（计算机软件与理论专业论文）第二代身份证系统中的图像处理技术及实现.pdf

摘要 为了配合第二代居民身份证的换发工作，相关职能部门一直致力于人像数字图像的自动化处 理技术研究如何自动改善数字图像的质量，使其符合公安部发布的居民身份证数字相片技术标 准是一个亟待解决的关键技术问题针对人像采集条件和来源不同而导致的图像不规范问题，本 论文主要研究了图像的预处理( 缩放调整) 、标准裁切、色彩调整和背景滤除等的自动化处理过 程具体工作内容如下： l ，提出一种在预处理过程中，能够快速缩放调整图像的方法，可以加快后期的处理速度 2 ，提出了一种能够快速有效确定裁剪区域的方法首先，利用基y - y c b c r 空间的肤色模型 检测人脸，确定裁剪人脸的左右边界；然后利用s o b e l 算子检测头顶位置，确定裁剪的上边界； 最终确立了整个人脸的裁剪区域在确定眼睛位置的时候，根据人脸几何特征，可以缩小检索的 范围，加快检测速度 3 ，实现了一种图像色彩自适应调整的策略通过将图像从r g b 空问转换到h s i 空间，对图 像的各个分量均采用自适应直方图调整的方法，实现了图像的饱和度和亮度的独立调整 4 ，在滤除背景方面，采取了一种基于区域生长的图像分割方法，通过边扫描边填充背景区 域，使背景变为纯白色对拍摄效果较好的照片，还研究了用r g b 颜色的3 个分量来去背景的 方法 5 ，本论文已将上述算法实现并搭建了完整的系统能够对实际采集的数字人像进行自动化 处理本文对实际图像进行了大量实验 关键词：人脸检测，颜色空间，眼睛检测，色彩调整，图像分割 a b s t r a c t f o rt h es e c o n di dc a r d ，w ea l w a y sa d d r e s st h et e c h n o l o g yr e s e a r c ho fa u t o m a t i cp r o c e s s i n gf o r d i g i t a lp o r t r a i ti m a g e s i ti s ak e yf o rt h es e c o n di dc a r dt oh o wt ob e t t e rt h e e f f e c to fi m a g e s a u t o m a t i c a l l ya n dl e tt h e mc o n f o r mt ot h et e c h n i c a ls t a n d a r do ft h ei dc a r dt h a tt h ep o l i c ed e p a r t m e n t p u b l i c i z e d s ot h et h e s i sw o r k so na d j u s t m e n t so fr o t a t i o n ，c o l o r , z o o m ，s h e a ra n db a c k g r o u n di i l o s t l y w h i c hb a s e do nt h ep o s e ，c o l o ra n dl o c a t i o no ft h ep o r t r a i ti nt h ei m a g e a n dt h er e s e a r c h e so ft h ea r t i c l e h a v eb e e nd o n ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , a b o u tt h ea d j u s t m e n to f p r e p r o c e s s i n g ( z o o m i n g ) ，t h es p e e do ft h ei m a g ep r o c e s s i n gb e h i n d i sa c c e l e r a t e d s e c o n d l y , o nt h ea d j u s t m e n to fd e t e r m i n i n gt ot h eb o u n d a r yo fc u t t i n g ，t h eh o r i z o n t a lb o u n d a r yo f f a c ei sc o n f i r m e db a s e d0 1 1t h em o d e lf o rs k i nc o l o ro fy c b c rc o l o rs p a c e t h e nt h eu p p e rb o u n d a r y i sc o n f l r m e db yt h et o po fh e a db ym e a n so ft h es o b e lo p e r a t o r a tl a s t ，t h ec u t t i n ga r e ao ff a c ei s c o n f m n e d w h e nt h ec o o r d i n a t eo fe y e si sc o n f i