LUẬN VĂN: PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH VÀ ỨNG DỤNG doc

i


ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
WX


Lê Mạnh Tuấn

PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH
VÀ ỨNG DỤNG



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công Nghệ Thông Tin






Hà Nội – 2009

ii


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
Lê Mạnh Tuấn

PHÁT HIỆN MẶT NGƯỜI TRONG ẢNH
VÀ ỨNG DỤNG
KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY
Ngành: Công nghệ thông tin
Cán bộ hướng dẫn: TS. Nguyễn Hải Châu
HÀ NỘI - 2009
iii


Lời cảm ơn
Sau một thời gian dài học tập và nghiên cứu, cuối cùng em cũng đã hoàn thành
khóa luận tốt nghiệp này, đây là dịp tốt nhất để em có thể gửi lời cảm ơn đến mọi người.
Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến sĩ Nguyễn Hải Châu, đã tận hình hướng
dẫn, định hướng cho em trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Thầy đã cho em những lờ
i
khuyên quý báu giúp em hoàn thành tốt khóa luận.
Em xin cảm ơn khoa Công Nghệ Thông Tin trường Đại Học Công Nghệ - Đại Học
Quốc Gia Hà Nội, cảm ơn các thầy cô trong khoa đã tận tình giảng dậy, truyền đạt cho
em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa qua, giúp cho em có một nền tảng
kiến thức vững chắc để thực hiện khóa luận cũng như nghiên cứu học tập sau này.
Tôi xin cảm ơn t
ất cả bạn bè, anh, chị, những người đã giúp đỡ, khích lệ cũng như
phê bình, góp ý, giúp tôi hoàn thành khóa luận một cách tốt nhất.
Cuối cùng, con cảm ơn bố, mẹ, những người luôn luôn quan tâm, chăm sóc cho con
cả về vật chất lẫn tinh thần, luôn tạo điều kiện tốt nhất cho con có thể chuyên tâm học
tập, nghiên cứu. Gia đình luôn là nguồn động viên, là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho
con.
Hà nộ
i, ngày 24 tháng 5 năm 2009
Sinh viên

Lê Mạnh Tuấn
iv

TÓM TẮT
Ngày nay các hệ thống nhận dạng mặt người đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực, đặc biệt là an ninh và bảo mật. Nhận dạng mặt người tức là đưa ra những thông tin
về đối tượng được đưa vào từ một bức ảnh, hay từ camera quan sát. Bước đầu tiên của
một hệ thống nhận dạng mặt người là phát hiện khuôn mặt, tức xác định vị
trí khuôn mặt
trên bức ảnh, sau đấy tách khuôn mặt ra khỏi ảnh để tiến hành nhận dạng.
Trong khóa luận này em xin nêu một trong những phương pháp để phát hiện khuôn
mặt trong ảnh, sau đấy mở rộng ra với phát hiện mặt người trong video và webcam.
Sau khi đã xem xét các hướng tiếp cận khác nhau, em chọn phương pháp tiếp cận
học máy bằng Adaboost và mô hình Cascade of classifiers. Điểm mạnh của Adaboost là
tốc độ phát hiện khuôn mặt khá nhanh. Kết quả thử
nghiệm cho thấy chương trình đạt độ
chính xác khá cao với các ảnh mặt người được chụp trực diện bằng máy kĩ thuật số.
v

MỤC LỤC
TÓM TẮT iv
MỤC LỤC v
DANH SÁCH THUẬT NGỮ vii
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT ix
MỞ ĐẦU 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MẶT NGƯỜI 3
1. Giới thiệu về bài toán xác định mặt người trong ảnh 3
2. Định nghĩa bài toán xác định mặt người. 3
3. Những khó khăn và thách thức đối với bài toán xác định mặt người. 3

4. Các ứng dụng của xác định mặ
t người 4
4.1. Xác minh tội phạm 4
4.2. Camera chống trộm 4
4.3. Bảo mật. 4
4.4. Lưu trữ khuôn mặt 4
4.5. Các ứng dụng khác 5
5. Xác định phạm vi đề tài 5
Chương 2 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU 7
1. Các phương pháp chính để xác định mặt người 7
1.1. Hướng tiếp cận dựa trên tri thức 8
1.2. Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi 10
1.3. Hướng tiếp cận dựa trên so sánh khớp mẫu. 13
1.4. Hướng tiếp cận dựa trên di
ện mạo 16
Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23
1. Tổng quan về Adaboost 23
1.1. Tiếp cận Boosting 23
1.2. Adaboost 24
1.3. Các đặc trưng Haar-Like 28
1.4. Cascade of Classifiers 31
vi

1.5. Cascade of boosting classifiers 33
Chương 4 XÂY DỰNG ỨNG DỤNG 34
1. Sơ lược về OpenCV 34
2. Tổng quan về một hệ thống phát hiện mặt người trong ảnh 35
3. Phân tích – thiết kế hệ thống phát hiện mặt người 35
3.1. Phân tích 35
3.2. Thiết kế hệ thống 36

3.3. Thiết kế cơ sở dữ liệu 38
3.4. Thiết kế giao diện 39
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 41


vii


DANH SÁCH THUẬT NGỮ
Thuật ngữ Giải thích
Classifier
(bộ phân loại)
Một bộ phân loại được xây dựng theo một thuật toán học máy
nào đấy, dùng để phân loại các đối tượng (khuôn mặt hay
không phải khuôn mặt)
False alarm
Là tỉ lệ nhận dạng sai của các bộ phân loại
Feature
(đặc trưng)
Các thông tin giúp nhận biết đối tượng.
Haar-like feature
Các đặc trưng của đối tượng trong ảnh. Các đặc trưng này
thường được định nghĩa bằng các tính toán với tổng điểm ảnh
của một vùng nào đó trên bức ảnh.
Hit rate
Là tỉ lệ nhận dạng đúng của bộ phân loại
Max false alarm
Đạt được tỉ lệ sai này thì bộ phân loại được xây dựng thành
công, tỉ lệ sai này là một giá trị bé, có thể chấp nhận được
trong bài toán phân loại.

