TÓM T TẮ
Nh n di n m t ng i là bài toán m i ch xu t hi n cách đây không lâu , ch kho ngậ ệ ặ ườ ớ ỉ ấ ệ ỉ ả
vài th p niên , nh ng đã có r t nhi u nghiên c u v nó . Các nghiên c u ban đ u r t đ n gi nậ ư ấ ề ứ ề ứ ầ ấ ơ ả
, nh là đen tr ng và ch có m t khuôn m t ch p th ng , sau này m r ng ra cho nh màu ,ả ắ ỉ ộ ặ ụ ẳ ở ộ ả
nh có nhi u khuôn m t v i nhi u góc , môi tr ng xung quanh cũng đi t đ n gi n đ n r tả ề ặ ớ ề ườ ừ ơ ả ế ấ
ph c t p …ứ ạ
Ngày nay các h th ng nh n d ng m t ng i đang đ c ng d ng trong nhi u lĩnhệ ố ậ ạ ặ ườ ượ ứ ụ ề
v c, đ c bi t là an ninh và b o m t. Nh n d ng m t ng i t c là đ a ra nh ng thông tinự ặ ệ ả ậ ậ ạ ặ ườ ứ ư ữ về
đ i t ng đ c đ a vào t m t b c nh, hay t camera quan sát. B c đ u tiên c aố ượ ượ ư ừ ộ ứ ả ừ ướ ầ ủ m t hộ ệ
th ng nh n d ng m t ng i là phát hi n khuôn m t, t c xác đ nh v trí khuôn m tố ậ ạ ặ ườ ệ ặ ứ ị ị ặ trên b cứ
nh, sau đ y tách khuôn m t ra kh i nh đ ti n hành nh n d ng.ả ấ ặ ỏ ả ể ế ậ ạ Sau khi đã xem xét các
h ng ti p c n khác nhau, em ch n ph ng pháp PCA và ph ng pháp ti p c nướ ế ậ ọ ươ ươ ế ậ h c máyọ
b ng Adaboost và mô hình Cascade of classifiers. Đi m m nh c a Adaboost làằ ể ạ ủ t c đ phátố ộ
hi n khuôn m t khá nhanh. K t qu th nghi m cho th y ch ng trình đ t đệ ặ ế ả ử ệ ấ ươ ạ ộ chính xác khá
cao v i các nh m t ng i đ c ch p tr c di n b ng máy kĩ thu t s .ớ ả ặ ườ ượ ụ ự ệ ằ ậ ố
CH NG 1- T NG QUAN V CÁC PH NG PHÁP XÁC Đ NH M T NG IƯƠ Ổ Ề ƯƠ Ị Ặ ƯỜ
1. Gi i thi u v bài toán xác đ nh m t ng i trong nh.ớ ệ ề ị ặ ườ ả
Trong nhi u năm qua, có r t nhi u công trình nghiên c u v bài toán nh n d ng m tề ấ ề ứ ề ậ ạ ặ
ng i. Các nghiên c u đi t bài toán đ n gi n, t vi c nh n d ng m t m t ng i trongườ ứ ừ ơ ả ừ ệ ậ ạ ộ ặ ườ nhả
đen tr ng cho đ n m r ng cho nh m u và có nhi u m t ng i trong nh. Đ n nayắ ế ở ộ ả ầ ề ặ ườ ả ế các bài
toán xác đ nh m t ng i đã m r ng v i nhi u mi n nghiên c u nh nh n d ngị ặ ườ ở ộ ớ ề ề ứ ư ậ ạ khuôn m t,ặ
đ nh v khuôn m t, theo dõi m t ng i hay nh n d ng c m xúc m t ng i…ị ị ặ ặ ườ ậ ạ ả ặ ườ Phát hi n m tệ ặ
ng i trong nh là ph n đ u tiên c a m t h th ng nh n d ng m tườ ả ầ ầ ủ ộ ệ ố ậ ạ ặ ng i. Các h th ngườ ệ ố
nh n d ng khuôn m t đ c b t đ u xây d ng t nh ng năm 1970,ậ ạ ặ ượ ắ ầ ự ừ ữ tuy nhiên do còn h n chạ ế
