بخشی از مقاله
خلاصه
تشخیص و ردیابی صورت به علت کاربردهاي فراوان آن، یکی از موضوعات مهم در زمینه پردازش تصویر و بینایی ماشین و مورد توجه محققین می باشد. از جمله مواردي که تشخیص و ردیابی صورت را با مشکل روبرو می کنند، عبارتند از : تغییر شدت روشنایی محیط ، وجود عینک و ریش در صورت. در این مقاله یک سیستم سخت افزاري مبتنی بر نور مادون قرمز براي حل این مشکلات طراحی و پیاده سازي شده است.
در روش پیشنهادي پس از یافتن ابتدایی صورت به کمک تفریق تصویر صورت روشن - تصویر گرفته شده در حالی که صورت بوسیله نور مادون قرمز روشن شده - از تصویر صورت تاریک، با تعقیب پنجره اي از مستطیل صورت یافته شده، ردیابی صورت انجام می شود. علاوه بر حل مشکلات ذکر شده، مزایاي روش پیشنهادي عبارتند از : سادگی، دقت عملکرد مناسب و بار محاسباتی کم این روش که امکان استفاده آن را در کاربردهاي بلادرنگ فراهم نموده است. سیستم مذکور بر خلاف بسیاري از روش هاي موجود که در آزمایشگاه مورد ارزیابی قرار می گیرند، در محیطی واقعی پیاده سازي و مورد آزمایش قرار گرفته است.
کلمات کلیدي: تشخیص صورت، ردیابی بلادرنگ صورت، نور مادون قرمز.
مقدمه
تشخیص و ردیابی صورت یکی از زمینه هاي پر اهمیت در بینایی ماشین است. از جمله کاربردهاي آن می توان به سیستم هاي نظارتی ، سیستم هاي بیومتریک و شناسایی هویت، تعامل انسان و ماشین و ... اشاره کرد. ردیابی صورت یکی از زیرمجموعه هاي پرکاربرد ردیابی شیء است. ردیابی شیء در حالت کلی شامل دو مرحله است : مرحله اول تشخیص شیء و مرحله دوم ردیابی شیء. براساس تحقیقات صورت گرفته در، روش هاي تشخیص شیء را می توان به چهار دسته تقسیم کرد : آشکارساز نقطه قطعه بندي تفریق پس زمینه یادگیري نظارت شده .
همچنین در این مطالعه روش هاي ردیابی شیء نیز به سه دسته کلی تقسیم بندي شده اند :ردیابی نقطه که در آن اشیاء به صورت مجموعه اي از نقاط معرفی می شوند و براي ردیابی، ارتباط بین نقاط در دنباله تصاویر بررسی می شود. ردیابی هسته که در آن شکل ظاهري شیء را به عنوان هسته در نظر گرفته و با محاسبه حرکت هسته در دنباله تصاویر، ردیابی محقق می شود. - 3 ردیابی سایه که در آن محدوده شیء مدنظر است و ردیابی حاصل از تخمین و تعقیب این محدوده در دنباله تصاویر است.
در یک تقسیم بندي دیگر، ردیابی صورت را به سه دسته تقسیم می کنند : ردیابی سر که شامل ردیابی حرکات دورانی و انتقالی یک شیء تغییر ناپذیر است. - 2 ردیابی ویژگی هاي صورت که شامل ردیابی تغییرات اجزاء چهره ناشی از حرکات آن اجزاء و ایجاد حالات مختلف چهره همچون تعجب، خوشحالی و ... می باشد. ردیابی همزمان سر و ویژگی هاي صورت. در این مقاله ردیابی مورد بحث از نوع اول می باشد.