Strong classifier
(bộ phân loại mạnh)
Bộ phân loại được xây dựng từ nhiều bộ phân loại yếu, có độ
chính xác cao.
Threshold
(ngưỡng)
Ngưỡng là giá trị ranh giới giữa các lớp, giá trị của ngưỡng
có thể điều chỉnh được thường được chọn từ thực nghiệm.
(Người ta thử bộ nhận dạng với các giá trị ngưỡng khác nhau
để chọn ra ngưỡng cho tỉ lệ nhận dạng đúng tốt nhất)
Weak classifier
(bộ phân loại yếu)
Bộ phân loại đơn giản có độ chính xác khoảng 50%.
viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1: Một phương pháp xác định khuôn mặt điển theo hướng tiếp cận top-down. 8
Hình 2: Phương pháp chiếu 10
Hình 3: Một mẫu khuôn mặt 15
Hình 4: các vector quan sát để huấn luyện cho HMM 20
Hình 5: Các trạng thái ẩn 21
Hình 6: Xác định khuôn mặt bằng HMM 21
Hình 7: Boosting 24
Hình 8 : 4 đặt trưng Haar-like cơ bản 28
Hình 9: Các đặc trưng mở rộng của các đặc trưng Haar-like cơ sở 29
Hình 10: Cách tính Integral Image của ảnh 30
Hình 11:Ví dụ cách tính nhanh tổng các điểm ảnh của vùng D trên ảnh 30
Hình 12: Ví dụ cách tính nhanh tổng điểm ảnh của vùng D trên ảnh với các đặc trưng
xoay 45
o

30
Hình 13: cascade of classifiers 32
Hình 14: Cascade of boosting classifiers 33
Hình 15: Cấu trúc cơ bản của OpenCV 34
Hình 16: Tổng quan về hệ thống phát hiện mặt người trong ảnh 35
Hình 17: Biểu đồ ngữ cảnh của hệ thống 36
Hình 18: Biểu đồ phân rã chức năng 38
Hình 19: Sơ đồ thực thể quan hệ ( ERM ) 39
Hình 20: Giao diện của chương trình 40
ix




DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT
STT Kí hiệu Từ tiếng anh Ý nghĩa
1 CSDL Database Cơ sở dữ liệu
2 HMM Hidden Markov Model Mô hình Markov ẩn
3 ML Maximum-Likelihood Phương thức cực đại khả năng
4 PCA Principal Component Analysis Phân tích thành phần chính
5 PDF Probility Density Hàm mật độ xác xuất
6 RSAT Rotated Summed Area Table Mảng hai chiều dùng để tính
nhanh các đặc trưng xoay 45
o
7 SAT Summed Area Table Mảng hai chiều dùng để tính
nhanh các đặc trưng haar-like cơ
bản
1

MỞ ĐẦU

Công nghệ thông tin đang được ứng dụng trong mọi lĩnh vực của cuộc sống. Với
một hệ thống máy tính, chúng ta có thể làm được rất nhiều việc, tiết kiện thời gian và
công sức. Điển hình như công việc nhận dạng mặt người. Ngày xưa, muốn tìm kiếm một
kẻ tình nghi trong siêu thị hay sân bay, các nhân viên an ninh phải tìm kiếm trên từng màn
hình camera theo dõi. Ngày nay, công việc đấy đã được làm tự động nh
ờ các hệ thống
nhận dạng mặt người. Phát hiện mặt người trong ảnh là một phần quan trọng của hệ thống
nhận dạng mặt người đó, giải quyết tốt việc phát hiên mặt người sẽ giúp tiết kiệm thời
gian và nâng cao độ chính xác của việc nhận dạng khuôn mặt.
Phát hiện mặt người cũng là một bài toán nhận dạng đơn giản, hệ thố
ng chỉ cần phân
loại đối tượng đưa vào có phải mặt người hay không phải mặt người. Ở mức độ cao hơn,
sau khi đã phát hiện được khuôn mặt, các khuôn mặt đó sẽ được so sánh với các khuôn
mặt có trong dữ liệu để nhận dạng xem khuôn mặt đấy là của ai (thường áp dụng trong
nhận dạng khuôn mặt của người nổi tiếng hoặc của tội phạm đang b
ị truy nã).
Bài toán phát hiện mặt người được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1990s, và đã
có rất nhiều công trình nghiên cứu về phát hiện khuôn mặt trong ảnh, tuy nhiên cho đến
nay, các nhà khoa học vẫn không ngừng tìm các hướng tiếp cận mới, các thuật toán mới
nhằm nâng cao hiệu suất của việc phát hiện khuôn mặt cũng như việc nhận dạng mặt
người.
Với mục tiêu chính là tìm hiểu giải thuậ
t adaboost, các đặc trưng haar-like, mô hình
Cascade of Classifiers, đồng thời áp dụng vào bài toán phát hiện mặt người trong ảnh,
khóa luân được trình bầy trong bốn chương với bố cục như sau:
Chương 1: Tổng quan về các phương pháp xác định mặt người : Giới thiệu tổng
quan về bài toán xác định mặt người trong ảnh, các ứng dụng và những khó khăn của bài
toán, đồng thời xác định phạm vi của đề tài.
Chương 2: Các công trình nghiên cứu : Nêu chi tiế
t bài toán phát hiện mặt người,

các hướng tiếp cận giải quyết bài toán, các nghiên cứu và thành quả đạt được của các nhà
nghiên cứu trong bài toán xác định mặt người.
2

