Tài liệu Phát hiện mặt người trong ảnh theo hướng tiếp cận thành phần

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÀO VŨ CHIẾN PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH THEO HƯỚNG TIẾP CẬN THÀNH PHẦN LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐÀO VŨ CHIẾN PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH THEO HƯỚNG TIẾP CẬN THÀNH PHẦN Ngành Chuyên ngành : Công nghệ thông tin : Hệ thống thông tin Mã số : 60 48 05 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS. TS. Đỗ Năng Toàn Hà Nội – 2011 MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 1 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT .......................................................................................... 3 CHƢƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÁT HIỆN MẶT NGƢỜI TRONG ẢNH ................................................................................................................... 4 1.1 Khái quát về xử lý ảnh .................................................................................. 4 1.1.1 Xử lý ảnh là gì? ...................................................................................... 4 1.1.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh ......................................................... 4 1.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản .................................................................. 4 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng ........................................................................ 5 1.1.2.3 Khử nhiễu ......................................................................................... 6 1.1.2.4 Chỉnh mức xám ................................................................................ 6 1.1.2.5 Trích chọn đặc điểm......................................................................... 6 1.1.2.6 Nhận dạng ........................................................................................ 7 1.1.2.7 Nén ảnh .......................................................................................... 10 1.2 Phát hiện mặt ngƣời trong xử lý ảnh .......................................................... 10 1.2.1 Bài toán................................................................................................. 10 1.2.2 Những khó khăn của bài toán phát hiện khuôn mặt ............................. 11 1.2.2.1 Tƣ thế, góc chụp............................................................................. 11 1.2.2.2 Sự xuất hiện hoặc thiếu một số thành phần của khuôn mặt ........... 11 1.2.2.3 Sự biểu cảm của khuôn mặt ........................................................... 12 1.2.2.4 Sự che khuất: .................................................................................. 12 1.2.2.5 Điều kiện của ảnh........................................................................... 13 CHƢƠNG 2 PHÁT HIỆN MẶT NGƢỜI TRONG ẢNH THEO HƢỚNG TIẾP CẬN THÀNH PHẦN............................................................................................................... 15 2.1 Sử dụng kỹ thuật PCA ................................................................................ 15 2.1.1 Các khái niệm cơ bản ........................................................................... 15 2.1.1.1 Độ lệch chuẩn ................................................................................ 