r m e d ，t h er a n g eo fs e a r c h i n gi sd e c r e a s e d , s ot h es p e e d o fs e a r c h i n ge y e sb e h i n di sa c c e l e r a t e d t h i r d l y , 0 1 1t h ea d j u s t m e n to fc o l o r , t h ep r o c e s s i n gf r o mr g bc o l o rs p a c et oh s ic o l o rs p a c ei s e x e c u t e dt oa d j u s tt h ec o l o ro fi m a g e t h e n ，i nh s is p a c e ，t h em e t h o db a s e do na d a p t i v eh i s t o g r a m e q u a l i z a t i o n ( a h e ) i si n t r o d u c e dt oa d j u s tt h es a t u r a t i o na n di n t e n s i t yi n d e p e n d e n t l y f o u r t h l y , o nt h ea d j u s t m e n to f p r o c e s s i n gb a c k g r o u n d , t h ec o l o ro f b a c k g r o u n di sr e p l a c e db yw h i t e c o l o rb a s e do ns c a n l i n ef i l l i n ga l g o r i t h m f o rt h eb e t t e ri m a g e ，a ne a s yw a yc a l ls o l v et h eb a c k g r o u n d c o l o rr e p l a c i n gb ym e a n so f v a l u e so f r ，gbp i x d s f i n a l l y , t h ea u t o m a t ci m a g ep r o c e s s i n gp r o p o s e di nt h i st h e s i si sf o r m e dt oa ni n t e g r a t es y s t e m a n d w i t he x a m p l eo f an u m b e ro f d i g i t a lp h o t o sc o l l e c t e d ，t h er e s u l t sa 坞g i v e n ，a n a l y z e da n de v a l u a t e d k e yw o r d s ：f a c ed e t e c t i o n , c o l o rs p a c e , e y ed e t e c t i o n ，a d j u s t m e n to fc o l o r , i m a g e s e g m e n t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得宁夏大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意 研究生签名：王赂午 时间： 耖o 年多月哆日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解宁夏大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文同意宁夏大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位 论文的全部或部分内容 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 工吟年 渤欠 时间： 时间： 年岁月乡日 年箩月哆日 矽 ，o 嘶 币 宁夏人学硕f 学位论丈第一章弓f青 皇曼鼍曼i i ii l iii,。mi 。曼 1 1 研究背景 第一章引言 2 0 0 4 年1 月1 目，我国正式实施中华人民共和国居民身份证法，并启动第二代居民身份 证( 以下简称“二代证”) 全国换发工作f l 】与第一代居民身份证相比较，“二代证”采崩非接触 式i c 卡技术制作，证件信息的存储和证件查询采用数据库技术和网络技术，可实现全国范围的 联网快速查询和身份识别，实现信息共享“二代证”的一个显著特点是证件信息采集和传输采 用计算机及数字照相技术，将持证人的彩色相片图像和身份项目内容等数字化后运用密码技术加 密，存入芯片，不仅有效起到证件防伪的作用，防止伪造证件或篡改证件机读信息内容，而且克 服了第一代身份证相片灰暗、陈旧的缺陷【2 】 居民身份证作为确认公民身份、具有法律效力的证件，其相片拍摄质量的好坏直接影响剑身 