（计算数学专业论文）人脸图像合成技术研究及数字水印技术.pdf

摘要 长期班来，在计算机图形学、图像处瑾稍计算机视觉逡三个学辩领域中，人 验瓣诗雾撬模蒙会藏一盏是令磷究懿蕊点。入笾表嚣酶复焱整窝太验衰漕熬丰鬻 枣妻使褥鸯然、溪冀缝合成特定入的人验鹜像势赋予一定表糖耱特定年龄的磺究成 为这些领域的个极具挑战性的课题计算机合成自然、逼真的人脸图像在影视 援聚、窿掇现实、视频会谈，可视电话、公安弼壤、大脸识羽、灭枧接翻、嚣露 井科手术等诲雾领域取褥了广泛的应用。 随着数字技术和i n t e m e t 的发展与普及，数字化产品越来越丰富；同时，数字 信息的复制也交褥越采越简单，使得多媒体傣息被j # 法拷贝与篡改的澜鼷交褥越 慕蘧突塞，数字诧产鑫蕊蔽较绦护袋为一令迤甥嚣妥簿决豹翊题。鼗字农露按零 作为实现舨权裸护静个有效办法，成为了多媒体傣惠安全领域磺究的热点。 本文就人腧图像合成技术和数字水印技术进行研究，核j b 内容主要分为四个 方疆：嚣像变形、浓蟪合成、老化撰掇和数字承印。褒对每个技术纽节避行认真分 褥豹鏊磴上，本文在这嚣个方磷撵出了一戆精静觅解廊改滋。 一、图像变形方面图像变形方法是人脸图像合成方面最为基本的处理方法 和工舆针对当黼最为常霜的蒸于高薪径辩藏函数算法存程的不垂然髯常变形现 象，提窭了嚣零孛不瓣瓣改遗方察，舂蘩夔释次了这一瓣题 撵出了“非对称径囱基函数”静壤念，并以嵩新蘧数为馕，给基了嚣菲对称 时的表达式基于非对称径向瓣函数，提出了稳定圈像边界的图像变澎算法该 算法楚荜、裔效，囊鼹了基于瓣拣径囊基邈数算法中虫子对拣径瓤基蕊数瞧全禺 毪释致的图豫逸器变形遗大静不合理交落联象，褥到鲍变形辫像露有蕊于辩称径 向熬函数方法所得的变形图像的光滑性，又有良好的局部变形效果，更为重要的 是稳定了变形黼像的边器 掇塞了爨藩终寒懿鬻像变形算法。该舞：滚在终臻部蚕缘变形拜菲豢鸯效，蹩 避熊由于嘉斯避数对变形效暴瓣影响具有鞍强的全局性掰产生斡奇异蕊臻该蓐 法同样比较简单，无需人工交互的设置控制半径，可以自动解决特征瞬域之外的 形变阔题。 二、表章毒食成方嚣。研究了鲣 爵对籍定入翡中往表猿入黢，参照多个不露天 的中性表情图像和表情图像，谶行图像变换处理，合成出自然、逼真的表情图像 提出了基予隧像变形豹入验裘清合成方法该方法思想簿萃，步骤简便，豁 濑江大学蔼士学垃论文 易实现，同时提如的自动与脸型外观楣匹配的相对偏移量和可以加强表情表现的 “表情细节模板”概念和方法，为实现合成的表情图像具有更为强烈和逼真的表 情奠定了基础利用该方法得到的人脸表情自然逼真，更为爨要的是，可以通过 调节投淘量豹取攘来控制以取得不弼模式的表情，丰富了表精表现豹内涵，若窍 足够多的不同模式的表情图像，那么就可以合成出更为全面和丰富的人脸表情图 像。 提出了基于形变模型的人脸表情合成方法该方法利用人脸图像形变模型线 性组合逼近的基本思想，确定合成表情图像的形状信息和纹理信息该方法步骤 十分简便，容易实现利用该方法得到的人脸表情自然、逼冀，更为薰要的是， 合成的人脸表情图像具有了张开嘴露出牙齿的效果 三、老垂匕揆拟方面研究螽髓对特定青年人的黢邦图像，参照多个不同老年 人的脸部图像。进行图像变换处理，模拟出自然、邋真的其老年时期的脸部图像 提出了弧辩基于形交模型豹入脸老化模越方法这嚣种方法思想麓革，步骤 简便，容易实现两种方法均能有效的模拟出青年人脸的老化结果，并且由于使 用了多个老年人脸图像作为参照源，这样使褥所模拟出的人脸老化图像吸收融合 了多种老化模式，得到了更加符台客观、自然的人舱老化模拟结果，克服了当前 人脸老化模拟方法的一砦不足另外，作为参照源的多个老年人脸图像，其姿态 和光照条俘等无需与待老化模拟的青年入验图像相同 四、数字水印方面发展出了全新思路下的数字水印技术 提出了基于奇具值分解的双层嵌入水e p 算法该算法可以燎水印信息嵌入在 两个不同的层内算法具有很好的水印透明性和对常见攻击的稳健性熏耍的是， 当一层水印被完全消除或被替换为另外的水印时，另一层水印仍能较好的被提取 出来，更好的发挥了数字水印的作用 提出了基于矩阵范数的数字水印算法在分析和讨论了纂于奇异值分解的水 印算法豹本质精提出了孩算法，该舞法基予图像子块的矩阵范数及其藿纯，步骤 简单，容易实现，与基于奇异值分解的水印算法相蹴大大减小了计算墩算法具 有很妊的本印透明性，砖常见攻击具有较强麴稳健性。 关键词：人脸图像合成；图像变形；形变模型；表情合成；老化模拟：数字水印 1 i a b s t r a c t s i n c eal o n gt i m e ，f a c i a li m a g es y n t h e s i sh a sb e e nah o tr e s e a r c ht o p i ci nt h ef i e l d s o fc o m p u t e rg r a p h i c s ，i m a g ep r o c e s sa n dc o m p u t e rv i s i o n h u m a nh a sa b u n d a n ta n d c o m p l e xf a c ee x p r e s s i o n s i ti sav e