專利名稱：人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法
人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及人臉識別技術，特別是涉及一種人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法。背景技術：
傳統(tǒng)的人臉識別多是針對正面、限定條件下的人臉圖像，當所輸入的人臉圖像姿態(tài)發(fā)生變化時，其識別率都會下降，因此提高人臉識別率的瓶頸問題是人臉圖像的多姿態(tài)性。姿態(tài)變化給人臉圖像帶來的變化往往比不同的人的人臉圖像之間的差異要大得多，多姿態(tài)人臉圖像識別是當前人臉識別技術所面臨的重要挑戰(zhàn)之一。為實現(xiàn)人臉識別的廣泛應用就實現(xiàn)多角度側臉的識別，因此側臉位置的確定是人臉側臉識別中至關重要的問題。然而，在傳統(tǒng)的人臉數(shù)據(jù)庫中沒有包含精確的人臉位置的數(shù)據(jù)，更沒有人臉偏轉不同角度的數(shù)據(jù)。

發(fā)明內容基于此，有必要提供一種精確的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)。此外，還有必要提供一種精確的人臉偏轉圖像獲取方法。一種人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，至少包括工作站，用于采集偏轉指令，并對被攝人臉初始化；偏轉裝置，用于根據(jù)所述偏轉指令控制并執(zhí)行被攝人臉角度的偏轉；成像裝置， 用于拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。優(yōu)選地，所述工作站接收的偏轉指令記錄了已設置的被攝人臉偏轉角和俯仰角。優(yōu)選地，所述偏轉裝置包括云臺控制器，用于根據(jù)所述偏轉指令控制云臺的角度；抓手，用于固定被攝人臉；云臺，用于調整所述抓手的偏轉角和俯仰角。優(yōu)選地，所述抓手是彈性橡膠材質。優(yōu)選地，所述成像裝置包括至少兩臺攝像機。優(yōu)選地，所述攝像機與被攝人臉處于同一高度，相鄰攝像機之間的距離為1 100 厘米，攝像機的焦距為10 200厘米。優(yōu)選地，所述攝像機參數(shù)標定后，經工作站在成像裝置坐標系進行人臉位置的初始化后在偏轉裝置的輔助下拍照，所述成像裝置坐標系是以攝像機光心連線的中點為原點，X軸與光心連線重合，Z軸與原點的光軸所在方向重合，并根據(jù)右手坐標系得到Y軸方向。優(yōu)選地，所述攝像機的參數(shù)標定是通過棋盤格標定方式拍攝5 40幅圖像，得到標定參數(shù)，或采用默認的標定參數(shù)。優(yōu)選地，所述攝像機人臉位置的初始化是標記特征點后由兩臺攝像機拍攝同一時刻視野中同一人臉。優(yōu)選地，所述工作站包括采集模塊，用于接收偏轉指令；分割模塊，用于通過顏色分割得到所述人臉圖像中的特征點；初始化模塊，用于計算得到所述特征點在成像裝置坐標系統(tǒng)下的空間位置及法向向量，并計算所述法向向量與成像裝置坐標系Z軸的偏轉
4角，將偏轉角分解為左右偏轉角以及上下俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系。優(yōu)選地，所述標記特征點是指用三個直徑小于2mm的紅斑分別標記左眉根、右眉根以及鼻子與上唇連接線中點。一種人臉偏轉圖像獲取方法，包括如下步驟參數(shù)標定；標記特征點，由拍攝同一時刻視野中同一人臉，分別分割出人臉圖像中的特征點，計算得到所述特征點在成像裝置坐標系下的空間位置及法向向量，并計算所述法向向量與成像裝置坐標系Z軸的偏轉角， 將偏轉角分解為左右偏轉角以及上下俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系； 拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。優(yōu)選地，所述參數(shù)標定的過程是通過棋盤格標定方式拍攝5 40幅圖像，得到標定參數(shù)，或采用默認的標定參數(shù)。優(yōu)選地，所述成像裝置坐標系是以攝像機光心連線的中點為原點，X軸與光心連線重合，Z軸與原點的光軸所在方向重合，并根據(jù)右手坐標系得到Y軸方向。優(yōu)選地，所述標記特征點的過程是用三個直徑小于2mm的紅斑分別標記左眉根、 右眉根以及鼻子與上唇連接線中點，并通過顏色分割出所標記的紅斑。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法通過偏轉指令在偏轉裝置的作用下精確控制被攝人臉的偏轉角度，從而可以獲取各個角度的人臉圖像，為未來的多姿態(tài)人臉識別奠定 ■石出。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法通過彈性橡膠材質的抓手來固定被攝人臉，從而實現(xiàn)被攝人臉的精確偏轉，且不影響拍攝。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法中設置相鄰攝像機之間的距離為1 100厘米，從而使得調整拍攝視野更為方便，使得被攝人臉在多個攝像機內都能夠清晰并完整成像。

