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Reconocimiento Automático de Rostros Bajo Diferentes Condiciones de Iluminación-Edición Única

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Academic year: 2017

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(1)

Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey

Campus Monterrey

Monterrey, Nuevo León a

Por medio de la presente hago constar que soy autor y titular de la obra

titulada"

", en los sucesivo LA OBRA, en virtud de lo cual autorizo a el Instituto

Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey (EL INSTITUTO) para que

efectúe la divulgación, publicación, comunicación pública, distribución y

reproducción, así como la digitalización de la misma, con fines académicos o

propios al objeto de EL INSTITUTO.

El Instituto se compromete a respetar en todo momento mi autoría y a

otorgarme el crédito correspondiente en todas las actividades mencionadas

anteriormente de la obra.

De la misma manera, desligo de toda responsabilidad a EL INSTITUTO

por cualquier violación a los derechos de autor y propiedad intelectual que

cometa el suscrito frente a terceros.

Nombre y Firma

AUTOR (A)

Lic. Arturo Azuara Flores:

Director de Asesoría Legal del Sistema

(2)

Reconocimiento Automático de Rostros Bajo Diferentes

Condiciones de Iluminación-Edición Única

 

 

Title

Reconocimiento Automático de Rostros Bajo Diferentes

Condiciones de Iluminación-Edición Única

Authors

Adriana Martínez Meza

Affiliation

ITESM-Campus Monterrey

Issue Date

2006-05-01

Item type

Tesis

Rights

Open Access

Downloaded

19-Jan-2017 12:33:56

(3)
(4)

SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

TECNOLÓGICO

DE MONTERREY

RECONOCIMIENTO AUTOMÁTICO DE ROSTROS

BAJO DIFERENTES CONDICIONES DE ILUMINACIÓN

T E S I S

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA

OBTENER EL GRADO ACADÉMICO DL:

MAESTRO (A) EN CIENCIAS EN AUTOMATIZACIÓN

POR:

ADRIANA MARTÍNEZ MEZA

(5)

INSTITUTO TECNOLÓGICO Y DE ESTUDIOS SUPERIORES DE MONTERREY

CAMPUS MONTERREY

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

PROGRAMA DE GRADUADOS EN INGENIERÍA

TECNOLÓGICO

DE MONTERREY.

Reconocimiento automático de rostros bajo diferentes

condiciones de iluminación

T E S I S

PRESENTADA COMO REQUISITO PARCIAL PARA OBTENER EL

GRADO ACADÉMICO DE:

MAESTRO(A) EN CIENCIAS EN AUTOMATIZACIÓN

POR:

ADRIANA MARTÍNEZ MEZA

(6)

Superiores de Monterrey

Campus Monterrey

División de Ingeniería y Arquitectura

Programa de Graduados en Ingeniería

Los miembros del comité de tesis recomendamos que el presente proyecto de tesis

presentado por (el) la Ing. Adriana Martínez Meza sea aceptado como requisito parcial

para obtener el grado académico de:

Maestro(a) en Ciencias en Automatización.

Comité de Tesis

Dr. Carlos F. Pfeiffer Celaya

Asesor principal

Dr. José de Jesús

Rodríguez Ortiz

Sinodal

Aprobado:

Dr. Federico Viramontes

Brown

Director del Programa de Graduados en Ingeniería

Mayo de 2006

Dr. Luis E. Garza

Castañón

(7)

Abstract

Esta tesis es para obtener el grado de Maestro en Ciencias en Automatización. El

reconocimiento y verificación del rostro bajo diferentes condiciones de iluminación ha

tomado importancia a partir de 1990, debido a que la variación en la iluminación es

más significativa en comparación con las características personales del rostro.

El objetivo de la presente tesis es comparar a través de los diferentes modelos de

iluminación los métodos análisis de componentes principales (PCA), Proyecciones y

Cociente de la Imagen: alineación global de la iluminación.

El método PCA se utilizó para demostrar que en condiciones de iluminación

diferente los resultados son bajos en comparación con los altos resultados cuando las

condiciones de iluminación son neutral.

El método de Proyecciones es aportación del autor de la presente tesis, y este

surgió de la idea de visualizar una imagen

 Y

como un conjunto de vectores en el

espacio de iluminación

 L,

en el cual se desea proyectar una imagen

 X.

Por último, la finalidad del método Cociente de la Imagen: alineación global

de la iluminación se utilizó ya que los resultados bajo diferentes condiciones de

iluminación presentados en el artículo " Illumination modeling and normalization for

face recognition" son altos.

La implementación de los métodos se llevó a cabo en la base de datos de

domi-nio público Pose, Iluminación, Expresión (PIE) y local Condiciones de Iluminación

Martínez Meza (CIMM). La base de datos local CIMM fue creada para la presente

tesis con la finalidad de probar la efectividad de los métodos ante una base de datos

distinta a la de dominio público.

(8)

Dedicatoria

La presente tesis se la dedico en especial a mis padres Jorge y Martha, gracias

papas por haberme apoyado siempre en mi vida profesional, gracias por estar siempre

a mi lado, los quiero mucho y los admiro mucho.

También quisiera dedicar mi tesis a mis hermanos Jorge y Laura así como sus

respectivas familias, mi cuñada Marlen mis sobrinitos lindos Jorge Emilio y Vivían, y

mi cuñado Pedro, ya que siempre me han dado su apoyo incondicional.

Quiero dedicar esta tesis también a mis amigas Nilsa, Ariela, Sara y Cristina.

(9)

vii

Agradecimientos

Agradezco al Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey el

ha-berme financiado mis estudios de maestría. También hago patente mi reconocimiento

al Departamento de Ciencias Computacionales, por el apoyo académico y las

facili-dades otorgadas en el uso del equipo computacional durante mis estudios de postgrado.

Le agradezco al Dr. Carlos Pfeiffer por haberme dirigido en la presente tesis.

También quisiera agradecer a los Doctores Jorge Olvera y Juan A. Nolazco ya

que me dieron la oportunidad de ser Becario de Docencia del Depto. de Ciencias

Computacionales.

Quiero agradecerles a mis amigos Ariela, Gerardo, Pedro Espinosa, Daniel

Kure-jwowski, Sara, Rubén, Octaviano, Pablo, Pedro Castro, David a mis compañeros de

trabajo y amigos Tere, Brenda, Maggy, Igmar, Isai, Alfonso, Said, Derick así como mis

compañeros y amigos que hice durante la maestría Miguel Flores, Miguel Román, Luis

Razo, Erendida, Ramón, Arturo ya que cada uno de ellos estuvo presente para aportar

sus ideas, conocimientos, compartieron mis alegrías, mis problemas, la solución de

estos problemas, les agradezco mucho.

