嵌入双尺度分离式卷积块注意力模块的口罩人脸姿态分类

目的 针对口罩遮挡的人脸姿态分类新需求,为了提高基于卷积神经网络的人脸姿态分类效率和准确率,提出了一个轻量级卷积神经网络用于口罩人脸姿态分类。方法 本文设计的轻量级卷积神经网络的核心为双尺度可分离注意力卷积单元。该卷积单元由3×3和5×5两个尺度的深度可分离卷积并联而成,并且将卷积块注意力模块(convolutional block attention module,CBAM)的空间注意力模块(spatial attention module,SAM)和通道注意力模块(channel attention module,CAM)分别嵌入深度(depthwise,DW)卷积和点(pointwise,PW)卷积中,针对性地对DW卷积及PW卷积的特征图进行调整。同时对SAM模块补充1×1的点卷积挤压结果增强其对空间信息的利用,形成更加有效的注意力图。在保证模型性能的前提下,控制构建网络的卷积单元通道数和单元数,并丢弃全连接层,采用卷积层替代,进一步轻量化网络模型。结果 实验结果表明,本文模型的准确率较未改进SAM模块分离嵌入CBAM的模型、标准方式嵌入CBAM的模型和未嵌入注意力模块的模型分别提升了2.86%、6.41% 和12.16%。采用双尺度卷积核丰富特征,在有限的卷积单元内增强特征提取能力。与经典卷积神经网络对比,本文设计的模型仅有1.02 MB的参数量和24.18 MB的每秒浮点运算次数(floating-point operations per second,FLOPs),大幅轻量化了模型并能达到98.57%的准确率。结论 本文设计了一个轻量高效的卷积单元构建网络模型,该模型具有较高的准确率和较低的参数量及计算复杂度,提高了口罩人脸姿态分类模型的效率和准确率。     

结合径向线的局部遮挡下的3维人脸识别

目的 3维人脸点云的局部遮挡是影响3维人脸识别精度的一个重要因素。为克服局部遮挡对3维人脸识别的影响,提出一种基于径向线和局部特征的3维人脸识别方法。方法 首先为了充分利用径向线的邻域信息,提出用一组局部特征来表示径向线;其次对于点云稀疏引起的采样点不均匀,提出将部分相邻局部区域合并以减小采样不均匀的影响;然后,利用径向线的邻域信息构造代价函数,进而构造相应径向线间的相似向量。最后,利用相似向量来进行径向线匹配,从而完成3维人脸识别。结果 在FRGC v2.0数据库上进行不同局部特征识别率的测试实验,选取的局部特征Rank-1识别率达到了95.2%,高于其他局部特征的识别率;在Bosphorus数据库上进行不同算法局部遮挡下的人脸识别实验,Rank-1识别率达到了最高的92.0%;进一步在Bosphorus数据库上进行不同算法的时间复杂度对比实验,耗费时间最短,为8.17 s。该算法在准确率和耗时方面均取得了最好的效果。结论 基于径向线和局部特征的3维人脸方法能有效提取径向线周围的局部信息;局部特征的代价函数生成的相似向量有效减小了局部遮挡带来的影响。实验结果表明本文算法具有较高的精度和较短的耗时,同时对人脸的局部遮挡具有一定的鲁棒性。该算法适用于局部遮挡下的3维人脸识别,但是对于鼻尖部分被遮挡的人脸,无法进行识别。     

基于残差网络的非限定条件人脸识别研究

针对非限制人脸识别中人脸图像的尺寸和角度影响识别精度的问题,本文根据渐进校准的思想,设计出一种以具有渐进校准功能的卷积神经网络为分析算法的人脸识别方法。首先在非限制环境下对人脸图像进行几何归一化处理,并且利用主成分分析法进行降维;然后基于仿射变换和局部人脸分割理论,提出基于细节变换与特征融合的方法对人脸进行矫正;最后利用残差卷积神经网络构建人脸识别模型,在LFW数据集上对模型参数进行训练,并对训练后的模型进行仿真和检验。实测表明,通过矫正得到的正面人脸图像虽然存在轻微的扭曲现象,但其提取的特征信息能够有效提高非限制条件下多姿态人脸的识别准确率。     

