Алгоритм распознавания лиц. На лице написано: как работает компьютерное распознавание лиц. Метод главных компонент

Взять кредит, оформить визу, да и просто запустить смартфон последней модели — сделать все это сегодня невозможно без участия алгоритмов распознавания лиц. Они помогают полицейским в расследованиях, музыкантам — на сцене, но понемногу превращаются во всевидящее око, следящее за всеми нашими действиями онлайн и офлайн.

Роман Фишман Александр Ершов

Алгоритмы (технологии)

Определить человека по фото с точки зрения компьютера означает две очень разные задачи: во‑первых, найти лицо на снимке (если оно там есть), во‑вторых, вычленить из изображения те особенности, которые отличают этого человека от других людей из базы данных.

1. Найти

Попытки научить компьютер находить лицо на фотографиях проводились еще с начала 1970-х годов. Было испробовано множество подходов, но важнейший прорыв произошел существенно позднее — с созданием в 2001 году Полом Виолой и Майклом Джонсом метода каскадного бустинга, то есть цепочки слабых классификаторов. Хотя сейчас есть и более хитрые алгоритмы, можно поспорить, что и в вашем сотовом телефоне, и в фотоаппарате работает именно старый добрый Виола — Джонс. Все дело в замечательной быстроте и надежности: даже в далеком 2001 году средний компьютер с помощью этого метода мог обрабатывать по 15 снимков в секунду. Сегодня эффективность алгоритма удовлетворяет всем разумным требованиям. Главное, что нужно знать об этом методе, — он устроен удивительно просто. Вы даже не поверите насколько.

1. Шаг1. Убираем цвет и превращаем изображение в матрицу яркости.
2. Шаг 2. Накладываем на нее одну из квадратных масок — они называются признаками Хаара. Проходимся с ней по всему изображению, меняя положение и размер.
3. Шаг 3. Складываем цифровые значения яркости из тех ячеек матрицы, которые попали под белую часть маски, и вычитаем из них те значения, что попали под черную часть. Если хотя бы в одном из случаев разность белых и черных областей оказалась выше определенного порога, берем эту область изображения в дальнейшую работу. Если нет — забываем про нее, здесь лица нет.
4. Шаг 4. Повторяем с шага 2 уже с новой маской — но только в той области изображения, которая прошла первое испытание.

Почему это работает? Посмотрите на признак . Почти на всех фотографиях область глаз всегда немного темнее области непосредственно ниже. Посмотрите на признак : светлая область посередине соответствует переносице, расположенной между темными глазами. На первый взгляд черно-белые маски совсем не похожи на лица, но при всей своей примитивности они имеют высокую обобщающую силу.

Почему так быстро? В описанном алгоритме не отмечен один важный момент. Чтобы вычесть яркость одной части изображения из другой, понадобилось бы складывать яркость каждого пикселя, а их может быть много. Поэтому на самом деле перед наложением маски матрица переводится в интегральное представление: значения в матрице яркости заранее складываются таким образом, чтобы интегральную яркость прямоугольника можно было получить сложением всего четырех чисел.

Как собрать каскад? Хотя каждый этап наложения маски дает очень большую ошибку (реальная точность ненамного превышает 50%), сила алгоритма — в каскадной организации процесса. Это позволяет быстро выкидывать из анализа области, где лица точно нет, и тратить усилия только на те области, которые могут дать результат. Такой принцип сборки слабых классификаторов в последовательности называется бустингом (подробнее о нем можно прочитать в октябрьском номере «ПМ» или ). Общий принцип такой: даже большие ошибки, будучи перемножены друг на друга, станут невелики.

2. Упростить

Найти особенности лица, которые позволили бы идентифицировать его владельца, означает свести реальность к формуле. Речь идет об упрощении, причем весьма радикальном. Например, различных комбинаций пикселей даже на миниатюрном фото 64 x 64 пикселя может быть огромное количество — (2 8) 64 x 64 = 2 32768 штук. При этом для того, чтобы пронумеровать каждого из 7,6 млрд людей на Земле, хватило бы всего 33 бита. Переходя от одной цифры к другой, нужно выкинуть весь посторонний шум, но сохранить важнейшие индивидуальные особенности. Специалисты по статистике, хорошо знакомые с такими задачами, разработали множество инструментов упрощения данных. Например, метод главных компонент, который и заложил основу идентификации лиц. Впрочем, в последнее время сверточные нейросети оставили старые методы далеко позади. Их строение довольно своеобразно, но, по сути, это тоже метод упрощения: его задача — свести конкретное изображение к набору особенностей.

Накладываем на изображение маску фиксированного размера (правильно она называется ядром свертки), перемножаем яркость каждого пикселя изображения на значения яркости в маске. Находим среднее значение для всех пикселей в «окошке» и записываем его в одну ячейку следующего уровня.

Сдвигаем маску на фиксированный шаг, снова перемножаем и снова записываем среднее в карту признаков.

Пройдясь по всему изображению с одной маской, повторяем с другой — получаем новую карту признаков.

Уменьшаем размер наших карт: берем несколько соседних пикселей (например, квадрат 2x2 или 3x3) и переносим на следующий уровень только одно максимальное значение. То же самое проводим для карт, полученных со всеми другими масками.

В целях математической гигиены заменяем все отрицательные значения нулями. Повторяем с шага 2 столько раз, сколько мы хотим получить слоев в нейросети.

Из последней карты признаков собираем не сверточную, а полносвязную нейросеть: превращаем все ячейки последнего уровня в нейроны, которые с определенным весом влияют на нейроны следующего слоя. Последний шаг. В сетях, обученных классифицировать объекты (отличать на фото кошек от собак и пр.), здесь находится выходной слой, то есть список вероятностей обнаружения того или иного ответа. В случае с лицами вместо конкретного ответа мы получаем короткий набор самых важных особенностей лица. Например, в Google FaceNet это 128 абстрактных числовых параметров.

3. Опознать

Самый последний этап, собственно идентификация, — самый простой и даже тривиальный шаг. Он сводится к тому, чтобы оценить похожесть полученного списка признаков на те, что уже есть в базе данных. На математическом жаргоне это означает найти в пространстве признаков расстояние от данного вектора до ближайшей области известных лиц. Точно так же можно решить и другую задачу — найти похожих друг на друга людей.

Почему это работает? Сверточная нейросеть «заточена» на то, чтобы вытаскивать из изображения самые характерные черты, причем делать это автоматически и на разных уровнях абстракции. Если первые уровни обычно реагируют на простые паттерны вроде штриховки, градиента, четких границ и т. д. , то с каждым новым уровнем сложность признаков возрастает. Маски, которые нейросеть примеряет на высоких уровнях, часто действительно напоминают человеческие лица или их фрагменты. Кроме того, в отличие от метода главных компонент, нейросети комбинируют признаки нелинейным (и неожиданным) образом.

Откуда берутся маски? В отличие от тех масок, что используются в алгоритме Виолы — Джонса, нейросети обходятся без помощи человека и находят маски в процессе обучения. Для этого нужно иметь большую обучающую выборку, в которой имелись бы снимки самых разных лиц на самом разном фоне. Что касается того результирующего набора особенностей, которые выдает нейросеть, то он формируется по методу троек. Тройки — это наборы изображений, в которых первые два представляют собой фотографию одного и того же человека, а третье — снимок другого. Нейросеть учится находить такие признаки, которые максимально сближают первые изображения между собой и при этом исключают третье.