(10)

1. Introducción, Antecedentes y Definición del problema 1

1.1. Introducción 1

1.1.1. Antecedentes 2

1.2. Definición del Problema 3

2. Estado del Arte 6

2.1. Modelos estadísticos en apariencia o aspecto 7

2.1.1. Análisis de Componentes Principales 7

2.1.2. Descomposición de valores singulares 8

2.1.3. Análisis de componentes Independientes 8

2.1.4. Análisis discriminante lineal 9

2.2. Métodos locales o acoplamiento de estructuras 9

2.2.1. Agrupación Gráfica 10

2.2.2. Agrupación gráfica elástica 11

2.2.3. Modelo de Apariencia Activa 11

2.2.4. Modelos Morfológicos 3D 12

2.3. Métodos Híbridos 12

2.4. Sistemas de Evaluación 12

3. Métodos y Clasificadores 14

3.1. Definiciones 14

3.1.1. Subespacio lineal dimensional 14

3.1.2. Modelo de Iluminación 15

3.1.3. Espacio de la Imagen 15

3.1.4. Espacio de iluminación del rostro 16

3.1.5. Alineación geométrica 16

3.2. Métodos 18

3.2.1. Análisis de Componentes Principales (PCA) 18

3.2.2. Proyección de las imágenes 20

3.2.3. Cociente de la Imagen 21

3.2.4. Cociente de la imagen: Alineación Global de la Iluminación ... 24

3.3. Reconocimiento del rostro 27

3.4. Verificación del rostro 27

(11)

ii

 Contenido

4. Implementación 30

4.1. Pre-procesamiento de las imágenes originales 30

4.1.1. Conversión a niveles de gris 31

4.1.2. Alineación Geométrica 31

4.1.3. Reducción de la Imagen Original 31

4.1.4. Obtención del Rostro 31

4.2. Descripción Bases de Datos 32

4.2.1. Base de Datos PIE 32

4.2.2. Base de Datos CIMM 32

4.2.3. Configuración del sistema 33

5. Experimentos y Resultados 36

5.1. Reconocimiento del rostro 36

5.1.1. Análisis de componentes principales PCA 36

5.1.2. Proyección de las imágenes 43

5.1.3. Cociente de la imagen: alineación global de la iluminación ... 48

5.2. Verificación del rostro 58

5.3. Resultados 59

6. Conclusiones y Trabajo Futuro 62

6.1. Conclusiones 62

6.2. Trabajo Futuro 63

7. Bibliografía 64

A. Matrices de Confusión, Método PCA 66

B. Matrices de Confusión, Método Proyecciones

78

C. Matrices de Confusión, Método Cociente de la Imagen 92

(12)

4.1. Tabla de etiquetas, posición reflectores 34

5.1. Resultados PCA, base de Datos PIE 38

5.2. PCA, Conjuntos de prueba base de Datos PIE 39

5.3. PCA, Conjuntos de entrenamiento base de Datos PIE 40

5.4. Conjunto de entrenamiento, Base de Datos CIMM 41

5.5. Conjuntos de prueba Cl a C7, Base de Datos CIMM 41

5.6. Conjuntos de prueba C8 a C14, Base de Datos CIMM 41

5.7. Experimentos PCA, Base de datos CIMM 42

5.8. Resultados PCA, Base de datos CIMM 43

5.9. Proyección de las imágenes, base de datos PIE 45

5.10. Proyección de las imágenes.Conjuntos PIE 46

5.11. Resultados Proyecciones,base de Datos PIE 47

5.12. Experimentos Proyecciones, Base de datos CIMM 47

5.13. Resultados Proyecciones,base de Datos CIMM 49

5.14. Conjunto de entrenamiento, Base de Datos PIE 49

5.15. Conjunto de prueba, Base de Datos PIE 51

5.16. Experimentos Cociente de la imagen, PIE 52

5.17. Resultados Cociente de la imagen, PIE 52

5.18. Conjunto Estándar, Base de Datos CIMM 52

5.19. Conjunto de entrenamiento, Base de Datos CIMM 54

5.20. Experimentos, Base de Datos CIMM 55

5.21. Resultados Cociente de la imagen, Base de Datos CIMM 55

5.22. Resultados verificación del rostro,PIE 58

5.23. Resultados verificación del rostro,CIMM 59

A.l. Experimento 1 PCA 39 eigenrostros, parte 1, PIE 66

A.2. Experimento 1 PCA 39 eigenrostros, parte 2, PIE 67

A.3. Experimento 1 PCA 39 eigenrostros, parte 3, PIE 68

A.4. Experimento 2 PCA 39 eigenrostros, parte 1, PIE 69

A.5. Experimento 2 PCA 39 eigenrostros, parte 2, PIE 70

A.6. Experimento 2 PCA 39 eigenrostros, parte 3, PIE 71

A.7. Experimento 3 PCA 39 eigenrostros, parte 1, PIE 72

A.8. Experimento 3 PCA 39 eigenrostros, parte 2, PIE 73

(13)

iv

 índice de tablas

A.9. Experimento 3 PCA 39 eigenrostros, parte 3, PIE 74

A. 10.Experimento 1 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 75

A. 11.Experimento 2 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 75

A. 12.Experimento 3 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 75

A. 13.Experimento 4 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 75

A. 14.Experimento 5 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 76

A. 15.Experimento 6 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 76

A. 16.Experimento 7 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 76

A.17.Experimento 8 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 76

A.lS.Experimento 9 PCA 9 eigenrostros. Base de datos CIMM 76

A.19.Experimento 10 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 77

A.20.Experimento 11 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 77

A.21.Experimento 12 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 77

A.22.Experimento 13 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 77

A.23.Experimento 14 PCA 9 eigenrostros, Base de datos CIMM 77

B.l. Parte l,Base de Datos PIE Experimento 1 78

B.2. Parte 2,Base de Datos PIE Experimento 1 79

B.3. Parte 3,Base de Datos PIE Experimento 1 80

B.4. Parte l,Base de Datos PIE Experimento 2 81

B.5. Parte 2,Base de Datos PIE Experimento 2 82

B.6. Parte 3,Base de Datos PIE Experimento 2 83

B.7. Parte l,Base de Datos PIE Experimento 3 84

B.8. Parte 2,Base de Datos PIE Experimento 3 85

B.9. Parte 3, Base de Datos PIE Experimento 3 86

B.l0.Base de Datos CIMM Experimento 1 86

B.ll.Base de Datos CIMM Experimento 2 86

B.12.Base de Datos CIMM Experimento 3 87

B.13.Base de Datos CIMM Experimento 4 87

B.14.Base de Datos CIMM Experimento 5 87

B.15.Base de Datos CIMM Experimento 6 87

B.16.Base de Datos CIMM Experimento 7 87

B.17.Base de Datos CIMM Experimento 8 88

B.lS.Base de Datos CIMM Experimento 9 89

B.19.Base de Datos CIMM Experimento 10 89

B.20.Base de Datos CIMM Experimento 11 89

B.21.Base de Datos CIMM Experimento 12 89

B.22.Base de Datos CIMM Experimento 13 90

B.23.Base de Datos CIMM Experimento 14 90

(14)
(15)

Índice de figuras

2.1. Sistema Reconocimiento/Verificación 6

2.2. Métodos de reconocimiento de rostro [10] 7

2.3. Vectores básicos ICA [10] 9

2.4. Vectores básicos LDA [10] 9

2.5. Agrupación gráfica [10] 10

2.6.