刚性区域特征点的3维人脸识别

目的 针对3维人脸识别中存在表情变化的问题,提出了一种基于刚性区域特征点的3维人脸识别方法。方法 该方法首先在人脸纹理图像上提取人脸图像的特征点,并删除非刚性区域内的特征点,然后根据采样点的序号,在人脸空间几何信息上得到人脸图像特征点的3维几何信息,并建立以特征点为中心的刚性区域内的子区域,最后以子区域为局部特征进行人脸识别测试,得到不同子区域对人脸识别的贡献,并以此作为依据对人脸识别的结果进行加权统计。结果 在FRGC v2.0的3维人脸数据库上进行实验测试,该方法的识别准确率为98.5%,当错误接受率（FAR）为0.001时的验证率为99.2%,结果表明,该方法对非中性表情下的3维人脸识别具有很好的准确性。结论 该方法可以有效克服表情变化对3维人脸识别的影响,同时对3维数据中存在的空洞和尖锐噪声等因素具有较好的鲁棒性,对提高3维人脸识别性能具有重要意义。     

面向大姿态人脸识别的正面化形变场学习

目的 人脸识别已经得到了广泛应用,但大姿态人脸识别问题仍未完美解决。已有方法或提取姿态鲁棒特征,或进行人脸姿态的正面化。其中主流的人脸正面化方法包括2D回归生成和3D模型形变建模,前者能够生成相对自然真实的人脸,但会引入额外的噪声导致图像信息的扭曲;后者能够保持原始的人脸结构信息,但生成过程是基于物理模型的,不够自然灵活。为此,结合2D和3D方法的优势,本文提出了基于由粗到细形变场的人脸正面化方法。方法 该形变场由深度网络以2D回归方式学得,反映的是不同视角人脸图像像素之间的语义级对应关系,可以类3D的方式实现非正面人脸图像的正面化,因此该方法兼具了2D正面化方法的灵活性与3D正面化方法的保真性,且借鉴分步渐进的思路,本文提出了由粗到细的形变场学习框架,以获得更加准确鲁棒的形变场。结果 本文采用大姿态人脸识别实验来验证本文方法的有效性,在MultiPIE （multi pose,illumination,expressions）、LFW （labeled faces in the wild）、CFP （celebrities in frontal-profile in the wild）、IJB-A （intelligence advanced research projects activity Janus benchmark-A）等4个数据集上均取得了比已有方法更高的人脸识别精度。结论 本文提出的基于由粗到细的形变场学习的人脸正面化方法,综合了2D和3D人脸正面化方法的优点,使人脸正面化结果的学习更加灵活、准确,保持了更多有利于识别的身份信息。     

基于协作表示残差融合的3维人脸识别

目的 针对2维人脸难以克服光照、表情、姿态等复杂问题,提出了一种基于协作表示残差融合的新算法.方法 协作表示分类算法是将所有类的训练图像一起协作构成字典,通过正则化最小二乘法代替1范数求解稀疏系数,减小了计算的复杂度,由此系数重构测试人脸,根据重构误差最小原则,对测试人脸正确分类.该方法首先在3维人脸深度图上提取Gabor特征和Geodesic特征,然后在协作表示算法的基础上融合两者的残差信息,作为最终差异性度量,最后根据融合残差最小原则,进行人脸识别.结果 在不同的训练样本、特征维数条件下,在CIS和Texas 2 个人脸数据库上,本文算法的识别率可分别达到94.545%和99.286%.与Gabor-CRC算法相比,本文算法的识别率平均高出了10%左右.结论 在实时成像系统采集的人脸库和Texas 3维人脸库上的实验结果表明,该方法对有无姿态、表情、遮挡等变化问题具有较好的鲁棒性和有效性.     

基于特征点表情变化的3维人脸识别

目的 为克服表情变化对3维人脸识别的影响,提出一种基于特征点提取局部区域特征的3维人脸识别方法。方法 首先,在深度图上应用2维图像的ASM(active shape model)算法粗略定位出人脸特征点,再根据Shape index特征在人脸点云上精确定位出特征点。其次,提取以鼻中为中心的一系列等测地轮廓线来表征人脸形状;然后,提取具有姿态不变性的Procrustean向量特征(距离和角度)作为识别特征;最后,对各条等测地轮廓线特征的分类结果进行了比较,并对分类结果进行决策级融合。结果 在FRGC V2.0人脸数据库分别进行特征点定位实验和识别实验,平均定位误差小于2.36 mm,Rank-1识别率为98.35%。结论 基于特征点的3维人脸识别方法,通过特征点在人脸近似刚性区域提取特征,有效避免了受表情影响较大的嘴部区域。实验证明该方法具有较高的识别精度,同时对姿态、表情变化具有一定的鲁棒性。     