Чья нейросеть лучше? Идентификация лиц давно уже вышла из академии в большой бизнес. И здесь, как и в любом бизнесе, производители стремятся доказать, что именно их алгоритмы лучше, хотя не всегда приводят данные открытого тестирования. Например, по информации конкурса MegaFace, в настоящее время лучшую точность показывает российский алгоритм deepVo V3 компании «Вокорд» с результатом в 92%. Гугловский FaceNet v8 в этом же конкурсе показывает всего 70%, а DeepFace от Facebook с заявленной точностью в 97% в конкурсе вовсе не участвовал. Интерпретировать такие цифры нужно с осторожностью, но уже сейчас понятно, что лучшие алгоритмы почти достигли человеческой точности распознавания лиц.

Живой грим (искусство)

Зимой 2016 года на 58-й ежегодной церемонии вручения наград «Грэмми» Леди Гага исполнила трибьют умершему незадолго до того Дэвиду Боуи. Во время выступления по ее лицу растеклась живая лава, оставив на лбу и щеке узнаваемый всеми поклонниками Боуи знак — оранжевую молнию. Эффект движущегося грима создавала видеопроекция: компьютер отслеживал движения певицы в режиме реального времени и проецировал на лицо картины, учитывая его форму и положение. В Сети легко найти видеоролик, на котором заметно, что проекция еще несовершенна и при резких движениях слегка запаздывает.

Технологию видеомаппинга лиц Omote Нобумичи Асаи развивает с 2014 года и уже с 2015-го активно демонстрирует по всему миру, собрав приличный список наград. Основанная им компания WOW Inc. стала партнером Intel и получила хороший стимул для развития, а сотрудничество с Ишикавой Ватанабе из Токийского университета позволило ускорить проекцию. Впрочем, основное происходит в компьютере, и похожие решения используют многие разработчики приложений, позволяющих накладывать на лицо маски, будь то шлем солдата Империи или грим «под Дэвида Боуи».

Александр Ханин, основатель и генеральный директор VisionLabs

«Подобной системе не нужен мощный компьютер, наложение масок может производиться даже на мобильных устройствах. Система способна работать прямо на смартфоне, без отправки данных в облако или на сервер».

«Эта задача называется трекингом точек на лице. Есть много подобных решений и в открытом доступе, но профессиональные проекты отличаются скоростью и фотореалистичностью, — рассказал нам глава компании VisionLabs Александр Ханин. — Самое сложное при этом состоит в определении положения точек с учетом мимики и индивидуальной формы лица или в экстремальных условиях: при сильных поворотах головы, недостаточной освещенности и большой засветке». Чтобы научить систему находить точки, нейронную сеть обучают — сначала вручную, скрупулезно размечая фотографию за фотографией. «На входе это картинка, а на выходе — размеченный набор точек, — поясняет Александр. — Дальше уже запускается детектор, определяется лицо, строится его трехмерная модель, на которую накладывается маска. Нанесение маркеров осуществляется на каждый кадр потока в режиме реального времени».

Примерно так и работает изобретение Нобумичи Асаи. Предварительно японский инженер сканирует головы своих моделей, получая точные трехмерные прототипы и готовя видеоряд с учетом формы лица. Задачу облегчают и небольшие маркеры-отражатели, которые клеят на исполнителя перед выходом на сцену. Пять инфракрасных камер следят за их движениями, передавая данные трекинга на компьютер. Дальше все происходит так, как нам рассказали в VisionLabs: лицо детектируется, строится трехмерная модель, и в дело вступает проектор Ишикавы Ватанабе.

Устройство DynaFlash было представлено им в 2015 году: это высокоскоростной проектор, способный отслеживать и компенсировать движения плоскости, на которой отображается картинка. Экран можно наклонить, но изображение не исказится и будет транслироваться с частотой до тысячи 8-битных кадров в секунду: запаздывание не превышает незаметных глазу трех миллисекунд. Для Асаи такой проектор оказался находкой, живой грим стал работать действительно в режиме реального времени. На ролике, записанном в 2017 году для популярного в Японии дуэта Inori, отставания уже совсем не видно. Лица танцовщиц превращаются то в живые черепа, то в плачущие маски. Это смотрится свежо и привлекает внимание — но технология уже быстро входит в моду. Скоро бабочка, севшая на щеку ведущей прогноза погоды, или исполнители, каждый раз на сцене меняющие внешность, наверняка станут самым обычным делом.

Фейс-хакинг (активизм)

Механика учит, что каждое действие создает противодействие, и быстрое развитие систем наблюдения и идентификации личности не исключение. Сегодня нейросети позволяют сопоставить случайную смазанную фотографию с улицы со снимками, загруженными в аккаунты социальных сетей и за секунды выяснить личность прохожего. В то же время художники, активисты и специалисты по машинному зрению создают средства, способные вернуть людям приватность, личное пространство, которое сокращается с такой головокружительной скоростью.

Помешать идентификации можно на разных этапах работы алгоритмов. Как правило, атакам подвергаются первые шаги процесса распознавания — обнаружение фигур и лиц на изображении. Как военный камуфляж обманывает наше зрение, скрывая объект, нарушая его геометрические пропорции и силуэт, так и машинное зрение стараются запутать цветными контрастными пятнами, которые искажают важные для него параметры: овал лица, расположение глаз, рта и т. д. По счастью, компьютерное зрение пока не столь совершенно, как наше, что оставляет большую свободу в выборе расцветок и форм такого «камуфляжа».

Розовые и фиолетовые, желтые и синие тона доминируют в линейке одежды HyperFace, первые образцы которой дизайнер Адам Харви и стартап Hyphen Labs представили в январе 2017 года. Пиксельные паттерны предоставляют машинному зрению идеальную — с ее точки зрения — картинку человеческого лица, на которую компьютер ловится, как на ложную цель. Несколько месяцев спустя московский программист Григорий Бакунов и его коллеги даже разработали специальное приложение, которое генерирует варианты макияжа, мешающего работе систем идентификации. И хотя авторы, подумав, решили не выкладывать программу в открытый доступ, тот же Адам Харви предлагает несколько готовых вариантов.

Человек в маске или со странным гримом на лице, может, и будет незаметен для компьютерных систем, но другие люди наверняка обратят на него внимание. Однако появляются способы сделать и наоборот. Ведь с точки зрения нейросети изображение не содержит образов в обычном для нас понимании; для нее картинка — это набор чисел и коэффициентов. Поэтому совершенно различные предметы могут выглядеть для нее чем-то вполне сходным. Зная эти нюансы работы ИИ, можно вести более тонкую атаку и подправлять изображение лишь слегка — так, что человеку перемены будут почти незаметны, зато машинное зрение обманется полностью. В ноябре 2017 года исследователи показали, как небольшие изменения в окраске черепахи или бейсбольного мяча заставляют систему Google InceptionV3 уверенно видеть вместо них ружье или чашку эспрессо. А Махмуд Шариф и его коллеги из Университета Карнеги — Меллон спроектировали пятнистый узор для оправы очков: на восприятие лица окружающими он почти не влияет, а вот компьютерная идентификация средствами Face++ уверенно путает его с лицом человека, «под которого» спроектирован паттерн на оправе.