份证的制作质量准确反映公民面貌特征、符合制证要求且摄制精良的数字相片是制作身份证的 前提和基础拍好数字相片是“二代证”制作的重要环节 在现代社会中随着计算机及网络技术的高速发展，信息安全显示出前所未有的重要性身份 鉴定是保证系统安全的必要前提其中人脸检测技术因其识别特征的独特性、唯一性和相对稳定 性，逐渐成为一个非常热门的研究课题 原有的第一代居民身份证科技含量较低，一般只能凭直观视觉验证，难以判别真伪，而第二 代身份证既从根本上解决了这些问题，因此普及势在必行同时第二代身份证又对证件图像提出 了较高要求，以保证身份证照片的真实性、有效性和标准化要有效地制作第二代身份证图像， 需要确立一套规范的制作流程以保障制作图像的质量、提高制作效率 现将人脸检测技术应用于身份证数码照片图像的质量评估和图像调整之中，以达到对身份证 照片的头位检测、眼睛检测、色彩检测、高光检测、调整色彩等一系列的效果，从而大大地提高 了制卡的工作效率在本文中将主要介绍如何利用肤色信息来检测人脸，以及肤色修正、去背景 等 1 2 身份证人像自动校正系统简化框图 二代证人像采集系统主要由联机拍照( 图像输入) 、预处理( 缩放) 、人脸检测( 确定裁剪范 宁夏人学硕f 学位论文第帚引占 曼曼量曼量曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼璺曼曼皇曼皇曼曼皇曼曼曼量暑鼍i _ 一一 一i ；i ii i 舅曼曼曼曼曼曼皇曼皇曼 围) 、裁剪、去背景、色彩修正、合格检测、保存等部分组成 联机拍照指利用c a n n o n 公司开发的数码相机s d k ，开发联机拍照程序，把实时拍摄的照片读 入系统中3 】；预处理主要是针对原始图像尺寸比较大，会影响后面的人脸检测速度，冈此有必要 进行预处理；然后开始人脸检测，首先判断人脸的左右边界，也就是裁剪的水平边界，然后判断 一些特征如头顶、眼睛等的位置，再来确定垂直裁剪的边界；裁剪完成以后，要对图像进行去背 景操作，将背景替换为纯白色：接着，对图像的色彩尤其是肤色进行调符，增加图像的清晰度和 对比度；这些步骤处理完成以后，要检测是否符合二代证的制证标准，最后保存图像，将二代证 图像上传到数据库服务器中 联预人裁去色是保 机 处 脸 1 + 背 彩 否 啼 拍 理检景 修 合 照测剪正格存 图卜1 人脸相片自动校正系统 由上图可知，本课题涉及的关键技术为人脸检测、图像分割( 去背景) 等 1 3 研究现状和关键技术综述 现在市场上已有多种人像采集系统，这些产品大多是北京、上海、深圳一些公司研制的，实 现了身份证人像采集的常用功能 如北京的数字方舟人像采集系统，它完成的功能有： 1 自动剪切功能，应用图像模式识别技术识别人像位置信息自动剪切照片 2 自动检测功能，根据g a 4 6 1 标准自动检测人像位置信息和图片大小 3 自动色彩修正，依据前端标样照片进行色彩修正 4 自动背景色彩替换，利用模式识别色差对比将背景替换为纯白 5 数据库连接，调出人口信息替换人像信息 此外还有深圳的博纳思信息技术有限公司的b n s l 0 0 数码人像采集系统以及思迈、高华、 宇通第二代身份证照片采集系统 这些系统中都涉及的关键技术是人脸检测和图像分割算法，处理后的效果基本都能满足二代 证的制证标准 2 宁砭人学硕i 学位论文第一章引言 但是，此类软件不足的是软件维护成本比较高，造成在某个省份实施后需要专门的公司负责 技术维护，一些设备比较容易丢失或损坏比如每次使用软件需要接入加密狗，处理后的二代证 照片需要手动上传到二代证数据库中为此，需要一种跟实际紧密结合，减少维护难度的软件产 品 需要特别说明的是，到目前为止，还没有一种统一的软件来对全国的身份证制证进行规范所 以本文研究的是适合某一地区的软件，使软件简单易用，维护方便 由于在拍摄二代证时，要求制证用相片为向色背景，所以有必要准备一块白幕布，拍摄时放 在被摄者身后，也可遮挡杂乱的背景拍照时，被摄者正坐或立于白色布幕( 或向墙) 前，双耳 平均露出，两眼正视相机镜头，双肩平衡，两臂自然下垂【2 i 因此，本课题中的人脸图像是一种 一定拍摄条件限制下得到的图像，对其中人脸的检测难度小于自然图像本项目是面向实用化的 软件系统，需要综合考虑算法的精度和效率因此，在课题总体设计上，需要充分考虑已知条件， 尽量采用比较成熟、有效的算法 1 3 。1 人脸检测 人脸检测( f a c ed e t e c t i o n ) 是指对于任意一幅给定的图像，采用一定的策略对其进行搜索以确 定其中是否含有人脸，如果是则返回人脸的位置、大小和姿态【4 1 它是一个复杂的具有挑战性的 模式检测问题，其主要的难点有两方面，一方面是由于人脸内在的变化所引起：( 1 ) 人脸具有相 当复杂的细节变化，不同的外貌如脸形、肤色等，不同的表情如眼、嘴的开与闭等；( 2 ) 人脸的 遮挡，如眼镜、头发和头部饰物以及其他外部物体等：另一方面由于外在条件变化所引起：( 1 ) 由 于成像角度的不同造成人脸的多姿态，如平面内旋转、深度旋转以及上下旋转，其中深度旋转影 响较大；( 2 ) 光照的影响，如图像中的亮度、对比度的变化和阴影等；( 3 ) 