15 2.1.1.2 Phƣơng sai ...................................................................................... 16 2.1.1.3 Hiệp phƣơng sai ............................................................................. 16 2.1.1.4 Ma trận hiệp phƣơng sai ................................................................ 17 2.1.1.5 Ma trận đại số................................................................................. 17 2.1.1.5.1 Eigenvector (Vectơ riêng) ..................................................... 18 2.1.1.5.2 Eigenvalue (Giá trị riêng) ...................................................... 18 2.1.2 Kỹ thuật phân tích thành phần chính (PCA–Principal Components Analysis) ........................................................................................................ 19 2.1.2.1 Phƣơng pháp .................................................................................. 19 2.1.2.2 Eigenface ........................................................................................ 25 2.1.2.3 Triển khai ....................................................................................... 25 2.2 Phƣơng pháp sử dụng đặc trƣng Haar kết hợp Adaboost ........................... 28 2.2.1 Adaboost ............................................................................................... 28 2.2.2 Đặc trƣng Haar ..................................................................................... 31 2.2.3 Hệ thống xác định vị trí khuôn mặt trong ảnh...................................... 34 2.3 Dựa trên đặc trƣng không thay đổi ............................................................. 35 2.3.1 Các đặc trƣng khuôn mặt...................................................................... 35 2.3.2 Kết cấu .................................................................................................. 39 2.3.3 Sắc màu của da .................................................................................... 40 2.3.4 Đa đặc trƣng ........................................................................................ 40 2.4 Dựa trên so khớp mẫu ................................................................................. 43 2.4.1 Xác định các mẫu trƣớc ........................................................................ 44 2.4.2 Các mẫu bị biến dạng ........................................................................... 48 CHƢƠNG 3 CHƢƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM ......................................................... 50 3.1 Bài toán ....................................................................................................... 50 3.2 Hƣớng nghiên cứu ..................................................................................... 50 3.2.1 Phân loại thành phần khuôn mặt .......................................................... 50 3.2.2 Cấu trúc các bộ nhận dạng ................................................................... 51 3.3 Phân tích, thiết kế ....................................................................................... 51 3.4 Giao diện và cách sử dụng .......................................................................... 54 3.5 Kết quả thử nghiệm..................................................................................... 55 3.5.1 Góc chụp so với hƣớng ống kính ......................................................... 55 3.5.2 Kích thƣớc khuôn mặt .......................................................................... 