zarys problematyki automatycznego kompensowania zmian

Transkrypt

Beata GAJLIKOWSKA
ZARYS PROBLEMATYKI
AUTOMATYCZNEGO KOMPENSOWANIA ZMIAN
WYWOŁANYCH UPŁYWEM CZASU
W SYSTEMACH ROZPOZNAWANIA TWARZY
STRESZCZENIE W artykule przedstawiono zagadnienia dotyczące
automatycznego rozpoznawania twarzy ze szczególnym uwzględnieniem zmian, jakie w niej zachodzą pod upływem czasu. Została
pokrótce omówiona antropometria twarzy, będąca podstawową nauką pozwalającą zmierzyć fizycznie zmiany, jakie zachodzą podczas
rozwoju twarzoczaszki.
Zostały także przedstawione kierunki dotychczasowych badań
prowadzonych w dziedzinie systemów wizyjnych oraz psychofizyki,
jak również zaproponowane kierunki dalszych badań. Artykuł zawiera
krótkie omówienie wybranych systemów modelujących procesy starzenia się i ich wpływ na rozpoznawanie twarzy.
Słowa kluczowe: rozpoznawanie twarzy, antropometria, rozwój
twarzoczaszki, modelowanie wyglądu twarzy, proces starzenia twarzy
mgr inż. Beata GAJLIKOWSKA
e-mail: [email protected]
Akademia Górniczo-Hutnicza
Katedra Automatyki
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 243, 2009
28
B. Gajlikowska
1. WSTĘP
Twarz człowieka to najbardziej charakterystyczna spośród jego cech
widzialnych. Rozpoznanie znanej nam osoby nie sprawia nam problemu i nie
zajmuje wiele czasu, tak samo jak stwierdzenie, że nie znamy osoby, którą
widzimy po raz pierwszy. Automatyczne rozpoznawanie osób na podstawie
obrazu ich twarzy jest obecnie wysoko pożądane. Cechuje się ono pełną
naturalnością i nieinwazyjnością, co pozwala na zastosowanie w różnych
sytuacjach i miejscach, jak chociażby w kryminalistyce – podczas poszukiwania
przestępców i osób zaginionych czy w systemach o wysokim poziomie bezpieczeństwa – weryfikacja dostępu.
Od wielu lat prowadzone są badania mające na celu stworzenie systemu
automatycznego rozpoznawania twarzy, zarówno na podstawie zdjęć, jak
i sekwencji wideo. Pod lupę wzięto różne czynniki wpływające na zmianę
wyglądu, takie jak oświetlenie, profil, mimika, fryzura czy okulary. Dobry system
powinien jednakże uwzględniać również upływ czasu, gdyż wiek jest atrybutem
nierozerwalnie związanym z wyglądem ludzkiej twarzy.
Zagadnienia dotyczące wpływu wieku na wygląd twarzy są przedmiotem
badań nie tylko naukowców systemów wizyjnych, ale również psychofizyki.
Od wielu lat prowadzone są badania, których wyniki znajdą zastosowanie
w systemach automatycznego szacowania wieku, przewidywania wyglądu twarzy oraz rozpoznawania twarzy zmienionej upływem czasu.
W artykule zostały opisane zmiany biologiczne zachodzące w wyglądzie
twarzy od okresu dorastania do późnej starości. Opisana została antropometria
twarzy, rozwój twarzoczaszki oraz zmiany w tkankach miękkich.
W dalszej części opisane zostały kierunki aktualnych badań oraz przykładowe systemy i algorytmy modelujące zmiany wyglądu twarzy oraz ich
wykorzystanie w systemach automatycznej identyfikacji.
2. ZMIANY BIOLOGICZNE W WYGLĄDZIE TWARZY
Upływ czasu uwidacznia się na naszych twarzach – najpierw w okresie
dorastania zmieniają się przede wszystkim rozmiary kości czaszki, podczas gdy
później zmianie ulegają głównie tkanki miękkie.
Zarys problematyki automatycznego kompensowania zmian wywołanych …
29
Wzrost i rozwój twarzoczaszki trwa od niemowlęcia aż do 20 roku życia,
co powoduje, że w tym okresie jest ona nieproporcjonalna. Głowa niemowląt
wydaje się być szeroka i jednocześnie niska w stosunku do kościoczaszki
chroniącej mózg, który już na samym początku jest bardziej rozwinięty od
pozostałych elementów twarzy. Jednocześnie nos i kości żuchwy wydają się
relatywnie małe, gdyż nie zdążyły się jeszcze w pełni rozwinąć. Oczy małego
dziecka wydają się dysproporcjonalne w stosunku do twarzy. Jednakże gdy
regiony nosa i żuchwy powiększają swoje rozmiary, oczy pozostają tej samej
wielkości, co powoduje, że z czasem wydają się małe w stosunku do całej
twarzy [12]. Dziewczynki już w wieku 2 lat, a chłopcy w wieku około 2,5 roku
życia mają połowę wzrostu, jaki osiągną jako dorośli [1].
