基于混合投影峰分析的人眼定位方法

程国，丁正生，刘亚亚



基于混合投影峰分析的人眼定位方法

程国1，2，丁正生1，刘亚亚1，2

（1. 西安科技大学 理学院，陕西 西安 710054；2. 商洛学院 数学与计算科学系，陕西 商洛 726000）

利用灰度投影曲线检测预处理后的人脸图像眉眼区域，并分割左右眼区域；结合梯度投影和方差投影函数构造区域混合投影函数，分别对左右眼区域进行混合投影；分析一系列的投影峰，筛选后得到眼睛中心的准确位置. 在ORL和BioID人脸库上的实验表明：在姿态和光照变化较大及佩戴眼镜的情况下，利用混合投影函数峰分析定位眼睛的结果优于单个投影曲线.

人眼定位；投影函数；投影峰

人脸识别是近年来模式识别研究领域中一个非常活跃的重要课题，人脸特征定位是实现人脸识别重要的前提条件. 眼睛是人脸识别中包含特征信息最多的器官，对眼睛的精确定位是后续特征提取的前提和基础，因此，对人眼的定位方法非常重要.

利用投影函数对眼睛进行定位是目前众多有效定位方法中的一种，Kanade等[1]最早将积分投影函数成功应用于人脸识别. 传统的灰度投影法[2-3]对人脸图像进行水平和垂直方向的投影，根据波峰波谷的分布信息来定位眼睛，这种方法计算量较低，但定位精度较差，常用于检测人脸中的眉眼区域. Feng和Yuen[4]提出了一种利用方差投影函数定位眼睛的方法，并证明了其对随机噪声不敏感；但方差投影只考虑了灰度值的变化情况，而没有考虑灰度平均值，在方差相同时会失效. 耿新等[5-6]将积分投影函数（Integral Projection Function，IPF）和方差投影函数(Variance Projection Function，VPF)相结合得到了混合投影函数（Hybrid Projection Function，HPF），HPF能反映出图像在某个方向上灰度均值和方差的综合变化情况，并能大致定位眼睛的中心位置. 文献[7]中先用HPF对眼睛粗定位，再用基于圆的Hough变换进行人眼精确定位. 文献[8]在灰度积分投影的基础上，分析投影曲线上的各个峰，比较筛选后得到了眼睛的精确位置. 本文参考上述方法，实现了基于混合投影峰的人眼精确定位.

1 图像预处理

图1 示例图像及其预处理效果

2 基于积分投影的人脸眉眼区域定位

2.1 人脸左右边界的确定

. （1）

由图2-a可以发现：人脸所在区域使垂直灰度投影曲线形成了具有一定宽度的凸峰，凸峰的左右边界大致就是人脸的左右边界（如图2-c所示）.

2.2 人脸水平位置的估计

. （2）

图2 IPF定位人脸眉眼区域的结果

3 基于混合投影峰分析的人眼精确定位

3.1 方差投影函数

， （3）

. （4）

3.2 梯度投影函数

， （5）

. （6）

. （7）

. （9）

3.3 混合投影函数

HPF综合考虑了VPF和GPF的优点，通过设置权值，即分配二者在混合投影中所占的比重，将它们很好地结合起来. 图像垂直和水平HPF分别定义如下：

， （10）

. （11）

图3 左眼的混合投影曲线

3.4 混合投影峰分析及眼睛精确定位

综上所述，混合投影峰分析（Hybrid Projection Peak Analysis，HPPA）的算法步骤如下：

1）对眼睛二值化后的图像做水平方差投影和水平梯度投影；

2）将水平方差投影和水平梯度投影规范化到[0，1]区间，由式（11）得到混合水平投影；

3）平滑水平混合投影曲线，并搜索曲线上的投影波峰；

5）在确定的眼睛所在区域求最大值点，该点对应眼睛中心的纵坐标；

4 实验结果与分析

实验采用的数据来源于ORL人脸库和BioID[12]人脸库. ORL人脸库是英国剑桥大学的Olivetti研究中心的图像库，这个图库包含40个人，每个人有10张图片，分别对应不同的光照、姿态、表情，有的还戴眼镜或留有胡须，图像之间的差别比较大，本文随机选取其中的4张图片，具体如图4所示. BioID人脸库中包含23个不同人物的1 521张正面人脸灰度照片，照片中的人物大部分为欧美人，图像在光照条件、表情、人脸大小上均有较大变化，本文随机选取其中的3张图片，具体如图5所示. 实验用计算机为P4，2.0 GHz CPU，1 024 MB内存，测试平台为MATLAB7.5.