r yc h a l l e n g i n gt o p i ct o s y n t h e s i z eah u m a n sf a c i a l i m a g et h a ti so fs p e c i a le x p r e s s i o no ra g en a t u r a l l ya n dr e a l i s t i c a l l y n a t u r a la n dl i v i n g f a c i a li m a g e ss y n t h e s i z e db yc o m p u t e rh a v eb e e nw i d e l ya p p l i e dt ol o t so f f i e l d ss u c ha s m o v i e ，a m u s e m e n t ，v i r t u a lr e a l i t y , v i d e o e o n f e r e n c e ，v i s u a lt e l e p h o n e ，c r i m i n a ld e t e c t i o n ， f a c er e c o g n i t i o n , c o m p u t e ri n t e r f a c ea n df a c i a ls u r g e r y , e t c w i t ht h ed e v e l o p m e n ta n dd i s s e m i n a t i o no fi n t e r n e t ，d i g i t a lp r o d u c t sa r em o r ea n d m o r ea b u n d a n t m e a n w h i l e ，i ta l s ob e c o m e sm o r ea n dm o r ee a s ya n dc o n v e n i e n tt o c o p yd i g i t a li n f o r m a t i o n t h i sm a yl e a dt o ab i gp r o b l e mt h a td i g i t a lp r o d u c t sa r e a b u s e di l l e g a l l y s oi ti si m m i n e n tt op r o t e s tt h ec o p y r i g h to fd i g i t a lp r o d u c t s d i g i t a l ； w a t e r m a r k i n gi sat e c h n i q u em e t h o df u rc o p y r i g h tp r o t e c t i o n , a n dh e n c er u m si n t oah o t t o p i ci nm u l t i p l em e d i a - s a f ef i e l d s t h i sp a p e rr e p o r t so u rr e c e n tr e s e a r c hw o r k so nf a c i a li m a g es y n t h e s i sa n dd i g i t a l w a t e r m a r k 。c o r e lc o n t e x ti n c l u d e si m a g em o r p h i n g ，e x p r e s s i o ns y n t h e s i s ，a g i n g s i m u l a t i o na n dd i g i t a lw a t e r m a r k i n g n o v e li d e a sa n di m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e db y a n a l y z i n gt h et e c h n i q u ed e t a i l si nt h ef o l l o w i n gf o u ri s s u e s ， 1 i m a g em o r p h i n g i m a g em o r p h i n gi sab a s i cm e t h o da sat o o lo f f a c i a li m a g e s y n t h e s i s a i m i n ga ta b n o r m a lp h e n o m e n ao fi m a g em o r p h i n gp r o d u c e db yt h em e t h o d b a s e do r lg a u s s i a nr a d i a lb a s i sf u n c t i o n si nc o m m o nu s e ，t w od i f f e r e n ti m p r o v e m e n t s a r ep r o p o s e df o rs