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研究生:王俐芃
研究生(外文):Wang, Lipeng
論文名稱:3D影像應用於人臉辨識之實現
論文名稱(外文):Implementation of Face Recognition System with Three-Dimensional Images
指導教授:黃聰亮黃聰亮引用關係許佳興許佳興引用關係
指導教授(外文):Huang, TsongliangSheu, Jiashing
口試委員:黃聰亮許佳興高文秀李清吟
口試委員(外文):Huang, TsongliangSheu, Jiashing
口試日期:20110704
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺北教育大學
系所名稱:資訊科學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:91
中文關鍵詞:臉部辨識主成分分析3D影像
外文關鍵詞:Face RecognitionPCA3D Image
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生物辨識技術主要是用來確認身分的獨特性,以身體各個部位來說,臉部是
最主觀辨識個人身份的特徵。目前我們所知道,臉部辨識技術已經相當廣泛且多
元,根據不同的環境而有不同的設定及假設條件。
在本論文中,主要的研究重點放在二維及三維臉部辨識,績效優劣之比較。
因此本論文盡量單純化影像背景,攝像時採用全白與一般日光燈照為主的背景。
同時於膚色偵測部分,採用的是RGB色彩空間,正規化色彩座標(NCC, Normalized
Color Coordinate)技術,透過正規化減少對光源較為敏感的紅色系及綠色系,降低
對影像的影響以正確擷取膚色範圍;接著透過形態學影像處理的技巧,搭配橢圓
樣板比對及圓形樣板眼睛偵測,找出人臉範圍。合成立體影像部分,採用波長區
分法,可增加後續主成份分析(PCA, Principle Component Analysis)分析時重要特徵
之抽取。最後;辨識部分,用改良式PCA,透過一轉換矩陣,求得降低維數後特
徵參數之最佳全域散佈矩陣,該結果代表的是臉部特徵中最具代表性的特徵參數。
並透過歐式距離分別判斷二維影像與三維影像的辨識率,結果呈現三維影像之辨
識率達92%,相較二維影像提升28%,且在辨識時間方面僅花0.39 秒;三維影像
於人臉辨識上具備優良的辨識績效與效率。
Biometric is used to confirm the unique of identity. In general, face is the most
characteristic to recognize a person. As we known, the technique of face recognition is
extensive and diverse. With different surroundings there are various settings and
assumptions.
In this thesis, it is emphasized and compared the quality of 2D and 3D face
recognition. Hence the background of image is simplified by using white backdrop and
fluorescent light when we taking pictures. There are three parts in this thesis. First part
is the detection of skin color which is used RGB color space. In order to reduce color
red and green which are sensitive to illuminant, Normalized Color Coordinate (NCC)
method is chosen to pick up the range of skin color directly. Then the scope of face is
found out by morphological image processing with oval-shaped plate which is similar to
the shape of face and circle plate which is similar to the shape of eyes. Second, to
increase choosing of the important characteristics by Principle Component Analysis
(PCA) the wavelength distinguishes technique is used to make 3D images. The third
part is about identifying. An improved PCA through a transfer matrix to get optimal
total scatter matrix of within-class scatter matrix is used. The optimal total scatter
matrix represents the eigenvalue of face characteristics. Finally, the recognition rate and
process performance between 2D and 3D images are compared via Euclidean Distance.
The efficiency and recognition rate of 3D images are superior to 2D images. The
recognition rate of 3D images attains to 92% and costs 0.39 second to recognize each
image. It is improved 28% compared with the recognition rate of 2D images.
中文摘要................................................................................................................ i
英文摘要 .............................................................................................................. ii
目錄 ................................................................................................................ iii
表目錄................................................................................................................ vi
圖目錄............................................................................................................... vii
第一章 緒論 ............................................................................................................ 1
1.1 前言............................................................................................................... 1
1.2 動機與目的 ......................................................................................................... 2
1.3 文獻回顧 ........................................................................................................... 3
1.4 論文架構 ........................................................................................................... 4
1.5 系統架構 ........................................................................................................... 5
第二章 人臉偵測與框選 .................................................................................................... 7
2.1 膚色偵測與色彩空間....................................................................................................8
2.1.1 RGB 色彩空間.......................................................................................... 8
2.1.2 YUV(亮度、Cb 藍色分量、Cr 紅色分量) 色彩空間......................... 12
2.1.3 HIS(色相、飽和度、亮度)色彩空間.................................................... 16
2.2 影像強化.......................................................................................................... 21
2.2.1 侵蝕(Erosion)......................................................................................... 21
2.2.2 膨脹(Dilation) ........................................................................................ 22
2.2.3 斷開(Opening)........................................................................................ 23
2.2.4 填補(Hole Filling).................................................................................. 24
2.3 臉部框選.......................................................................................................... 25
2.3.1 連接元標記(Connected Component Labeling) ..................................... 25
2.3.2 橢圓樣板偵測........................................................................................ 27
2.3.3 眼睛特徵偵測........................................................................................ 29
第三章雙眼視覺與 3D 立體影像............................................................................... 31
3.1 雙眼視覺.......................................................................................................... 31
3.2 3D(Three-Dimensional)影像顯示.................................................................... 36
3.3 深度計算.......................................................................................................... 38
3.3.1 雙鏡頭擺設與立體影像........................................................................ 38
3.3.2 目標物深度計算.................................................................................... 40
第四章 臉部辨識 ........................................................................................................ 47
4.1 臉部辨識分類.................................................................................................. 47
4.1.1 結構比對(特徵點擷取) ......................................................................... 48
4.1.2 全臉比對(LDA 轉換) ............................................................................ 50
4.2 主成分分析(PCA)............................................................................................ 53
4.2.1 主成分分析............................................................................................ 53
4.2.2 改良式主成分分析................................................................................ 57
4.2.3 臉部樣本訓練........................................................................................ 58
4.3 臉部辨識決策方法.......................................................................................... 62
4.3.1 均方誤差法............................................................................................ 62
4.3.2 最接近特徵線法.................................................................................... 63
4.3.3 歐式距離法............................................................................................ 64
第五章 實驗及結果 ...................................................................................................... 65