С завидной регулярностью на Хабре появляются статьи, рассказывающие о тех или иных методах распознавания лиц. Мы решили не просто поддержать эту замечательную тему, но выложить наш внутренний документ, который освещает пусть и не все, но многие подходы к распознаванию лиц, их сильные и слабые места. Он был составлен Андреем Гусаком, нашим инженером, для молодых сотрудников отдела машинного зрения, в образовательных, так сказать, целях. Сегодня предлагаем его все желающим. В конце статьи – впечатляющих размеров список литературы для самых любознательных.

Итак, начнем.
Несмотря на большое разнообразие представленных алгоритмов, можно выделить общую структуру процесса распознавания лиц:

Общий процесс обработки изображения лица при распознавании

На первом этапе производится детектирование и локализация лица на изображении. На этапе распознавания производится выравнивание изображения лица (геометрическое и яркостное), вычисление признаков и непосредственно распознавание – сравнение вычисленных признаков с заложенными в базу данных эталонами. Основным отличием всех представленных алгоритмов будет вычисление признаков и сравнение их совокупностей между собой.

1. Метод гибкого сравнения на графах (Elastic graph matching) .

Суть метода сводится к эластичному сопоставлению графов, описывающих изображения лиц. Лица представлены в виде графов со взвешенными вершинами и ребрами. На этапе распознавания один из графов – эталонный – остается неизменным, в то время как другой деформируется с целью наилучшей подгонки к первому. В подобных системах распознавания графы могут представлять собой как прямоугольную решетку, так и структуру, образованную характерными (антропометрическими) точками лица.

А)

Б)

Пример структуры графа для распознавания лиц: а) регулярная решетка б) граф на основе антропометрических точек лица.

В вершинах графа вычисляются значения признаков, чаще всего используют комплексные значения фильтров Габора или их упорядоченных наборов – Габоровских вейвлет (строи Габора), которые вычисляются в некоторой локальной области вершины графа локально путем свертки значений яркости пикселей с фильтрами Габора.

Набор (банк, jet) фильтров Габора

Пример свертки изображения лица с двумя фильтрами Габора

Ребра графа взвешиваются расстояниями между смежными вершинами. Различие (расстояние, дискриминационная характеристика) между двумя графами вычисляется при помощи некоторой ценовой функции деформации, учитывающей как различие между значениями признаков, вычисленными в вершинах, так и степень деформации ребер графа.
Деформация графа происходит путем смещения каждой из его вершин на некоторое расстояние в определённых направлениях относительно ее исходного местоположения и выбора такой ее позиции, при которой разница между значениями признаков (откликов фильтров Габора) в вершине деформируемого графа и соответствующей ей вершине эталонного графа будет минимальной. Данная операция выполняется поочередно для всех вершин графа до тех пор, пока не будет достигнуто наименьшее суммарное различие между признаками деформируемого и эталонного графов. Значение ценовой функции деформации при таком положении деформируемого графа и будет являться мерой различия между входным изображением лица и эталонным графом. Данная «релаксационная» процедура деформации должна выполняться для всех эталонных лиц, заложенных в базу данных системы. Результат распознавания системы – эталон с наилучшим значением ценовой функции деформации.

Пример деформации графа в виде регулярной решетки

В отдельных публикациях указывается 95-97%-ая эффективность распознавания даже при наличии различных эмоциональных выражениях и изменении ракурса лица до 15 градусов. Однако разработчики систем эластичного сравнения на графах ссылаются на высокую вычислительную стоимость данного подхода. Например, для сравнения входного изображения лица с 87 эталонными тратилось приблизительно 25 секунд при работе на параллельной ЭВМ с 23 транспьютерами (Примечание: публикация датирована 1993 годом). В других публикациях по данной тематике время либо не указывается, либо говорится, что оно велико.

Недостатки: высокая вычислительная сложность процедуры распознавания. Низкая технологичность при запоминании новых эталонов. Линейная зависимость времени работы от размера базы данных лиц.

2. Нейронные сети

В настоящее время существует около десятка разновидности нейронных сетей (НС). Одним из самых широко используемых вариантов являться сеть, построенная на многослойном перцептроне, которая позволяет классифицировать поданное на вход изображение/сигнал в соответствии с предварительной настройкой/обучением сети.
Обучаются нейронные сети на наборе обучающих примеров. Суть обучения сводится к настройке весов межнейронных связей в процессе решения оптимизационной задачи методом градиентного спуска. В процессе обучения НС происходит автоматическое извлечение ключевых признаков, определение их важности и построение взаимосвязей между ними. Предполагается, что обученная НС сможет применить опыт, полученный в процессе обучения, на неизвестные образы за счет обобщающих способностей.
Наилучшие результаты в области распознавания лиц (по результатам анализа публикаций) показала Convolutional Neural Network или сверточная нейронная сеть (далее – СНС) , которая является логическим развитием идей таких архитектур НС как когнитрона и неокогнитрона. Успех обусловлен возможностью учета двумерной топологии изображения, в отличие от многослойного перцептрона.
Отличительными особенностями СНС являются локальные рецепторные поля (обеспечивают локальную двумерную связность нейронов), общие веса (обеспечивают детектирование некоторых черт в любом месте изображения) и иерархическая организация с пространственными сэмплингом (spatial subsampling). Благодаря этим нововведениям СНС обеспечивает частичную устойчивость к изменениям масштаба, смещениям, поворотам, смене ракурса и прочим искажениям.

Схематичное изображение архитектуры сверточной нейронной сети

Тестирование СНС на базе данных ORL, содержащей изображения лиц с небольшими изменениями освещения, масштаба, пространственных поворотов, положения и различными эмоциями, показало 96% точность распознавания.
Свое развитие СНС получили в разработке DeepFace , которую приобрел
Facebook для распознавания лиц пользователей своей соцсети. Все особенности архитектуры носят закрытый характер.

Принцип работы DeepFace

Недостатки нейронных сетей: добавление нового эталонного лица в базу данных требует полного переобучения сети на всем имеющемся наборе (достаточно длительная процедура, в зависимости от размера выборки от 1 часа до нескольких дней). Проблемы математического характера, связанные с обучением: попадание в локальный оптимум, выбор оптимального шага оптимизации, переобучение и т. д. Трудно формализуемый этап выбора архитектуры сети (количество нейронов, слоев, характер связей). Обобщая все вышесказанное, можно заключить, что НС – «черный ящик» с трудно интерпретируемыми результатами работы.

3. Скрытые Марковские модели (СММ, HMM)

Одним из статистических методов распознавания лиц являются скрытые Марковские модели (СММ) с дискретным временем . СММ используют статистические свойства сигналов и учитывают непосредственно их пространственные характеристики. Элементами модели являются: множество скрытых состояний, множество наблюдаемых состояний, матрица переходных вероятностей, начальная вероятность состояний. Каждому соответствует своя Марковская модель. При распознавании объекта проверяются сгенерированные для заданной базы объектов Марковские модели и ищется максимальная из наблюдаемых вероятность того, что последовательность наблюдений для данного объекта сгенерирована соответствующей моделью.
На сегодняшний день не удалось найти примера коммерческого применения СММ для распознавания лиц.

