Luận văn:Nhận dạng ảnh mặt người trong điều kiện ánh sáng thay đổi

Chia sẻ: Bluesky_12 Bluesky_12 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:41

Thêm vào BST

Báo xấu

187
lượt xem 71
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo luận văn - đề án 'luận văn:nhận dạng ảnh mặt người trong điều kiện ánh sáng thay đổi', luận văn - báo cáo, công nghệ thông tin phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn:Nhận dạng ảnh mặt người trong điều kiện ánh sáng thay đổi

®¹i häc quèc gia hµ néi khoa c«ng nghÖ Vò §×nh Hoµng NhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi trong ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng thay ®æi Ngµnh: C«ng nghÖ th«ng tin C¸n bé h−íng dÉn: TS. Hµ Quang Thôy TS. NguyÔn Thanh Tïng Hµ néi 2002
Môc lôc lêi nãi ®Çu.......................................................................................................................3 ch−¬ng 1. Tæng quan vÒ nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ............................5 1.1 Bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ............................................................5 1.1.1 Bµi to¸n vµ c¸c yªu cÇu nhËn d¹ng.....................................................................5 1.1.2 Gi¶i quyÕt bµi to¸n tõ quan ®iÓm cña lý thuyÕt nhËn d¹ng..................................8 1.2 gi¶i quyÕt vÊn ®Ò trong bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ......9 1.2.1 Thu nhËn d÷ liÖu.................................................................................................10 1.2.2 BiÓu diÔn ®èi t−îng.............................................................................................12 1.2.3 LËp luËn kÕt qu¶.................................................................................................14 1.3 hÖ thèng kü thuËt nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ....................................14 1.3.1 Qui tr×nh c«ng nghÖ xö lý th«ng tin....................................................................15 1.3.2 C¸c vÊn ®Ò trong triÓn khai thùc tÕ ....................................................................16 1.3.3 C¸c øng dông ®iÓn h×nh......................................................................................17 ch−¬ng 2. nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi trong ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng thay ®æi .........................................................................................................................19 2.1 Ph©n tÝch c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nhËn d¹ng .......19 2.1.1 ¸nh s¸ng..............................................................................................................19 2.1.2 C¸c thay ®æi h×nh häc.........................................................................................19 2.1.3 Sai sè do hÖ thèng...............................................................................................20 2.2 C¸c kü thuËt gi¶i quyÕt ..................................................................................20 2.2.1 §−a c¸c th«ng tin vÒ ®iÒu kiÖn m«i tr−êng vµo m« t¶ ®èi t−îng........................20 2.2.2 C¸ch gi¶i quyÕt dùa trªn kü thuËt kho¶ng c¸ch tiÕp xóc....................................24 2.2.3 KÕt hîp c¸c c¸ch biÓu diÔn ®èi t−îng kh¸c nhau...............................................26 Ch−¬ng 3. thuËt to¸n nhËn d¹ng trong ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng thay ®æi .........................................................................................................................32 3.1 ThuËt to¸n so s¸nh khu«n mÉu dùa theo kho¶ng c¸ch tiÕp xóc ................................................................................................................................32 3.2 ThuËt to¸n so s¸nh ®iÓm ®Æc tr−ng dùa theo kho¶ng c¸ch tiÕp xóc ................................................................................................................................35 3.3 KÕt hîp hai thuËt to¸n so s¸nh trªn ......................................................37 1
KÕt luËn ........................................................................................................................39 Tµi liÖu tham kh¶o.................................................................................................40 2