v các lu t xác đ nh m t ng i nên ch đ c áp d ng trong m tề ậ ị ặ ườ ỉ ượ ụ ộ s ng d ng nh nh n d ngố ứ ụ ư ậ ạ
th căn c c. Nó ch đ c phát tri n m nh m t nh ng nămẻ ướ ỉ ượ ể ạ ẽ ừ ữ 1990 khi có nh ng ti n bữ ế ộ
trong công ngh video và ngày nay thì các ng d ng c a xácệ ứ ụ ủ đ nh m t ng i đã tr nên phị ặ ườ ở ổ
bi n trong cu c s ng.ế ộ ố
2. Đ nh nghĩa bài toán xác đ nh m t ng i.ị ị ặ ườ
Xác đ nh khuôn m t ng i là m t k thu t máy tính đ xác đ nh các v trí và kíchị ặ ườ ộ ỹ ậ ể ị ị
th c c a các khuôn m t ng i trong các nh b t kì. K thu t này nh n bi t các đ c tr ngướ ủ ặ ườ ả ấ ỹ ậ ậ ế ặ ư
c a khuôn m t và b qua nh ng th khác nh : tòa nhà, cây c i, c th …ủ ặ ỏ ữ ứ ư ố ơ ể
3. Nh ng khó khăn và thách th c đ i v i bài toán xác đ nh m t ng i.ữ ứ ố ớ ị ặ ườ
Vi c xác đ nh khuôn m t ng i có nh ng khó khăn nh t đ nh nh :ệ ị ặ ườ ữ ấ ị ư
• H ng c a khuôn m t đ i v i máy nh, nh : nhìn th ng, nhìn nghiêng hay nhìnướ ủ ặ ố ớ ả ư ẳ t trênừ
xu ng. Cùng trong m t nh có th có nhi u khuôn m t nh ng t thố ộ ả ể ề ặ ở ữ ư ế khác nhau.
• S có m t c a các chi ti t không ph i là đ c tr ng riêng c a khuôn m t ng i,ự ặ ủ ế ả ặ ư ủ ặ ườ nh : râuư
quai nón, m t kính, ….ắ
• Các nét m t khác nhau trên khuôn m t, nh : vui, bu n, ng c nhiên, ….ặ ặ ư ồ ạ
• M t ng i b che khu t b i các đ i t ng khác có trong nh.ặ ườ ị ấ ở ố ượ ả r t khác khi ng i đ y c i,ấ ườ ấ ườ
t c gi n hay s hãi …ứ ậ ợ
4. Các ng d ng c a xác đ nh m t ng iứ ụ ủ ị ặ ườ
Xác đ nh m t ng i th ng là m t ph n c a m t h th ng (facial recognition system).ị ặ ườ ườ ộ ầ ủ ộ ệ ố
Nó th ng đ c dùng trong giám sát video, giao ti p ng i máy và qu n lý c s d li uườ ượ ế ườ ả ơ ở ữ ệ
nh… Các ng c b n c a xác đ nh m t ng i có th k đ n là:ả ứ ơ ả ủ ị ặ ườ ể ể ế
4.1. Xác minh t i ph m.ộ ạ
D a vào nh c a m t ng i, nh n d ng xem ng i đ y có ph i là t i ph m hayự ả ủ ộ ườ ậ ạ ườ ấ ả ộ ạ
không b ng cách so sách v i các nh t i ph m đang đ c l u tr . Ho c có th s d ngằ ớ ả ộ ạ ượ ư ữ ặ ể ử ụ
camera đ phát hi n t i ph m trong đám đông. ng d ng này giúp c quan an ninh qu nể ệ ộ ạ Ứ ụ ơ ả lý
con ng i t t h n.ườ ố ơ
4.2. Camera ch ng tr m.ố ộ
Các h th ng camera s xác đ nh đâu là con ng i và theo dõi xem con ng i đó cóệ ố ẽ ị ườ ườ
làm gì ph m pháp không, ví d nh l y tr m đ , xâm nh p b t h p pháp vào m t khu v cạ ụ ư ấ ộ ồ ậ ấ ợ ộ ự
nào đó.
4.3. B o m t.ả ậ
Các ng d ng v b o m t r t đa d ng, m t trong s đó là công ngh nh n d ng m tứ ụ ề ả ậ ấ ạ ộ ố ệ ậ ạ ặ
ng i c a laptop, công ngh này cho phép ch nhân c a máy tính ch c n ng i tr c máy làườ ủ ệ ủ ủ ỉ ầ ồ ướ
có th đăng nh p đ c. Đ s d ng công ngh này, ng i dùng ph i s d ng m t webcamể ậ ượ ể ử ụ ệ ườ ả ử ụ ộ
đ ch p nh khuôn m t c a mình và cho máy “h c” thu c các đ c đi m c aể ụ ả ặ ủ ọ ộ ặ ể ủ khuôn m t giúpặ
cho quá trình đăng nh p sau này.ậ
4.4. L u tr khuôn m tư ữ ặ
Xác đ nh m t ng i có th đ c ng d ng trong các tr m rút ti n t đ ng (ATM) đị ặ ườ ể ượ ứ ụ ạ ề ự ộ ể
l u tr khuôn m t c a ng i rút ti n. Hi n nay có nh ng ng i b ng i khác l y tr m thư ữ ặ ủ ườ ề ệ ữ ườ ị ườ ấ ộ ẻ
ATM và mã PIN, và b rút ti n tr m, ho c có nh ng ch tài kho n đi rút ti n nh ng l iị ề ộ ặ ữ ủ ả ề ư ạ báo
v i ngân hàng là b m t th và b rút ti n tr m. N u l u tr đ c khuôn m t c a ng i rútớ ị ấ ẻ ị ề ộ ế ư ữ ượ ặ ủ ườ
ti n, ngân hàng có th đ i ch ng và x lý d dàng h n.ề ể ố ứ ử ễ ơ
4.5. Các ng d ng khácứ ụ
• Đi u khi n vào ra: văn phòng, công ty, tr s , máy tính, Palm, …. K t h p thêm vân tay vàề ể ụ ở ế ợ
m ng m t. Cho phép nhân viên đ c ra vào n i c n thi t.ố ắ ượ ơ ầ ế
• An ninh sân bay, xu t nh p c nh (hi n nay c quan xu t nh p c nh M đã ápấ ậ ả ệ ơ ấ ậ ả ỹ d ng). Dùngụ
camera quan sát đ xác th c ng i nh p c nh và ki m tra xem ng iể ự ườ ậ ả ể ườ đ y có ph i là t i ph mấ ả ộ ạ
hay ph n t kh ng b không.ầ ử ủ ố Tìm ki m và t ch c d li u liên quan đ n con ng i thông quaế ổ ứ ữ ệ ế ườ
khuôn m t ng iặ ườ trên nhi u h c s d li u l u tr th t l n, nh internet, các hãng truy nề ệ ơ ở ữ ệ ư ữ ậ ớ ư ề
hình, ….
• Ki m tra tr ng thái ng i lái xe có ng g t, m t t p trung hay không, và h trể ạ ườ ủ ậ ấ ậ ỗ ợ thông báo
khi c n thi t.ầ ế
• T ng lai s phát tri n các lo i th thông minh có tích h p s n đ c tr ng c aươ ẽ ể ạ ẻ ợ ẵ ặ ư ủ ng i dùngườ
trên đó, khi b t c ng i dùng khác dùng đ truy c p hay x lý t i cácấ ứ ườ ể ậ ử ạ h th ng s đ c yêuệ ố ẽ ượ
c u ki m tra các đ c tr ng khuôn m t so v i th đ bi t nayầ ể ặ ư ặ ớ ẻ ể ế có ph i là ch th hay không.ả ủ ẻ
ng iườ
• Hãng máy ch p hình Canon đã ng d ng bài toán xác đ nh khuôn m t ng i vàoụ ứ ụ ị ặ ườ máy ch pụ
hình th h m i đ cho k t qu hình nh đ p h n, nh t là khuôn m tế ệ ớ ể ế ả ả ẹ ơ ấ ặ ng i.ườ
5. Xác đ nh ph m vi đ tàiị ạ ề
Trong đ tài này, tôi t p trung vào vi c xác đ nh khuôn m t trong nh. T đ y l uề ậ ệ ị ặ ả ừ ấ ư
khuôn m t tìm đ c vào CSDL đ ph c v cho các m c đích khác (ặ ượ ể ụ ụ ụ ch ng h n nh nh nẳ ạ ư ậ
d ng m t ng i ho c ghép khuôn m t vào b c nh khác … ). Do cácạ ặ ườ ặ ặ ứ ả đi u ki n khó khăn đãề ệ