异常步态3维人体建模和可变视角识别

目的 运用视觉和机器学习方法对步态进行研究已成为当前热点,但多集中在身份识别领域。本文从不同的视角对其进行研究,探讨一种基于点云数据和人体语义特征模型的异常步态3维人体建模和可变视角识别方法。方法 运用非刚性变形和蒙皮方法,构建基于形体和姿态语义特征的参数化3维人体模型;以红外结构光传感器获取的人体异常步态点云数据为观测目标,构建其对应形体和姿态特征的3维人体模型。通过ConvGRU（convolution gated necurrent unit）卷积循环神经网络来提取其投影深度图像的时空特征,并将样本划分为正样本、负样本和自身样本三元组,对异常步态分类器进行训练,以提高分类器对细小差异的鉴别能力。同时对异常步态数据获取难度大和训练视角少的问题,提出了一种基于形体、姿态和视角变换的训练样本扩充方法,以提高模型在面对视角变化时的泛化能力。结果 使用CSU（Central South University）3维异常步态数据库和DHA（depth-included human action video）深度人体行为数据库进行实验,并对比了不同异常步态或行为识别方法的效果。结果表明,本文方法在CSU异常步态库实验中,0°、45°和90°视角下对异常步态的综合检测识别率达到了96.6%,特别是在90°到0°交叉和变换视角实验中,比使用DMHI（difference motion history image）和DMM-CNN（depth motion map-convolutional neural network）等步态动作特征要高出25%以上。在DHA深度人体运动数据库实验中,本文方法识别率接近98%,比DMM等相关算法高出2%~3%。结论 提出的3维异常步态识别方法综合了3维人体先验知识、循环卷积网络的时空特性和虚拟视角样本合成方法的优点,不仅能提高异常步态在面对视角变换时的识别准确性,同时也为3维异常步态检测和识别提供一种新思路。     

两层级联卷积神经网络的人脸检测

目的 传统人脸检测方法因人脸多姿态变化和人脸面部特征不完整等问题,导致检测效果不佳。为解决上述问题,提出一种两层级联卷积神经网络（TC_CNN）人脸检测方法。方法 首先,构建两层卷积神经网络模型,利用前端卷积神经网络模型对人脸图像进行特征粗略提取,再利用最大值池化方法对粗提取得到的人脸特征进行降维操作,输出多个疑似人脸窗口;其次,将前端粗提取得到的人脸窗口作为后端卷积神经网络模型的输入进行特征精细提取,并通过池化操作得到新的特征图;最后,通过全连接层判别输出最佳检测窗口,完成人脸检测全过程。结果 实验选取FDDB人脸检测数据集中包含人脸多姿态变化以及人脸面部特征信息不完整等情况的图像进行测试,TC_CNN方法人脸检测率达到96.39%,误检率低至3.78%,相比当前流行方法在保证算法效率的同时检测率均有提高。结论 两层级联卷积神经网络人脸检测方法能够在人脸多姿态变化和面部特征信息不完整等情况下实现精准检测,保证较高的检测率,有效降低误检率,方法具有较好的鲁棒性和泛化能力。     

结合曲面局部纹理特征的3维人脸识别

目的 人脸2维图像反映出来的纹理并非是3维人脸曲面真实的纹理,并且受光照和妆容的影响很大,因此探索3维局部纹理特征对于人脸识别任务有着重要的意义。为此详细分析了一种新颖的3维局部纹理特征mesh-LBP对于人脸纹理的描述能力。方法 首先,在特征提取和识别任务之前,进行一系列的预处理：人脸分割、离群点移除和孔洞填补;接着,在预处理后的人脸曲面上,提取原始mesh-LBP特征,以及基于阈值化策略的3种改进特征：mesh-tLBP、mesh-MBP和mesh-LTP;然后,对于上述提取的4种特征,采用不同的统计方法,包括整体直方图、局部分块直方图和整体编码图像,用做人脸纹理的特征描述。最后,针对CASIA3D数据集中不同表情和姿态变化的人脸,采用余弦相似度进行人脸的识别任务。结果 通过对比人脸曲面和普通物体曲面的纹理特征,发现人脸纹理完全不同于普通纹理,不规则并且难以描述;通过对比mesh-LBP两种变体,发现mesh-LBP（α₁）适用于姿态变化,而mesh-LBP（α₂）适用于表情变化;通过对比原始mesh-LBP及其3种改进,发现mesh-tLBP对于人脸不同表情变化下的识别准确率最高有0.5%的提升;通过对比3种不同的统计方法,发现采用整体编码图像进行统计的特征尽管弱于局部分块直方图,但相比整体直方图,识别率在不同表情变化下最高有46.8%的提升。结论 mesh-LBP特征是一种优良的3维局部纹理特征,未来将会在3维医学处理、3维地形起伏检测以及3维人脸识别中得到更多的应用。     