图像的成像条件，如摄 像设备的焦距、成像距离，图像获得的途径等等这些困难都为解决人脸检测问题造成了难度如 果能够找到一些相关的算法并能在应用过程中达到实时，将为成功构造出具有实际应用价值的人 脸检测与跟踪系统提供保证【5 1 人脸检测问题的内涵十分广泛，需要解决的问题很多，实现通用 的方法还存在一些困难现在的研究通常是针对特定约束条件f 或某种应用背景下提出解决方 法由于速度是几乎所有应用中都必须考虑的问题，因此也越来越引起研究者的重视目前比较 主流的人脸检测算法有： 基于肤色的人脸检测算法对于肤色检测问题的研究有很多，它们为人脸检测中使用肤色特 征打下了基础【5 1 由于肤色受光照、姿势、表情等变化的影响较小，所以基于肤色的检测算法利 3 宁夏人掌硕i 学位论文第一节弓l青 用这一特点，先对图像分离出肤色区域，再在这些类肤色区域中检测人脸由于此算法首先筛选 掉了一部分背景，减少了目标搜索时间，故可以大幅提高检测速度近儿年，基于肤色的人脸检 测已经引起了很多学者的关注 基于特征的方法在光照和姿势不同的情况下，眉毛、眼睛等面部特征及其之间的关系是不 会改变的，故可以先检测这些不变特征，再根据它们之间的空间几何关系来定位人脸【6 1 这种方 法又进一步分为基于面部特征的方法、基于纹理的方法、基于肤色和基于多特征综合的方法近 年来，结合肤色和面部特征进行检测的算法的研究增多因为肤色是一种比较稳定的特征，在不 同的光照以及人脸姿势，角度和表情等都不相同的情况下，肤色信息仍然比较稳定，所以可以先 根据肤色信息来对输入图像进行粗分类，将图像分为类肤色区域和1 f 肤色区域，然后在类肤色区 域上查找人脸，故速度可以大幅提高但肤色易受背景的影响，对视频输入设备也有依赖性而 且，算法的准确率比较低 基于边缘特征及模版利用图像的边缘特征检测人脸时，其计算量相对要小的多，可以用来 提高检测速度【5 1 大多数使用边缘特征的算法都是基于人脸的边缘轮廓相似于椭圆的特性，利用 建立的椭圆模板进行椭圆匹配来检测人脸，实现了简单背景的人脸检测但是利用椭圆特性进行 计算时，椭圆的判断又增加了整个检测过程的计算量，抵消了边缘特征数量少的一些优势，阻碍 了速度的提高 1 3 2 图像分割 “二代证”要求照片为纯白色，但实际中因为光照的原因，背景并不是纯白色，这就需要通 过图像处理相关技术将背景强制变为白色主要用到了图像分割技术 图像分割的应用非常广泛，几乎出现在有关图像处理的所有领域，图像分割的准确性直接影 响后续任务的有效性，因此具有十分重要的意义图像分割是一种重要的图像技术，在理论研究 和实际应用中都得到了人们的广泛重视 所谓图像分割闭是指根据灰度、彩色、空间纹理、几何形状等特征把图像划分成若干个互不 相交的区域，使得这些特征在同一区域内，表现出一致性或相似性，而在不同区域间表现出明显 的不同简单的讲，就是在一幅图像中，把目标从背景中分离出来，以便于进一步处理图像分 割是图像处理与计算机视觉领域低层次视觉中最为基础和重要的领域之一，它是对图像进行视觉 分析和模式识别的基本前提同时它也是一个经典难题，到目前为止既不存在一种通用的图像分 割方法，也不存在一种判断是否分割成功的客观标准 4 宁夏人学硕f 学 节论丈第章引言 图像分割的方法和种类有很多，有些分割运算可直接应用于任何图像，而另一些只能适用于 特殊类别的图像有些算法需要先对图像进行粗分割，因为他们需要从图像中提取出来的信息例 如，可以对图像的灰度级设置门限的方法分割值得提出的是，没有唯一的标准的分割方法许 多不同种类的图像或景物都可作为待分割的图像数据，不同类型的图像，已经有相对应的分割方 法对其分割，同时，某些分割方法也只是适合于某些特殊类型的图像分割分割结果的好坏需要 根据具体的场合及要求衡量图像分割是从图像处理到图像分析的关键步骤，可以说，图像分割 结果的好坏直接影响对图像的理解引所以，针对单一简单颜色背景或者复杂背景的各类人像照 片，如何采用适当的彩色图像分割方法，正是本文要研究的重点和难点 早期的图像分割方法可以分为两大类1 8 】一类是边界方法，这种方法假设图像分割结果的某 个子区域在原来图像中一定会有边缘存在；一类是区域方法，这种方法假设图像分割结果的某个 子区域一定会有相同的性质，而不同区域的像素则没有共同的性质这两种方法都有优点和缺点， 有的学者考虑把两者结合起来进行研究现在，随着计算机处理能力的提高，很多方法不断涌现， 如基于彩色分量分割、纹理图像分割所使用的数学工具和分析手段也是不断的扩展，从时域信 号到频域信号处理，小波变换等等 目前，有许多的图像分割方法，从分割操作策略上讲，可以分为基于区域生成的分割方法， 基于边界检测的分割方法和区域生成与边界检测的混合方法【8 】图像分割主要包括4 种技术：并 行边界分割技术、串行边界分割技术、并行区域分割技术和串行区域分割技术 阈值分割的优点是实现简单、计算量小、性能较稳定特别适用于目标和背景占据不同灰度 级范围的图像它不仅可以极大的压缩数据量，而且也大大简化了分析和处理步骤，因此在很多 情况下，是进行图像分析、特征提取与模式识别之前的必要的图像预处理过程 9 1 图像阈值化的 目的是要按照灰度级，对像素集合进行一个划分，得到的每个子集形成一个与现实景物相对应的 