Jet

[10]

11

2.7. Gráfica etiquetada [10] 11

2.8. AAM, forma y textura normalizada [10] 12

3.1. Reconstrucción rostro sin alineación geométrica 17

3.2. Imágenes de un conjunto de entrenamiento, base de datos PIE 19

3.3. Rostro promedio del conjunto de entrenamiento, base de datos PIE . . 19

3.4. Proyección del vector x hacia el vector y 21

3.5. Proyección de la imagen

 A

hacia el espacio de a imagen

 B

22

3.6. Cociente de la imagen: alineación global de la iluminación [6] 26

3.7. Gráfica Falsos Positivos,Falsos Negativos 29

4.1. Imágenes Originales (a)PIE (b)CIMM 31

4.2. Obtención del rostro a partir de las imágenes originales (a)PIE (b)CIMM 32

4.3. Localización xyz en cm de la cabeza y de los reflectores, ilustrados en 3D 34

4.4. Posición reflectores (a) R4 y R2, (b) R7, (c) R5 y R3, (d) R8, (e) R6 . 35

5.1. Eigenrostros, base de datos PIE 37

5.2. Rostros reconstruidos, base de datos PIE 38

5.3. Eigenrostros, base de datos CIMM 42

5.4. Rostros reconstruidos, base de datos CIMM 43

5.5. Proyección de las imágenes, base de datos PIE 46

5.6. Proyección de las imágenes, base de datos CIMM 48

5.7. Resultado Cociente de la imagen, Base de datos PIE 53

5.8. Resultado Cociente de la imagen, Base de datos CIMM 57

5.9. Resultados en el reconocimiento del rostro, Base de datos PIE 60

5.10. Resultados en el reconocimiento del rostro, Base de datos CIMM . . . . 61

D.l. Proyecciones, Experimento 1 Base de datos PIE 104

D.2. Proyecciones, Experimento 2 Base de datos PIE 105

(16)
(17)

Capítulo 1

Introducción, Antecedentes y

Definición del problema

1.1 Introducción

Diariamente realizamos actividades en las que algún sistema de seguridad se

encuentra implícito sin que nos demos cuenta de ello. Por ejemplo, si nos encontramos

en un banco y deseamos realizar un retiro en efectivo de su cuenta de ahorros,

enton-ces el cajero o gerente nos pedirá mostrar una identificación personal con fotografía

para verificar que seamos la persona indicada y poder dar el acceso a dicho movimiento.

Así como esta actividad existen otras que han propiciado el desarrollo de sistemas

automáticos de verificación y acceso utilizando el rostro. Tales sistemas han contribuido

en las aplicaciones de seguridad, trámites comerciales,legales y forenses [4] [8] [10] [11] [14].

Algunos ejemplos de aplicación son:

• Identificación criminal.

• Seguridad en los sistemas.

• Pasaportes.

• Tarjetas de Identificación personal.

• Licencias para conducir.

• Fotografías policiales.

• Imágenes extraídas de videos de vigilancia.

• Control de acceso.

• Reconstrucción del rostro.

• Comunicación multimedia, entre otros.

(18)

1.1.1 Antecedentes

Las primeras investigaciones sobre el reconocimiento del rostro humano fueron

con-ducidas por psicólogos y neurólogos. Ambos coincidieron que las personas reconocen

los rostros debido a que:

• El rostro es único.

• Analizan el rostro con el uso de las expresiones faciales.

• Realizan una organización de rostros dentro de la memoria.

« Tienen la capacidad de reconocer rostros invertidos.

• Distinguen las imágenes, sea rostro u objeto.

• Se enfocan en rasgos característicos del rostro.

• Tienen un mejor reconocimiento de rostro con las personas de su misma raza.

Los temas anteriores fueron de relevancia para diseñar algoritmos o sistemas que

fueran útiles en el reconocimiento del rostro [14].

El primero que intentó crear un sistema de reconocimiento semiautomático con

un híbrido humano, fue Bledsoe(1966a,b) [11].El sistema consistía en introducir unas

marcas en las fotografías para poderlo guiar hacia la posición de los parámetros de

cla-sificación. Sus parámetros de clasificación eran normalizar las distancias y radios entre

puntos como las esquinas de los ojos, boca, orificios de la nariz y el punto de la barbilla.

Después los Laboratorios Bell (Goldstein, Harmon and Lesk. 1971) [11]

desarro-llaron un vector por encima de las 21 características y además reconocieron rostros

usando técnicas de clasificación con patrones estándares. Las características escogidas

fueron evaluaciones subjetivas hechas por humanos, las cuales fueron difíciles de

automatizar.

En 1973, se mostraron las técnicas para embonar imágenes al estrechar y contraer

sus partes: Fischler, Elschlager y Widrow.Fischler y Elschlager [11] [12] procuraron

medir características similares automáticamente a partir de un algoritmo lineal. Ellos

describieron al modelo (visto de manera frontal) como elástico, conformado por un

conjunto de características locales unidas por resortes a favor de cierta configuración.

Además, en él se modelaban los ojos,boca,nariz y los lados del rostro los cuales son

representados y conectados por los resortes.

(19)

1.2. Definición del Problema

de visión controladas y usando relaciones espaciales entre las características. Por otro

lado, el sistema calcula un conjunto de parámetros faciales provenientes de una imagen

(rostro simple) utilizando una técnica de clasificación de patrones para embonar

este rostro a un conjunto de rostros conocidos.El enfoque que se le da al sistema es

estadístico dependiendo principalmente de un histograma local y con valores de escala

gris.

Para los años ochenta, se incrementaron los artículos sobre visión computacional

trayendo consigo otra serie de investigaciones.

Haig (1984) [12] hizo experimentos en donde alteraba la posición de las

carac-terísticas faciales. Sus resultados mostraron que estos cambios son extremadamente

sensibles. Por ejemplo, realizó pequeños cambios en la distancia entre los ojos lo cual

fue suficiente para afectar el reconocimiento.

En el trabajo de Yuille, Cohén y Hallinan (1989) [11] se observa que su estrategia

está basada en plantillas deformables las cuales son modelos parametrizados del rostro

y sus características cuyos valores paramétricos son determinados por la iteración con

la imagen.

Kohonen (1989) y Lahtio (1981) [11] en su trabajo describen una red autoasociativa

con un algoritmo de simple aprendizaje que puede reconocer (clasificar) imágenes de

rostros y recordar una imagen de un rostro proveniente de una versión de entrada

incompleta o con ruido. Fleming y Cottrell (1990) extendieron éstas ideas usando

unidades no-lineales.

Otros enfoques en el reconocimiento del rostro automático, consiste en caracterizar

el rostro con el uso de parámetros geométricos e interpretar el reconocimiento basado

en los parámetros. Algunos investigadores de éstos enfoques son: Kaya and Kobayashi

(1972), Cannon, Jones, Campell y Morgan (1986), Craw, Ellis y Lishman (1987),

Wong, Law y Tsaug (1989).[11]

1.2 Definición del Problema

La variación en la iluminación es uno de los problemas más difíciles para el

reconocimiento de rostro y ha recibido mucha atención en años recientes. Se sabe que

la variación de la iluminación es más significativa a comparación de las diferentes

características personales que se presentan en el rostro [2] [6] [7].

