Phát hiện mặt người trong ảnh và ứng dụng

  • Số trang: 53 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 18 |
  • Lượt tải: 0
nganguyen

Đã đăng 34173 tài liệu

Mô tả:

ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ----W—X---- Lê Mạnh Tuấn PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công Nghệ Thông Tin Hà Nội – 2009   i    ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Lê Mạnh Tuấn PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY Ngành: Công nghệ thông tin Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Hải Châu HÀ NỘI - 2009 ii      Lời cảm ơn Sau một thời gian dài học tập và nghiên cứu, cuối cùng em cũng đã hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này, đây là dịp tốt nhất để em có thể gửi lời cảm ơn đến mọi người. Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Hải Châu, đã tận hình hướng dẫn, định hướng cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Thầy đã cho em những lời khuyên quý báu giúp em hoàn thành tốt khóa luận. Em xin cảm ơn khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học Quốc Gia Hà Nội, cảm ơn các thầy cô trong khoa đã tận tình giảng dậy, truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua, giúp cho em có một nền tảng kiến thức vững chắc để thực hiện khóa luận cũng như nghiên cứu học tập sau này. Tôi xin cảm ơn tất cả bạn bè, anh, chị, những người đã giúp đỡ, khích lệ cũng như phê bình, góp ý, giúp tôi hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất. Cuối cùng, con cảm ơn bố, mẹ, những người luôn luôn quan tâm, chăm sóc cho con cả về vật chất lẫn tinh thần, luôn tạo điều kiện tốt nhất cho con có thể chuyên tâm học tập, nghiên cứu. Gia đình luôn là nguồn động viên, là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho con. Hà nội, ngày 24 tháng 5 năm 2009 Sinh viên Lê Mạnh Tuấn iii    TÓM TẮT Ngày nay các hệ thống nhận dạng mặt người đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là an ninh và bảo mật. Nhận dạng mặt người tức là đưa ra những thông tin về đối tượng được đưa vào từ một bức ảnh, hay từ camera quan sát. Bước đầu tiên của một hệ thống nhận dạng mặt người là phát hiện khuôn mặt, tức xác định vị trí khuôn mặt trên bức ảnh, sau đấy tách khuôn mặt ra khỏi ảnh để tiến hành nhận dạng. Trong khóa luận này em xin nêu một trong những phương pháp để phát hiện khuôn mặt trong ảnh, sau đấy mở rộng ra với phát hiện mặt người trong video và webcam. Sau khi đã xem xét các hướng tiếp cận khác nhau, em chọn phương pháp tiếp cận học máy bằng Adaboost và mô hình Cascade of classifiers. Điểm mạnh của Adaboost là tốc độ phát hiện khuôn mặt khá nhanh. Kết quả thử nghiệm cho thấy chương trình đạt độ chính xác khá cao với các ảnh mặt người được chụp trực diện bằng máy kĩ thuật số. iv    MỤC LỤC TÓM TẮT............................................................................................................................iv MỤC LỤC ............................................................................................................................v DANH SÁCH THUẬT NGỮ ............................................................................................vii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................... viii DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ............................................................................................ix MỞ ĐẦU ..............................................................................................................................1 Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MẶT NGƯỜI ............3 1. 2. 3. 