e t t l i n gt h ep r o b l e me f f e c t i v e l y t h ec o n c e p t i o no f a s y m m e t r i cr a d i a lb a s i sf u n c t i o n i sp r o p o s e df i r s t l y , a n dt h e a s y m m e t r i cf o r mo fg a u s s i a nr a d i a lb a s i sf u n c t i o ni sp r e s e n t e d t h e nan o v e lb o u n d a r y s t a b i l i z e di m a g e m o r p h i n ga l g o r i t h mb a s e do na s y m m e t r i cr a d i a lb a s i sf u n c t i o n si s p r o p o s e d a s y m m e t r i c a lr a d i a lb a s i sf u n c t i o n sc a nc o n t r o la s y m m e t r i c a lr a n g ea n d h e n c ec a nk e e pt h eb o u n d a r yo fam o r p h e di m a g es t a b l ei ft h ei m a g e - m o r p h i n g a l g o r i t h m1 , 1 s e ss u c ha s y m m e t r i c a lb a s e s i ti sah i g h l i g h t i n gc h a r a c t e rd i f f e r i n gf r o m s y m m e t r i c a l r a d i a lb a s i sf u n c t i o n st h a ta r eu s e df o rt r a d i t i o n a li m a g em o r p h i n g a l g o r i t h m si nw h i c ho v e rw a r p i n go ni m a g eb o u n d a r yo f t e no c c u r s t h i sa s y m m e t r i c a l 1 1 1 浙注大学博学位论文 m e t h o di sv e r ye f f e c t i v e ；t h em o r p h e di m a g e so b t a i n e db yt h ea s y m m e t r i cm e t h o dc a n g i v eg o o dl o c a lm o r p h i n gr e s u l t sa n dh a v el u b r i c i t i e s a sw e l la st h a tp r o d u c e db y a l g o r i t h m sb a s e do ns y m m e t r i c a lr a d i a lb a s e s m o r ei m p o r t a n t l y , i tc a ns t a b i l i z et h e i m a g eb o u n d a r y 、 al o c a l l yc o n s t r a i n e do f f s e tb a s e di m a g e - m o r p h i n ga l g o r i t h mi s p r o p o s e d t h i s m e t h o di se f f e c t i v ef o rl o c a lc o n s t r a i n e di m a g em o r p h i n ga n di tc a l la u t o m a t i c a l l y r e d u c eu n n e c e s s a r yo f f s e to u t s i d et h ec h a r a c t e rp a r tp r o d u c e db yt h em e t h o du s i n g s y m m e t r i c a lg a u s s i a nr a d i a lb a s i sf u n c t i o n s t h i sm e t h o di sa l s os i m p l e ；i td o e sn o t n e e dm a n n e dw o r ko ns e t t i n gc o n t r o lr a d i u s 2 f a c i a le x p r e s s i o n ss y n t h e s i s w ee x p l o r eh o wt os y n t h e s i z ean a t u r