lêi nãi ®Çu NhËn d¹ng mÆt ng−êi b»ng m¾t lµ mét ph−¬ng thøc th«ng dông rÊt hiÖu qu¶ vµ ®¹t ®é chÝnh x¸c cao ngay c¶ trong tr−êng hîp cã c¸c thay ®æi lín bëi c¸c t¸c nh©n kÝch thÝch trùc quan do c¸c ®iÒu kiÖn quan s¸t, diÔn c¶m, l·o hãa vµ c¸c tiªu khiÓn nh− kÝnh hoÆc c¸c thay ®æi kiÓu tãc. Tuy nhiªn viÖc x©y dùng c¸c hÖ thèng tù ®éng thùc hiÖn nhiÖm vô nhËn d¹ng nµy th«ng qua ¶nh lµ rÊt khã kh¨n v× gÆp ph¶i c¸c biÕn ®æi quan träng trong qu¸ tr×nh ®Þnh d¹ng ¶nh. D−íi ®©y lµ mét sè bµi to¸n cã liªn quan tíi nhËn d¹ng mÆt ng−êi: - Ph¸t hiÖn ®−êng biªn cña mÆt ng−êi trong mét ¶nh chôp toµn c¶nh nµo ®ã (t¸ch ¶nh mÆt ng−êi), - X¸c ®Þnh ng−êi qua ¶nh ®· ®−îc t¸ch nhê ®èi s¸nh ¶nh víi ¶nh cña mét tËp hîp ng−êi ®· ®−îc qu¶n lý nµo ®ã (®Þnh danh ¶nh), - Ph©n tÝch c¸c diÔn c¶m cña mÆt ®Ó biÕt ®−îc t×nh tr¹ng cña ng−êi trong ¶nh t¹i thêi ®iÓm chôp ¶nh NhËn d¹ng mÆt ng−êi tù ®éng lµ mét c«ng viÖc khã kh¨n bëi v× kh¶ n¨ng thay ®æi vèn cã cña qu¸ tr×nh ®Þnh d¹ng ¶nh trong giíi h¹n vÒ chÊt l−îng ¶nh vµ tr¾c quang, h×nh häc, che lÊp, thay ®æi, vµ c¶i trang. Ngµy nay tÊt c¶ c¸c hÖ thèng nhËn d¹ng mÆt tù ®éng ®ang sö dông chØ cã thÓ thùc hiÖn trªn c¸c cë së d÷ liÖu ¶nh h¹n chÕ trong giíi h¹n vÒ cì, tuæi, giíi tÝnh, vµ/hoÆc chñng téc vµ tuy nhiªn, nhËn d¹ng mÆt tù ®éng ®−îc thõa nhËn lµ tèt trong c¸c m«i tr−êng ®−îc ®iÒu khiÓn. Kho¸ luËn "NhËn d¹ng mÆt ng−êi trong ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng thay ®æi" cã néi dung kh¶o s¸t mét sè ph−¬ng ph¸p vµ kü thuËt trong lÜnh vùc nhËn d¹ng ¶nh, ®−îc chia thµnh ba ch−¬ng: Ch−¬ng 1 "Tæng quan vÒ nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi" tr×nh bµy mét c¸ch tæng quan vÒ c¸c nhiÖm vô cña hÖ thèng nhËn d¹ng mÆt: M« t¶ bµi to¸n, c¸ch gi¶i quyÕt bµi to¸n theo quan ®iÓm cña lý thuyÕt nhËn d¹ng vµ c¸c hÖ thèng triÓn khai thùc tÕ. Néi dung cña ch−¬ng ®−îc chia lµm 3 phÇn. PhÇn thø nhÊt m« t¶ bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi, tr×nh bµy c¸c ®iÒu kiÖn bµi to¸n, c¸c yªu cÇu nhËn d¹ng vµ gi¶i quyÕt bµi to¸n theo quan ®iÓm cña nhËn d¹ng. PhÇn thø hai gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò trong bµi to¸n nhËn d¹ng, ®−a ra c¸c quy tr×nh mµ mét hÖ thèng nhËn d¹ng tu©n theo. PhÇn thø ba m« t¶ hÖ thèng kü thuËt trong bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi, tr×nh bµy c¸c quy tr×nh xö lý th«ng tin, c¸c vÊn ®Ò triÓn khai thùc tÕ vµ c¸c øng dông ®iÓn h×nh. Ch−¬ng 2 "Ph©n tÝch c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nhËn d¹ng vµ c¸c c¸ch tiÕp cËn ®Ó gi¶i quyÕt bµi to¸n." tr×nh bµy c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn nhËn d¹ng ¶nh vµ hai c¸ch 3
tiÕp cËn nh»m gi¶i quyÕt bµi to¸n. Khãa luËn xem xÐt c¸ch tiÕp cËn dùa trªn khu«n mÉu, c¸ch tiÕp cËn dùa trªn ®iÓm ®Æc tr−ng vµ kÕt hîp c¶ hai c¸ch tiÕp cËn nµy ®Ó thu ®−îc kÕt qu¶ tèt nhÊt. Ch−¬ng 3 "Mét sè thuËt to¸n gi¶i quyÕt bµi to¸n dùa trªn hai c¸ch tiÕp cËn nhËn d¹ng ¶nh mÆt". Ch−¬ng nµy tr×nh bµy c¸c thuËt to¸n nhËn d¹ng mét ¶nh dùa trªn thuËt to¸n kho¶ng c¸ch tiÕp xóc. PhÇn kÕt luËn nªu tãm t¾t l¹i néi dung chÝnh ®−îc ®Ò cËp ®Õn trong khãa luËn, mét sè kÕt qu¶ vµ khiÕm khuyÕt cña khãa luËn vµ ®Þnh ra ph−¬ng h−íng nghiªn cøu tiÕp theo. PhÇn tµi liÖu tham kh¶o tr×nh bµy c¸c tµi liÖu nghiªn cøu gÇn ®©y cña mét sè t¸c gi¶ n−íc ngoµi. Mçi tµi liÖu ®Òu nªu ®−îc khÝa c¹nh nµo ®ã cña néi dung ®ang nghiªn cøu. Do thêi gian vµ tr×nh ®é cßn h¹n chÕ, viÖc triÓn khai thuËt to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi trong c¸c ®iÒu kiÖn thay ®æi cña ¸nh s¸ng cßn ë møc ®é nhÊt ®Þnh vµ ch−a ®−îc cµi ®Æt trong thùc tÕ. Hy väng r»ng nÕu thêi gian vµ cñng cè thªm sù hiÓu biÕt t«i sÏ tiÕn hµnh nghiªn cøu s©u h¬n vÒ vÊn ®Ò nµy. 4
ch−¬ng 1. Tæng quan vÒ nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi C«ng nghÖ nhËn d¹ng ¶nh ®−îc øng dông trong nhiÒu miÒn øng dông kh¸c nhau vµ t¸c ®éng ®Õn nhiÒu khÝa c¹nh cña ®êi sèng con ng−êi: - Trong c«ng nghiÖp: NhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi tù ®éng ®−îc ¸p dông cho c¸c hÖ thèng b¶o mËt nh− kiÓm so¸t truy cËp truyÒn th«ng tr¹m lµm viÖc, truy cËp ng©n hµng. - Trong chÝnh phñ: HÖ thèng nhËn d¹ng mÆt ng−êi tù ®éng ®−îc dïng trong kiÓm so¸t xuÊt nhËp c¶nh, kiÓm so¸t vïng biªn giíi vµ b¶o mËt an ninh s©n bay, h¶i c¶ng. NhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi tù ®éng cã thÓ hç trî cho viÖc x¸c ®Þnh téi ph¹m ®èi víi môc ®Ých cña ph¸p lý vµ c¸c kü thuËt chèng khñng bè. - Trong y häc: NhËn d¹ng mÆt ng−êi tù ®éng cã thÓ h÷u Ých trong viÖc nghiªn cøu hÖ thèng thÇn kinh, sù ph¶n øng t©m lý cña bÖnh nh©n. §Ó x©y dùng mét hÖ thèng nhËn d¹ng mÆt ng−êi tù ®éng, tr−íc hÕt cÇn xem xÐt c¸c kh¸i niÖm vµ bµi to¸n liªn quan trong hÖ thèng nãi trªn. 1.1 Bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi Trong bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi cÇn quan t©m ®Õn c¸c yÕu tè ngo¹i c¶nh t¸c ®éng ®Õn qu¸ tr×nh vµ quan t©m ®Õn c¸c c¸ch tiÕp cËn ®Ó gi¶i quyÕt bµi to¸n nhËn d¹ng sao cho hÖ thèng nhËn d¹ng lµ bÒn v÷ng víi c¸c yÕu tè t¸c ®éng ®Õn qu¸ tr×nh nhËn d¹ng. Tr−íc hÕt mét sè kh¸i niÖm ®−îc gi¶i thÝch nh− d−íi ®©y: - ¶nh mÆt ng−êi: Mét ¶nh chôp mÆt cña mét ng−êi nµo ®ã ®ang cã trong hÖ thèng, - Líp ¶nh mÆt ng−êi: Do ¶nh chôp mÆt ng−êi phô thuéc vµo ®iÒu kiÖn ngo¹i c¶nh vµ néi t©m cña ng−êi ®ã khi chôp ¶nh nªn víi mçi mét ng−êi, hÖ thèng cÇn cã mét tËp hîp ¶nh mÆt cña cïng mét ng−êi ®ã song thÓ hiÖn ®−îc nhiÒu tr¹ng th¸i kh¸c nhau. Chóng ta gäi tËp hîp ®ã lµ tËp ¶nh mÉu cña ng−êi ®ã. Khi nãi ®Õn mét líp ¶nh mÆt ng−êi lµ nãi ®Õn tËp ¶nh mÉu cña cïng mét ng−êi. 1.1.1 bµi to¸n vµ c¸c yªu cÇu nhËn d¹ng Bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi cã thÓ ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: Cho tr−íc mét tËp h÷u h¹n (nhãm ng−êi), danh tÝnh vµ c¸c th«ng tin tïy th©n cã thÓ ®−îc biÕt tr−íc, x lµ ¶nh mÆt ng−êi cÇn nhËn d¹ng th× bµi to¸n thùc hiÖn theo c¸c nhiÖm vô nh− sau: - X¸c ®Þnh danh tÝnh cña ng−êi trong ¶nh khi ®· biÕt ng−êi ®ã thuéc vµo nhãm ng−êi ®· biÕt. §©y chÝnh lµ bµi to¸n ph©n lo¹i N líp. - X¸c ®Þnh xem ng−êi trong ¶nh thuéc vµo nhãm ng−êi cho tr−íc hay kh«ng. 5
