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基于可见光谱人脸识别技术的效率和精度受光照、姿态、遮挡、表情变化和照片欺诈等因素的影响较大, 尤其是夜视环境下的人脸识别难题亟待解决。为此, 提出了一种基于热红外光谱的人脸特征提取算法。对热红外人脸图像进行数据建模获取极大化数据模型, 估计并调整混合模型参数到高斯混合模型; 提取热红外高斯混合人脸图像的等温特征, 实现热特征图像的重建; 最后通过计算概率邻近指数来度量个体间的相似度, 给出识别结果。UCHThermalFace数据库的实验结果表明:该方法应对夜视环境下的多姿态、特征变化、随机遮挡和眼部噪声样本具有较高的识别精度和稳健性, 极大地提高了人脸识别系统夜视环境下的抗干扰能力。
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第
卷
第
期
激 光 与 光 电 子 学 进 展
,
年
月
Laser&O
p
toelectronicsPro
g
ress
Januar
y
,
基于热红外光谱的人脸特征提取算法
栗 科 峰
,
黄 全 振
,
卢 金 燕
河南工程学院电气信息工程学院
,
河南 郑州
摘要
基于可见光谱人脸识别技术的效率和精度 受光 照
、
姿 态
、
遮 挡
、
表 情变 化和 照 片欺 诈等 因 素的 影响 较 大
,
尤
其是夜视环境下的人脸识别难题亟待解决
.
为此
,
提出了一种基于热红外光谱的 人脸 特征提 取算 法
.
对热 红外 人
脸图像进行数据建模获取极大化数据模型
,
估计并调整 混合 模 型参 数到 高 斯混 合模 型
;
提 取热 红外 高 斯混 合人 脸
图像的等温特征
,
实现热特征 图 像 的 重 建
;
最 后 通 过 计 算 概 率 邻 近 指 数 来 度 量 个 体 间 的 相 似 度
,
给 出 识 别 结 果
.
数据库的实验结果表明
:
该方法应对夜视环境下的多姿态
、
特征 变化
、
随机 遮挡 和眼部 噪声 样本
具有较高的识别精度和稳健性
,
极大地提高了人脸识别系统夜视环境下的抗干扰能力
.
关键词
图像处理
;
热红外光谱
;
人脸识别
;
热特征图像重建
;
高斯混合模型
;
夜视环境
中图分类号
文献标识码
doi
:
.
/
LOP.
ExtractionAl
g
orithmofFaceFeaturesBasedon
ThermalInfraredS
p
ectra
LiKefen
g
Huan
g
Quanzhen LuJin
y
an
Schoolo
f
ElectricalIn
f
ormationEn
g
ineerin
g
HenanUniversit
y
o
f
En
g
ineerin
g
Zhen
g
zhou
Henan
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
:
;
修回日期
:
;
录用日期
:
基金项目
:
国家自然科学基金
(
)、
河南省科技攻关项目
(
,
)
EGmail
:
引
言
当前
,
人脸识别技 术已经广泛 应用到公共 安全
监测与身份认证领 域
,
极大地提 高 了司法机 关 案件
取证
、
罪犯追逃
、
身份认证 和 公共安全 管 理的效率
.
然而
,
当前的可见光 人 脸识别系 统 无法应对 实 际非
控制环境的各种挑战
,
如光线变 化
、
人脸表情 变 化
、
姿态变化
、
妆容变化和用照片代替人脸欺诈等
[
]
.
使用红外热像仪拍摄的热红外人脸图像比可见
光人脸图像具有更高的稳定性
,
可以弥补可见光图像
的诸多缺陷
.
热红外人脸图像的特征是由人的脸部
肌肉组织和血管分布等固有因素所决定
,
以较强稳健
激 光 与 光 电 子 学 进 展
性的解剖学细节作为主要特征
,
由人的遗传基因结构
决定
,
不同的人脸具有完全不同的热辐射模式
,
不可
复制
,
更不受环境光照等因素的影响
,
在夜间监测
、
相
似人脸识别
(
双胞胎
)、
易容化妆
、
局部遮挡和照片欺
诈等应用条件下具有较强的稳健性
,
在夜间公共安全
监测与身份认证领域具有广泛的应用前景
[
]
.
光 照 变 化是 影 响 人 脸识 别 系 统 精度 的 主 要 因
素
,
热红外人脸识别 技 术成为光 照 问题的稳 健 解决
方案
.
热红外成像技术是利用
人体辐射
的长波红外光谱来成像
,
取决于辐射率和温度
,
不需
要外部光源来反射 可见光谱
,
它的识别 性 能对外部
环境光照的依赖很 小
,
所以可以 将 热红外人 脸 识别
技术应用于夜视环境下的人脸识别
[
]
.
近几年
,
热红外人脸识别已经成为生物特征识别
领域的一个具有挑战性的研究方向
,
大多数研究可以
通过使用以下两种途径来改善人脸识别的性能
:
)
仅使用红外光谱成像
.
此 类 方 法 可 以 分 为
基于外观和基于特征的方法
.