W wieku średnim tkanki łączące skórę z kośćmi twarzy zaczynają ulegać
zmianie, następuje utrata tkanki tłuszczowej, co prowadzi do obwisania skóry.
Między 30. a 40. rokiem życia skóra zaczyna tracić jędrność, co rozpoczyna
proces powstawania zmarszczek. Wraz z wiekiem skóra staje się półprzezroczysta i uwydatniają się żyły oraz kości twarzy. Zaczyna przybywać siwych
włosów, stają się one cieńsze i rzadsze. Z czasem następuje utrata zębów, brwi
rzedną, relatywnie rozmiar oczu i kształt ust ulega zmianie.
2.1. Antropometria twarzy
Antropometria jest nauką zajmującą się mierzeniem ciała ludzkiego i jego
części. Antropometria twarzoczaszki zajmuje się natomiast pomiarami czaszki
oraz twarzy. Badania dostarczają ilościowych opisów budowy twarzoczaszki.
Na przełomie lat w oparciu o kluczowe punkty znajdujące się na twarzy robione
są pomiary, które często wykorzystywane są do określenia normalnego i nienormalnego wzrostu twarzy.
Farkas [7] dokonał szczegółowego opisu antropometrii twarzy i wyznaczył 57 punktów na ludzkiej twarzy – tabela 1 zawiera opis wybranych punktów,
zaś rysunek 1 obrazuje wybrane z nich.
Odległości pomiędzy poszczególnymi punktami pozwalają na wyznaczenie wartości parametrów, takich jak długość głowy (g-op), szerokość ciemieniową (eu-eu), najmniejszą szerokość czoła (ft-ft), szerokość jarzmową (zy-zy),
szerokość żuchwy (go-go), wysokość twarzy całkowitą (n-gn), wysokość nosa
(n-sn) i wskaźniki: główny głowy, czołowo-ciemieniowy, jarzmowo-ciemieniowy,
twarzy całkowitej, twarzy górnej i nosa. Pomiar tych wskaźników i parametrów
pozwala na przeprowadzenie analiz dotyczących zmian zachodzących podczas
wzrostu człowieka, różnorodności populacji, zmian demograficznych danego
regionu oraz leczenia klinicznego.
30
B. Gajlikowska
TABELA 1
Punkty antropometryczne twarzy [3]
nazwa
symbol
alare
al
cheilion
ch
entokanthion
en
eurion
eu
ektokanthion
ex
frontotemporale
frontozygomaticus
glabella
gnathion
labiomentale
labrale superius
nasion
ft
fz
g
gn
labm
ls
n
otobasion inferior
obi
otobasion
superior
ophryon
opistocranion
postaurale
on
op
pa
pogonion
po
preaurale
pra
pronasale
superaurale
prn
sa
subaurale
sba
subnasale
sn
stomion
sto
tragion
t
trichion
tr
verte
v
zygien
zy
obs
opis
najbardziej ku bokowi wysunięty punkt skórny skrzydła nosa
punkt skórny kąta ust (punkt położony w miejscu zejścia się
czerwieni wargowej wargi górnej i dolnej, inaczej w kącie ust)
punkt położony w kącie powiekowym wewnętrznym (przyśrodkowym), w miejscu, gdzie kąt oka utworzony przez górną i dolną
powiekę styka się z powierzchnią mięska łzowego
najbardziej bocznie na czaszce
punkt położony w kącie powiekowym zewnętrznym (bocznym),
w miejscu zetknięcia się kąta, jaki tworzą powieki górne i dolne
z powierzchnią gałki ocznej
najbardziej zagłębiony dół na skroni
najbardziej boczny punkt na szwie czołowo-jarzmowym
najbardziej wysunięty punkt na gładziźnie czołowej,
punkty skórny i kostny bródki leżące najbardziej ku dołowi i przodowi
punkt skórny w największym zagłębieniu bruzdy wargowo-bródkowej
punkt skórny na przejściu skóry w czerwień wargi górnej
punkt skórny w największym zagłębieniu nosowo-czołowym
punkt położony w miejscu, gdzie muszla ucha (i skóra małżowiny
usznej) przechodzi w skórę głowy, najbardziej ku dołowi
punkt położony na przejściu muszli usznej w skórę głowy najbardziej ku górze
punkt skórny leżący na górnej linii brwi
najbardziej wysunięty punkt na potylicy
punkt położony najbardziej ku tyłowi na obrąbku małżowiny usznej