圖1為一實施例中人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)的詳細模塊圖；圖2為一實施例中人臉偏轉圖像獲取方法的流程圖。圖3為一實施例中人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)的示意圖。
具體實施方式圖1示出了一實施例中人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)的詳細模塊，該人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)包括工作站10、偏轉裝置20以及成像裝置30，其中工作站10用于采集偏轉指令，并對被攝人臉初始化。一實施方式中，工作站10采集用戶所輸入的偏轉指令，進行被攝人臉偏轉角和俯仰角的設置。用戶通過工作站10提供的人機交互界面設定被攝人臉的偏轉角和俯仰角。一實施例中，工作站10包括采集模塊102用于接收偏轉指令。該采集模塊102通過用戶在人機交互界面所設置的被攝人臉偏轉角和俯仰角得到偏轉指令，該偏轉指令記錄了已設置的被攝人臉偏轉角和俯仰角。
分割模塊104用于通過顏色分割得到人臉圖像中的特征點。該特征點必須能夠代表被攝人臉所在的平面，且其魯棒性必須是非常強的，不會受到被攝人臉表情的影響，此外，該特征點必須容易識別。滿足以上條件的點都可以作為特征點，并在被攝人臉中標記出來。在優(yōu)選的實施方式中，特征點是標記于左眉根、右眉根以及鼻子與上唇連線中點上的三個直徑小于2mm的紅斑，該紅斑優(yōu)選為小于2mm的紅斑。為防止紅斑在視野中變形為橢圓， 從而導致紅斑的圓心尋找困難，因此對于直徑小于2mm的紅斑，其大小非常小，可以做為點來處理，不易發(fā)生變形。顏色分割的過程具體是首先通過“膚色模型”將圖像變換到YCb(； 空間，由于人臉在該YCb(；空間滿足預設的范圍，則根據(jù)該預設范圍探測出被攝人臉；然后將探測出的被攝人臉變換到RGB空間中，R空間數(shù)值不大于240且G、B空間數(shù)值均小于10， 此時特征點均被標記出來。初始化模塊106用于計算得到特征點在成像裝置坐標系下的空間位置及法向向量，并計算法向向量與成像裝置坐標系Z軸的偏轉角，將偏轉角分解為左右方向上的偏轉角以及上下方向上的俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系。具體地，成像裝置坐標系是以攝像機302光心連線的中點為原點，X軸與光心連線重合，Z軸與原點的光軸所在方向重合，并根據(jù)右手坐標系得到Y軸方向。在優(yōu)選的實施方式中，分割模塊104所選取的特征點位于左眉根、右眉根以及鼻子與上唇連線的中點上，則初始化模塊106所建立的人臉坐標系中，坐標原點0為左眉根和右眉根連線的中點，該人臉坐標系X軸為左眉根、 右眉根兩點連線，X軸正方向由左眉根指向右眉根，Y軸正方向由原點0指向鼻子與上唇交界中點。人臉坐標系為右手坐標系。初始化得到的人臉坐標系Z軸與成像裝置坐標系的Z 軸平行，X軸與成像裝置坐標系的X軸平行。而左右方向上的偏轉角是以人臉坐標系中Y軸為旋轉軸，在X軸和Z軸所在的平面內旋轉，順時針方向為正，逆時針方向為負；上下方向上的俯仰角是以X軸為旋轉軸，在Y軸和Z軸所在的平面內偏轉，被攝人臉仰視為正，俯視為負。偏轉裝置20用于根據(jù)偏轉指令控制并執(zhí)行被攝人臉角度的偏轉。一實施方式中， 該偏轉裝置20根據(jù)工作站10中的偏轉指令控制被攝人臉偏轉用戶設定的偏轉角和俯仰一實施例中，偏轉裝置20包括云臺控制器202、抓手204以及云臺206，具體地云臺控制器202用于根據(jù)偏轉指令控制云臺206的角度。在云臺控制器202的作用下，云臺206精確偏轉預設的角度。抓手204用于固定被攝人臉。抓手204的材質優(yōu)選為彈性橡膠材質，可由多根彈性橡膠條組成，以分別固定于被攝人腦頂部、后部和側部，以緊密固定被攝人腦，而不影響被攝人臉的拍攝。該彈性橡膠條的長度優(yōu)選為5 15cm，可伸縮。云臺206用于調整抓手204的偏轉角和俯仰角。云臺206是抓手204的支撐裝置， 可以完成水平方向上-90° +90°的偏轉以及俯仰方向上-45° +45°的偏轉，其精度可達0.02°以內，旋轉速度為1° /s 5° /s。成像裝置30用于拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。一實施方式中，成像裝置30包括至少兩臺攝像機302，其數(shù)量至少2臺，要完成拍攝至少需要2臺攝像機，攝像機如果更多的話可能有如下好處降低誤差；拍攝視野變得更為寬闊，為后續(xù)的人臉識別提供幫助。攝像機302與被攝人臉處于同一高度，為方便調整拍攝視野，相鄰攝像機302之間的距離為1 100厘米，攝像機302的焦距為10 200厘米。