Недостатки:
- необходимо подбирать параметры модели для каждой базы данных;
- СММ не обладает различающей способностью, то есть алгоритм обучения только максимизирует отклик каждого изображения на свою модель, но не минимизирует отклик на другие модели.

4. Метод главных компонент или principal component analysis (PCA)

Одним из наиболее известных и проработанных является метод главных компонент (principal component analysis, PCA), основанный на преобразовании Карунена-Лоева.
Первоначально метод главных компонент начал применяться в статистике для снижения пространства признаков без существенной потери информации. В задаче распознавания лиц его применяют главным образом для представления изображения лица вектором малой размерности (главных компонент), который сравнивается затем с эталонными векторами, заложенными в базу данных.
Главной целью метода главных компонент является значительное уменьшение размерности пространства признаков таким образом, чтобы оно как можно лучше описывало «типичные» образы, принадлежащие множеству лиц. Используя этот метод можно выявить различные изменчивости в обучающей выборке изображений лиц и описать эту изменчивость в базисе нескольких ортогональных векторов, которые называются собственными (eigenface).

Полученный один раз на обучающей выборке изображений лиц набор собственных векторов используется для кодирования всех остальных изображений лиц, которые представляются взвешенной комбинацией этих собственных векторов. Используя ограниченное количество собственных векторов можно получить сжатую аппроксимацию входному изображению лица, которую затем можно хранить в базе данных в виде вектора коэффициентов, служащего одновременно ключом поиска в базе данных лиц.

Суть метода главных компонент сводится к следующему. Вначале весь обучающий набор лиц преобразуется в одну общую матрицу данных, где каждая строка представляет собой один экземпляр изображения лица, разложенного в строку. Все лица обучающего набора должны быть приведены к одному размеру и с нормированными гистограммами.

Преобразования обучающего набора лиц в одну общую матрицу X

Затем производится нормировка данных и приведение строк к 0-му среднему и 1-й дисперсии, вычисляется матрица ковариации. Для полученной матрицы ковариации решается задача определения собственных значений и соответствующих им собственных векторов (собственные лица). Далее производится сортировка собственных векторов в порядке убывания собственных значений и оставляют только первые k векторов по правилу:

Алгоритм РСА

Пример первых десяти собственных векторов (собственных лиц), полученных на обучаемом наборе лиц

= 0.956*-1.842*+0.046 …

Пример построения (синтеза) человеческого лица с помощью комбинации собственных лиц и главных компонент

Принцип выбора базиса из первых лучших собственных векторов

Пример отображения лица в трехмерное метрическое пространство, полученном по трем собственным лицам и дальнейшее распознавание

Метод главных компонент хорошо зарекомендовал себя в практических приложениях. Однако, в тех случаях, когда на изображении лица присутствуют значительные изменения в освещенности или выражении лица, эффективность метода значительно падает. Все дело в том, что PCA выбирает подпространство с такой целью, чтобы максимально аппроксимировать входной набор данных, а не выполнить дискриминацию между классами лиц.

В было предложено решение этой проблемы с использование линейного дискриминанта Фишера (в литературе встречается название “Eigen-Fisher”, “Fisherface”, LDA). LDA выбирает линейное подпространство, которое максимизирует отношение:

Где

Матрица межклассового разброса, и

Матрица внутриклассового разброса; m – число классов в базе данных.

LDA ищет проекцию данных, при которой классы являются максимально линейно сепарабельны (см. рисунок ниже). Для сравнения PCA ищет такую проекцию данных, при которой будет максимизирован разброс по всей базе данных лиц (без учета классов). По результатам экспериментов в условиях сильного бакового и нижнего затенения изображений лиц Fisherface показал 95% эффективность по сравнению с 53% Eigenface.

Принципиальное отличие формирования проекций PCA и LDA

Отличие PCA от LDA

5. Active Appearance Models (AAM) и Active Shape Models (ASM) ()

Active Appearance Models (AAM)
Активные модели внешнего вида (Active Appearance Models, AAM) - это статистические модели изображений, которые путем разного рода деформаций могут быть подогнаны под реальное изображение. Данный тип моделей в двумерном варианте был предложен Тимом Кутсом и Крисом Тейлором в 1998 году . Первоначально активные модели внешнего вида применялись для оценки параметров изображений лиц.
Активная модель внешнего вида содержит два типа параметров: параметры, связанные с формой (параметры формы), и параметры, связанные со статистической моделью пикселей изображения или текстурой (параметры внешнего вида). Перед использованием модель должна быть обучена на множестве заранее размеченных изображений. Разметка изображений производится вручную. Каждая метка имеет свой номер и определяет характерную точку, которую должна будет находить модель во время адаптации к новому изображению.

Пример разметки изображения лица из 68 точек, образующих форму AAM.

Процедура обучения AAM начинается с нормализации форм на размеченных изображениях с целью компенсации различий в масштабе, наклоне и смещении. Для этого используется так называемый обобщенный Прокрустов анализ.

Координаты точек формы лица до и после нормализации

Из всего множества нормированных точек затем выделяются главные компоненты с использованием метода PCA.

Модель формы AAM состоит из триангуляционной решетки s0 и линейной комбинации смещений si относительно s0

Далее из пикселей внутри треугольников, образуемых точками формы, формируется матрица, такая что, каждый ее столбец содержит значения пикселей соответствующей текстуры. Стоит отметить, что используемые для обучения текстуры могут быть как одноканальными (градации серого), так и многоканальными (например, пространство цветов RGB или другое). В случае многоканальных текстур векторы пикселов формируются отдельно по каждому из каналов, а потом выполняется их конкатенация. После нахождения главных компонент матрицы текстур модель AAM считается обученной.

Модель внешнего вида AAM состоит из базового вида A0, определенного пикселями внутри базовой решетки s0 и линейной комбинации смещений Ai относительно A0

Пример конкретизации AAM. Вектор параметров формы
p=(p_1,p_2,〖…,p〗_m)^T=(-54,10,-9.1,…)^T используется для синтеза модели формы s, а вектор параметров λ=(λ_1,λ_2,〖…,λ〗_m)^T=(3559,351,-256,…)^Tдля синтеза внешнего вида модели. Итоговая модель лица 〖M(W(x;p))〗^ получается как комбинация двух моделей – формы и внешнего вида.

Подгонка модели под конкретное изображение лица выполняется в процессе решения оптимизационной задачи, суть которой сводится к минимизации функционала

Методом градиентного спуска. Найденные при этом параметры модели и будут отражать положение модели на конкретном изображении.

Пример подгонки модели на конкретное изображение за 20 итераций процедуры градиентного спуска.

С помощью AAM можно моделировать изображения объектов, подверженных как жесткой, так и нежесткой деформации. ААМ состоит из набора параметров, часть которых представляют форму лица, остальные задают его текстуру. Под деформации обычно понимают геометрическое преобразование в виде композиции переноса, поворота и масштабирования. При решении задачи локализации лица на изображении выполняется поиск параметров (расположение, форма, текстура) ААМ, которые представляют синтезируемое изображение, наиболее близкое к наблюдаемому. По степени близости AAM подгоняемому изображению принимается решение – есть лицо или нет.