nêu trên ( m c 3 ch ng 1) tôi xin đ a ra nh ng gi đ nh và rànhở ụ ươ ư ữ ả ị bu c sau đ gi m đ ph cộ ể ả ộ ứ
t p c a bài toán:ạ ủ
• Các khuôn m t đ c ch p th ng ho c góc nghiêng không đáng k (bé h n 10o)ặ ượ ụ ẳ ặ ể ơ
• Phông n n c a nh không quá ph c t pề ủ ả ứ ạ
• nh đ c ch p trong đi u ki n ánh sáng bình th ng.Ả ượ ụ ề ệ ườ
• Đ i v i video ho c webcam, do có th tách thành các x lý trên nh nên v i nh ng videoố ớ ặ ể ử ả ớ ữ
ph c t p hay webcam quá kém, ch ng trình s không th c hi nứ ạ ươ ẽ ự ệ đ c t t nh t có th .ượ ố ấ ể
CH NG 2-ƯƠ CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN C UỨ
1. Các ph ng pháp chính đ xác đ nh m t ng i.ươ ể ị ặ ườ
D a vào tính ch t c a các ph ng pháp xác đ nh m t ng i trên nh, các ph ngự ấ ủ ươ ị ặ ườ ả ươ pháp
này đ c chia thành b n lo i chính, t ng ng v i b n h ng ti p c n khác nhau.ượ ố ạ ươ ứ ớ ố ướ ế ậ Ngoài ra
cũng có r t nhi u nghiên c u mà ph ng pháp xác đ nh m t ng i không chấ ề ứ ươ ị ặ ườ ỉ d a vào m tự ộ
h ng mà có liên quan đ n nhi u h ng.ướ ế ề ướ
• H ng ti p c n d a trên tri th c: D a vào các thu t toán, mã hóa các đ c tr ng vàướ ế ậ ự ứ ự ậ ặ ư quan hệ
gi a các đ c tr ng c a khuôn m t thành các lu t. Đây là h ng ti p c nữ ặ ư ủ ặ ậ ướ ế ậ theo ki u top-down.ể
• H ng ti p c n d a trên đ c tr ng không thay đ i: Xây d ng các thu t toán đ tìmướ ế ậ ự ặ ư ổ ự ậ ể các đ cặ
tr ng c a khuôn m t mà các đ c tr ng này không thay đ i khi t thư ủ ặ ặ ư ổ ư ế khuôn m t hay v trí đ tặ ị ặ
camera thay đ i. H ng ti p c n này là h ng ti p c nổ ướ ế ậ ướ ế ậ theo ki u bottom-up.ể
• H ng ti p c n d a trên so sánh kh p m u: Dùng các m u chu n c a khuôn m tướ ế ậ ự ớ ẫ ẫ ẩ ủ ặ (các m uẫ
này đ c đ nh nghĩa b ng tay tr c ho c đ c tham s hóa b ng mượ ị ằ ướ ặ ượ ố ằ ộ hàm s ) đ mô t cácố ể ả
khuôn m t hay các đ c tr ng c a khuôn m t. M u này đ cặ ặ ư ủ ặ ẫ ượ s d ng đ phát hi n khuôn m tử ụ ể ệ ặ
b ng cách quét nó qua nh và tính toán giá trằ ả ị t ng đ ng cho m i v trí. Vi c xu t hi n m tươ ồ ỗ ị ệ ấ ệ ộ
khuôn m t t i m t v trí nào đóặ ạ ộ ị trong nh ph thu c vào giá tr t ng đ ng c a đi m đó soả ụ ộ ị ươ ồ ủ ể
v i m u chu nớ ẫ ẩ
• H ng ti p c n d a trên di n m o: Trái ng c v i h ng ti p c n d a trên khuônướ ế ậ ự ệ ạ ượ ớ ướ ế ậ ự m u,ẫ
các mô hình (hay các m u) s đ c h c t m t t p nh hu n luy n mà thẫ ẽ ượ ọ ừ ộ ậ ả ấ ệ ể hi n tính ch t tiêuệ ấ
bi u c a s xu t hi n c a m t ng i trong nh. Sau đó hể ủ ự ấ ệ ủ ặ ườ ả ệ th ng (mô hình) s xác đ nh m tố ẽ ị ặ
ng i. Ph ng pháp này còn đ c bi t đ n v iườ ươ ượ ế ế ớ tên g i ti p c n theo các ph ng pháp h cọ ế ậ ươ ọ
máy.