a la n dl i v e l y f a c i a le x p r e s s i o ni m a g ef r o maf a c i a ln e u t r a li m a g ea n dm u l t i p l em e n sf a c i a ln e u t r a l i m a g e sa n df a c i a le x p r e s s i o ni m a g e s a s y n t h e s i z i n gm e t h o df o ri m a g em o r p h i n gb a s e df a c i a le x p r e s s i o ni sp r o p o s e d t h i sm e t h o dc a l lb ee a s i l yr e a l i z e ds i n c ei t sb a s ei d e a sa r es i m p l ea n di t sp r o d u c e sa r e c o n v e n i e n t ，t o o a to n et i m e ，w ep r o p o s er e l a t i v eo f f s e t t i n gt h a tc a nm a t c hd i f f e r e n tf a c e f i g u r e sa u t o m a t i c a l l y w ea l s op r o p o s et h ec o n c e p ta n dm e t h o do f ”e x p r e s s i o nd e t a i l s t e m p l a t e ”t h a tc a ne n h a n c ef a c i a le x p r e s s i o n t h e s eb u i l dt h eb a s e so fs y n t h e s i z i n g m o r ee x p r e s s i v ea n dl i v e l yf a c i a le x p r e s s i o ni m a g e s f a c i a le x p r e s s i o ni m a g e sp r o d u c e d b yt h i sm e t h o da r eq u i t en a t u r a la n dl i v e l y m o s ti m p o r t a n t l y , t h i sm e t h o dc a np r o d u c e d i f f e r e n tf a c i a le x p r e s s i o n sb ya d j u s t i n gw e i g h tv e c t o r su s e di nt h i sm e t h o d ，w ec a n o b t a i nm o r eg e n e r a la n da b u n d a n tf a c i a le x p r e s s i o ni m a g ei ft h e r ea r ee n o u g h d e f e r e n t - m o d ee x p r e s s i o ni m a g e s 。 w ep r o p o s eam o r p h a b l em o d e lt h a tb a s e sf a c i a le x p r e s s i o n ss y n t h e s i z i n g t h i s m e t h o dg a i n ss h a p ea n dt e x t u r ei n f o r m a t i o no ft h ef a c i a le x p r e s s i o ni m a g es y n t h e s i z e d b a s e do nl i n e a rc o m b i n a t i o na p p r o a c h ，t h eb a s i ci d e ao ff a c i a li m a g em o r p h a b l em o d e l t h i sm e t h o dc a nb ee a s i l yr e a l i z e dw i t h i ns i m p l ep r o d u c e s f a c i a le x p r e s s i o ni m a g e s p r o d u c e db yt h i sm e t h o da r eq u i t en a t u r a la n dl i v c l y ：m o s ti m p o r t a n t l y , t h i sm e t h o dc a n p r o d u c e f a c i a le x p r e s s i o n sw i t hm o u t h o p e n e da n d t e e t hs h o w e