Active Shape Models (ASM)

Суть метода ASM заключается в учете статистических связей между расположением антропометрических точек. На имеющейся выборке изображений лиц, снятых в анфас. На изображении эксперт размечает расположение антропометрических точек. На каждом изображении точки пронумерованы в одинаковом порядке.

Пример представления формы лица с использованием 68 точек

Для того чтобы привести координаты на всех изображениях к единой системе обычно выполняется т.н. обобщенный прокрустов анализ, в результате которого все точки приводятся к одному масштабу и центрируются. Далее для всего набора образов вычисляется средняя форма и матрица ковариации. На основе матрицы ковариации вычисляются собственные вектора, которые затем сортируются в порядке убывания соответствующих им собственных значений. Модель ASM определяется матрицей Φ и вектором средней формы s ̅.
Тогда любая форма может быть описана с помощью модели и параметров:

Локализации ASM модели на новом, не входящем в обучающую выборку изображении осуществляется в процессе решения оптимизационной задачи.

а) б) в) г)
Иллюстрация процесса локализации модели ASM на конкретном изображении: а) начальное положение б) после 5 итераций в) после 10 итераций г) модель сошлась

Однако все же главной целью AAM и ASM является не распознавание лиц, а точная локализация лица и антропометрических точек на изображении для дальнейшей обработки.

Практически во всех алгоритмах обязательным этапом, предваряющим классификацию, является выравнивание, под которым понимается выравнивание изображения лица во фронтальное положение относительно камеры или приведение совокупности лиц (например, в обучающей выборке для обучения классификатора) к единой системе координат. Для реализации этого этапа необходима локализация на изображении характерных для всех лиц антропометрических точек – чаще всего это центры зрачков или уголки глаз. Разные исследователи выделяют разные группы таких точек. В целях сокращения вычислительных затрат для систем реального времени разработчики выделяют не более 10 таких точек .

Модели AAM и ASM как раз и предназначены для того чтобы точно локализовать эти антропометрические точки на изображении лица.

6. Основные проблемы, связанные с разработкой систем распознавания лиц

Проблема освещенности

Проблема положения головы (лицо – это, все же, 3D объект).

С целью оценки эффективности предложенных алгоритмов распознавания лиц агентство DARPA и исследовательская лаборатория армии США разработали программу FERET (face recognition technology).

В масштабных тестах программы FERET принимали участие алгоритмы, основанные на гибком сравнении на графах и всевозможные модификации метода главных компонент (PCA). Эффективность всех алгоритмов была примерно одинаковой. В этой связи трудно или даже невозможно провести четкие различия между ними (особенно если согласовать даты тестирования). Для фронтальных изображений, сделанных в один и тот же день, приемлемая точность распознавания, как правило, составляет 95%. Для изображений, сделанных разными аппаратами и при разном освещении, точность, как правило, падает до 80%. Для изображений, сделанных с разницей в год, точность распознавания составило примерно 50%. При этом стоит заметить, что даже 50 процентов - это более чем приемлемая точность работы системы подобного рода.

Ежегодно FERET публикует отчет о сравнительном испытании современных систем распознавания лиц на базе лиц более одного миллиона. К большому сожалению в последних отчетах не раскрываются принципы построения систем распознавания, а публикуются только результаты работы коммерческих систем. На сегодняшний день лидирующей является система NeoFace разработанная компанией NEC.

Список литературы (гуглится по первой ссылке)

1. Image-based Face Recognition - Issues and Methods
2. Face Detection A Survey.pdf
3. Face Recognition A Literature Survey
4. A survey of face recognition techniques
5. A survey of face detection, extraction and recognition
6. Обзор методов идентификации людей на основе изображений лиц
7. Методы распознавания человека по изображению лица
8. Сравнительный анализ алгоритмов распознавания лиц
9. Face Recognition Techniques
10. Об одном подходе к локализации антропометрических точек.
11. Распознавание лиц на групповых фотографиях с использованием алгоритмов сегментации
12. Отчет о НИР 2-й этап по распознаванию лиц
13. Face Recognition by Elastic Bunch Graph Matching
14. Алгоритмы идентификации человека по фотопортрету на основе геометриче-ских преобразований. Диссертация.
15. Distortion Invariant Object Recognition in the Dynamic Link Architecture
16. Facial Recognition Using Active Shape Models, Local Patches and Support Vector Machines
17. Face Recognition Using Active Appearance Models
18. Active Appearance Models for Face Recognition
19. Face Alignment Using Active Shape Model And Support Vector Machine
20. Active Shape Models - Their Training and Application
21. Fisher Vector Faces in the Wild
22. Eigenfaces vs. Fisherfaces Recognition Using Class Specific Linear Projection
23. Eigenfaces and fisherfaces
24. Dimensionality Reduction
25. ICCV 2011 Tutorial on Parts Based Deformable Registration
26. Constrained Local Model for Face Alignment, a Tutorial
27. Who are you – Learning person specific classifiers from video
28. Распознавание человека по изображению лица нейросетевыми методами
29. Face Recognition A Convolutional Neural Network Approach
30. Face Recognition using Convolutional Neural Network and Simple Logistic Classifier
31. Face Image Analysis With Convolutional Neural Networks
32. Методы распознавания лиц на основе скрытых марковских процессов. Авторе-ферат
33. Применение скрытых марковских моделей для распознавания лиц
34. Face Detection and Recognition Using Hidden Markovs Models
35. Face Recognition with GNU Octave-MATLAB
36. Face Recognition with Python
37. Anthropometric 3D Face Recognition
38. 3D Face Recognition
39. Face Recognition Based on Fitting a 3D Morphable Model
40. Face Recognition
41. Robust Face Recognition via Sparse Representation
42. The FERET Evaluation Methodology For Face-Recognition Algorithms
43. Поиск лиц в электронных коллекциях исторических фотографий
44. Design, Implementation and Evaluation of Hardware Vision Systems dedicated to Real-Time Face Recognition
45. An Introduction to the Good, the Bad, & the Ugly Face Recognition Challenge Prob-lem
46. Исследование и разработка методов обнаружения человеческого лица на циф-ровых изображениях. Диплом
47. DeepFace Closing the Gap to Human-Level Performance in Face Verification
48. Taking the bite out of automated naming of characters in TV video
49. Towards a Practical Face Recognition System Robust Alignment and Illumination by Sparse Representation
50. Алгоритмы обнаружения лица человека для решения прикладных задач анализа и обработки изображений
51. Обнаружение и локализация лица на изображении
52. Модифицированный мотод Виолы-Джонса
53. Разработка и анализ алгоритмов детектирования и классификации объектов на основе методов машинного обучения
54. Overview of the Face Recognition Grand Challenge
55. Face Recognition Vendor Test (FRVT)
56. Об эффективности применения алгоритма SURF в задаче идентификации лиц

Всем хорошо известны сцены из фантастических фильмов: герой подходит к двери и дверь открывается, узнав его. Это одна из наглядных демонстраций удобства и надежности применения биометрических технологий для контроля доступа. Однако на практике не так все просто. Сегодня некоторые фирмы готовы предложить потребителям контроль доступа с применением биометрических технологий.

Традиционные методы идентификации личности, в основе которых находятся различные идентификационные карты, ключи или уникальные данные, такие как, например, пароль не являются надежными в той степени, которая требуется на сегодняшний день. Естественным шагом в повышении надежности идентификаторов стали попытки использования биометрических технологий для систем безопасности.

