Luận văn Dò tìm và cắt ảnh mặt người dùng PCA

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCM KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: DÒ TÌM VÀ CẮT ẢNH MẶT NGƯỜI DÙNG PCA GVHD: Ths. Đào Thị Thu Thủy SVTH : Nguyễn Trung Hiếu -06052461 Bùi Ngọc Liêm -06054491 Lớp : DHDT2B1 TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2010 LỜI MỞ ĐẦU Hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hội, vấn đề an ninh bảo mật đang được yêu cầu khắt khe tại mọi quốc gia trên thế giới. Các hệ thống nhận dạng con người được ra đời với độ tin cậy ngày càng cao. Một trong các bài toán nhận dạng con người rất được quan tâm hiện nay là nhận dạng khuôn mặt. Vì nhận dạng khuôn mặt là cách mà con người sử dụng để phân biệt nhau. Bên cạnh đó, ngày nay việc thu thập, xử lý thông tin qua ảnh để nhận biết đối tượng đang được quan tâm và ứng dụng rộng rãi. Với phương pháp này, chúng ta có thể thu nhận được nhiều thông tin từ đối tượng mà không cần tác động nhiều đến đối tượng nghiên cứu. Sự phát triển của khoa học máy tính tạo môi trường thuận lợi cho bài toán nhận dạng khuôn mặt người từ ảnh số. Các hệ thống nhận dạng offline đã ra đời và có độ tin cậy cao, tuy nhiên các hệ thống nhận dạng online lại chưa đáp ứng được nhiều. Bài toán nhận dạng khuôn mặt người là một bài toán hấp dẫn, không giới hạn giải pháp sử dụng, vận dụng linh hoạt kiến thức trong nhiều lĩnh vực, đã thách thức nhiều người nghiên cứu vì tính ứng dụng to lớn trong thực tế. Đây là một chủ đề có thể nói còn tương đối mới với những ứng dụng mang tính công nghệ cao như: robot, các thiết bị camera,các hệ thống bảo mật, nhận dạng,…đã và đang được các hãng, công ty áp dụng vào nhằm nâng cao các tính năng sản phẩm của mình trong quá trình cạnh tranh trên thị trường hiện nay… Với mong muốn tiếp cận các công nghệ mới, đồng thời bổ sung kiến thức về khoa học kỹ thuật hiện đại, cũng như tổng kết lại những kỹ năng, kiến thức trong suốt quá trình học tập tại trường, chúng em xin chọn đề tài “ Dò tìm và cắt ảnh mặt người dùng PCA”. Đây có thể là một bài toán nhỏ, nhưng nó cũng giúp chúng em có một cái nhìn khái quát về bài toán, tạo cơ sở tiền đề cho sự tìm tòi và phát triển các hướng cao hơn trong sự nghiên cứu các công nghệ mới... Bài luận này được trình bày bao gồm có 5 chương: • Chương 1: Giới thiệu Matlab và khái quát về ảnh. • Chương 2: Các phương pháp xác định khuôn mặt. • Chương 3: Phân tích thành phần chính PCA. • Chương 4: Chương trình mô phỏng. • Chương 5: Kết luận. Nội dung của đề tài: - Tìm hiểu phương pháp nhận diện ảnh. - Nghiên cứu PCA. - Dò tìm ảnh mặt người có không gian (1=>4). - Cắt ảnh mặt và lưu vào 1 file. - Xử lý ảnh động qua webcam. Trong bài luận này chúng em xin đề cập tới vấn đề dò tìm và nhận dạng mặt người qua một ảnh tĩnh cho trước, đồng thời mở rộng hơn là xử lý ảnh thu được qua một thiết bị thu ảnh, ví dụ như: camera, webcam,… LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian học tập và nghiên cứu, cuối cùng chúng em cũng đã hoàn thành bài luận nghiên cứu của mình. Đây là thời điểm tốt nhất để chúng em có dịp được bày tỏ lòng biết ơn của mình đến những người thân đã giúp đỡ động viên trong suốt quá trình chúng em thực hiện bài luận này. Trước tiên, chúng em xin cảm ơn BGH trường Đại Học Công Nghiệp Thành Phố Hồ Chí Minh, Quý Thầy Cô trong khoa Công nghệ Điện Tử đã tạo điều kiện cho chúng em thực hiện bài luận này. Đặc biệt là Cô Đào Thị Thu Thủy, Cô không chỉ là người hướng dẫn khoa học một cách tài tình, mà còn là người dìu dắt chúng em, động viên và định hướng cho chúng em có những bước đi đầu đời về một cách nhìn khoa học về trí thức, cuộc sống, và sự cố gắng phấn đấu trong tương lai, điều này có ý nghĩa rất sâu sắc đối với chúng em, giúp chúng em tự tin và nổ lực hoàn thành bài luận này đúng thời hạn. Một lần nữa, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến với Cô. Đồng thời chúng con xin cám ơn cha mẹ, anh chị đã hết sức thông cảm, chia sẽ và động viên chúng con trong những khó khăn trong quá trình làm đồ án tốt nghiệp này. Xin cám ơn những người bạn thân yêu, những người đã yêu mến, chia sẽ, giúp đỡ chúng tôi trong lúc chúng tôi thực hiện bài luận này. Kết quả của bài luận này là món quà mà chúng em dành tặng cho tất cả mọi người thân yêu, với tất cả tấm lòng mình! Sinh viên thực hiện Nguyễn Trung Hiếu Bùi Ngọc Liêm NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... Chữ ký của giáo viên NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... Chữ ký của giáo viên MỤC LỤC Trang Chương 1: GIỚI THIỆU MATLAB VÀ KHÁI QUÁT VỀ ẢNH .............................................................................................................................1 1.1 Giới