57 3.5.3 Các kết quả thực nghiệm khác ............................................................. 57 PHẦN KẾT LUẬN ......................................................................................................... 59 PHẦN MỞ ĐẦU Hơn một thập kỷ vừa qua, thế giới đã chứng kiến sự xuất hiện của rất nhiều công trình nghiên cứu về bài toán xác định khuôn mặt ngƣời, từ ảnh đen trắng, xám đến ảnh màu, từ ảnh tĩnh đến những dữ liệu ảnh thu nhận đƣợc từ camera nhƣ ngày hôm nay. Phát hiện khuôn mặt trong ảnh số là vấn đề đang đƣợc quan tâm và phát triển. Nhiều hƣớng tiếp cận, nhiều phƣơng pháp đƣợc nghiên cứu và đề xuất để phát hiện khuôn mặt trong ảnh hoặc chuỗi ảnh. Các nghiên cứu đi từ bài toán đơn giản, mỗi ảnh chỉ có một khuôn mặt ngƣời nhìn thẳng vào thiết bị thu hình và đầu ở tƣ thế thẳng đứng trong ảnh đen trắng. Cho đến ngày hôm nay bài toán mở rộng cho ảnh màu, có nhiều khuôn mặt trong cùng một ảnh, có nhiều tƣ thế thay đổi trong ảnh. Không những vậy mà còn mở rộng cả phạm vi từ môi trƣờng xung quanh khá đơn giản (trong phòng thí nghiệm) cho đến môi trƣờng xung quanh rất phức tạp (nhƣ trong tự nhiên) nhằm đáp ứng nhu cầu thật sự và rất nhiều của con ngƣời. Bài toán xác định khuôn mặt ngƣời (Face Detection) là một phần quan trọng trong bài toán nhận dạng mặt ngƣời, một bài toán liên quan đến rất nhiều ứng dụng trong thực tế đời sống. Sau đây là một số ứng dụng đã và đang đƣợc thiết kế:  Hệ thống phát hiện tội phạm: camera đƣợc đặt tại một số điểm công cộng nhƣ: siêu thị, nhà sách, trạm xe buýt, sân bay,... Khi phát hiện đƣợc sự xuất hiện của các đối tƣợng là tội phạm, hệ thống sẽ gởi thông điệp về cho trung tâm xử lý.  Hệ thống theo dõi nhân sự trong một đơn vị: giám sát giờ ra vào của từng nhân viên và chấm công.  Hệ thống giao tiếp ngƣời máy: thay thế việc tƣơng tác giữa ngƣời và máy theo những cách truyền thống nhƣ: Bàn phím, chuột,...thay vào đó là sử dụng các giao tiếp trực quan: Biểu cảm khuôn mặt, dấu hiệu, cử chỉ bằng tay (visual input, visual interaction).  Hệ thống tìm kiếm thông tin trên ảnh, video dựa trên nội dung (chỉ mục theo ngƣời). Chẳng hạn nhƣ: Đài truyền hình Việt Nam (VTV) có một kho dữ liệu video tin tức khá lớn cần tìm kiếm nhanh những đoạn video nào có G. Bush hoặc Bin Laden. 1  Các hệ thống bảo mật dựa trên thông tin trắc sinh học: Mặt ngƣời, vân tay,... thay vì xác nhận mật khẩu, khoá,... Đề tài đƣợc tổ chức thành ba chƣơng với nội dung: Chƣơng 1. Khái quát về xử lý ảnh và phát phát hiện mặt ngƣời trong ảnh: Giới thiệu tổng quan về các khái niệm căn bản trong lĩnh vực xử lý ảnh và của bài toán phát hiện mặt ngƣời trong ảnh, xác định bài toán và những khó khăn gặp phải khi giải quyết bài toán này. Chƣơng 2. Phát hiện mặt ngƣời trong ảnh theo hƣớng tiếp cận thành phần: Giới thiệu một số kĩ thuật phát hiện mặt ngƣời trong ảnh theo hƣớng tiếp cận thành phần. Chƣơng 3. Chƣơng trình thử nghiệm: Xác định yêu cầu của bài toán, phân tích thiết kế và giới thiệu chức năng chính, cài đặt thử nghiệm một chƣơng trình phát hiện mặt ngƣời trong ảnh theo hƣớng tiếp cận thành phần. 2 DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT PCA Principal Components Analysis SVM Support vector machine SAT Summed Area Table RSAT Rotated Summed Area Table CART Classification and Regression Trees SGLD Self-Guided Langevin Dynamics QMF Query Management Facility PDM Point Distribution Model ASM Active Shape Model 3 CHƢƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ PHÁT HIỆN MẶT NGƢỜI TRONG ẢNH 1.1 Khái quát về xử lý ảnh 1.1.1 Xử lý ảnh là gì? Con ngƣời thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ hoạ đó phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Xử lý ảnh và đồ hoạ đóng một vai trò quan trọng trong tƣơng tác ngƣời máy. Quá trình xử lý ảnh đƣợc xem nhƣ là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn. Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận. Hình 1.1: Mô hình quá trình xử lý ảnh Ảnh có thể xem là tập hợp các điểm ảnh và mỗi điểm ảnh đƣợc xem nhƣ là đặc trƣng cƣờng độ sáng hay một dấu hiệu nào đó tại một vị trí nào đó của đối tƣợng trong không gian và nó có thể xem nhƣ một hàm n biến P(c1, c2,..., cn). Do đó, ảnh trong xử lý có thể xem nhƣ n chiều. 1.1.2 Các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 1.1.2.1 Một số khái niệm cơ bản Ảnh và điểm ảnh: Điểm ảnh đƣợc xem nhƣ là dấu hiệu hay cƣờng độ sáng tại một toạ độ trong không gian của đối tƣợng và ảnh đƣợc xem nhƣ là một tập hợp các điểm ảnh. Mức xám, màu: Là số các giá trị có thể có của các điểm ảnh của ảnh. 4 1.1.2.2 Nắn chỉnh biến dạng Ảnh thu nhận thƣờng bị biến dạng do các thiết bị quang học và điện tử. Hình 1.2: Mô hình việc nắn chỉnh biến dạng Để khắc phục ngƣời ta sử dụng các phép chiếu, các phép chiếu thƣờng đƣợc xây dựng trên tập các điểm điều khiển. Giả sử (P i , P i' ) in1 có n các tập điều khiển Tìm hàm f: P i  f(P i ) sao cho: Giả sử ảnh bị biến đổi chỉ bao gồm: Tịnh tiến, quay, tỷ lệ, biến dạng bậc nhất tuyến tính. Khi đó hàm f có dạng: f (x, y) = (a1x + b1y + c1, a2x + b2y + c2) Ta có: Để cho φ → min 5 Giải hệ phƣơng trình tuyến tính tìm đƣợc a1, b1, c1 Tƣơng tự tìm đƣợc a2, b2, c2  Xác định đƣợc hàm f 1.1.2.3 Khử nhiễu Có 2 loại nhiễu cơ bản trong quá trình thu nhận ảnh - Nhiễu hệ thống: Nhiễu có quy luật có thể khử bằng các phép biến đổi. - Nhiễu ngẫu nhiên: Vết bẩn không rõ nguyên nhân → khắc phục bằng các phép lọc. 1.1.2.4 Chỉnh mức xám Nhằm khắc phục tính không đồng đều của hệ thống gây ra. Thông thƣờng có 2 hƣớng tiếp cận: - Giảm số mức xám: Thực hiện bằng cách nhóm các mức xám gần nhau thành một bó. Trƣờng hợp chỉ có hai mức xám thì chính là chuyển về ảnh đen trắng. Ứng dụng: In ảnh màu ra máy in đen trắng. - Tăng số mức xám: Thực hiện nội suy ra các mức xám trung gian bằng kỹ thuật nội suy. Kỹ thuật này nhằm tăng cƣờng độ mịn cho ảnh 1.1.2.5 Trích chọn đặc điểm Các đặc điểm của đối tƣợng đƣợc trích chọn tuỳ theo mục đích nhận dạng trong quá trình xử lý ảnh. Có thể nêu ra một số đặc điểm của ảnh sau đây: - Đặc điểm không gian: Phân bố mức xám, phân bố xác suất, biên độ, điểm uốn... 6 - Đặc điểm biến đổi: Các đặc điểm loại này đƣợc trích chọn bằng việc thực hiện lọc vùng (zonal filtering). Các bộ vùng đƣợc gọi là “mặt nạ đặc điểm” (feature mask) thƣờng là các khe hẹp với hình dạng khác nhau (chữ nhật, tam giác, cung tròn,...) - Đặc điểm biên và đƣờng biên: Đặc trƣng đƣờng biên của đối tƣợng rất hữu ích trong việc trích chọn các thuộc tính bất biến và đƣợc dùng khi nhận dạng đối tƣợng. Các đặc điểm này có thể đƣợc trích chọn nhờ toán tử gradient, toán tử la bàn, toán tử Laplace, toán tử “chéo không” (zero crossing),... Việc trích chọn hiệu quả các đặc điểm giúp cho việc nhận dạng các đối tƣợng ảnh chính xác, với tốc độ tính toán cao và dung lƣợng nhớ lƣu trữ giảm xuống. 