- Gi¶ thiÕt r»ng ng−êi trong ¶nh lµ mét ng−êi thuéc nhãm ng−êi biÕt tr−íc, cÇn kiÓm tra xem gi¶ thiÕt ®ã cã ®óng kh«ng. - NhËn d¹ng ®Çy ®ñ tøc lµ tr−íc tiªn ta xem ng−êi trong ¶nh cã thuéc nhãm ng−êi cho tr−íc hay kh«ng, sau ®ã x¸c ®Þnh xem ¶nh ®ã lµ cña ng−êi nµo trong nhãm. Tr−íc hÕt cÇn lµm râ kh¸i niÖm ¶nh ®−îc qu¶n lý trong hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh. HÖ thèng qu¶n lý ¶nh quan t©m tíi hai yÕu tè sau ®©y: - §Æc tr−ng ¶nh cña ®èi t−îng ®−îc qu¶n lý. Theo lý thuyÕt nhËn d¹ng ¶nh, mçi mét lo¹i ¶nh ®èi t−îng cã mét sè ®Æc tr−ng nµo ®ã ch¼ng h¹n nh− nhËn d¹ng mÆt ng−êi th× cã c¸c lo¹i ®Æc tr−ng hiÓu mÆt: tr¸i xoan, ch÷ ®iÒn, tû lÖ kho¶ng c¸ch hai m¾t ... hoÆc nhËn d¹ng ch÷ c¸i lµ sè thµnh phÇn liªn th«ng viÕt nªn ch÷ c¸i ®ã .... C¸c ®Æc tr−ng nµy ®−îc ph©n thµnh hai lo¹i: c¸c ®¹i l−îng bÊt biÕn (kh«ng bÞ thay ®æi trong mäi thao t¸c víi ¶nh) vµ c¸c ®Æc tr−ng kh¸c. Gäi n1 lµ sè c¸c ®Æc tr−ng thuéc lo¹i nµy. - YÕu tè t¸c ®éng cña m«i tr−êng vµo ¶nh khi chôp. ¶nh chôp cña mét ®èi t−îng phô thuéc vµo m«i tr−êng chôp ¶nh (¸nh s¸ng, gãc chôp...) v× vËy ®Ó nhËn d¹ng ¶nh cÇn tÝnh ®Õn t¸c ®éng cña m«i tr−êng ®èi víi ¶nh chôp. C¸c ¶nh h−ëng m«i tr−êng m¹nh nhÊt ®ã lµ ¸nh s¸ng, gãc chôp (yÕu tè h×nh häc) ... §Ó hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh ho¹t ®éng tèt cÇn biÓu diÔn ®−îc sù t¸c ®éng nãi trªn tíi ¶nh. Gi¶i ph¸p ®Çu tiªn ®−îc nghÜ ®Õn lµ cÇn n¾m b¾t ®−îc "toµn bé" c¸c ®iÒu kiÖn m«i tr−êng lµ kh«ng thÓ thùc thi ®−îc v× kh¶ n¨ng v« h¹n vÒ t¸c ®éng cña m«i tr−êng ®èi víi ¶nh chôp. Mét hÖ thèng rÊt khã thùc hiÖn tèt nÕu nh− kh«ng gian ho¹t ®éng lµ qu¸ lín (®−a qu¸ nhiÒu ¶nh h−ëng m«i tr−êng) hoÆc qu¸ bÐ (®−a qu¸ Ýt ®iÒu kiÖn m«i tr−êng). §iÒu ®ã buéc chóng ta ph¶i t¹o ra mét kh«ng gian ®ñ ®Ó hÖ thèng cã thÓ ho¹t ®éng. V× vËy, con ng−êi th−êng chän ra nh÷ng ®Æc tr−ng c¬ b¶n nhÊt cña m«i tr−êng t¸c ®éng vµo ¶nh chôp víi miÒn gi¸ trÞ h¹n chÕ ®Ó tËp hîp ¶nh n¾m b¾t lµ n»m trong thùc thi c¸c hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh. Gäi n2 lµ sè c¸c ®Æc tr−ng cña m«i tr−êng t¸c ®éng vµo ¶nh chôp. KÕt hîp mét ®èi t−îng cïng víi mét ®iÒu kiÖn m«i tr−êng cô thÓ x th× t¹o ra mét ¶nh cña mét ®èi t−îng ®−îc thÓ hiÖn th«ng qua mét vector n = n1 + n2 thµnh phÇn, ch¼ng h¹n ¶nh x ®−îc biÓu diÔn th«ng qua mét vector (x1 , x2 , ..., xn). TËp hîp c¸c vector biÓu diÔn ¶nh nãi trªn ®−îc H×nh 1.1 M« t¶ kh«ng gian biÓu diÔn ¶nh gäi lµ kh«ng gian ¶nh. 6
H×nh 1 m« t¶ kh«ng gian biÓu diÔn ¶nh vµ vÞ trÞ mét ®èi t−îng trong kh«ng gian ®ã. §èi t−îng quan s¸t lµ ®èi t−îng x bao gåm c¸c h−íng biÓu hiÖn c¸c ®Æc ®iÓm cña ®èi t−îng x. NÕu ®èi t−îng x cµng nhiÒu ®Æc ®iÓm th× sè chiÒu cña kh«ng gian trªn cµng t¨ng. Ta gäi sè chiÒu cña kh«ng gian lµ d th× kh«ng gian ®−îc biÓu diÔn Sd (kh«ng gian S cã d chiÒu). §Õn ®©y x ®−îc coi lµ mét ®èi t−îng cña Sd (x ∈ Sd). §èi víi bµi to¸n nhËn d¹ng, ®èi t−îng nhËn d¹ng lµ kÕt qu¶ cña mét qu¸ tr×nh quan s¸t. Cô thÓ trong bµi to¸n nhËn d¹ng nµy, hÖ thèng ®−îc thùc hiÖn qua c¸c qu¸ tr×nh nh−: thu gi÷ ¶nh, biÓu diÔn ¶nh vµ cuèi cïng lµ lËp luËn ¶nh ®· biÓu diÔn ®Ó thu ®−îc kÕt qu¶ mong muèn. Bµi to¸n nhËn d¹ng ®−îc tr×nh bµy nh− sau: - x ∈ Sd: lµ mét vector d-chiÒu thÓ hiÖn kÕt qu¶ quan s¸t ®−îc c¸c sè ®o tõ mét qu¸ tr×nh hay mét ®èi t−îng ®ang nghiªn cøu nµo ®ã. - C ={C1…Cn}: tËp hîp h÷u h¹n tªn ®−îc g¸n cho c¸c qu¸ tr×nh hay ®èi t−îng nghiªn cøu vµ c¸c tËp Ci (i=1..n) ®−îc gäi lµ c¸c líp. - g(x): Sd → {C1…Cn}: thuËt to¸n nhËn d¹ng lµ hµm x¸c ®Þnh phÐp ¸nh x¹ tõ kh«ng gian Sd sang tËp hîp C. Môc tiªu cña bµi to¸n nhËn d¹ng sö dông hµm g(x) ®Ó x¸c ®Þnh mét kÕt qu¶ quan s¸t ®−îc x ∈ Sd cã thuéc vÒ líp Ci ∈ C hay kh«ng. §Ó thùc hiÖn ®−îc nhiÖm vô nµy ®ßi hái ph¶i cã thuËt to¸n tèt nhÊt nµo ®ã vµ thuËt to¸n ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch tèi thiÓu hµm x¸c suÊt nhËn d¹ng sai tøc lµ P[g(x) # Ci] → min. Nh− vËy ta nhËn thÊy bµi to¸n nhËn d¹ng bao gåm c¸c vÊn ®Ò cÇn ®−îc gi¶i quyÕt sau ®©y: - Thu ®−îc kÕt qu¶ quan s¸t. - X¸c ®Þnh kh«ng gian Sd biÓu diÔn ®èi t−îng. - X¸c ®Þnh thuËt to¸n nhËn d¹ng tèt nhÊt. Th«ng th−êng tõng ®èi t−îng nhËn d¹ng cho phÐp chóng ta x¸c ®Þnh ®−îc kh«ng gian Sd sao cho c¸c ®¹i diÖn cña ®èi t−îng nµy kh¸c so víi c¸c ®¹i diÖn cña ®èi t−îng kh¸c. Tuy nhiªn trong bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi rÊt khã cã thÓ biÓu diÔn ®−îc ®èi t−îng t¹i v× c¸c ®¹i diÖn thu ®−îc trong c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c nhau ®èi víi mÆt cña mét ng−êi nh−: ®é tuæi lµm biÕn ®æi s¾c th¸i mÆt, ¸nh s¸ng t¸c ®éng, diÔn c¶m cña mÆt, gãc chôp ¶nh mÆt, tãc, kÝnh vµ c¸c yÕu tè kh¸c cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn sù trÝch ra c¸c mÉu. C¸c ¶nh thu ®−îc cßn ph¶i tr¶i qua c¸c qu¸ tr×nh biÕn ®æi nh− sù quay, sù co d·n vµ c¸c dÞch chuyÓn. C¸c yÕu tè t¸c ®éng trªn kh«ng dÔ dµng chuÈn hãa ®Ó ®−a vµo kh«ng gian biÓu diÔn mµ trong ®ã sù m« t¶ c¸c líp lµ t¸ch biÖt. 7