thiệu chung về phần mềm Matlab.........................................................2 1.1.1 Khái niệm về Matlab ............................................................................2 1.1.2 Tổng quan về cấu trúc dữ liệu Matlab, các ứng dụng ..........................2 1.1.2.1 Dữ liệu..........................................................................................3 1.1.2.2 Ứng dụng......................................................................................3 1.1.2.3 Toolbox là một công cụ quan trọng trong Matlab .......................3 1.1.3 Hệ thống Matlab ...................................................................................3 1.1.4 Làm quen với Matlab............................................................................4 1.1.5 Các cửa sổ làm việc của Matlab ...........................................................5 1.2 Giới thiệu khái quát về ảnh số......................................................................7 1.2.1 Các khái niệm cơ bản về ảnh................................................................7 1.2.2 Các cách phân loại ảnh .........................................................................8 1.3 Xử lý ảnh với Matlab ...................................................................................9 1.3.1 Xử lý ảnh .............................................................................................9 1.3.2 Các giai đoạn xử lý ảnh .....................................................................10 1.3.3 Xử lý ảnh với Matlab..........................................................................11 1.3.3.1 Các kiểu ảnh trong Matlab.........................................................11 1.3.3.2 Các hàm xử lý ảnh cơ bản trong Matlab....................................13 1.3.3.3 Biến đổi không gian ảnh ............................................................20 Chương 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH KHUÔN MẶT ...........................................................................................................................36 2.1 Định nghĩa bài toán xác định khuôn mặt người ..........................................37 2.2 Ứng dụng của phương pháp xác định khuôn mặt .......................................37 2.3 Phương pháp xác định khuôn mặt...............................................................39 2.3.1 Hướng tiếp cận dựa trên tri thức.........................................................40 2.3.2 Hướng tiếp cận dựa trên đặc trưng không thay đổi ............................41 2.3.2.1 Các đặc trưng khuôn mặt ...........................................................42 2.3.2.2 Kết cấu .......................................................................................45 2.3.2.3 Sắc màu của da...........................................................................45 2.3.2.4 Đa đặc trưng...............................................................................45 2.3.3 Hướng tiếp cận dựa trên so khớp mẫu................................................45 2.3.4 Hướng tiếp cận dựa trên diện mạo .....................................................46 2.4 Khó khăn và thử thách trong bài toán xác định khuôn mặt người ..............47 Chương 3: PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH PCA (PRINCIPAL COMPONENT ANALYSIS) ...........................................................................................................................48 3.1 Sơ lược về phân tích thành phần chính PCA ..............................................49 3.2 Thuật toán PCA và ứng dụng trong nhận dạng khuôn mặt người ..............50 3.2.1 Thuật toán ...........................................................................................50 3.2.2 Phân tích thành phần chính PCA .......................................................50 3.2.3 Hình ảnh minh họa .............................................................................53 3.3 Ứng dụng Eigenfaces trong việc nhận dạng mặt người ..............................56 3.3.1 Tính toán Eigenfaces ..........................................................................59 3.3.2 Dùng Eigenfaces để phân loại ảnh mặt người. ...................................61 3.3.3 Ứng dụng Eigenfaces để phát hiện gương mặt...................................62 3.3.3.1 Xem xét lại không gian mặt .......................................................63 3.3.3.2 Nhận dạng theo thời gian thực ...................................................64 3.4 Nhận xét ......................................................................................................65 3.4.1 Ưu điểm của phương pháp PCA.........................................................65 