Chương 3: Cơ sở lý thuyết : Đi sâu vào hướng tiếp cận dựa theo thuật toán học
máy adaboost. Giới thiệu về các đặc trưng haar-like của khuôn mặt, cách tính các đặc
trưng haar-like. Tiếp theo là giới thiệu về mô hình cascade of classifiers và cách áp dụng
vào bài toán phát hiện mặt người trong ảnh.
Chương 4: Xây dựng ứng dụng : Xây dựng một chương trình demo về phát hiện
mặt người trong ảnh. Nêu lên các phân tích – thiết kế về chương trình.
Cu
ối cùng là kết luận và hướng phát triển: Tóm tắt những kết quả đạt được,
những hạn chế và nêu lên các hướng phát triển trong tương lai.
3

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP
XÁC ĐỊNH MẶT NGƯỜI
1. Giới thiệu về bài toán xác định mặt người trong ảnh.
Trong nhiều năm qua, có rất nhiều công trình nghiên cứu về bài toán nhận dạng mặt
người. Các nghiên cứu đi từ bài toán đơn giản, từ việc nhận dạng một mặt người trong
ảnh đen trắng cho đến mở rộng cho ảnh mầu và có nhiều mặt người trong ảnh. Đến nay
các bài toán xác định mặt người đã mở rộng với nhiều miền nghiên cứu như nhận dạng
khuôn mặ
t, định vị khuôn mặt, theo dõi mặt người hay nhận dạng cảm xúc mặt người…
Phát hiện mặt người trong ảnh là phần đầu tiên của một hệ thống nhận dạng mặt
người. Các hệ thống nhận dạng khuôn mặt được bắt đầu xây dựng từ những năm 1970,
tuy nhiên do còn hạn chế về các luật xác định mặt người nên chỉ được áp dụng trong một
số
ứng dụng như nhận dạng thẻ căn cước. Nó chỉ được phát triển mạnh mẽ từ những năm

1990 khi có những tiến bộ trong công nghệ video và ngày nay thì các ứng dụng của xác
định mặt người đã trở nên phổ biến trong cuộc sống.
2. Định nghĩa bài toán xác định mặt người.
Xác định khuôn mặt người là một kỹ thuật máy tính để xác định các vị trí và kích
thước của các khuôn mặt người trong các ảnh bất kì. Kỹ thuật này nhận biết các đặc trưng
của khuôn mặt và bỏ qua những thứ khác như: tòa nhà, cây cối, cơ thể …
3. Những khó khăn và thách thức đối với bài toán xác định mặt người.
Việc xác định khuôn mặt người có những khó khăn nhất định như:
• Hướng của khuôn mặt đối với máy ảnh, như: nhìn thẳng, nhìn nghiêng hay nhìn
từ trên xuống. Cùng trong một ảnh có thể có nhiều khuôn mặt ở những tư thế
khác nhau.
• Sự có mặt của các chi tiết không phải là đặc trưng riêng của khuôn mặt người,
như: râu quai nón, mắt kính, ….
• Các nét mặt khác nhau trên khuôn mặt, như: vui, buồn, ng
ạc nhiên, ….
• Mặt người bị che khuất bởi các đối tượng khác có trong ảnh.
4

• Sự biểu cảm của khuôn mặt : sự biểu cảm có thể làm thay đổi đáng kể các đặc
trưng và thông số của khuôn mặt, ví dụ như khuôn mặt của cùng một người sẽ
rất khác khi người đấy cười, tức giận hay sợ hãi …
4. Các ứng dụng của xác định mặt người.
Xác định mặt người thường là một phần của một hệ thống (facial recognition
system). Nó thường được dùng trong giám sát video, giao tiếp người máy và quản lý cơ
sở dữ liệu ảnh… Các ứng cơ bản của xác định mặt người có thể kể đến là:
4.1. Xác minh tội phạm.
Dựa vào ảnh của một người, nhận dạng xem người đấy có phải là tội phạm hay
không bằng cách so sách với các ả
nh tội phạm đang được lưu trữ. Hoặc có thể sử dụng
camera để phát hiện tội phạm trong đám đông. Ứng dụng này giúp cơ quan an ninh quản

lý con người tốt hơn.
4.2. Camera chống trộm.
Các hệ thống camera sẽ xác định đâu là con người và theo dõi xem con người đó có
làm gì phạm pháp không, ví dụ như lấy trộm đồ, xâm nhập bất hợp pháp vào một khu vực
nào đó.
4.3.
Bảo mật.
Các ứng dụng về bảo mật rất đa dạng, một trong số đó là công nghệ nhận dạng mặt
người của laptop, công nghệ này cho phép chủ nhân của máy tính chỉ cần ngồi trước máy
là có thể đăng nhập được. Để sử dụng công nghệ này, người dùng phải sử dụng một
webcam để chụp ảnh khuôn mặt của mình và cho máy “học” thuộc các đặc đi
ểm của
khuôn mặt giúp cho quá trình đăng nhập sau này.
4.4. Lưu trữ khuôn mặt
Xác định mặt người có thể được ứng dụng trong các trạm rút tiền tự động (ATM) để
lưu trữ khuôn mặt của người rút tiền. Hiện nay có những người bị người khác lấy trộm thẻ
ATM và mã PIN, và bị rút tiền trộm, hoặc có những chủ tài khoản đi rút tiền nhưng lại
báo với ngân hàng là bị
mất thẻ và bị rút tiền trộm. Nếu lưu trữ được khuôn mặt của
người rút tiền, ngân hàng có thể đối chứng và xử lý dễ dàng hơn.
5