区域，各个区域内部具有一致的属性，而相邻区域布局有这种一致属性这样的划分可以通过从 灰度级出发选取一个或多个阈值来实现 边缘检测分割通过检测包含不同区域的边缘来解决图像分割，基于在不同区域之间的边缘上 像素灰度值的变换往往比较剧烈i l0 1 边缘检测主要包括r o b e r t s 算子、s o b e l 算子、p r e w i t t 算子、 l a p l a c i a n 算子、c a n n y 算子和边界跟踪法等其缺点是仅用了局部信息而没有用全局信息，分割 有时候不准确 区域分割有两种基本方式u o l ，一种是先给定图像中要分割的目标物体内的一个小块，再在这 个小块的基础上不断将其周围的像素以一定的规则加入其中，达到最终代表目标物休的所有像素 5 宁夏大学硕 ：学位论文第。章弓f言 ! o i ； i i 一；i 一_ _ 一_ i i i i i i 鼍曼曼皇笪皇蔓 结合成一个区域另一种是先将图像分割成很多一致性强的小区域，再按一定的规则将小区域融 合成代表目标物体的大区域区域分割主要包括区域生长法、区域分裂合并法其缺点往往造成 分割过度而效果不好 1 4 本文结构安排 本论文做了以下几方面的研究工作： ( 1 ) 第一章为概述，主要介绍本文研究问题的背景、意义及国内外图像分荆的研究现状，在 此基础上提出了本文的研究目的，最后介绍本文的工作及其结构安排 ( 2 ) 第二章确定裁剪区域结合人脸检测的相关理论，将一种基于慨r 空间的人脸肤色检 测算法运用于人像目标提取，旨在能够快速自动地选取人像样本像素，进而达到自动分割人像目 标之目的然后判断头顶和眼睛的位置，以方便裁剪符合二代证标准的人像 ( 3 ) 第三章详细介绍了肤色色彩修正，首先将图像从r g b 颜色空间转换到h s i 颜色空间，去 除r g b 空间的像素相关性，然后对h s i 空间的色调( h ) 和饱和度( s ) 分量分别进行直方图均衡化， 最终再将颜色空间从h s i 转换到r g b 颜色空间 ( 4 ) 第四章利用图像分割技术，将二代证人像背景替换为白色 ( 5 ) 第五章详细介绍第二代居民身份证系统中图像自动处理系统的工作流程，并结合实验来 验证相关处理的有效性和实用性 ( 6 ) 第六章对本文的工作进行了总结，表明该研究完成了预期的目标，同时就研究期间出现 的问题和难点给出了进一步研究建议 6 宁夏人学硕i 。学位论文第二章确定戏剪区域 第二章确定裁剪区域 第二代身份证对图像的几何尺寸有明确严格的要求二代证标准对脸宽、眼睛、发迹的位置 有比较高的要求，所以需要确定图像的几何尺寸图像裁剪位置由后面的人脸检测与定位确定值 得注意到是必须先定位人脸、眼睛、发迹或头顶边缘，才能确定图像裁剪位置 2 1 人像尺寸的标准化 图像尺寸的标准化就是对不同来源的图像进行预处理，包括图像缩放、图像旋转等 假设图像x 轴方向缩放比率是五，y 轴方向缩放比率是乃，那么原图中点( x ，y ) 对应于缩放 t = 言昙； i ， t 2 t ， i = 等蛐i 口2 ， h = x 。五 1 y = y 乃 ( 2 3 ix = x 九x t y = y a ( 2 4 ) 其中，缩放参数五和乃为指定的正值当它们大于1 时，表示图像放大；当它们小于1 时，表 图像缩放或图像旋转要用到图像插值算法常用的图像插值算法( i n t e r p o l a t i o n r e s a m p l i n g ) 有：最近邻算法( n 例髑tn e i g h b o ri n t e r p o l a t i o n ) 、双线性插值( b i h n e a ri n t e r p o l a t i o n ) 、双立次插值 ( b i e u b i ei n t e r p o l a t i o n ) 、b 样条、埃尔米特插值等 宁夏人学硕 学位论文 第二章确定玻剪区域 双立方插值通常能产生效果最好，最精确的插补图形，但它速度也几乎是最慢的“双线插 值”的速度则要快一些，但没有前者精确在商业性图像编辑软件中，经常采用的是速度最快， 但也是最不准确的“最近相邻”插值其他些插值技术通常只在高档或单独应用的程序中出 现显然，无论技术多么高级，插补过的数据肯定没有原始数据准确 由于实际需求要对扫描的图像进行处理，所以本文采用的插值算法是双立方插值 2 2 人脸检测 人脸检测与定位是制作身份证相片的第一步，也是很重要的一步然后根据头像左右边界、 头顶和眼睛的位置确定裁剪头像的区域肤色是人脸的重要信息，具有相对的稳定性并且和大多 数背景物体的颜色相区别在人脸图像的许多特征中，颜色是把皮肤从其它物体的背景中提取出 来的有效特征之一所以，建立合适的肤色模型是人脸检测的前提人们已经提出了许多肤色检 测模型，大多数是基于像素建立的通常建立肤色模型时要考虑两方面内利1 2 】：( 1 ) 应该选择哪一 种颜色空间( 2 ) 如何利用肤色分布来建立模型 2 。2 1 基于y c r c b 色彩空间的人脸检测 刚。：瓣04绷+。