Los cambios en la dirección de la luz en la imagen de un rostro, alteran

relativa-mente la distribución en la escala de gris (0-255). Haciendo uso del método tradicional

de equalización o histograma se obtiene una imagen en la que sólo se transfiere la

(20)

distribución en los niveles de gris ignorando información específica acerca del rostro [6].

Así como el método de equalización han existido otros métodos como los filtros de

Gabor en 2D, derivadas en la intensidad de la imagen, mapeo de los límites, relaciones

geométricas, los cuales fueron sometidos a cambios de iluminación cuyos resultados

mostraron falta de robustez ante estos cambios. El principal problema de esta clase

de métodos es que la mayoría de la información valiosa (niveles de gris) es descartada

Para resolver éste problema se han propuesto y desarrollado varios algoritmos por

ejemplo el método de iluminación del cono, cociente de la imagen, espacios armónicos

esféricos, análisis de componentes principales(PCA), método cociente de la imagen:

alineación global de la iluminación, entre otros [2] [6] [7] [12] .

El objetivo de la presente tesis, es comparar a través de los diferentes modelos de

iluminación los métodos de Análisis de Componentes Principales (PCA), Proyecciones

y el método Cociente de la Imagen: alineación global de la iluminación.

El método PCA [8] [10] [11] [13] [15] [16] es utilizado en la reconstrucción de rostros

a partir de un conjunto de vectores llamados "eigenrostros" los cuales proveen las

características principales de un conjunto de rostros. El objetivo de utilizar este método

es demostrar que en condiciones de iluminación diferente los resultados son bajos en

comparación con los altos resultados cuando las condiciones de iluminación son neutral.

El método de Proyecciones es aportación del autor de la presente tesis y este

surgió de la idea de visualizar una imagen

 Y

como un conjunto de vectores en el

espacio de iluminación

 L,

en el cual se desea proyectar una imagen

 X.

La proyección

de la imagen

 X

contendrá información de la iluminación

 Y.

Por último, la finalidad del método Cociente de la Imagen: alineación global de la

iluminación [6] consiste en obtener las condiciones de iluminación de una imagen de

entrada y poder alinear esta iluminación hacia un conjunto de imágenes en la base de

datos. El objetivo de utilizar el método, es debido a que los resultados bajo diferentes

condiciones de iluminación presentados en [6] son altos.

La implementación de los métodos se llevo a cabo en la base de datos de dominio

público Pose,Iluminación y Expresión (PIE) y local Condiciones de Iluminación

Martínez Meza (CIMM). Se utilizó la base de datos PIE debido a que ha sido utilizada

en diferentes investigaciones [2] [6] [7], en cambio la base de datos CIMM fue creada

con el objetivo de probar la efectividad de los métodos ante una base de datos distinta

a las de dominio público.

(21)

1.2. Definición del Problema

Posteriormente, se procedió a obtener el método que mejor reconocimiento del rostro

presentara y comparar estos resultados con los presentados por el sistema de evaluación

FRVT 2002.

(22)

Estado del Arte

Un sistema general de reconocimiento y verificación consiste en detectar el rostro

dentro de la imagen, extraer las características del rostro, reconocer,identificar y

verificar que sea el rostro correcto. Otros sistemas incluyen un sistema de clasificación

posterior, por ejemplo decidir si es hombre o mujer, o a que raza pertenece. El sistema

general de reconocimiento y verificación se muestra en la figura 2.1.

Análisis de resuftados

Figura 2.1:

Sistema Reconocimiento/Verificación

Como se muestra en la figura 2.1 el sistema de reconocimiento consiste en identificar

a la persona buscándola en una base de datos, mientras que el sistema de verificación

se encarga de comprobar que la persona concuerde con la fotografía de quien se dice

ser, de no ser asi, es considerada como impostor.

Para los sistemas de reconocimiento se han desarrollado diferentes métodos, cuya

clasificación utiliza modelos de aspecto o apariencia así como de modelos basados en

las características locales. Para ésta clasificación, se tienen tres categorías:

• Modelos estadísticos en apariencia o aspecto.

• Métodos basados en las características locales o acoplamiento de estructuras y

• Métodos híbridos.

En la figura 2.2, se muestra la clasificación, categorización así como de algunos

métodos de reconocimiento.

(23)

2.1. Modelos estadísticos en apariencia o aspecto

Lineal—

PCA

ICA

LDA

.— Apariencia

Reconocimiento

del rostro

basado en la

imagen

Modelo

­No­Lineal

­2D—

­3D—

i

— Agrupación Gráfica

/— Agrupación Elástica Gráfica

11

— Modelo de apariencia activa

Modelos morfológicos 3D

Figura 2.2:

Métodos de reconocimiento de rostro [10]

2.1 Modelos estadísticos en apariencia o aspecto

Uno de los enfoques para el reconocimiento de objetos y gráficos computacionales,

esta basado en utilizar la imagen directamente sin hacer uso de modelos

tridimensio-nales. Este mismo enfoque se ha llevado a cabo para el reconocimiento de rostro.

Los métodos que obtienen el modelo del rostro a partir de la imagen, hacen uso de

la forma y textura del rostro representados en forma de vector. Algunos métodos son

PCA, ICA, LDA, entre otros.

2.1.1 Análisis de Componentes Principales

El método de análisis de componentes principales (PCA) [8] [10] [11] [13] [15] [16],

utiliza los eigenrostros

 U

para encontrar los vectores que mejor se adapten a la

distribución de las imágenes de los rostros. Estos vectores definen el subespacio de las

imágenes de los rostros llamado espacio del rostro.

La proyección de los rostros del conjunto de prueba

 P

hacia el espacio del rostro,

se realiza a través de un conjunto de pesos que describen la distribución de cada vector

en el espacio del rostro, dados por la ecuación 2.1.

(24)

W =

 U

T

x P

(2.1)

Para identificar los rostros del conjunto de prueba se proyecta el conjunto de pesos

hacia los eigenrostros obteniendo

* =

 W • U

(2.2)

donde $ es el conjunto de rostros de prueba reconstruidos.

Romdhani [16] reporta en promedio un 92 % en el reconocimiento del rostro. PCA

también es conocida como el método de transformación Karhunen-Loeve [14]. Siendo

PCA uno de los métodos a utilizar, se explica con más detalle en el capítulo 3.

2.1.2 Descomposición de valores singulares

El método de descomposición de valores singulares (SVD),utilizado comúnmente

para el procesamiento de imágenes, extrae las características principales de un conjunto

de rostros representados por la matriz $. La matriz <í> puede ser descompuesta en el

producto de otras tres:

$ =

 UL

l/2

Z'

(2.3)

donde

 U y Z

son matrices ortogonales y

 L

contiene los valores singulares de la

matriz <í>.

En el capítulo 3 se describe con mayor detalle el método descomposición de valores

singulares.

2.1.3 Análisis de componentes Independientes

El método de análisis de componentes independientes (ICA) [10] es similar a

PCA excepto en que la distribución de sus componentes están diseñados para no

ser gaussianas. Bartlett[10] propuso dos arquitecturas basadas en ICA, las cuales

presentaban imágenes base estadísticamente independientes así como la representación

de un código factorial.