4. Giới thiệu về bài toán xác định mặt người trong ảnh................................................ 3 Định nghĩa bài toán xác định mặt người. .................................................................. 3 Những khó khăn và thách thức đối với bài toán xác định mặt người. ...................... 3 Các ứng dụng của xác định mặt người...................................................................... 4 4.1. Xác minh tội phạm................................................................................................. 4 4.2. Camera chống trộm................................................................................................ 4 4.3. Bảo mật. ................................................................................................................. 4 4.4. Lưu trữ khuôn mặt ................................................................................................. 4 4.5. Các ứng dụng khác ................................................................................................ 5 5. Xác định phạm vi đề tài............................................................................................. 5 Chương 2 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ................................................................7 1. Các phương pháp chính để xác định mặt người........................................................ 7 1.1. Hướng tiếp cận dựa trên tri thức........................................................................... 8 1.2. Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi. ............................................ 10 1.3. Hướng tiếp cận dựa trên so sánh khớp mẫu. ....................................................... 13 1.4. Hướng tiếp cận dựa trên diện mạo....................................................................... 16 Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT .......................................................................................23 1. Tổng quan về Adaboost........................................................................................... 23 1.1. Tiếp cận Boosting ................................................................................................ 23 1.2. Adaboost .............................................................................................................. 24 1.3. Các đặc trưng Haar-Like...................................................................................... 28 1.4. Cascade of Classifiers .......................................................................................... 31 v    1.5. Cascade of boosting classifiers ............................................................................ 33 Chương 4 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG ..............................................................................34 1. Sơ lược về OpenCV ................................................................................................ 34 2. Tổng quan về một hệ thống phát hiện mặt người trong ảnh ................................... 35 3. Phân tích – thiết kế hệ thống phát hiện mặt người.................................................. 35 3.1. Phân tích............................................................................................................... 35 3.2. Thiết kế hệ thống ................................................................................................. 