（生物医学工程专业论文）用于面部整形外科的关键图像处理技术.pdf

a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t y , p e o p l e ss t a n d p o i n tt o w a r d sp l a s t i c s u r g e r yh a sc h a n g e d m o r ea n dm o r ep e o p l ew a n tt oo b t a i ni d e a la p p e a r a n c e sb y d o i n gp l a s t i cs u r g e r i e s f a c i a lp l a s t i cs u r g e r yi sac l i n i cc u r et e c h n i q u ew i t hh i g h v e n t u r ew h i c hr e q u i r e sh i g ha c c u r a c y t h ef a i l u r eo faf a c i a lp l a s t i cs u r g e r yw i l ld o g r e a th a r mt op a t i e n tb o t hp h y s i c a l l ya n dp s y c h o l o g i c a l l y t h i sp r o b l e mi sw i l d l y c o n c e m e db yt h ew o r l d c o n v e n t i o n a lf a c i a lp l a s t i cs u r g e r yc a n n o te v a l u a t et h ef a c i a l m o r p h o l o g i c a lp a r a m e t e r so b j e c t i v e l ya n dq u a m i f i c a t i o n a l l yb e f o r et h es u r g e r y a n di t c a n n o ts h o wt h es u r g e r ye f f e c t sb e f o r e h a n de i t h e r t h u s ，t h ec o m r n u n i c a f i o nb e t w e e n t h es u r g e o n sa n dt h ep a t i e n t si sn o tw e l le n o u g ht om a k et h ec u r ep r o j c o t sa c c o r dw i t h t h er e q u i r e m e n t so fp a t i e n t sw h i c hm i g h tc a u s eaf a i l u r ep l a s t i cs u r g e r y c o n t r a s t e d w i t ht h ec o n v e n t i o n a lf a c i a lp l a s t i cs u r g e r y , t h ev i s u a lf a c i a lp l a s t i cs u r g e r y ( v f p s ) s y s t e mw h i c hi sc r e a t e da c c o r d i n gt ov i r t u a lr e a l i t ys u r g e r yt e c h n i q u ec a l le v a l u a t et h e s u r g e r yv e n t u r ea n dv i s u a l i z et h es u r g e r ye f f e c tp r e o p e r a t i v e l y t h i sp a p e rd e t a i l ss o m ek e yt e c h n i q u e si nd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n go ft h ev f p s s y s t e m ，s u c ha sf a c i a lf e a t u r e sl o c a t i o n ，e y ed e t e c t i o n ，i m a g em o s a i c ，i