4.5.
Các ứng dụng khác
• Điều khiển vào ra: văn phòng, công ty, trụ sở, máy tính, Palm, …. Kết hợp thêm
vân tay và mống mắt. Cho phép nhân viên được ra vào nơi cần thiết.
• An ninh sân bay, xuất nhập cảnh (hiện nay cơ quan xuất nhập cảnh Mỹ đã áp
dụng). Dùng camera quan sát để xác thực người nhập cảnh và kiểm tra xem người
đấy có phải là tội phạm hay phần tử khủng bố không.
• Tìm kiếm và tổ chức dữ liệu liên quan đế

n con người thông qua khuôn mặt người
trên nhiều hệ cơ sở dữ liệu lưu trữ thật lớn, như internet, các hãng truyền hình, ….
Ví dụ: tìm các đoạn video có tổng thống Bush phát biểu, tìm các phim có diễn viên
Tăng Thanh Hà đóng, tìm các trận đá bóng có Công Vinh đá, …
• Kiểm tra trạng thái người lái xe có ngủ gật, mất tập trung hay không, và hỗ trợ
thông báo khi cần thiết.
• Tương lai sẽ phát triển các loại thẻ thông minh có tích hợp sẵ
n đặc trưng của
người dùng trên đó, khi bất cứ người dùng khác dùng để truy cập hay xử lý tại các
hệ thống sẽ được yêu cầu kiểm tra các đặc trưng khuôn mặt so với thẻ để biết nay
có phải là chủ thẻ hay không.
• Hãng máy chụp hình Canon đã ứng dụng bài toán xác định khuôn mặt người vào
máy chụp hình thế hệ mới để cho kết quả hình ảnh đẹp hơn, nhất là khuôn mặ
t
người.
5. Xác định phạm vi đề tài
Trong đề tài này, tôi tập trung vào việc xác định khuôn mặt trong ảnh, video hoặc
webcam. Từ đấy lưu khuôn mặt tìm được vào CSDL để phục vụ cho các mục đích khác (
chẳng hạn như nhận dạng mặt người hoặc ghép khuôn mặt vào bức ảnh khác … ). Do các
điều kiện khó khăn đã nêu ở trên ( mục 3 chương 1) tôi xin đưa ra những giả định và rành
buộc sau để giảm độ phức tạp của bài toán:
• Các khuôn mặt được chụp thẳng hoặc góc nghiêng không đáng kể (bé hơn 10
o
)
• Phông nền của ảnh không quá phức tạp
• Ảnh được chụp trong điều kiện ánh sáng bình thường.
6

• Đối với video hoặc webcam, do có thể tách thành các xử lý trên ảnh nên với
những video phức tạp hay webcam quá kém, chương trình sẽ không thực hiện

được tốt nhất có thể.
7

Chương 2
CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU
1. Các phương pháp chính để xác định mặt người.
Dựa vào tính chất của các phương pháp xác định mặt người trên ảnh, các phương
pháp này được chia thành bốn loại chính, tương ứng với bốn hướng tiếp cận khác nhau.
Ngoài ra cũng có rất nhiều nghiên cứu mà phương pháp xác định mặt người không chỉ
dựa vào một hướng mà có liên quan đến nhiều hướng.
• Hướng tiếp cận dựa trên tri thức: Dựa vào các thuật toán, mã hóa các đặc trưng và
quan hệ giữa các đặc trư
ng của khuôn mặt thành các luật. Đây là hướng tiếp cận
theo kiểu top-down.
• Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi: Xây dựng các thuật toán để tìm
các đặc trưng của khuôn mặt mà các đặc trưng này không thay đổi khi tư thế
khuôn mặt hay vị trí đặt camera thay đổi. Hướng tiếp cận này là hướng tiếp cận
theo kiểu bottom-up.
• Hướng tiếp cận dựa trên so sánh khớp mẫu: Dùng các mẫu chu
ẩn của khuôn mặt
(các mẫu này được định nghĩa bằng tay trước hoặc được tham số hóa bằng mộ
hàm số) để mô tả các khuôn mặt hay các đặc trưng của khuôn mặt. Mẫu này được
sử dụng để phát hiện khuôn mặt bằng cách quét nó qua ảnh và tính toán giá trị
tương đồng cho mỗi vị trí. Việc xuất hiện một khuôn mặt tại một vị trí nào đó
trong ảnh phụ thuộc vào giá tr
ị tương đồng của điểm đó so với mẫu chuẩn
• Hướng tiếp cận dựa trên diện mạo: Trái ngược với hướng tiếp cận dựa trên khuôn
mẫu, các mô hình (hay các mẫu) sẽ được học từ một tập ảnh huấn luyện mà thể
hiện tính chất tiêu biểu của sự xuất hiện của mặt người trong ảnh. Sau đó hệ
thố

ng (mô hình) sẽ xác định mặt người. Phương pháp này còn được biết đến với
tên gọi tiếp cận theo các phương pháp học máy.
8