具體地，多臺攝像機302 與被攝人臉處于同一高度，相鄰攝像機302之間的距離相等并可以調整，相鄰攝像機302之間的夾角相等并可以在0 90°的范圍內進行調整，且多臺攝像機302的光軸交匯于一點上。在人臉偏轉圖像的拍攝過程中，需要標定成像裝置30，即攝像機302通過棋盤格標定方式拍攝5 40幅圖像完成標定得到精確的標定參數(shù)，在另一實施例中，為減化拍攝過程，可采用默認的標定參數(shù)。在初始化模塊106建立人臉坐標系的過程中，若成像裝置30的攝像機302數(shù)量為奇數(shù)，則成像裝置坐標系的Z軸是擺放在最中間位置攝像機302的光軸，若成像裝置30的攝像機302數(shù)量為偶數(shù)，則成像裝置坐標系的Z軸是擺放在最中間位置兩臺攝像機302光軸的角平分線。圖2示出了一實施例中人臉偏轉圖像獲取的方法流程，包括如下步驟在步驟SlO中，參數(shù)標定。一實施例中，通過棋盤格標定方式拍攝5 40幅圖像， 得到標定參數(shù)，或采用默認的標定參數(shù)。在步驟S20中，標記特征點，由拍攝同一時刻視野中同一人臉，分別分割出人臉圖像中的特征點，計算得到特征點在成像裝置坐標系下的空間位置及法向向量，并計算法向向量與成像裝置坐標系統(tǒng)Z軸的偏轉角，將偏轉角分解為左右偏轉角以及上下俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系。一實施例中，通過兩臺攝像機在同一時刻拍攝視野中的被攝人臉，從而分別從兩幅人臉圖像中分割出特征點。成像裝置坐標系是以攝像機光心連線的中點為原點，X軸與光心連線重合，Z軸與原點的光軸所在方向重合，并根據(jù)右手坐標系得到Y軸方向。所標記的特征點必須能夠代表被攝人臉所在的平面，而不能受到人臉表情的影響，且易于識別。在優(yōu)選的實施例中，特征點是手工標記于左眉根、右眉根以及鼻子與上唇連線中點上的三個直徑小于2mm的紅斑。分割人臉圖像中的特征點的步驟具體是首先通過“膚色模型”將圖像變換到YC1A空間，由于人臉圖像在該YC1A空間滿足預設的范圍，則根據(jù)該范圍探測出被攝人臉的圖像；然后將探測出的被攝人臉的圖像變換到 RGB空間中，R空間數(shù)值不大于240且G、B空間數(shù)值均小于10，此時特征點被標記出來。在步驟S30中，拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。一實施例中，拍攝偏轉預設角度的被攝人臉，以得到各個偏轉角度的人臉偏轉圖像。如圖3所示，下面結合一個實施例詳細闡述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法的應用過程，該實施例中，通過棋盤格標定方式來標定成像裝置30，對攝像機302進行參數(shù)標定， 即拍攝5 40幅人臉圖像完成攝像機302的標定或者直接采用默認的標定參數(shù)。攝像機 302標定后進入初始化階段。在被攝人臉上標記出特征點，工作站10中的分割模塊通過顏色分割出人臉圖像中的特征點，初始化模塊計算得到特征點在成像裝置坐標系下的空間位置及法向向量，并計算該法向向量與成像裝置坐標系Z軸的偏轉角，將偏轉角分解為左右方向上的偏轉角以及上下方向上的俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系。工作站10接收外界輸入的偏轉指令，即設置被攝人臉的偏轉角和俯仰角，采集模塊接收到偏轉指令后傳送至云臺控制器202中，云臺控制器202根據(jù)偏轉指令控制云臺206偏轉到相應的角度，抓手204固定于云臺206上，隨云臺206轉動，此時固定于抓手204中的被攝人臉通過云臺206的偏轉動作在人臉坐標系中也偏轉了相應的角度，攝像機302拍攝得到相應偏轉角度的人臉圖像。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法通過偏轉指令在偏轉裝置的作用下精確控制被攝人臉的偏轉角度，從而可以獲取各個角度的人臉圖像，為未來的多姿態(tài)人臉識別奠定
■石出。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法通過彈性橡膠材質的抓手來固定被攝人臉，從而實現(xiàn)被攝人臉的精確偏轉，且不影響拍攝。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法中設置相鄰攝像機之間的距離為1 100CM， 從而使得調整拍攝視野更為方便，使得被攝人臉在多個攝像機內都能夠清晰并完整成像。以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應當指出的是，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應以所附權利要求為準。
權利要求
1.一種人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，至少包括 工作站，用于采集偏轉指令，并對被攝人臉初始化；偏轉裝置，用于根據(jù)所述偏轉指令控制并執(zhí)行被攝人臉角度的偏轉； 成像裝置，用于拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。