16cr 04 3 9 3 6 8 128cb-01 4 8 - 02 9 1 1 2 8 ， il = i - o - 0 0 7 1i igi + i ( 2 5 ) iii o 4 3 9 f fbiil 8 f r i r 1 1 6 4l5 9 6 o 0 0 0 0 i fy 1 6 l g | = i i 1 6 4 m 8 1 3 - 0 3 9 圳c ，一1 2 8 】 0 6 ) l b l1 1 1 6 40 0 0 0 020 1 8l l o 1 2 8 i 我们用i ( x ，y ) 表示该点是否属于肤色像素，得到下式1 ”： ，k 力； ：卵7 。“2 7 2 ”3 o “” ( ：7 ) 22 2 头顶位置 一一 由于二代证拍摄的照片大多背景趋于白色或灰色，色调单一，在不同区域之间的边缘上像素 灰度值的变换往往比较剧烈所以可以利用边缘检涮算法检潮人像头瑗位置 常用的边缘检测算法有：r c b c m 算子、s e b e l 算子、p r c w i u 算子、h 讪| c j 舭算子、o 哪y 算 子和边界跟踪法等 经过实验铡试，利用s o b c l 算子可以较好的检测出头】翼坐标s c b e l 算于的模板为1 ： 圉罔圈 ( )( b c ) 田2 - 2s 曲d 算于的木平和垂直蕞扳 使用3 3 大小的模板的方法由下式给出： 宁艇 学日j 学论女 第一章确裁剪嵯域 g = ( + 2 气+ 南) 一( + 2 2 2 + = j ) ( 2s ) 和 g = ( + 2 + 南) 一( ：l + 2 + ：，) t 29 ) 在计算梯度时需要反复计算平方和平方根在实际席肘中，囡为计算平方并不总能令人 满意所以经常使用的种方法是州绝对值对梯度进行近似： 可z 晦+ q i ( 2 l o ) 对图像进行卷积运算，根据啦置的阈值t ( 比如7 0 ) ，对斟像像桑小于t 的置为0 ， tt 置为i ，对图像二值化灿报容易找到头顶位置，记为h d _ t o p 下幽为s 幽i 算子一位化后的 结果 2 23 眼睛位置 埝 图2 - 3s o k i 算于二值化 圆圆 ( d ) 囤2 ( a ) 较亮强度的脸罩( b ) 挫暗的臆罩 ( c ) 目( a ) 的雌色彩分布和( d ) 目( h s e 影分布 宁夏人学顾f 学位论义 第一二章确定裁鲍区域 二代证对眼睛位置有特殊的要求，所以必须确定眼睛位置，以便确定裁剪区域本文采用 h s i 颜色空间判断眼睛位置因为它对不同光照条件的肤色不敏感5 1 图2 - 4 演示了h s i 色彩空 间对不同光照条件下稳定性图2 _ 4 ( a ) 和( b ) 是同一个人的人脸眼罩接着，图2 4 ( c ) 和( d ) 演示了 较明亮的眼罩的h s 色彩分布几乎与较暗的眼罩一样从r g b 到h i s 色彩空间变换是由如下公 式定义的： = 三( 尺+ g + b ) ， 厶= 圭( 尺一既 厶= 丢( 2 g r b ) ， ( 2 i i ) h 舻厢，h = t a n - l ( 争 r ，g 和b 分别是r g b 色彩空间的红，绿，蓝分量，相应的h ，s ，1 分别是h i s 色彩空间的色 调，饱和度和亮度分量 眼是人脸上最具特色的器官并且，是人脸图像中光照强度最低的因此，二值化后的候选 人脸中连通的黑点成分应该包含我们想要的特征( 眼或嘴) 特征提取步骤描述如下【1 5 】： a )首先对图像的每个肤色区域进行二值化处理 b ) 因为眼睛是水平和延长分布的，对于二值化后的候选人脸图像中每个的黑色的连通部 分，如果质心的垂直方向大于或等于相应的测试的区域的水平轴，进入下一步( 0 - - i 能是 眼) c ) 记录眼睛候选区域 d )对每个眼睛侯选区域进行形态学操作，去掉小的、单一像素或不对称的区域，得到最终 的眼睛对 考虑到本文主要针对二代证，所以提出了检测眼睛对的加速方法方法如下：由于拍摄的照 片都是正面人脸，并且二代证大小有固定的要求，所以眼睛离头顶的位置可以估算在一定的范围 内，这就加快了对眼睛的检测过程详细描述如下： 1 ) 首先对图像进行缩放，在前面2 2 1 中已经确定了人脸的左右边界，可以确定脸宽w 脸宽w = 水平方向右侧边缘一水平方向左侧边缘 ( 2 1 2 ) 而标准二代证图像的脸宽度为1 9 3 到2 2 1 像素，取中值2 0 7 像素即可确定缩放因子r 缩放因子r = 标准脸宽拍摄图像中脸宽w( 2 1 3 ) 2 ) 对缩放后的图像再进行检测头顶位置 三圣尘耋翟耋茎堡耋苫芝三茎兰誊彗2 旨兰 3 ) 服睛位置应该在头顶位置往下大约2 3 0 像素范围内这就大大缩小丁检测范围，提高了二 代证人像采集系统的速度 23 确定裁剪范围 田 确定击璜，曝睛位置。垃小检测范围 - 一1 6 0 图3 fd ) 通过上述工作，现在可咀确定裁剪的水平位置和垂直位置 水平范固可由前面2 2l 确定的 脸的左右边界分别乘以缩放因子得到，或对缩放后的图像 重新检测人脸 1 ) 确定水平方向面部的中心位置在无头发遮挡情况下，该位置通常可以用下式计算： 水平方向脸部中心位置= ( 右侧脸部水平边缘坐标+ 左悄脸部水平边缘坐标v 2 口t 4 ) 2 ) 计算水平方向的裁切起始位置，印裁切的左侧边沿位置： 水平方向裁剪起始位置。