m a g ef u s i o n ， i m a g em o r p h i n ga n dp r e o p e r a t i v ev i s u a l i z a t i o ne t c n l ef a c i a lf e a t u r e sc o m i n gf r o m d i g i t a lc a m e r a sw e r el o c a t e d s i x t e e nf e a t u r ep o i n t so ft h ef r o n t a lh u m a nf a c ep h o t o s a n ds i xf e a t u r ep o i n t so ft h el a t e r a lf a c ep h o t o sw e r el o c a t e d ah y b r i dp r o j e c t i o n f u n c t i o nh a sb e e ni m p r o v e dt od oe y el o c a t i o n si nt h i sp a p e r t h et o e f t i c i e n t si nt h e f u n c t i o nw e r ed i s c u s s e db ye x p e r i m e n t a lm e t h o d at e s to f5 0i m a g e si nb i o l df a c e d a t a b a s eh a sb e e nd o n ew i t ht h ea c c u r a c yo f9 6 a n dt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o ro f o 0 8 7 3 i np s f a c ed a t a b a s e 、i t h2 0i m a g e s ，t h ea c c u r a c yw a s1 0 0 a n dt h ea v e r a g e r e l a t i v ee r r o rw a s0 0 8 5 5 at r a p e z i f o r me d g ei n f o r m a t i o nb a s e da l g o r i t h mf o ri m a g e f u s i o nw a su s e dt od of r o n t a ln o s ei m a g em o s a i ci nt h i sp a p e r t h ei m a g em o r p h i n g t e c h n i q u ew a s u s e dt oa c h i e v ep r e o p e r a t i v ev i s u a l i z a t i o nf o rl a t e r a ln o s ei m a g e s b y e x p e r i m e n t ，t h et e c h n i q u e sw e r ep r o v e dt ob ee f f i c i e n t t h er e s u l tw i l lh e l pt o i m p r o v et h ev f p ss y s t e ma n dt h ef a c i a lp l a s t i cs u r g e r y k e yw o r d s ：v i r t u a ls u r g e r ys y s t e m ，d j e g ni m a g ep r o c e s s i n g ，f a c i a lf e a t u r e s l o c a t i o n ，i m a g ef u s i o n ，i m a g em o r p h i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁注盘鲎或其他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。 学位论文作者签名：夕叁苏签字日期：谢年1 月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库迸行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：j 害献 签字同期：二魔缉月日 聊签名：_ 一 修呻 签字日期渺z 年，月1日 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术的不断发展，计算机图像与图形处理技术己得到广泛应 用。