[發(fā)明專利]非均勻光照條件下的人臉圖像采集方法

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• 申請日: 2015-05-25
• 公開（公告）號: CN104881644A
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 秦華標(biāo);張東陽;鐘慶云
• 申請（專利權(quán)）人: 華南理工大學(xué)
• 主分類號: G06K9/00
• 分類號: G06K9/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標(biāo)代理有限公司 44102
• 代理人: 何淑珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及圖像處理和圖像采集中的曝光控制技術(shù)，具體是一種利用多次曝光合成高動(dòng)態(tài)圖像的技術(shù)進(jìn)行非均勻光照下的人臉圖像采集方法。

背景技術(shù)

基于人臉圖像的各種生物識別系統(tǒng)利用結(jié)合機(jī)器視覺技術(shù)，通過計(jì)算機(jī)模擬人的視覺功能和圖像分析理解能力，從人臉圖像中提取所需特征信息，可以完成對人的身份識別以及疲勞狀態(tài)檢測等方面的工作。雖然相關(guān)研究已經(jīng)得到長足的發(fā)展，但大多數(shù)還只是停留在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，其中一個(gè)重要的制約因素是在實(shí)際使用環(huán)境中圖像質(zhì)量的退化導(dǎo)致后續(xù)的機(jī)器視覺處理失效。在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中光照條件不理想是造成圖像質(zhì)量不佳的一個(gè)重要原因，例如存在強(qiáng)光源，光照不均勻，光照方向及強(qiáng)度隨時(shí)間變化等。這些因素會(huì)造成人臉圖像信息的丟失。

圖像采集是基于人臉圖像的生物識別系統(tǒng)工作流程的第一個(gè)步驟，是決定圖像質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一個(gè)設(shè)計(jì)良好的人臉圖像采集系統(tǒng)應(yīng)該能在各種光照條件不理想的場景下采集到包含豐富的人臉細(xì)節(jié)特征的圖像，從而為后續(xù)的圖像處理或機(jī)器視覺應(yīng)用提供高質(zhì)量的信息源。

圖像采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為硬件平臺設(shè)計(jì)和參數(shù)控制方法設(shè)計(jì)，二者共同決定圖像采集系統(tǒng)的性能。目前的人臉圖像采集系統(tǒng)一般采用單次曝光進(jìn)行人臉圖像采集。這種方式在非均勻強(qiáng)光下有難以克服的缺陷。人臉在非均勻光照下會(huì)出現(xiàn)各區(qū)域亮暗不一致的情況，例如單側(cè)光照射下出現(xiàn)“陰陽臉”的情況。若使用較短的曝光時(shí)間會(huì)使暗區(qū)的曝光不足而丟失細(xì)節(jié)信息，若使用較長的曝光時(shí)間會(huì)使亮區(qū)的曝光過度，同樣丟失了細(xì)節(jié)信息。因此使用單次曝光無法獲取完整的人臉信息。目前對非均勻光照下單次曝光所獲得的人臉圖像質(zhì)量不佳的問題，一般采用預(yù)處理的方式進(jìn)行光照糾正。這種方式的效果有限，僅對光照不均勻程度較弱的情況有一定效果。存在非均勻強(qiáng)光時(shí)，單次曝光所丟失的人臉圖像信息無法得到恢復(fù)。

針對現(xiàn)有方法的不足，本發(fā)明提出多次曝光進(jìn)行人臉圖像合成的方法，該方法能較好地克服非均勻光照造成的人臉圖像質(zhì)量退化。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服非均勻光照下采集的人臉圖像質(zhì)量退化的問題。本發(fā)明在非均勻光照的條件下通過多次曝光進(jìn)行合成的方法獲得高質(zhì)量的人臉圖像。本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下：

(1)劃定圖像中的感興趣區(qū)域；

(2)對于感興趣區(qū)域使用基于中性亮度假設(shè)的單次曝光獲取一幀參考圖像。對感興趣區(qū)域進(jìn)行照度區(qū)域劃分；

(3)對于劃分的每一個(gè)照度區(qū)域分別進(jìn)行曝光，控制曝光時(shí)間使得每個(gè)區(qū)域的目標(biāo)亮度都符合中性亮度假設(shè)；

(4)對不同曝光的圖像進(jìn)行高動(dòng)態(tài)范圍圖像合成，并使用色調(diào)映射算子將合成的高動(dòng)態(tài)范圍圖像轉(zhuǎn)化為低動(dòng)態(tài)范圍圖像，以便進(jìn)行后續(xù)的顯示和圖像處理。

所述的步驟(1)對感興趣區(qū)域的劃分可以根據(jù)不同需求進(jìn)行，可以劃定一個(gè)固定大小和位置的矩形區(qū)域，也可以劃定位置和大小在采集過程中發(fā)生變化的區(qū)域，只要該區(qū)域包含了人臉。

所述的步驟(2)中對感興趣區(qū)域的劃分由以下方法進(jìn)行：首先確定劃分的區(qū)域數(shù)，若感興趣區(qū)域中過曝光和欠曝光的像素比例都超過了5％(當(dāng)像素灰度值大于等于250時(shí)，可認(rèn)為該像素過曝光，當(dāng)像素灰度值小于5時(shí)，可認(rèn)為該像素欠曝光)，則劃分為3個(gè)區(qū)域，否則劃分為兩個(gè)區(qū)域；其次利用最大類間方差法得到劃分閾值，若劃分為2個(gè)區(qū)域，則得到單個(gè)劃分閾值，若劃分為3個(gè)區(qū)域，則得到2個(gè)劃分閾值；最后將感興趣區(qū)域中的每個(gè)像素與閾值進(jìn)行比較，落到相同像素值區(qū)間的像素劃分為同一個(gè)照度區(qū)域。

所述的步驟(3)中對每個(gè)照度區(qū)域的曝光時(shí)間控制由以下方法確定：當(dāng)照度區(qū)域存在大量過曝光或欠曝光的像素時(shí)，無法確定目標(biāo)曝光時(shí)間。此時(shí)只能通過調(diào)整曝光時(shí)間步長逐次逼近目標(biāo)曝光時(shí)間。對于過曝光的照度區(qū)域，曝光時(shí)間的調(diào)整依次為T/2，T/4，T/8等，直到該區(qū)域不再過曝光；對于欠曝光照度區(qū)域，曝光調(diào)整時(shí)間分別為2T，4T，8T等，直到該區(qū)域不再欠曝光。當(dāng)照度區(qū)域中欠曝光或過曝光的比例低于5％時(shí)，使用逐步微調(diào)曝光時(shí)間的方法使該照度區(qū)域的目標(biāo)亮度接近中性亮度假設(shè)。當(dāng)前照度區(qū)域亮度小于目標(biāo)亮度時(shí)，調(diào)整下一次曝光時(shí)間為：

T_n+1＝T_n+α(V-V_n)*T_n，

當(dāng)前照度區(qū)域亮度大于目標(biāo)亮度時(shí)，調(diào)整下一次曝光時(shí)間為：

T_n+1＝T_n-α(V_n-V)*T_n，