El objetivo de ICA es separar momentos de alto orden de la entrada, además de

los momentos de segundo orden utilizados en PCA. La obtención de los vectores base,

está basada en un algoritmo llamado "fast fixed-point" en el cual no existe un orden

específico para obtenerlos. La representación del código factorial se observa en la figura

2.3.

(25)

2.2. Métodos locales o acoplamiento de estructuras

Figura 2.3:

Vectores básicos ICA [10]

en ICA no existe un específico criterio para obtenerla.

2.1.4 Análisis discriminante lineal

El método de análisis discriminante lineal (LDA) representa el espacio vectorial

del rostro dividiéndolo en clases. Para los procesos de identificación, la información

que proveen las clases puede ser de utilidad.

Por ejemplo el método del discriminante lineal de Fisher (FLD), utiliza información

específica de las clases, ya sea definiendo diferentes clases con diferentes estadísticos

para las imágenes del conjunto de aprendizaje.

En la figura 2.4 se presenta un ejemplo de los vectores base del análisis discriminante

lineal.

Figura 2.4:

Vectores básicos LDA [10]

2.2 Métodos basados en las características locales

o acoplamiento de estructuras

Los métodos basados en el acoplamiento de estructuras buscan encontrar las

características locales que representan el rostro. Esto incluye desde localizar los

ojos,nariz,boca, hasta el tipo de geometría que éstos tienen para contruir un modelo

del rostro humano.

El primer sistema de reconocimiento de rostro automatizado fue realizado por

Kanade [10] [11] [12]. El sistema consitía en dar como entrada la imagen del rostro

localizando en forma automática las esquinas de los ojos, orificios de la nariz, etc.

(26)

gráfico. Después se desarrollaron otros sistemas donde se integraron los modelos 2D

(forma y textura) y 3D.

Para construir los modelos basados en las características locales o acoplamiento de

estructuras es necesario:

1. Contruir el modelo

2. Acoplar el modelo obtenido con el modelo del rostro

3. Utilizar los parámetros del modelo acoplado como vector característico para

cal-cular la similitud entre el rostro a reconocer así como de los rostros localizados

en la base de datos.

2.2.1 Agrupación Gráfica

Los rostros humanos compartirmos las mismas características, dos ojos, nariz,

boca. El método de agrupación gráfica consiste en conectar éstas características las

cuales representarán la unión de diferentes nodos acoplándose al rostro formando una

estructura como la que se muestra en la figura 2.5.

Figura 2.5:

Agrupación gráfica [10]

Cada nodo contiene un conjunto de 40 coeficientes de ondas complejas de Gabor

incluyendo fase y magnitud ver figura 2.6. Los coeficientes de onda son extraídos

usando la familia de kernels de Gabor con 5 diferentes frecuencias espaciales y 8

orientaciones. Todos los kernels están normalizados para tener media cero.

Los nodos están etiquetados como "jets", donde cada "jet" hace referencia a los

mismos puntos. Por ejemplo todos los ojos del lado derecho del rostro se

encuen-tran agrupados en el mismo "jet", por lo que éste "jet" puede contener diferentes

características para los ojos del lado derecho del rostro, como por ejemplo un ojo

de un hombre o mujer, el ojo abierto o cerrado, etc. Esto representa un conjunto de

alternativas para cada "jet".

(27)

2.2.

 Métodos locales o acoplamiento de estructuras

11

Resultados Convolución

Ondas Oabor Parte imaginaria Magnitud

Imágenes Originales

Figura 2.6:

Jet [10]

jet

estructura jet objeto adaptado a la estructura (rostro)

Figura 2.7:

Gráfica etiquetada [10]

2.2.2 Agrupación gráfica elástica

A partir del concepto de agrupación gráfica, el método de agrupación elástica gráfica

se define como la determinación de la identidad del rostro gráfico de entrada con

me-nor distancia en relación al modelo gráfico del rostro dado por una galería en particular.

Las estructuras de los gráficos pueden ser rotadas, escaladas y se pueden deformar

dependiendo de la variación entre las imágenes.

2.2.3 Modelo de Apariencia Activa

El modelo de apariencia activa (AAM) [10] está integrado de modelos estadísticos

los cuales combinan un modelo de variación de forma con un modelo de variación de

apariencia (textura) en un "frame" de forma normalizada. AAM contiene modelos

estadísticos del objeto de interés, forma y apariencia en niveles de gris.

(28)

•f •• «• í • «

Figura 2.8:

AAM, forma y textura normalizada [10]

La forma del rostro es representada como un vector de posiciones "landmarks" ver

figura

2.8.

2.2.4 Modelos Morfológicos 3D

La representación de los rostros en modelos de 3D tienen un mejor manejo de las

variaciones faciales, como lo son la pose e iluminación. El objetivo de éstos métodos es

separar los parámetros intrínsecos y extrínsecos del rostro. Lu presenta [10] un método

de contrucción y acoplamiento.

Epstein, Yuille y Belhumeur [12] han trabajado en desarrollar métodos para inferir

estructuras en 3D utilizando dos enfoques: utilizar múltiples imágenes del rostro bajo

diferentes condiciones de iluminación y usar una sola imagen adhiriéndole a esta

conocimiento a priori de la forma y textura del rostro.

Otra manera de obtener un modelo en 3D es a través del conocimiento de la

estructura geométrica de la cabeza, en donde este conocimiento puede adquirirse

utilizando un aparato láser. Este tipo de construcción de modelos del rostro en 3D es

utilizado en gráficos computacionales.

2.3 Métodos Híbridos

Por último la categoría de los métodos híbridos representa la percepción que tiene

el humano tanto de las características locales así como del rostro completo para poder

realizar el reconocimiento.

En la presente tesis ésta clase de métodos no son objeto de estudio.

2.4 Sistemas de Evaluación

(29)

2.4. Sistemas de Evaluación

13

es necesario considerar la verificación del mismo.

Las series de evaluación FERET [18] está compuesta por nueve instituciones y

compañías participantes. A esta le sigue la serie de pruebas Vendor FRVT.

Las pruebas de evaluación FERET están diseñadas para evaluar la eficiencia de

los algoritmos que automáticamente localizan, normalizan e identifican los rostros. Su

base de datos consiste en imágenes con expresión neutral, con diferentes expresiones

y diferentes condiciones de iluminación. La evaluación consiste en tres pruebas cada

una con diferente galería y conjunto de prueba.

El sistema de evaluación FRVT 2002 [18] es una tecnología administrativa

independiente en sistemas de reconocimiento del rostro. Muestra como resultados la

capacidad de los sistemas de reconocimiento del rostro y la verificación de los mismos.

Este sistema tiene una galería mayor que FERET.

Su objetivo es proveer las mediciones que evalúen la eficiencia de sistemas

au-tomáticos ante situaciones reales. Su base de datos consiste en imágenes con diferentes

condiciones de iluminación controladas (interior) y no controladas (exterior).

(30)

Métodos y Clasificadores

Uno de los principales problemas de los sistemas de verificación de rostro, ha sido

la iluminación [2] [6] [7]. Para resolver éste problema se han propuesto y desarrollado

varios métodos: Análisis de Componentes Principales (PCA), Proyecciones y el

Cociente de la Imagen: alineación global de la iluminación [2] [6] [7] [12] .