36 3.3. Thiết kế cơ sở dữ liệu........................................................................................... 38 3.4. Thiết kế giao diện................................................................................................. 39 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN..........................................................................41  vi    DANH SÁCH THUẬT NGỮ Thuật ngữ Giải thích Classifier (bộ phân loại) Một bộ phân loại được xây dựng theo một thuật toán học máy nào đấy, dùng để phân loại các đối tượng (khuôn mặt hay không phải khuôn mặt) False alarm Là tỉ lệ nhận dạng sai của các bộ phân loại Feature (đặc trưng) Các thông tin giúp nhận biết đối tượng. Haar-like feature Hit rate Các đặc trưng của đối tượng trong ảnh. Các đặc trưng này thường được định nghĩa bằng các tính toán với tổng điểm ảnh của một vùng nào đó trên bức ảnh. Là tỉ lệ nhận dạng đúng của bộ phân loại Max false alarm Đạt được tỉ lệ sai này thì bộ phân loại được xây dựng thành công, tỉ lệ sai này là một giá trị bé, có thể chấp nhận được trong bài toán phân loại. Strong classifier (bộ phân loại mạnh) Bộ phân loại được xây dựng từ nhiều bộ phân loại yếu, có độ chính xác cao. Threshold (ngưỡng) Ngưỡng là giá trị ranh giới giữa các lớp, giá trị của ngưỡng có thể điều chỉnh được thường được chọn từ thực nghiệm. (Người ta thử bộ nhận dạng với các giá trị ngưỡng khác nhau để chọn ra ngưỡng cho tỉ lệ nhận dạng đúng tốt nhất) Weak classifier (bộ phân loại yếu) Bộ phân loại đơn giản có độ chính xác khoảng 50%. vii    DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Một phương pháp xác định khuôn mặt điển theo hướng tiếp cận top-down. .........8 Hình 2: Phương pháp chiếu ................................................................................................10 Hình 3: Một mẫu khuôn mặt ..............................................................................................15 Hình 4: các vector quan sát để huấn luyện cho HMM .......................................................20 Hình 5: Các trạng thái ẩn....................................................................................................21 Hình 6: Xác định khuôn mặt bằng HMM...........................................................................21 Hình 7: Boosting.................................................................................................................24 Hình 8 : 4 đặt trưng Haar-like cơ bản.................................................................................28 Hình 9: Các đặc trưng mở rộng của các đặc trưng Haar-like cơ sở ...................................29 Hình 10: Cách tính Integral Image của ảnh........................................................................30 Hình 11:Ví dụ cách tính nhanh tổng các điểm ảnh của vùng D trên ảnh...........................30 Hình 12: Ví dụ cách tính nhanh tổng điểm ảnh của vùng D trên ảnh với các đặc trưng xoay 45o ..............................................................................................................................30 Hình 13: cascade of classifiers ...........................................................................................32 Hình 14: Cascade of boosting classifiers............................................................................33 Hình 15: Cấu trúc cơ bản của OpenCV..............................................................................34 Hình 16: Tổng quan về hệ thống phát hiện mặt người trong ảnh.......................................35 Hình 17: Biểu đồ ngữ cảnh của hệ thống ...........................................................................36 Hình 18: Biểu đồ phân rã chức năng. .................................................................................38 Hình 19: Sơ đồ thực thể quan hệ ( ERM )..........................................................................39 Hình 20: Giao diện của chương trình .................................................................................40 