punkty skórny i kostny na najbardziej do przodu wystającej części
bródki
punkt położony na podstawie małżowiny usznej między punktami
obs i obi na wysokości punktu pa
punkt położony najbardziej ku przodowi na końcu (szczycie) nosa
punkt położony najbardziej górnie na obrąbku małżowiny usznej
punkt położony najbardziej dolnie na płatku małżowiny usznej
(najniższy punkt na małżowinie usznej)
punkt skórny leżący w zagłębieniu podnosowym na przejściu skórnej przegrody nosa w wargę górną (punkt położony na szczycie
kąta, jaki tworzy dolna krawędź przegrody nosowej i rynienka
wargowa – philtrum)
punkt skórny leżący w miejscu zetknięcia się czerwieni warg
punkt skórny na górnym brzegu skrawka małżowiny usznej (punkt
położony w miejscu, gdzie górna krawędź guzka małżowiny usznej
styka się z nasadą małżowiny usznej, a więc na poziomie wcięcia
przedniego małżowiny usznej)
punkt leżący na granicy przecięcia linii włosów z linią środkową
najwyżej położony punkt na głowie w płaszczyźnie frankfurckiej
(równolegle do podłoża)
punkty skórny i kostny na łuku jarzmowym najbardziej oddalone od
linii pośrodkowej
31
Rys. 1. Frontalny (A) i boczny (B) widok podstawowych punktów antropometrycznych twarzy [9]
Jako przykład zastosowania antropometrii do badania zmian demograficznych populacji można przytoczyć badania przeprowadzane w latach
1962–2002 na Żywiecczyźnie i opisane szczegółowo w pracy [8]. W trakcie tych
badań były przeprowadzane pomiary antropometryczne u dzieci w wieku od 3
do 18 lat. W oparciu o wyniki tych pomiarów dokonano analizy zmian poszczególnych wielkości oraz wskaźników obliczonych na ich podstawie, jak również
przeprowadzono analizę proporcji części mózgowej i twarzowej głowy. Analizy
te zostały wykonane zarówno w rozwoju ontogenetycznym, jak i w aspekcie
czasu. Na podstawie tych pomiarów okazało się, że u dzieci na Żywiecczyźnie
zachodzą zmiany w kierunku debrachycefalizacji, powodowane przede wszystkim zwiększaniem się wymiaru podłużnego głowy pogłębionego przez jednoczesne zmniejszanie się jej szerokości. Zjawisko to zachodzi dzięki działaniu
mechanizmów genetycznych oraz pod wpływem działania czynników środowiskowych specyficznych dla każdej populacji, takich jak wzrost białka w diecie,
ocieplenie klimatu, obniżenie lub podwyższenie poziomu stresu, zmiana statusu
ekonomicznego.
2.2. Rozwój twarzoczaszki
Wzrost i rozwój twarzoczaszki jest procesem biologicznym poddanym
wewnętrznej kontroli, zarówno na poziomie tkankowym, jak i komórkowym,
odbywającym się przez całe życie, przy czym najintensywniejszy wzrost można
zauważyć przez pierwsze 20 lat życia.
Po urodzeniu pojemność czaszki stanowi 60% pojemności czaszki osoby
dorosłej, zaś twarz ukształtowana jest w 40%. Mózgoczaszka ma wówczas
ośmiokrotnie większą pojemność niż twarzoczaszka, podczas gdy u dorosłej
32
B. Gajlikowska
osoby jest ona zaledwie dwukrotnie większa. Dolna i górna wysokość twarzy
stanowi 40% wymiaru osoby dorosłej (rys. 2).
Rys. 2. Czaszka noworodka i dorosłego [10]
Większe zaawansowanie wzrostu mózgu oraz czaszki jest zauważalne
w początkowych latach życia. Przez pierwsze 20 lat życia we wzroście kości
czaszki dominuje wzrost twarzoczaszki. Wspomniana wcześniej pojemność
czaszki wzrasta do 75% w 3. roku życia i do 90% w 7. roku życia. Średni obwód
głowy noworodka wynosi ok. 35 cm i w ciągu pierwszych 4 miesięcy powiększa
się o 5 cm, a w ciągu pierwszego roku o 10 cm. Pozostałe 10 cm przyrasta aż
do osiągnięcia dojrzałości.