水平方向面部中心位置一1 7 9，2l m 比较而言，第一种方法节省时间但精度不够；第二种方法速度较第一种方法慢，但比较 精确在本文中，采用第一种方法 垂直位置由头顶位置确定距图像上边措的位置确定 i ) 找到眼睹位置向下延伸2 0 7 象素后的位置裁切区域的下边沿必须在该位置以下 2 ) 找到头顶位置向上延伸7 至2 l 像素后的位置区域裁切上描在该区域内任意选择一般 可以定为距离头顶1 4 像素位置处作为竖直方向的裁切起始位置 3 ) 我到裁切上摇向下延伸4 4 1 像素后的位置确定该位置没有超出瞰像底部，同时满足1 ) ， 令耸 宁夏人学硕f 学位论文第j 帝确定钱剪隧域 即与眼睛间的距离大于2 0 7 像素否则应当调二审裁切上沿位置 4 ) 在调节裁切上沿位置仍然无法满足要求时，应当调节计算缩放比例公式中的参数2 0 7 该 参数可以在1 9 3 至2 2 1 之间选择然后重新确定裁剪范围 1 3 宁夏人学硕l ：学位论文第三帝肤色色彩修币 第三章肤色色彩修正 在一幅用来制作身份证的彩色数字相片中，它的背景相对来说比较简单，图像中的明显目标 就是人像对于人像，我们首先注意到的应该是人的面部特征，例如，人脸的表情、肤色、外貌 以及人脸的姿态而人脸作为三维物体，是一类具有相当复杂的细节变化的自然结构目标它易 受到外界环境( 如光照) 的影响，使得亮度、对比度不够或过大等因此，采集到的数字相片中， 人像的图像数据具有高度的随机性，易受到外界光照条件等的影响，这样就给图像处理造成很大 的困难为此，我们要对图像的色彩进行合适的调型1 6 1 数码相机采集得到的图像为真彩色图像，通常采用r g b 色彩模型但是由于r g b 色彩模型 和人们认识色彩的概念是不相符合的，如亮度、色度是无法用r g b 的系统参数直接进行描述， 为此，本文引用了h s i ( h u e ，s a t u r a t i o n ，i n t e n s i t y ) 这一色彩空间概念来描述颜色 首先将图像从r g b 空间转换到h s i 空间中然后在h s i 空间中，采用整体直方图均衡的办 法实现图像的饱和度调整由于人眼对图像的亮度非常敏感，在数码相片采集时，曝光不足或过 度，以及场景本身的光线强弱都会引起图像的亮度不合适，因此需要对图像的亮度分量进行调 整这里采用的是一种自适应直方图均衡法来实现图像的亮度调整，并对图像的亮度对比度作了 进一步的修正最后，将图像从h s i 空间转换回r g b 空间整个实现过程如图3 1 所示 原始 图像 l b 到 h s i 转换 肤色 检测 饱和度、亮 度调整 h s i 到r g b 转换 图3 - 1 色彩调整示意图 3 1r g b 到h si 颜色空间转换 在2 2 3 节中已经介绍了r g b 颜色空间到h s i 颜色空间的转换 3 2 色彩调整 输出 图像 根据2 2 1 节中检测到的标准肤色r g b 的3 个分量，我们可以以此为标准调整饱和度，或亮 度，使图像色彩接近标准二代证照片 作为用来制作第二代身份证所用的相片，在采集过程中色度一般能符合要求通常情况下， 1 4 宁夏人学硕卜学位论丈第三章肤色色彩修f 曼曼曼曼舅曼量曼量曼! 曼量曼曼 =m-l nn nnm _ u , , 舅曼曼曼皇曼皇曼舅曼皂曼曼皇蔓曼曼曼曼曼曼量量曼量量曼曼曼置邑曼曼曼曼曼皇鼍皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼 我们所研究的物体经常受到光照明暗等条件的影响而光照明暗给物体颜色带来的直接影响就是 亮度因此，影响图像视觉效果的重要因素就是饱和度和亮度为了改善图像的视觉效果，实现 图像增强的目的，我们需要调整图像的饱和度和亮度，从而使得图像色彩符合要求【1 6 】 经过上一节色彩空间转换后，图像从r g b 空间转换到h s i 空间中在h s i 色彩空间中，色 度、饱和度和亮度三个参量互相独立，因此，当色度恒定时，我们分别对饱和度和亮度进行调整 我们知道，直方图均衡是非线性的空间域中单点增强的图像处理方法，是图像自动增强技术 中常用的方法由于图像灰度的直方图反映了各种灰度等级在图像内所占比例的大小，所以可以 通过改变图像的直方图分布来实现图像饱和度和亮度的调整 3 2 1 饱和度调整 直方图均衡化的意义是：通过处理后使得分布在每一个灰度等级上的像素个数相等或基本相 等此方法是典型的图像空域技术处理但是，由于对于亮度进行直方图均衡很容易产生颜色失 真，而在h s i 空问中亮度分量和饱和度分量相互独立，同时通过饱和度的调整可以缩减不可实现 的颜色因此，在完成色彩空间转换后，首先应对饱和度进行直方图均衡，具体思路如下【1 6 1 实现饱和度s 均衡处理之前，必须按照公式( 3 1 ) 对饱和度进行量化处理 s = 【s + o 5 】 ( 3 1 ) 假设原图图像像素总数为，m 个饱和度级膨= 【卜l ，是图像中最大的饱和度， 【】为取整，第k 个饱和度s 出现的频数为飞，丑( & ) 是第k 个饱和度出现的概率，由公式( 3 2 ) 变换得到为： 删= 舅 七疑盖一， 若原图像第k 个饱和度为最，则直方图均衡化处理后的图像为： m - im lc = 丁( 墨) 5 荟丑( 最) = t r i o 斋t = o 1 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 在实际处理过程中，一般先对原始图像的饱和度情况进行统计分析。