基于外观的方法使用
主成分分 析
(
)
[
]
、
线 性 判 别 分 析
(
)
[
]
、
独
立分量分析
(
)
[
]
和广义高斯 混合方法
[
]
等技术
来处理人脸热图像
;
基于特征 的 方法使用 局 部二值
模式
(
)
[
]
、
局 部 描 述符
[
]
、
局 部 导 数模
式
(
)
[
]
、
定向 梯 度 直 方 图
(
)
[
]
和
描述符
(
)
[
]
等方法来提取人脸热特征
.
)
使用可见 光 谱 和 红 外 光 谱 结 合 的 多 光 谱 成
像
.
可见光谱和红外光谱的融合方法需要解决一些
问题
,
这是因为如眼镜阻挡红外光谱问题
、
可见光不
足的照明问题等会影响识别性能
.
这些技术方案在
良好的室内采集条 件下可呈 现 令人满意 的 结果
,
但
是在不受控制的室外条件下性能不佳
[
]
.
本文 仅使用热红 外光谱成像 技术
,
并引入一个
新的概念
,
即高斯混合 模 型等温特 征
.
通过极大 化
数据模型的似然度将热红外人脸图像调整到高斯混
合模型
,
然后提取等温特征
,
实现人脸热特征图像的
重建
,
用概率邻近指数度量不同个体间的相似度
,
给
出精确的识别结果
.
热红外人脸特征提取算法设计
2.1
热红外人脸图像数据建模
将热红外 人 脸 图 像 尺 度 归 一 化 为
(
共
个 特 征 点
)
的 测 试 图 像
,
计 算 热
红外人脸图像每个像素的概率密度函数和整个数据
模型的联合概率
.
设
M
{
x
i
R
p
i
,
,,
n
,
p
N
}
是测试图
像的像素集
,
x
i
表示测试图像第
i
个像素
,
R
p
表示
p
维的实数集
,
n
表示测试图 像像素的个 数
,
N
为自然
数
;
将 测 试 图 像 分 成
K
个 区 域
,
其 中
,
R
k
{
x
s
R
p
s
,
,,
n
k
,
p
N
}
是形成第
k
个区域的像素
集
,
k
,
,,
K
,
n
k
表示第
k
个区域 的像素
x
s
个
数
;
像 素
x
i
属 于 第
k
个 区 域 的 概 率 密 度 函 数 为
g
k
(
x
i
θ
k
),
其中
,
θ
k
为第
k
个区域估计得到的最大值
点
,
像素
x
i
用区域像素分布的随机矩阵表示为
X
=
[
x
x
x
K
]. (
)
混合模型参数
ϕ
是由随机矩阵
X
的 概 率 密 度
函数定义的未知参数集
,
表示为
ϕ
=
{
p
,
p
,,
p
k
,
μ
,
μ
,,
μ
k
,
σ
,
σ
,,
σ
k
},
(
)
式中
:
p
k
为 像 素
x
s
在 第
k
个 区 域 的 分 布 概 率
;
μ
k
为第
k
个区 域 的 所 有 像 素
x
s
的 平 均 值
;
σ
k
为 第
k
个区域所有像素
x
s
的标准方差
.
随机矩阵
X
的概率密度函数可表示为
f
x
i
|
ϕ
(
p
k
,
μ
k
,
σ
k
)
[ ]
=
K
k
=
p
k
×
g
k
(
x
i
|
θ
k
)
[ ]
,
(
)
整个测试图像数据模型的联合概率可表示为
L X
|
ϕ
(
p
k
,
μ
k
,
σ
k
)
[ ]
=
f
X
|
ϕ
(
p
k
,
μ
k
,
σ
k
)
[ ]
=
n
i
=
f
x
i
|
ϕ
(
p
k
,
μ
k
,
σ
k
)
[ ]
. (
)
2.2
热红外高斯混合人脸图像重建
为了使热红外人脸图像的像素分布更均匀
,
通过
极大化数据模型的似然度获取混合模型参数
,
然后执
行类拟合算法计算极大化数据模型的熵和高斯度
,
将
数据模型调整到 高斯混合模 型
(
高斯度
G
),
并重
建热红外高斯混合人脸图像
,
具体步骤如下
:
)
计算测试图像 每 个像素属 于 区 域
k
的 期 望
概率
.
令
c
ik
为 概 率 矩阵
C
的 元 素
,
c
ik
表 示 像 素
x
i
属于测试图像中区域
k
的期望概 率
,
使用混合 模 型
参数
ϕ
中分布概率
p
k
的当前估计 值计算概率 矩阵
C
中的元素
c
ik
作为期望概率
,
表达式为
c
ik
=
p
k
×
g
k
(
x
i
|
θ
k
)
K
k
=
p
k
×
g
k
(
x
i
|
θ
k
)
[ ]
. (
)
)
计算每 个像素
个邻域隶属概率的加权平
均
P
ik
,
更新概率矩阵
C
和分配权重
P′
i
,
步骤如下
.
(
)
计算像素
x
i
的
个领域隶 属 概率的加 权
平均值
P
ik
.
设 矩 阵
P
是 一 个 大 小 为
n
K
的 矩
阵
,
其元素
P
ik
可表示为
P
ik
=
x
j
Σ
(
x
i
)
(
c
j
k
×
v
i
j
), (
)
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