Środkowa część twarzy składa się z jamy nosowej, oczodołów i ich
ograniczeń, zatok szczękowych, wyrostka zębodołowego szczęki oraz zębów.
Główną kością tej części twarzy jest szczęka, kość czołowa, lemiesz, kości
łzowe, podniebienie, kości jarzmowe, kości nosowe, klinowe oraz małżowiny
nosowe. Poza trzema ostatnimi elementami, które rozwijają się na podłożu
chrzęstnym, pozostałe rozwijają się na podłożu błoniastym.
W pierwszych miesiącach życia intensywnie przyrasta górna wysokość
twarzy, tak, że w wieku 1,5 roku przyrost ten stabilizuje się na poziomie 43%
całkowitej wysokości. Szczęka, która w momencie urodzenia jest krótka
w wymiarze pionowym, szybko przyrasta i w wieku 3 lat osiąga już ⅓ swego
ostatecznego rozmiaru.
W środkowej części twarzy dominują oczodoły mieszczące prawie całkowicie rozwinięte gałki oczne. W przeciągu pierwszych 8 lat życia wysokość
oczodołów powiększa się o 76%, a szerokość o 52%, co w rezultacie oznacza
odpowiednio wzrost o 1,5 cm i 1,4 cm. W tym samym czasie odległość pomiędzy oczodołami wzrasta o 91%, co w rzeczywistości oznacza, że oczodoły
oddalają się od siebie o ok. 1 cm.
Wzrost szczęki zachodzi wg schematu: tylny wzrost – doprzednie przemieszczenie, co oznacza, że z tyłu powstaje nowa tkanka, która wywołuje
33
doprzednie przemieszczenie całej kości. W ten sposób szczęka wydłużając się
w okolicy swego guza jednocześnie przemieszcza się w kierunku przednim
i robi miejsce dla kolejnych zębów trzonowych. Jeżeli chodzi o pionowy wzrost
szczęki, to nie jest on wywoływany wyłącznie przemieszczeniem. Szczęka,
w kierunku dolnym wzrasta poprzez przemieszczenie (w 43%) oraz apozycję
wyrostka zębodołowego szczęki (w 57%). Dodatkowo podstawa nosa opuszcza
się o ok. 61% wskazując na dryft, który tworzy kombinację z przemieszczeniem,
w wyniku której w okresie od narodzenia do dojrzałości szczeka powiększa swój
wymiar pionowy dwukrotnie (rys. 3).
Rys. 3. Wzrost dodolny podniebienia i wyrostka zębodołowego szczęki
na skutek nadbudowy i resorpcji.
Strzałka przedstawia przyrost wysokości jamy nosowej [10]
W przeciwieństwie do szczęki połączonej na stałe z podstawą czaszki,
żuchwa jest zawieszona za pomocą mięśni, skóry oraz tkanek łączących i jest
bezpośrednio związana z głową poprzez staw skroniowo-żuchwowy oraz zęby,
które wchodzą w kontakt z zębami szczęki. Zmiany kształtu żuchwy zachodzą
aż do wieku dojrzałego – dolna krawędź trzonu żuchwy staje się bardziej
pozioma, podczas gdy tylna krawędź gałęzi staje się coraz bardziej pionowa, co
powoduje zmianę kąta żuchwy [10].
2.3. Zmiany w tkankach miękkich oraz skórze
Pomimo zakończenia intensywnego procesu wzrostu czaszki (ok. 20.
roku życia), twarz każdego człowieka ulega dalszym zmianom, głównie w wyniku zmian zachodzących w tkankach miękkich – chrząstki nosa i uszu nadal
rosną, wygląd i tekstura skóry ulega zmianom. Według badań przeprowadzonych w Centrum Medycznym Duke University [3] wynika, że po ukończeniu 20.
roku życia również kości czaszki nadal rosną – czoło wysuwa się do przodu,
a kości policzkowe ulegają cofnięciu. Zmiana położenia fragmentów kośćca
34
B. Gajlikowska
powoduje przesunięcie zlokalizowanych nad nimi mięśni i skóry. Wraz z upływem lat kości zaczynają coraz bardziej wychylać się do przodu, w wyniku czego
leżące nad nimi tkanki miękkie tracą oparcie i zaczynają obwisać.
Starzenie się skóry jest procesem naturalnym, zachodzącym u każdego
człowieka przez całe życie. Proces ten przebiega u każdego inaczej i jest
uzależniony od wielu czynników zarówno wewnętrznych, jak i zewnętrznych.