在工业和军事方面，一些先进的、虚拟科学技术，如虚拟环境和基于计算机 的模拟器( v r c b s ) ，已经得到良好的发展。而相比之下，其在医疗方面的应用 仍需要进一步的扩展，虚拟手术系统具有良好的发展潜力。 1 1 面部整形外科辅助系统的研究意义 整形外科学( p l a s t i cs u r g e r y ) 是外科学的一个分支，又称整复外科或成形外 科，治疗范围主要是皮肤、肌肉及骨骼等创伤、疾病，先天性或后天性组织或器 官的缺陷与畸形。整形外科的治疗包括修复与再造两个内容，以手术方法进行自 体的各种组织移植为主要手段，也可以采用异体、异种组织或组织代用品来修复 各种原因造成的组织缺损或畸形，以改善或恢复生理功能和外貌。 随着社会的发展和观点的转变，要求通过面部整形外科手术( f a c ep l a s t i c s u r g e r y ，f p s ) 而获得理想容貌的人迅速增加。面部整形是一项兼具高精度、高 风险的临床治疗技术，中国整容整形业兴起十年来，平均每年因整形而遭毁容的 投诉高达2 万起，其中绝大部分是针对面部整形，面部整形失败给患者带来的痛 苦是不言而喻的，将会直接影响其生活质量、损害其身体健康，这已成为我国乃 至世界广泛关注的社会问题。常规面部整容手术由于不能在术前对患者面部进行 客观定量的形态学评价和演示术后的整形效果，缺乏医生与患者之间的思想沟 通，很难做到治疗方案与患者要求一致，极易导致手术结果的不理想甚至失败。 因此，可实现手术风险预测和效果预现的面部整形外科辅助设计系统研究有着极 其迫切的重要性和现实意义。 1 2 虚拟手术系统技术的研究现状 1 2 1 虚拟手术系统的定义 虚拟手术系统是采用计算机图形学与数据可视化技术，利用计算机图像处理 第一章绪论 和分析方法，选择数学模型对三维数据进行人体器官几何重建，进而在计算机上 模拟出病灶部位的三维结构，并使依据三维数据建立的模型具有实际物体的物理 性质，最后利用v r ( v i r t u a lr e a l i t y ) 手段虚拟手术的逼真场景，使医生能够在 计算机上建立的虚拟环境中设计手术过程，进刀部位、角度，提高手术的成功率。 对于选择最佳手术路径、执行复杂外科手术和提高手术成功率等具有十分重要的 意义。 1 2 2 虚拟手术系统技术在国外的研究现状 对于虚拟手术系统的技术的研究国外占主导，在虚拟手术技术的各个方面都 处于领先阶段。如t s a i 等人i l 】研究了一种高交互式的整形外科手术模拟器。此模 拟器允许整形外科医生用不同手术设备对虚拟刚性解剖学结构进行手术，以模拟 在刚性结构中整形外科手术的每个手术过程。w a g n e r 等人 2 1 建立了一种虚拟眼科 手术环境并通过此环境进行了眼内外科手术。p r e s s e r 等人【3 1 建立了一个虚拟岩 骨手术系统，此系统发展了种新的体积切割方法，对切割区域进行了单独建模， 并采取了一种新的可视化技术对由于切割所造成的尖锐边缘进行渲染，使虚拟效 果更加真实可信。外科医师可通过此系统对一些特殊的外科手术方法进行现实模 拟。s o u r i n 等人1 4 建立了一个虚拟整形手术训练模拟系统，可通过此系统进行多 种虚拟手术训练。o k u m u r a 等人【5 】发展了一种新技术，他们结合测颅x 线照片及 牙齿研究模型建立了一个三维虚拟图像，这一图像允许同时展现骨骼形态学情况 和咬合关系，弥补了传统方法不能同时评估骨骼形态学情况和咬合融洽度的不 足。b r i e f 等人f 6 】建立了用于半自动虚拟颅面手术的三维标准数据库。此数据库内 包含了1 0 0 多幅无病理缺陷的人脸c t 图像，并按照年龄和性别将这些图像进行 了分类。外科医师可依据该数据库使患者经过颅面部手术后尽可能接近其无缺陷 时的本来面目。m o n t g o m e r y 等人 7 1 描述了在虚拟环境中重建外科手术的应用并 得出结论：虚拟环境手术系统被用来作为临床工具实现手术前的可视化、头部测 量学分析和手术互动，比起传统方法可以给出更精确的结果。m c c l o y 等人i s 经 研究后指出在下一个十年里虚拟现实技术将对健康护理产生深远的影响。常规手 术将趋向于使用虚拟手术模拟器。而神经外科将趋向于使用图像引导技术。虚拟 现实技术将被应用于心理健康、整形手术学、心脏病学等多个方面。由此可知， 虚拟手术系统现己成为计算机应用的一大热点。 