平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的實現(xiàn)

楊思雯 楊青錦

大連財經(jīng)學院管理系

平均臉技術(shù)是當今世界較為前沿的面部合成技術(shù)，平均臉指經(jīng)過計算機特殊處理而得到的合成性容貌。近年來平均臉技術(shù)受到計算機視覺和計算機圖形學領(lǐng)域研究者的普遍關(guān)注。本文提出了一種平均臉圖像手機生成系統(tǒng)，闡述了其研究意義，詳細分析了其系統(tǒng)架構(gòu)，并描述了實現(xiàn)方法。本文還將該平均臉圖像生成手機系統(tǒng)與傳統(tǒng)的運行在PC 上的平均臉生成系統(tǒng)進行比較，并揭示了該平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其移動性和便捷性。

1 研究背景及意義

平均臉技術(shù)概述與應(yīng)用

在過去的十幾年中，隨著人臉識別技術(shù)的快速發(fā)展，平均臉技術(shù)也受到了世界各界的廣泛關(guān)注，相關(guān)的學術(shù)研究活動也日趨活躍。平均臉技術(shù)是一種面部合成技術(shù)，平均臉指經(jīng)過計算機特殊處理而得到的合成性容貌，代表所有臉部樣本的平均特征。平均臉技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，可被用于人類學、醫(yī)學、心理學、生活娛樂等領(lǐng)域，其應(yīng)用如下所示。

（1）平均臉技術(shù)應(yīng)用于人類學：制作出某類人群的平均臉并與另外人群的平均臉做對比分析。如將不同地區(qū)人的臉部圖像收集并制作平均臉，以進行不同地區(qū)人口的相貌比對分析?；?qū)⑵骄樇夹g(shù)應(yīng)用于不同民族相貌的對比，我國一共有56 個民族，各個民族的相貌都有著不同的特點，而這些特點用文字描述又十分蒼白難以讓人們理解，我們就可以收集不同民族的大量的照片，用平均臉技術(shù)進行合成并對比，就可以清晰直觀的發(fā)現(xiàn)不同民族的相貌特點。這樣的方法也可以用于不同國家的相貌對比。

（2）平均臉技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學與心理學：采集到的俊男/美女面孔特征可以用平均臉技術(shù)合成綜合的俊男/美女臉部圖片。該合成圖片可作為整容醫(yī)生對就醫(yī)者的指導目標。另外，研究者也可通過平均的俊男/美女圖片來從心理學上分析并解答什么是“美麗”這樣的問題。

（3）平均臉技術(shù)應(yīng)用于生活娛樂：制作某個團體的平均臉，以帶來樂趣，增進感情。如在校園生活中可以以班級或系為單位制作平均臉，而相貌和這張合成出來的平均臉最為相似的同學，可被推舉為班級里的班花或班草。

平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的優(yōu)勢與實際意義

傳統(tǒng)的運行于PC 上的平均臉生成系統(tǒng)的使用方式是：首先使用數(shù)碼相機等工具采集大量的臉部樣本照片，然后將這些照片復(fù)制到PC 中，并在平均臉生成系統(tǒng)中手工的為每張照片調(diào)整臉部模板，最后制作生成平均臉照片。

本文所提出的平均臉圖像生成手機系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)的運行于PC 上的平均臉生成系統(tǒng)與手工制作的平均臉生成方式。首先，本文提出的平均臉圖像生成手機系統(tǒng)既使用手機作為樣本照片的采集器，又能在手機中即時的得到平均臉合成結(jié)果。其次，本文提出的平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的手機應(yīng)用端的一種實現(xiàn)方式是不用手工為每張照片調(diào)整代表臉部特征的平均臉模板，而是把常用的大量模板導入到手機等移動端中，在進行拍攝時選擇所需的模板，將被拍攝的人對照模板進行拍攝，從而得到符合系統(tǒng)要求的原始照片。