Do czynników wewnętrznych zaliczamy predyspozycje genetyczne, gospodarkę
hormonalną, nieprawidłowe odżywianie, niedobory witamin, a do zewnętrznych
zanieczyszczenie środowiska, ekspozycję skóry na promieniowanie UV, stres
czy palenie papierosów. Ponadto do etiologii procesu starzenia się twarzy [13]
zaliczamy:
• utratę podskórnej tkanki tłuszczowej prowadzącej do spłaszczenia
struktur twarzy;
• zmiany w mięśniach mimicznych powodujące, iż zmarszczki dynamiczne pojawiają się najwcześniej w obszarach połączenia mięśni
mimicznych i powięzi bezpośrednio ze skórą;
• przebudowę struktur kostnych i chrzęstnych twarzy – zachodzący
proces resorpcji kości może doprowadzić do widocznego zmniejszenia
się objętości i asymetrii twarzy.
Wraz z upływem czasu na twarzy zaczynają pojawiać się oznaki starzenia, które są charakterystyczne dla poszczególnych dekad życia (tab. 2).
TABELA 2
Oznaki starzenia widoczne na twarzy charakterystyczne dla poszczególnych dekad życia [13]
Rok życia
Zachodzące zmiany
30
Skóra zaczyna być bardziej wiotka, pojawia się opadanie górnych powiek
spowodowane nadmiarem skóry powiek, w organizmie spada poziom kolagenu,
elastyny oraz glikanów, które są odpowiedzialne za jędrność i sprężystość skóry
40
Na czole pojawiają się poprzeczne zmarszczki, pomiędzy brwiami zaczynają
pojawiać się zmarszczki marsowe, pojawiają się też kurze łapki w kącikach oczu
oraz wyraźnie zaznaczają się fałdy nosowo-wargowe – bruzdy od skrzydełek
nosa do kącika ust
50
Obniża się koniuszek nosa, wokół ust, na szyi pojawiają się zmarszczki, na
policzkach oraz w okolicach skroni zaczyna zanikać tkanka tłuszczowa, co
powoduje wyraźniejsze zaznaczenie linii żuchwy.
60
W wyniku utraty tkanki tłuszczowej wokół oczy, oczy wydają się mniejsze,
bardziej zapadnięte. Skóra staje się cieńsza, zanika tkanka tłuszczowa wokół ust
70
Skóra staje się jeszcze cieńsza, zanika tkanka podskórna, co pogłębia
zmarszczki oraz prowadzi do wiotczenia skóry.
35
Proces starzenia skóry zależy nie tylko od wymienionych wcześniej
czynników, ale jest on również zależny od płci. Mężczyźni maja grubszą skórę,
nie jest ona tak delikatna jak u kobiet, ponadto jest bardziej tłusta. Powoduje to,
że zmarszczki u mężczyzn pojawiają się później, jednakże są one głębsze
i wyrazistsze, a wyglądem przypominają bruzdy.
Wraz z wiekiem skóra zmienia również swój kolor. Proces starzenia
powoduje, że staje się ona półprzeźroczysta, żyły i struktura kości stają się
bardziej widoczne, co z kolei uwydatnia cienie na twarzy. Ponadto wraz
z upływem czasu skóra traci swoją elastyczność i sprężystość, maleje aktywność gruczołów potowych i łojowych. Przyczynia się to do obniżenia zdolności
do wiązania wody i zatrzymywania jej w naskórku, co prowadzi do wysychania
skóry. Zmiany zachodzące w melanocytach powodują, że wydzielanie melaniny
jest nierównomierne, czego wynikiem jest nierównomierne zabarwienie skóry
– pojawiają się liczne brązowe plamy, tzw. plamy pigmentacyjne.
3. KIERUNKI BADAŃ
W ostatnich latach inżynieria wizyjna skierowała swoje kroki ku zagadnieniom związanym z procesem starzenia twarzy, a w szczególności z problematyką szacowania wieku, modelowania wyglądu, weryfikacji i identyfikacji
twarzy. Przeprowadzane badania [2] dotyczą następujących zagadnień:
• kształt a tekstura – efekty starzenia w zależności od wieku manifestują
się w różny sposób; w okresie dzieciństwa i dorastania zmiany twarzy
uwidoczniają się poprzez zmiany rozwojowe i wiążą się z różnorodnością przyjmowanych kształtów. W okresie dorosłości natomiast zmiany
dotyczą tekstury skóry – pojawiania się zmarszczek. Problem starzenia
może być opisany jako problem scharakteryzowania kształtu i tekstury
twarzy jako funkcji zmiennej w czasie;
• selekcja cech – wybór cech stanowiących punkt odniesienia, np. w ramach różnych przekrojów wiekowych, indywidualne zmiany na podstawie zdjęć 2D lub skanów 3D wykonywanych na przełomie lat, pomiary
antropometryczne wykonane w obrębie danej populacji;
• czynniki – oprócz czynników biologicznych, takich jak wzrost kości, utrata
elastyczności mięśni, entropia tkanki tłuszczowej, istnieje wiele innych
czynników, które również mają wpływ na proces starzenia: przynależność etniczna, płeć, nawyki żywieniowe i warunki klimatyczne. Ponadto
wygląd twarzy uzależniony jest od fryzury, która również ulega zmianom wraz z upływem lat.