基于深度学习的轻量级和多姿态人脸识别方法

目前基于深度学习的人脸识别方法存在识别模型参数量大、特征提取速度慢的问题,而且现有人脸数据集姿态单一,在实际人脸识别任务中无法取得好的识别效果。针对这一问题建立了一种多姿态人脸数据集,并提出了一种轻量级的多姿态人脸识别方法。首先,使用多任务级联卷积神经网络（MTCNN）算法进行人脸检测,并且使用MTCNN最后包含的高层特征做人脸跟踪;然后,根据检测到的人脸关键点位置来判断人脸姿态,通过损失函数为ArcFace的神经网络提取当前人脸特征,并将当前人脸特征与相应姿态的人脸数据库中的人脸特征比对得到人脸识别结果。实验结果表明,提出方法在多姿态人脸数据集上准确率为96.25%,相较于单一姿态的人脸数据集,准确率提升了2.67%,所提方法能够有效提高识别准确率。     

基于生成对抗网络的遮挡人脸图像修复的改进与实现

针对目前的遮挡人脸图像修复领域中遮挡部位与遮挡大小的限制或修复后人脸图像不够连贯等问题,提出一种改进的Wasserstein生成对抗网络(WGAN)方法来改善人脸图像的修复。将卷积神经网络作为生成器模型,并在对应层间加入跳跃连接来增强生成图像的准确性。在判别器中引入Wasserstein距离进行判别,并引入梯度惩罚来完善判别器。在CelebA人脸数据集与LFW人脸数据集上进行实验,结果表明该方法的修复效果良好。     

深度学习人脸特征点自动定位综述

人脸特征点定位是根据输入的人脸数据自动定位出预先按人脸生理特征定义的眼角、鼻尖、嘴角和脸部轮廓等面部关键特征点,在人脸识别和分析等系统中起着至关重要的作用。本文对基于深度学习的人脸特征点自动定位进行综述,阐释了人脸特征点自动定位的含义,归纳了目前常用的人脸公开数据集,系统阐述了针对2维和3维数据特征点的自动定位方法,总结了各方法的研究现状及其应用,分析了当前人脸特征点自动定位技术在深度学习应用中的现状、存在问题及发展趋势。在公开的2维和3维人脸数据集上对不同方法进行了比较。通过研究可以看出,基于深度学习的2维人脸特征点的自动定位方法研究相对比较深入,而3维人脸特征点定位方法的研究在模型表示、处理方法和样本数量上都存在挑战。未来基于深度学习的3维人脸特征点定位方法将成为研究趋势。     

单幅人脸图像的全景纹理图生成方法

目的 针对从单幅人脸图像中恢复面部纹理图时获得的信息不完整、纹理细节不够真实等问题,提出一种基于生成对抗网络的人脸全景纹理图生成方法。方法 将2维人脸图像与3维人脸模型之间的特征关系转换为编码器中的条件参数,从图像数据与人脸条件参数的多元高斯分布中得到隐层数据的概率分布,用于在生成器中学习人物的头面部纹理特征。在新创建的人脸纹理图数据集上训练一个全景纹理图生成模型,利用不同属性的鉴别器对输出结果进行评估反馈,提升生成纹理图的完整性和真实性。结果 实验与当前最新方法进行了比较,在CelebA-HQ和LFW （labled faces in the wild）数据集中随机选取单幅正面人脸测试图像,经生成结果的可视化对比及3维映射显示效果对比,纹理图的完整度和显示效果均优于其他方法。通过全局和面部区域的像素量化指标进行数据比较,相比于UVGAN,全局峰值信噪比（peak signal to noise ratio,PSNR）和全局结构相似性（structural similarity index,SSIM）分别提高了7.9 dB和0.088,局部PSNR和局部SSIM分别提高了2.8 dB和0.053;相比于OSTeC,全局PSNR和全局SSIM分别提高了5.45 dB和0.043,局部PSNR和局部SSIM分别提高了0.4 dB和0.044;相比于MVF-Net （multi-view 3D face network）,局部PSNR和局部SSIM分别提高了0.6和0.119。实验结果证明,提出的人脸全景纹理图生成方法解决了从单幅人脸图像中重建面部纹理不完整的问题,改善了生成纹理图的显示细节。结论 本文提出的人脸全景纹理图生成方法,利用人脸参数和网络模型的特性,使生成的人脸纹理图更完整,尤其是对原图不可见区域,像素恢复自然连贯,纹理细节更真实。     