表1 ORL和BioID人脸库上，不同方法的定位结果比较

图4 ORL人脸库中部分图像及眼睛定位的结果

图5 BioID人脸库中部分图像及眼睛定位的结果

5 结论

通过基于方差投影和梯度投影构成的HPAA进行人脸图像投影峰分析，实现了双眼的准确定位. 在2个公开数据库上进行的实验表明：基于HPPA的方法，当光照、姿态发生变化及配戴眼镜时，能够抵抗来自于眼镜、光照等方面的干扰，实现眼睛的准确定位. 本算法简单，无需训练和学习过程，易于实现.

[1] KANADE T. Picture processing by computer complex and recognition of human faces[D]. Kyoto: Kyoto University, 1973.

[2] 冯建强，刘文波，于盛林. 基于灰度积分投影的人眼定位[J]. 计算机仿真，2005, 22(4): 75-76.

[3] 张娜娜，马燕，苏桂莲. 基于灰度投影函数的眼睛定位方法[J]. 计算机工程，2006, 32(10): 193-195.

[4] FENG Guocan, YUEN Pongchi. Variance projection function and its application to eye detection for human face recognition[J]. Pattren Recognition Letters, 1998, 19(9): 899-906.

[5] 耿新，周志华，陈世福. 基于混合投影函数的眼睛定位[J]. 软件学报，2003, 14(8): 1394-1400.

[6] ZHOU Zhihua, GENG Xin. Projection functions for eye detection[J]. Pattern Recognition, 2004, 37(5): 1049-1056.

[7] 韩文静，李晶，孙农亮. 基于HPF和Hough变换的人眼精确定位[J]. 计算机工程与应用，2008, 44(10): 64-66.

[8] 戴景文，刘丹，苏剑波. 基于投影峰的眼睛快速定位方法[J]. 模式识别与人工智能，2009, 22(4): 605-609.

[9] Olivetti institute. ORL facedatabase[DB/OL].[2009-12-10]. http://www.cl.cam.ac.uk/Research/DTG/attarchive: pub/data/att_faces.zip.

[10] 于威威，滕晓龙，刘重庆. 复杂背景下人眼定位及人脸检测[J]. 计算机仿真，2004, 21(12): 185-187.

[11] 王爱玲，叶明生，邓秋香. MATLAB R2007图像处理技术与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2008.

[12] The BioID Face Database. BioID-Technology Research[DB/OL].[2009-12-10]. http://www.bioid.com/downloads/facedb/facedatabase.html.

[13] JESORSKY O, KIRCHBERG K J, FRISHHOLZ R W. Robust face detection using the hausdorff distance[C]//Proc of Lecture Notes in Computer Science on Audio and Video Based Person Authentication. Berlin: Springer-Verlag, 2001.

[责任编辑：熊玉涛]

Eye Location Method Based on Hybrid Projection Peak Analysis

1,211,2

The grey projection curve is used to detect the eye era of a pretreated human face and segment the right and left eye areas; the gradient and variance projection are combined to construct regional hybrid projection function to respectively conduct mixed projection on the right and left eye areas. A series of projection peaks are analyzed and the exact location of the eye center is obtained after screening. Experiments on ORL and BioID face databases show that peak analysis making use of mixed projection function is of better accuracy than the single projection curve when the variation in illumination is great and when the face wears glasses.

eye location; projection function; projection peak

1006-7302（2010）03-0006-50

TP391.41

A

2010-04-19

程国（1983—），男，甘肃临泽人，助教，在读硕士生，主要研究方向为计算智能、模式识别，E-mail: chengguo3805@163.com.