36
B. Gajlikowska
W dalszej części artykułu zostaną przedstawione niektóre z dotychczas przeprowadzonych badań nad modelowaniem wyglądu twarzy z uwzględnieniem
upływu czasu oraz automatycznej kompensacji zmian w systemach rozpoznawania twarzy.
3.2. Modelowanie upływu czasu
Stworzenie systemu, który przedstawi wygląd danej osoby w różnym
wieku wymaga uwzględnienia wielu czynników, takich jak grupa wiekowa, płeć,
przynależność etniczna, utrata lub przybieranie na wadze itp. Od kilku lat na
całym świecie prowadzone są badania nad systemami uwzględniającymi te
czynniki. Kilka tych prac zostanie przybliżonych w tej części artykułu.
Burt i Perrett [5] opracowali system oparty na kształcie i teksturze twarzy
osób dorosłych w różnych grupach wiekowych. Na podstawie zdjęć 147 osób
płci męskiej w wieku od 20 do 62 lat podzielili twarze na 7 grup wiekowych.
Następnie na każde ze zdjęć nanieśli ręcznie punkty charakterystyczne twarzy
i w ten sposób uzyskali dla każdej grupy wiekowej uśredniony kształt twarzy.
Dla każdej z grup wyliczyli również średni kolor skóry, co w rezultacie pozwoliło
im uzyskać złożony uśredniony wygląd twarzy. Rysunek 4 przedstawia otrzymane uśrednione obrazy twarzy.
Rys. 4. Uśredniony wygląd twarzy dla poszczególnych grup wiekowych:
a) 20-24; b) 25-29; c) 30-34; d) 35-39; e) 40-44; f) 45-49; g) 50-54; h) zacieniowane obszary ilustrują różnice w kształcie pomiędzy uśrednionymi twarzami grup
25-29 i 50-54 [5]
37
Następnie dokonali transformacji oryginalnego zdjęcia w oparciu o uśredniony
kształt twarzy oraz kolor skóry. Pomimo, że modyfikacje te nie uwzględniały
powstawania zmarszczek, to uzyskane wyniki były dokładne. Rysunek 5
obrazuje przykładową transformację wieku, jaką osiągnięto tą metodą.
Rys. 5. Transformacje wieku:
a) oryginalna fotografia; b) transformacja kształtu; c) transformacja koloru; d) kombinacja transformacji kształtu i koloru [5]
Ramanathan i Chellappa [7] zaproponowali model wzrostu twarzoczaszki, który charakteryzuje zmiany zachodzące w okresie dorastania w procesie
rozwoju twarzy (od urodzenia do 18. roku życia). W pracy swej skupili się na
odzwierciedleniu różnorodności kształtów przyjmowanych przez twarz w tym
okresie. Inspiracją był model ulepszonej transformacji odkształceń sercokształtnych (ang. cardioidal strain), zaproponowany w badaniach psychofizycznych
a)
b)
Rys. 6. (a) Przebudowa obiektu sferycznego wypełnionego płynem;
(b) Symulacja wzrostu profilu twarzy w oparciu o twarz dziecka przy użyciu
ulepszonego modelu transformacji odkształceń sercokształtnych [7]
38
B. Gajlikowska
związanych z rozwojem twarzoczaszki. Model ten uwzględnia zgromadzone
dane antropometryczne twarzy oraz jest zgodny z zaobserwowanymi na przełomie lat wzorcami wzrostu ludzkiej twarzy. Wzrost twarzy jest opisany za
pomocą parametrów wzrostu zdefiniowanych na podstawie punktów antropometrycznych. W pracy zostały zaproponowane metody obliczania optymalnych
parametrów wzrostu.
Rysunek 6 przedstawia symulację wzrostu twarzy w oparciu o model
odkształceń sercokształtnych, natomiast rysunek 7 ukazuje otrzymane wyniki
symulacji.