d 3 f a c ea g i n gs i m u l a t i o n w ee x p l o r eh o wt os i m u l a t ean a t u r a la n dl i v e l ya g e d f a c eo f ay o u n g s t e lu s i n gm u l t i p l ef a c e i m a g e so f e l d e r sa sc o n s u l t i n gt a r g e t s t w on o v e lm e t h o d sf o rf a c ea g i n gs i m u l a t i o na r ep r o p o s e d b a s e du p o nt h e m o r p h a b l em o d e l ，t h el i n e a rc o m b i n a t i o np r o p e r t i e so ft h ey o u t h f a c et ot h ep o s s i b l e y o u t h i m a g e so ft h ee l d e r sa r ef i r s te x l r a c t e da n dt h e nk e p ti nc o n s t r u c t i n ga na g e d l v 浙江大学博士学位论文 f a c e i m a g ea sr e q u i r e d b e c a u s eo fi t sl i n e a rp r o p e r t y , g a u s s i a nl o w - p a s sf i l t e r i n gi s u s e dt oc o n s t r u c tt h ep o s s i b l ey o u t h i m a g e so ft h ee l d e r s a ni t e r a t i o na p p r o a c hi s p r e s e n t e dt oi m p r o v et h es i m u l a t i o nr e s u l t sf o ra g i n gs i m u l a t i o n t h i si t e r a t i v em e t h o d a l s ow o r k sf o rs i n g l ee l d e r si m a g e w ea l s op r o p o s eaf l e x i b l em e t h o db yw e i g h t i n gt h e m u l t i p l es i m u l a t i o n st h a ta r eo b t a i n e dr e s p e c t i v e l yb yt h ei t e r a t i v em e t h o dw i t hs i n g l e c o n s u l t i n gt a r g e t t h em e t h o d sc a np r o d u c em o r en a t u r a ls i m u l a t i o nr e s u l t sf o ra g i n ga y o u t h f a c ei m a g e ，a n db e c a u s eo fm u l t i p l eo l d e r - f a c ei m a g e su s e da ss y n t h e s i z i n g s o u r c e s ；t h er e s u l t i n gi m a g ea b s o r b sa n df u s e sm u l t i p l ea g i n gm o d e s t h e r ea r en o c o n s t r a i n t so np o s e sa n dl i g h t i n g sf o r t h ec o n s u l t i n gi m a g e so rt h ey o u t h f a c ei m a g e 4 d i g i t a lw a t e r m a r k i n g w ed e v e l o pn o v e ld i g i t a lw a t e r m a r k i n gt e c h n i q u eb a s e d o nn e wi d e a s as v db a s e dt w o l a y e r w a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m i s p r o p o s e d i tc a ne m b e d w a t e r m a r ki n t ot w od i f f e r e n tl a y e r t h i sa l g o r i t h mh a sag o o dt r a n s p a r e n c eo ft h