用于人臉識別的HMM模型 - 基于HMM的嵌入式人臉識別系統(tǒng)研究

4．2 用于人臉識別的HMM模型
??? 根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的類型，HMM可分為遍歷的(ergodic)和從左到右的(left-right)。前者表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移是任意的，可以到本身和其他所有狀態(tài)，后者狀態(tài)轉(zhuǎn)移只限于本身和下一個狀態(tài)。人臉垂直方向由上至下和水平方向從左至右各個區(qū)域具有自然不變的順序，可以用1D-HMM來模擬人臉，如圖3所示。

4．3 人臉圖像特征提取
??? 設(shè)每一個人臉圖像寬度為W，高度為H，被劃分為互相重疊的塊。塊的高度為L，重疊深度為P。因此，從人臉圖像抽取的總分塊數(shù)為觀察矢量數(shù)T，且T=(H-L)／(L-P)+1。參數(shù)L和P的選擇將影響系統(tǒng)的識別率，大的重疊深度值P增加了垂直特征向量的數(shù)量，使系統(tǒng)的識別率提高。L的選擇比較微妙，較小的L使觀察矢量不能有效鑒別；而大的L使剪切相交特征概率增加。當(dāng)P大時，系統(tǒng)識別率對L的變化不敏感。分割算法流程如圖4所示。

4．4 人臉HMM模型的訓(xùn)練
??? 為人臉圖像庫中每一個人臉建立一個HMM模型，用同一個人的5張不同人臉照片進(jìn)行訓(xùn)練。按照子塊劃分方法，得到的2D-DCT變換系數(shù)矢量形成觀察矢量序列。用觀察矢量序列O={o1，o2，…，oT}進(jìn)行訓(xùn)練，得到HMM模型參數(shù)。
??? 首先對HMM模型λ={A，B，∏}進(jìn)行初始化，通過自上而下均勻分割人臉圖像得到訓(xùn)練數(shù)據(jù)。模型狀態(tài)數(shù)N=6，與每一個狀態(tài)有關(guān)的觀察矢量序列用于得到觀察概率矩陣B的初始估計，A和∏的初始值按人臉模型自左到右的結(jié)構(gòu)給出。然后利用最大似然估計算法(Baum-Welch估計算法)重新估計模型參數(shù)，檢測P(O|λ)的收斂條件。
??? 如果滿足式(3)條件，則模型已收斂，結(jié)束訓(xùn)練迭代過程；否則繼續(xù)進(jìn)行下一次訓(xùn)練。

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??? 此處，C為預(yù)先給定的閾值。
4．5 人臉圖像識別
??? 被識別的人臉圖像用于訓(xùn)練過程相同的方法提取觀察矢量序列，觀察矢量序列的概率由人臉圖像HMM模型計算出，即：
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??? 當(dāng)滿足式(4)時，被識別人臉對應(yīng)人臉圖像庫中第k個人的人臉被識別出。
??? 實驗證明，此算法易于實現(xiàn)實時處理，不受臉部表情變化的影響，抗噪聲能力強，魯棒性好。但在人臉識別中的光照問題和姿態(tài)問題方面還有待于進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)論
??? 基于嵌入式ARM9和HMM算法的人臉識別系統(tǒng)具有體積小，計算量小，運算速度快，性能穩(wěn)定等特點，能夠滿足人們對識別設(shè)備小型化的需求。相信在不久的將來，基于嵌入式的人臉識別系統(tǒng)會在安檢、身份驗證、門禁系統(tǒng)、智能考勤等方面得到廣泛應(yīng)用。
??? 本文作者創(chuàng)新點：
??? 人臉識別是生物特征識別中一個重要的研究方向，是間接、無侵犯式身份識別的主要方法。在嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行人臉識別，能夠?qū)崿F(xiàn)人臉識別設(shè)備的便攜化，將會極大地拓展識別設(shè)備的使用范圍。識別使用HMM算法，有效地降低了識別算法的空間和時間復(fù)雜度，為實時識別提供了可能。

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