C¸c nhiÖm vô trong nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ®−îc minh häa nh− h×nh sau: H×nh 1.2 Chia kh«ng gian ¶nh thµnh c¸c vïng kh¸c nhau, c¸c vïng biÓu hiÖn cña 3 ng−êi kh¸c nhau vµ biÓu hiÖn cña mçi mét ¶nh t−¬ng øng víi mét nhiÖm vô trªn. Trong c¸c h×nh minh ho¹ trªn cho thÊy kh«ng gian biÓu diÔn ¶nh ®−îc ph©n chia thµnh c¸c vïng kh¸c nhau, mçi vïng biÓu diÔn mét ®èi t−îng nhËn d¹ng. C¸c ®−êng kÎ trªn kh«ng gian biÓu diÔn ¶nh cho ta ®−îc c¸c luËt ph©n lo¹i ¶nh. Quan s¸t ¶nh ta thÊy ¶nh biÓu diÔn 3 ng−êi kh¸c nhau vµ mèi ng−êi øng víi mét ký hiÖu kh¸c nhau. H×nh trªn cho biÕt mét hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh ph¶i thùc hiÖn ®−îc ®Çy ®ñ c¸c vÊn ®Ò ®Æt ra trong qu¸ tr×nh nhËn d¹ng. 1.1.2 Gi¶i quyÕt bµi to¸n tõ quan ®iÓm cña lý thuyÕt nhËn d¹ng Ph©n líp kh«ng gian biÓu diÔn ¶nh Bµi to¸n nµy lµ mét bµi to¸n ph©n lo¹i N líp t−¬ng øng víi tËp c¸c líp ®· cã: C1…CN trong ®ã Ci lµ mét líp ¶nh nµo ®ã vµ tÊt c¶ c¸c líp ®ã ®Òu ®−îc m« h×nh hãa. Líp ®−îc gi¶i quyÕt bëi biÓu diÔn d÷ liÖu cña tõng líp vµ øng dông mét trong nhiÒu kü thuËt ph©n lo¹i mÉu. Kh¶ n¨ng x¶y ra sai sè ph©n lo¹i mét mÆt x ®−îc gi¶m tíi møc tèi thiÓu bëi viÖc g¸n nã tíi líp Ck víi x¸c suÊt hËu nghiÖm P(Ck⏐x) lín nhÊt, trong ®ã p ( x C k ) P (C k ) P (C k x) = (1) p ( x) p(x) lµ mËt ®é tuyÖt ®èi, p(x⏐Ck) lµ mËt ®é x¸c suÊt phô thuéc líp vµ P(Ck) lµ x¸c suÊt tiªn nghiÖm ®èi víi líp Ck. V× p(x) lµ gièng nhau ®èi víi mäi líp nªn nã kh«ng ®−îc ®Þnh gi¸ ®Ó lµm t¨ng x¸c suÊt hËu nghiÖm. Do ®ã, mét c¸ch tiÕp cËn tíi nhiÖm vô ph©n lo¹i lµ m« h×nh hãa c¸c mËt ®é x¸c suÊt phô thuéc líp p(x⏐Ck). 8
X¸c minh danh tÝnh cña mét ng−êi cho tr−íc theo nghÜa lµ kiÓm tra xem ng−êi ®ã cã thuéc mét líp ¶nh mÆt ng−êi ®· biÕt hay kh«ng Sù x¸c minh nµy cã thÓ ®−îc xem xÐt nh− mét bµi to¸n ph©n lo¹i 2 líp. Gi¶ sö ®· cã hai líp C0 vµ C1 t−¬ng øng víi c¸c tr−êng hîp danh tÝnh ®ã lµ ®óng hoÆc lµ sai. §Ó lµm t¨ng x¸c suÊt hËu nghiÖm, x sÏ ®−îc g¸n cho Co nÕu vµ chØ nÕu p ( x C1 ) P (C1 ) P( x C0 ) > (2) P (C 0 ) trong ®ã mËt ®é p(x ⎜C1) miªu t¶ sù ph©n t¸n c¸c mÆt ng−êi kh¸c so víi danh ttÝnh ®−îc yªu cÇu. X¸c ®Þnh ng−êi trong ¶nh cã thuéc nhãm ng−êi cho tr−íc hay kh«ng §èi víi bµi to¸n nµy cã hai c¸ch gi¶i quyÕt ®ã lµ: C¸ch thø nhÊt: Gi¶i quyÕt nh− mét bµi to¸n ph©n lo¹i 2 líp C0 vµ C1 víi líp C0 ®¹i diÖn cho mét tËp tÊt c¶ c¸c líp trong nhãm cßn C1 ®¹i diÖn cho kh«ng gian kh«ng chøa líp nµo trong nhãm ®ã (tËp cßn l¹i). TÊt c¶ c¸c líp ®−îc côm l¹i ®−îc gäi lµ líp C0 vµ x¸c ®Þnh ®èi t−îng nhËn d¹ng cã thuéc trong líp C0 nµy hay kh«ng, ng−îc l¹i th× ®èi t−îng n»m trong líp C1. C¸ch thø hai: Mét c¸ch tiÕp cËn kh¸c bao gåm viÖc x©y dùng mét tr×nh x¸c ®Þnh danh tÝnh ®èi víi mçi mét ng−êi trong S. NhiÖm vô nµy ®−îc thùc hiÖn bëi viÖc ®−a ra N sù x¸c minh danh tÝnh t−¬ng øng víi N lÇn kiÓm tra ®èi t−îng x cã thuéc mét líp nµo ®ã hay kh«ng. NÕu kh«ng thuéc vµo líp nµo th× kÕt luËn kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc ng−êi ®ã, ng−îc l¹i th× x¸c minh ®−îc ¶nh ®ã. Sù nhËn d¹ng ®Çy ®ñ NhiÖm vô nµy ph¶i thùc hiÖn ®Çy ®ñ c¸c nhiÖm vô ë trªn, tr−íc tiªn ph¶i ph©n ®Þnh ®−îc c¸c danh tÝnh cña ®èi t−îng nhËn d¹ng (ph©n lo¹i c¸c líp) vµ sau ®ã x¸c ®Þnh xem ®èi t−îng ®ã lµ thuéc vÒ líp nµo trong c¸c líp thu ®−îc. NhiÖm vô nµy ®−îc thùc hiÖn bëi sù liªn kÕt N tr×nh x¸c minh danh tÝnh, t−¬ng tù nh− c¸ch tiÕp cËn x¸c ®Þnh ®èi t−îng lµ thuéc vÒ líp nµo trong nhãm S. 1.2 gi¶i quyÕt vÊn ®Ò trong bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi C¸c vÊn ®Ò quan träng trong nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ®−îc thÓ hiÖn nh− sau: Sù thu nhËn (Acquisition): ®©u lµ c¸c nh©n tè quan träng trong c¸ch thu thËp th«ng tin mÆt ng−êi? 9
Sù biÓu diÔn (Representation): c¸ch biÓu diÔn c¸c nh©n tè thu ®−îc trong qu¸ tr×nh thu nhËn c¸c th«ng tin vÒ ¶nh. Sù lËp luËn (Reasoning): c¸ch mµ mét hÖ thèng nhËn d¹ng mÆt cã thÓ lµm ®Ó so s¸nh c¸c mÆt ng−êi nh»m ®¹t hiÖu qu¶ nhÊt. Mçi tõ c¸c môc con d−íi ®©y tr×nh bµy chi tiÕt ba vÊn ®Ò ®· ®−îc nªu trªn ®©y. 1.2.1 Thu nhËn d÷ liÖu C¸c vÊn ®Ò quan träng trong nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ®−îc thÓ hiÖn nh− sau: Sù thu nhËn (Acquisition): ®©u lµ c¸c nh©n tè quan träng trong c¸ch thu thËp th«ng tin mÆt ng−êi? Sù biÓu diÔn (Representation): c¸ch biÓu diÔn c¸c nh©n tè thu ®−îc trong qu¸ tr×nh thu nhËn c¸c th«ng tin vÒ ¶nh. Sù lËp luËn (Reasoning): c¸ch mµ mét hÖ thèng nhËn d¹ng mÆt cã thÓ lµm ®Ó so s¸nh c¸c mÆt ng−êi nh»m ®¹t hiÖu qu¶ nhÊt. Mçi tõ c¸c môc con d−íi ®©y tr×nh bµy chi tiÕt ba vÊn ®Ò ®· ®−îc nªu trªn ®©y. 1.2.2 Thu nhËn d÷ liÖu PhÇn nµy xem xÐt c¸ch mµ d÷ liÖu gèc ®−îc thu nhËn tr−íc khi c¸c vÊn ®Ò cña sù biÓu diÔn ®−îc thùc hiÖn. C©u hái ®Æt ra lµ: Cã bao nhiªu kiÓu ¶nh mÆt lµ cÇn thiÕt vµ kiÓu ®ã lµ g×?. Cã bao nhiªu kiÓu thay ®æi sÏ ®−îc m« t¶ trong c¸c ¶nh vµ c¸c kiÓu ®ã lµ g×?. Trong vÊn ®Ò vÒ b¾t gi÷ d÷ liÖu ta cÇn chó ý tíi c¸c vÊn ®Ò nh− lµ x©y dùng ®−îc c¬ së d÷ liÖu ¶nh, tr×nh ph¸t hiÖn mÆt, ph©n ®o¹n vµ chuÈn ho¸ ¶nh. Môc ®Ých cña viÖc x©y dùng mét c¬ së d÷ liÖu ¶nh lµ nh»m phôc vô cho viÖc ph©n tÝch thuËt to¸n vµ cho viÖc kiÓm Vïng th«ng Th«ng tin tin §èi Ph©n Ph¸t t−îng ®o¹n hiÖn mÆt C¸c mÆt thu ®−îc L−u tr÷ DataBas ChuÈn e ho¸ H×nh 1.3. M« pháng c¸c giai ®o¹n thùc hiÖn cña vÊn ®Ò b¾t gi÷ d÷ liÖu 10