2.根據(jù)權利要求1所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述工作站接收的偏轉指令記錄了已設置的被攝人臉偏轉角和俯仰角。
3.根據(jù)權利要求1所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述偏轉裝置包括 云臺控制器，用于根據(jù)所述偏轉指令控制云臺的角度；抓手，用于固定被攝人臉； 云臺，用于調整所述抓手的偏轉角和俯仰角。
4.根據(jù)權利要求3所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述抓手是彈性橡膠材質。
5.根據(jù)權利要求1所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述成像裝置包括至少兩臺攝像機。
6.根據(jù)權利要求5所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像機與被攝人臉處于同一高度，相鄰攝像機之間的距離為1 100厘米，攝像機的焦距為10 200厘米。
7.根據(jù)權利要求1所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像機參數(shù)標定后，經工作站在成像裝置坐標系進行人臉位置的初始化后在偏轉裝置的輔助下拍照，所述成像裝置坐標系是以攝像機光心連線的中點為原點，X軸與光心連線重合，Z軸與原點的光軸所在方向重合，并根據(jù)右手坐標系得到Y軸方向。
8.根據(jù)權利要求7所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像機的參數(shù)標定是通過棋盤格標定方式拍攝5 40幅圖像，得到標定參數(shù)，或采用默認的標定參數(shù)。
9.根據(jù)權利要求7所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述攝像機人臉位置的初始化是標記特征點后由兩臺攝像機拍攝同一時刻視野中同一人臉。
10.根據(jù)權利要求9所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述工作站包括 采集模塊，用于接收偏轉指令；分割模塊，用于通過顏色分割得到所述人臉圖像中的特征點； 初始化模塊，用于計算得到所述特征點在成像裝置坐標系統(tǒng)下的空間位置及法向向量，并計算所述法向向量與成像裝置坐標系Z軸的偏轉角，將偏轉角分解為左右偏轉角以及上下俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系。
11.根據(jù)權利要求9所述的人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，其特征在于，所述標記特征點是指用三個直徑小于2mm的紅斑分別標記左眉根、右眉根以及鼻子與上唇連接線中點。
12.一種人臉偏轉圖像獲取方法，包括如下步驟 參數(shù)標定；標記特征點，由拍攝同一時刻視野中同一人臉，分別分割出人臉圖像中的特征點，計算得到所述特征點在成像裝置坐標系下的空間位置及法向向量，并計算所述法向向量與成像裝置坐標系Z軸的偏轉角，將偏轉角分解為左右偏轉角以及上下俯仰角，使法向向量與Z軸平行，以建立人臉坐標系；拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。
13.根據(jù)權利要求12所述的人臉偏轉圖像獲取方法，其特征在于，所述參數(shù)標定的過程是通過棋盤格標定方式拍攝5 40幅圖像，得到標定參數(shù)，或采用默認的標定參數(shù)。
14.根據(jù)權利要求11所述的人臉偏轉圖像獲取方法，其特征在于，所述成像裝置坐標系是以攝像機光心連線的中點為原點，X軸與光心連線重合，Z軸與原點的光軸所在方向重合，并根據(jù)右手坐標系得到Y軸方向。
15.根據(jù)權利要求12所述的人臉偏轉圖像獲取方法，其特征在于，所述標記特征點的過程是用三個直徑小于2mm的紅斑分別標記左眉根、右眉根以及鼻子與上唇連接線中點，并通過顏色分割出所標記的紅斑。
全文摘要
一種人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)，至少包括工作站，用于采集偏轉指令，并對被攝人臉初始化；偏轉裝置，用于根據(jù)所述偏轉指令控制并執(zhí)行被攝人臉角度的偏轉；成像裝置，用于拍攝偏轉的被攝人臉，得到人臉偏轉圖像。上述人臉偏轉圖像獲取系統(tǒng)及方法通過偏轉指令在偏轉裝置的作用下精確控制被攝人臉的偏轉角度，從而可以獲取各個角度的人臉圖像，為未來的多姿態(tài)人臉識別奠定基礎。
文檔編號H04N5/232GK102385692SQ201010269680
公開日2012年3月21日 申請日期2010年8月31日 優(yōu)先權日2010年8月31日
發(fā)明者吳捷, 胡超, 賀慶 申請人:中國科學院深圳先進技術研究院