5.1 實驗環境與設備.............................................................................................. 65
5.2 研究流程與結果.............................................................................................. 67
5.2.1 擷取臉部影像........................................................................................ 68
5.2.2 建構3D 立體影像................................................................................. 75
5.3 實驗結果.......................................................................................................... 76
5.3.1 特徵臉之呈現........................................................................................ 76
5.3.2 2D 與3D 影像之辨識率與處理時間.................................................... 78
第六章結論及未來展望 .............................................................................................. 87
參考文獻 .............................................................................................................. 89

表目錄
表3.1 立體顯示技術分類 ........................................................................................ 38
表 4.1 特徵點向量定義表........................................................................................ 49
表 5.1 軟硬體設備一覽表........................................................................................ 66
表 5.2 HTC Incredible S 技術規格表...................................................................... 66
表 5.3 平面辨識影像歐式距離表............................................................................ 78
表 5.4 立體辨識影像歐式距離表............................................................................ 81
表 5.5 最小歐式距離比較表.................................................................................... 84
表 5.6 辨識率比較表................................................................................................ 85
表 5.7 辨識處理時間比較表.................................................................................... 85

圖目錄
圖1.1 系統架構圖 ...................................................................................................... 5
圖2.1 人臉偵測流程圖.............................................................................................. 7
圖2.2 RGB 色彩空間模型......................................................................................... 9
圖2.3 U-V 色彩空間平面圖.................................................................................... 12
圖 2.4 YUV 取樣分類示意圖................................................................................... 13
圖 2.5 YUV 圖像分解............................................................................................... 14
圖 2.6 HIS 色彩空間組成要素................................................................................. 17
圖 2.7 HIS 色彩屬性圖............................................................................................. 18
圖 2.8 HIS 色彩空間概念圖..................................................................................... 18
圖2.9 HIS 膚色樣本分布圖..................................................................................... 19
圖2.10 HIS 膚色區域圖............................................................................................. 20
圖 2.11 3 × 3遮罩示意圖........................................................................................... 21
圖 2.12 侵蝕運算圖.................................................................................................... 22
圖 2.13 膨脹運算圖 .................................................................................................... 22
圖2.14 斷開運算圖 .................................................................................................... 23
圖 2.15 填補運算圖 .................................................................................................... 24
圖2.16 連接元標記圖 ................................................................................................ 26
圖 2.17 連接區域圖 .................................................................................................... 26
圖 2.18 橢圓樣板 ...................................................................................................... 27
圖2.19 橢圓樣板移動範圍示意圖............................................................................ 28
圖2.20 眼睛範圍框選示意圖 .................................................................................... 30
圖3.1 立體影像產生示意圖.................................................................................... 32
圖 3.2 零視差 ......................................................................................................... 33
圖3.3 正視差 .......................................................................................................... 33
圖3.4 負視差 .......................................................................................................... 34
圖3.5 視差形成之立體影像.................................................................................... 34
圖3.6 插排處理影像 ................................................................................................ 37
圖 3.7 波長區分立體影像圖 .................................................................................... 37
圖 3.8 模擬立體視覺拍攝示意圖............................................................................ 39
圖 3.9 CCD 影像可重疊範圍................................................................................... 40
圖 3.10 CCD 擺設示意圖........................................................................................... 41
圖 3.11 物體投影與成像關係圖................................................................................ 42
圖3.12 CCD 影像面之目標物成像........................................................................... 43
圖 3.13 雙 CCD 影像面之目標物成像...................................................................... 44
圖 3.14 CCD 最大視角與最大擷取影像寬度........................................................... 44
圖3.15 目標物與CCD 夾角關係圖.......................................................................... 46
圖4.1 特徵點擷取流程圖.......................................................................................... 48
圖 4.2 臉部特徵點示意圖.......................................................................................... 50
圖 4.3 LDA 轉換矩陣流程圖..................................................................................... 52
圖 4.4 二維影像轉一維向量示意圖.......................................................................... 59
圖 4.5 特徵點投影示意圖.......................................................................................... 63
圖5.1 實驗環境背景.................................................................................................. 65
圖 5.2 實驗器材架設示意圖...................................................................................... 67
圖 5.3 原始影像........................................................................................................ 68
圖 5.4 膚色擷取結果.................................................................................................. 69
圖5.5 含雜訊之二值化影像...................................................................................... 70
圖 5.6 斷開及填補運算之影像.................................................................................. 71
圖 5.7 區域標定及原圖疊合影像.............................................................................. 72
圖 5.8 橢圓比對及眼睛偵測結果.............................................................................. 73
圖 5.9 正規化影像...................................................................................................... 74
圖 5.10 3D 立體影像.................................................................................................. 75
圖 5.11 平面影像之個別特徵臉................................................................................ 76
圖 5.12 立體影像之個別特徵臉................................................................................ 77
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