1 2 3 虚拟手术系统技术在国内的研究现状 在国内虚拟手术系统技术也进行了一些研究。如邹北骥等人【9 】在文中提出了 第一章绪论 一个基于人脸真实图像的整形与美容虚拟手术系统。他们基于分层处理和图像变 形的设计思想，利用图像变形和图像渐变算法，交互式的对该图像实施多种操作 来完成虚拟手术，实现人的脸部整形与美容。栾杰等人【l o 】建立了一种三维模拟与 辅助设计系统，应用螺旋c t 扫描数据和图像处理技术重构患者的三维立体模型， 将患者鼻部的三维曲面按患者期望的形态进行变形处理，模拟手术后效果并与术 前进行比较，帮助整形外科医生为患者设计和制各个性化的假体。但与国外相比， 我国的虚拟手术系统技术仍处在起步阶段。因此，国内应该从现阶段开始努力研 究，以尽快与国际水平接轨，争取达到国际先进水平。 1 3 面部整形手术辅助系统中的关键图像处理技术 1 3 1 面部整形手术辅助系统的研究内容 本文中基于虚拟现实的面部整形手术辅助系统将采用计算机图像处理技术， 通过先输入患者术前的真实图像和系统设计的若干操作算子，交互式地对该图像 实施多种操作，即对之实施图像变换，来完成虚拟手术，实现手术的风险预测和 效果预现，有良好的临床适用性。本文主要对面部整形外科辅助系统设计中的一 些关键图像处理技术进行实验研究。 1 3 2 数字图像处理简介 图像处理就是通过某些数学运算对图像信息进行加工和处理，以满足人的视 觉心理和实用需求。图像处理可以应用光学方法也可以应用数字方法。光学图像 处理方法已有很长的历史，在激光全息技术出现后得到进一步发展。尽管光学图 像处理理论日趋完善，且处理速度快，信息容量大，分辨率高，但其处理精度不 高，稳定性差，设备笨重，操作不便，对各种所需的处理不够灵活，且受实际工 艺和设备材料的限制，这些因素限制了它的发展速度。与之相比，数字图像处理 灵活方便，改变软件程序即可改变处理方法，达到所求得处理效果。 数字图像处理是指使用数字计算机来加工、处理图像。这一技术的研究始于 2 0 世纪5 0 年代。1 9 6 4 年美国喷气推进实验室( j p l ) 对航天探测器“徘徊者7 号”发回的几千张月球照片进行计算机处理后，得到了清晰逼真的图像，这是数 字图像处理技术发展的重要里程碑。近2 0 年来，由于各相关学科领域的发展， 对图像处理提出了越来越高的要求，数字图像处理技术研究更加深入、广泛、发 展也更迅速。目前，数字图像处理已应用于许多领域：在遥感方面，除了对月球 第一章绪论 照片的处理外，数字图像处理技术主要运用在航空和卫星遥感方面，发展了多光 谱图像遥感、合成孔径雷达( s y n t h e t i ca p e r t u r er a d a r ，s a r ) 图像遥感和微波图 像遥感，以及与这些遥感技术相应的处理技术：在生物医学工程方面，运用图像 处理技术可以提高图像的清晰度和分辨率，便于医生诊断：在工业和工程方面， 图像处理技术已有效的应用于无损探伤、质量检测和过程自动控制等方面；在军 事方面，图像处理技术的应用上最有价值和迫切需求的是飞行导航、导弹打靶的 景物图像制导和寻的；在公共安全方面，人像、指纹及其他痕迹的处理和识别， 以及跟踪、监视、交通监控、事故分析等都已在不同程度上使用了图像处理技术 的成果。 1 3 3 本文所采用的数字图像处理技术 数字图像就其处理目的而言可以分为：恢复退化图像的本来面目、改善人的 视觉效果、突出图像中目标物的某些特征、提取目标物的特征参数等方面。其所 用主要数字图像处理技术可分为以下几个方面： ( 1 ) 图像数字化一其目的是将模拟形式的图像通过数字化设备变为数字计算 机可用的离散的图像数据。 ( 2 ) 图像变换一为了便于后续的工作，改变图像的表示域和表示数据。 ( 3 ) 图像增强一改善图像质量和视觉效果，或突出感兴趣的部分，以便于人 或机器分析、理解图像内容。增强往往考虑图像的某方面效果，而不追求其退化 的原因。 ( 4 ) 图像复原一按照严格的计算机模型和计算程式，对退化的图像进行处理， 使处理结果尽量接近原始的未失真图像。复原是对图像的整体考虑，处理时必须 寻求图像退化的原因，以便应用相应的数学模型作有针对性的处理。 ( 5 ) 图像分割一根据灰度或几何特征选定的特征，将图像划分为几个有意义 的部分，从而使图像在内容表达上更为简单明了。对分割出的有意义的部分进行 处理分析，从中提取有用信息，以便进一步用作模式识别、机器视觉等处理。 ( 6 ) 图像描述和分析一是对给定或以分割的图像区域的属性及各区域之间的 关系用更为简单明确的数值、符号或图形来表征。 ( 7 ) 图像数据压缩一用于减少图像数据量( b i t 数) ，以便节省传输和处理时 间以及减少存储容量。 ( 8 ) 图像分类一是在图像经过某些预处理( 如几何校正、大气辐射光谱校正、 大气模糊复原和压缩等) 后，再进行特征提取、分割，进而按一定的判据进行判 决分类。 ( 9 ) 图像重建一它利用r 射线、x 射线或超声波在三维物体中的透射或散射 第一章绪论 信息，应用一定的算法来构造物体某断层面的二维图像或由多个断层面构造 三维图像。 本文的面部整形手术辅助系统中，在数字图像处理方面，主要应用到图像变 换、图像增强、图像分割、图像描述和分析等方面的知识，对图像进行增强、匹 配、融合、变形及图像特征提取，以达到改善人的视觉效果、突出图像中目标物 的某些特征、提取目标物的特征参数的目的，进而实现面部整形手术的效果预澳目 及术后效果预测的可视化。 1 4 人脸图像数据库和处理平台 1 4 1 人脸图像数据库 本文通过数码相机获得人脸照片。使用p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ) 机对获得的 图像进行处理并显示实验结果。 人脸图像数据库是人脸识别算法研究、开发、评测的基础。本文进行面部 图像处理所应用的数据库来源于b i o i d 人脸库和p s f a c e 人脸库。其中，b i o i d 人脸库共包含2 3 个不同人物的1 5 2 1 张正面人脸灰度照片，照片中大部分为白种 人，每张照片的解析度为3 8 4 x 2 6 8 。人脸图像在不同的季节、地点采集，光线、 背景、人脸大小等均有变化。p s f a c 蟹人脸库是我们建立的专用于面部整形的数 据库。其中有1 1 个人的z 6 幅彩色照片。其解析度为3 2 5 x 2 4 4 。为了模拟实际 情况下可获得的用于整形人脸照片情况，p s f a c e 人脸库中的人脸照片均为在白 色背景下正面或便 面人脸照片，照片由数码相杌获得，拍摄在室内进行。光源为 日光和日光灯，且避免了明显的侧面光源。其判定标准是人的头部在白色背景下 没有留下大面积的阴影。照片中志愿者平视、眼睛睁开、且不戴帽子、眼睛等饰 ( a ) b i o i d 人脸库图例 p ，q 为( x ，y ) 的8 邻阂) ( 2 5 ) i j k n 从而得到两眼区域的粗略点集，分别计算两个点集的重心，将此重心为眼部中心 点，便得到眼部中心点的粗略位置。 2 3 2 区域标号算法 在一幅二值图像中，特征与背景分别由“0 ”和“1 ”两个值来表示。如果将 “l ”作为代测定的特征区域，那么对其进行区域标号算法的作用是将不同“l ” 的连通区定义为不同的编号，而同一连通区内编号则相同。因此，可依照不同的 编号区分不同的连通区。应用区域标号算法对二值图像标号的主要过程如图2 - 1 2 所示： 第二章脸部特征定位 图2 1 2 区域标号算法流程图 图2 1 3 展示了对二值图像进行区域标号后的结果。其中，( a ) 是原二值图像； ( b ) 是二值图像所形成的矩阵；( c ) 是对原二值图像进行标号后的结果。 由图可知，标号后的图像，其最大号码就是图像中所包含连通区的个数；而 对于标号为i 的连通区，其数目和i 就是图像中这一连通区的面积。在进行脸 部特征粗略定位的过程中，这些性质有十分重要的作用。 日 第二章脸部特征定位 00 ol 00 o0 oo oo 0o 0o 2 3 3 鼻尖点的粗略定位 00 0l oo oo oo 00 00 0o 图2 1 3 区域标号算法示例 0oooo oo33o oooo0 ooo oo 2 2200 o02o0 222oo 0o0 0o ( c ) 在定义鼻尖点的位置时，根据经验可知，由于鼻尖点是人类面部的最高点， 在来自正面光源的照射下，对于正面的人脸图像，鼻尖点的亮度最高。因此，只 要在人脸图像中，根据统计规律大致找出鼻尖点的可能位置，再在其中找到亮度 最高的点的区域，计算其重心便可得到鼻尖点的粗略定位位置。对眼部中心点和 鼻尖点进行粗略定位的人脸图像如图2 1 4 所示： 图2 。1 4 特征点粗略定位结果 2 4 正面图像眼睛中心点的精确定位 本文采取几何投影法在事先进行眼部粗略定位的基础上，对眼睛部位进行精 确定位。投影是一种有效提取图像特征的方法。通常一幅二维图像可以有两个正 0 o o o o o 0 o o l 0 o o o o o o l o o l l 1 0 o 0 o o l o l o b o o o o l o l o a 第二章脸部特征定位 交的一维投影函数来分析。投影法降低了图像维数。便于分析图像特征，减少了 计算量。