1.1. Hướng tiếp cận dựa trên tri thức
1.1.1. Tư tưởng
Trong hướng tiếp cận này, các phương pháp xác định mặt người được xây dựng dựa
vào các luật, các luật này phụ thuộc vào tri thức của các tác giả nghiên cứu về bài toán
xác định khuôn mặt. Dễ dàng xây dựng các luật cơ bản để mô tả các đặc trưng của khuôn
mặt và các quan hệ tương ứng. Ví dụ, một khuôn mặt thường có hai mắt đố
i xứng qua
trục thẳng đứng giữa khuôn mặt và có một mũi một miệng. Các quan hệ đặc trưng có thể
là quan hệ về vị trí và khoảng cách tương đối. Khó khăn của hướng tiếp cận này đó là làm
thế nào để chuyển các tri thức của con người về khuôn mặt sang các luật cho máy tính
một cách hiệu quả. Nếu các luật này quá chi tiết, chặt chẽ thì sẽ có thể xác định thiếu các
khuôn mặ
t có trong ảnh, nhưng nếu các luật quá tổng quát thì sẽ dẫn đến xác định sai khu
vực không phải là khuôn mặt thành khuôn mặt. Ngoài ra cũng khó để mở rộng phạm vi
của bải toán để xác định các khuôn mặt có nhiều tư thế khác nhau.
1.1.2. Các nghiên cứu
Có nhiều cách để xây dựng chương trình xác định mặt người theo hướng tiếp cận
dựa trên tri thức. Thông thường chương trình sẽ được xây dựng theo hướng dựa vào mộ
t
phương pháp nào đấy chọn ra các ứng viên trong bức ảnh trước, sau đó sẽ áp dụng các
luật để xác định ứng viên nào là khuôn mặt, ứng viên nào không phải là khuôn mặt. Quá
trình này có thể được áp dụng nhiều lần để giảm sai sót.

Hình 1: Một phương pháp xác định khuôn mặt điển theo hướng tiếp cận top-down.
Trên hình 1, Các luật được xây dựng dựa vào tri thức của người nghiên cứu về các
đặc trưng của khuôn mặt (ví dụ như cường độ phân phôi và sự khác nhau ) của các vùng

trên khuôn mặt
9

Yang và Huang đã sử dụng hướng tiếp cận dựa trên tri thức để xác định khuôn mặt
[7]. Hệ thống của hai tác giả bao gồm ba mức luật. Đầu tiên các ông sử dụng một khung
cửa sổ để quét trên bức ảnh và thông qua một số tập luật để xác định các ứng viên có thể
là mặt người, ví dụ như tìm phần trung tâm của khuôn mặt (phần tối hơn trong hình 1).
Tiếp theo, dùng một tập lu
ật để mô tả tổng quát hình dáng khuôn mặt, lọc các ứng viên ở
mức một thành một tập các ứng viên mới có xác xuất là khuôn mặt cao hơn. Cuối cùng,
các ông lại dùng một tập luật khác để xem xét ở mức chi tiết các đặc trưng khuôn mặt ( có
thể là đặc trưng về mắt, mũi, miệng … ), từ đó lọc ra các ứng viên chính xác nhất. Có thể
nói cách làm của hai ông là một cách làm mịn dần để đạt đượ
c kết quả tốt nhất, mặc dù tỷ
lệ chính xác chưa cao, nhưng đây là tiền đề cho nhiều nghiên cứu sau này.
Có rất nhiều công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp chiếu để xác định khuôn
mặt.
Kotropoulos và Pitas đưa ra một phương pháp gần tương tự với Yang và Huang. Đầu
tiên, các vùng của khuôn mặt được định vị bởi phương pháp chiếu (đã được Kanade sử
dụng thành công) để xác định biên của khuôn mặt. Với I(x,y) là giá trị xám của một điểm
trong ảnh có kích thước m x n ở tại vị trí (x,y), các hàm để chiếu ảnh theo phương ngang
và thẳng đứng được định nghĩa như sau:

Dựa trên biểu đồ hình chiếu ngang, khi xét biểu đồ biến thiên của HI hai ông tìm
được hai cực tiểu địa phương tương ứng với hai đỉnh đầu bên trái và bên phải của khuôn
mặt. Còn theo hình chiếu dọc, xét biến thiên và tìm cực tiểu địa phương của VI cũng cho
ta các vị trí của miệng, đỉnh mũi và hai mắt. Các đặc trưng này đủ để xác định khuôn mặt.
Hình 2.a cho một ví dụ về cách xác định như trên. Cách xác định này có t
ỷ lệ xác định
chính xác là 86.5% cho trường hợp chỉ có một khuôn mặt trực diện và hình nền không

phức tạp. Nếu hình nền phức tạp như hình 2.b thì rất khó tìm. Còn nếu ảnh có nhiều
khuôn mặt (hình 2.c) thì sẽ không xác định được.
10


Hình 2: Phương pháp chiếu
(a) Ảnh chỉ có một khuôn mặt và hình nền đơn giản;
(b) Ảnh chỉ có một khuôn mặt và hình nền phức tạp;
(c) Ảnh có nhiều khuôn mặt
1.2. Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi.
Tiếp cận dựa trên các đặc trưng không thay đổi là tiếp cận theo kiểu bottom up. Dựa
trên thực tế, chúng ta cố gắng tìm ra những đặc điểm không thay đổi khi của khuôn m
ặt
khi ở các tư thế khác nhau và các điều kiện môi trường như ánh sáng khác nhau. Đã có rất
nhiều nghiên cứu về hướng tiếp cận này, các đặc điểm không thay đổi được tìm thấy như
lông mày, mắt, mũi, miệng hay các đường viền trên tóc … Trên cơ sở các đặc trưng này,
các nhà nghiên cứu xây dựng lên một mô hình thống kê mô tả quan hệ của các đặc trưng
và từ đó xác định sự xuất hiện c
ủa khuôn mặt trong bức ảnh. Khó khăn của hướng tiếp
cận này đó là phải mô tả các đặc trưng không thay đổi và quan hệ giữa chúng phù hợp với
điều kiện ánh sáng, độ nhiễu hay bị che khuất.
1.2.1. Các đặc trưng của khuôn mặt
Có rất nhiều nghiên cứu về các đặc trưng của khuôn mặt. Có thể dựa vào các đặc
trưng như hai mắt, hai lỗ mũi, miệng, phần nố
i giữa mũi và miệng … hoặc dựa vào đường
viền của khuôn mặt.
Leung đã đưa ra một mô hình xác xuất để xác định khuôn mặt trong ảnh có hình nền
phức tạp dựa trên việc tìm kiếm các đặc trưng không thay đổi của khuôn mặt trong ảnh,
sau đó dùng đồ thị ngẫu nhiên để xác định khuôn mặt. Tư tưởng của phương pháp này đó
là xem bài toán xác định khuôn mặt như là bài toán tìm kiếm với mục tiêu là tìm thứ