e e m b e d d e dw a t e r m a r ki m a g ea n di sr o b u s ta g a i n s tt oa t t a c k i n g i t si m p o r t a n tt h a ti tc a n e x t r a c to u tt h ew a t e r m a r ke m b e d d e di na n o t h e rl a y e rw h e no n el a y e rw a t e r m a r ki s r e m o v e do rr e p l a c e db ya n o t h e rw a t e r m a r k am a t r i x n o r mb a s e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h mi s p r o p o s e d i t sp r e s e n t e da f t e r a n a l y z i n gt h ee s s e n c eo ft h es v db a s e dw a t e r m a r k i n ga l g o r i t h m s b a s i c a l l yi ti sb a s e d o nt h es e l e c t e dm a t r i x n o r m so fs u b i m a g e sa n dt h e i rq u a n t i z a t i o n t h i sa l g o r i t h mi s q u i t es i m p l ea n dh a sr e l a t i v e l yl o wc o s tc o m p a r e dw i t hs v d b a s e da l g o r i t h m s t h i s a l g o r i t h mh a sag o o dt r a n s p a r e n c eo ft h ee m b e d d e dw a t e r m a r ki m a g ea n di sr o b u s tt o a t t a c k i n g k e y w o r d s ：f a c i a li m a g es y n t h e s i s ；i m a g em o r p h i n g ；m o r p h a b l em o d e l ；e x p r e s s i o n s y n t h e s i s ；a g i n gs i m u l a t i o n ；d i g i t a lw a t e r m a r k i n g v 第一章绪论 1 1 研究目的和意义 人脸是表达人类情感、年龄的窗口，是人们相互交流的重要特征，也是人们相 互辨识的重要依据从人脸我们可以推断出一个人的个性和情绪、判别出该人的 年龄等等人脸是人体上最具表达力的一部分，从人脸的微妙变化，我们可以领 悟到其所要表达的各种意思 计算机图形学、图像处理和计算机视觉是计算机科学中与人类的视觉感知直接 有关的三个学科长期以来，在上述三个学科领域中，人脸的计算机模拟合成一 直是个研究的热点人脸表面的复杂性和人脸表情的丰富性、人脸年龄的难以度 量性，使得自然、逼真地合成特定人的人脸图像并赋予一定的表情和年龄变化的 研究成为这些领域的一个极具挑战性的课题计算机合成自然、逼真的人脸图像 在影视娱乐、虚拟现实、视频会议、可视电话、公安刑侦、人脸识别、人机接口、 面部外科手术等许多领域取得了广泛的应用特别是，公安刑侦部门在刑事侦察 过程中需要根据目击者口述信息进行人脸画像、图像拼接，以及嫌犯模糊查询， 将计算机人脸图像合成研究领域中的最新研究成果引入公安刑侦系统，利用计算 机来自动实现人脸图像的表情、年龄等属性的调整变化，加速了人脸图像的修改 过程，丰富了人脸图像的变化范围，可以大大降低公安人员在整个模拟画像中的 工作量，为刑侦破案提供了有利的帮助；在影视娱乐的多媒体特技中，真实人像 与卡通人像的夸张表情，瞬间老化处理等都需要有计算机的辅助实现 图像变形( i m a g em o r p h i n g ) 是一种能有效表现一些趣味视觉效果的典型图像合 成和动画生成技术，在影视、娱乐、广告等方面有着非常广泛的应用从中我们 可以看到许多由一个图像流畅渐变为另一个图像的惊人例子例如：迈克尔杰 克逊的音乐录影带“黑与白 中1 3 个不同性别和种族的人的相互渐变：e x x o n 公 司的影视广告中一辆银色的轿车缓缓滑行渐渐变成一只猛虎等等这些效果给人 浙江大学博士学位论文 们留下了十分深刻的印象，也给现实生活增添了不少的乐趣图像变形方法在人 脸图像合成方面成为了最为基本的处理方法和工具 人的脸部表情在人类的相互交流当中扮演着尤为重要的角色，是人类传达信息 和交流情感的重要手段它可以表达非常丰富的信息，我们可以通过一个人的脸 部表情来得知他所处的情绪状态，帮助我们在交流中做出及时正确地调整在人 类交往中，除了声音以外，脸部表情是非常重要的通信方式它作为信息的载体 