viii    DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT STT Kí hiệu Từ tiếng anh 1 CSDL Database Cơ sở dữ liệu 2 HMM Hidden Markov Model Mô hình Markov ẩn 3 ML Maximum-Likelihood Phương thức cực đại khả năng 4 PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần chính 5 PDF Probility Density Hàm mật độ xác xuất 6 RSAT Rotated Summed Area Table Mảng hai chiều dùng để tính nhanh các đặc trưng xoay 45o 7 SAT Summed Area Table Mảng hai chiều dùng để tính nhanh các đặc trưng haar-like cơ bản ix    Ý nghĩa MỞ ĐẦU Công nghệ thông tin đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Với một hệ thống máy tính, chúng ta có thể làm được rất nhiều việc, tiết kiện thời gian và công sức. Điển hình như công việc nhận dạng mặt người. Ngày xưa, muốn tìm kiếm một kẻ tình nghi trong siêu thị hay sân bay, các nhân viên an ninh phải tìm kiếm trên từng màn hình camera theo dõi. Ngày nay, công việc đấy đã được làm tự động nhờ các hệ thống nhận dạng mặt người. Phát hiện mặt người trong ảnh là một phần quan trọng của hệ thống nhận dạng mặt người đó, giải quyết tốt việc phát hiên mặt người sẽ giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác của việc nhận dạng khuôn mặt. Phát hiện mặt người cũng là một bài toán nhận dạng đơn giản, hệ thống chỉ cần phân loại đối tượng đưa vào có phải mặt người hay không phải mặt người. Ở mức độ cao hơn, sau khi đã phát hiện được khuôn mặt, các khuôn mặt đó sẽ được so sánh với các khuôn mặt có trong dữ liệu để nhận dạng xem khuôn mặt đấy là của ai (thường áp dụng trong nhận dạng khuôn mặt của người nổi tiếng hoặc của tội phạm đang bị truy nã). Bài toán phát hiện mặt người được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1990s, và đã có rất nhiều công trình nghiên cứu về phát hiện khuôn mặt trong ảnh, tuy nhiên cho đến nay, các nhà khoa học vẫn không ngừng tìm các hướng tiếp cận mới, các thuật toán mới nhằm nâng cao hiệu suất của việc phát hiện khuôn mặt cũng như việc nhận dạng mặt người. Với mục tiêu chính là tìm hiểu giải thuật adaboost, các đặc trưng haar-like, mô hình Cascade of Classifiers, đồng thời áp dụng vào bài toán phát hiện mặt người trong ảnh, khóa luân được trình bầy trong bốn chương với bố cục như sau: Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định mặt người : Giới thiệu tổng quan về bài toán xác định mặt người trong ảnh, các ứng dụng và những khó khăn của bài toán, đồng thời xác định phạm vi của đề tài. Chương 2: Các công trình nghiên cứu : Nêu chi tiết bài toán phát hiện mặt người, các hướng tiếp cận giải quyết bài toán, các nghiên cứu và thành quả đạt được của các nhà nghiên cứu trong bài toán xác định mặt người. 1    Chương 3: Cơ sở lý thuyết : Đi sâu vào hướng tiếp cận dựa theo thuật toán học máy adaboost. Giới thiệu về các đặc trưng haar-like của khuôn mặt, cách tính các đặc trưng haar-like. Tiếp theo là giới thiệu về mô hình cascade of classifiers và cách áp dụng vào bài toán phát hiện mặt người trong ảnh. Chương 4: Xây dựng ứng dụng : Xây dựng một chương trình demo về phát hiện mặt người trong ảnh. Nêu lên các phân tích – thiết kế về chương trình. Cuối cùng là kết luận và hướng phát triển: Tóm tắt những kết quả đạt được, những hạn chế và nêu lên các hướng phát triển trong tương lai. 2    Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MẶT NGƯỜI 1. Giới thiệu về bài toán xác định mặt người trong ảnh. Trong nhiều năm qua, có rất nhiều công trình nghiên cứu về bài toán nhận dạng mặt người. Các nghiên cứu đi từ bài toán đơn giản, từ việc nhận dạng một mặt người trong ảnh đen trắng cho đến mở rộng cho ảnh mầu và có nhiều mặt người trong ảnh. Đến nay các bài toán xác định mặt người đã mở rộng với nhiều miền nghiên cứu như