在實現(xiàn)方式上，本文所提出的平均臉圖像生成手機系統(tǒng)不使用手機來生成平均臉圖片，而是將所有圖片上傳至服務(wù)器，由服務(wù)器進行平均臉合成，并從服務(wù)器取得合成結(jié)果。這是因為目前手機等移動端計算能力十分有限，不能進行龐大的臉部分析計算。如在手機等移動端進行平均臉合成計算，則消耗時間數(shù)倍于上傳至服務(wù)器端的傳輸時間與運算時間之和。

綜上所述，本文提出平均臉圖像生成手機系統(tǒng)實現(xiàn)了移動便捷的生成平均臉圖片。其移動性和便捷性在生活娛樂領(lǐng)域非常重要。在智能手機發(fā)展如火如荼的今天，手機應(yīng)用大多被應(yīng)用于生活娛樂領(lǐng)域，而本系統(tǒng)的特點契合了實際系統(tǒng)的要求，因此將會是平均臉生成在智能手機中應(yīng)用的合理的實現(xiàn)方式。

圖1 平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)架構(gòu)

平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1 所示。首先，我們需要利用手機等移動端對被采集者進行臉部圖像采集，我們需要采集一定數(shù)量的面部圖像以保證所得平均臉圖像更加真實準確。其次，我們可以選擇批量上傳或者單張上次傳所需要合成的圖片，上傳到網(wǎng)絡(luò)。之后，把我們需要的照片上傳到服務(wù)器端，運行PHP 程序調(diào)用平均臉合成程序，并生成平均臉圖片。最后，用手機或移動端下載我們合成的平均臉圖片。

具體實現(xiàn)步驟分析如下。一、需要實現(xiàn)一款專門的手機應(yīng)用，核心功能就是在手機相機取景器中疊加預(yù)定義的模板，使用者對照模板對人物臉部進行拍攝；或是先拍攝圖片，再指定人物的眼睛與嘴巴位置以生成模板，生成的照片（及模板）上傳到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。相機生成的圖片格式為”.jpg”格式。二、在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中存儲預(yù)定義的模板或服務(wù)器接收圖片對應(yīng)的模板。模板的格式為”.tem”格式。三、手機應(yīng)用調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的PHP 程序，PHP 程序接收所有圖片（及模板）并生成一個“.txt”格式的文件，其中包含所有圖片的文件名列表和這些圖片所對應(yīng)的模板文件名。四、PHP 程序調(diào)用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上的平均臉生成程序處理TXT 文件，并生成平均臉圖片。五、手機應(yīng)用取得平均臉圖片。整個流程如圖2 所示。

3 手機端的實現(xiàn)

圖2 平均臉圖像生成手機系統(tǒng)運行流程圖

平均臉圖像生成手機系統(tǒng)需要開發(fā)一款手機或移動端應(yīng)用。本文已在Android 平臺上實現(xiàn)了該應(yīng)用。該應(yīng)用有兩種實現(xiàn)方式，一種是在照相機的取景器界面中疊加入預(yù)定義的可選的多張模板，使用者對照模板對人物臉部進行拍攝；另一種是使用者先拍攝圖片，再指定人物的眼睛與嘴巴位置以生成模板。第一種實現(xiàn)方式的優(yōu)勢在于可有多張模板的選取可以較為簡便的拍攝圖像，運行效果如圖3所示，第二種實現(xiàn)方式的優(yōu)勢在于模板與臉部匹配的更好，運行效果如圖4 所示。

兩種實現(xiàn)方式的工作流程如下所示。

第一種實現(xiàn)方式：

第二種實現(xiàn)方式：

圖3 圖4

4 服務(wù)器端的實現(xiàn)

運行在服務(wù)器端程序的核心功能為：接收手機應(yīng)用上傳的樣本照片（及模板）并生成一個包含照片文件名與模板文件名列表的文本文件，然后調(diào)用服務(wù)器上的平均臉生成程序生成平均臉圖像，最后將生成結(jié)果返回至手機應(yīng)用。