和自愿或自发的行为，包含有很多的因素，能够表达非语言信息人脸表情甚至 超越了种族、语言和文化的界线，成为全世界人类能够相互理解的通用语言近 年来，随着计算机及互联网应用的日益普及，人们之间的交流方式也在发生改变， 从面对面的交谈、打电话到网络聊天、互发电子邮件，人们越来越趋向于在网络 世界中进行交流这就要求计算机也要具有人类的理解和表达感情的能力，以更 好地进行人机交互人脸表情的合成，是实现智能化人机交互领域必不可少的一 个重要方面，是关于情感计算的一个重要组成部分，对促进计算机视觉系统、建 模和数据库的发展都有重要作用医学计算机模拟面部运动可以辅助实际的面部 外科手术，心理学家可以利用面部表情模拟合成系统进行心理学与表情变化间相 互关系的辅助研究在律师、公安等需要解释脸部信号的特殊部门以及在商业应 用方面，如可视电话和电视会议上，都有重要的应用价值研究人员在该领域投 入了大量的精力，提出了很多新的观点和方法由于人脸生理结构的复杂性，以 及人们对人脸外观的高度敏感性，目前还没有能够合成具有真实感的人脸细微表 情和情绪变化的实时系统虽然最近的一些研究成果能以相对较快的速度产生具 有真实感的人脸表情，但其过程中需要大量的人工干涉和繁重的细微调整，因此 还不能很好的满足实用化的要求 人脸老化的模拟合成，就是对一个青年人的脸部图像，模拟合成出其年老时的 脸部图像也就是说，我们可根据现在的照片预测若干年后的年龄时的人脸图 像这在影视创作、娱乐、医学、公安刑侦等方面有着广泛的应用特别是在公 安刑侦方面，可以根据老化模拟方法，模拟合成出一个逃犯在几年后的模样，为 对逃犯的通缉和追捕提供有力的支持和帮助当前，人脸老化模拟方法较为成熟 浙江大学博士学位论文 和有效的研究，特别是基于图像方法的研究，还不多见 对人脸图像合成技术的要求主要包括以下4 个方面：1 ) 能够产生自然、逼真的 人脸图像，这是人脸图像合成最根本的目标；2 ) 具有实时性，这是人脸图像合成技 术工业化、实用化的重要要求；3 ) 尽可能自动化，减少对手工调整工作的依赖；4 ) 能够很容易的处理不同的人脸由于基于图像的方法更易于满足这些要求，把人 们从脸部各种细节无穷无尽的建模中解放出来，所以以后人脸图像生成的研究将 更多地集中在基于图像的建模与绘制技术上而在该方法中，人脸图像处理是关 键中的关键人脸图像处理的最终目的是构建一个完全自动的系统，可以自动发 现人脸上的特征，而不必在人脸上做任何标记 图像变形、人脸表情合成和人脸老化模拟是人脸图像合成研究领域中重要的研 究内容，有着丰富的研究素材与极高的应用价值，是本文的研究重点 一 随着数字技术和i n t e r n e t 的发展与普及，数字化作品( 如图像、文档、音频和视 频等) 越来越丰富；同时，数字信息的复制也变得越来越简单，使得多媒体信息被 非法拷贝与篡改的问题变得越来越突出，数字化作品的版权保护成为_ 个迫切需 要解决的问题数字水印技术作为实现版权保护的一个有效办法，成为了多媒体 信息安全领域研究的热点 数字水印，就是指永久镶嵌在数字化作品中具有鉴别性但不影响宿主数据可用 性的数字信号或模式数字水印通常是不可见或不可察觉的，但是通过特定的操 作和计算可以被提取或者检测到数字水印与源数字化作品紧密结合并隐藏其中， 成为源数据不可分离的一部分，并可以经历一些不破坏源数据使用价值的操作而 存留下来 根据检测水印时是否需要原始图像，可将数字水印技术分为私有水印技术、半 私有水印技术和公开水印技术检测水印时需要原始图像的称为私有水印技术， 检测水印时不需要原始图像但需要所嵌入水印的一个拷贝的则称为半私有水印技 术目前大多数的水印技术都属于这两种类型检测水印时既不需要原始图像也 不需要原始水印的则称为公开水印技术这种水印技术最为实用，特别是在网络 和数字图书馆的版权证明、自动验证和信息监控等方面起着重要的作用本文在 浙江大学博士学位论文 数字水印技术部分将就图像的公开水印技术进行一些研究 1 2 本文的主要研究工作 本文研究的人脸图像合成技术的核心内容主要分为三个方面：图像变形、表情 合成和老化模拟“图像变形 方面，针对当前最为常用的基于高斯径向基函数算 法存在的不自然异常变形现象，提出了两种不同的改进方案，有效的解决了这一 问题；“表情合成”方面，研究如何对特定人的中性表情人脸，参照多个不同人的 中性表情图像和表情图像，进行图像变换处理，合成出自然、逼真的表情图像；“老 化模拟”方面，研究如何对特定青年人的脸部图像，参照多个不同老年人的脸部 图像，进行图像变换处理，模拟出自然、逼真的其老年时期的脸部图像图像变 形是实现表情合成和老化模拟的基础，图像变形方法的选择与理论依据直接影响 到表情合成和老化模拟的效果 “数字水印”方面，针对当前较为多见的基于奇异值分解的图像数字水印技术 进行深入分析，发展出全新思路下的公开水印技术 在对每个技术细节进行认真分析的基础上，本文对各个主要步骤都分别提出了 新的见解和改进： 1 图像变形 提出了“非对称径向基函数”的概念，并以高斯函数为例，给出了其 非对称时的表达式； 给出了利用奇异值分解针对像素偏移量计算的稳定数值计算方法； 提出了基于非对称径向基函数的稳定边界图像变形算法； 