加权和，这些向量是训练集叉积阵的主特征向量，Valetin对此作了详细讨论。总之，特征脸方法是一种简单、快速、实用的基于变换系数特征的算法，但由于它在本质上依赖于训练集和测试集图像的灰度相关性，所以还有着很大的局限性。 [5]
2.3 局部特征分析 LFA方法
主元子空间的表示是紧凑的，特征维数大大降低，但它是非局部化的，其核函数的支集扩展在整个坐标空间中，同时它是非拓扑的，某个轴投影后邻近的点与原图像空间中点的邻近性没有任何关系，而局部性和拓扑性对模式分析和分割是理想的特性，似乎这更符合神经信息处理的机制，因此寻具有这种特性的表达十分重要。基于这种考虑，Atick提出基
于局部特征的人脸特征提取与识别方法。这种方法在实际应用取得了很好的效果，它构成了Facelt软件的基础。
局部特征分析（Local Feature Analysis，LFA）是一种基于特征表示的面像识别技术，源于类似搭建积木的局部统计的原理。LFA 基于所有的面像(包括各种复杂的式样)都可以从由很多不能再简化的结构单元子集综合而成。这些单元使用复杂的统计技术而形成，它们代表了整个面像，通常跨越多个像素（在局部区域内）并代表了普遍的面部形状，但并不是通常意义上的面部特征。实际上，面部结构单元比面像的部位要多得多。
然而，要综合形成一张精确逼真的面像，只需要整个可用集合中很少的单元子集(12～40特征单元)。要确定身份不仅仅取决于特性单元，还决定于它们的几何结构(比如它们的相关位置)。通过这种方式，LFA 将个人的特性对应成一种复杂的数字表达方式，可以进行对比和识别。“面纹”编码方式是根据脸部的本质特征和形状来工作的，它可以抵抗光线、皮肤调、面部毛发、发型、眼镜、表情和姿态的变化，具有强大的可靠性，使它可以从百万人中精确地辨认出一个人。银晨面像识别系统用的就是这种方法。
2.4 基于弹性模型的方法
Lades等人针对畸变不变性的物体识别提出了动态链接模型（DLA）[6]未识别的网络，将物体用稀疏图形来描述，其顶点用局部能量的多尺度描述来标记，边则表示拓扑连接关系并用几何距离来标记，然后应用塑性图形匹配技术来寻最近的己知图形。Wiscott等人在此基础上作了改进，用FERET等图像库做实验，用300幅人脸图像和另外300幅图像作比较，准确率达到97.3％；此方法的缺点是计算量非常巨大。
Nastar将人脸图像I(x，y)建模为可变形的3D网格表面(x，y，I(x, y))，从而将人脸匹配问题转化为可变形曲面的弹性匹配问题[N1]。利用有限元分析的方法进行曲面变形，并根据变形的情况判断两张图片是否为同一个人。这种方法的特点在于将空间(x，y)和灰度 I(x，y)放在了一个 3D 空间中同时考虑，实验表明识别结果明显优于特征脸方法。
Lanitis等提出灵活表现模型方法，通过自动定位人脸的显著特征，将人脸编码为 83 个模型参数，并利用辨别分析的方法进行基于形状的人脸识别。
2.5 神经网络方法
目前神经网络方法在人脸识别中的研究方兴未艾。Valentin 提出一种方法，首先提取人脸
的 50 个主元，然后用自相关神经网络将它映射到 5 维空间中，再用一个普通的多层感知器进行判别，对一些简单的测试图像效果较好；Intrator等提出了一种混合型神经网络来进行人脸识别，其中非监督神经网络用于特征提取，而监督神经网络用于分类。Lee等将人脸的特点用六条规则描述，然后根据这六条规则进行五官的定位，将五官之间的几何距离输入模糊神经网络进行识别，效果较一般的基于欧氏距离的方法有较大改善；Laurence等采用卷积神经网络方法进行人脸识别，由于卷积神经网络中集成了相邻像素之间的相关性知识，从而在一定程度上获得了对图像平移、旋转和局部变形的不变性，因此得到非常理想的识别结果；Lin等提出了基于概率决策的神经网络方法(PDBNN)，其主要思想是采用虚拟(正反例)样本进行强化和反强化学习，从而得到较为理想的概率估计结果，并采用模块化的网络结构(OCON)加快网络的学习。这种方法在人脸检测、人脸定位和人脸识别的各个步骤上都得到了较好的应用。其它研究还有：Dai等提出用Hopfield 网络进行低分辨率人脸联想与识别；Gutta等提出将 RBF 与树型分类器结合起来进行人脸识别的混合分类器模型；Phillips等人将Matching Pursuit滤波器用于人脸识别；还有人用统计学习理论中的支撑向量机（SVM）进行人脸分类。 [7]
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