nhận dạng khuôn mặt, định vị khuôn mặt, theo dõi mặt người hay nhận dạng cảm xúc mặt người… Phát hiện mặt người trong ảnh là phần đầu tiên của một hệ thống nhận dạng mặt người. Các hệ thống nhận dạng khuôn mặt được bắt đầu xây dựng từ những năm 1970, tuy nhiên do còn hạn chế về các luật xác định mặt người nên chỉ được áp dụng trong một số ứng dụng như nhận dạng thẻ căn cước. Nó chỉ được phát triển mạnh mẽ từ những năm 1990 khi có những tiến bộ trong công nghệ video và ngày nay thì các ứng dụng của xác định mặt người đã trở nên phổ biến trong cuộc sống. 2. Định nghĩa bài toán xác định mặt người. Xác định khuôn mặt người là một kỹ thuật máy tính để xác định các vị trí và kích thước của các khuôn mặt người trong các ảnh bất kì. Kỹ thuật này nhận biết các đặc trưng của khuôn mặt và bỏ qua những thứ khác như: tòa nhà, cây cối, cơ thể … 3. Những khó khăn và thách thức đối với bài toán xác định mặt người. Việc xác định khuôn mặt người có những khó khăn nhất định như: • Hướng của khuôn mặt đối với máy ảnh, như: nhìn thẳng, nhìn nghiêng hay nhìn từ trên xuống. Cùng trong một ảnh có thể có nhiều khuôn mặt ở những tư thế khác nhau. • Sự có mặt của các chi tiết không phải là đặc trưng riêng của khuôn mặt người, như: râu quai nón, mắt kính, …. • Các nét mặt khác nhau trên khuôn mặt, như: vui, buồn, ngạc nhiên, …. • Mặt người bị che khuất bởi các đối tượng khác có trong ảnh. 3    • Sự biểu cảm của khuôn mặt : sự biểu cảm có thể làm thay đổi đáng kể các đặc trưng và thông số của khuôn mặt, ví dụ như khuôn mặt của cùng một người sẽ rất khác khi người đấy cười, tức giận hay sợ hãi … 4. Các ứng dụng của xác định mặt người. Xác định mặt người thường là một phần của một hệ thống (facial recognition system). Nó thường được dùng trong giám sát video, giao tiếp người máy và quản lý cơ sở dữ liệu ảnh… Các ứng cơ bản của xác định mặt người có thể kể đến là: 4.1. Xác minh tội phạm. Dựa vào ảnh của một người, nhận dạng xem người đấy có phải là tội phạm hay không bằng cách so sách với các ảnh tội phạm đang được lưu trữ. Hoặc có thể sử dụng camera để phát hiện tội phạm trong đám đông. Ứng dụng này giúp cơ quan an ninh quản lý con người tốt hơn. 4.2. Camera chống trộm. Các hệ thống camera sẽ xác định đâu là con người và theo dõi xem con người đó có làm gì phạm pháp không, ví dụ như lấy trộm đồ, xâm nhập bất hợp pháp vào một khu vực nào đó. 4.3. Bảo mật. Các ứng dụng về bảo mật rất đa dạng, một trong số đó là công nghệ nhận dạng mặt người của laptop, công nghệ này cho phép chủ nhân của máy tính chỉ cần ngồi trước máy là có thể đăng nhập được. Để sử dụng công nghệ này, người dùng phải sử dụng một webcam để chụp ảnh khuôn mặt của mình và cho máy “học” thuộc các đặc điểm của khuôn mặt giúp cho quá trình đăng nhập sau này. 4.4. Lưu trữ khuôn mặt Xác định mặt người có thể được ứng dụng trong các trạm rút tiền tự động (ATM) để lưu trữ khuôn mặt của người rút tiền. Hiện nay có những người bị người khác lấy trộm thẻ ATM và mã PIN, và bị rút tiền trộm, hoặc có những chủ tài khoản đi rút tiền nhưng lại báo với ngân hàng là bị mất thẻ và bị rút tiền trộm. Nếu lưu trữ được khuôn mặt của người rút tiền, ngân hàng có thể đối chứng và xử lý dễ dàng hơn. 4    4.5. Các ứng dụng khác • Điều khiển vào ra: văn phòng, công ty, trụ sở, máy tính, Palm, …. Kết hợp thêm vân tay và mống mắt. Cho phép nhân viên được ra vào nơi cần thiết. • An ninh sân bay, xuất nhập cảnh (hiện nay cơ quan xuất nhập cảnh Mỹ đã áp dụng). Dùng camera quan sát để xác thực người nhập cảnh và kiểm tra xem người đấy có phải là tội phạm hay phần tử khủng bố không. • Tìm kiếm và tổ chức dữ liệu liên quan đến con người thông qua khuôn mặt người trên nhiều hệ cơ sở dữ liệu lưu trữ thật lớn, như internet, các hãng truyền hình, …. Ví dụ: tìm các đoạn video có tổng thống Bush phát biểu, tìm các phim có diễn viên Tăng Thanh Hà đóng, tìm các trận đá bóng có Công Vinh đá, … • Kiểm tra trạng thái người lái xe có ngủ gật, mất tập trung hay không, và hỗ trợ thông báo khi cần thiết. • Tương lai sẽ phát triển các loại thẻ thông minh có tích hợp sẵn đặc trưng của người dùng trên đó, khi bất cứ người dùng khác dùng để truy cập hay xử lý tại các hệ thống sẽ được yêu cầu kiểm tra các đặc trưng khuôn mặt so với thẻ để biết nay có phải là chủ thẻ hay không. • Hãng máy chụp hình Canon đã ứng dụng bài toán xác định khuôn mặt người vào máy chụp hình thế hệ mới để cho kết quả hình ảnh đẹp hơn, nhất là khuôn mặt người. 5. Xác định phạm vi đề tài Trong đề tài này, tôi tập trung vào việc xác định khuôn mặt trong ảnh, video hoặc webcam. Từ đấy lưu khuôn mặt tìm được vào CSDL để phục vụ cho các mục đích khác ( chẳng hạn như nhận dạng mặt người hoặc ghép khuôn mặt vào bức ảnh khác … ). Do các điều kiện khó khăn đã nêu ở trên ( mục 3 chương 1) tôi xin đưa ra những giả định và rành buộc sau để giảm độ phức tạp của bài toán: • Các khuôn mặt được chụp thẳng hoặc góc nghiêng không đáng kể (bé hơn 10o) • Phông nền của ảnh không quá phức tạp • Ảnh được chụp trong điều kiện ánh sáng bình thường. 5    • Đối với video hoặc webcam, do có thể tách thành các xử lý trên ảnh nên với những video phức tạp hay webcam quá kém, chương trình sẽ không thực hiện được tốt nhất có thể. 6    Chương 2 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 1. Các phương pháp chính để xác định mặt người. Dựa vào tính chất của các phương pháp xác định mặt người trên ảnh, các phương pháp này được chia thành bốn loại chính, tương ứng với bốn hướng tiếp cận khác nhau. Ngoài ra cũng có rất nhiều nghiên cứu mà phương pháp xác định mặt người không chỉ dựa vào một hướng mà có liên quan đến nhiều hướng. • Hướng tiếp cận dựa trên tri thức: Dựa vào các thuật toán, mã hóa các đặc trưng và quan hệ giữa các đặc trưng của khuôn mặt thành các luật. Đây là hướng tiếp cận theo kiểu top-down. • Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi: Xây dựng các thuật toán để tìm các đặc trưng của khuôn mặt mà các đặc trưng này không thay đổi khi tư thế khuôn mặt hay vị trí đặt camera thay đổi. Hướng tiếp cận này là hướng tiếp cận theo kiểu bottom-up. • Hướng tiếp cận dựa trên so sánh khớp mẫu: Dùng các mẫu chuẩn của khuôn mặt (các mẫu này được định nghĩa bằng tay trước hoặc được tham số hóa bằng mộ hàm số) để mô tả các khuôn mặt hay các đặc trưng của khuôn mặt. Mẫu này được sử dụng để phát hiện khuôn mặt bằng cách quét nó qua ảnh và tính toán giá trị tương đồng cho mỗi vị trí. Việc xuất hiện một khuôn mặt tại một vị trí nào đó trong ảnh phụ thuộc vào giá trị tương đồng của điểm đó so với mẫu chuẩn • Hướng tiếp cận dựa trên diện mạo: Trái ngược với hướng tiếp cận dựa trên khuôn mẫu, các mô hình (hay các mẫu) sẽ được học từ một tập ảnh huấn luyện mà thể hiện tính chất tiêu biểu của sự xuất hiện của mặt người trong ảnh. Sau đó hệ thống (mô hình) sẽ xác định mặt người. Phương pháp này còn được biết đến với tên gọi tiếp cận theo các phương pháp học máy. 7    1.1. Hướng tiếp cận dựa trên tri thức 1.1.1. Tư tưởng Trong hướng tiếp cận này, các phương pháp xác định mặt người được xây dựng dựa vào các luật, các luật này phụ thuộc vào tri thức của các tác giả nghiên cứu về bài toán xác định khuôn mặt. Dễ dàng xây dựng các luật cơ bản để mô tả các đặc trưng của khuôn mặt và các quan hệ tương ứng. Ví dụ, một khuôn mặt thường có hai mắt đối xứng qua trục thẳng đứng giữa khuôn mặt và có một mũi một miệng. Các quan hệ đặc trưng có thể là quan hệ về vị trí và khoảng