Rys. 7. Wyniki symulacji wzrostu twarzoczaszki [7]
39
3.3. Systemy rozpoznawania twarzy
Systemy rozpoznawania twarzy, które uwzględniają zmiany wywołane
upływem czasu, mogą zaleźć zastosowanie we wszelkiego rodzaju systemach
bezpieczeństwa. Ze względu na fakt, iż każdy człowiek starzeje się w indywidualny dla siebie sposób, stworzenie automatycznego systemu potrafiącego
stworzyć wiele różnych potencjalnych wyglądów danej osoby nie jest proste.
Jednakże system taki mógłby znaleźć zastosowanie podczas poszukiwania
osób zaginionych bądź osób ściganych za przestępstwa. Systemy uwzględniające rozwój twarzoczaszki są wykorzystywane do przeprowadzania symulacji
przed wykonaniem zabiegów w chirurgii i ortodoncji. Poniżej znajduje się krótki
opis dwóch systemów rozpoznawania twarzy, które uwzględniają automatyczną
kompensację zmian wywołanych upływem czasu.
Ramanathan i Chellappa [6] stworzyli klasyfikator Bayesowski, którego
celem było sklasyfikowanie zdjęć w oparciu o różnice występujące w wyglądzie
twarzy, wynikające z upływu czasu oraz dokonanie weryfikacji danej osoby.
Klasyfikator na podstawie dwóch zdjęć przedstawiających osoby w różnym
wieku miał za zadanie zweryfikować, czy zdjęcia przedstawiają tę samą osobę
oraz oszacować różnicę wieku. W eksperymentach zostało wykorzystanych 465
zdjęć znajdujących się w bazie paszportowej. Ze względu na to, iż przedział
wiekowy osób wynosił od 20. do 70. roku życia, klasyfikator przede wszystkim
był rozwijany pod kątem weryfikacji twarzy osób dorosłych. System wyliczał
różnice, jakie powstawały w teksturze skóry konkretnej osoby oraz u różnych
osób, ale z tej samej klasy wiekowej.
Rysunek 8 przedstawia przykładowe różnice otrzymane z przeprowadzonych podczas badań obliczeń.
Rys. 8. Obrazy z uśrednionymi różnicami (w czterech różnych kategoriach wiekowych)
z poszczególnych klas [6]
Noore, Singh i inni [11] zaproponowali nowatorski algorytm transformacji,
uwzględniający proces starzenia się w systemie rozpoznawania twarzy. Zare-
40
B. Gajlikowska
jestrowane zdjęcia danej osoby w różnym wieku były transformowane do układu
biegunowego, a następnie algorytm minimalizował różnice występujące pomiędzy zdjęciami. W algorytmie została użyta logarytmiczno-polarna transformacja
2D Gabora. Rysunek 9 ilustruje dokonane transformacje.
Rys. 9. Od lewej: zdjęcie twarzy w układzie kartezjańskim; w układzie biegunowym; mapa
rozkładu zmian [11]
Wyniki zostały zweryfikowane na podstawie bazy zawierającej 1578
zdjęć 130 różnych osób. Baza osób została podzielona na trzy grupy wiekowe:
1.–18. rok życia, 19.–40. rok życia i powyżej 41. roku życia. W rezultacie tego
podziału algorytm znacząco usprawnił rozpoznawanie twarzy. Przykładowo dla
grupy wiekowej 1.–18. rok życia dokładność zwiększyła się o 37,21%. Rysunek 10 przedstawia uzyskane wyniki zastosowanego algorytmu.
Rys. 10. Wyniki działania zaproponowanego algorytmu [11]
41
4. PODSUMOWANIE
Wiele dotychczasowych badań przeprowadzanych nad kompensacją
zmian zachodzących na twarzy pod upływem czasu zapewniło dobre zrozumienie tego złożonego problemu i uwypukliło wiele wyzwań czekających
jeszcze na rozwiązanie. O ile były przeprowadzane pomiary antropometryczne
na grupie dzieci i istnieją bazy danych je zawierające, to takie badania nie były
przeprowadzane na osobach dorosłych, a jeżeli były, to nie na taką skalę.
System przewidujący przyszły wygląd twarzy zaginionego dziecka powinien
uwzględniać zmiany parametrów antropometrycznych twarzy zachodzące na
przełomie dekad.
Wiele zdjęć znajdujących się w bazach będących podstawą badań było
robionych w różnych warunkach oświetleniowych oraz w różnych pozach.