目前常用的投影函数有积分投影函数( i n t e g r a l p r o j e c t i o n f u n c t i o n ，i p f ) 和方差投影函数( v a r i a n c ep r o j e e t i o nf u n c t i o n , v p f ) 。耿新等人在此基础上，将二 者综合提出了混合投影函数( h y b r i d p r o j e c t i o nf u n c t i o n , h p f ) 。 2 4 1 混合投影函数的基本原理 使用投影法进行眼部定位目前最常用到的是积分投影函数( i p f ) 。假设i ( x ，y ) 表示点( x ，y ) 处的像素灰度值，在x e n x , ，x 2 和 y l ，y 2 】内的垂直积分投影函数和水平 积分投影函数分别表示为s ，( x ) 和s h ( y ) ，则有公式( 2 6 ) ： 鼠( x ) = e ，( 工，y ) d y ，s h ( y ) = ，( x ，y ) 出 ( 2 6 ) 平均积分投影函数表示为m y ( x ) 和m h ( y ) ，则有公式( 2 7 ) ： m ，( x ) = i 士一，( 墨y ) 砂，坞( j ，) = 一l - x i y e ，y ) 出 (27)lx 2儿一 咿i 6 1 对于数字图像，式( 2 7 ) 可化为： 纵加矗可耋地胁w y ) = f 旨耋地协s ， 当图像某- - n 像素灰度均值发生变化时，这种变化会在s ，( x ) 和m y ( x ) 的值上反映 出来。同理，当图像某一行像素灰度均值发生变化时，这种变化会在s “y ) 和 m h ( y ) 上反映出来。因此，可通过积分投影找到图像特征部位，提取图像特征。 图2 1 5 为几种投影函数对图像区域灰度变化的反映情况。如在图2 - 1 5 ( b ) 中可以 看出，在图示不同区域的交界处，积分投影函数对应的曲线发生了跃变，由此可 以判断出不同区域。 f e n g 等人利用方差投影函数进行眼睛定位得到了比采用积分投影函数更好 的结果。设在区间【x 1 ，x 2 】和 y l ，y 2 】内的垂直方差投影函数和水平方差投影函数分 别表示为o ，2 ( x ) 和o ，2 ( y ) ，则有公式( 2 - 9 ) ： 第二章脸部特征定位 蠢( 力= 一l y 2 - y 。y 塞, = y , ，( 五只) 一心( 圳2 ，蠢咖x 2 l - - x 1 薹叭) _ ( 硝( 2 - ” 方差投影函数在图像中某一行或某一列的灰度值方差发生变化时，会产生变 化，因而可以用来进行图像特征分析。在图2 1 5 ( a ) 中，方差投影函数所对应的 曲线在不同区域边界处发生了较大的跃变，从而反映出图像在水平方向上的区域 变化。 但是，无论是采用积分投影函数还是采用方差投影函数进行眼睛定位都有一 定的弊端。如，由于积分投影只是在水平或垂直方向上对元素值简单求和，当在 水平或垂直方向上元素值和相同但其区域中元素值并不相同时，积分投影失效， 如图2 - 1 5 ( a ) 所示。图中水平方向上有3 个不同区域，但是积分投影函数所对应 的曲线不能反映出它的变化。而由于方差投影函数只考虑到灰度值的变化情况， 忽略了平均灰度值，因此在区域中各像素方差相同而各部分像素并不相同时，也 会失效，如图2 - 1 5 ( b ) 所示。由图中可以看出，对于水平方向上的3 个明显不同 的区域，方差投影函数曲线并不能反映出这种变化。而使用积分投影函数可以检 测出区域变化。 部分1 i 部分2i 部分3 ；i 部分l 部分21 部分3 - ! i !； o ； o v p f ： ； ： i o ： ! i - ：- h p 扛，u 咿f | 广 | x l x 2 x ix 2 ( a ) i p f 失效而v p f 和h p f 成功的例子( b ) v p f 失效而i p f 和h p f 成功的例子 图2 - 1 5i p f 、v p f 、h p f 的对区域的变化的反映情况 第二章脸部特征定位 由上面的讨论可知，积分投影函数和方差投影函数具有一定的互补性。为了 弥补这两种投影函数各自的不足，耿新等人提出了混合投影函数。它包括垂直混 合投影函数h “x ) 和水平混合投影函数h h 。其定义为： 风( 工) = 三西( x ) + 圭以( 功，巩( y ) = 互10 。2 ( j ，) + 吾嘭( 力 ( 2 - 1 0 ) 其中，0 ，7 ( x ) 、o ，( y ) 、m ，( x ) 、m h 分别是o ，( x ) 、o ，2 ( y ) 、m y ( x ) 、 m h 规范化到【0 ，1 】区间上的结果。