nghiÖm hÖ thèng ngoµi ra c¬ së d÷ liÖu cßn ®−îc khai th¸c trong c¸c hÖ thèng nhËn d¹ng. M« t¶ vÊn ®Ò b¾t gi÷ d÷ liÖu biÓu diÔn trong h×nh 1.3. ViÖc x©y dùng c¬ së d÷ liÖu ph¶i tho¶ m·n ®−îc sù biÓu diÔn c¸c biÕn thÓ cña m«i tr−êng. Ngoµi ra c¬ së d÷ liÖu ph¶i thÓ hiÖn ®−îc sù m« t¶ c¸c th«ng tin vÒ bÒ mÆt, c¸c diÔn c¶m cña mÆt vµ c¸c ¶nh h−ëng cña ®iÒu kiÖn bªn ngoµi t¸c ®éng ®Õn qu¸ tr×nh nhËn d¹ng. C¸c hÖ thèng nhËn d¹ng chóng kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc trªn c¸c d÷ liÖu lín, chóng chØ cã thÓ thùc hiÖn trªn c¬ së d÷ liÖu h÷u h¹n. Víi bµi to¸n nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi, yªu cÇu c¬ së d÷ liÖu ph¶i l−u tr÷ ®−îc c¸c th«ng tin quan träng cña mÆt nh−: m¾t, mòi, måm, c¸c th«ng tin cã liªn quan kh¸c vµ ph¶i lo¹i bá ®−îc c¸c th«ng tin kh«ng cÇn thiÕt. Thay vµo viÖc l−u tr÷ toµn bé ¶nh mÆt cña ng−êi nµo ®ã ta thiÕt lËp mét c¬ së d÷ liÖu chuÈn mµ nã chØ l−u c¸c th«ng tin quan träng cña mÆt ng−êi mµ th«i. C¬ së d÷ liÖu chuÈn nµy cho ta hai lîi Ých ®ã lµ: gióp cho hÖ thèng thùc hiÖn mét c¸ch dÔ dµng vµ gi¶m tèi thiÓu kh«ng gian l−u tr÷ d÷ liÖu. C¸c c¬ së d÷ liÖu chuÈn hay ®−îc dïng ngµy nay ®ã lµ: ORL – c¬ së d÷ liÖu nµy ®−îc ph¸t triÓn t¹i phßng thÝ nghiÖm nghiªn cøu Olivetti n−íc Anh, nã tháa m·n c¸c sù biÕn ®æi nh− h×nh d¸ng, ¸nh s¸ng vµ diÔn c¶m cña mÆt. C¬ së d÷ liÖu thø hai ®ã lµ FERET ®−îc ph¸t triÓn bëi phßng thÝ nghiÖm nghiªn cøu qu©n sù Mü. Sù ph©n lo¹i gi÷a ¶nh mÆt víi ¶nh nÒn lµ rÊt khã bëi v× sù ®a d¹ng trong c¸c líp mÆt (nßi gièng, c¸c diÔn c¶m mÆt, kiÓu tãc, trang ®iÓm, kÝnh, ria mÐp,..). T−¬ng tù nh− vËy trong viÖc ®Þnh vÞ c¸c ®Æc ®iÓm cña mÆt còng lµ rÊt khã bëi v× mçi mét ng−êi cã mét khu«n mÆt kh¸c nhau. H¬n n÷a, cã nhiÒu ¶nh h−ëng kh¸c tíi ¶nh nh− sù chiÕu s¸ng vµ h−íng chôp. Víi mÆt cña con ng−êi c¸c th«ng tin quan träng vÒ bÒ mÆt sÏ ®−îc l−u tr÷ trong c¬ së d÷ liÖu. C¸c th«ng tin ®ã cã thÓ lµ c¸c ®Æc ®iÓm cÊu thµnh lªn bÒ mÆt con ng−êi nh−: hai m¾t, mòi vµ måm. §Ó thu ®−îc c¸c th«ng tin cÇn thiÕt tõ mét ¶nh gèc, hÖ thèng thùc hiÖn c¸c qu¸ tr×nh ph©n ®o¹n ¶nh thµnh c¸c vïng con vµ môc tiªu cña qu¸ tr×nh ph©n ®o¹n nµy nh»m lo¹i bá ®−îc c¸c vïng th«ng tin kh«ng cÇn thiÕt. Trong ¶nh mÆt ng−êi, c¸c phÇn kh«ng cÇn thiÕt cã ¶nh h−ëng rÊt nhiÒu ®Õn qu¸ tr×nh thu thËp th«ng tin ®ã lµ c¸c vïng cña tãc, ¶nh nÒn, vµ c¸c thay ®æi vÒ h×nh häc cña ¶nh mÆt ng−êi. Dùa vµo c¸c th«ng tin cña bÒ mÆt vµ tiÕn hµnh ph©n ®o¹n ¶nh mÆt. ViÖc ph©n ®o¹n gióp cho qu¸ tr×nh ph¸t hiÖn mÆt ®−îc tèt h¬n t¹i v× ¶nh nÒn cã rÊt nhiÒu yÕu tè kh¸c t¸c ®éng trªn ¶nh. Do ®ã ph¶i ph©n ®−îc c¸c vïng kh¸c nhau cña ¶nh, c¸c vïng trë nªn c« lËp vµ mçi vïng miªu t¶ mét sè ®Æc tr−ng cña ¶nh. T−¬ng øng víi c¸c vïng cã thÓ h×nh thµnh nªn c¸c ¶nh mÆt. TiÕp sau qu¸ tr×nh ph©n ®o¹n ¶nh lµ qu¸ tr×nh ph¸t hiÖn mÆt th«ng qua c¸c vïng thu ®−îc cña qu¸ tr×nh ph©n ®o¹n. 11
Cã rÊt nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®· vµ ®ang ®−îc sö dông trong viÖc ph¸t hiÖn mÆt. ë ®©y, t«i xin giíi thiÖu 3 c¸ch tiÕp cËn gi¶i quyÕt bµi to¸n. Thø nhÊt: c¸ch tiÕp cËn tõ d−íi lªn, c¸ch nµy sö dông c¸c rµng buéc h×nh häc dùa trªn ®iÓm ®Æc tr−ng. C¸c ®Æc ®iÓm cña bÒ mÆt ®−îc hiÓn thÞ b»ng c¸ch sö dông bé läc sau ®ã c¸c ®Æc ®iÓm ®−îc kÕt hîp víi nhau ®Ó t¹o thµnh mét mÆt dù tuyÓn. C¸ch thø hai: ph¸t hiÖn mÆt bÊt biÕn trong phÐp quay vµ co gi·n, c¸c mÆt dù tuyÓn ®−îc ph¸t hiÖn b»ng c¸ch gom c¸c vïng víi nhau cho ®Õn khi ®é s¾c nÐt xÊp xØ h×nh ellipsis. C¸ch thø ba: hÇu hÕt c¸c thuËt to¸n ph¸t hiÖn mÆt sö dông viÖc t×m kiÕm nhiÒu møc víi sù ph©n lo¹i kÝch th−íc cè ®Þnh. HÇu hÕt c¸c kü thuËt nhËn d¹ng mÉu ®· sö dông c¸c l−îc ®å ph¸t hiÖn nhiÒu møc cho viÖc ph¸t hiÖn mÆt. C¸ch tiÕp cËn dÔ dµng h¬n ®ã lµ sö dông quy t¾c quyÕt ®Þnh dùa trªn c−êng ®é ¶nh cña c¸c ¶nh dù tuyÓn tõ sù biÓu diÔn nhiÒu møc cña ¶nh nhËp vµo. Ngoµi ra cßn cã c¸c kü thuËt kh¸c trong viÖc ph¸t hiÖn mÆt nh−: c¸c m« h×nh Gaussian øng dông trªn mét kh«ng gian con c¸c thµnh phÇn chÝnh, øng dông m¸y vector còng thµnh c«ng trong viÖc ph¸t hiÖn mÆt trong ¶nh nÒn phøc t¹p vµ hÖ thèng dùa trªn m¹ng Neural ®· sö dông thµnh c«ng trong viÖc ph¸t hiÖn mÆt vµ bÊt biÕn víi phÐp quay. ViÖc ph¸t hiÖn mÆt cã thÓ ®−îc gi¶i quyÕt b»ng sù ph©n lo¹i hai líp ®ã lµ: líp ¶nh mÆt vµ líp ¶nh nÒn. Sù ph©n lo¹i gi÷a líp ¶nh mÆt vµ c¸c ®èi t−îng ¶nh nÒn lµ rÊt khã bëi v× c¸c sù biÕn ®æi trong c¸c mÆt ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh ph¸t hiÖn mÆt ng−êi (c¸c ¶nh h−ëng nh−: quan ®iÓm vÒ chñng téc, c¸c diÔn c¶m bÒ mÆt, kiÓu tãc, cÆp kÝnh…). T−¬ng tù nh− vËy, viÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ c¸c ®Æc ®iÓm còng