Диапазон проблем, решение которых может быть найдено с использованием новых технологий, чрезвычайно широк:

1. предотвратить проникновение злоумышленников на охраняемые территории и в помещения за счет подделки, кражи документов, карт, паролей;
2. ограничить доступ к информации и обеспечить персональную ответственность за ее сохранность;
3. обеспечить допуск к ответственным объектам только сертифицированных специалистов;
4. избежать накладных расходов, связанных с эксплуатацией систем контроля доступа (карты, ключи);
5. исключить неудобства, связанные с утерей, порчей или элементарным забыванием ключей, карт, паролей;
6. организовать учет доступа и посещаемости сотрудников.

Разработкой технологий для распознавания образов по различным биометрическим характеристикам начали заниматься уже достаточно давно, начало было положено в 60-е годы. Значительных успехов в разработке теоретических основ этих технологий добились наши соотечественники. Однако практические результаты получены в основном на западе и только “вчера”. Мощность современных компьютеров и усовершенствованные алгоритмы позволили создать продукты, которые по своим характеристикам и соотношению стали доступны и интересны широкому кругу пользователей.

Идея использовать индивидуальные характеристики человека для его идентификации не нова. На сегодняшний день известен ряд технологий, которые могут быть задействованы в системах безопасности для идентификации личности по:

1. отпечаткам пальцев (как отдельных, так и руки в целом);
2. чертам лица (на основе оптического и инфракрасного изображений);
3. радужной оболочке глаз;
4. голосу;
5. другим характеристикам.

У всех биометрических технологий существуют общие подходы к решению задачи идентификации, хотя все методы отличаются удобством применения, точностью результатов.

Любая биометрическая технология применяется поэтапно:

1. сканирование объекта;
2. извлечение индивидуальной информации;
3. формирование шаблона;
4. сравнение текущего шаблона с базой данных.

Биометрическая система распознавания устанавливает соответствие конкретных физиологических или поведенческих характеристик пользователя некоторому заданному шаблону. Обычно биометрическая система состоит из двух модулей: модуль регистрации и модуль идентификации.

Модуль регистрации “обучает” систему идентифицировать конкретного человека. На этапе регистрации видеокамера или иные датчики сканируют человека для того, чтобы создать цифровое представление его облика. Сканирование лица длится около 20 - 30 секунд, в результате чего формируются несколько изображений. В идеальном случае, эти изображения будут иметь слегка различные ракурсы и выражения лица, что позволит получить более точные данные. Специальный программный модуль обрабатывает это представление и определяет характерные особенности личности, затем создает шаблон. Существуют некоторые части лица, которые практически не изменяются с течением времени, это, например, верхние очертания глазниц, области окружающие скулы, и края рта. Большинство алгоритмов, разработанных для биометрических технологий, позволяют учитывать возможные изменения в прическе человека, так как они не используют для анализа области лица выше границы роста волос. Шаблон изображения каждого пользователя хранится в базе данных биометрической системы.

Модуль идентификации получает от видеокамеры изображение человека и преобразует его в тот же цифровой формат, в котором хранится шаблон. Полученные данные сравниваются с хранимым в базе данных шаблоном для того, чтобы определить, соответствуют ли эти изображения друг другу. Степень подобия, требуемая для проверки, представляет собой некий порог, который может быть отрегулирован для различного типа персонала, мощности PC, времени суток и ряда иных факторов.

Идентификация может выполняться в виде верификации, аутентификации или распознавания. При верификации подтверждается идентичность полученных данных и шаблона, хранимого в базе данных. Аутентификация - подтверждает соответствие изображения, получаемого от видеокамеры одному из шаблонов, хранящихся в базе данных. При распознавании, если полученные характеристики и один из хранимых шаблонов оказываются одинаковыми, то система идентифицирует человека с соответствующим шаблоном.

При использовании биометрических систем, особенно системы распознавания по лицу, даже при введении корректных биометрических характеристик не всегда решение об аутентификации верно. Это связано с рядом особенностей и, в первую очередь, с тем, что многие биометрические характеристики могут изменяться. Существует определенная степень вероятности ошибки системы. Причем при использовании различных технологий ошибка может существенно различаться. Для систем контроля доступа при использовании биометрических технологий необходимо определить, что важнее не пропустить “чужого” или пропустить всех “своих”.

Важным фактором для пользователей биометрических технологий в системах безопасности является простота использования. Человек, характеристики которого сканируются, не должен при этом испытывать никаких неудобств. В этом плане наиболее интересным методом является, безусловно, технология распознавания по лицу. Правда, в этом случае возникают иные проблемы, связанные в первую очередь, с точностью работы системы.

Несмотря на очевидные преимущества, существует ряд негативных предубеждений против биометрии, которые часто вызывают вопросы о том, не будут ли биометрические данные использоваться для слежки за людьми и нарушения их права на частную жизнь. Из-за сенсационных заявлений и необоснованной шумихи восприятие биометрических технологий резко отличается от реального положения дел.

И все же, использование биометрических методов идентификации приобрело особую актуальность в последние годы. Особенно остро данная проблема проявилась после событий 11 сентября в США. Мировое сообщество осознало степень возрастания угрозы терроризма во всем мире и сложность организации надежной защиты традиционными методами. Именно эти трагические события послужили отправной точкой для усиления внимания к современным интегрированным системам безопасности. Общеизвестно мнение, что если бы контроль в аэропортах был строже, то несчастий можно было бы избежать. Да и сегодня поиск виновных в ряде других происшествий мог бы быть существенно облегчен при использовании современных систем видеонаблюдения в интеграции с системами распознавания лиц.

В настоящее время существует четыре основных метода распознавания лица:

1. "eigenfaces";
2. анализ "отличительных черт";
3. анализ на основе "нейронных сетей";
4. метод "автоматической обработки изображения лица".

Все эти методы различаются сложностью реализации и целью применения.

"Eigenface" можно перевести как "собственное лицо". Эта технология использует двумерные изображения в градациях серого, которые представляют отличительные характеристики изображения лица. Метод "eigenface" часто используются в качестве основы для других методов распознавания лица.

Комбинируя характеристики 100 - 120 "eigenface" можно восстановить большое количество лиц. В момент регистрации, "eigenface" каждого конкретного человека представляется в виде ряда коэффициентов. Для режима установления подлинности, в котором изображение используется для проверки идентичности, "живой" шаблон сравнивается с уже зарегистрированным шаблоном, с целью определения коэффициента различия. Степень различия между шаблонами и определяет факт идентификации. Технология "eigenface" оптимальна при использовании в хорошо освещенных помещениях, когда есть возможность сканирования лица в фас.

Методика анализа "отличительных черт" - наиболее широко используемая технология идентификации. Эта технология подобна методике "Eigenface", но в большей степени адаптирована к изменению внешности или мимики человека (улыбающееся или хмурящееся лицо). В технологии “отличительных черт” используются десятки характерных особенностей различных областей лица, причем с учетом их относительного местоположения. Индивидуальная комбинация этих параметров определяет особенности каждого конкретного лица. Лицо человека уникально, но достаточно динамично, т.к. человек может улыбаться, отпускать бороду и усы, надевать очки - все это увеличивает сложность процедуры идентификации. Таким образом, например, при улыбке наблюдается некоторое смещение частей лица, расположенных около рта, что в свою очередь будет вызывать подобное движение смежных частей. Учитывая такие смещения, можно однозначно идентифицировать человека и при различных мимических изменениях лица. Так как этот анализ рассматривает локальные участки лица, допустимые отклонения могут находиться в пределах до 25° в горизонтальной плоскости, и приблизительно до 15° в вертикальной плоскости и требует достаточно мощной и дорогой аппаратуры, что соответственно сокращает степень распространения данного метода.