自适应三维形变模型结合流形分析的人脸识别方法

为了在人脸姿态和表情归一化后减少人脸外观的信息损失,提出自适应三维形变模型(3DMM)结合流形分析的人脸识别方法。首先,描述人脸姿态变换引起的2D和3D坐标的不对应性,提出自适应3DMM拟合方法;然后,通过三维变换来保留尽可能多的身份信息,将整个图像网格化映射成3D对象,姿态和表情的归一化保证了变换的稳定;最后,利用多流形判别分析计算流形与流形之间的距离,并利用最近邻分类器完成识别。在Multi-PIE,LFW以及自己采集的数据库上的实验验证了所提方法的有效性,在3个数据库上的识别率分别高达99.8%,95.25%,98.62%。所提方法显著改善了人脸识别性能,在约束和无约束环境下均优于其他几种较新的识别方法。     

Single-view-based 3D facial reconstruction method robust against pose variations

The 3D Morphable Model (3DMM) and the Structure from Motion (SfM) methods are widely used for 3D facial reconstruction from 2D single-view or multiple-view images. However, model-based methods suffer from disadvantages such as high computational costs and vulnerability to local minima and head pose variations. The SfM-based methods require multiple facial images in various poses. To overcome these disadvantages, we propose a single-view-based 3D facial reconstruction method that is person-specific and robust to pose variations. Our proposed method combines the simplified 3DMM and the SfM methods. First, 2D initial frontal Facial Feature Points (FFPs) are estimated from a preliminary 3D facial image that is reconstructed by the simplified 3DMM. Second, a bilateral symmetric facial image and its corresponding FFPs are obtained from the original side-view image and corresponding FFPs by using the mirroring technique. Finally, a more accurate the 3D facial shape is reconstructed by the SfM using the frontal, original, and bilateral symmetric FFPs. We evaluated the proposed method using facial images in 35 different poses. The reconstructed facial images and the ground-truth 3D facial shapes obtained from the scanner were compared. The proposed method proved more robust to pose variations than 3DMM. The average 3D Root Mean Square Error (RMSE) between the reconstructed and ground-truth 3D faces was less than 2.6 mm when 2D FFPs were manually annotated, and less than 3.5 mm when automatically annotated.     

Development of Algorithm for Person Re-Identification Using Extended Openface Method

Deep learning has risen in popularity as a face recognition technology in recent years. Facenet, a deep convolutional neural network (DCNN) developed by Google, recognizes faces with 128 bytes per face. It also claims to have achieved 99.96% on the reputed Labelled Faces in the Wild (LFW) dataset. However, the accuracy and validation rate of Facenet drops down eventually, there is a gradual decrease in the resolution of the images. This research paper aims at developing a new facial recognition system that can produce a higher accuracy rate and validation rate on low-resolution face images. The proposed system Extended Openface performs facial recognition by using three different features i) facial landmark ii) head pose iii) eye gaze. It extracts facial landmark detection using Scattered Gated Expert Network Constrained Local Model (SGEN-CLM). It also detects the head pose and eye gaze using Enhanced Constrained Local Neural field (ECLNF). Extended openface employs a simple Support Vector Machine (SVM) for training and testing the face images. The system’s performance is assessed on low-resolution datasets like LFW, Indian Movie Face Database (IMFDB). The results demonstrated that Extended Openface has a better accuracy rate (12%) and validation rate (22%) than Facenet on low-resolution images.