其公式为： 咖) = 盖黠篙嘲y ) = 面0 h 丽( y ) - 丽m i n ( 0 h ( y ) ) ( 2 - 1 1 ) 蜘) = = 蒜忠，以( j ，) = 蔬m 而h ( y ) - 而n f i n ( 而m h ( y 丽) ) ( 2 - 1 2 ) 由图2 1 5 可以看出h p f 在i p f 和v p f 失效的情况下都可以检测出区域的变 化情况。当h p f 的值从h v ( x o ) j i 0h “x o + ) 发生了显著变化时，则表示在x = x o 处是两块不同区域的边界。具体地，对于给定阈值t ，找出所有满足以下条件的 连通区间x ： v x j i h a x + a ) - h a x ) t ( 2 1 3 ) 对离散数字图像来说，一般= 1 。然后找出所有满足条件的x 区间中的最大 值点x 0 ，即) 【0 应满足式( 2 一1 2 ) ： h , ( x o ) = m a x ( h a x + a ) - h a x ) d ( 2 - 1 4 ) j e x 则x - x o 处为不同区域边界。 2 4 2 改进的混合投影函数 耿新等人提出了混合投影函数兼具积分投影函数和方差投影函数的性质，具 有广泛的适用性，可以提高定位的准确率。但是在他们所定义的混合投影函数的 第二章脸部特征定位 公式( 2 1 0 ) 中，混合投影函数的获得只取了积分投影函数和方差投影函数的均 值，并不一定是其最佳分割。因此，本文提出其改进方案，即设定混合投影函数 的比例系数a 和b ，定义改进混合投影函数( i m p r o v e dh y b r i dp r o j e c t i o nf u n c t i o n , i h p f ) 的垂直混合投影函数( i h v ) 和水平混合投影函数q i c h ) 为： 眉? ( d = 口r m ：c x ) + b 2 ( x ) ，月j ( y ) = 口j j l ( j ，) + 6 一4 ) ( 2 - 1 5 ) 其中：比例系数0 a l ，o b 1 ，且a + b = i 。本文将通过实验确定最佳a 、 b 值以达到最优的混合投影函数。 2 4 3 眼睛定位的基本过程 直接利用混合投影函数在整幅图像中获得眼睛的精确位置会受到眉毛、嘴唇 等其他特征部位的影响，准确率不高。因此，需要事先确定眼睛区域( 眼睛窗口) ， 在此小区域内进行眼睛精确定位。在得到眼睛粗略定位的坐标后，扩展该坐标周 围的一块图像作为眼睛窗口，然后在其中精确定位眼睛的中心位置。设左右眼睛 粗略定位的坐标为l ( x l , y 0 和r ( x 2 ，y z ) ，l 点和r 点的距离为d 。则分别以l 点和r 点为中心，常为4 5 d ，宽为2 5 d 的矩形区域作为眼睛窗口，如图2 1 6 所示。其 中十字代表眼睛粗略定位位置，矩形窗口为眼睛窗口。 图2 1 6 眼睛窗口 为了定位眼睛中心，首先需要建立标准眼睛模型，如图2 1 7 所示。从图中 可以看出，要定位眼睛中心位置，需要确定左右眼角的x 轴坐标和上下眼睑的y 轴坐标。设x i 、x 2 分别为左右眼角的x 轴坐标，y l 、y 2 为上下眼睑的y 轴坐标。 垂直混合投影函数在x l 、x 2 处会有明显变化，而水平混合投影函数在y 1 、y2 处 有明显变化，令： = 半， = 掣粤 ( 2 - 1 6 ) 第二章脸部特征定位 则点o ( x o ，y o ) 即为眼睛的中心点。 y 图2 一1 7 标准眼睛模型 x 在公式( 2 - 1 5 ) 中，为了确定比例系数a 、b 的最佳值，分别取2 1 组a 、b 值进行实验，将获得的o 点坐标相比较，找出误差最小且错误率最低的一组a 、 b 值。即可得到最佳的混合投影函数公式。 2 4 4 测试实验及其结果讨论 本文所进行的实验采用了两种不同的数据集，即b i o l d 人脸库和p s f a c e 人 脸库。其中，b i o l d 人脸库共包含2 3 个不同人物的1 5 2 1 张正面人脸灰度照片， 照片中大部分为白种人，每张照片的解析度为3 8 4 x 2 6 8 。人脸图像在不同的季 节、地点采集，光线、背景、人脸大小等均有变化。本文采用b i o l d 人脸库来测 试混合遗传算法的普适性。p s f a c e 人脸库是我们建立的专用于面部整形的数据 库。为了模拟实际情况下可获得的用于整形人脸照片情况，p s f a c e 人脸库中的 人脸照片均为在白色背景下正面或侧面人脸照片，照片中避免了明显的侧面光 源。本文采用p s f a c e