3.4.2 Nhược điểm của PCA.........................................................................65 Chương 4: CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG ...........................................................................................................................67 4.1 Chương trình mô phỏng ..............................................................................68 4.1.1 Cơ sở dữ liệu ảnh................................................................................68 41.1.1 Tập ảnh huấn luyện .......................................................................68 4.1.1.2 Tập ảnh mẫu...............................................................................69 4.1.2 Các bước thực hiện chương trình .......................................................70 4.1.3 Lưu đồ giải thuật.................................................................................72 4.1.3.1 Lưu đồ giải thuật chính ..............................................................72 4.1.3.2 Lưu đồ giải thuật chi tiết ............................................................72 4.1.4 Kết quả mô phỏng...............................................................................77 4.1.5 Tốc độ thực hiện. ................................................................................80 4.2 Nhận xét kết quả đạt được...........................................................................81 Chương 5: KẾT LUẬN...................................................................................85 5.1 Kết luận .......................................................................................................85 5.2 Hướng phát triển đề tài................................................................................85 PHỤ LỤC............................................................................................................. TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. MỤC LỤC HÌNH Trang Hình 1.1 Cửa sổ khi khởi động Matlab...............................................................4 Hình 1.2 Cửa sổ Command History....................................................................6 Hình 1.3 Cửa sổ Workspace................................................................................6 Hình 1.4 Cửa sổ Array Editor.............................................................................7 Hình 1.5 Các bước cơ bản trong xử lý ảnh.........................................................9 Hình 1.6 Ảnh trước và sau khi imresize ...........................................................23 Hình 1.7 Ảnh trước và sau khi imrotate............................................................26 Hình 1.8 Ảnh được quay theo chiều ngang.......................................................27 Hình 1.9 Ảnh trước và sau khi imcrop..............................................................28 Hình 1.10 Ảnh trước và sau khi imcrop theo 1 tọa độ cho trước .....................30 Hình 1.11 Ảnh trước và sau khi imtransforms..................................................32 Hình 1.12 Ảnh trước và sau khi imtransformsvới 1 cường độ ảnh...................35 Hình 2.1 Độ phân giải của 1 ảnh......................................................................41 Hình 2.2 Một loại trí thức của người nghiên cứu phân tích trên khuôn mặt....41 Hình 2.3 Một mẫu khuôn mặt, có 16 vùng và 23 quan hệ (các mũi tên) ..........46 Hình 3.1 Eigenfaces ..........................................................................................53 Hình 3.2 Bức ảnh kiểm tra và hình chiếu của nó..............................................54 Hình 3.3 Ảnh ban đầu .......................................................................................55 Hình 3.4 Face map của bức ảnh ban đầu .........................................................55 Hình 3.5 Face map ảnh ban đầu với không gian không phải là khuôn mặt .....56 Hình 3.6 Những gương mặt dùng để huấn luyện ..............................................57 Hình 3.7 Bảy Eigenfaces được tính toán từ dãy huấn luyện của hình 4.6, phông nền đã được loại bỏ................................................................................58 Hình 3.8 Ảnh và hình chiếu của nó vào không gian mặt người xác định bởi các Eigenfaces từ hình 3.7 ................................................................................61 Hình 3.9 Ảnh gốc và bản đồ mặt người, vùng tối chỉ ra hình dạng khuôn mặt ..........................................................................................................63 Hình 3.10 Ví dụ đơn giản thể hiện 4 hình chiếu của ảnh lên không gian mặt người. Trong trường hợp này sử dụng 2 eigenf