提出了“局部约束函数”的概念，并给出了其有效的形式和表达式； 提出了局部约束的图像变形算法 2 表情合成 给出了人脸表情的一种表情区域划分方案； 提出了人脸特征点移动要与人脸形状相匹配的“相对偏移量”概念， 并给出了其计算方法； 提出了“表情细节模板的概念，给出了其提取方法； 4 浙江大学博士学位论文 提出了基于图像变形的人脸表情合成方法； 给出了带有修正的人脸表情图像的线性组合逼近关系式； 提出了基于形变模型的人脸表情合成方法 3 老化模拟 给出了带有修正的青年人脸和老年人脸图像的线性组合逼近关系式； 提出了基于形变模型的人脸老化模拟方法； 提出了自由加权合成的人脸老化模拟方法 4 数字水印 给出了图像的一种双层网格划分方案； 提出了基于奇异值分解的双层水印算法； 分析了基于奇异值分解的数字水印算法的本质； 提出了基于矩阵范数的数字水印算法 1 3 本文章节的组织结构 在第二章，将回顾已有的人脸图像合成相关技术，分别对它们的强项、弱势， 及性能给出描述，并按相似性对它们分类 在第三章，给出两种图像变形算法一是基于非对称径向基函数的稳定边界图 像变形算法，二是局部约束的图像变形算法 在第四章，给出两种人脸表情合成方法一是基于图像变形的人脸表情合成方 法，二是基于形变模型的人脸表情合成方法 在第五章，给出两种基于形变模型的人脸老化模拟方法 在第六章，给出两种图像数字水印算法一是基于奇异值分解的双层水印嵌入 算法，二是基于矩阵范数的数字水印算法 在第七章，给出本文工作的总结，以及未来研究的工作和发展的方向 第二章人脸图像合成相关技术回顾 2 1 图像变形 图像变形( i m a g em o r p h i n g ) 是一种能有效表现一些趣味视觉效果的图像处理技 术，在影视、娱乐、广告等方面有着非常广泛的应用从中我们可以看到许多由 一个图像流畅渐变为另一个图像的惊人例子例如：迈克尔杰克逊的音乐录影 带“黑与白”中1 3 个不同性别和种族的人的相互渐变；e x x o n 公司的影视广告中 一辆银色的轿车缓缓滑行渐渐变成一只猛虎等等这些效果给人们留下了十分深 刻的印象，也给现实生活增添了不少的乐趣这个通常被称作变形的过程，是由 图像的扭曲和颜色插值结合起来实现的 两个图像之间的图像变形技术首先需要建立特征基元( 如点、线段、曲线等) 对之间的对应关系每一特征基元指定一个图像特征或界限基于特征的对应关 系，随后将建立和计算特定的映射函数这映射函数定义了两个图像所有点之间 的空间关系由于映射函数是扭曲过程的中心，我们将它们称为扭曲函数给定 的特征对应关系限于两图像之间，由此推导出覆盖整个图像空间的扭曲函数这 个过程我们称之为扭曲产生，实际上是一个插值问题 在图像变形中的另一个有趣的问题是过渡控制如果过渡速度在穿越中间图像 时允许局部变化的话，便可产生更多有趣的动画 特征指定、扭曲产生和过渡控制一起影响着产生高质量变形结果的易难性和有 效性基本上所有的图像变形的最新进展，都是围绕解决上面三个问题所展开的 2 1 1 图像交融 在图像变形技术出现之前，影视片中的图像渐变这一特效，比较常用的方法就 是通过图像交融来实现的即在一幅图像淡出的同时，利用线性插值使另一副图 像淡入但因未对两幅淡入、淡出图像作任何几何特征对齐，所以将产生由于错 误匹配对应区域而带来的明显双重曝光效果，尤其是在中间帧显现得特别明显， 所以使用这种方法得到的结果并不令人满意 浙江大学博士学位论文 2 1 2 网格变形 网格变形算法 s m y t h e 9 0 最早f q s m y t h ed 于1 9 9 0 年提出，并成功的应用于电 影“w i l l o w ”，并在随后被用于许多运动图像中要说明网格变形算法，我们将要 进行变形操作的两幅图像分别称之为i s 和i t ，即源图像和目标图像源图像和源网 格m s 相联系，m s 指定了控制点或界限的坐标目标网格m t 指定了它在目标图像中 的对应位置m s 和m t 一起用于定义空间变换，这空间变换将i s 中所有点映射n i t 上去这些网格限于拓扑同构，即不允许折叠和不连续因此，在m t 上的结点可 以根据需要远离m s ，只要它们不引起自相交此外，为了简化起见，这些网格限 于有固定的边界在图像变形序列中，所有的中间图像都是以下四步过程产生的 结果：在m s 和m t 之间线性插值得到网格m ；利用网格m s 和m 将i s 形变到1 1 ；利用 网格m t 和m 将i t 形变至l j l 2 ；在i l 和1 2 之间线性插值图像i t 这种方法简单，但有时使用起来却很麻烦，因为往往需要非常多的特征点，且 女 不容易产生指定的变形效果 2 1 3 域变形 域变形算法 b e i e r 9 2 最早由b e i e rt 和n e e l ys 于1 9 9 2 年在p a c i f i cd a t a i m a g e s 会议上提出域变形算法是一种利用特征线对，直观控制图像变形的算 法源图像和目标图像的对应线对定义了两图像之间的坐标映射之所以称之为 域变形算法，是因为该算法除了对沿直线的所有点提供直接的对应关系外，对特 征线附近点的映射关系也可通过点到直线的距离来指定假设多线对已给定，则 源图像的一个点位移实际上是由每一线对的加权之和，