cách tương đối. Khó khăn của hướng tiếp cận này đó là làm thế nào để chuyển các tri thức của con người về khuôn mặt sang các luật cho máy tính một cách hiệu quả. Nếu các luật này quá chi tiết, chặt chẽ thì sẽ có thể xác định thiếu các khuôn mặt có trong ảnh, nhưng nếu các luật quá tổng quát thì sẽ dẫn đến xác định sai khu vực không phải là khuôn mặt thành khuôn mặt. Ngoài ra cũng khó để mở rộng phạm vi của bải toán để xác định các khuôn mặt có nhiều tư thế khác nhau. 1.1.2. Các nghiên cứu Có nhiều cách để xây dựng chương trình xác định mặt người theo hướng tiếp cận dựa trên tri thức. Thông thường chương trình sẽ được xây dựng theo hướng dựa vào một phương pháp nào đấy chọn ra các ứng viên trong bức ảnh trước, sau đó sẽ áp dụng các luật để xác định ứng viên nào là khuôn mặt, ứng viên nào không phải là khuôn mặt. Quá trình này có thể được áp dụng nhiều lần để giảm sai sót.   Hình 1: Một phương pháp xác định khuôn mặt điển theo hướng tiếp cận top-down. Trên hình 1, Các luật được xây dựng dựa vào tri thức của người nghiên cứu về các đặc trưng của khuôn mặt (ví dụ như cường độ phân phôi và sự khác nhau ) của các vùng trên khuôn mặt 8    Yang và Huang đã sử dụng hướng tiếp cận dựa trên tri thức để xác định khuôn mặt [7]. Hệ thống của hai tác giả bao gồm ba mức luật. Đầu tiên các ông sử dụng một khung cửa sổ để quét trên bức ảnh và thông qua một số tập luật để xác định các ứng viên có thể là mặt người, ví dụ như tìm phần trung tâm của khuôn mặt (phần tối hơn trong hình 1). Tiếp theo, dùng một tập luật để mô tả tổng quát hình dáng khuôn mặt, lọc các ứng viên ở mức một thành một tập các ứng viên mới có xác xuất là khuôn mặt cao hơn. Cuối cùng, các ông lại dùng một tập luật khác để xem xét ở mức chi tiết các đặc trưng khuôn mặt ( có thể là đặc trưng về mắt, mũi, miệng … ), từ đó lọc ra các ứng viên chính xác nhất. Có thể nói cách làm của hai ông là một cách làm mịn dần để đạt được kết quả tốt nhất, mặc dù tỷ lệ chính xác chưa cao, nhưng đây là tiền đề cho nhiều nghiên cứu sau này. Có rất nhiều công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp chiếu để xác định khuôn mặt. Kotropoulos và Pitas đưa ra một phương pháp gần tương tự với Yang và Huang. Đầu tiên, các vùng của khuôn mặt được định vị bởi phương pháp chiếu (đã được Kanade sử dụng thành công) để xác định biên của khuôn mặt. Với I(x,y) là giá trị xám của một điểm trong ảnh có kích thước m x n ở tại vị trí (x,y), các hàm để chiếu ảnh theo phương ngang và thẳng đứng được định nghĩa như sau: Dựa trên biểu đồ hình chiếu ngang, khi xét biểu đồ biến thiên của HI hai ông tìm được hai cực tiểu địa phương tương ứng với hai đỉnh đầu bên trái và bên phải của khuôn mặt. Còn theo hình chiếu dọc, xét biến thiên và tìm cực tiểu địa phương của VI cũng cho ta các vị trí của miệng, đỉnh mũi và hai mắt. Các đặc trưng này đủ để xác định khuôn mặt. Hình 2.a cho một ví dụ về cách xác định như trên. Cách xác định này có tỷ lệ xác định chính xác là 86.5% cho trường hợp chỉ có một khuôn mặt trực diện và hình nền không phức tạp. Nếu hình nền phức tạp như hình 2.b thì rất khó tìm. Còn nếu ảnh có nhiều khuôn mặt (hình 2.c) thì sẽ không xác định được. 9      Hình 2: Phương pháp chiếu (a) Ảnh chỉ có một khuôn mặt và hình nền đơn giản; (b) Ảnh chỉ có một khuôn mặt và hình nền phức tạp; (c) Ảnh có nhiều khuôn mặt 1.2. Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi. Tiếp cận dựa trên các đặc trưng không thay đổi là tiếp cận theo kiểu bottom up. Dựa trên thực tế, chúng ta cố gắng tìm ra những đặc điểm không thay đổi khi của khuôn mặt khi ở các tư thế khác nhau và các điều kiện môi trường như ánh sáng khác nhau. Đã có rất nhiều nghiên cứu về hướng tiếp cận này, các đặc điểm không thay đổi được tìm thấy như lông mày, mắt, mũi, miệng hay các đường viền trên tóc … Trên cơ sở các đặc trưng này, các nhà nghiên cứu xây dựng lên một mô hình thống kê mô tả quan hệ của các đặc trưng và từ đó xác định sự xuất hiện của khuôn mặt trong bức ảnh. Khó khăn của hướng tiếp cận này đó là phải mô tả các đặc trưng không thay đổi và quan hệ giữa chúng phù hợp với điều kiện ánh sáng, độ nhiễu hay bị che khuất. 1.2.1. Các đặc trưng của khuôn mặt Có rất nhiều nghiên cứu về các đặc trưng của khuôn mặt. Có thể dựa vào các đặc trưng như hai mắt, hai lỗ mũi, miệng, phần nối giữa mũi và miệng … hoặc dựa vào đường viền của khuôn mặt. Leung đã đưa ra một mô hình xác xuất để xác định khuôn mặt trong ảnh có hình nền phức tạp dựa trên việc tìm kiếm các đặc trưng không thay đổi của khuôn mặt trong ảnh, sau đó dùng đồ thị ngẫu nhiên để xác định khuôn mặt. Tư tưởng của phương pháp này đó là xem bài toán xác định khuôn mặt như là bài toán tìm kiếm với mục tiêu là tìm thứ tự các đặc trưng không thay đổi của khuôn mặt. Dùng năm đặc trưng (hai mắt, hai lỗ mũi, phần nối giữa mũi và miệng) để mô tả một khuôn mặt. Đồng thời tính quan hệ khoảng cách cho tất cả các cặp đặc trưng (như mắt trái, mắt phải), sau đấy dùng phân bố Gauss để 10    mô hình hóa. Một mẫu khuôn mặt được đưa ra thông qua trung bình tương ứng cho một tập đa hướng, đa tỷ lệ của bộ lọc đạo hàm Gauss. Từ một ảnh, các đặc trưng của ứng viên được xác định bằng cách so khớp từng điểm ảnh khi lọc tương ứng với vector mẫu. Hai ứng viên có đặc trưng đứng đầu sẽ được chọn để tìm kiếm cho các đặc trưng khác của khuôn mặt. Từ các đặc trưng không thay đổi, các đặc trưng khác sẽ được xác định thông qua sự đánh giá xác xuất khoảng cách giữa các đặc trưng, hơn nữa phương sai của phép thống kê này có thể được tính toán trước để xác định các đặc trưng với xác xuất lớn. Tỷ lệ chính xác của phương pháp này là 86%. Bên cạnh tính khoảng cách liên quan để mô tả quan hệ giữa các đặc trưng như Leung. Kendall [4], Mardia and Dryden [12] dùng lý thuyết xác suất thống kê về hình dáng. Dùng hàm mật độ xác suất (Probility Density Function - PDF) qua N điểm đặc trưng, tương ứng (xi, yi) là đặc trưng thứ i với giả sử là phân bố Gauss có 2N-chiều. Các tác giả áp dụng phương thức cực đại khả năng (Maximum-Likelihood - ML) để xác định vị trí khuôn mặt. Một thuận lợi của phương pháp này là các khuôn mặt bị che khuất vẫn có thể xác định được. Hạn chế phương pháp này đó là không xác định được nhiều khuôn mặt trong cùng một ảnh. Không dùng phương pháp xác xuất, Sirohey đưa một phương pháp khác xác định khuôn mặt từ một ảnh có hình nền phức tạp [10], gọi là phương pháp dựa trên cạnh. Ông dùng phương pháp Candy [9] và heuristics loại bỏ các cạnh để còn lại duy nhất một đường bao xung quanh khuôn mặt. Dùng một hình ellipse để bao khuôn mặt, tách biệt vùng đầu và hình nền. Tỷ lệ chính xác của thuật toán là 80%. Graf đưa ra một phương pháp khác để xác định đặc trưng, từ đó xác định khuôn mặt trong ảnh xám [8]. Dùng bộ lọc để làm nổi các biên, các phép toán hình thái học (morphology) được dùng để làm nổi bật các vùng có cường độ cao và hình dáng chắc chắn (như mắt). Thông qua histogram để tìm các đỉnh nổi bật để xác định các ngưỡng chuyển ảnh xám thành hai ảnh nhị phân. Tiếp theo, ông xác định các ứng viên khuôn mặt nhờ vào các thành phần đều xuất hiện trong cả hai ảnh nhỉ phân, sau đó phân loại xem các ứng viên có phải là khuôn mặt không. Phương pháp được kiểm tra và cho kết quả tốt trên các ảnh chỉ có đầu và vai của người. Tuy nhiên phương pháp này còn một vấn đề đấy là sử dụng các phép toán morphology như thế nào và làm sao xác định khuôn mặt trên các vùng ứng viên. 11   
- Xem thêm -