1.1. H ng ti p c n d a trên tri th cướ ế ậ ự ứ
1.1.1. T t ngư ưở
Trong h ng ti p c n này, các ph ng pháp xác đ nh m t ng i đ c xây d ng d aướ ế ậ ươ ị ặ ườ ượ ự ự
vào các lu t, các lu t này ph thu c vào tri th c c a các tác gi nghiên c u v bài toán xácậ ậ ụ ộ ứ ủ ả ứ ề
đ nh khuôn m t. D dàng xây d ng các lu t c b n đ mô t các đ c tr ng c a khuôn m t vàị ặ ễ ự ậ ơ ả ể ả ặ ư ủ ặ
các quan h t ng ng. Ví d , m t khuôn m t th ng có hai m t đ i x ng qua tr c th ngệ ươ ứ ụ ộ ặ ườ ắ ố ứ ụ ẳ
đ ng gi a khuôn m t và có m t mũi m t mi ng. Các quan h đ c tr ng có th là quan h vứ ữ ặ ộ ộ ệ ệ ặ ư ể ệ ề
v trí và kho ng cách t ng đ i. Khó khăn c a h ng ti p c n này đó là làm th nào đị ả ươ ố ủ ướ ế ậ ế ể
chuy n các tri th c c a con ng i v khuôn m t sang các lu t cho máy tính m t cách hi uể ứ ủ ườ ề ặ ậ ộ ệ
qu . N u các lu t này quá chi ti t, ch t ch thì s có th xác đ nh thi u các khuôn m t cóả ế ậ ế ặ ẽ ẽ ể ị ế ặ
trong nh, nh ng n u các lu t quá t ng quát thì s d n đ n xác đ nh sai khu v c không ph iả ư ế ậ ổ ẽ ẫ ế ị ự ả
là khuôn m t thành khuôn m t. Ngoài ra cũng khó đ m r ng ph m viặ ặ ể ở ộ ạ c a b i toán đ xácủ ả ể
đ nh các khuôn m t có nhi u t th khác nhau.ị ặ ề ư ế
1.1.2. Các nghiên c uứ
Có nhi u cách đ xây d ng ch ng trình xác đ nh m t ng i theo h ng ti p c nề ể ự ươ ị ặ ườ ướ ế ậ d aự
trên tri th c. Thông th ng ch ng trình s đ c xây d ng theo h ng d a vào m tứ ườ ươ ẽ ượ ự ướ ự ộ ph ngươ
pháp nào đ y ch n ra các ng viên trong b c nh tr c, sau đó s áp d ng cácấ ọ ứ ứ ả ướ ẽ ụ lu t đ xácậ ể
đ nh ng viên nào là khuôn m t, ng viên nào không ph i là khuôn m t. Quáị ứ ặ ứ ả ặ trình này có thể
đ c áp d ng nhi u l n đ gi m sai sót.ượ ụ ề ầ ể ả
Hình 1: M t ph ng pháp xác đ nh khuôn m t đi n theo h ng ti p c n top-down.ộ ươ ị ặ ể ướ ế ậ
Trên hình 1, Các lu t đ c xây d ng d a vào tri th c c a ng i nghiên c u v cácậ ượ ự ự ứ ủ ườ ứ ề đ cặ
tr ng c a khuôn m t (ví d nh c ng đ phân phôi và s khác nhau ) c a các vùngư ủ ặ ụ ư ườ ộ ự ủ trên
khuôn m tặ
Yang và Huang đã s d ng h ng ti p c n d a trên tri th c đ xác đ nh khuôn m tử ụ ướ ế ậ ự ứ ể ị ặ [7].