Utrudniało to ich porównywanie. Problemy te nie występują w przypadku
porównywania zdjęć ze skanami 3D twarzy, gdyż posiadają one jednakowe
oświetlenie oraz umożliwiają oglądanie twarzy z każdej strony. W związku z tym
kolejnym etapem badań nad systemami rozpoznawania twarzy stało się modelowanie upływu czasu na trójwymiarowych skanach twarzy.
LITERATURA
1. Bee H.: Psychologia rozwoju człowieka. Zysk i S-ka, Poznań, 2004.
2. Biswas S., Chellappa R., Ramanathan N.: Computetional methods for modeling facial
aging: A survey, Journal of Visual Languages and Computing. nr 20, str. 131–144, 2009.
3. Błońska A.: Starzenie skóry to nie grawitacja. http://kopalniawiedzy.pl/starzenie-sie-skoraobwisanie-grawitacja-kosciec-twarzy-Duke-University-dr-Michael-Richard-3695.html.
4. Burak E., Chomczyk I., Hubert E., Iwaszko-Krawczuk W., Midro A. T., Szeląg W. M., Wasilewska
E.: Wyniki oceny fotoantropometrycznej twarzy w grupie zdrowych noworodków. Przegląd
Pediatryczny, nr 34, 188–195, 2004.
5. Burt D. M., Perret D. I.: Perception of age in adult Caucasian Male faces: computer graphic
manipulation of shape and colour information. Journal of Royal Society, nr 259, str. 137-143, 1995.
6. Chellappa R., Ramananathan N.: Face verification across age progression. IEEE Transactions on Image Processing, Nr 15 (11), str. 3349–3362, 2006.
7. Chellappa R., Ramananathan N.: Modeling Age Progression in Young Faces, Computer
Vision and Pattern Recognition, nr 1, str. 387–394, 2006 .
8. Głąb H., Haduch E. Kaczanowski K., Mayer B., Niedźwiecka E. Schmager J., Szczepanek A.,
Szostek K., Wronka I.: Dziecko żywieckie. PiT, Kraków, 2005.
42
B. Gajlikowska
9. Kelly K. M., Littlefield T. R., Pomatto J. K., Ripley C. E., Beals S. P., Joganic E. F.:
Importance of early recognition and treatment of deformational plagiocephaly with orthotic
cranioplasty. American Cleft Palate-Craniofacial Journal, nr 36: str. 127–30, 1999.
10. Kulewicz M.: Wzrost i rozwój twarzoczaszki. Acta Clinica, nr 2, str. 168–178, 2002.
11. Noore A., Singh R., Singh S. K., Vatsa M.: Age transformation for improving face recognition performance. LNCS, nr 4815, str. 576–583, 2007.
12. Rhodes M. G.: Age Estimation of Faces: A Review. Applied Cognitive Psychology, nr 23,
str. 1–12, 2009.
13. Treacy P.: Facial aging throught the years. Global Press Release Distribution, 2009.
Rękopis dostarczono dnia 15.09.2009 r.
Opiniował: dr hab. inż. Jacek Starzyński
PROBLEM OUTLINE OF AUTOMATIC COMPENSATION
OF CHANGES INFLUENCED BY FLOW OF TIME
IN FACE RECOGNITION SYSTEMS
B. GAJLIKOWSKA
ABSTRACT
The aim of this paper is to describe problems and
possible solutions concerns automatic face recognition with especial
consideration changes influenced by flow of time.
Craniofacial anthropometry which involves measurements of the skull
and face was shortly described. Its measurements are important for
studies of human growth, population variation and clinical treatment.
This paper also includes so far studies in computer vision and
psychophysics and recommendations for future work on this topic.
This article consist a short description of chosen aging process
modeling systems and their influence on face recognition.
Mgr inż. Beata GAJLIKOWSKA jest absolwentką Akademii
Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Ukończyła kierunek Informatyka
na Wydziale Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki
w 2005 r. W 2008 r. rozpoczęła studia doktoranckie na tym samym
wydziale. Od 10.2003 do 09.2006 pracowała na stanowisku informatyka w firmie ComArch S.A., następnie od 10.2006 r. do 05.2008
na stanowisku projektanta w tej samej firmie. Od 06.2008 pracuje
jako inżynier oprogramowania w firmie ABG S.A.

zarys problematyki automatycznego kompensowania zmian

Transkrypt

Podobne dokumenty

więcej

Mateusz Skibiński - wywiad z prof. Marią Siemionow

PORADNIK - jak zrobić dobre zdjęcie, nadające się

instrukcji