روش هاي ردیابی صورت را براساس این که از تصاویر در فضاي دو بعدي یا سه بعدي استفاده می کنند نیز دسته بندي کرده اند . روش مورد استفاده در این مقاله از این حیث در دسته اول یعنی استفاده از تصاویر در فضاي دو بعدي قرار می گیرد. از جمله مشکلات مهم در تشخیص و ردیابی صورت تغییرات شدت روشنایی است. استفاده از نور مادون قرمز داراي مزایایی است که از جمله می توان به عدم وابستگی به شرایط نوري محیط، ساده شدن تشخیص و عدم مزاحمت براي فرد به علت مشاهده نشدن نور مادون قرمز توسط چشم انسان، اشاره کرد.
در این مقاله براي عدم تأثیرپذیري تشخیص و ردیابی صورت از تغییرات شدت روشنایی از چند منبع مادون قرمز براي تولید نور مادون قرمز استفاده شده است. از دیدگاهی دیگر روش هاي تشخیص و ردیابی صورت را به دو دسته فعال و غیر فعال تقسیم می کنند. روش هاي فعال، به روش هایی گفته می شود که از نور مادون قرمز استفاده می کنند و روش هاي غیر فعال روش هایی هستند که در فرآیند تشخیص و ردیابی از نور مادون قرمز استفاده نمی کنند. با توجه به این دسته بندي، روش پیشنهادي این مقاله از نوع روش هاي فعال است.
ادامه این مقاله به این گونه است که در بخش 2 کارهاي انجام شده در حوزه تشخیص و ردیابی صورت بیان شده است. بخش 3 شامل مروري بر سیستم پیشنهادي است که به تشریح سیستم پیاده سازي شده می پردازد. در بخش 4 نتایج عملی و در بخش 5 نتیجه گیري آورده شده است.
کارهاي انجام شده
روش هاي متعددي در زمینه تشخیص و ردیابی صورت موجود است. در هر روش براساس یک ویژگی، تشخیص صورت انجام شده و براي ردیابی نیز از یکی از الگوریتم هاي موجود استفاده می شود. در برخی موارد براي افزایش کارآیی و دقت روش از ترکیب چند ویژگی تشخیص و الگوریتم ردیابی استفاده می کنند.
در از الگوي باینري محلی براي تشخیص صورت استفاده شده است. عملگر LBP که در معرفی شده، پیکسل هاي همسایگی 3×3 هر پیکسل را با آستانه گیري مقادیر آن پیکسل ها با مقدار پیکسل مرکزي، برچسب گذاري کرده و با بررسی برچسب ها به صورت ساعت گرد یک کد باینري 8 بیتی بدست آورده، که از آن براي استخراج ویژگی بافت استفاده می کنند. شکل 1 طرز کار عملگر LBP را نشان می دهد.
عملگر LBP
ویژگی مرسوم دیگري که براي تشخیص صورت مورد استفاده قرار می گیرد، رنگ پوست است. با کمک گرفتن از توزیع گاوسین یک مدل رنگ پوست جهت تشخیص صورت بدست آورده و پس از تشخیص صورت به کمک الگوریتم ، به ردیابی آن می پردازد. استفاده از رنگ پوست با وجود این که مزایایی از جمله سادگی، مستقل بودن از چرخش و تغییر مقیاس صورت را به همراه دارد ولی وابستگی شدیدي به تغییرات شدت روشنایی دارد. همچنین در هنگام تشخیص، ممکن است شیء دیگري به علت تشابه رنگی با پوست صورت به عنوان صورت تشخیص داده شود.
در از ترکیب رنگ پوست و LBP ، ویژگی جدیدي براي تشخیص دقیق تر صورت در تصویر ایجاد کرده اند و پس از تشخیص صورت به کمک آن ویژگی، از الگوریتم ، جهت ردیابی استفاده شده است. در ابتدا با الگوریتم، صورت را تشخیص داده و سپس براي داشتن یک ردیابی توانمندتر نسبت به یک الگوریتم مورد استفاده قرار گرفته است.