tự
các đặc trưng không thay đổi của khuôn mặt. Dùng năm đặc trưng (hai mắt, hai lỗ mũi,
phần nối giữa mũi và miệng) để mô tả một khuôn mặt. Đồng thời tính quan hệ khoảng
cách cho tất cả các cặp đặc trưng (như mắt trái, mắt phải), sau đấy dùng phân bố Gauss để
11

mô hình hóa. Một mẫu khuôn mặt được đưa ra thông qua trung bình tương ứng cho một
tập đa hướng, đa tỷ lệ của bộ lọc đạo hàm Gauss. Từ một ảnh, các đặc trưng của ứng viên
được xác định bằng cách so khớp từng điểm ảnh khi lọc tương ứng với vector mẫu. Hai
ứng viên có đặc trưng đứng đầu sẽ được chọn để tìm kiếm cho các đặc trư
ng khác của
khuôn mặt. Từ các đặc trưng không thay đổi, các đặc trưng khác sẽ được xác định thông
qua sự đánh giá xác xuất khoảng cách giữa các đặc trưng, hơn nữa phương sai của phép
thống kê này có thể được tính toán trước để xác định các đặc trưng với xác xuất lớn. Tỷ lệ
chính xác của phương pháp này là 86%.
Bên cạnh tính khoảng cách liên quan để mô tả quan hệ giữa các đặc trưng như
Leung. Kendall [4], Mardia and Dryden [12] dùng lý thuyế
t xác suất thống kê về hình
dáng. Dùng hàm mật độ xác suất (Probility Density Function - PDF) qua N điểm đặc
trưng, tương ứng (xi, yi) là đặc trưng thứ i với giả sử là phân bố Gauss có 2N-chiều. Các
tác giả áp dụng phương thức cực đại khả năng (Maximum-Likelihood - ML) để xác định
vị trí khuôn mặt. Một thuận lợi của phương pháp này là các khuôn mặt bị che khuất vẫn
có thể xác định được. Hạn chế phương pháp này
đó là không xác định được nhiều khuôn
mặt trong cùng một ảnh.
Không dùng phương pháp xác xuất, Sirohey đưa một phương pháp khác xác định
khuôn mặt từ một ảnh có hình nền phức tạp [10], gọi là phương pháp dựa trên cạnh. Ông
dùng phương pháp Candy [9] và heuristics loại bỏ các cạnh để còn lại duy nhất một
đường bao xung quanh khuôn mặt. Dùng một hình ellipse để bao khuôn mặt, tách biệt
vùng đầu và hình nền. Tỷ lệ chính xác của thuật toán là 80%.

Graf đưa ra một phương pháp khác để
xác định đặc trưng, từ đó xác định khuôn mặt
trong ảnh xám [8]. Dùng bộ lọc để làm nổi các biên, các phép toán hình thái học
(morphology) được dùng để làm nổi bật các vùng có cường độ cao và hình dáng chắc
chắn (như mắt). Thông qua histogram để tìm các đỉnh nổi bật để xác định các ngưỡng
chuyển ảnh xám thành hai ảnh nhị phân. Tiếp theo, ông xác định các ứng viên khuôn mặt
nhờ vào các thành phần đều xuất hiện trong cả hai ảnh nhỉ phân, sau đó phân lo
ại xem các
ứng viên có phải là khuôn mặt không. Phương pháp được kiểm tra và cho kết quả tốt trên
các ảnh chỉ có đầu và vai của người. Tuy nhiên phương pháp này còn một vấn đề đấy là
sử dụng các phép toán morphology như thế nào và làm sao xác định khuôn mặt trên các
vùng ứng viên.
12

Park dùng Gaze để tìm ứng viên góc mắt, miệng và tâm mắt. Ông xây dựng SVM
(Support Vector Machine) đã được học trước đó để xác định các vị trí ứng viên có phải là
góc mắt, miệng, và tâm mắt hay không để theo vết con mắt người.
Juan và Narciso xây dựng một không gian màu mới YCg’Cr’ để lọc các vùng là ứng
viên khuôn mặt dựa trên sắc thái của màu da người. Sau khi có ứng viên, hai ông dùng
các quan hệ về hình dáng khuôn mặt, mức độ cân đối của các thành phần khuôn mặt để
xác định khuôn mặt ng
ười. Tương tự, Chang và Hwang cũng dùng không gian mầu
Ycg’Cr’ với tỷ lệ chính xác hơn 80% trong ảnh xám.
Jin xây dựng một bộ lọc để xác định ứng viên khuôn mặt người theo màu da người.
Từ ứng viên này tác giả xác định khuôn mặt người theo hình dáng khuôn mặt và các quan
hệ đặc trưng về thành phần khuôn mặt, với mắt phải được chọn làm gốc tọa độ để xét
quan hệ. Tỷ lệ chính xác cho khuôn mặt chụp thẳng trên 80%.
1.2.2. Kết cấu của khuôn mặt.
Khuôn mặt con người có những kết cấu riêng biệt mà có thể dùng để phân loại so
với các đối tượng khác. Từ kết cấu của khuôn mặt xây dựng lên một bộ phân loại, gọi là

kết cấu giống khuôn mặt (face-like texture).
1.2.3. Mầu sắc da.
Thông thường các ảnh màu không xác định trực tiếp trên toàn bộ dữ liệu ảnh mà các
tác giả dùng tính chất sắc màu của da người (khuôn mặt ng
ười) để chọn ra được các ứng
viên có thể là khuôn mặt người (lúc này dữ liệu đã thu hẹp đáng kể) để xác định khuôn
mặt người.
1.2.4. Đa đặc trưng.
Gần đây có nhiều nghiên cứu sử dụng các đặc trưng toàn cục như: màu da người,
kích thước, và hình dáng để tìm các ứng viên khuôn mặt, rồi sau đó sẽ xác định ứng viên
nào là khuôn mặt thông qua dùng các đặc trưng cục bộ (chi tiết) như
: mắt, lông mày, mũi,
miệng, và tóc. Tùy mỗi tác giả sẽ sử dụng tập đặc trưng khác nhau.
13