另外，服務(wù)器端可實現(xiàn)一個平均臉合成在線系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括前臺的在線生成平均臉功能和后臺管理功能，使用系統(tǒng)前臺用戶可在線提供樣本照片并得到平均臉圖像，后臺管理為管理員提供管理上傳至服務(wù)器的樣本照片以及生成后的平均臉圖像的功能。

使用該在線系統(tǒng)生成平均臉的方式與手機應(yīng)用類似，但該系統(tǒng)所需要的樣本照片需與系統(tǒng)預(yù)定義的模板相匹配。該在線系統(tǒng)的應(yīng)用場景為：用戶使用手機應(yīng)用拍攝樣本照片但不使用手機應(yīng)用生成平均臉圖片，而是將樣本照片復(fù)制到計算機，然后使用該系統(tǒng)生成平均臉圖片。這通常發(fā)生在手機無網(wǎng)絡(luò)或網(wǎng)速比較慢，且要生成平均臉圖像的時刻。該系統(tǒng)不提供在線調(diào)整人物眼睛、嘴巴以生成模板的功能，因為這樣與傳統(tǒng)的運行在PC 上的平均臉生成系統(tǒng)相比，除其為在線系統(tǒng)外，并沒有其他優(yōu)勢，因而不予以實現(xiàn)。

以下對在手機上生成平均臉圖片與本文提出的平均臉圖像生成系統(tǒng)進行對比實驗，實驗環(huán)境為：

（1）手機型號：HUAWEI C8813 Android 版本：4.1.1

（2）網(wǎng)絡(luò)：4M ADSL

（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器：云虛擬主機 雙核1.5 GHz CPU，2G 內(nèi)存，Windows 2003 Server 系統(tǒng)

（4）測試圖片共30 張，大小共計3MB

通過實際實驗生成平均臉圖像：手機等移動端所需要時間為107 秒；平均臉圖像生成手機系統(tǒng)所需要時間僅為33 秒（見表1），以上實驗結(jié)果展示出當前在手機端性能遠不及桌面系統(tǒng)，而圖片傳輸時間較短的情況下，使用本文提出的平均臉圖像生成系統(tǒng)的性能優(yōu)勢。

5 對比實驗

表1

6 總結(jié)與展望

本文主要對人臉圖像中的平均臉進行深入研究拓展，使平均臉不再應(yīng)用于計算機這樣的固定終端，而移植到更加廣闊的移動平臺。其主要的目的是使平均臉更加方便快捷的應(yīng)用于我們生活當中，但是對于該問題的研究目前還處于一個探索階段，我們還需要更加復(fù)雜的分析研究。

本文首先對平均臉進行了深入的分析和介紹，提出了一種平均臉圖像手機生成系統(tǒng)，闡述了其研究意義，詳細分析了其系統(tǒng)架構(gòu)，并描述了實現(xiàn)方法。還將該平均臉圖像生成手機系統(tǒng)與傳統(tǒng)的運行在計算機上的平均臉生成系統(tǒng)進行比較，并發(fā)現(xiàn)了平均臉在計算機終端上的不足并利用平均臉圖像生成手機系統(tǒng)進行改進，使其成為一個方便快捷的手機應(yīng)用系統(tǒng)并揭示了平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的優(yōu)勢，其優(yōu)勢在于其移動性和便捷性。本文又對平均臉圖像生成手機系統(tǒng)進行了深入分析和研究，介紹了其手機端和服務(wù)器端的實現(xiàn)。最后本文對平均臉圖像生成手機系統(tǒng)進行了實驗，得出實驗結(jié)果并分析比較實驗結(jié)果。

由于對平均臉圖像生成手機系統(tǒng)的研究才剛剛展開不久，目前還有很多的問題需要進行更加細致的研究，本文展示了平均臉圖像生成系統(tǒng)的一種實現(xiàn)方式，希望本文所展示的信息能成為后續(xù)研究工作的基石。