1.1.2.6 Nhận dạng Xét trên phƣơng diện tổng quát, nhận dạng đối tƣợng là một công việc đƣợc thực hiện hàng ngày của những sinh vật sống và là khả năng vốn có và cần thiết của sinh vật để thích nghi với môi trƣờng. Công việc này đƣợc thực hiện trong trong những tình huống khác nhau nhƣ là tìm kiếm nguồn thức ăn, di trú, phát hiện ra thú dữ hay là để nhận biết những ngƣời bạn v..v.. một cách rất hiệu quả. Nhận dạng đối tƣợng đƣợc xem nhƣ là một khái niệm nhận thức rộng nó có thể là một nhiệm vụ rất đơn giản, ví dụ nhƣ khi một vi sinh vật biến mất khỏi môi trƣờng không đủ độ pH, hay là những nhiệm vụ phức tạp đòi hỏi khả năng suy luận, mô tả và hiểu biết nhất định, ví dụ khi một ngƣời phải tìm một cái kéo từ ngăn thứ hai đếm từ dƣới lên của một cái tủ. Nhận dạng tự động (automatic recognition), mô tả đối tƣợng, phân loại và phân nhóm các mẫu là những vấn đề quan trọng trong thị giác máy, đƣợc ứng dụng trong nhiều ngành khoa học khác nhau. Tuy nhiên, một câu hỏi đặt ra là: Mẫu (pattern) là gì? Watanabe, một trong những ngƣời đi đầu trong lĩnh vực này đã định nghĩa: “Ngƣợc lại với hỗn loạn (chaos), mẫu là một thực thể (entity), đƣợc xác định một cách ang áng (vaguely defined) và có thể gán cho nó một tên gọi nào đó”. Ví dụ mẫu có thể là ảnh của vân tay, ảnh của một vật nào đó đƣợc chụp, một chữ viết, khuôn mặt ngƣời hoặc một ký đồ tín hiệu tiếng nói. Khi có một mẫu nào đó, để nhận dạng hoặc phân loại mẫu đó có thể: 7  Hoặc phân loại có mẫu (supervised classification), chẳng hạn phân tích phân biệt (discriminant analyis), trong đó mẫu đầu vào đƣợc định danh nhƣ một thành phần của một lớp đã xác định.  Hoặc phân loại không có mẫu (unsupervised classification hay clustering) trong đó các mẫu đƣợc gán vào các lớp khác nhau dựa trên một tiêu chuẩn đồng dạng nào đó. Các lớp này cho đến thời điểm phân loại vẫn chƣa biết hay chƣa đƣợc định danh. Những ứng dụng của các hệ thống nhận dạng mẫu nói chung và hệ thống nhận dạng trong xử lý ảnh với dữ liệu hình ảnh là rất lớn và bao trùm một phạm vi rộng lớn của cuộc sống. Sau đây là một số ví dụ trong một vài hoạt động chuyên ngành:  Nông nghiệp:  Phân tích cây trồng.  Đánh giá đất trồng.  Thiên văn học:  Phân tích ảnh chụp từ kính viễn vọng.  Tự động hoá quang phổ học.  Sinh học:  Tự động hoá tế bào học.  Đặc trƣng của các nhiễm sắc thể.  Các nghiên cứu di truyền học.  Quản lý công dân:  Phân tích và điều khiển luồng giao thông.  Định mức sự tăng trƣởng của thành phố.  Quản lý kinh tế:  Dự đoán thị trƣờng chứng khoán.  Phân tích hiệu suất của doanh nghiệp.  Kỹ thuật:  Phát hiện lỗi trong những sản phẩm đƣợc chế tạo. 8  Nhận dạng ký tự.  Nhận dạng tiếng nói.  Những hệ thống dẫn đƣờng tự động.  Phân tích sự ô nhiễm.  Địa chất:  Phân loại các loại đá.  Ƣớc lƣợng những tài nguyên khai thác.  Phân tích nguồn tài nguyên địa chất sử dụng những hình ảnh vệ tinh.  Phân tích địa chấn.  Y học:  Phân tích điện tâm đồ.  Phân tích điện não đồ.  Phân tích những hình ảnh nội khoa.  Quân sự:  Phân tích ảnh chụp không gian.  Phát hiện và phân loại các sóng ra đa và sóng siêu âm.  Tự động phát hiện mục tiêu.  Bảo mật:  Phát hiện các dấu vân tay.  