rÊt khã v× sù thay ®æi gi÷a c¸c c¸ nh©n (chñng téc, c¸c kiÓu cÊu thµnh, c¸c diÔn c¶m mÆt…) còng kh¸c nhau. Sau khi thu ®−îc ¶nh trong mét ¶nh nÒn hÖ thèng tiÕn hµnh chuÈn ho¸ ¶nh, th«ng th−êng viÖc chuÈn hãa ®−îc thùc hiÖn trªn c¸c gi¸ trÞ møc ®é x¸m. §èi víi bÒ mÆt cña con ng−êi th× viÖc chuÈn hãa th−êng dùa vµo vÞ trÝ cña hai m¾t hoÆc lµ mòi hoÆc lµ måm. C¸c ¶nh mÆt sau khi chuÈn ho¸ ®−îc l−u tr÷ trong c¬ së d÷ liÖu vµ kÕt qu¶ nµy ®−îc sö dông cho c¸c qu¸ tr×nh tiÕp theo cã sö dông kÕt qu¶ b¾t gi÷ ®−îc nµy. 1.2.3 BiÓu diÔn ®èi t−îng §èi víi mét hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi ®Ó thùc hiÖn cã hiÖu qu¶, th× hÖ thèng ph¶i t¸ch vµ trÝch ra c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng trong d÷ liÖu nhËp vµo vµ tõ ®ã biÓu diÔn c¸c ®Æc tr−ng cña mÆt ng−êi hiÖu qu¶ nhÊt. C¸c phÇn tö cña sù biÓu diÔn cã thÓ ®−îc t¹o nªn trong nhiÒu c¸ch kh¸c nhau, vµ nã phô thuéc vµo nhiÖm vô mµ c¸ch tiÕp cËn nµo lµ thÝch hîp nhÊt. 12
VÊn ®Ò quan träng cña qu¸ tr×nh biÓu diÔn d÷ liÖu lµ lµm gi¶m kÝch th−íc cña ¶nh b»ng c¸ch lo¹i bá hÇu hÕt c¸c th«ng tin kh«ng cÇn thiÕt trong ¶nh gèc, lµm gi¶m ®é th« cña ¶nh. Mét sè c¸ch sö dông phæ biÕn hiÖn nay trong qu¸ tr×nh t¸ch vµ trÝch ®−îc c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng cña ¶nh d÷ liÖu nh−: c¸ch tiÕp cËn dùa trªn ®Æc ®iÓm, c¸ch tiÕp cËn dùa trªn khu«n mÉu, ph©n tÝch c¸c thµnh phÇn chÝnh vµ th«ng qua c¸c bé läc. C¸ch tiÕp cËn dùa trªn ®Æc ®iÓm nh»m ph¸t hiÖn vµ ®o ®¹c c¸c ®iÓm næi bËt cña bÒ mÆt, sö dông kho¶ng c¸ch h×nh häc vµ gãc gi÷a c¸c ®Æc ®iÓm chÝnh cña bÒ mÆt nh− lµ: hai m¾t, mòi, måm vµ nh»m môc ®Ých ph©n lo¹i c¸c mÆt trong ®ã c¸c phÇn tö dùa trªn mèi quan hÖ vÞ trÝ vµ c¸c kÝch cì cña chóng. Víi c¸ch tiÕp cËn dùa trªn khu«n mÉu sö dông th«ng tin x¸c ®¸ng cña ®iÓm ¶nh nh− lµ møc ®é x¸m gèc hoÆc xö lý c¸c khÝa c¹nh næi bËt cña d÷ liÖu. Khu«n mÉu cã thÓ lµ toµn bé ¶nh hoÆc lµ c¸c vïng t−¬ng øng víi c¸c vÞ trÝ cña ®Æc ®iÓm (vÞ trÝ cña hai m¾t hoÆc måm). Nãi chung víi c¸ch tiÕp cËn nµy chØ cho ta ®−îc mét sè ®Æc ®iÓm cña ®èi t−îng, nã kh«ng ®ñ ®Ó cã thÓ øng dông trong thùc tÕ nh−ng ®èi víi sù hiÖu chØnh h×nh häc hoÆc bé läc th× cã thÓ c¶i tiÕn ®−îc c¸c kÕt qu¶ nµy. C¸ch tiÕp cËn ph©n tÝch c¸c thµnh phÇn chÝnh: c¸ch tiÕp cËn nµy cã thÓ trÝch ra ®−îc th«ng tin quan träng nhÊt ®−îc tr×nh bµy b»ng c¸ch thèng kª ®èi víi mét tËp c¸c ¶nh nh− lµ mét tËp c¸c vector riªng. C¸c vector riªng cã thÓ ®−îc ®¸nh gi¸ nh− lµ tËp c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng chung vµ ®Þnh râ ®−îc c¸c ®Æc ®iÓm thay ®æi cña ¶nh trong c¬ së d÷ liÖu. Mçi ¶nh ®−îc biÓu diÔn mét c¸ch chÝnh x¸c qua mét sù liªn kÕt tuyÕn tÝnh cña nh÷ng vector riªng nµy. §Ó quyÕt ®Þnh kÝch th−íc cña kh«ng gian mÆt chóng ta dùa vµo sè c¸c vector riªng. Kü thuËt nµy ph©n tÝch c¸c ®Æc ®iÓm cña ¶nh, thu thËp c¸c th«ng tin quan träng vµ lo¹i bá ®−îc c¸c th«ng tin d− thõa kh«ng cÇn thiÕt cho hÖ thèng nhËn d¹ng. Do ®ã nã cã thÓ t×m ®−îc sù biÓu diÔn tèi −u kÝch th−íc cña ¶nh nh−ng kü thuËt nµy cã thÓ h÷u Ých ®èi víi viÖc x©y dùng l¹i cÊu tróc ¶nh h¬n lµ ®èi víi viÖc nhËn d¹ng. H¬n n÷a, ph−¬ng thøc mÆt riªng (vector riªng) lµ kh«ng bÊt biÕn víi sù thay ®æi h×nh häc cña ¶nh nh− lµ sù co gi·n, dÞch chuyÓn hoÆc phÐp quay trong d÷ liÖu gèc. C¸ch tiÕp cËn tiªp theo lµ sö dông bé läc: hÖ thèng cho ¶nh ®i qua bé läc vµ qua bé ** Bé läc * ** ** H×nh 1.4 M« pháng bé läc ®Ó lÊy ®−îc c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng 13
läc ®ã c¸c th«ng tin ®Æc tr−ng quan träng sÏ ®−îc thu l¹i vµ lµm gi¶m kh«ng gian l−u tr÷ ¶nh. KÕt qu¶ lµ ta thu ®−îc c¸c th«ng tin quan träng cña ¶nh. Cã thÓ m« t¶ nh− h×nh 1.4 trªn ®©y. H×nh trªn cho thÊy khi cho qua bé läc c¸c th«ng tin d− thõa sÏ bÞ lo¹i bá chØ ®Ó l¹i c¸c th«ng tin quan träng t¹o nªn ¶nh mÆt. Nãi tãm l¹i: c¸c c¸ch tiÕp cËn trªn nh»m môc ®Ých ph©n lo¹i ®−îc c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng vµ biÓu diÔn chóng sau ®ã thùc hiÖn viÖc tèi −u c¸c th«ng tin ®ã sao cho kÝch th−íc kh«ng gian l−u tr÷ ®iÓm ®Æc tr−ng lµ nhá nhÊt. 1.2.4 LËp luËn kÕt qu¶ HÖ thèng so s¸nh hai ¶nh víi nhau sao cho cã hiÖu qu¶ nhÊt, sô phï hîp cña hai ¶nh ®−îc tÝnh b»ng c¸ch nh−: sö dông c¸ch tiÕp kho¶ng c¸ch tiÕp xóc vµ sö dông c¸c ng−ìng ®Ó ®¸nh gi¸. Trong kh«ng gian mÆt hÖ thèng so s¸nh kho¶ng c¸ch tõ mét mÆt cÇn t×m ®Õn mét tËp hîp c¸c mÆt, kÕt qu¶ lµ ta thu ®−îc tËp c¸c sè ®o. NÕu mét trong tËp c¸c sè ®o tháa m·n yªu cÇu vÒ kho¶ng c¸ch nhËn d¹ng th× ®ã chÝnh lµ mÆt mµ chóng ta cÇn t×m. C¸c kho¶ng c¸ch chuÈn ®−îc sö dông: kho¶ng c¸ch Euclidean hoÆc kho¶ng c¸ch Mahalanobits (®èi víi kh«ng gian vector riªng). Bªn c¹nh viÖc sö dông c¸c kho¶ng c¸ch ®Ó ®¸nh gi¸ sù phï hîp cña hai ¶nh, chóng ta cßn cã thÓ sö dông c¸c ng−ìng ®Ó ®¸nh gi¸ møc ®é chÝnh x¸c cña mét sè c¸ch tiÕp cËn kh¸c. Tû sè nhËn d¹ng sai cña c¸c c¸ch tiÕp cËn kh¸c nhau kh«ng thÓ v−ît qu¸ mét ng−ìng nµo ®ã. NÕu v−ît qu¸ th× kÕt luËn hai mÆt ®ã kh«ng phï hîp cßn ng−îc lai th× hai mÆt lµ phï hîp vµ ta tiÕn hµnh ®¸nh gi¸ nhËn d¹ng chóng. 1.3 hÖ thèng kü thuËt nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi NhËn d¹ng ¶nh mÆt ®· ®−îc nghiªn cøu trong nhiÒu n¨m vµ ®ang ®−îc øng dông trong thùc tÕ nh− lµ: c¸c hÖ thèng b¶o mËt, sù x¸c ®Þnh téi ph¹m vµ hç trî c¸c hÖ thèng nhËn d¹ng giäng nãi. NhËn d¹ng mÆt rÊt quan träng ®èi víi con ng−êi bëi v× bÒ mÆt ®ãng mét vai trß lín trong giao tiÕp víi céng ®ång, c¸c biÓu hiÖn cña t×nh c¶m, c¶m xóc, suy nghÜ vµ c¶m nghÜ. HÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh mÆt tù ®éng cã thÓ ®−îc chia thµnh c¸c phÇn nh−: quy tr×nh c«ng nghÖ xö lý th«ng tin, c¸c vÊn ®Ò triÓn khai trong thùc tÕ vµ c¸c øng dông ®iÓn h×nh. 14