В методе, основанном на нейронной сети, характерные особенности обоих лиц - зарегистрированного и проверяемого сравниваются на совпадение. "Нейронные сети" используют алгоритм, устанавливающий соответствие уникальных параметров лица проверяемого человека и параметров шаблона, находящегося в базе данных, при этом применяется максимально возможное число параметров. По мере сравнения определяются несоответствия между лицом проверяемого и шаблона из базы данных, затем запускается механизм, который с помощью соответствующих весовых коэффициентов определяет степень соответствия проверяемого лица шаблону из базы данных. Этот метод увеличивает качество идентификации лица в сложных условиях.

Метод "автоматической обработки изображения лица" - наиболее простая технология, использующая расстояния и отношение расстояний между легко определяемыми точками лица, такими как глаза, конец носа, уголки рта. Хотя данный метод не столь мощный как "eigenfaces" или "нейронная сеть", он может быть достаточно эффективно использован в условиях слабой освещенности.

Системы распознавания по лицу, присутствующие на рынке

На сегодняшний день разработан ряд коммерческих продуктов, предназначенных для распознавания лиц. Алгоритмы, используемые в этих продуктах, различны и пока еще сложно дать оценку, какая из технологий имеет преимущества. Лидерами в настоящий момент являются следующие системы: Visionic, Viisage и Miros.

• В основе приложения FaceIt компании Visionic лежит алгоритм анализа локальных признаков, разработанный в Университете Рокфеллера. Одна коммерческая компания в Великобритании интегрировала FaceIt в телевизионную антикриминальную систему под названием Mandrake. Эта система ищет преступников по видеоданным, которые поступают с 144 камер, объединенных в замкнутую сеть. Когда устанавливается идентичность, система сообщает об этом офицеру безопасности. В России представителем компании Visionic является компания “ДанКом”.
• Еще один лидер в этой области, компания Viisage, использует алгоритм, разработанный в Массачусетском технологическом институте. Коммерческие компании и государственные структуры во многих американских штатах и в ряде других стран используют систему компании Viisage вместе с идентификационными удостоверениями, например, водительскими правами.
• ZN Vision Technologies AG (Германия) предлагает на рынке ряд продуктов, в которых применяется технология распознавания лиц. Эти системы представляются на российском рынке компанией “Солинг”.
• В системе распознавания лиц TrueFace компании Miros используется технология нейронных сетей, а сама система применяется в комплексе выдачи наличных денег корпорации Mr.Payroll и установлена в казино и других увеселительных заведениях многих штатов США.

В США независимыми экспертами было проведено сравнительное тестирование различных технологий распознавания лиц. Результаты тестирования представлены ниже.

Рис. 1. Сравнительный анализ эффективности распознавания лиц в разных системах

На практике, при использовании систем распознавания лиц в составе стандартных электронных охранных систем, предполагается, что человек, которого следует идентифицировать, смотрит прямо в камеру. Таким образом, система работает с относительно простым двумерным изображением, что заметно упрощает алгоритмы и снижает интенсивность вычислений. Но даже в этом случае задача распознавания все же не тривиальна, поскольку алгоритмы должны учитывать возможность изменения уровня освещения, изменение выражения лица, наличие или отсутствие макияжа или очков.

Надежность работы системы распознавания лиц очень сильно зависит от нескольких факторов:

• Качество изображения. Заметно снижается вероятность безошибочной работы системы, если человек, которого мы пытаемся идентифицировать, смотрит не прямо в камеру или снят при плохом освещении.
• Актуальность фотографии, занесенной в базу данных.
• Величина базы данных.

Технологии распознавания лица хорошо работают со стандартными видеокамерами, которые передают данные и управляются персональным компьютером, и требуют разрешения 320x240 пикселов на дюйм при скорости видео потока, по крайней мере, 3 - 5 кадров в секунду. Для сравнения - приемлемое качество для видео конференции требует скорости видеопотока уже от 15 кадров в секунду. Более высокая скорость видеопотока при более высоком разрешении ведет к улучшению качества идентификации. При распознавании лиц с большого расстояния существует сильная зависимость между качеством видеокамеры и результатом идентификации.

Объем баз данных при использовании стандартных персональных компьютеров не превышает 10000 изображений.

Заключение

Предлагаемые сегодня методы распознавания лиц интересны и близки к широкому внедрению, однако пока не возможно как в кино доверять открытие двери только технологии распознавания по лицу. Она хороша как помощник для охранника или другой системы контроля доступа.

Именно этот метод используется во многих ситуациях, когда требуется убедиться, что предъявленный документ действительно принадлежит предъявившему его человеку. Это происходит, например, в международном аэропорте, когда пограничник сверяет фото на паспорте с лицом владельца паспорта и принимает решение, его это паспорт или нет. По аналогичному алгоритму действует и компьютерная система доступа. Отличие состоит только в том, что фотография сравнивается с уже хранимым в базе данных шаблоном.

Уже появились технологии, которые основаны на распознавании лиц в инфракрасном свете. Новая технология основана на том, что тепловая картинка, созданная излучением тепла кровеносными сосудами лица или, по-другому, термограмма лица человека, является уникальной для каждого и, следовательно, может быть использована в качестве биометрической характеристики для систем контроля доступа. Данная термограмма является более стабильным идентификатором, чем геометрия лица, поскольку почти не зависит от изменения внешности человека.

Sat, Apr 11, 2015

План статьи

1. Описание алгоритма
2. Схема распознавания
3. Признаки класса
4. Схема обучения
5. Обучение
6. Распознавание
7. Литература

Описание алгоритма

В 2001 году Виола и Джон предложили алгоритм для распознавания лиц, который стал прорывом в области распознавания лиц. Метод использует технологию скользящего окна. То есть рамка, размером, меньшим, чем исходное изображение, двигается с некоторым шагом по изображению, и с помощью каскада слабых классификаторов определяет, есть ли в рассматриваемом окне лицо. Метод скользящего окно эффективно используется в различных задачах компьютерного зрения и распознавания объектов.

Метод состоит из 2-х под алгоритмов: алгоритм обучения и алгоритм распознавания. На практике скорость работы алгоритма обучения не важна. Крайне важна скорость работы алгоритма распознавания. По введенной ранее классификации можно отнести к структурным, статистическим и нейронным методам.

Метод имеет следующие преимущества:

• возможно обнаружение более одного лица на изображении;
• использование простых классификаторов показывает хорошую скорость и позволяет использовать этот метод в видеопотоке.

Однако метод сложно обучаем, так как для обучения требуется большое количество тестовых данных и предполагает большое время обучения, которое измеряется днями.
Изначально алгоритм был предложен для распознавания только лиц, но его можно использовать для распознавания других объектов. Одним из вкладов Виолы и Джонса было применение таблицы сумм, которую они назвали интегральным изображением, детальное описание которого будет дано ниже.

