CN110097021B - 基于mtcnn的人脸姿态估计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MTCNN的人脸姿态估计方法,首先对待进行姿态估计的人脸图像进行预处理,然后使用MTCNN模型对预处理后的人脸图像进行人脸检测,标定出关键点,根据左眼和右眼的坐标计算得到仿射矩阵,进行人脸对齐,对对齐后的人脸图像进行裁剪,并归一化到预设尺寸,然后根据图像几何中心和左眼、右眼的相对位置和几何关系计算得到人脸姿态的偏转角度,得到人脸姿态估计结果。经实验证明,本发明可以有效提高人脸姿态估计准确率。
Description
技术领域
本发明属于姿态估计技术领域,更为具体地讲,涉及一种基于MTCNN的人脸姿态估计方法。
背景技术
人脸姿态估计是通过对一张人脸图像进行分析,推断人脸的姿态(包括方向和角度)情况。姿态估计是多姿态问题(特别是姿态变化较大的情况下)中较为关键的步骤。人脸的姿态变化通常包括上下俯仰(pitch)、左右旋转(yaw)以及平面内角度旋转(roll)。因此,姿态估计在多姿态人脸的识别算法中具有巨大的现实意义和实用价值。
目前,人脸姿态估计的方法有很多,大致可以分为:(1)基于特征回归的方法:其核心将人脸图像从图像空间映射到姿态空间。该方法的实时性高且在人脸的姿态估计上准确率也较高,但是对头部定位的结果不具有鲁棒性,需要先检测人脸;(2)基于脸部关键几何关系的方法:通过对人脸关键点的定位,提取关键点的位置信息从而实现姿态估计。该方法简单可靠,在姿态估计的准确率高且计算时间较少;(3)基于形状模板的方法:这类方法主要是先根据先验知识来建立形状模板,通过对人脸主要面部器官的定位来匹配模板,通过模板的变化来估计人脸的姿态信息。虽然这类方法简单容易实施,但是姿态估计的准确率较差且计算复杂效率较低;(4)基于分类的方法:该方法主要是利用常见的分类器如支持向量机、神经网络等模型对图像进行机器学习,从而获得姿态信息来进行分类。总的来说,以上方法均存在着姿态估计耗时较长且准确率不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供一种基于MTCNN(Multi-taskconvolutional neural network,多任务卷积神经网络)的人脸姿态估计方法,提高人脸姿态估计的准确度。
为实现上述发明目的,本发明基于MTCNN的人脸姿态估计方法包括以下步骤:
S1:对待进行姿态估计的人脸图像进行预处理,包括灰度归一化、降噪处理;
S2:使用MTCNN模型对步骤S1预处理后的人脸图像进行人脸检测,标定出双眼、鼻尖、左右嘴角五个关键点,记左眼的位置坐标为(x1,y1),右眼的位置为(x2,y2);
S3:计算左眼和右眼的中心点坐标(xc,yc):
左右眼关键点之间的角度:
计算得到仿射矩阵F:
采用以上仿射矩阵F进行人脸对齐,对对齐后的人脸图像进行裁剪,并归一化到预设尺寸M×N;
S4:根据归一化后的人脸图像尺寸,计算得到人脸图像几何中心E:
根据左眼和右眼的坐标计算得到左右眼之间的距离D:
计算左眼和右眼到几何中心的距离E1和E2分别为:
本发明基于MTCNN的人脸姿态估计方法,首先对待进行姿态估计的人脸图像进行预处理,然后使用MTCNN模型对预处理后的人脸图像进行人脸检测,标定出关键点,根据左眼和右眼的坐标计算得到仿射矩阵,进行人脸对齐,对对齐后的人脸图像进行裁剪,并归一化到预设尺寸,然后根据图像几何中心和左眼、右眼的相对位置和几何关系计算得到人脸姿态的偏转角度,得到人脸姿态估计结果。经实验证明,本发明可以有效提高人脸姿态估计准确率。
附图说明
图1是本发明基于MTCNN的人脸姿态估计方法的具体实施方式流程图;
图2是本实施例中基于MTCNN模型进行人脸检测的示例图;
图3是本实施例中本发明和两种对比方法的分类准确率随样本数量变化的对比曲线图;
图4是本实施例中本发明和两种对比方法的平均绝对误差值随样本数量变化的对比曲线图;
图5是本实施例中本发明和两种对比方法的分类准确率随偏转角度变化的对比曲线图;
图6是本实施例中本发明和两种对比方法的平均绝对误差值随偏转角度变化的对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述,以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是,在以下的描述中,当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时,这些描述在这里将被忽略。
实施例
图1是本发明基于MTCNN的人脸姿态估计方法的具体实施方式流程图。如图1所示,本发明基于MTCNN的人脸姿态估计方法的具体步骤包括:
S101:人脸图像预处理:
为了更好地检测出人脸关键点的有效位置,对待进行姿态估计的人脸图像进行预处理,包括灰度归一化、降噪处理,具体方法可以根据实际需要确定。
S102:人脸关键点检测:
使用MTCNN模型对步骤S101预处理后的人脸图像进行人脸检测,标定出双眼、鼻尖、左右嘴角五个关键点。本发明仅需采用左眼和右眼的位置来进行姿态估计,记左眼的位置坐标为(x1,y1),右眼的位置为(x2,y2)。图2是本实施例中基于MTCNN模型进行人脸检测的示例图。如图2所示,MTCNN模型可以较为准确地获取人脸关键点。
S103:人脸对齐:
为了获取到更精确的定位,在进行MTCNN人脸检测后,需要对图像进行仿射变换,输出对齐后的人脸图像,其具体方法如下:
计算左眼和右眼的中心点坐标(xc,yc):
左右眼关键点之间的角度:
计算得到仿射矩阵F:
采用以上仿射矩阵F进行人脸对齐,对对齐后的人脸图像进行裁剪,并归一化到预设尺寸M×N。
S104:计算人脸姿态偏转角度:
根据归一化后的人脸图像尺寸,计算得到人脸图像几何中心E:
根据左眼和右眼的坐标计算得到左右眼之间的距离D:
计算左眼和右眼到几何中心的距离E1和E2分别为:
为了更好地说明本发明的技术效果,采用一组具体的人脸图像样本对本发明进行实验验证。对于图2所示的6个不同角度的人脸图像,采用本发明所得到的偏转角度分别为-30.28°、30.56°、15.22°、46.03°、-15.34°、-62.33°,和人脸图像样本本身所标注的偏转角度进行比较可知,本发明所得到的人脸姿态估计结果较为准确。
为了说明本发明的技术优势,采用基于PCA的姿态估计方法(记为PCA)和基于Adaboost的人脸特征三角形姿态估计方法(记为Adaboost)作为对比方法,和本发明(记为MTCNN)的人脸姿态估计结果进行对比。在进行对比时选用人脸姿态估计的分类准确率(Accuracy)以及角度估计的平均绝对误差值(MAE)作为评判指标,两种评判指标的计算公式如下:
其中,ntrue表示所有姿态分类正确的样本数量,N表示总的测试样本数量。
其中,d′i表示第i张图像的估计姿态角度,而di表示第i张图像的真实姿态角度。
首先采用本发明和两种对比方法对不同样本量的同一偏转角度的人脸图像样本进行姿态估计,统计得到评判指标。图3是本实施例中本发明和两种对比方法的分类准确率随样本数量变化的对比曲线图。如图3所示,随着人脸图像样本数量的增加,三种方法的准确率相差较大,随着样本数量的增多,其准确率的变化并不大,基于PCA的姿态估计方法的平均准确率为75.11%,基于Adaboost的人脸特征三角形姿态估计方法的平均准确率为81.44%,而本发明的平均准确率可以达到95%。
图4是本实施例中本发明和两种对比方法的平均绝对误差值随样本数量变化的对比曲线图。如图4所示,本发明所得到的人脸姿态的偏转角度与真实角度相差不大,其平均绝对误差为1.13°,而基于PCA的姿态估计方法的误差为10.23°,基于Adaboost的人脸特征三角形姿态估计方法的平均绝对误差为5.97°。
接下针对同样的测试样本对本发明和两种对比方法进行对比实验。本次实验中采用50个人脸图像测试样本,将50个测试样本的姿态固定在-90°,-75°,-60°,-45°,-30°,-15°,0°,15°,30°,45°,60°,75°,90°以内。图5是本实施例中本发明和两种对比方法的分类准确率随偏转角度变化的对比曲线图。图5中横坐标选取了13种姿态角度。如图5所示,三种方法针对正面的姿态估计都有很好的效果,但当人脸的偏转角度过大,如出现侧脸的时候,由于面部关键点的特征点的定位不准确,导致姿态估计的效果均不如小角度偏转的姿态估计。但本发明方法对13种角度的估计准确率可以达到91.38%,依旧在整体的分类准确率上高于两种对比方法。
图6是本实施例中本发明和两种对比方法的平均绝对误差值随偏转角度变化的对比曲线图。如图6所示,三种方法对于标准正面人脸的姿态估计均较为准确,当人脸的偏转角度过大,如出现侧脸的时候,平均绝对误差均有提升。本发明方法在13种不同角度下其平均绝对误差仅仅为1.33,而基于PCA的姿态估计方法的平均绝对误差为8.22,基于Adaboost的人脸特征三角形姿态估计方法的平均绝对误差为5.97。
基于对比实验结果可知,本发明所提出的基于MTCNN的人脸姿态估计方法可以有效提高人脸姿态估计的准确度。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述,以便于本技术领域的技术人员理解本发明,但应该清楚,本发明不限于具体实施方式的范围,对本技术领域的普通技术人员来讲,只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内,这些变化是显而易见的,一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (1)
1.一种基于MTCNN的人脸姿态估计方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1:对待进行资态估计的人脸图像进行预处理,包括灰度归一化、降噪处理;
S2:使用MTCNN模型对步骤S1预处理后的人脸图像进行人脸检测,标定出双眼、鼻尖、左右嘴角五个关键点,记左眼的位置坐标为(x1,y1),右眼的位置为(x2,y2);
S3:计算左眼和右眼的中心点坐标(xc,yc):
左右眼关键点之间的角度:
计算得到仿射矩阵F:
采用以上仿射矩阵F进行人脸对齐,对对齐后的人脸图像进行裁剪,并归一化到预设尺寸M×N;
S4:根据归一化后的人脸图像尺寸,计算得到人脸图像几何中心E:
根据左眼和右眼的坐标计算得到左右眼之间的距离D:
计算左眼和右眼到几何中心的距离E1和E2分别为:
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GR01 | Patent grant | ||
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