H th ng c a hai tác gi bao g m ba m c lu t. Đ u tiên các ông s d ng m t khungệ ố ủ ả ồ ứ ậ ầ ử ụ ộ c a sử ổ
đ quét trên b c nh và thông qua m t s t p lu t đ xác đ nh các ng viên có thể ứ ả ộ ố ậ ậ ể ị ứ ể là m tặ
ng i, ví d nh tìm ph n trung tâm c a khuôn m t (ph n t i h n trong hình 1).ườ ụ ư ầ ủ ặ ầ ố ơ Ti p theo,ế
dùng m t t p lu t đ mô t t ng quát hình dáng khuôn m t, l c các ng viên ộ ậ ậ ể ả ổ ặ ọ ứ ở m c m tứ ộ
thành m t t p các ng viên m i có xác xu t là khuôn m t cao h n. Cu i cùng,ộ ậ ứ ớ ấ ặ ơ ố các ông l iạ
dùng m t t p lu t khác đ xem xét m c chi ti t các đ c tr ng khuôn m t ( cóộ ậ ậ ể ở ứ ế ặ ư ặ th là đ cể ặ
tr ng v m t, mũi, mi ng … ), t đó l c ra các ng viên chính xác nh t. Có thư ề ắ ệ ừ ọ ứ ấ ể nói cách làm
c a hai ông là m t cách làm m n d n đ đ t đ c k t qu t t nh t, m c dù tủ ộ ị ầ ể ạ ượ ế ả ố ấ ặ ỷ l chính xácệ
ch a cao, nh ng đây là ti n đ cho nhi u nghiên c u sau này.ư ư ề ề ề ứ
Có r t nhi u công trình nghiên c u s d ng ph ng pháp chi u đ xác đ nh khuônấ ề ứ ử ụ ươ ế ể ị
m t. Kotropoulos và Pitas đ a ra m t ph ng pháp g n t ng t v i Yang và Huang. Đ uặ ư ộ ươ ầ ươ ự ớ ầ
tiên, các vùng c a khuôn m t đ c đ nh v b i ph ng pháp chi u (đã đ c Kanade sủ ặ ượ ị ị ở ươ ế ượ ử d ngụ
thành công) đ xác đ nh biên c a khuôn m t. V i I(x,y) là giá tr xám c a m t đi mể ị ủ ặ ớ ị ủ ộ ể trong nhả
có kích th c m x n t i v trí (x,y), các hàm đ chi u nh theo ph ng ngangướ ở ạ ị ể ế ả ươ và th ng đ ngẳ ứ
đ c đ nh nghĩa nh sau:ượ ị ư
D a trên bi u đ hình chi u ngang, khi xét bi u đ bi n thiên c a HI hai ông tìm đ cự ể ồ ế ể ồ ế ủ ượ
hai c c ti u đ a ph ng t ng ng v i hai đ nh đ u bên trái và bên ph i c a khuônự ể ị ươ ươ ứ ớ ỉ ầ ả ủ m t. Cònặ
theo hình chi u d c, xét bi n thiên và tìm c c ti u đ a ph ng c a VI cũng choế ọ ế ự ể ị ươ ủ ta các v tríị
c a mi ng, đ nh mũi và hai m t. Các đ c tr ng này đ đ xác đ nh khuôn m t Hình 2.a choủ ệ ỉ ắ ặ ư ủ ể ị ặ
m t ví d v cách xác đ nh nh trên. Cách xác đ nh này có t l xác đ nh chính xác là 86.5%ộ ụ ề ị ư ị ỷ ệ ị
cho tr ng h p ch có m t khuôn m t tr c di n và hình n n khôngườ ợ ỉ ộ ặ ự ệ ề ph c t p. N u hình n nứ ạ ế ề
ph c t p nh hình 2.b thì r t khó tìm. Còn n u nh có nhi u khuôn m t (hình 2.c) thì sứ ạ ư ấ ế ả ề ặ ẽ