駕駛輔助系統(tǒng)中人臉檢測方法研究

張文霞，王旭

（長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，吉林 長春 130000）

駕駛輔助系統(tǒng)中人臉檢測方法研究

張文霞，王旭

（長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長春 130000）

文章從車輛的主動安全角度出發(fā)，利用Adaboost算法訓(xùn)練人臉分類器，然后進(jìn)行人臉檢測，從而確定人臉區(qū)域。文章采集了大量駕駛室環(huán)境樣本進(jìn)行人臉分類器的訓(xùn)練，還對提出的方法進(jìn)行了對比分析，實(shí)驗(yàn)說明提出的人臉姿態(tài)估計(jì)方法具有高速、精確的特性。這項(xiàng)技術(shù)可以應(yīng)用于駕駛輔助系統(tǒng)的開發(fā)。

Adaboost算法；人臉分類器；樣本；人臉檢測

Abstract:In this paper, the Adaboost algorithm is used to train the face classifier from the point of view of active safety of the vehicle, and then face detection is carried out to determine the face area. In this paper, a large number of cab environment samples are collected for human face classifier training, and the proposed method is compared and analyzed. The experimental results show that the proposed method has high speed and accurate characteristics. This technology can be applied to the development of driving assistance systems.

Keywords: Adaboost algorithm; face classifier; sample; face detection

CLC NO.: V448.15+1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)18-83-02

前言

目前駕駛輔助系統(tǒng)的開發(fā)一般都需要人臉區(qū)域的準(zhǔn)確定位，比如疲勞預(yù)警系統(tǒng)，本文要確定駕駛室環(huán)境下的人臉區(qū)域，然后在人臉區(qū)域內(nèi)進(jìn)一步檢測，再對人臉特征精確定位。

目前，所有人臉檢測的方法可以分為兩大類：基于知識的方法與基于統(tǒng)計(jì)的方法?；谥R的方法：首先根據(jù)先驗(yàn)知識將人臉看成是器官特征的組合體，再根據(jù)眉毛、眼睛、鼻子和人嘴等器官的特征以及相互之間的幾何位置關(guān)系來實(shí)現(xiàn)人臉檢測?；诮y(tǒng)計(jì)的方法：是把人臉看作一個整體（即為二維像素矩陣），先根據(jù)統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)應(yīng)用大量的人臉圖像樣本構(gòu)建出人臉的模式空間，然后再根據(jù)相似度來判斷圖像中是否有人臉存在。其中，基于知識的人臉檢測方法包括：顏色特征、模板匹配、形狀與邊緣、紋理特性、人臉特征；基于統(tǒng)計(jì)的人臉檢測方法包括：支持向量機(jī)、主成分分析與特征臉、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、隱馬爾可夫模型、Adaboost算法。

1 人臉檢測

1.1 駕駛?cè)说娜四槞z測分析

研究駕駛室環(huán)境下的駕駛?cè)巳四槞z測方法需要解決以下幾個問題：

（1）駕駛室環(huán)境下圖像背景的復(fù)雜性

駕駛?cè)怂幍鸟{駛室內(nèi)環(huán)境一般較為復(fù)雜，這樣不利于提高人臉檢測的準(zhǔn)確性及快速性，增加了誤檢的可能性和消耗更多時間。

（2）光照不均勻性

汽車在行駛過程中駕駛?cè)藭艿讲煌较虻年柟夂透鞣N顏色的燈光的照射，特別是當(dāng)光線照射到駕駛?cè)说哪槻繒r，人臉檢測及眼睛定位的準(zhǔn)確性和快速性都會受到很大影響。目前大部分的面部檢測算法都不能有效的去除光照的影響。

（3）駕駛?cè)祟^部姿態(tài)的多樣性

駕駛?cè)祟^部在三維坐標(biāo)系中繞三個坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動造成了人臉圖像的變化，其中繞Y和Z軸的深度旋轉(zhuǎn)將會造成面部的部分信息缺失，這就增加了人臉檢測的難度。

針對以上駕駛室環(huán)境下的人臉檢測問題，論文提出了新的基于AdaBoost算法，可以有效解決這些不利因素所造成的影響。

1.2 Adaboost算法

AdaBoost算法中不同的訓(xùn)練集是通過調(diào)整每個樣本對應(yīng)的權(quán)重實(shí)現(xiàn)的。Adaboost訓(xùn)練強(qiáng)分類器的算法具體描述[i]如下：