1.3. Hướng tiếp cận dựa trên so sánh khớp mẫu.
1.3.1. Tư tưởng của so sánh khớp mẫu
Trong hướng tiếp cận dựa trên so sánh khớp mẫu, các mẫu chuẩn của khuôn mặt
(thường là khuôn mặt được chụp thẳng) sẽ được xác định trước hoặc được biểu diễn thành
một hàm với các tham số cụ thể. Từ ảnh đầu vào, ta tính các giá trị tương quan so với các
mẫu chuẩn về
đường viền khuôn mặt, mắt, mũi và miệng. Thông qua các giá trị tương
quan này mà hệ thống sẽ quyết định có hay không có tồn tại khuôn mặt trong ảnh. Hướng
tiếp cận này có lợi thế là rất dễ cài đặt, nhưng không hiệu quả khi tỷ lệ, tư thế, và hình
dáng thay đổi.
1.3.2. Xác định các mẫu.
Sakai đã cố gắng thử xác định khuôn mặt người chụp thẳng trong ảnh [20]. Ông
dùng vài mẫu con (sub template) về m
ắt, mũi, miệng, và đường viền khuôn mặt để mô
hình hóa một khuôn mặt. Mỗi mẫu con được định nghĩa trong giới hạn của các đoạn

thẳng. Các đoạn thằng trong ảnh được trích bằng cách xem xét thay đổi của hệ số góc và
so khớp các mẫu con. Đầu tiên tìm các ứng viên thông qua mối tương quan giữa các ảnh
con và các mẫu về đường viền. Sau đó, so khớp với các mẫu con khác. Hay nói một cách
khác, giai đo
ạn đầu xem như là giai đoạn sơ chế để tìm ứng viên, giai đọan thứ hai là giai
đoạn tinh chế để xác định ứng viên có phải là khuôn mặt hay không. Ý tưởng này được
duy trì cho đến các nghiên cứu sau này.
Craw đưa ra một phương pháp xác định khuôn mặt người dựa vào các mẫu về hình
dáng của các ảnh được chụp thẳng (dùng vẻ bề ngoài của hình dáng khuôn mặt). Đầu tiên
dùng phép lọc Sobel (Phép lọc Sobel dựa vào tích vô hướng của hai vector gradient) để
tìm các c
ạnh. Các cạnh này sẽ được nhóm lại theo một số ràng buộc. Sau đó, tìm đường
viền của đầu, quá trình tương tự được lặp đi lặp lại với mỗi tỷ lệ khác nhau để xác định
các đặc trưng khác như: mắt, lông mày, và môi. Sau đó Craw mô tả một phương thức xác
định dùng một tập có 40 mẫu để tìm các đặc trưng khuôn mặt và điều khiển chiến lược
dò tìm.
Mộ
t số nhà nghiên cứu sử dụng hình chiếu như các mẫu để xác định khuôn mặt
người. Silhouettes dùng PCA (phân tích thành phần chính – Principal Component
Analysis - PCA) để có một tập hình chiếu cơ bản từ các mẫu khuôn mặt, hình chiếu được
mô tả như một mảng các bit. Sau đấy dùng đặc trưng hình chiếu kết hợp biến đổi Hough
14

để xác định khuôn mặt người. Phương pháp này định nghĩa một số giả thuyết để mô tả các
khả năng của các đặc trưng khuôn mặt. Với một khuôn mặt sẽ có một tập giả thuyết, gọi
là lý thuyết DepsterShafer. Dùng một nhân tố tin cậy để kiểm tra sự tồn tại hay không của
các đặc trưng của khuôn mặt, và kết hợp nhân tố tin cậy này với một độ
đo để xem xét có
hay không có khuôn mặt trong ảnh.
Sinha dùng một tập nhỏ các ảnh bất biến trong không gian ảnh để mô tả không gian

các mẫu ảnh [15, 16]. Tư tưởng chính của ông dựa vào sự thay đổi mức độ sáng của các
vùng khác nhau của khuôn mặt (như hai mắt, hai má, và trán), (quan hệ về mức độ sáng
của các vùng còn lại thay đổi không đáng kể). Sau đấy xác định các cặp tỷ số của mức độ
sáng của một số
vùng (một vùng tối hơn hay sáng hơn) cho ta một lượng bất biến khá
hiệu quả. Ông lưu sự thay đổi độ sáng của các vùng trên khuôn mặt trong một tập thích
hợp với các cặp quan hệ sáng hơn – tối hơn giữa các vùng nhỏ. Một khuôn mặt được xác
định nếu nó thỏa mãn tất cả các cặp sáng hơn – tối hơn. Ý tưởng này xuất phát từ sự khác
biệt của cường độ giữa các vùng kề
cục bộ trên ảnh, sau này nó được mở rộng trên cơ sở
biến đổi wavelet để xác định người đi bộ, xác định xe hơi, xác định khuôn mặt. Ý tưởng
của Sinha còn được áp dụng trong các nghiên cứu về thị giác của robot. Hình 3 cho thấy
mẫu khuôn mặt với 16 cùng và 23 quan hệ. Các quan hệ này được dùng để phân loại, có
11 quan hệ thiết yếu (các mũi tên màu đen) và 12 quan hệ xác thực (các mũi tên mầu
xám). Mỗi mũi tên là mộ
t quan hệ. Một quan hệ của hai vùng thỏa mãn mẫu khuôn mặt
khi tỷ lệ giữa hai vùng vượt qua một ngưỡng và một khuôn mặt được xác đinh khi có 23
quan hệ thỏa mãn điều kiện trên.
15