Những hệ thống giám sát và báo động. Trong các ứng dụng rõ ràng là không thể chỉ dùng có một cách tiếp cận đơn lẻ để phân loại “tối ƣu” do vậy cần sử dụng cùng một lúc nhiều phƣơng pháp và cách tiếp cận khác nhau. Do vậy, các phƣơng thức phân loại tổ hợp hay đƣợc sử dụng khi nhận dạng và nay đã có những kết quả có triển vọng dựa trên thiết kế các hệ thống lai bao gồm nhiều mô hình kết hợp. Việc giải quyết bài toán nhận dạng trong những ứng dụng mới, nảy sinh trong cuộc sống không chỉ tạo ra những thách thức về thuật giải, mà còn đặt ra những yêu cầu về tốc độ tính toán. Đặc điểm chung của tất cả 9 những ứng dụng đó là những đặc điểm đặc trƣng cần thiết thƣờng là nhiều, không thể do chuyên gia đề xuất, mà phải đƣợc trích chọn dựa trên các thủ tục phân tích dữ liệu. 1.1.2.7 Nén ảnh Nhằm giảm thiểu không gian lƣu trữ. Thƣờng đƣợc tiến hành theo cả hai cách khuynh hƣớng là nén có bảo toàn và không bảo toàn thông tin. Nén không bảo toàn thì thƣờng có khả năng nén cao hơn nhƣng khả năng phục hồi thì kém hơn. Trên cơ sở hai khuynh hƣớng, có 4 cách tiếp cận cơ bản trong nén ảnh: - Nén ảnh thống kê: Kỹ thuật nén này dựa vào việc thống kê tần suất xuất hiện của giá trị các điểm ảnh, trên cơ sở đó mà có chiến lƣợc mã hoá thích hợp. Một ví dụ điển hình cho kỹ thuật mã hoá này là *.TIF - Nén ảnh không gian: Kỹ thuật này dựa vào vị trí không gian của các điểm ảnh để tiến hành mã hoá. Kỹ thuật lợi dụng sự giống nhau của các điểm ảnh trong các vùng gần nhau. Ví dụ cho kỹ thuật này là mã nén *.PCX - Nén ảnh sử dụng phép biến đổi: Đây là kỹ thuật tiếp cận theo hƣớng nén không bảo toàn và do vậy, kỹ thuật thƣờng nến hiệu quả hơn. *.JPG chính là tiếp cận theo kỹ thuật nén này. - Nén ảnh Fractal: Sử dụng tính chất Fractal của các đối tƣợng ảnh, thể hiện sự lặp lại của các chi tiết. Kỹ thuật nén sẽ tính toán để chỉ cần lƣu trữ phần gốc ảnh và quy luật sinh ra ảnh theo nguyên lý Fractal. 1.2 Phát hiện mặt ngƣời trong xử lý ảnh 1.2.1 Bài toán Phát hiện khuôn mặt ngƣời (Face Detection) là một kỹ thuật máy tính để xác định các vị trí và các kích thƣớc của các khuôn mặt ngƣời trong các ảnh bất kỳ (ảnh kỹ thuật số). Kỹ thuật này nhận biết các đặc trƣng của khuôn mặt và bỏ qua những thứ khác, nhƣ: Toà nhà, cây cối, cơ thể, … Phát hiện khuôn mặt đƣợc coi nhƣ một giai đoạn quan trọng trong hệ thống nhận dạng khuôn mặt. Việc xác định chính xác vị trí và kích thƣớc các khuôn mặt trong ảnh là một trong những yếu tố quyết định để giai đoạn kiểm tra xem khuôn mặt vừa tìm thấy là ai đƣợc chính xác. 10 1.2.2 Những khó khăn của bài toán phát hiện khuôn mặt Bài toán nhận dạng mặt ngƣời là bài toán đã đƣợc nghiên cứu từ những năm 70. Tuy nhiên, đây là một bài toán khó nên những nghiên cứu hiện tại vẫn chƣa đạt đƣợc kết quả mong muốn. Chính vì thế vấn đề này vẫn đang đƣợc nhiều nhóm trên thế giới quan tâm nghiên cứu. Khó khăn của bài toán nhận dạng mặt ngƣời nói chung và bài toán phát hiện khuôn mặt nói riêng có thể kể nhƣ sau: 1.2.2.1 Tƣ thế, góc chụp Ảnh chụp khuôn mặt có thể thay đổi rất nhiều bởi vì góc chụp giữa camera và khuôn mặt. Chẳng hạn nhƣ: chụp thẳng, chụp nghiêng, chụp từ trên xuống, chụp từ dƣới lên,... Với các tƣ thế khác nhau, các thành phần trên khuôn mặt nhƣ mắt, mũi, miệng có thể bị khuất một phần hoặc thậm chí khuất hết. Hình 1.3: Hƣớng mặt nghiêng Hình 1.4: Máy ảnh đặt phía trên và sau lƣng ngƣời chụp 1.2.2.2 Sự xuất hiện hoặc thiếu một số thành phần của khuôn mặt Các đặc trƣng nhƣ: Râu mép, râu hàm, mắt kính,... có thể xuất hiện hoặc không. Vấn đề này làm cho bài toán càng trở nên khó hơn rất nhiều. 