En éste capítulo se explicarán a detalle los métodos utilizados para resolver el

problema de iluminación en el reconocimiento y verificación del rostro.

3.1 Definiciones

La relación que existe entre los métodos análisis de componentes principales,

proyecciones y el método cociente de la imagen: alineación global de la iluminación,

es que pueden ser representados en un subespacio lineal dimensional bajo, sus

propiedades están basadas en el modelo de Lambert y además requieren que los rostros

se encuentren alineados geométricamente [2] [3] [9] [12] [13].

Para tener un mejor entendimiento de los métodos a implementar, se definirán los

conceptos espacio y subespacio lineal dimensional, el modelo de Lambert como modelo

de iluminación y la alineación geométrica de los rostros.

3.1.1 Subespacio lineal dimensional

Los espacios vectoriales están representados como

 R

l

, R

2

,

3

,... , donde el espacio

R"

consiste en todos los vectores columna con

 n

componentes reales, siendo

 n

la

dimensión del espacio. Por ejemplo, sea

 R

2

el espacio dimensional en 2D cuyos ejes

coordenados son

 x y y.

Otro espacio dimensional sería el definido por

 R

3

en donde

cada componente del vector representa los ejes coordenados

 x, y y z.

Los espacios vectoriales son subespacios que contienen otro espacio vectorial.

Los subespacios de un espacio vectorial son subconjunto del espacio si la suma

(31)

3.1. Definiciones

15

de dos vectores cualquiera en el subespacio se encuentra en éste subespacio y

cual-quier múltiplo escalar del vector en el subespacio se encuentra también en el subespacio.

3.1.2 Modelo de Iluminación

El modelo de Lambert se representa como:

/

(ar,

 y)

 = p

(x,

 y)

 n

(z,

 y)

T

 s

(3.1)

T

donde

 p

es la textura de la superficie,

 n (x, y)

es la superficie normal (forma en

3D) del objeto (la misma superficie para todos los objetos de la clase), y s que es el

punto de iluminación del que proviene.

La propiedad del modelo de Lambert consiste en que su resplandor depende

simplemente de la iluminación y no del punto de vista en que se observe. Cada

punto en la textura de la superficie brilla de igual forma en todas las

direc-ciones, y ésta sólo depende de la cantidad de luz incidente por unidad de área la

cual es proporcional al coseno del ángulo incidente para una sola fuente de luz distante.

En la textura de la superficie existen dos tipos de sombras: adjuntas y molde. Las

sombras adjuntas son definidas por las condiciones geométricas locales. El punto

 P

se

define como una sombra adjunta si el ángulo entre la superficie normal y la dirección

de la luz fuente es obtusa, entonces

 n (x, y) s <

0.

Sea el punto

 P

una sombra molde si éste es obtruído por la luz debido a otras

partes del mismo objeto. Las sombras molde se presentan a causa de objetos con

partes cóncavas las cuales crean sombras moldes.

En las secciones siguientes se explicará como se aplicaron los conceptos espacio

(subespacio) lineal dimensional y el modelo de Lambert en una imagen.

3.1.3 Espacio de la Imagen

Una imagen

 I(x, y)

es un arreglo de dos dimensiones

 N

renglones por

 B

columnas,

cuya intensidad de valores se encuentra en la escala de gris (0-255).

El rostro es una imagen la cual puede ser vista como un vector de dimensión

 N * B.

La construcción del vector

 N * B se

realiza al hacer una concatenación de pixel por

pixel, usualmente por renglón [16].

(32)

en el espacio de la imagen.

La ventaja de ésta representación es la reducción de la dimensión, preservar la

información de la imagen así como el tiempo computacional en el procesamiento.

Los métodos PCA, descomposición de valores singulares, proyecciones y cociente

de la imagen: alineación global de la iluminación han utilizado la técnica de reducción

de la dimensión. En la sección 3.2 se explicarán los métodos.

3.1.4 Espacio de iluminación del rostro

El rostro 7¿ con n pixeles cuyo subespacio se representa como

 R".

Si / representa

ese espacio, entonces

/ C

fí"

 (3.2)

Las imágenes con posición frontal y bajo diferentes condiciones de iluminación

for-marán parte del subespacio

 I.

Si

 F

representa éste espacio, entonces

Ti<n

(3.3)

El espacio de iluminación del rostro

 L

es un subespacio dimensional

 d

construido

por el espacio de imágenes del rostro

 F

bajo diferentes condiciones de iluminación

L = T(F),LcF,LcH

d

,d<m

(3.4)

donde

 T

es la función de transformación del espacio del rostro hacia el espacio de

iluminación del rostro.

Sea /i e

 I­¿

imágenes de dos rostros diferentes bajo la misma condición de iluminación

/ = T(/

1

)=T(/

2

) (3.5)

donde / es la proyección hacia el espacio de iluminación

 I

6

 L.

La representación anterior nos indica que es posible estimar las condiciones de

iluminación de una persona utilizando la representación del subespacio de otra persona

[6].

3.1.5 Alineación geométrica

(33)

3.1. Definiciones

17

Por ejemplo, si el conjunto de imágenes

 A

no se encuentra en las mismas posiciones

geométricas y se aplica el método PCA se obtendrá como resultado la reconstrucción

de una imagen de un rostro como la que se muestra en la figura 3.1. Por consiguiente.

se debe de realizar la alineación geométrica antes de implementar los métodos PCA.

Proyecciones y Cociente de la imagen: alineación global de la iluminación.

Figura 3.1:

Reconstrucción rostro sin alineación geométrica

Es común el uso del centro de los ojos para fijar las coordenadas a las que se hará la

alineación. El método de alineación geométrica aplicado consistió en:

• Obtener manualmente las coordenadas del ojo izquierdo y derecho del rostro.

• Realizar la alineación y traslación del rostro a partir de las coordenadas de los

ojos.

• Rotación y escalamiento del rostro.

Alineación y traslación del rostro

La alineación del rostro en la imagen original consiste en posicionar el ojo derecho

en el mismo eje

 y

del ojo izquierdo. Para llevar al ojo derecho del rostro a la misma

posición del ojo izquierdo se utilizan las coordenadas de ambos ojos y a partir de éstas

se obtiene la distancia en el eje

 x

que existe entre ellos. Con ésta distancia se calculan

las nuevas posiciones a las que se encontrarán los ojos y por consiguiente toda la imagen.

Una vez alineado el rostro en la imagen original, se extrae el rostro de la imagen

original a partir de las coordenadas de ambos ojos.

Rotación y escalamiento

(34)

es ra x n se cambia al doble de sus dimensiones 2ra x 2n entonces la imagen ahora

contiene más pixeles. El proceso de interpolación entonces calcula los valores de los

pixeles adicionales.

El método de interpolación bilineal consiste en que el valor del pixel de salida es el

peso promedio de los pixeles aplicando el principio del vecino próximo 2 por 2.

3.2 Métodos

En la presente sección se describirán los métodos utilizados para obtener los

diferentes modelos de iluminación. Una vez obtenidos los modelos, se estimaron las

variaciones que existen entre el rostro reconstruido y el original a través del error

de reconstrucción conocido como distancia Euclideana. El error de reconstrucción

ayudará a estimar el porcentaje de aceptación de cada método.

