基于本征空間的多姿態(tài)人臉識別方法

O 引 言
人類(lèi)利用生物特征識別的歷史可追溯到古代埃及人通過(guò)測量人體各部位的尺寸來(lái)進(jìn)行身份鑒別，現代生物識別技術(shù)始于上世紀70年代中期，目前已經(jīng)成為發(fā)達國家普遍重視并大力發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。在生物認證方面，人臉識別具有特定的優(yōu)勢。相比其他生物認證技術(shù)，如指紋識別，有一部分人是沒(méi)有指紋的，或者指紋無(wú)法錄入，僅靠指紋識別就會(huì )出現障礙；如虹膜識別，有些眼睛有障礙的人也是無(wú)法使用的；還有聲音識別，對于發(fā)音有障礙或者無(wú)法說(shuō)話(huà)的人群來(lái)說(shuō)，這是毫無(wú)意義的。正是基于人臉的人人具備這一先天優(yōu)勢，近年來(lái)，作為生物特征認證的重要分支――人臉及器官的檢測、定位和識別技術(shù)開(kāi)始受到廣泛重視。
多姿態(tài)人臉識別是目前人臉識別中的難點(diǎn)，識別率普遍不是很高。國內外許多學(xué)者已對多姿態(tài)人臉識別進(jìn)行了深入研究，提出了許多姿態(tài)判定和識別算法。
在多姿態(tài)人臉數據庫構建的基礎上，利用PCA對不同姿態(tài)的人臉?lè )謩e建立特征空間，待識別人臉圖像向相應的特征空間投影，進(jìn)而利用歐氏距離進(jìn)行分類(lèi)識別，獲得了較高的多姿態(tài)人臉圖像識別率。

1 基于本征空間的多姿態(tài)人臉識別方法
Sirovich和Kirby首先使用PCA方法對人臉圖像進(jìn)行降維處理并實(shí)現了人臉圖像的重建，隨后，1991年，Turk和Pentland首先利用 PCA方法實(shí)現了人臉識別(稱(chēng)為本征臉?lè )椒?。此后，基于本征空間的許多人臉識別方法被提出來(lái)，PCA人臉識別方法也到了進(jìn)一步的發(fā)展。
1．1 利用本征臉建立多姿態(tài)人臉特征空間的步驟
(1)從已知的人臉圖像中按姿態(tài)選擇訓練圖像M張，每人可以選同姿態(tài)的一張或多張照片(表情和光照有所變化)。
(2)計算M×M的矩陣的特征值和特征向量，選擇M’個(gè)主成份分量。
(3)計算得到該姿態(tài)的特征臉空間μ。
(4)重復步驟(1)～(3)得到各個(gè)姿態(tài)的特征臉空間。
1．2 歐氏距離分類(lèi)器的設計
采用歐式距離分類(lèi)器，對未知人臉圖像和特征空間各類(lèi)別對應的特征空間向量之間的歐式距離進(jìn)行計算，未知人臉圖像與哪一類(lèi)別的距離最近就把其歸入該類(lèi)。假設待分人臉圖像共有c類(lèi)，分別為叫，w1，w2，…，wc，每類(lèi)都有一個(gè)對應的特征空間向量，則共有c個(gè)特征空間向量，記作T1，T2，…，Tc。
未知人臉圖像的特征向量x和wi類(lèi)的特征空間向量Ti之間的歐氏距離為：

未知人臉圖像的特征向量x對已訓練的c類(lèi)人臉圖像的特征空間向量分別求距離后，得到一個(gè)距離集d1，d2，…，dc，對所有的i≠j，如果di(x)dj(x)，即di(x)是距離集d1，d2，…，dc中最小的值，則將x歸入第wi類(lèi)。
1．3 識別步驟
得到多姿態(tài)人臉特征空間后，就可以采用歐氏距離分類(lèi)器對待識別圖像進(jìn)行識別。識別步驟如下：
(1)將已知姿態(tài)的訓練人臉圖像投影到相應姿態(tài)的本征臉空間(計算本征向量μl和相應M類(lèi)訓練圖像的內積)，得到M個(gè)人臉圖像的分類(lèi)權重ΩTM=[Ω1，Ω2，…，ΩM]；
(2)將待識別的屬于該姿態(tài)的人臉圖像(X)投影到對應姿態(tài)的本征臉空間，得到權重向量Ω；

(3)計算待識別圖像權重向量和每一類(lèi)圖像的分類(lèi)權重的差值ε；

(4)如果εk小于固定的門(mén)限θe1，則待識別圖像屬于Ωk類(lèi)。
上述步驟(2)可以按下面方法判斷待識別圖像是否為人臉圖像：
(1)計算待識別圖像和臉空間的距離ψ：

(2)如果ψ小于門(mén)限θe2，則認為待識別圖像近似為人臉空間，否則，則認為待識別圖像不是人臉圖像。
根據ε和ψ，待識別圖像可能存在4種情況：
①近似為人臉空間并且屬于已知的某一類(lèi)別；
②近似為人臉空間但不屬于已知的某一類(lèi)別；
③不像人臉空間但屬于已知的某一類(lèi)別；
④不像人臉空間也不屬于已知的某一類(lèi)別。
對于第一種情況，輸入待識別圖像可以被識別出來(lái)；第二種情況說(shuō)明待識別人臉圖像是一副新圖像；后面兩種情況說(shuō)明輸入圖像不是人臉圖像，放棄處理。