11 Hình 1.5: Ngƣời đeo kính đen và đội mũ 1.2.2.3 Sự biểu cảm của khuôn mặt Biểu cảm của khuôn mặt ngƣời có thể làm ảnh hƣởng đáng kể lên các thông số của khuôn mặt. Chẳng hạn, cùng một khuôn mặt một ngƣời, nhƣng có thể sẽ rất khác khi họ cƣời hoặc sợ hãi,... Hình 1.6: Một khuôn mặt biểu cảm phức tạp 1.2.2.4 Sự che khuất: Khuôn mặt có thể bị che khuất bởi các đối tƣợng khác hoặc các khuôn mặt khác. Hình 1.7: Khuôn mặt bị che khuất một phần 12 1.2.2.5 Điều kiện của ảnh Ảnh đƣợc chụp trong các điều kiện khác nhau về: chiếu sáng, về tính chất camera (máy kỹ thuật số, máy hồng ngoại,...) ảnh hƣởng rất nhiều đến chất lƣợng ảnh khuôn mặt. Hình 1.8: Ảnh chụp trong nhà Hình 1.9: Ảnh chụp ngoài trời Hình 1.10: Ảnh chụp ngƣợc sáng 13 Hình 1.11: Ảnh bị chói do đèn Một vài ví dụ cho việc các hệ thống phát hiện và nhận dạng mặt ngƣời hoạt động không hiệu quả: Vào năm 2001, Sở cảnh sát Tampa đã lắp đặt một hệ thống camera có gắn phần mềm nhận diện khuôn mặt tại quận Ybor City vốn nổi tiếng về các hoạt động về đêm nhằm giảm bớt tỉ lệ tội phạm trong khu vực này. Nhƣng kế hoạch này đã hoàn toàn thất bại, và nó bị đình chỉ vào năm 2003 do thiếu hiệu quả. Bởi những ngƣời sống trong khu vực này đã đeo mặt nạ và thực hiện hành vi phạm tội khiến cho camera không thể nhận diện đƣợc bất kỳ ai. Sân bay Logan ở Boston cũng đã nhờ những ngƣời tình nguyện thực hiện hai bài kiểm tra hệ thống nhận diện khuôn mặt riêng biệt tại các điểm chốt an ninh của sân bay. Sau một khoảng thời gian kiểm tra 3 tháng, kết quả thu đƣợc thật đáng thất vọng. Theo nhƣ Trung tâm thông tin bảo mật điện tử, hệ thống này chỉ đạt tỉ lệ chính xác là 61.4%, buộc các nhà quản lý sân bay phải tính đến những lựa chọn an ninh khác. 14 CHƢƠNG 2 PHÁT HIỆN MẶT NGƢỜI TRONG ẢNH THEO HƢỚNG TIẾP CẬN THÀNH PHẦN 2.1 Sử dụng kỹ thuật PCA 2.1.1 Các khái niệm cơ bản Phần này giới thiệu về các khái niệm toán học sẽ đƣợc sử dụng trong PCA. Các khái niệm đó bao gồm: Độ lệch chuẩn (Standard deviation), phƣơng sai (variance), hiệp phƣơng sai (covariance), vec tơ riêng (eigenvector), giá trị riêng (eigenvalue). 2.1.1.1 Độ lệch chuẩn Để hiểu độ lệch chuẩn, chúng ta cần một tập dữ liệu. Giả sử ta có tập: X = [1 2 4 6 12 15 25 45 68 67 65 98] X là ký hiệu đại diện cho tập số, mỗi số riêng biệt đƣợc ký hiệu X i (Ví dụ X3 = 4). Phần tử đầu tiên là X1 và n là số lƣợng phần tử của tập hợp. Khi đó trung bình của mẫu có công thức:  X n i 1 Xi n X Là ký hiệu trung bình của mẫu, tuy nhiên trung bình mẫu không nói lên đƣợc nhiều điều ngoại trừ cho ta biết nó là một điểm giữa. Ví dụ với hai tập dữ liệu [0 8 12 20] và [8 9 11 12] Có trung bình mẫu bằng nhau nhƣng lại khá khác nhau. Sự khác biệt ở đây chính là khoảng cách của dữ liệu. Và độ lệch chuẩn là đại lƣợng để đo khoảng cách này. Ta có thể hiểu độ lệch chuẩn là khoảng cách trung bình từ trung bình mẫu đến các điểm của dữ liệu. Ta có công thức: s   n i 1 (X i  X i )2 (n  1) 15 Tập hợp 1 X 0 8 12 20 Total Divided by (n-1) Square Root Tập hợp 2 Xi 8 9 11 12 Total Divided by (n-1) Square Root (𝑋 − 𝑋) -10 -2 2 10 (𝑋 − 𝑋)2 100 4 4 100 208 69.33 8.3266 (𝑋𝑖 − 𝑋) -2 -1 1 2 (𝑋𝑖 − 𝑋)2 4 1 1 4 10 3.333 1.8257 Ta có thể dễ dàng nhận thấy tập dữ liệu 1 có độ lệch chuẩn lớn hơn có khoảng cách lớn hơn tập dữ liệu 2. 2.1.1.2 Phƣơng sai Phƣơng sai là một đại lƣợng khác dùng để đo khoảng cách của dữ liệu. Ta có công thức: s 2   n i 1 (X i  X )2 (n  1) . Dễ thấy phƣơng sai chính là bình phƣơng độ lệch chuẩn. 2.1.1.3 Hiệp phƣơng sai Ta thấy rằng 2 đại lƣợng độ lệch chuẩn và phƣơng sai chỉ sử dụng đƣợc trong 1 chiều. Trong thực tế dữ liệu có thể có rất nhiều chiều. Một ví dụ đơn giản ta có dữ liệu về cân nặng và điểm số của toàn bộ sinh viên trong lớp K15-T4. Đối với dữ liệu này, độ lệch chuẩn và phƣơng sai chỉ tính đƣợc trên từng chiều riêng biệt và ta không thấy đƣợc mối liên hệ giữa 2 chiều này. 16