Схема распознавания

Обобщенная схема распознавания в алгоритме Виолы-Джонса показана на рисунке ниже.

Обобщенная схема алгоритма выгляди следующим образом: перед началом распознавания алгоритм обучения на основе тестовых изображений обучает базу данных, состоящую из признаков, их паритета и границы. Подробнее о паритете, признаке и границе будет рассказано в следующих пунктах. Далее алгоритм распознавания ищет объекты на разных масштабах изображения, используя созданную базы данных. Алгоритм Виолы-Джонса на выходе дает всё множество найденных необъединенных объектов на разных масштабах. Следующая задача - принять решение о том, какие из найденных объектов действительно присутствуют в кадре, а какие - дубли.

Признаки класса

В качестве признаков для алгоритма распознавания авторами были предложены признаки Хаара, на основе вейвлетов Хаара. Они были предложен венгерским математиком Альфредом Хааром в 1909 году.

В задаче распознавания лиц, общее наблюдение, что среди всех лиц области глаз темнее области щек. Рассмотрим маски, состоящие из светлых и темных областей.

Каждая маска характеризируется размером светлой и темной областей, пропорциями, а также минимальным размером. Совместно с другими наблюдениями были предложены следующие признаки Хаара, как пространство признаков в задаче распознавания для класса лиц.

Признаки Хаара дают точечное значение перепада яркости по оси X и Y соответственно. Поэтому общий признак Хаара для распознавания лиц представляет набор двух смежных прямоугольников, которые лежат выше глаз и на щеках. Значение признака вычисляется по формуле:

где X - сумма значений яркостей точек закрываемых светлой частью признака, а Y - сумма значений яркостей точек закрываемых темной частью признака.

Видно, что если считать суммы значений интенсивностей для каждого признака это потребует значительных вычислительных ресурсов. Виолой и Джонсом было предложено использовать интегральное представление изображения , подробнее о нем будет далее. Такое представление стало довольно удобным способом вычисления признаков и применяется также и в других алгоритмах компьютерного зрения, например SURF .

Схема обучения

Обобщенная схема алгоритма обучения выглядит следующим образом. Имеется тестовая выборка изображений. Размер тестовой выборки около 10 000 изображений. На рисунке показан пример обучающих изображений лиц. Алгоритм обучения работает с изображениями в оттенках серого.

При размере тестового изображения 24 на 24 пикселя количество конфигураций одного признака около 40 000 (зависит от минимального размера маски). Современная реализация алгоритма использует порядка 20 масок. Для каждой маски, каждой конфигурации тренируется такой слабый классификатор, который дает наименьшую ошибку на всей тренировочной базе. Он добавляется в базу данных. Таким образом алгоритм обучается. И на выходе алгоритма получается база данных из T слабых классификаторов. Обобщённая схема алгоритма обучения показана на рисунке.

Обучение алгоритма Виола-Джонса - это обучение алгоритма с учителем. Для него возможно такая проблема как переобучение. Показано, что AdaBoost может использоваться для различных проблем, в том числе к теории игр, прогнозировании. В данной работе условие остановки является достижение заранее заданного количества слабых классификаторов в базе.

Для алгоритма необходимо заранее подготовить тестовую выборку из l изображений, содержащих искомый объект и n не содержащих. Тогда количество всех тестовых изображений будет

где X - множество всех тестовых изображений, где для каждого заранее известно присутствует ли искомый объект или нет и отражено во множестве Y.

Тогда откликом признака будет fj (x), который вычисляется как разность интенсивностей пикселей в светлой и темной областях. Слабый классификатор имеет вид:

Задача слабого классификатора - угадывать присутствие объекта в больше чем 50% случаев. Используя процедуру обучения AdaBoost создается очень сильный классификатор состоящий из T слабых классификаторов и имеющий вид:

Интегральное представление можно представить в виде матрицы, размеры которой совпадают с размерами исходного изображения I, где каждый элемент рассчитывается так:

где I(r,c) — яркость пиксела исходного изображения.

Каждый элемент матрицы II представляет собой сумму пикселов в прямоугольнике от (0,0) до (x,y). Расчет такой матрицы занимает линейное время. Для того, чтобы вычислить сумму прямоугольной области в интегральном представлении изображения требуется всего 4 операции обращения к массиву и 3 арифметические операции. Это позволяет быстро рассчитывать признаки Хаара для изображения в обучении и распознавании.

Например, рассмотрим прямоугольник ABCD.

Сумму внутри прямоугольника ABCD можно выразить через суммы и разности смежных прямоугольников по формуле:

Обучение

Перед началом обучения инициализируются веса w(q,i), где q - номер итерации, i-номер изображения.

После процедуры обучения получится T слабых классификаторов и T значений.

На каждой итерации цикла происходит обновление весов так, что их сумма будет равна 1. Далее для всех возможных признаков происходит подбор таких значений p,θ,j что значение ошибки e_j будет минимально на этой итерации. Полученный признак J(t) (на шаге t) сохраняется в базу слабых классификаторов, обновляются веса и вычисляется коэффициент a_t.

В предложенном в 2001 году оригинальном алгоритме не была описана процедура получения оптимального признака на каждой итерации. Предполагается использование алгоритма AdaBoost и полный перебор возможных параметров границы и паритета.

Распознавание

После обучения на тестовой выборке имеется обученная база знаний из T слабых классификаторов. Для каждого классификатора известны: признак Хаара, использующийся в этом классификаторе, его положение внутри окна размером 24х24 пикселя и значение порога E.

На вход алгоритму поступает изображение I(r,c) размером W х H, где I(r,c) - яркостная составляющая изображения. Результатом работы алгоритма служит множество прямоугольников R(x,y,w,h), определяющих положение лиц в исходном изображении I.

Алгоритм сканирует изображение I на нескольких масштабах, начиная с базовой шкалы: размер окна 24х24 пикселя и 11 масштабов, при этом каждый следующий уровень в 1.25 раза больше предыдущего, по рекомендации авторов. Алгоритм распознавания выглядит следующим образом:

Недостатки алгоритма Виолы-Джонса

• длительное время работы алгоритма обучения. В ходе обучения алгоритму необходимо проанализировать большое количество тестовых изображений;
• большое количество близко расположенных друг к другу результатов из-за применения различных масштабов и скользящего окна.

Литература

• P. Viola и J. Michael , «Computer Vision and Pattern Recognition,» в Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple, 2001
• Y. Wei и L. Tao, «Efficient Histogram-Based Sliding Window»
• H. Alfred, Zur Theorie der orthogonalen Funktionensysteme, Mathematische Annalen, 1910
• H. Bay, A. Ess, T. Tuytelaars и L. Van Gool, «Speeded-Up Robust Features (SURF)» Switzerland, Belgium, 2008
• Y. F. a. R. Schapire, «A decision-theoretic generalization of on-line learning and an application to boosting» Journal of Computer and System Sciences, pp. 119-139, 1997
• R. E. Schapire, Explaining AdaBoost
• F. Crow, “Summed-area tables for texture mapping”, in Proceedings of SIGGRAPH, 1984
• К. Мурыгин, «Особенности реализации алгоритма AdaBoost,» Штучний інтелект, Донецк, 2009