并计算出原始饱和度直 方图分布，然后根据计算出的累积直方图分布，按照公式( 3 4 ) 进行处理，取整并得出饱和度到的 映射关系： 1 5 宁夏人学硕f j 学化论文第：i 章肷色色彩修一 = e s + 。5 = 墨。；u 幺- i j s f k + 。5 c s 4 ， 3 2 2 亮度调整 由于亮度调整直接影响图像的色彩而且在我们所采集到的相片的亮度分量直方图呈不平坦 的特点分布在图像中，靠近黑色或者白色的亮度值出现的次数比较少，在对这些亮度值直接进 行直方图修正或均衡就很容易出现颜色失真为此，我们提出了一种特殊的自适应直方图修正方 法来实现亮度分量调整，具体实现过程如下【1 6 1 同样的，假设原图像像素的亮度值为f ( x ，y ) ，像素总数为n ，有l 个灰度级，第k 个灰度 级的灰度气出现的频数为，则灰度气为出现的概率为p a r , ) 由公式( 3 5 ) 求出 p a r 上) = 丙n k0 r k 1 一l ( 3 5 ) 如果只( ) = o 5 h f ( x , y ) 靠近灰度值o ，则令b = 厂( 力这里b 点代表图3 - 2 ( a ) o 眦j b e g i n ，即起始点如果丘( ) = o 5 l t f ( x ，y ) 靠近灰度值2 5 5 ，则令e = 厂( 工，夕) 这里e 点代 表图3 - 2 ( a ) 的e n d ，即终止点 丑 ( 丑)( b ) 图3 - 2 自适应亮度宣方图修正 假设经过直方图修正后的图像的像素的亮度值为g ( x ，y ) ，则其表达式为： g似y，=r五力囊：【篙】召黎三塞三e ( 3 6 ) 转换关系如图3 - 2 所示其中，图3 - 2 ( a ) 描述了某一彩色图像的亮度直方图的概率分布曲 1 6 宁夏人学硕l 。学位论文第三章肤色色彩修正 曼曼曼皇曼量曼曼曼曼曼曼舅曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量曼曼曼量曼鼍曼曼曼皇曼葛量量量量曼曼曼曼鼍曼曼mm m mm 量曼量量曼曼曼曼曼皇皇曼鼍曼皇曼皇曼皇皇曼 线图3 - 2 ( a ) 中的b e g i n 点为在图像概率分布曲线中概率等于o 5 的亮度值，在进行图像增强处 理时，将0 b e g n 点之间的概率小于0 5 的亮度值置为0 ；同理，图3 - 2 ( a ) q b 的e n d 点为在图 像概率分布曲线中概率等t0 5 的亮度值，而在进行图像增强处理时，将e n d 2 5 5 点之间的概 率小于0 5 的亮度值置为2 5 5 图3 - 2 ( b ) 体现了公式( 3 6 ) 的灰度映射关系 3 3h sl 到r g b 颜色空间转换 经过3 2 节的色彩调整后，最后要将图像从h s i 空间转换回r g b 空间在【o ，1 】内给出h s i 值，现在要在相同的值域找到r g b 值，可利用h 值公式 当0 h 1 2 0 。时，r g b 分量由下式给出： b = ，( 1 一回 r ：+ 掣】 ( 3 7 ) c o s ( 6 0 0 日1 。 、 g = 1 - ( r + b ) 当1 2 0 。h 2 4 0 。时，首先对h 作如下变换： h = h 一1 2 0 0 然后，r g b 分量为： r = i ( 1 - s ) g = l + 面s 蕊e o s h c o s ( 0 u 面- 】 。一l b = 1 - ( r + g ) 最后，当2 4 0 。、 r g b t o r g b q u a d ( r g b ( 2 5 5 , 2 5 5 ，2 5 5 ) ) ，t h e a p p ms l i d c c _ b g , 2 5 5 ，11 = 0 ) ； 函数名：f l o o d f i l l 参数：x ，y f l i p 表示种子起始坐标；p d o e - i m a g e - r g b t o r g b q u a d ( r g b ( 2 5 5 ，2 5 5 ，2 5 5 ) ) 表示 要替换成的白色；t h e a p p ms l i d e r _ b g 表示容差 容差表示选取区域的范围，越大，选取的范围越大，反之，则越小 在实验中发现，在图像的右下角背景区域中选取种子点，去背景色效果比在图像上方选种子 点后去背景色的效果好很多这主要是因为拍摄的图像上方一般都比较暗所致 种子填充算法 7 1 首先假定封闭轮廓线内某点是已知的，然后算法开始搜索与种子点相邻且位 于轮廓线内的点如果相邻点不在轮廓线内，那么就到达轮廓线的边界：如果相邻点位于轮廓线 之内，那么这一点就成为新的种子点，然后继续递归地搜索下去 种子填充算法是图像处理常用的一类填充算法，其连通情况有四连通和八连通之分阴 四连通：从区域内一点出发，可通过四个方向：上、下、左、右剑达该区域内部的任意像素 宁夏人学硕i ：学位论文第阴章罔像分割方