Hình 3: Một mẫu khuôn mặt
Mẫu khuôn mặt có kích thước 14 x 16 pixel được
sử dụng trong phương pháp định vị khuôn mặt của
Sinha. Mẫu gồm 16 vùng trên khuôn mặt và 23
quan hệ ( các mũi tên).
Một số phương pháp khác như của Froba và Zink lọc cạnh ở độ phân giải thấp rồi
dùng biến đổi Hough để so khớp mẫu theo hướng cạnh để xác định hình dáng khuôn mặt
ở dạng chụp hình thẳng ở dạ
ng xám. Tỷ lệ chính xác trên 91%. Ngoài ra Shu và Jain còn

xây dựng ngữ nghĩa khuôn mặt. Ngữ nghĩa xây dựng theo hình dáng và vị trí các thành
phần khuôn mặt. Hai ông từ bộ ngữ nghĩa này tạo một đồ thị quan hệ để dễ dàng so khớp
khi xác định khuôn mặt người …
1.3.3. Các mẫu biến dạng
Yuille dùng các mẫu biến dạng để mô hình hóa các đặc trưng của khuôn mặt [3].
Trong hướng tiếp cận này, các đặc trưng khuôn mặt được mô tả bằng các m
ẫu được tham
số hóa và có một hàm năng lượng (giá trị) được để liên kết các cạnh, đỉnh, và thung lũng
trong ảnh để tương ứng với các tham số trong mẫu. Mô hình này tốt nhất khi tối thiểu
hàm năng lượng qua các tham số, Mặc dù có kết quả tốt nhưng phương pháp này có một
số hạn chế đó là các mẫu biến dạng phải được khởi tạo trong phạm vi gần với các đố
i
tượng mà nó xác định.
Rất nhiều hướng tiếp cận dựa trên dường gấp khúc (snake) và các mẫu để xác định
khuôn mặt. Đầu tiên ảnh sẽ được làm xoắn lại bởi một lọc làm mờ rồi dùng phép toán
16

morphology để làm nổi bật cạnh lên. Tiếp theo dùng một đường gấp khúc có n điểm ảnh
(giá trị n nhỏ) để tìm và ước lượng các đọan cong nhỏ. Mỗi khuôn mặt được xấp xỉ bằng
một ellipse và biến đổi Hough, rồi tìm một ellipse nổi trội nhất. Các ứng viên sẽ có bốn
tham số mô tả nột ellipse (để xác định khuôn mặt). Với mỗi ứng viên, một phương thức
tương t
ự như phương thức mẫu biến dạng được dùng để xác định các đặc trưng ở mức chi
tiết. Nếu tìm thấy số lượng đáng kể các đặc trưng khuôn mặt và thỏa mãn tỷ lệ cân đối thì
xem như đã xác định được một khuôn mặt. Lam và Yan cũng dùng đường gấp khúc để
xác định vị trí đầu với thuất toán greedy để cực tiểu hóa hàm năng lượng [11].
Thay vì dùng đườ
ng gấp khúc thì Huang và Su [6] dùng lý thuyết dòng chảy để xác
định đường viền khuôn mặt dựa trên đặc tính hình học. Hai ông dùng lý thuyết tập hợp
đồng mức (Level Set) để loang từ các khởi động ban đầu để có được các khuôn mặt

người.
Lanitis mô tả một phương pháp biểu diễn khuôn mặt người với cả hai thông tin: hình
dáng và cường độ [12]. Bắt đầu bằng các tập ảnh được huấn luyện với các đường viền
mẫu nh
ư là đường bao mắt, mũi, cằm/má đã được gán nhãn(phân loại). Ông dùng một
vector các điểm mẫu để mô tả hình dáng. Sau đó dùng một mô hình phân bố điểm (Point
Distribution Model – PDM) để mô tả vector hình dáng qua toàn bộ các cá thể. Dùng cách
tiếp cận như của Kirby và Sirovich [14] để mô tả cường độ bề ngoài của hình dáng đã
được chuẩn hóa. Để tìm kiếm và ước lượng vị trí khuôn mặt cũng như các tham số về
hình dáng ông sử dụng mộ
t mô hình PDM có hình dáng như khuôn mặt (xác định khuôn
mặt bằng mô hình hình dáng tích cực - Active Shape Model - ASM). Các mảnh của
khuôn mặt được làm biến dạng về hình dáng trung bình rồi trích lấy các tham số cường
độ. Sau đấy các tham số hình dáng và cường độ được dùng để phân loại và xác định
khuôn mặt.
1.4. Hướng tiếp cận dựa trên diện mạo.
1.4.1. Tư tưởng của hướng tiếp cận dựa trên diện mạo
Trái ngược với hướng tiếp cận d
ựa trên so sánh khớp mẫu (các mẫu đã được các nhà
nghiên cứu định nghĩa trước), các mẫu trong hướng tiếp cận này được học từ một tập ảnh
mẫu. Có thể nói hướng tiếp cận dựa trên diện mạo áp dụng các kỹ thuật theo hướng xác
suất thống kê và học máy để tìm những đặc tính liên quan của khuôn mặt và không phải là
khuôn mặt. Các đặc tính đã được học ở trong hình thái các mô hình phân bố hay các tham