3.2.1 Análisis de Componentes Principales (PCA)

El espacio de la imagen tiene la desventaja de no ser la mejor representación para

describir el rostro, por lo que se construyen unos vectores base llamados componentes

principales [16].

Para poder aplicar Análisis de Componentes Principales (PCA), es necesario

expresar la imagen en un vector de una dimensión a partir de un rostro de dos

dimensiones [8] [11] [12] [16] .

Supongamos que tenemos

 S

vectores de tamaño .R(renglones*columnas de la

ima-gen) el cual representa un conjunto de imágenes, si pj's representa los valores en pixeles

entonces:

I\ =

 \PJ­PK]

, * = 1,..-,

 S j

= 1,...,

 R

(3.6)

Considerando que se tiene un conjunto de imágenes de entrenamiento

Fi,r2,r3,..., FS, y la imagen promedio de este conjunto de entrenamiento se

encuentra definida por

 t¡) = j¡

J^

n=1

F

n

. En la figura 3.2 se muestra un conjunto de

entrenamiento y en la figura 3.3 la imagen promedio de éste conjunto.

Las imágenes son centradas restándole la imagen promedio del conjunto de

entre-namiento, por lo que se define

*i = r< - ^

(3.7)

El conjunto de vectores obtenidos (*í>j) serán utilizados para el análisis de

(35)

3.2. Métodos

19

Figura 3.2:

Imágenes de un conjunto de entrenamiento, base de datos

PIE

Figura 3.3:

Rostro promedio del conjunto de entrenamiento, base de datos

PIE

que puedan describir la distribución del dato.

Una manera de obtener los componentes principales es mediante la descomposición

de los valores singulares (SVD) [12] [15].

Si <frj es una matriz

 e*q

donde e >

 q,

entonces $/$, es una matriz simétrica de

orden

 q*q.

La descomposición de los valores singulares es

$¿ =

 UL

l/2

Z'

(3.8)

donde L

1

/

2

es una matriz diagonal cuyas raíces son cuadradas positivas de los

 q

eigenvalores de $fí>¿, por consiguiente L

1

/

2

/.,

1

/

2

=

 L.

Los elementos de L

1

/

2

son los

valores singulares, los vectores columna en

 U

y

 Z

son los vectores singulares izquierdo

y derecho respectivamente.

 U y Z

son matrices ortogonales.

(36)

S

para formar los eigenrostros

 u¡.

(3.9)

fc=i

Los eigenrostros

 u¡

deben de ser ortonormales.

Reconstrucción del Rostro utilizando Eigenrostros

Los eigenrostros M' definen un subespacio base resultado de reducir el espacio

original TV

2

. Los M' eigenvectores significantes de la matriz 3>, son escogidos como

aquellos cuyos eigenvalores son los más grandes.

Una nueva imagen de un rostro F es trazada hacia el espacio del rostro a través

de los coeficientes

 ujk.

Los coeficientes se obtienen restando la imagen promedio ^ a la

nueva imagen F y proyectándola en el espacio del rostro a través de los eigenrostros

 u^

u

k

 = ul(T­V)

(3.10)

para

 k =

1,..., M'. Los coeficientes

 ujk

son los pesos de los eigenrostros. El peso del

primer eigenface es muy grande, casi igual a la unidad, en cambio los valores de los

pesos siguientes van decrementando conforme el número de eigenfaces aumenta.

La reconstrucción del rostro es

(3.11)

1=1

Las variaciones que puedan existir entre el rostro reconstruido y el original, se

muestran a través del error de reconstrucción

 e

(distancia Euclideana).

e = ||4 -

 9

f

\\

(3.12)

donde

 ti =

F

-3.2.2 Proyección de las imágenes

El método de proyección consiste en dado un vector a; y el punto definido por el

vector y, encontrar el punto

 p

a lo largo de de la dirección definida por

 x

que esté muy

cercano a

 y

(ver figura 3.4).

La proyección

 p

del punto

 y

hacia el espacio de

 x

esta dado por

(37)

3.2. Métodos

21

Figura 3.4:

Proyección del vector x hacia el vector y

Sean

 x¡ y

r/, los vectores columna

 i =

1,...,

 n

de dos imágenes

 A, B

con dimensiones

m

x n,(m renglones, n columnas) cuyas condiciones de iluminación son diferentes en

cada imagen, entonces los n vectores columna de la imagen

 B

se trasladarán hacia el

espacio vectorial de los

 n

vectores columna de

 A.

La reconstrucción del rostro es

desde

 i =

1, ...,n siendo

 n

el número total de columnas de la imagen.

(3.14)

Existe otra manera de proyectar la imagen

 B

hacia el espacio vectorial de la

imagen

 A

siendo a través de los

 m

vectores renglón de ambas imágenes. En la presente

tesis no se optó por esta forma ya que se observan mejores resultados en la proyección

de las imágenes a través de los vectores columna, ver figura 3.5. El primer renglón de

la figura 3.5 es la imagen

 A

con condición de iluminación neutral y

 B

cuya condición

de iluminación presenta sombra en la parte derecha del rostro. En el segundo renglón,

el primer rostro es el resultado de proyectar a través de los vectores columna la imagen

A

hacia el espacio vectorial de la imagen

 B,

en cambio el segundo rostro muestra el

resultado de proyectar éstas mismas imágenes pero a través de los vectores renglón.

3.2.3 Cociente de la Imagen

(38)

Figura 3.5:

Prove-ccióu de la imagen .4 hacia el espacio de a imagen

 B

de la imagen: alineación global de la iluminación.

El objetivo del método es obtener diferentes condiciones de iluminación

 a

proyectar

en la imagen

 y

s

a partir de un conjunto de imágenes de entrenamiento

 A \.

Partiendo de la definición del modelo Lambert [3.lj.se puede definir una colección

de objetos en 3D con forma similar pero con diferentes texturas y superficies creando

el espacio de la imagen. Deseando abarcar el espacio de la imagen

 pn

r

s

donde

 p \

s

varían (textura e iluminación respectivamente), se define

 si.s^.s^

(tres vectores

linealmente independientes) dando

 s = ^2jXjSj

para los coeficientes

 x =

(xi.x-2.X3)

y

 pi,...,pff

como las funciones de textura base definiendo

 p =

J^

¿

 a

t

p

t

para los

(39)

a/y-3.2. Métodos

23

Si

 y

s

es una nueva imagen

 y

con una textura

 p

y

e iluminación s. entonces

"

r

(I>r*¿) (3-15)

,»=!

/

\j=l

Dadas TV matrices ^4i,..., ^4¿v llamadas conjunto de entrenamiento, cuyo tamaño es

m

x 3 (donde

 m

representa el número de pixeles de la imagen y cada matriz contiene

tres imágenes como sus columnas) se define

/

 (x) = min

x

,

a

.

N

(3.16)

el cual es un problema bilineal con

 N +

3 incógnitas x, a,-. Resolviendo éstas

incógnitas, es posible generar el espacio de la imagen del objeto y para cualquier

iluminación deseada manteniendo a¿ fija y variando

 x.