（3）t=1…T，T為訓(xùn)練次數(shù)

最后，根據(jù)本輪選中的弱分類器分類結(jié)果更新下一輪樣本權(quán)重：

（4）最終的強(qiáng)分類器為：

先初始化樣本權(quán)重，在此樣本分布下訓(xùn)練出一個基本分類器h1(x)。對于h1(x)錯分的樣本，增加其對應(yīng)樣本的權(quán)重；反之，對于正確分類的樣本，則降低其權(quán)重。這樣就可以將錯分的樣本突出出來，并且得到一個新的樣本分布。同時，根據(jù)分類的情況賦予h1(x)一個權(quán)重，代表了該基本分類器的重要程度，被錯分的樣本越少分類器權(quán)重越大。使用更新的樣本分布，再對基本分類器進(jìn)行訓(xùn)練，得到分類器h2(x)及其權(quán)重。以此類推，經(jīng)過T次這樣的循環(huán)后，就能得到T個基本分類器和T個相應(yīng)的權(quán)重。最后將這T個基本分類器按相應(yīng)權(quán)重累加起來，就得到了最終的強(qiáng)分類器。

1.3 訓(xùn)練樣本的選取

由于根據(jù)檢測目標(biāo)，針對性的選擇人臉訓(xùn)練樣本。因此，本文采用了第二種方法，將駕駛室環(huán)境的圖像的人臉區(qū)域裁剪出來作為人臉訓(xùn)練樣本，這樣使得對于駕駛員的人臉檢測的針對性更強(qiáng)。本文的人臉訓(xùn)練樣本包含了10個人的不同姿態(tài)的1539個人臉訓(xùn)練樣本，所有樣本大小均為20×20，文件格式均為bmp。圖1中列舉了其中的一些樣本。

圖1 部分人臉訓(xùn)練樣本

負(fù)樣本的選取原則是：不同樣本之間要存在較大的差異；選取一些與人臉樣本相似的非人臉樣本。本文使用的非人臉圖像有三個來源：一是采用MIT非人臉庫中的2000個非人臉樣本，其大小均為20×20；二是下載網(wǎng)絡(luò)上已經(jīng)收集好的非人臉樣本資源 ，采用了其中的950張640×480的大尺寸非人臉圖片；三是從駕駛室環(huán)境的圖像的背景區(qū)域裁剪出來的和下載網(wǎng)絡(luò)上汽車內(nèi)飾圖片，共包含50張，圖2列舉了其中的一部分樣本。

圖2 部分駕駛室背景樣本

1.4 檢測結(jié)果分析

使用訓(xùn)練得到的級聯(lián)分類器檢測有一定角度的駕駛?cè)巳四槙r檢測效果比OpenCV提供的檢測器好，圖3列舉了一部分對比圖像，圖中（a）是使用OpenCV提供的檢測器檢測的結(jié)果，（b）是使用訓(xùn)練得到的分類器檢測的結(jié)果。

圖3 人臉檢測效果對比示意圖

2 結(jié)論

本文提出了一種基于Adaboost算法的人臉檢測算法，訓(xùn)練得到的分類器進(jìn)行人臉檢測確定人臉區(qū)域的估計(jì)。訓(xùn)練分類器時應(yīng)有了大量的人臉樣本和非人臉樣本，通過大量實(shí)驗(yàn)對結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果證明了提出的人臉檢測方法的有效性、精確性。這為以后的輔助駕駛系統(tǒng)的開發(fā)研究奠定了基礎(chǔ)。

[1] 翟中華.基于膚色和Adaboost算法的人臉檢測方法研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2012.

[2] 邸巍.駕駛員頭部檢測算法研究[D].長春:吉林大學(xué),2007.

[3] 張應(yīng)麗,王建華,王生進(jìn).駕駛員面部特征點(diǎn)定位方法研究[J]. 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2009,24（1）：4-7.

Study on Face Detection Methods in Driver Assistance System

Zhang Wenxia, Wang Xu
（Changchun Automobile Industry Insititute, Jilin Changchun 130000）

V448.15+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)18-83-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.18.029

張文霞，就職于長春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校。