1.3.1 Qui tr×nh c«ng nghÖ xö lý th«ng tin Quy tr×nh thiÕt kÕ mét hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh mÆt tù ®éng lµ mét qu¸ tr×nh xö lý ®a giai ®o¹n. Nh÷ng giai ®o¹n nµy vÒ c¬ b¶n lµ c¸c b−íc gièng nhau. C¸c giai ®o¹n cã thÓ ®−îc m« t¶ nh− sau: C¶m biÕn KÕt qu¶ ®o tÝn hiÖu DÊu hiÖu Giai ®o¹n §èi Giai ®o¹n t−îng c¶m biÕn tiÒn xö lý Tr×nh trÝch chän th«ng tin Nhãm mÉu Kh«ng gian biÓu diÔn ®Æc tr−ng Xö lý th«ng Giai ®o¹n Sù trÝch tin khung ph©n lo¹i chän ®¨c c¶nh tr−ng H×nh 1.5 Qu¸ tr×nh nhËn d¹ng mÉu B−íc 1: Giai ®o¹n c¶m biÕn C¸c nghiªn cøu ®−îc ®−a ra ®Ó x¸c ®Þnh t¸c nh©n ®em l¹i c¸c thuéc tÝnh cña ®èi t−îng (cì, h×nh d¸ng, mµu s¾c, kÕt cÊu, …). C¸c gi¸ trÞ vµ c¸c mèi quan hÖ gi÷a c¸c thuéc tÝnh cña ®èi t−îng ®−îc sö dông ®Ó biÓu thÞ ®Æc ®iÓm cña mét ®èi t−îng trong c¸ch thøc cña mét vector mÉu. Ph¹m vi gi¸ trÞ cña thuéc tÝnh ®−îc hiÓu nh− lµ ®é lín cña kh«ng gian. Mét vÊn ®Ò quan träng lµ ®é chÝnh x¸c cña sù xuÊt hiÖn khung c¶nh thùc ®−îc thu bëi vector mÉu nh− thÕ nµo. C¸c vÊn ®Ò nhiÔu trong ¶nh ph¶i d−íi møc ®é cho phÐp vµ kh«ng lµm mÊt th«ng tin chñ yÕu. C¸c th«ng tin cña ®èi t−îng ®−îc biÓu diÔn nh− thÕ nµo trong vµo giai ®o¹n c¶m biÕn nµy vµ kÕt qu¶ thu ®−îc cña giai ®o¹n nµylµ c¸c kÕt qu¶ ®o th«ng tin cña ®èi t−îng, kÕt qu¶ ®o nµy ®−îc ®−a vµo giai ®o¹n tiÒn xö lý ®Ó thùc hiÖn viÖc lo¹i bá nhiÔu, n©ng cao khÝa c¹nh ch¾c ch¾n cña ¶nh… B−íc 2: Giai ®o¹n tiÒn xö lý Giai ®o¹n tiÒn xö lý ®−îc thùc hiÖn ®Ó lo¹i bá nhiÔu, n©ng cao khÝa c¹nh ch¾c ch¾n cña ¶nh, vµ g©y ra c¸c thay ®æi kh¸c lµm ®¬n gi¶n hãa c¸c b−íc xö lý ë møc ®é cao h¬n. 15
§Ó ng¨n ngõa sù lo¹i ra c¸c c¹nh cña ¶nh ®· tån t¹i hoÆc ®−a ra c¸c c¹nh lçi, thao t¸c tiªu biÓu ®−îc sö dông ®ã lµ: t¸ch ng−ìng vµ lµm mÞn. T¸ch ng−ìng biÕn ®æi mét ¶nh cÊp ®é x¸m thµnh mét ¶nh nhÞ ph©n, trong ®ã mçi mét ®iÓm cã thÓ lµ ®en hoÆc tr¾ng. Lµm mÞn ¶nh ®−îc dïng ®Ó lµm gi¶m nhiÔu, ®Ó n©ng cao sù lùa chän c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng cña ¶nh, vµ ®Ó lµm gi¶m c¸c chi tiÕt ¶nh kh«ng mong muèn. Do ®ã, ¶nh ®−îc ph©n chia thµnh c¸c ®èi t−îng c« lËp nhau. KÕt qu¶ lµ thu ®−îc kh«ng gian ®iÓm ®Æc tr−ng vµ nã gióp cho giai ®o¹n trÝch chän ®iÓm ®Æc tr−ng ®−îc thùc hiÖn. B−íc 3: TrÝch chän ®iÓm ®Æc tr−ng Sau khi cã ®−îc kh«ng gian ®iÓm ®Æc tr−ng, hÖ thèng tiÕn hµnh trÝch chän c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng cña ®èi t−îng trong kh«ng gian ®ã. ViÖc trÝch ra c¸c ®Æc tr−ng cña ®èi t−îng th«ng qua nhiÒu c¸ch kh¸c nhau nh−ng ý nghÜa chÝnh cña nã vÇn lµ ph¶i sö dông mét bé läc ®Ó lo¹i bá c¸c th«ng tin kh«ng cÇn thiÕt vµ gi÷ l¹i ®−îc c¸c th«ng tin quan träng. C¸c ®iÓm ®Æc tr−ng cña ®èi t−îng ®−îc läc vµ kÕt qu¶ ®ã gióp cho qu¸ tr×nh nhËn d¹ng thuËn tiÖn. Qu¸ tr×nh läc nµy cã thÓ thèng kª thµnh c¸c thuéc tÝnh nh−: mµu s¾c, kÕt cÊu, c−êng ®é, kho¶ng c¸ch, chuyÓn ®éng… C¸c ®iÓm ®Æc tr−ng h×nh thµnh nªn kh«ng gian biÓu diÔn ®iÓm ®Æc tr−ng. KÕt qu¶ cña kh«ng gian biÓu diÔn gióp cho qu¸ tr×nh ph©n lo¹i c¸c ®iÓm ®Æc tr−ng ®−îc tèt h¬n. B−íc 4: Giai ®o¹n ph©n lo¹i TiÕn hµnh ph©n lo¹i kh«ng gian biÓu diÔn ®iÓm ®Æc tr−ng ®Ó thu ®−îc c¸c th«ng tin mÉu b»ng c¸ch sö dông c¸c gi¸ trÞ ®iÓm ®Æc tr−ng ®· chän. KÕt qu¶ lµ c¸c ®èi t−îng hoÆc c¸c líp mÉu biÓu thÞ ®Æc ®iÓm ®−îc häc bëi c¸c miªu t¶ sù h×nh thµnh mÉu chung, c¸c chuÈn ph©n lo¹i, hoÆc c¸c hµm quyÕt ®Þnh. B−íc 5: Tr×nh xö lý th«ng tin khung c¶nh Tr×nh xö lý khung c¶nh lµm t¨ng ®é chÝnh x¸c cña nhËn d¹ng bëi viÖc cung cÊp th«ng tin thÝch hîp cã liªn quan ®Õn m«i tr−êng xung quanh ®èi t−îng (b»ng c¸ch lµm phï hîp c¸c ®Æc ®iÓm cña ®èi t−îng víi c¸c m« h×nh ®· ®−îc l−u tr÷, hoÆc b»ng c¸ch ph©n lo¹i dùa trªn tiªu chuÈn ph©n lo¹i). 1.3.2 C¸c vÊn ®Ò trong triÓn khai thùc tÕ Thµnh c«ng cña mét øng dông nhËn d¹ng mÆt th−êng phô thuéc vµo c¸ch mµ c¸c th«ng tin (dÊu hiÖu) ®−îc m« t¶. Sù thô thuéc vµo øng dông, sù biÓu diÔn thÝch hîp sÏ ®−îc thùc hiÖn ®Ó t¹o ra qu¸ tr×nh biÓu diÔn th«ng tin mµ c¸c th«ng tin lµ x¸c ®¸ng nhÊt ®−îc nhÊn m¹nh cho øng dông. Hai rµng buéc ®¸ng chó ý ®ã lµ: - KÝch th−íc cña tr×nh ph©n lo¹i mµ ®−îc liªn kÕt víi sè liªn th«ng trong m¹ng Neural. 16