Una consideración importante

es que el tamaño del conjunto de entrenamiento

 AN

debe de ser grande según lo

planteado por [2].

Minimizando la función 3.16 se obtiene

TV

x = '52<XiVi

(3-17)

¿=i

donde

V

1

A

T

T

A

r

 Ajy

s

(3.18)

vr=l /

y los coeficientes a¿ son determinados a partir de la solución del sistema de

ecuaciones lineal homogéneo

N ­

 T

k

r=l

Los coeficientes

 a^

también pueden ser estimados a través de

* = ^£> (3-20)

i=l

donde

 6¡

es la intensidad promedio

 i

del conjunto de entrenamiento

 A^

(40)

Habiendo obtenido los coeficientes

 x,

se define el coeficiente de la imagen

 Q

y

(inva-riante a la iluminación) como

Q

y

 =

y

s

/Ax (3.22)

donde A es una matriz ra x 3 definida como

A = ^$> (3-23)

t=i

Reconstrucción del rostro con diferentes condiciones de iluminación

El espacio de la imagen creado por la imagen de entrada

 y

s

puede abarcar diferentes

condiciones de iluminación a través de

Xi = Q

y

® Az (3.24)

donde

 z =

(c*¿£,...,

 a^x) i =

1,..., TV y x» los

 i=l,...,N

rostros reconstruidos.

Los rostros reconsruídos x» representarán los diferentes cambios de iluminación

que pueda presentar el rostro de entrada

 y

s

.

3.2.4 Cociente de la imagen: Alineación Global de la

Ilumina-ción

A partir de la imagen del rostro de una persona bajo diferentes condiciones de

iluminación (conjunto de entrenamiento), se puede construir un espacio de iluminación

global [6] el cual estima la iluminación a partir de un rostro de entrada alineando ésta

iluminación hacia todas las imágenes de los rostros que se encuentren en la base de

datos.

Para alinear la iluminación de la imagen de entrada hacia las imágenes de la base

de datos, se lleva a cabo utilizando la técnica del método cociente de la imagen.

Modelación de la Iluminación

El conjunto de entrenamiento

 R

se define como /í¿,...,

 R^i =

1,...,

 N

de tamaño

m

x

 N,

donde m es el número de pixeles en la imagen y TV es el número de rostros

con diferentes condiciones de iluminación.

(41)

3.2. Métodos

25

transformación lineal no cambia la forma convexa del espacio del rostro ni del espacio

de iluminación.

Sea

 RÍ

una matriz

 e

x

 q

donde

 e

es mayor que

 q

entonces

 RjR¡

es una matriz

simétrica de orden

 q

x

 q.

La descomposición de valores singulares es

RÍ = UL

1/2

Z'

(3.25)

donde L

1

/

2

es una matriz diagonal cuyas raíces son cuadradas positivas de los

 q

eigenvalores de fíf-Rj, por consiguiente L

1

/

2

/;

1

/

2

=

 L.

Los elementos de L

1

/

2

son los

valores singulares, los vectores columna en

 U y Z

son los vectores singulares izquierdo

y derecho respectivamente.

 U y Z

son matrices ortogonales.

Los

 N

eigenvectores de

 Z

son combinaciones lineales del conjunto de entrenamiento

N

para formar los eigenrostros J5/.

N

B

i

 = '£z

lk

R

k

l=I,...,N

(3.26)

fc=i

Al comprimir la iluminación

 B — [bi,

62, •••> &*] en un subespacio dimensional TV, se

estima el cociente de la imagen para cada rostro en la base de prueba

 Y

a través de

* = I <

3

­

27

'

i =

1,2, ...,p, donde

 p

es el número de rostros en la base de datos y / son las

condiciones de iluminación.

= min

t

\\yin

s

 ­ BÍ • l\\

(3.28)

x - i

£>

r

T

#

r

 B?yin

s

(3.29)

,r=l

/

Minimizando la función 3.28 se obtiene 3.29.

Sea

 yin

s

la imagen de entrada cuya iluminación

 l

t

se desea alinear hacia la base de

datos definida como

l

t

=(B

T

B)~

1

B

T

yin

s

(3.30)

Alineación de la Iluminación

(42)

Y

K

synin

=

 Qi

l

t

(3.31)

donde Y^i,, es el rostro reconstruido a partir de la imagen de entrada

 yin

s

.

En la figura 3.6, se presenta el resultado de alinear la iluminación de una imagen de

entrada hacia varias imágenes del conjunto estándar. El rostro superior representa a la

imagen de entrada, el segundo renglón se encuentra una imagen de entrada y a su lado

es la imagen reconstruida a partir de la imagen de entrada. El resto de los renglones

son ejemplos de otras imágenes estándar así como de su respectiva alineación con la

imagen de entrada.

(43)

3.3. Reconocimiento del rostro

27

3.3 Reconocimiento del rostro

El reconocimiento del rostro también llamado identificación, es el proceso en el que

se compara un rostro reconstruido versus los rostros originales, es decir un proceso de

uno a muchos.

Las variaciones que existen entre el rostro reconstruido y¿

 y

el original

 Xj

en cada

uno de los métodos, fueron obtenidas a través del error de reconstrucción conocido

como distancia Euclideana o Norma, definida como

D

\.m=l

donde

 Xj y

í/j son dos vectores columna de tamaño

 D

(total de pixeles en la imagen).

Existen dos situaciones que se pueden presentar en el valor de e¿¿, que el valor de

6ij

contenga una distancia grande resultado de los valores de los vectores

 Xj y

y¿ cuya

longitud sea grande o que los valores de los vectores

 Xj y yi

presenten una longitud

pequeña haciendo que e¿j contenga una distancia pequeña.

Por lo que, es necesario normalizar los resultados de los valores de e,j. Sea entonces

Cjj

v

-

*

ñ

/

(

o

.

O

O

J

2^=i

 tij/

n

Siendo un proceso de uno a muchos se construye una matriz de confusión

 C

de

tamaño

 n

x

 n

donde

 n

es el total de rostros originales. Esta matriz la conforman los

valores e^ (i renglones y

 j

columnas de la matriz

 C)

desde

 i = j =

1,...,

 n.

La diagonal de la matriz de confusión

 C

es la norma que existe entre los rostros

originales y los reconstruidos, la cual debe ser la mínima para aceptar a los rostros

reconstruidos como correctos. Entonces, el error de reconstrucción e¿j estima el

porcentaje de aceptación en el reconocimiento del rostro.

3.4 Verificación del rostro

La verificación del rostro es la comparación uno a uno de los rostros (originales y

reconstruidos) la cual tiene como resultado corroborar que el rostro que se diga como

correcto lo sea.

En un sistema de verificación pueden ocurrir dos situaciones:

Figure

Figura 3.3: Rostro promedio del conjunto de entrenamiento, base de datos
Figura 3.5: Prove-ccióu de la imagen .4 hacia el espacio de a imagen B
Figura 3.6: Cociente de la imagen: alineación global de la iluminación [6]
Figura 4.3: Loralización xyz en cm de la cabeza y de los reflectores, ilustrados en 3D
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Referencias

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