تفریق پس زمینه یکی دیگر از روش هاي مورد استفاده است تکنیک تفریق پس زمینه به دو گونه میتواند پیاده سازي شود: در ابتداي کار فقط پس زمینه موجود باشد و تصویر فاقد صورت باشد. پس از آن صورت در تصویر وارد شود که با تفریق تصویر پس زمینه ابتدایی با فریمهاي ورودي شامل صورت، به راحتی صورت بدست میآید. از روي برخی ویژگیهاي پس زمینه تصویر اولیه که حاوي صورت نیز میباشد، یک مدل پس زمینه تهیه شود و به عنوان پس زمینه مرجع در نظر گرفته شود و از تفریق فریمهاي ورودي بعدي با پس زمینه مرجع، صورت بدست میآید.
با وجود این که نوع اول تکنیک تفریق پس زمینه، داراي محدودیت میباشد ولی برخلاف تکنیک نوع دوم - که به علت محاسبات پیچیده براي ایجاد مدل پس زمینه از بار محاسبات سنگینی برخوردار است داراي بار محاسبات کمی است. روش هاي موجود مبتنی بر مادون قرمز به دو گونه تقسیم می شوند : یک دسته روش ها که از نور مادون قرمز براي تشخیص صورت استفاده می کنند و دسته دیگر، روش هایی که از تصویربرداري گرمایشی مادون قرمز براي تشخیص بهره می گیرند. در به کمک تصویربرداري گرمایشی مادون قرمز صورت تشخیص داده شده و سپس از الگوریتم براي ردیابی استفاده شده است.
در این مقاله از روش تفریق پس زمینه نوع اول استفاده شده که علاوه بر دارا بودن مزیت این نوع که بار محاسباتی پایین می باشد، با پیاده سازي سیستمی مبتنی بر نور مادون قرمز مشکل نوع اول تفریق پس زمینه یعنی عدم وجود صورت در تصویر ابتدایی، برطرف شده است.
مروري بر سیستم پیشنهادي
روش پیشنهادي شامل دو بخش اصلی است : تشخیص صورت و ردیابی صورت. در ابتدا توسط سخت افزار پیاده سازي شده که مبتنی تصویربرداري با نور مادون قرمز است، تصویر صورت روشن و تصویر صورت تاریک تولید شده و ناحیه صورت از تفریق آن ها بدست می آید. سپس پنجره اي با ابعاد مشخص از مستطیل صورت، استخراج می گردد. حال شیء داخل پنجره که بخشی از ناحیه صورت است، تشخیص داده می شود. با بررسی میزان تغییرات شیء در پنجره و تولید مختصات جدید براي پنجره، ردیابی صورت، محقق می شود. شکل 2 دیاگرام کلی سیستم پیشنهادي را نشان می دهد.
بلوك دیاگرام سیستم پیشنهادي
سخت افزار سیستم پیشنهادي سیستم پیشنهادي از نظر سخت افزاري به دو بخش تقسیم می شود : ضبط تصاویر که از یک دوربین حساس به نور مادون قرمز استفاده شده است و در مقابل فرد قرار می گیرد. تولید نور مادون قرمز که براي این منظور از سه منبع نور مادون قرمز که هر منبع متشکل از تعدادي بوده، استفاده شده است. منابع مولد نور مادون قرمز طوري تعبیه شده اند که توانایی روشن نمودن ناحیه صورت فرد را در یک محدوده مشخص داشته باشند و با توجه به این نکته، یک منبع در قسمت فوقانی محدوده صورت و دو منبع دیگر در طرفین آن قرار می گیرند. سخت افزار پیاده سازي شده سیستم را نشان می دهد.
سیستم سخت افزاري پیاده سازي شده تشخیص صورت براي یافتن موقعیت اولیه صورت در تصویر، در ابتدا تصویر صورت تاریک که حاصل گرفتن تصویر بدون نور مادون قرمز است، بدست آمده و به عنوان تصویر پس زمینه ذخیره می شود. سپس با استفاده از نورپردازي مادون قرمز تصویر صورت روشن ایجاد می گردد.