- Sè tËp c¸c vÝ dô ®µo t¹o (cì cña tËp d÷ liÖu). C¸c quyÕt ®Þnh ph¶i ®−îc ®−a ra ®Ó lµm gi¶m cì cña vector mÉu mµ ®−îc m« t¶ trong m¹ng Neural. Th«ng th−êng kÝch th−íc cña c¸c vector mÉu phô thuéc vµo miÒn cña quang phæ mµ qu¸ tr×nh thu ¶nh gÆp ph¶i. KÝch th−íc cña c¸c vector mÉu cã thÓ ®−îc gi¶m b»ng c¸ch sö dông mét sè mèi quan hÖ gi÷a c¸c vïng quang phæ víi nhau. Sù thay ®æi sãng lµ mét kü thuËt phæ biÕn kh¸c ®−îc sö dông trong qu¸ tr×nh biÓu diÔn ¶nh, ë ®ã mét dÊu hiÖu nhÊt thêi ®−îc biÓu diÔn trong giíi h¹n cña hµm c¬ së: X (t ) = ∑ ∑ C jk h jk (t ) (3) j k trong ®ã X(t) lµ chuçi thêi gian gèc, Cjk lµ c¸c hÖ sè sãng, hjk(t) lµ c¸c nh©n sãng, chØ sè j lµ c¸c vÞ trÝ biÓu thÞ thêi gian cña nh©n, vµ chØ sè k lµ sù chia cña nh©n. Sau ®ã sù thay ®æi c¸c hÖ sè sãng Cjk ®−îc sö dông cho viÖc cung cÊp d÷ liÖu tíi m¹ng Neural. 1.3.3 C¸c øng dông ®iÓn h×nh Qu¸ tr×nh nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi tù ®éng cã thÓ ®−îc chia thµnh hai nhiÖm vô chÝnh: - T×m mét mÆt hoÆc c¸c mÆt trong mét ¶nh nÒn vµ - Sù nhËn d¹ng c¸c ®Æc ®iÓm cña mÆt NhiÖm vô thø nhÊt: t×m mét mÆt trong mét ¶nh gièng nh− lµ viÖc ®¨ng ký mÆt hoÆc viÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña mÆt. NhiÖm vô nµy phô thuéc vµo c¸c nh©n tè sau: + §iÒu khiÓn mµu s¾c vµ ¶nh nÒn + C¸c ¶nh mµu hoÆc ®¬n mµu vµ c¸c ¶nh tÜnh hoÆc c¸c ¶nh video. NÕu ¸nh s¸ng ¶nh nÒn ®−îc ®iÒu khiÓn th× viÖc x¸c ®Þnh c¸c mÆt lµ dÔ dµng. Do ®ã, sù phô thuéc vµo ®iÒu khiÓn th«ng qua c¸c nh©n tè sÏ dÉn ®Õn viÖc x¸c ®Þnh vÞ trÝ cña mÆt cã thÓ lµ mét bµi to¸n dÔ hoÆc mét bµi to¸n khã. Do ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè vµ c¸c lo¹i ¶nh nªn viÖc t×m mÆt còng trë nªn khã kh¨n h¬n. Sù biÕn ®æi cña ¸nh s¸ng còng nh− sù biÕn ®æi cña ¶nh c¬ së ®Òu ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn qu¸ tr×nh t×m kiÕm mÆt. NhiÖm vô thø hai: sù nhËn d¹ng vµ sù x¸c minh mÆt lµ hai kiÓu cña bµi to¸n nhËn d¹ng mÆt, cô thÓ lµ bµi to¸n nhËn d¹ng vµ bµi to¸n x¸c minh mÆt. Trong bµi to¸n x¸c minh mÆt ng−êi ta ph¶i kiÓm tra mÆt ®· cho lµ cña ai vµ do ®ã viÖc kiÓm tra nµy lµm phï hîp ®Æc tÝnh cña ¶nh ®èi víi mét m« h×nh ®¬n. Trong bµi to¸n nhËn d¹ng mÆt, ®©y lµ bµi to¸n t×m sù phï hîp nhÊt cña mét ¶nh ch−a biÕt dùa vµo mét c¬ së d÷ liÖu c¸c mÉu mÆt hoÆc lµ ®Þnh râ nã kh«ng phï hîp víi bÊt kú ¶nh nµo ®ã trong c¬ së d÷ liÖu. §iÒu quan träng trong thùc tÕ ®ã lµ sù kh¸c nhau cña hai bµi to¸n nµy vÒ tèc ®é: nãi chung, nÕu ta cã N ng−êi trong 17
mét c¬ së d÷ liÖu th× qu¸ tr×nh nhËn d¹ng sÏ chËm h¬n N lÇn so víi qu¸ tr×nh x¸c minh. T¹i v× qu¸ tr×nh nhËn d¹ng ph¶i so s¸nh N lÇn cßn qu¸ tr×nh x¸c minh chØ ph¶i so s¸nh mét lÇn. C¸c c¬ së d÷ liÖu ®· vµ ®ang ®−îc ph¸t triÓn Phßng thÝ nghiÖm nghiªn cøu Olivetti (Olivetti Research Laboratory – ORL) ë Anh ®· ph¸t triÓn mét c¬ së d÷ liÖu mÆt mµ cã thÓ cung cÊp nh− mét ®iÓm chuÈn tèt ®èi víi sù kiÓm tra mét hÖ thèng nhËn d¹ng mÆt. C¬ së d÷ liÖu ¶nh mÆt FERET ®−îc ph¸t triÓn t¹i Mü. C¬ së d÷ liÖu nµy ®−îc kiÓm tra bëi phßng thÝ nghiÖm nghiªn cøu qu©n ®éi Mü. H×nh d−íi ®©y m« t¶ mét c¬ së d÷ liÖu ¶nh, trong ®ã c¸c ¶nh biÕn ®æi theo c¸c ®iÒu kiÖn cña ¸nh s¸ng: H×nh 1.6. BiÓu diÔn c¸c ¶nh theo c¸c ®iÒu kiÖn thay ®æi cña ¸nh s¸ng 18
ch−¬ng 2. nhËn d¹ng ¶nh mÆt ng−êi trong ®iÒu kiÖn ¸nh s¸ng thay ®æi Ch−¬ng hai nµy ph©n tÝch c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nhËn d¹ng vµ c¸c c¸ch tiÕp cËn ®Ó gi¶i quyÕt c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®ã. 1.4 Ph©n tÝch c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn qu¸ tr×nh nhËn d¹ng BÊt cø mét qu¸ tr×nh nhËn d¹ng nµo còng chÞu ¶nh h−ëng cña nhiÒu yÕu tè kh«ng thuËn lîi tíi qu¸ tr×nh. C¸c yÕu tè cã thÓ lµm gi¶m tÝnh chÝnh x¸c cña hÖ thèng, lµm gi¶m tèc ®é nhËn d¹ng,… . Cã thÓ kÓ ®Õn c¸c yÕu tè d−íi ®©y: - M«i tr−êng, - BiÓu diÔn khÝa c¹nh h×nh häc cña bÒ mÆt (sù quay ¶nh, co gi·n, thay ®æi vÞ trÝ,…), - C¸c sai sè do hÖ thèng. C¸c ®Æc tr−ng bÊt ®éng cña ¶nh lµ nh÷ng yÕu tè cÇn thiÕt ®Ó kh¾c phôc ®−îc ¶nh h−ëng cña nh÷ng yÕu tè nµy song tËp nh÷ng ®Æc tr−ng bÊt ®éng kh«ng ®ñ ®Ó tr×nh bµy ¶nh mÆt ng−êi, v× vËy viÖc nghiªn cøu, ph©n tÝch ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè ®ã lµ quan träng. Trong c¸c môc d−íi ®©y, c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn hÖ thèng nhËn d¹ng ¶nh tù ®éng ®−îc ph©n tÝch vµ mét sè gi¶i ph¸p kh¾c phôc ®−îc giíi thiÖu. 2.1.1. ¸nh s¸ng C¸c yÕu tè cña m«i tr−êng ¶nh h−ëng tíi qu¸ tr×nh nhËn d¹ng mÆt nh−: c¸c yÕu tè vÒ ¸nh s¸ng, c¸c thiÕt bÞ thu nhËn ¶nh vµ khung c¶nh mµ ¶nh ®−îc thu nhËn. ¸nh s¸ng lµm biÕn ®æi møc ®é x¸m cña ¶nh vµ c−êng ®é c¸c ®iÓm ¶nh do ®ã nã lµm cho ¶nh hoµn toµn biÕn ®æi qua c¸c vïng kh¸c nhau vµ c¸c yÕu tè ®ã lµm cho hÖ thèng nhËn d¹ng rÊt khã cã thÓ nhËn d¹ng ¶nh mét c¸ch chÝnh x¸c. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò ®ã ®ßi hái ph¶i ®−a ra cho hÖ thèng mét sè kü thuËt ®Ó lo¹i bá c¸c h¹n chÕ ®ã. ¸nh s¸ng lµm thay ®æi hoµn toµn c¸c dÊu hiÖu cña ¶nh, ngoµi ra ¸nh s¸ng cßn t¹o nªn c¸c líp bãng cña chÝnh ®èi t−îng nhËn d¹ng hoÆc t¹o nªn c¸c sù che lÊp cña b¶n th©n nã. 2.1.2. C¸c thay ®æi h×nh häc Bªn c¹nh c¸c yÕu tè m«i tr−êng ¶nh h−ëng tíi qu¸ tr×nh nhËn d¹ng, hÖ thèng cßn chÞu ¶nh h−ëng cña c¸c yÕu tè h×nh häc nh−: sù quay, sù dÞch chuyÓn vµ sù co gi·n… C¸c yÕu tè nµy ¶nh h−ëng rÊt nhiÒu ®Õn hÖ thèng nhËn d¹ng t¹i v× ¶nh h−ëng cña nã lµm thay ®æi cÊu tróc cña ¶nh, thay ®æi h−íng chôp, gãc chôp vµ thay ®æi kÝch th−íc cña ¶nh. 19